【正文】 3。 41 致謝 42 曲靖師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)論文 1 引言 、精餾操作在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用 乙醇 水是工業(yè)上最常見(jiàn)的溶劑，也是非常重要的化工原料之一，是無(wú)色、無(wú)毒、無(wú)致癌性、污染性和腐蝕性小的液體混合物。因其良好的理化性能，而被廣泛地應(yīng)用于化工、日化、醫(yī)藥等行業(yè)。近些年來(lái)，由于燃料價(jià)格的上漲，乙醇燃料越來(lái)越有取代傳統(tǒng)燃料的趨勢(shì)，且已在鄭州、濟(jì)南等地的公交、出租車行業(yè)內(nèi)被采用。多年來(lái)，蒸餾工藝被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)的工業(yè)化回收乙 醇的方法。但是隨著能源短缺情況日益嚴(yán)重，研究節(jié)能型蒸餾工藝和非蒸餾回收乙醇工藝已成為乙醇工業(yè)研究的重要課題。在化工、石油、輕工等生產(chǎn)過(guò)程中，原料和中間產(chǎn)品有許多是由幾具組分組成的液相均相混合物 (或稱混合液、溶液 )，為了對(duì)某些組分進(jìn)行提純，或回收其中有用的組分，常需將混合液進(jìn)行分離。精餾就是最為常用的分離方法之一。該設(shè)計(jì)中，用精餾的方法來(lái)分離乙醇和水的混合物。 、精餾的原理 精餾原理可用 tx–y 圖來(lái)說(shuō)明 。如圖片 11 所示，將組成為 Fx 、 溫度為 Ft 的某混合加熱至泡點(diǎn)以上，則該混合物被部分汽液化，產(chǎn)生汽液兩相，其組成分別為 1y 和 1x ， 此時(shí)11Fy x x??。 將汽液兩相分離，并將組成為 1y 的汽相混合物進(jìn)行部分冷凝，則可得到組成為 2y 的汽相和組成為 2x 的液相。繼續(xù)將組成為 2y 的汽相進(jìn)行部分冷凝，又可得到組成為 3y 的汽相和組成為 3x 的液相，顯然 3y 2y 1y 如此進(jìn)行下去，最終的汽相經(jīng)全部冷凝后，即可獲得高純度的易揮發(fā)組分產(chǎn)品。同時(shí)，將組成 為 1x 的液相進(jìn)行部分汽化，則可得到組成為 39。2y 的汽相和組成為 39。2x 的液 相，繼續(xù)將組成為 39。2x 的液相部分汽化，又可得 圖 11 精餾原 理 馮仿華：年處理 水連續(xù)篩板精餾塔設(shè)計(jì) 2 到組成為 39。3y 的汽相和組成為 39。3x 的液相，顯然 39。 39。 39。3 2 1x x x??。 如此進(jìn)行下去，最終的液相即為高純度的難揮發(fā)組分產(chǎn)品。 由此可見(jiàn)，液體混合物經(jīng)多次部分汽化和冷凝后，便可得到幾乎完全的分離，這就是精餾過(guò)程的基本原理。 操作條件的選擇 操作壓強(qiáng) 根據(jù)處理物料的性能和設(shè)計(jì)任務(wù)可以在常壓、加壓和減壓三種條件下進(jìn)行，本設(shè)計(jì)中乙醇和水都為一般原料選擇常壓下操作。 進(jìn)料狀況 進(jìn)料狀有五種即：過(guò)冷液體進(jìn)料，泡點(diǎn)進(jìn)料，氣液混合 進(jìn)料，飽和蒸汽進(jìn)料，過(guò)熱蒸汽進(jìn)料。在實(shí)際生產(chǎn)中為了方便控制和增加分離效果通常采用泡點(diǎn)進(jìn)料，即將原料加熱到泡點(diǎn)才送入精餾塔中。這樣的塔操作比較容易控制。不受季節(jié)氣溫的影響，此外泡點(diǎn)進(jìn)料精餾段與提餾段的塔徑相同，在設(shè)計(jì)和制造上液方便。本設(shè)計(jì)采用泡點(diǎn)進(jìn)料。 加熱和冷凝 精餾塔的加熱方式一般采用間接加 熱方式。 為了讓能量得到充分地利用采用水進(jìn)行加熱和冷凝。塔底產(chǎn)物主要是水而且需要的熱量較多采用水進(jìn)行直接加熱，直接加熱的優(yōu)點(diǎn)是：可以利用較低的蒸汽加熱，在塔內(nèi)只需安裝鼓泡管，不需要安裝龐大的傳熱面， 這樣，操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用均可節(jié)省一些，但是直接蒸汽加熱，蒸汽的不斷涌入， 對(duì)塔底溶液起了稀釋作用。在塔底易揮發(fā)物損失量相同的情況下，塔釜中易于揮發(fā)組分的濃度應(yīng)較低，因而需要塔板數(shù)稍微有所增加。但對(duì)有些物系，當(dāng)殘液中易揮發(fā)組分濃度低時(shí)，溶液的相對(duì)揮發(fā)度大，容易分離故所增加的塔板數(shù)并不多，此時(shí)采用間接蒸汽加熱是合適的 。 對(duì)于塔底和塔頂?shù)睦淠蟮乃诳腕w中重復(fù)循環(huán)至塔底進(jìn)行塔釜加熱，以增加對(duì)能量的利用。 能量的利用 精餾過(guò)程的特性是重復(fù)氣化和冷凝。因此，熱效率很低采用一些改進(jìn)措施提高效率。因此，根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)采用常壓操作，泡點(diǎn)進(jìn)料，間接加熱以及冷水冷凝的曲靖師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)論文 3 冷卻方式，適當(dāng)考慮熱能利用。 設(shè)計(jì)方案及計(jì)算 進(jìn)料方式 進(jìn)料狀態(tài)有多種，但一般都將料液預(yù)熱到泡點(diǎn)或接近泡點(diǎn)才送入塔中。這樣一來(lái)，進(jìn)料溫度就不受季節(jié)、氣溫變化和前道工序波動(dòng)的影響，塔的操作就比較容易控制。此外，泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)，精餾段與提餾段的塔徑 相同，設(shè)計(jì)制造均比較方便。 因此，本設(shè)計(jì)選擇泡點(diǎn)進(jìn)料，即 1q? 。 流程說(shuō)明 本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離水－乙醇混合物。 原料液由泵從原料儲(chǔ)罐中引出，在預(yù)熱器中預(yù)熱至 084C 后送入連續(xù)板式精餾塔（篩板塔），塔頂上升蒸汽流采用強(qiáng)制循環(huán)式列管全凝器冷凝后一部分作為回流液，其余作為產(chǎn)品經(jīng)冷卻至 025C 后送至產(chǎn)品槽；塔釜采用熱虹吸立式再沸器提供氣相流，塔釜?dú)堃核椭翉U熱鍋爐。具體操作如 下：首先，酒精和水的原料混合物進(jìn)入原料罐，在里面停留一定的時(shí)間之后，進(jìn)入原料預(yù)熱器，在原料預(yù)熱器中加熱到泡點(diǎn)溫度。然后，原料從進(jìn)料口進(jìn)入到精餾塔中。因?yàn)楸患訜岬脚蔹c(diǎn)，混合物中既有氣相混合物，又有液相混合物，這時(shí)候原料就分開(kāi)了，氣相混合物在精餾塔中上升，而液相混合物在精餾塔中下降。氣相上升到塔頂上方的冷凝器中，這些氣相被降溫到泡點(diǎn)，其中的液態(tài)部分進(jìn)入產(chǎn)品冷卻器中，停留一定的時(shí)間然后進(jìn)入酒精的儲(chǔ)罐，而其中的氣態(tài)部分重新回到精餾塔中，這個(gè)過(guò)程就叫做回流。液相混合物就從塔底一部分進(jìn)入到塔底產(chǎn)品冷卻器中，進(jìn)入再沸器， 在再沸器中被加熱到泡點(diǎn)溫度重新回到精餾塔。塔里的混合物不斷進(jìn)行上述過(guò)程，而進(jìn)料口不斷有原料的加入。最終，完成酒精與水的分離。 在化工生產(chǎn)中雖然有很多分離方法但大多都是用精餾的方法將物質(zhì)進(jìn)行分離提純。本設(shè)計(jì)是采用連續(xù)精餾塔對(duì)乙醇和水進(jìn)行分離。化工生產(chǎn)中的原料由若干組分所構(gòu)成其中間產(chǎn)物所含成分較少可以忽略不計(jì)，精餾采用典型的單元操作。利用混合的水和乙醇的沸點(diǎn)有著較大的差距之一特點(diǎn)，讓不平衡的氣液組分在塔盤上多次接觸后經(jīng)過(guò)傳質(zhì)、傳熱后，通過(guò)部分冷凝和部分汽化，使易揮發(fā)的乙醇組分在氣相中的含量增加而難揮發(fā)的水則聚集 在液態(tài)之中，從而達(dá)到分離的目的 [2]。 馮仿華：年處理 水連續(xù)篩板精餾塔設(shè)計(jì) 4 工業(yè)上對(duì)精餾塔的設(shè)計(jì)要求： ① 生產(chǎn)能力大； ② 操作彈性大，分離效率高； ③ 流體流動(dòng)阻力小，操作費(fèi)用低； ④ 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，制造、安裝、維修方便等 [3]。 設(shè)計(jì)方案 精餾方式：本設(shè)計(jì)采用連續(xù)精餾方式。原料液連續(xù)加入精餾塔中，并連續(xù)收集產(chǎn)物和排出殘液。其優(yōu)點(diǎn)是集成度高，可控性好，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。由于所涉濃度范圍內(nèi)乙醇和水的揮發(fā)度相差較大，因而無(wú)須采用特殊精 餾。 操作壓力：本設(shè)計(jì)選擇常壓，常壓操作對(duì)設(shè)備要求低，操作費(fèi)用低，適用于乙醇和水這類非熱敏沸點(diǎn)在常溫（工業(yè)低溫段）物系分離。 塔板形式：根據(jù)生產(chǎn)要求，選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，造價(jià)低廉的篩板塔，篩板塔處理能力大，塔板效率高，壓降較低，在乙醇和水這種黏度不大的分離工藝中有很好表現(xiàn)。 加料方式和加料熱狀態(tài)：加料方式選擇加料泵打入。由于原料溫度穩(wěn)定，為減少操作成本采用 030C 原料冷液進(jìn)料。由于蒸汽質(zhì)量不易保證，采用間接蒸汽加 熱。 熱 再沸器，冷凝器等附屬設(shè)備的安排：塔底設(shè) 置再沸器，塔頂蒸汽完全冷凝后在冷卻至 060C 回流入塔。冷凝冷卻器安裝在較低的框架上通過(guò)回流比控制期分流后，用回流泵打回塔內(nèi)，餾出產(chǎn)品進(jìn)入儲(chǔ)罐。塔釜產(chǎn)品接近純水，一部分用來(lái)補(bǔ)充加熱蒸汽，其余儲(chǔ)槽備稀釋其他工段污水排放。 精餾塔的物料衡算 原料液處理量為 12021 噸 /年 ,（每年生產(chǎn) 330 天），塔頂產(chǎn)品組成 94%（ w/w）乙醇。原料 40%（ w/w）乙醇水溶液。 分子量 = 1 8 / 。 = 4 6 /M k g k m o l M k g k m o l水 乙 醇。 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率 液相中 A 組分的摩爾分率，計(jì)算是如下 Fx 原料液中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)： 0 . 4 0 . 4 0 . 6/ ( ) 0 . 2 0 74 6 . 0 7 4 6 . 0 7 1 8 . 0 2Fx ? ? ? (21) Dx 塔頂餾出液中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)： 曲靖師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)論文 5 0 . 9 4 0 . 9 4 0 . 0 6/ ( ) 0 . 8 6 04 6 . 0 7 4 6 . 0 7 1 8 . 0 2Dx ? ? ? Wx 釜液中易揮發(fā)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)： 0 . 0 2 0 . 0 2 0 . 9 8/ ( ) 0 . 0 0 84 6 . 0 7 4 6 . 0 7 1 8 . 0 2Wx ? ? ? 原料及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 0 .2 0 7 4 6 .0 7 ( 1 0 .2 0 7 ) 1 8 .0 2 2 3 .8 2 k g / k m o lFM ? ? ? ? ? ? (22) 0 .8 6 0 4 6 .0 7 ( 1 0 .8 6 0 ) 1 8 .0 2 4 2 .1 4 k g / k m o lDM ? ? ? ? ? ? 0 .0 0 8 4 6 .0 7 ( 1 0 .0 0 8 ) 1 8 .0 2 1 8 .1 4 k g / k m o lWM ? ? ? ? ? ? 物料衡算 原處理量為： 1 2 0 0 0 1 0 0 0 / 2 3 . 7 7 6 3 . 7 4 /3 3 0 2 4F k m o l h???? 總物料衡算： F D W?? (23) DW?? 乙醇物料衡算： F D WF D Wx x x? ? ? ? ? (24) 63 .74 D ? ? ? 聯(lián)立兩方程解得： D 14 .8 9 km ol / h? W 4 5 k m o l / h? 塔頂產(chǎn)品易揮發(fā)組分率 ? 為 DFDxFx?? (25) 14 .85 / 63 .74 ? ? ? ? ? 塔溫的確定 馮仿華：年處理 水連續(xù)篩板精餾塔設(shè)計(jì) 6 表 21 不同溫度下乙醇和水的汽液平衡組成數(shù)據(jù)如下 液相摩爾 分?jǐn)?shù) x/% 氣相摩爾 分?jǐn)?shù) y/% 溫度 /℃ 液相摩爾 分?jǐn)?shù) x/% 氣相摩爾 分?jǐn)?shù) y/% 溫度 /℃ 100 塔頂溫度： ? 進(jìn)料溫度： ? 塔底溫度 ： ? 精餾段的平均溫度：1 8 2 .9 7 8 .1 8 0 .52t ??? 提餾段的平均溫度 :2 8 2 .9 9 8 .1 9 0 .52t ??? 全塔平均溫度： 8 2 .9 9 8 .1 7 8 .1 8 6 .3 73t ?? 塔頂與塔底的平均溫度下的揮發(fā)度 // AbA A BB B B A ByxPxP x y x?? ?? ? ? (26) 理想下的相對(duì)揮發(fā)度 ： 00ABPP??。 式中： ? —溶液中酒精對(duì)水的相對(duì)揮發(fā)度； Av 、 Bv —溶液中酒精對(duì)水的揮發(fā)度； A B A Bx x y y、 、 、 —相平衡時(shí)液相和氣相中各組分的摩 爾分?jǐn)?shù)。 由液體飽和蒸汽壓 0P 的 Antoine (安托因 )方程可知： 曲靖師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)論文 7 由安托因公式 ( Antoine ) 0log BPAtC??? (27) 注： 0P ——純組分液體的飽和液體的蒸汽壓 kPa ； ——Antoine 常數(shù)。 乙醇和水的 Antoine 常數(shù)如下 表 22 Antoine 常數(shù)值 組分 A B C 乙醇 (A) 水（ B） 全塔平均溫度 下 ,全塔的相對(duì)揮發(fā)度 00ABPP??。 00 ogP 7 .33 827 2 .1486. 37 231 .48P 138 .03 8AA? ? ??? 00 ogP 7 .07 406 986. 37 227 .02P 60. 256AA? ? ??? 得 ： 38 56? ?? 同理 ,塔頂?shù)臏囟?: 78 .1, ??? 進(jìn)料的溫度 : , ??? 塔底的溫度 : , ??? 對(duì)于精餾段 : 2 .2 4 2 .2 8 2 .2 6WD? ? ?? ? ? ? 對(duì)于提餾段 : 2 .2 6 2 .2 8 2 .2 7m F D? ? ?? ? ? ? 馮仿華：年處理 水連續(xù)篩板精餾塔設(shè)計(jì) 8 表 23 乙醇 水溶液相平衡數(shù)據(jù) X Y X Y X Y 0． 0077 乙醇——水氣液平衡圖X Dy = + 010 1液相摩爾分?jǐn)?shù)氣相摩爾分?jǐn)?shù) 圖 21 乙醇 水汽液平衡圖 曲靖師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)論文 9 由 minmin RR ?? 得： min ? minR2R? ? 操作線的確定 精餾段： L R D 3 .1 14 .89= ol /h? ? ? ? ? ? ?1 3 .1 1 1 4 .8 9 6 1 .0 5 k m o l / hV R D? ? ? ? ? ? 精餾段的操作線方程為： 1 4 6 . 1 6 1 4 . 8 9 0 . 8 6 06 1 . 0 5 4 6 . 1 6n n D nLDy x x xVV? ? ? ? ? ? (28) ?? 提餾段 : 39。 46. 16 1 63. 74 109 .9 /L L qF k m ol h? ? ? ? ? ? 39。 ( 1 ) 61. 05 ( 1 1 ) 63. 74 61. 05V V q F? ? ? ? ? ? ? ? 提餾段的操作線方程： 39。1 39。39。 1 0 9 . 9 4 8 . 8 5 0 . 0 0 86 1 . 0 5 6 1 . 0 5n n W nLWy x x xVV? ? ? ? ? ? ?? 理論塔板數(shù)的確定 理論板數(shù) TN 由芬斯克方程式可知： m in1 0. 86 0 1 0. 86 0lg lg1 1 0. 86 0 0. 00 811l g l g 2. 26WDDWmXXXXN??? ???? ? ? ? ?? ? ? ??? ????? ? ? ???? ??? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? (31) 馮仿華：年處理 水連續(xù)篩板精餾塔設(shè)計(jì) 10 1 ? ? ? 并且 m i n 3 .3 1 1 .5 4 6 0 .3 81 3 .1 1RRR? ????? 由吉利蘭圖 [3]查得： m i n 7 . 2 30 . 3 2 511TTN N NNN?????? 解得 : 12TN ? 進(jìn)料板 m in1 0. 86 0 1 0. 20 7lg lg1 1 0. 86 0 0. 20 71 1 2. 91l g l g 2. 26 0DFDFmXXXXN???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ???? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? 前已經(jīng)查出 m in 1T TNNN? ?? m in TNNN? ?? TN N? ?? ? 故進(jìn)料板為從塔頂往下的第 5 層理論板 :即 5FN ? 總理論板層數(shù) ： 12TN ? ， 不包括再沸器 進(jìn)料板位置 ： 5FN? 全塔效率 TE 塔的平均溫度 混合物的平均相對(duì)揮發(fā)度 3= 6D F W? ? ? ? ?。 精確的計(jì)算方法 ,目前，塔板效率的估算方法大體分為兩類。一類是較全面的考慮各種傳質(zhì)和流體力學(xué)因素的影響，從點(diǎn)效率出發(fā)，逐步計(jì)算出全塔效率；另一類是簡(jiǎn)化的曲靖師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)論文 11 經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法。奧康奈爾方法 [6]目前被認(rèn)為是較好的簡(jiǎn)易方法。對(duì)于精餾塔，奧康奈爾法將總塔板總效率與物系性質(zhì)、塔板結(jié)構(gòu)及操作條件都有密切 的關(guān)系，由于影響因素很多，目前尚無(wú)板效率對(duì)液相黏度與相對(duì)揮發(fā)度的乘積進(jìn)行關(guān)聯(lián)，表達(dá)式如下： 2 4 )( ?? LTE ?? (32) 對(duì)于多組分系統(tǒng) L? 可按下式計(jì)算，即 ?? LiiL x ?? Li? ——液相任意組分 i 的黏度， .mpas ； ix ——液相中任意組分 i 的摩爾分?jǐn)?shù)。 在 t= 0C 時(shí)，由液體黏度共線圖 [3]查得 ? ? （圖中，乙醇的 X ? ， Y ? ）。水的黏度 .L Pa s? ? ? ?0 .2 0 7 0 .3 8 1 1 0 .2 0 7 0 .3 2 5 0 .3 3 7 m Pa . sL L L ix??? ? ? ? ? ? ?? (33) 即全塔效率 ET： 0. 24 5 0. 24 50. 49 0. 49 ( 2. 26 0. 33 7 ) 0. 52T L LE ?? ??? ? ? ?（ ） 實(shí)際塔板數(shù) 精餾段的實(shí)際塔板數(shù)： 5 9 .6 1 00 .5 2TP TNN E? ? ? ? 提餾段的實(shí)際塔板數(shù)： 39。 7 1 3 .4 6 1 40 .5 2Tm TNN E? ? ? ? 4 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 操作壓強(qiáng) mP 塔頂壓強(qiáng)： ? 每層塔板的壓強(qiáng)： P ?? 進(jìn)料板的壓強(qiáng)： 101 .33 10 108 .33FP k Pa? ? ? ? 塔釜壓強(qiáng)： 1 0 1 .3 3 0 .7 2 4 1 1 8 .1 3WP ? ? ? ? 馮仿華：年處理 水連續(xù)篩板精餾塔設(shè)計(jì) 12 精餾段的平均壓力： 1 0 1 .3 3 1 0 8 .3 3 1 0 4 .8 32mP ??? 提餾段的平均壓力： 1 1 8 .1 3 1 0 8 .3 3 1 1 3 .2 32mP ??? 精餾塔的平均壓強(qiáng)： 1 0 1 . 3 3 1 0 8 . 3 3 1 1 8 . 2 3 1 0 9 . 33p ?? 溫度 mt 有前面的計(jì)算可知： 塔頂溫度： ? 進(jìn)料溫度： ? 塔底溫度： ? 精餾段的平均溫度：1 8 2 .9 7 8 .1 8 0 .52t ??? 提餾段的平均溫度：2 8 2 .9 9 8 .1 9 0 .52t ??? 全塔平均溫度： 8 2 .9 9 8 .1 7 8 .18 6 .3 73t ?? 平均摩爾質(zhì)量 M 1 ?? 0 .8 6 0 4 6 .0 7 ( 1 0 .8 6 0 ) 1 8 .0 2 4 2 .1 4 3 /VDM k m o l h? ? ? ? ? ?