酒精生產(chǎn)過程中精餾塔的設(shè)計

1、一設(shè)計題目、任務(wù)和條件(一) 設(shè)計題目酒精生產(chǎn)過程中精餾塔的設(shè)計（二）設(shè)計任務(wù)1.簡述酒精精餾過程的生產(chǎn)方法及特點， 2.論述精餾總體結(jié)構(gòu)(塔型、主要結(jié)構(gòu))的選擇和材料選擇；3.精餾過程的計算（1）精餾過程的物料衡算（2）精餾過程的熱量衡算（3）理論塔板層數(shù)的確定（4）最小回流比及操作回流比的確定（5）塔高的計算（6）塔徑塔板設(shè)計（7）進出管徑的計算（8）浮閥數(shù)目及排列（9）流體力學(xué)驗算（10）設(shè)計圖要求l 1、用594×841圖紙繪制裝置圖一張：一主視圖，一俯視圖，一剖面圖，兩個局部放大圖。設(shè)備技術(shù)要求、主要參數(shù)、接管表、部件明細(xì)表、標(biāo)題欄。l 2、 用420×594圖紙

2、繪制設(shè)備流程圖一張； 3、用坐標(biāo)紙繪制乙醇水溶液的y-x圖一張，并用圖解法求理論塔板數(shù)（三） 設(shè)計條件1、生產(chǎn)能力： 40 t/d二級酒精2、原料：乙醇含量29.8%（wt）的粗餾冷凝液，以乙醇水二元系為主；3、采取直接蒸汽加熱：4、采取泡點進料：q=15、餾出液中乙醇含量>95(v)，并符合二級酒精標(biāo)準(zhǔn)：6、釜殘液中乙醇含量不大于02(w)7、四級酒精(含乙醇為95(v)其它無要求)的產(chǎn)出率為二級酒精的2；8、塔頂溫度 78，塔底溫度100-104；9、塔板效率0.3-0.4或更低；10、精餾段塔板數(shù)計算值 22層，工廠 32層，提餾段塔板數(shù)計算值 10層，工廠 16層；11、二級酒精

3、從塔第三、四、五層提??；12、二、四級酒精的冷卻溫度為25，冷卻水溫度：進口20，出口35-4013、回流比大致范圍 3.5-4.5（通過最少回流比計算）14、其他參數(shù)(除給出外)可自選15. 單板壓降不大于0.7kpa二酒精生產(chǎn)的基本情況（一）工業(yè)酒精生產(chǎn)方法簡介工業(yè)上生產(chǎn)酒精主要有兩種方法：合成法和發(fā)酵法工業(yè)上用的最廣的是發(fā)酵法： l 微生物細(xì)胞在無氧條件下，進行無氧呼吸，將吸收的營養(yǎng)物質(zhì)通過細(xì)胞內(nèi)酶的作用，進行一系列的生物化學(xué)反應(yīng)，把復(fù)雜的有機物分解為比較簡單的生化中間產(chǎn)物，同時放出一定能量的過程發(fā)酵l 簡單地說，就是在無氧條件下，微生物將復(fù)雜的有機物轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚漠a(chǎn)物的過程，就叫做發(fā)酵l

4、 其工藝流程如下：原料、淀粉（紅薯干或玉米）中碎細(xì)碎 潤濕調(diào)漿 加熱蒸煮、加壓到4atm蒸汽直接加熱到糊精糖化酶 糖化成葡萄糖、水、渣 發(fā)酵生產(chǎn)酒精 酵母 其中乙醇7%8%，最大處10% 其他有機物有雜醇、醛、酸等 渣主要是酒糟、水等直接蒸汽 粗餾 酒糟、水冷凝直接蒸汽 精餾 二級酒精、四級酒精、雜醇、油水設(shè)備流程圖（二）酒精精餾的生產(chǎn)方法及特點 1. 生產(chǎn)過程的特點概述：（1）以乙醇水二元物系為主，在蒸餾釜殘液中的主要成分加水，在低濃度下輕組分的相對揮發(fā)度較大，則可用直接蒸汽加熱，因而可以利用壓強較低的加熱蒸汽以節(jié)省操作費用，并省掉直接加熱設(shè)備。（2）該設(shè)計主要是設(shè)計酒精生產(chǎn)的最后一個環(huán)節(jié)精

5、餾。其過程如下所述；氣相進塔的兩塔流程液相進塔的兩塔流程回流裝置（三）計算過程1. 精餾流程和塔型的選擇 乙醇和水混合料經(jīng)預(yù)熱器加熱至泡點后，送至精餾塔，塔頂采用全凝器冷凝后，一部分作回流，其余為塔頂產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送貯槽，塔釜采用直接蒸汽供熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至貯槽，流程圖如下圖：根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，若按每天開動設(shè)備24小時計算，產(chǎn)品流量為1.67t/h，由于產(chǎn)品粘度較小，流量較大，為減少造價，降低生產(chǎn)過程中壓降和塔板液面落差的影響，提高生產(chǎn)效率，選用浮閥塔。塔設(shè)備的高度與直徑之比，因情況不同，差別很大，塔外殼用鋼板焊制，也可用鑄鐵鑄造，每層塔板為一節(jié)，并用法蘭連接。塔體材料和踏板材料均選用,因這種

6、不銹鋼具有高的強度極限，較低的屈服極限，極好的塑性和韌性，他的焊接性能和冷彎成形等工藝性也很好，是目前制造容器、塔的最廣泛的一類不銹鋼，又因為這種鋼在乙醇介質(zhì)中有很好的耐腐蝕性，所以選用。2，塔的物料衡算：2.1原料液及塔頂,塔底產(chǎn)品含乙醇(易揮發(fā)組分)摩爾分率乙醇的摩爾質(zhì)量 ma=46 /kmol水的摩爾質(zhì)量mb=18 /kmolxf= =0.142xd=0.855xw=0.000784其中xf原料液的摩爾分率xd塔頂產(chǎn)品的摩爾分率xw底產(chǎn)品的摩爾分率酒精濃度的換算如表2所示表1 酒精濃度換算如表類別物系 體積分率(v)質(zhì)量分率(w)摩爾分率(x)原料液f29.8xf=0.142餾出液d95

7、%93.8xd=0.855釜液w0.2xw=0.0007842.2原料及塔頂塔底摩爾質(zhì)量mf= 0.142 46+(1-0.142) 18=21.976 kg/kmolmd=0.855 46+(1-0.855) 18=41.94 kg/kmolmw=0.00078 46+(1-0.0078) 18=18.022 kg/kmol其中:mf原料液的平均摩爾質(zhì)量,kg/kmolmd塔頂產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量,kg/kmolmw塔頂產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量,kg/kmol2.3物料衡算總物料衡算 f+v0=w+d易揮發(fā)組分fxf=dxd+wxw已知 d=40000/(41.94 24)=39.74kmol/h直

8、接蒸汽加熱v=v0=l+d=(r+1)*d由后面所作乙醇-水溶液的y x圖知回流比r=3.8684v=v0=(3.8684+1)×89.41=158.36kmol/h 聯(lián)立解得f=239.05kmol/hw=199.02kmol/h其中f 原料液流量, kmol/hd 塔頂產(chǎn)品(餾山液)流量,kmol/hw 塔底產(chǎn)品(釜底液)浪量,kmol/hv0 直接加熱蒸汽摩爾質(zhì)量,kmol/hv 精餾段中上升蒸汽摩爾質(zhì)量,kmol/h2.4熱量衡算查得質(zhì)量分率29.8%的乙醇的泡點為84.7且84.7時水= 968.745kg/m3 乙醇=732.65 kg/m3xf=29.8% xw=0.2

9、% 已知:xd=93.5%采用過熱蒸汽加熱,可取加熱蒸汽溫度t=130,查得水蒸汽的焓iv=93.5%(w)的酒精的沸液焓ild=244.54kj/h 29.8%(w)酒精的沸液焓if=404.98 kj/h93.5%(w)酒精的沸液焓ivd=1208.67 kj/h0.2%(w)酒精的沸液焓iw=419.8 kj/h2.4.1全塔的熱量衡算:根據(jù)熱量守衡,有左邊=478.10*537.86*21.976+2708.9*435.28*18.02184+244.92*317.29*4194=3.02* kj/h右邊=1204.475*435.28*41.94+447.79*398.04*18.0

10、2184+ 求得=4.96* kj/hr由后面作圖可求得.2.4.2冷凝器的熱量衡算根據(jù)公式qc=(r+1)d(ivd-ild),其中r=3.8684,將數(shù)據(jù)代入得:qc=21.75* kj/h.其中:qc損失的熱量,kj/h2.4.3再沸器的熱量衡算由于本設(shè)計未采用再背時器,故不做熱量衡算2.4.4預(yù)熱哭喊 的的熱量衡算對預(yù)熱器有:fi0+qp=fip故qp=f(if-i0)則=3.50* kj/h其是:qp預(yù)熱器的熱負(fù)荷,cp原料液平均比熱容原料液的溫度冷卻水進口溫度3.塔板數(shù)的確定3.1理論塔板數(shù)nt的求取乙醇水屬理想物系,可采用圖解法求理論塔板數(shù)3.1.1乙醇-水物系的y-x圖根據(jù)常壓

11、下乙醇-水物系的氣液平衡數(shù)據(jù),作出y-x圖,見a1坐標(biāo)紙上的乙醇水溶液的y-x圖3.1.2求最水回流比rmin以及操作回比在乙醇水溶液的y-x圖上利用m.t圖解法可得yq=0.385 xq=xf=0.142故最水回流比為rmin=1.99342q線性方程因為泡點進料,故q=1,xf=xq取操作回流比為r=r2rmin=2*1.93=3.8684 (在3.4 -3.5之間,符合要求)3.1.3精餾段操作線方程y= y=由圖可得理論板層數(shù)nt=21層,其中,精餾段為16層,提餾段4層,第17層為進料板.其中:yq,xq-q 線與平衡線的交點坐標(biāo)可以由圖讀出rmin-最小回流比,無因次r-回流比,無

12、因次3.2全塔效率的求取,由式樣et=0.17-0.616lg已知:td=78 tb=100-104(取tb=102),則塔的平均溫度為tm=90已知90下,乙醇和水的粘度分別為:乙醇=0.4mpas 水=0.3165mpas該溫度下的進料液相平均粘度為:m=0.142乙醇+(1-0.142) 水=0.142*0.4+0.858*0.3165=0.3284 mpas全塔效率:et=0.4679=46.79%其中:et全塔效率,無因次td-塔頂溫度,tb 塔底溫度,乙醇的粘度,m原料液的平均粘度3.3實際塔板數(shù)n精餾段 =16/0.4679=34.2 取35層提鎦段= 5/0.4679=10.7

13、 取11層進料板取層取36層4.塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算4.1操作壓強pm因為采用常壓精餾,故塔頂壓強為pd=101.3kpa,取每層塔板的壓降為 p=0.7 kpa則進料板壓強pf=101.3+35*0.7=125.8 kpa精餾段平均操作壓強pm=（101.3+125.8）/2=113.55 kpa4.2操作溫度tm塔頂溫度tm= 78查得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.8%的乙醇的泡點,既tf=84.7精餾段的平均溫度為=（78+84.7）/2=81.354.3平均摩爾質(zhì)量mm塔頂平均摩爾質(zhì)量計算:xd=y1=0.855由平衡曲線得x1=0.85=41.94kg/kmol=41.8 kg/kmo

14、l進料板平均摩爾質(zhì)量計算:xf= 0.088 yf=0.408=29.424 kg/kmol=20.464 kg/kmol則精餾段的平均分子量為:=35.682 kg/kmol=31.132 kg/kmol其中: 塔頂氣相平均摩爾質(zhì)量,塔底淮相平均摩爾質(zhì)量進料板處氣相平均摩爾質(zhì)量進料處液相平均摩爾質(zhì)量,氣相平均摩爾質(zhì)量,液相平均摩爾質(zhì)量,4.4平均密度4.4.1液相平均密度依右式（a為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對<<化工課程式設(shè)計>>所給數(shù)據(jù)進行插什求得:td=78時=737.2kg/ =973 kg/塔頂液相的質(zhì)量分率:=0.935=749.52 kg/進料板液相的質(zhì)量分率:由=84

15、.7查得=729.76kg/ =967.9 kg/=0.2682得: =890.01 kg/故精餾段平均液相密度=819.765 kg/4.4.2汽相平均密度=（14.82+2.62）/2=8.72mn/m4.5液體平均表面張力液相平均表面張力的計算: 查得:td=78時=0.47mpas =0.36642mpas所以液體平均粘度依下式計算,得 =0.497 mpas而當(dāng)tf=84.7,查得：=0.43mpas =0.3377mpas所以則進料板液相平均粘度的計算=0.342 mpas精餾段液相平均粘度為=（0.497+0.342）/2=0.4195 mpas其中: 塔頂液相平均粘度 進料板液

16、相平均粘度4.6精餾塔氣液負(fù)荷計算v=(r+1)×d=(3.8486+1)×39.74=158.368kmol/h=2.267l=r*d=3.84861×39.74=153.73kmol/h=0.0016217 kmol/h=5.838 kmol/h5，塔和塔頂工藝尺寸計算（1）塔徑d參考化工原理課程設(shè)計表4-1“板間距與塔徑關(guān)系”表，初選板間距=0.40m,取板上液層高度=0.06m,故-=0.40-0.06=0.34m查圖4-5，smith關(guān)聯(lián)圖得=0.066，校正c，則：取安全系數(shù)為0.70，則：按標(biāo)準(zhǔn)塔，圓整后d=1.8m塔截面：空塔氣速：（2）溢流裝置采

17、用單溢流，弓形降液管，凹形受液盤及平行溢流堰，不設(shè)進口堰，各項計算如下：1， 溢流堰長取溢流堰長2.出口堰高由 查圖4-9，液流收縮系數(shù)計算圖得e=1.07則：3.降液管的寬帶wd與降液管的面積由，查圖4-11，弓形降液管的寬度與面積圖可知， ，故計算液體在降液管停留時間以及檢驗降液管面積，即=1.734*0.4/0.0016217=427.70s(>5s符合要求)4.降液管管底底隙高度ho 取液體通過降隙管底隙的流速為0.08m/s，則 (3)塔板布置 （1）取邊緣區(qū)寬度wc=0.07m 安定區(qū)寬度ws=0.1m (2)計算開孔面積其中故：=0.865 (4)開孔數(shù)n與開孔率f取篩孔的

18、孔徑d0為5mm,三角形排列，一般碳鋼的板厚d為3mm，取t/d0=3.55，故孔中心距t=3=15mm塔板的孔篩數(shù)n，即： =1.155*0.856/=4396塔板上開孔區(qū)的開孔率，即氣孔通過篩孔的氣速為（5）塔有效高度z 精餾段：z精=（ 35 -1）*0.4=13.6m 提餾段：z提=(11-1)*0.4=4.0m z= z精 + z提=13.6+4.0m=17.6m其中： x, 開孔區(qū)寬度的1/2，mr, 鼓泡區(qū)的半徑,m, 篩板厚度, mm,篩孔直徑,mmt, 篩孔的中心距,mmn,篩孔數(shù)目,個開孔率，無因次氣體通過篩孔的速度，6、篩板的流體力學(xué)驗算6.1塔板壓降 氣體通過篩板的壓降

19、：液柱高度hp：hp=hc+hl+hhc-與氣體通過篩板的干板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨龋琺液柱hl-與氣體通過板上液層的壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?，m液柱h-與克服表面張力的壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?，m液柱6.1.1 與干板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨萮c6.1.2 與氣體穿過板上液層壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨萮l對于篩板塔6.1.3 與克服液體表面張力壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨萮 其中： c0流量系數(shù)，無因次 充氣系數(shù)，無因次 ua通過有效傳質(zhì)區(qū)的氣速，m/s f0篩孔氣相動能因子，kg1/2/(sm1/2) g重力加速度，m/s2 p氣體通過每層塔板的壓降，pa6.2 液面落差當(dāng)液體橫向流過塔板時，為克服板上所謂摩擦阻力和板上構(gòu)件的局

20、部阻力，需要一定的液位差。篩板上由于沒有突起的氣液接觸構(gòu)件，故液面落差較下。在正常的液體流量范圍內(nèi)，對于的篩板，液面落差可以忽略不計。對于篩板塔，液面落差很小，且本設(shè)計中的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。 6.3 液沫夾帶量ev為保證塔板效率的基本穩(wěn)定，通常將液沫夾帶量限制在一定的范圍內(nèi)，設(shè)計中規(guī)定液沫夾帶量ev<0.1kg液體/kg氣體6.4 漏夜當(dāng)氣體通過篩板的流速較小，氣體的動能不足以阻止一人體向下流動時，便會發(fā)生露液現(xiàn)象。根據(jù)經(jīng)驗當(dāng)露液量小于塔內(nèi)液體量的10時對塔板效率影響不大。故露液量等于塔內(nèi)流量的10時的氣速稱為露液點氣速，它是塔板操作氣速的下限，漏液點氣速：設(shè)計

21、孔速uo=17.67m/s>7.46m/s篩板的穩(wěn)定系數(shù)故本設(shè)計中無明顯的漏液。6.5 液泛為使液體能由上層塔板穩(wěn)定的流入下層塔板，降液管內(nèi)須維持一定的液層高度hd，降液管內(nèi)液層的高度用克服相鄰兩層塔板間的壓降、板上清液阻力和液體流過降液管的阻力，因此可以用下式計算hd:hd=hp+hl+hdhd-降液管中清液層高度，m液柱；hd -與液體流過降液管的壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?，m液柱。板上不設(shè)置進口堰：因為hd(ht+hw)乙醇-水物系屬于一般物系；故本設(shè)計中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象其中： hd降液管內(nèi)清液層高度，m hd與液體流過降液管的壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?，m 安全系數(shù)，無因次根據(jù)以上塔板的各項流體

22、力學(xué)驗算，可認(rèn)為精餾段塔徑及各工藝尺寸是合適的。7.塔板負(fù)荷性能圖7.1 漏液線（氣相負(fù)荷下限線）以上各式化簡可得：此即氣相負(fù)荷下限關(guān)系式，在操作范圍內(nèi)任取幾個ls值，依上式計算相應(yīng)的vs值，列于表10-1中，依表中數(shù)據(jù)作氣相負(fù)荷下限線：表10-1 lsvs關(guān)系ls×103, m3/s0.61.53.04.5vs, m3/s0.59750.62240.65520.68197.2液沫夾帶線霧沫夾帶極限值ev=0.1kg液/kg氣為限，求vsls關(guān)系圖如下： 在操作范圍內(nèi)，任取幾個ls值，上式算出相應(yīng)vs值，列于表10-2中表10-2 lsvs關(guān)系ls×103 ,m3/s0.61.53.04.5vs,m3/s2.4632.3472.1982.074依表中數(shù)據(jù)，在vsls圖中作出霧沫夾帶線。7.3 液相負(fù)荷下限線對于平直堰，取堰上液層高度how=0.006m作為液相負(fù)荷下限標(biāo)準(zhǔn)，取e1.0，則依此值在vs-ls圖上液相負(fù)荷下限線。7.4 液相