年產(chǎn)3萬噸酒精工藝設(shè)計

年產(chǎn)3萬噸酒精工藝設(shè)計AnnualOutputof30kTonsofProcessDesignofAlcohol目錄摘要IAbstractII引言1第一章概述21.1乙醇的性質(zhì)及質(zhì)量標準21.1.1物理性質(zhì)21.1.2化學性質(zhì)21.1.3生化性21.1.4質(zhì)量標準31.2乙醇生產(chǎn)的意義及發(fā)展31.2.1乙醇生產(chǎn)的意義32.2乙醇生產(chǎn)發(fā)展41.3乙醇的應(yīng)用領(lǐng)域5第二章乙醇生產(chǎn)方法介紹62.1合成法62.2發(fā)酵法72.1淀粉質(zhì)原料的發(fā)酵工藝72.2糖蜜原料的發(fā)酵工藝9第三章工藝流程介紹及精餾塔設(shè)備選型113.1總生產(chǎn)工藝流程介紹113.1.1原料的處理111.2原料輸送123.1.3糖化和發(fā)酵121.4濃縮123.1.5精餾12精餾概述13塔設(shè)備選型13第四章塔設(shè)備及附件設(shè)計154.1物料衡算151.1理論糖蜜消耗量154.1.2實際糖蜜消耗量154.1.3精餾塔全塔物料衡算154.2塔板數(shù)的確定164.2.1理論板數(shù)N的求取164.2.2實際塔板數(shù)的確定184.3精餾塔操作工藝條件及相關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算204.4塔板主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計算274.4.1塔徑274.4.2塔板工藝結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計與計算284.5塔板的流動性能校核314.5.1氣相通過浮閥塔板的壓降314.5.2淹塔校核324.5.3物沫夾帶校核335.4漏液校核344.6塔板的負荷性能圖354.7附件設(shè)計394.7.1接管394.7.2筒體與封頭404.7.3除沫器404.7.4裙座404.7.5吊柱414.7.6人孔414.8塔體高度的設(shè)計41第五章塔附屬設(shè)備設(shè)計42 Q Q5.1確定冷凝器和再沸器的熱負荷c，r425.2冷凝器的選擇425.3再沸器的選擇43結(jié)論44致謝45參考文獻46附錄47年產(chǎn)3萬噸酒精工藝設(shè)計摘要：酒精又叫乙醇，是一種用途最為廣泛重要的工業(yè)產(chǎn)品之一。因其熱值高、燃燒充分、燃燒產(chǎn)物無污染被稱為新時代的綠色能源。其種類眾多，燃料酒精是其中一種，主要用于車用汽油。酒精生產(chǎn)方法有很多，主要有合成法和發(fā)酵法。本設(shè)計選用的是單糖連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)酒精生產(chǎn)工藝方法，對生產(chǎn)過程做了簡單地介紹，主要對酒精精餾工藝過程中精餾塔進行了詳細工藝的計算，物料衡算及其輔助設(shè)備的計算。精餾過程中主要設(shè)備是精餾塔，本設(shè)計的精餾塔選用的是浮閥塔，通過設(shè)計計算得到酒精精餾塔的塔體高度為23.44m，塔徑為2m，經(jīng)過精餾后酒精的含量達到95%，達到了設(shè)計預(yù)期目標。關(guān)鍵詞：酒精；工藝設(shè)計；精餾工藝；浮閥塔 IAnnualoutputof30ktonsofprocessdesignofalcoholAbstract:Alcohol,whichisnamedethanol，isoneofthemostwidelyusedkindofimportantindustrialproducts.Itiscalledanewgreenenergyinmodernerabecauseofitshighcalorificvalue,combustion,nocombustionpollution.Fuelrodctsethanolisoneofalotofspecies，whichmainlyusedformotorgasoline.Themethodsofproducingalcoholarevary，mainlyincludesynthesismethodandfermentationmethod.Thedesignissimplyintroduceasinglecontinuousfermentationoalcoholproductionprocess,mainlyforcalculatingdistillationcolumnsindetail，theprocessofcalculatingthemassbalanceanditsauxiliaryequipmentindetailofalcoholdistillationprocess.Themainequipmentinthedistillationprocessisdistillationcolumns.Theftowerisselecteddistillationcolumninthisdesign.wehavedrawntheconclusionthatoftowerheightis23.14mandthediameteroftoweris2mbydesignandcalculation,Fithedistillationofdimethylethercontentreached95%,achievedthedesiredgoal.Keywords:ethanol;producedesign;distillationproduce;floatvalvecontinuousII引言酒精又叫乙醇，因其熱值高、燃燒充分、燃燒產(chǎn)物無污染被稱為新時代的綠色能源。它是應(yīng)用最為廣泛的工業(yè)產(chǎn)品之一，其種類眾多，被用于生產(chǎn)和生活的方方面面[1]。隨著社會的發(fā)展，社會對燃料能源（石油、天然氣、煤礦等）的需求越來越大，而燃料能源儲量越來越少，價格越來越低，人們迫切需要找到一種新的可再生能源代替現(xiàn)有的燃料能源。其中，燃料酒精成為可替代的一種綠色清潔能源。原因有以下幾點[2]：來源廣，可再生?？梢砸怨任锏矸蹫樵仙a(chǎn)燃料酒精，以植物秸稈等纖維素為原料生產(chǎn)燃料酒精，以甘蔗作為原料生產(chǎn)燃料酒精，以蜜生產(chǎn)燃料酒精等等。無污染。石油、天然氣、煤礦等燃料能源的使用產(chǎn)生了很多環(huán)境問題。例如：酸雨等環(huán)境污染。而燃料酒精產(chǎn)生的是二氧化碳和水，對環(huán)境無污染。熱值高、燃燒充分，單位燃燒的釋放的熱量和單位天然氣燃燒釋放的熱量相當。（4）燃料酒精又稱變性燃料乙醇，是清潔汽油的主要代替物，已在一些國家和地區(qū)得到大量使用。（5）生產(chǎn)方法多種多樣，技術(shù)路線較為成熟，能大規(guī)模進行工業(yè)生產(chǎn)。酒精生產(chǎn)方法有許多種，主要可以分為兩大類：合成法和發(fā)酵法。本設(shè)計采用發(fā)酵法中單濃度糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵法。由于發(fā)酵過程的復(fù)雜性及查詢資料的有限性，本設(shè)計簡單的介紹下發(fā)酵過程，主要對精制工藝部分進行了詳細的工藝設(shè)計計算、物料衡算及塔設(shè)備和附屬設(shè)備選型計算。通過設(shè)計計算得出了精餾塔的塔徑2m，塔體高度23.44m，產(chǎn)物純度達到了95%，達到了設(shè)計預(yù)期目標。第一章概述1.1乙醇的性質(zhì)及質(zhì)量標準1.1.1物理性質(zhì)乙醇是無色透明的液體，比水輕，具有特殊的芳香氣和刺激味，吸濕性很強，可與水以任何比例混合并產(chǎn)生熱量。乙醇易揮發(fā)易燃燒，燃燒時產(chǎn)生大量的熱量，燃燒產(chǎn)物是水和二氧化碳。乙醇蒸汽與空氣能形成爆炸性混合氣體，爆炸極限為3.5%-18%（體積分數(shù)）。乙醇的物理指標：熔點(℃)：-114.1沸點(℃)：78.3相對密度(水=1)：0.79相對蒸氣密度(空氣=1)：1.59飽和蒸氣壓(kPa)：5.33(19℃)燃燒熱(kJ/mol：)1365.5蒸發(fā)熱(kJ/L：)918.76臨界溫度(℃)：243.1臨界壓力(MPa)：6.38辛醇/水分配系數(shù)的對數(shù)值：0.32閃點(℃)：12引燃溫度(℃)：363溶解性：與水混溶，可混溶于醚、氯仿、甘油等多數(shù)有機溶劑。1.1.2化學性質(zhì)乙醇氧化反應(yīng)2CHOH+O→2CHCHO+2HO25 2 3 2CHOH+O→CHCOOH+HO25 2 3 2CHOH+O→2CO+3HO 2 2 2堿金屬，堿土金屬與乙醇的反應(yīng)2Na+2CHOH→2CHONa+H↑25 55 2Mg+2CHOH→C(CHO)Mg+H↑ 25 25 2 2酸與乙醇的反應(yīng)CHCOOH+CHOH→CHCOOCH+HO25 3 25 2乙醇的脫水反應(yīng)CHCHOH→CH=CH↑+HO2 2 2 22CHCHOH→CHOCH+HO 3 2 25 25 21.1.3生化性乙醇能使細胞蛋白質(zhì)凝固，尤以75%（體積分數(shù)）的乙醇作用最為強烈，濃度過高，細胞表面的蛋白質(zhì)迅速凝固形成一層薄膜，阻止乙醇向內(nèi)部滲透，作用效果反而降低，濃度過低則不能使蛋白質(zhì)凝固。因此常選用75%（體積分數(shù)）的乙醇作消毒劑。乙醇易被人體腸胃吸收，吸收后迅速解放出熱量。少量乙醇對大腦有興奮作用，數(shù)量較大則有麻醉作用，大量乙醇對肝臟和神經(jīng)系統(tǒng)有害作用。1.1.4質(zhì)量標準乙醇作為一種原料性的產(chǎn)品，其產(chǎn)品質(zhì)量必須達到一定的標準。通常，乙醇按含雜質(zhì)多少分為：無水乙醇、試劑乙醇、食用乙醇，醫(yī)藥乙醇，工業(yè)乙醇。其食用乙醇國家標準如表1.1所示。表1.1乙醇的質(zhì)量指標表項目特級優(yōu)級普通級色度/號≤101010乙醇/％（體積分數(shù)）≥96.095.595.0硫酸試驗/號≤51060氧化時間/min≥403020醛/mg/L≤1330甲醇/mg/L≤250150正丙醇/mg/L≤235100異丁醇＋異戊醇/mg/L≤1230酸（以乙酸計）/mg/L≤71020酯（以乙酸乙酯計）/mg/L≤101825不揮發(fā)物/mg/L≤102025重金屬（以Pb計）/mg/L≤111氰化物（以HCN計）/mg/L≤5551.2乙醇生產(chǎn)的意義及發(fā)展1.2.1乙醇生產(chǎn)的意義[1]乙醇是可再生能源,若采用小麥、玉米、稻谷殼、薯類、甘蔗、糖蜜等生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇,其燃燒所排放的二氧化碳和作為原料的生物源生長所消耗的二氧化碳,在數(shù)量上基本持平,這對減少大氣污染及抑制溫室效應(yīng)意義重大。發(fā)展乙醇不僅可以促進農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，并且可以作為清潔能源代替汽油或汽油添加劑，減少工業(yè)大氣污染，保護環(huán)境，同時也可緩解原油進口的壓力。由于燃料乙醇在中國的推廣使用還處在初級階段．產(chǎn)銷各個環(huán)節(jié)政府行為色彩比較濃，離真正的市場化有很遠的距離。為了合理利用資源。國家對燃料乙醇的立項投產(chǎn)非常謹慎。目前，獲得國家批準生產(chǎn)的企業(yè)有4家：河南天冠燃料乙醇有限公司、吉林燃料乙醇股份有限責任公司、安徽豐原生物化工有限公司、黑龍江華潤酒精有限公司，已形成燃料乙醇生產(chǎn)能力122萬t。目前中國生產(chǎn)的燃料乙醇總量為102萬t。大約使用糧食400萬t，基本使用陳化糧。目前中國石油供應(yīng)緊張問題日趨嚴重：2005年，中國原油消費量3.23億t，居世界第二，國內(nèi)生產(chǎn)原油1．81億t，凈進口原油1.19億t，凈進口輕柴油、航煤、燃料油等石油產(chǎn)品l746萬t。原油及石油產(chǎn)品凈進口量1.46億t。石油對外依存度為45％。到2020年，估計國內(nèi)自產(chǎn)石油2.O億t．缺口25億t，對外依存度55％。因此，燃料酒精在中國市場的前景比較大，潛力也比較深。1.2.2乙醇生產(chǎn)發(fā)展生產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)代化新中國成立前，我國乙醇工業(yè)的規(guī)模很小，生產(chǎn)工藝均為間歇式，以麥芽作淀粉糖化劑，原料不經(jīng)粉碎，淀粉利用率只有60%左右。20世紀50年代中期開始進行技術(shù)革新，首先在糖化劑方商采用微生物糖化劑代替麥芽，1964年推行機械通風制曲，隨后普遍應(yīng)用液體曲，1978年開發(fā)出高活力糖化酶新菌種（UV-11）進入20世紀90年代后逐步使用具有國際水平的耐高溫X-淀粉酶和高轉(zhuǎn)化率糖化酶。在淀粉質(zhì)原料的蒸煮、糖化工藝方面采用一級真空冷卻連續(xù)糖化。在發(fā)酵方面，出現(xiàn)了應(yīng)用耐高溫酵母、釀酒用活性干酵母（或鮮酵母）及固定化酵母的新工藝。在蒸餾方面乙醇蒸餾的塔器配置從兩塔、三塔/四塔、五塔發(fā)展到八塔蒸餾，近年來差壓蒸餾等新技術(shù)正在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。50年來，我國的乙醇生產(chǎn)技術(shù)得到很大發(fā)展，淀粉利用率達90%以上，水平高的企業(yè)淀粉出酒率達55～56%；發(fā)酵液乙醇濃度由5%提高到10%左右；每噸乙醇耗煤從過去普遍在2噸以上降到1噸以下（最低達500公斤）。進入90年代后，隨著食用乙醇國家標準的制訂和實施，我國乙醇工業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平得到了普遍性的提高建立了完善的乙醇產(chǎn)品質(zhì)量標準，具有生產(chǎn)多種規(guī)格乙醇產(chǎn)品的實力20世紀50年代初期，我國乙醇產(chǎn)品無統(tǒng)一的質(zhì)量標準。有的廠"夠度"即算合格，有的廠參考外國標準自行規(guī)定一些檢查項目，也有的廠按中華藥典中醫(yī)藥乙醇的要求生產(chǎn)。1954年，哈爾濱、濟南、天津等乙醇廠應(yīng)軍工的需要按原蘇聯(lián)的乙醇標準（roct5921-51）試制成功"精餾酒精"，并按此生產(chǎn)。1956年，原食品工業(yè)部參照原蘇聯(lián)乙醇標準及中華藥典制訂了"精餾酒精"（食酒0301-56）和"醫(yī)藥酒精"（食酒0302-56）的部頒標準。至此，我國乙醇工業(yè)有了全國統(tǒng)一的產(chǎn)品質(zhì)量標準?，F(xiàn)今，我國已經(jīng)具備較完整的乙醇產(chǎn)品質(zhì)量標準體系，并正在對食用乙醇國家標準（GB13043-89）組織進行修訂，以使其進一步和國際先進水平接軌。不斷提高并有著先進性的產(chǎn)品標準，有力促進了我國乙醇生產(chǎn)和質(zhì)量水平的不斷提高?，F(xiàn)在大多數(shù)企業(yè)都能生產(chǎn)普級食用乙醇，相當一部分企業(yè)具有生產(chǎn)優(yōu)級食用乙醇的實力，有多家企業(yè)進行著高純度特級乙醇的生產(chǎn)。(3）糟液治理與綜合利用取得長足發(fā)展過去，糟液除略行簡單過濾直接用作飼料外，基本上不予處理。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，對糟液的治理逐步引起重視，20世紀60年代用薯類乙醇糟液大規(guī)模進行沼氣發(fā)酵取得成功，逐步推廣并不斷完善，現(xiàn)在最大的沼氣發(fā)酵罐容已達5000立方米。針對沼氣發(fā)酵后消化液的進一步處理，好氧法取得一定成效；近來南陽乙醇總廠開發(fā)出一套實用而有效的治理措施，采用物理化學法去除懸浮揚（制得部分干酒糟和肥料），利用生物法去除可溶性有機物（獲得沼氣），從而使薯類乙醇糟液的治理實現(xiàn)了經(jīng)濟上有利的達標排放。1.3乙醇的應(yīng)用領(lǐng)域乙醇的用途很廣，主要有：消毒劑：醫(yī)院用的一般用濃度為70%～75%的乙醇溶液，因為這種濃度的乙醇溶液殺菌能力最強；此外也是碘酒消毒劑的成分之一。飲料：乙醇是酒主要成分（含量和酒的種類有關(guān)系）如白酒為56度的酒?；居袡C化工原料：乙醇可用來制取乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等化工原料，也是制取、染料、涂料、洗滌劑等產(chǎn)品的原料。汽車燃料：乙醇可以調(diào)入汽油，作為車用燃料，美國銷售乙醇汽油已有20年歷史。此外乙醇還做：稀釋劑、有機溶劑、涂料溶劑等幾大方面，其中用量最大的是消毒劑。第二章乙醇生產(chǎn)方法介紹2.1合成法化學合成法是利用煉焦炭、裂解石油的廢氣為原料，經(jīng)過化學合成反應(yīng)而制成乙醇。目前工業(yè)上采用的合成法主要是乙烯直接水合法，即將乙烯在浸漬有磷酸的固體催化劑上進行水合反應(yīng)。所得稀乙醇溶液需經(jīng)過精餾提純以除去部分水和副產(chǎn)物。此外還有乙烯間接水合法、乙醛加氫法、CO-H合成乙醇等。21.乙烯直接水合法乙烯直接水合法就是乙烯和水在高溫、加壓、催化劑條件下直接加成得到乙醇的方法。2.乙烯間接水合法間接水合法生產(chǎn)乙醇的出現(xiàn)早于直接水合法。在1825年，就已經(jīng)出現(xiàn)了乙烯在硫酸介質(zhì)存在下，液相水合為乙醇的實驗研究。經(jīng)過一個世紀后乙烯用硫酸吸收再經(jīng)水解制備乙醇的方法獲得了工業(yè)化。乙醇間接水合法又稱硫酸法，采用硫酸作催化劑，經(jīng)過兩步反應(yīng)，由水與乙烯合成乙醇。第一步：乙烯與硫酸作用生成硫酸氫乙酯或硫酸二乙酯；CH=CH+HSO→CHCH-OSOOH2 2 2 4 3 2 2或2CH=CH+HSO→(CHCHO)SO2 2 4 3 2 2第二步：硫酸氫乙酯或硫酸二乙酯水解，生成乙醇，釋放出硫酸：CHCH-OSOOH+HO→CHCHOH+HSO2 2 2 3 2 2 4或(CHCHO)SO+2HO→2CHCHOH+HSO 3 2 2 2 3 2 2 4硫酸氫乙酯、硫酸二乙酯水解過程中伴隨有副產(chǎn)物乙醚的生成。3.乙醛加氫法此法是將乙醛在160～200℃，銅催化劑的存在下加氫制得乙醇，其他化學反應(yīng)式如下： CHCHO+H CHCHOH23 2乙烯氧化發(fā)生產(chǎn)乙醛又分為氧氣法和空氣法。氧氣法是在120～130℃，300kPa左右的壓力下進行反應(yīng)；空氣法是在100～105℃，壓力1～1.2MPa下進行反應(yīng)。利用氯化鈀做催化劑，在鹽酸溶液中使乙烯被空氣或氧氣直接氧化成乙醛.4.CO-H合成乙醇2一氧化碳和氫氣混合氣來源十分廣泛，我國煤炭儲量豐富，大力開發(fā)煤氣化制備CO-H混合氣具有廣泛的發(fā)展前景。22CO+H→CHOH+HO 2 25 23CO+H→CHOH+CO 2 25 2由反應(yīng)式可知。CO與H的摩爾比應(yīng)符合化學計量關(guān)系，［CO］:［H］=1:2或1:1。 2 2因此實際生產(chǎn)中為使混合氣的摩爾比恰好為1:2，可采用向欲轉(zhuǎn)化的烴類中通CO以調(diào)整2轉(zhuǎn)化后的產(chǎn)物中的分子比例。即：3CH+2HO+CO→4CO+8H2 2 2從熱力學角度看，合成乙醇在較低的溫度下進行比較適宜，但低溫下反應(yīng)速度太慢，為提高反應(yīng)速度，應(yīng)適當提高反應(yīng)溫度。然而隨著溫度的提高，副反應(yīng)增多并加劇，而且無論從熱力學和動力學角度來看，溫度提高對副反應(yīng)的生成較乙醇的生成更便利，因此為使反應(yīng)向主反應(yīng)方向進行，必須尋找一種選擇性高、催化性好的催化劑，這是由CO-H2合成乙醇的關(guān)鍵。2.2發(fā)酵法發(fā)酵法采用各種含糖（雙糖）、淀粉（多糖）、纖維素（多縮己糖）的農(nóng)產(chǎn)品，農(nóng)林業(yè)副產(chǎn)物及野生植物為原料，經(jīng)過水解（即糖化）、發(fā)酵使雙糖、多糖轉(zhuǎn)化為單糖并進一步轉(zhuǎn)化為乙醇。淀粉質(zhì)在微生物作用下，水解為葡萄糖，再進一步發(fā)酵生成乙醇。發(fā)酵法制酒精生產(chǎn)過程包括原料預(yù)處理、蒸煮、糖化、發(fā)酵、蒸餾、廢醪處理等。2.2.1淀粉質(zhì)原料的發(fā)酵工藝乙醇的發(fā)酵工藝分為間歇發(fā)酵、半連續(xù)發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵三種。1.間歇發(fā)酵間歇發(fā)酵也稱單罐發(fā)酵，發(fā)酵的全過程在一個發(fā)酵罐內(nèi)完成。根據(jù)糖化醪的添加方式分為以下幾種。一次加滿法。該法是將糖化醪冷卻到27-30℃后，送入已經(jīng)清洗、滅菌的發(fā)酵罐中，一次加滿，同時加入10%的酒母醪，經(jīng)60-72h發(fā)酵即得到成熟發(fā)酵醪。該法具有操作簡單，易于管理的優(yōu)點。但存在初始酵母密度低，發(fā)酵除患期延長，初始生長和發(fā)酵速度低的缺點。分次添加法。此法操作時，糖化醪分幾批加入發(fā)酵罐。一般先打入發(fā)酵罐容積約1/3糖化醪，直至加入8%-10%的酒母醪，每隔3-6h左右，加入第二和第三1/3的糖化醪，直至加滿容積的90%以上為止。該法的優(yōu)點是：發(fā)酵旺盛，延緩期短，有利于抑制雜菌繁殖。采用這種方法最好使酵母增殖發(fā)酵、糖耗同步，然后及時補充糖化醪。間隔時間不要太短，否則會影響酵母的增殖間隔時間也不易過長否則可能造成原料發(fā)酵不徹底，成熟醪殘?zhí)沁^高。連續(xù)添加法。即使酒母醪打入發(fā)酵罐中，同時連續(xù)添加糖化醪。糖化醪流加速度應(yīng)根據(jù)工廠生產(chǎn)量來定，一般應(yīng)控制在6-8h內(nèi)加滿幾個發(fā)酵罐。流加過慢，會延長滿灌時間，還可能造成發(fā)酵物質(zhì)的損失。流加過快，則會造成發(fā)酵醪中酵母密度小，對雜菌無抑制，可能造成染菌。分割主發(fā)酵醪法。該法是將處于旺盛主發(fā)酵階段的發(fā)酵醪分割出1/3-1/2到第二罐，然后兩罐同時補加新鮮糖化醪至滿罐，繼續(xù)發(fā)酵。放第二罐又處于主發(fā)酵階段時，再次進行分割。該法的前提是發(fā)酵醪基本不染菌。它具有節(jié)省酵母用量，接種量大，發(fā)酵時間短的優(yōu)點，但易染雜菌，一般不主張采用[3]。2.半連續(xù)發(fā)酵半連續(xù)發(fā)酵時主發(fā)酵階段采用連續(xù)發(fā)酵，后發(fā)酵階段采用間歇發(fā)酵的方法。更具糖化醪流加方式的不同，半連續(xù)發(fā)酵又分為以下兩種方法。第一種方法是將一組發(fā)酵罐連接起來，使前幾只發(fā)酵罐始終保持主發(fā)酵狀態(tài)。從第三只發(fā)酵罐流出的發(fā)酵液分別順次加滿其他發(fā)酵罐，完成后發(fā)酵。應(yīng)用該方法可節(jié)省大量酒母，縮短發(fā)酵時間，但必須注意消毒殺菌，防止雜菌污染。第二種方法是將7-8只發(fā)酵罐組成一個罐組，每只發(fā)酵之間溢流管連接。生產(chǎn)時，先制備發(fā)酵罐提交1/3的酒母，加入第1只發(fā)酵罐內(nèi)，并在保持主發(fā)酵狀態(tài)的前提下流加糖化醪。滿罐后，通過溢流管流入第2只罐，當充滿1/3體積時，糖化醪改為流加入第2罐，當?shù)?罐加滿后，溢流入第3只罐，然后重復(fù)第2只罐的操作，直至最后1只罐滿罐。最后，從罐至末罐逐個順次將成熟發(fā)酵罐送去蒸餾[4]。該法可以節(jié)省大量酒母，發(fā)酵時間縮短，但每次新發(fā)酵周期開始時要制備新的酒母。3.連續(xù)發(fā)酵間歇發(fā)酵過程中，發(fā)酵罐中的培養(yǎng)液始終不斷更新，因此，發(fā)酵過程中的各個參數(shù)，如糖濃度、乙醇濃度、菌體數(shù)、pH等會不斷發(fā)生變化，酵母菌受到環(huán)境變化的影響較大，不能始終保持最高的發(fā)酵狀態(tài)。另外，間歇發(fā)酵過程的輔助時間較長，設(shè)備利用率也較低，且控制不易全部自動化。如果采用連續(xù)發(fā)酵的方法，就能很好地解決上述問題。連續(xù)發(fā)酵可分為全混連續(xù)發(fā)酵和階梯式連續(xù)發(fā)酵兩類：全混連續(xù)發(fā)酵是微生物在一個設(shè)備中進行的，液體培養(yǎng)基混合攪拌良好，以保證整個罐的均一性。根據(jù)控制的方法又可分為化學控制器法（恒化器法）和濁度控制器法（恒濁器法）兩類。階梯式連續(xù)發(fā)酵是乙醇發(fā)酵較常采用的發(fā)酵形式。發(fā)酵過程是在同一組罐內(nèi)進行的，每個罐本身參數(shù)基本不變，但罐和罐之間按一定規(guī)律形成一個梯度。從首罐至末罐，可發(fā)酵物濃度逐罐遞減，乙醇濃度逐罐增加。發(fā)酵時，糖化醪連續(xù)從首罐加入，成熟發(fā)酵醪連續(xù)從末罐流出[5]。幾種常見具體工藝如下。循環(huán)發(fā)酵。該發(fā)酵罐組由6-8只罐組成，每個罐之間用溢流管數(shù)次自上而下連續(xù)。糖化醪進料通往大酒母罐和發(fā)酵罐組的第一和最末兩只發(fā)酵罐。發(fā)酵開始時，糖化醪和成熟酒母醪同時流入罐組的第1只罐，充滿后，發(fā)酵醪沿溢流管流入第2只罐，然后順次流入充滿至最后第2只罐。大概需時60h左右，然后不再流加醪液，各自進行間歇后發(fā)酵。這是糖化醪和酒母醪開始流入最后一個發(fā)酵罐，當這只罐充滿時，原來的最后第2罐已經(jīng)發(fā)酵結(jié)束，并已防空清洗殺菌完畢，發(fā)酵醪由溢流管流入，發(fā)酵的第2各循環(huán)沿反方向開始進行。順式連續(xù)發(fā)酵法。該法發(fā)酵開始時，酒母醪和糖化醪一起流入第1只發(fā)酵罐中，充滿后，發(fā)酵醪沿溢流管依次流入第2、第3、直至充滿整個罐組。成熟發(fā)酵醪從最后一只發(fā)酵罐中流出，送去蒸餾。如此操作連續(xù)不斷。2.2.2糖蜜原料的發(fā)酵工藝糖蜜乙醇發(fā)酵的機理和營養(yǎng)要求與淀粉質(zhì)原料乙醇發(fā)酵完全相同。但糖蜜乙醇發(fā)酵也有自己特有的特點。這里主要介紹糖蜜發(fā)酵的工藝。蜜糖乙醇發(fā)酵的方法很多，也可以非為間歇發(fā)酵、半連續(xù)發(fā)酵和聯(lián)系發(fā)酵。1.間歇發(fā)酵又分為一下幾種操作方式。普通間歇發(fā)酵。發(fā)酵罐空罐清洗后用蒸汽殺菌100℃保溫0.5-1h，冷卻至30℃后，接入培養(yǎng)成熟的酒母醪液，并補入溫度為27-30℃的發(fā)酵糖液進行發(fā)酵。發(fā)酵溫度控制在33-35℃的發(fā)酵。發(fā)酵時間一般為32-36h，通常40-50h即可送去蒸餾，成熟醪酒度為6.5%-7%（體積分數(shù)），發(fā)酵效率達86%-87%[6]。分割式間歇發(fā)酵。該法是第1只發(fā)酵罐按間歇發(fā)酵進行至主發(fā)酵階段，從該罐分割1/3-1/2發(fā)酵醪至第2罐中，用稀糖液加滿兩罐，第1至繼續(xù)發(fā)酵直至終了，送去精餾。第2罐進入主發(fā)酵階段后，再分割1/3-1/2至第3罐，再用稀糖液加滿兩罐，如此繼續(xù)下去。稀糖液濃度一般為18%-20%，發(fā)酵溫度為33-35℃，發(fā)酵時間30-36h，成熟醪酒度6%-7%。該法可省去大部分發(fā)酵制備時間，但容易染菌。為此，除了認真進行糖蜜酸化（pH4.0）和添加五氯苯酚鈉外，每天還應(yīng)更換一次新鮮菌種。分批流加間歇發(fā)酵。該法是在發(fā)酵罐內(nèi)加入10%-20%的酒母后，分3次加入基本稀糖液，第一、二次加入罐容積約20%的今本稀糖液，第三次加入40%-50%的基本稀糖液，以后保持罐內(nèi)醪液糖濃度一致，有利于酵母的發(fā)酵。連續(xù)流加間歇發(fā)酵法。連續(xù)流加發(fā)酵的特點在于基本稀糖液是按一定速度連續(xù)加入發(fā)酵罐中，直至罐滿。該法先將發(fā)酵醪總量20%-30%的成熟酒母醪送入發(fā)酵罐。然后加入數(shù)量相同的酒母稀糖液（14%濃度）。通風培養(yǎng)2h，是發(fā)酵醪濃度降至7.0%-7.5%。開始連續(xù)流加濃度為33%-35%的基本稀糖液，保持發(fā)酵醪的濃度在10%左右。流加至滿罐后，任其發(fā)酵結(jié)束。發(fā)酵溫度控制在33-34℃，總發(fā)酵時間在16-20h，發(fā)酵醪乙醇含量在9%（體積分數(shù)）以上。半連續(xù)發(fā)酵半連續(xù)發(fā)酵是主發(fā)酵采用連續(xù)發(fā)酵，后發(fā)酵采用間歇發(fā)酵的發(fā)酵方式。具體的方法與淀粉質(zhì)原料發(fā)酵半連續(xù)發(fā)酵相同。連續(xù)發(fā)酵糖蜜連續(xù)發(fā)酵乙醇的工藝已比較成熟，也是目前最合理的發(fā)酵工藝，已報道的連續(xù)發(fā)酵工藝的方案很多，歸納起來有兩種基本流程，即：單濃度流加連續(xù)發(fā)酵法和雙濃度流加連續(xù)發(fā)酵法。單濃度單流加連續(xù)發(fā)酵法。該法是一種濃度的糖液進行單流加以實現(xiàn)連續(xù)發(fā)酵的流程。該流程以稀糖液與成熟酵母同時進入第1只發(fā)酵罐內(nèi)，酵母繁殖和稀糖液同時進行，產(chǎn)生含足夠量的酵母細胞的發(fā)酵醪，并且連續(xù)加入稀糖液，發(fā)酵罐滿罐后依次進入下一罐連續(xù)發(fā)酵直至發(fā)酵成熟。雙濃度雙流加連續(xù)發(fā)酵法。該法是使用兩種不同的糖液，即酒母稀糖液和發(fā)酵稀糖液（基本稀糖液）進行雙流加以實現(xiàn)連續(xù)發(fā)酵流程。一般對質(zhì)量好、純度高的糖蜜采用單濃度單流加連續(xù)發(fā)酵與雙濃度雙流加發(fā)酵法均可，單對純度低、質(zhì)量差的糖蜜不宜采用單濃度單流加發(fā)酵法而應(yīng)當采用雙濃度雙流加連續(xù)發(fā)酵法。雙濃度雙流加連續(xù)發(fā)酵法中，低濃度糖液（酒母糖液）與高濃度糖液（發(fā)酵糖液）流加液比通常為1:1，而六角糖比例為優(yōu)質(zhì)糖蜜4:6，劣質(zhì)糖蜜3:7。本設(shè)計采用單濃度糖蜜酒精連續(xù)發(fā)酵方法，原料選用為蔗糖，此原料來源范圍較廣、原料在全國各地普遍存在而且價格較為便宜。但是由于發(fā)酵工藝過程極其復(fù)雜以及查詢資料的有限性，故本設(shè)計對糖化，發(fā)酵等工藝簡單介紹，不作為工藝設(shè)計的重點，本設(shè)計主要側(cè)重于對酒精精制工藝部分進行工藝設(shè)計及其塔設(shè)備和附件的計算選型。由于發(fā)酵的產(chǎn)物主要是酒精和水，故本設(shè)計主要是對乙醇和水分離進行精餾工藝設(shè)計。第三章工藝流程介紹及精餾塔設(shè)備選型3.1總生產(chǎn)工藝流程介紹總工藝流程圖原料——除雜粉碎——拌料——糖化——發(fā)酵——濃縮——精餾——乙醇3.1.1原料的處理蔗糖原料在進行正式生產(chǎn)之前，必須預(yù)處理，以保證生產(chǎn)的正常進行和提高生產(chǎn)的效益，預(yù)處理包括除雜和粉碎兩個工序。原料除雜蔗糖在收獲和干燥過程中，經(jīng)常會摻夾進泥土、沙石、粗纖維、金屬雜質(zhì)等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)如果沒有在正式投入生產(chǎn)之前清除，會嚴重影響后續(xù)生產(chǎn)的正常進行。石塊和金屬雜質(zhì)會使粉碎機的篩板磨損或者損壞，造成生產(chǎn)的中斷；機械設(shè)備運轉(zhuǎn)部位，會因泥沙的存在而加速磨損，雜物還易造成堵塞閥門、管道、泵和關(guān)鍵設(shè)備，使生產(chǎn)過程不能正常進行，泥沙等雜質(zhì)也會影響正常的發(fā)酵過程。所以用蔗糖原料生產(chǎn)酒精前，必需進行除雜，以保證生產(chǎn)的正常進行和提高生產(chǎn)的效益。原料除雜通常采用篩選和磁選。篩選多選用振動篩除去原料中的較大雜質(zhì)及泥沙。振動篩是一種平面篩，常用的有兩種：一種是由金屬絲（或其他絲線）編織而成的；另一種是沖孔的金屬板。開孔率越大，篩選效率越高，但開孔率過大會影響篩子的強度]。磁選多選用磁力除鐵器除去原物料中的磁選雜質(zhì)，如鐵定和螺母等，常見設(shè)備為永久性磁力除鐵器和電磁除鐵器。原料粉碎原料進入下一工序之前必須進行粉碎，這樣有助于提高原料的利用率和發(fā)酵效率。原料的粉碎按帶水與否可分為：干式粉碎和濕式粉碎，實際生產(chǎn)中多采用干式粉碎。國內(nèi)乙醇生產(chǎn)原料粉碎設(shè)備主要是錘片式粉碎機，合理的干式粉碎應(yīng)采用粗碎和細碎兩級粉碎工藝，在進入錘碎機前先經(jīng)過粗碎，把大塊原料初步打碎成小塊原料，再經(jīng)過錘碎機，將小塊原料打碎成較細的粉末原料。濕式粉碎是指粉碎時將拌粉用水和原料一起加到粉碎機中去進行粉碎。3.1.2原料輸送原料輸送常用方法是機械輸送、氣流輸送。機械輸送通常多用于固體物料的輸送。常用的輸送機械有皮帶輸送器、螺旋輸送器和斗式提升機。前兩種多用于水平方向輸送，后者多用于垂直方向輸送。氣流輸送也稱風送或氣力輸送。本設(shè)計中原料粉碎采用風送工藝，除掉了原料中的沙、石雜質(zhì)，提高了設(shè)備粉碎能力。3.1.3糖化和發(fā)酵蔗糖液化是糖化的前提。工業(yè)生產(chǎn)中一般根據(jù)使用-蔗糖酶的不同，液化的工藝條件會略有不同。使用耐高溫-蔗糖酶，采用80℃的處理溫度，使用普通-蔗糖酶，采用70℃的處理溫度。采用高溫液化可以提高酶反應(yīng)速度，但溫度高于酶的最適作用溫度時，酶活力損失加快。此外，生產(chǎn)中有時也添加CaCl或CaSO，Ca2+的存在有助于提高酶 2 4對熱的穩(wěn)定性，一般Ca2+濃度控制在0.01mol/L左右。-蔗糖酶的用量一般為每克淀粉使用2～10U，含單寧多的原料用量可適當增大。液化時間，一般控制在45～90min，蔗糖液化不需要進行的非常的徹底，一般控制淀粉水解程度在葡萄糖值為10～20之間較好。噴射液化是目前使用最廣泛的液化工藝，它是利用低壓蒸汽噴射器來完成蔗糖的液化。蔗糖在-蔗糖酶的水解作用和噴射發(fā)生地剪切作用下，能很快地將蔗糖液化。噴射液化連續(xù)液化、操作穩(wěn)定、液化均勻、蔗糖利用率高等優(yōu)點，此外對蒸汽壓力要求低，且不易堵塞，無震動。用于乙醇生產(chǎn)的酵母，直接利用蔗糖進行乙醇發(fā)酵的效率不高，蔗糖必須水解成單糖糖類利用，這樣有助于發(fā)酵效率的提高。發(fā)酵過程中蔗糖轉(zhuǎn)化為單糖選擇的酶為-蔗糖酶作為催化轉(zhuǎn)化酶，該酶轉(zhuǎn)化效率極高，少量的該酶就可催化大量的蔗糖。3.1.4濃縮從發(fā)酵罐出來的發(fā)酵液，雜質(zhì)含量很小，其主成分是酒精和水，但酒精含量很低，約占8%左右，需要進入繆塔中進行蒸餾濃縮處理，蒸發(fā)一部分水分，經(jīng)濃縮后的原料，酒精的含量可達到25%-40%。濃縮后的原料液進入下一工序，進行酒精精制提純。3.1.5精餾從上一工序流出的濃縮酒精蒸汽經(jīng)過冷卻后進入原料罐，在里面停留一定的時間之后，通過泵進入原料預(yù)熱器，經(jīng)醪塔濃縮分離后的酒精含量可達到25%-40%，本設(shè)計中采用30%乙醇和水進料液。在原料預(yù)熱器中加熱到泡點溫度從進料口進入到精餾塔中。因為被加熱到泡點，混合物中既有氣相混合物，又有液相混合物，這時候原料混合物就分開了，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。氣相混合物上升到塔頂上方的冷凝器中，這些氣相混合物被降溫到泡點，其中的液態(tài)部分進入到塔頂產(chǎn)品冷卻器中，而其中的氣態(tài)部分重新回流精餾塔中，繼續(xù)精餾提純。液相混合物就從塔底一部分進入到塔底產(chǎn)品冷卻器中，一部分進入再沸器，在再沸器中被加熱到100度重新回到精餾塔。塔里的混合物不斷重復(fù)前面所說的過程，而進料口不斷有新鮮原料的加入。最終，基本完成乙醇和水的分離。分離之后塔頂?shù)玫疆a(chǎn)品經(jīng)過冷凝器冷凝后進入產(chǎn)品儲罐；塔底得到的釜殘液經(jīng)冷凝器進入釜液儲罐區(qū)。3.2精餾概述精餾利用混合物中各組分揮發(fā)能力的差異，通過液相和氣相的回流，使氣、液兩相逆向多級接觸，在熱能驅(qū)動和相平衡關(guān)系的約束下，使得易揮發(fā)組分（輕組分）不斷從液相往氣相中轉(zhuǎn)移，而難揮發(fā)組分卻由氣相向液相中遷移，使混合物得到不斷分離，稱該過程為精餾。該過程中，傳熱、傳質(zhì)過程同時進行，屬傳質(zhì)過程控制。原料從塔中部適當位置進塔，將塔分為兩段，上段為精餾段，不含進料，下段含進料板為提留段，冷凝器從塔頂提供液相回流，再沸器從塔底提供氣相回流。氣、液相回流是精餾重要特點。實際生產(chǎn)中，在精餾塔中精餾時，部分氣化和部分冷凝是同時進行的。對理想液態(tài)混合物精餾時，最后得到的餾液(氣相冷卻而成)是沸點低的物質(zhì)，而殘液是沸點高的物質(zhì)，精餾是多次簡單蒸餾的組合。精餾塔底部是加熱區(qū)，溫度最高；塔頂溫度最低。精餾結(jié)果，塔頂冷凝收集的是純低沸點組分，純高沸點組分則留在塔底。3.3塔設(shè)備選型塔設(shè)備是煉油、化工、石油化工等工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的氣液傳質(zhì)設(shè)備。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸部件的形式，可以分為填料塔和板式塔。板式塔屬于逐級接觸逆流操作，填料塔屬于微分接觸操作。工業(yè)上對塔設(shè)備的主要要求：（1）生產(chǎn)能力大（2）分離效率高（3）操作彈性大（4）氣體阻力小結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備取材面廣等。塔型的合理選擇是做好塔設(shè)備設(shè)計的首要環(huán)節(jié)，選擇時應(yīng)考慮物料的性質(zhì)、操作的條件、塔設(shè)備的性能以及塔設(shè)備的制造、安裝、運轉(zhuǎn)和維修等方面的因素。板式塔的研究起步較早，具有結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、適應(yīng)性強、易于放大等特點。常見的板式塔有篩板塔、泡罩塔、舌型塔、浮閥塔等。本次設(shè)計采用浮閥塔作為精制工藝的精餾塔設(shè)備。主要原因如下：1.浮閥塔塔板是在泡罩塔板和篩孔塔板的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它吸收了兩者的優(yōu)點。2.生產(chǎn)能力大，由于塔板上浮閥安排比較緊湊，其開孔面積大于泡罩塔板，生產(chǎn)能力比泡罩塔板大20%～40%，與篩板塔接近。3.操作彈性大，由于閥片可以自由升降以適應(yīng)氣量的變化，因此維持正常操作而允許的負荷波動范圍比篩板塔，泡罩塔都大。4．塔板效率高，由于上升氣體從水平方向吹入液層，故氣液接觸時間較長，而霧沫夾帶量小，塔板效率高。5．氣體壓降及液面落差小，因氣液流過浮閥塔板時阻力較小，使氣體壓降及液面落差比泡罩塔小。6．塔的造價較低，浮閥塔的造價是同等生產(chǎn)能力的泡罩塔的50%～80%，但是比篩板塔高20%～30。7.本次設(shè)計精餾分離介質(zhì)是乙醇和水，無腐蝕性，不會造成閥片與塔板粘結(jié)；在操作過程中不會發(fā)生閥片脫落或卡死等現(xiàn)象致使塔板效率和操作彈性下降的現(xiàn)象。因此，本設(shè)計選用浮閥塔作為乙醇精餾的精餾塔。第四章塔設(shè)備及附件設(shè)計4.1物料衡算4.1.1理論糖蜜消耗量[9]糖蜜原料生產(chǎn)酒精的總化學反應(yīng)式為：C12H22O11＋H2O→2C6H12O6→4C2H5OH＋4CO2蔗糖葡萄糖乙醇342360184176生產(chǎn)3萬噸（3107kg）無水酒精的理論蔗糖消耗量：3107×（342÷184）﹦5.576107（㎏）生產(chǎn)3萬噸（3107kgkg）95%的酒精(酒精中的乙醇95%)的理論蔗糖消耗量：（m）5.576107×95％﹦5.29710107（㎏）4.1.2實際糖蜜消耗量生產(chǎn)3萬噸（3107kg）95%的酒精實際蔗糖消耗量：生產(chǎn)過程中蒸餾率為98﹪，發(fā)酵率為95﹪，則實際蔗糖消耗量為：5.297107÷0.98÷0.95﹦5.681107（㎏）生產(chǎn)3萬噸（3107kgkg）95%的酒精糖蜜原料消耗量：糖蜜原料含可發(fā)酵性糖60%，故3萬噸95%的酒精糖蜜消耗為：5.68107÷0.6=9.4671107（kg）4.1.3精餾塔全塔物料衡算1.料液及塔頂、塔底產(chǎn)品中乙醇的摩爾分數(shù)F：原料液流量（kmol/s）x原料組成（摩爾分數(shù)，下同）FD：塔頂產(chǎn)品流量（kmol/s）x：塔頂組成DW：塔底殘液流量（kmol/s）x：塔底組成W30/46原料中組成x0.164F30/4660/1895/46塔頂組成：x=0.8814D95/465/180.2/46塔底組成：x0.00078W0.2/4699.8/182.平均摩爾質(zhì)量M=460.164+(1-0.164)18=22.592kg/kmolFM=460.8814+(1-0.8814)18=42.68kg/kmolDM=460.00078+(1-0.00078)18=18.02kg/kmolw3.料液及塔頂?shù)桩a(chǎn)品的摩爾流率以300天/a計有：D’=30000000kg/a=3107kg/7200h=4166.7kg/h（95%CHOH）254.全塔物料衡算：D=D’/M=4166.7/42.68=97.6kmol/hDF=D+WxFxDxW F D W即0.164F=0.8814D+0.00078W經(jīng)計算得：F=514.62kmol/hW=F-D=514.62-97.6=417.02kmol/h4.2塔板數(shù)的確定4.2.1理論板數(shù)N的求取乙醇與水的平均相對揮發(fā)度的計算已知乙醇的沸點為78.3℃，水的沸點為100℃。1652.05當溫度為78.3℃時，lgP°7.33827P°101.23KPa78.3231.48 A1657.46lgP°7.07406P°44.20KPa78.3227.02 BPA2.291PB1652.05當溫度為100℃時，lgP°7.33827P°226.16KPa100231.48 A1657.46lgP°7.07406P°101.32KPa100227.02 BPA2.322PB平均揮發(fā)度2.292.322.31 1 2最小回流比及操作回流比計算因q1，故x=x=0.164 p F a 2.30.164將代入相平衡方程y p 0.312p p1（a1）1（2.311）0.164pxy0.88140.312R=DP3.84minyx0.3120.164PpR=1.5Rmin=5.76逐板法求塔板數(shù)因x=0.164x=0.8814x=0.00078q=1R=5.76a=2.31 F D W y y則相平衡方程x （4-1）(1)y2.311.31y R x精餾段操作線方程y=xD0.852x0.148（4-2） R1 R1塔釜氣相回流比 xx xx 0.88140.00078R(R1)F W(q1)D W6.768.30xx xx 0.88140.164 D F D F R1 x提餾段操作線方程yxW1.12x0.000094（4-3） R R（R1）x(q1)x操作線交點橫坐標= F D0.164 f Rq理論板數(shù)計算：先交替使用相平衡方程（4-1）與精餾段操作線方程（4-2）計算如下y==0.8814→=0.764（相平衡）1 D 1y=0.799→=0.6322 2y=0.686→=0.4863 3y=0.562→=0.3574 4y=0.452→=0.2635 5y=0.372→=0.2046 6y=0.322→=0.1717 7y=0.294→=0.152＜x8 8 f第8板為加料板。以下交替使用提餾段操作線方程（4-3）與相平衡方程（4-1）計算如下=0.1528y=0.170→=0.0814（相平衡）9 9y=0.091→=0.041710 10y=0.047→=0.020911 11y=0.0233→=0.010212 12y=0.0113→=0.0049213 13y=0.0267→=0.0023514 14y=0.00254→=0.0011015 15y=0.00114→=0.000606﹤16 16總理論板數(shù)為16塊，精餾段理論板數(shù)為7塊。4.2.2實際塔板數(shù)的確定1.理論塔板數(shù)N的求取T表4.1常壓下乙醇-水氣液平衡組成（摩爾）與溫度關(guān)系溫度/℃液相氣相溫度/℃液相氣相溫度/℃液相氣相1000.000.0082.70.2340.54579.30.5730.68495.50.0190.17082.30.2610.55878.740.6760.73989.00.0720.38981.50.3270.58378.410.7470.78286.70.0970.43880.70.3970.61278.150.8940.89485.30.1240.47079.80.5080.65684.10.1660.50979.70.5200.660板效率與塔板結(jié)構(gòu)、操作條件、物質(zhì)的物理性質(zhì)及流體及流體力學性質(zhì)有關(guān)，它反映了實際塔板上傳質(zhì)過程進行的程度。板效率計算可用奧康奈爾公式ET0.49(L)0.245[10]其中：——塔頂與塔底平均溫度下的相對揮發(fā)度；L——塔頂與塔底平均溫度下的液相粘度mPas1.利用表4.1中數(shù)據(jù)由拉格朗日插值可求得t、t、t F D W 89.086.7 t89.0Ft：0.0720.0970.08910.072t=87.41℃ F F 78.1578.41 t78.15Dt：0.8940.7470.88140.894t=78.17℃ D D 10095.5 t100Wt：00.0190.000780t=99.82℃ W W tt 87.4178.17tF D82.79℃精餾段平均溫度：1 2 2 tttF W93.61℃提餾段平均溫度：2 2 2.精餾塔平均組成：可以由平均溫度計算精餾段:由t182.79℃84.182.782.7982.7可得液相組成x:,x0.2294 10.1660.234x10.234 1 84.182.782.7982.7氣相組成y: ,y0.54220.5090.545y10.545 1 提餾段：由t293.61C95.589.093.6189.0可得液相組成x: ，x20.03440.0190.072x20.072 95.589.093.6189.0氣相組成y: ，y0.2337 20.1700.389y20.389 2 3.相對揮發(fā)度x0.2294y0.5422精餾段揮發(fā)度：由A，A0.7706x0.4578 得B ，B x 0.54220.7706所以：AB3.98 yBxA0.45780.2294 （4-4）x'0.0344y'0.0.2337提餾段揮發(fā)度：由A ，A得x'B0.9656，y'B0.7663所以：'yA'xB'0.23370.96568.56yB'xA'0.76630.0344 4.實際塔板數(shù)精餾段已知：3.98，L10.3643mPas所以：E0.49(3.980.3643)0.2450.447NP精N 7T 15.6（4-5）E 0.447TT故：N16塊P精提餾段已知：'8.56，L20.3009mPas所以：E'T0.49(8.560.3009)0.2450.389 N' 91NT20.6 P提E' 0.389T故：N21塊P提全塔所需實際塔板數(shù)： NNN 162137塊P P精 P提全塔效率： N 161ET100%40.5% TN 37P加料板位置在第17塊塔板。4.3精餾塔操作工藝條件及相關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算1.平均壓力Pm取每層塔板壓降為0.7KPa精餾塔塔頂?shù)膲毫?KPa(表壓)塔頂：P=101.3+4=105.3KPa加料板：P=105.3+0.716=116.5KPa D F塔底：P=116.5+60.7=131.2KPaW精餾段平均壓力Pm1=（105.3+116.5）/2=110.9KPa提餾段平均壓力Pm2=（116.5+131.2）/2=123.85KPa2.平均溫度由上述計算知精餾段平均溫度為82.79℃提餾段平均溫度為93.61℃3.平均密度1a a 為平均相對分子質(zhì)量）(4-6)已知：混合液密度：AB（a為質(zhì)量分數(shù)， L A BPM混合氣密度：m(4-7)vRTm精餾段：t182.79℃由上述計算知精餾段液相組成x=22.94%氣相組成y=54.22%1 M460.229418(10.2294)24.42kg/kmol L1M460.542218(10.5422)33.18kg/kmolV1提餾段：t293.61℃由上述計算知提餾段液相組成x=3.44%氣相組成y=23.37%2所以M460.034418(10.0344)18.96kg/kmolL2M460.233718(10.2337)24.54kg/kmolV2表4.2不同溫度下乙醇和水的密度溫度/℃/(kgm3)c/(kgm3)w80859095100735730724720716971．8968．6965．3961．85958．4由上表可得出不同溫度下水和乙醇的密度（單位：kgm3）。t182.79℃ 8580 82.7980968.6971.8乙735,732.21kg/m3乙 8580 82.7980 ,970.01kg/m3968.6971.8971.8水水同理：t293.61℃，,721.11kg/m3,962.81kg/m3乙 水在精餾段：液相密度： 1 0.229446/0.2294461810.229410.4321 ,851.06kg/m3 732.21 970.01 L1L1汽相密度：PM123.533.18m 1.38kg/m3v1RT 8.314（273.1582.79）m在提餾段：液相密度： 1 0..34446/0.0344461810.034410.08345 ,936.62kg/m3 721.11 962.81 L2L2汽相密度：PM143.824.54m 1.16kg/m3v2RT 8.314（273.1593.61）m4.混合液體表面張力二元有機物-水溶液表面張力可用下列公式計算公式：1/41/41/4(4-8)m SW W S00xV xV 注： W W ， 00 WxVxV 0xVxV W W 00 W W 00xVxV，S00 SW SW S S0 VSq Tq W0ABQ,AlgSW2,1WBlg(w),Q0.441q0V02/3V2/3 SW S0S0式中，下角標w、o、s分別代表水，有機物及表面部分；x、x指主體部分的分子 W 0數(shù)；V、V指主體部分的分子體積；、為純水、有機物的表面張力；對乙醇q=2 W 0 W 0精餾段：t182.79℃表4.3不同溫度下乙醇和水的表面張力 溫度/℃ 乙醇表面張力/水表面張力/（103Nm1）（103Nm1）701864.38017.1562.69016.260.710015.258.8 m 18Vw21.15cm3/molmw 851.06 m 46Vo 40.35cm3/molo1.14o 9080 16.217.15乙醇表面張力： 得：16.8859082.7916.2 乙醇乙醇 9080 9082.79水表面張力：得：62.07060.762.660.7水水 2 (xV)2 1xV2wxV(xwVwXV)xVXVowxV o oo w w oo oo w w oo(10.2294)21.1521.46 0.229440.35(0.770621.150.229440.35) 因為x=0.2294,所以x=1-0.2294=0.7706 D W2Blg(w)lg1.460.146 o qV2/3 Q0.441ToqowVw2/3 2 16.88540.0352/3 0.441 62.07021.122/30.930 82.79273.15 2 ABQ0.1640.9300.7662聯(lián)立方程組Algswsc，1 sw sc代入求得sw0.270，so0.7401/40.27062.0701/40.74016.8851/4，m25.99m提餾段：t293.61℃ m 18V'w19.22cm3/molw'936.62w m 46V'o56.17cm3/molo'o0.819 10090 10093.61乙醇表面張力： ，'15.839 15.216.215.2' 乙醇乙醇 10090 10093.61水表面張力： ，'60.014 58.860.758.8' 水水 2 (10.0344)19.222 w 10.720.034456.17(0.965619.220.034456.17)o因為x'D0.0344所以x'W10.03440.96562B'lg(w)lg13.781.14o 2 15.83936.662/3 Q'0.441 60.01419.222/30.825 93.61273.15 2 A'B'Q'1.140.8250.315聯(lián)立方程組A'lg'2，2'1sw 'sc sw sc代入求得'0.737，'0.263,1/444.03 sw so m5.液體的粘度t182.79℃，查表得：'水0.3439mPas，醇0.433mPast293.61℃，查表得：'水0.298mPas，'醇0.381mPas精餾段粘度：x（1x）醇1 水 10.4330.22940.3439(10.2294)0.3634mPas1提餾段粘度：x（1x）醇2 水 20.3810.03440.298(10.0344)0.3009mPas26.相對揮發(fā)度精餾段揮發(fā)度3.98提餾段揮發(fā)度'8.567.氣液相體積流量計算精餾段：液體回流摩爾流率L=RD=5.7697.62=562.29kmol/h汽相摩爾流率V=(R+1)D=(5.76+1)97.62=659.9kmol/h已知：ML124.42kg/kmol，MV133.18kg/kmol851.06kg/kmol，1.38kg/kmol L1 v1則有質(zhì)量流量：L=ML=24.42562.29=13731.12kg/h1 L1V=MV=33.18659.9=21895.48kg/h 1 V1體積流量： L 13731.12 L= 1 4.48103m3/sS13600ρ3600851.06L1L=L3600=16.13m3/hh1 S1V=V/(3600ρ)=21895.48/(36001.38)=4.4m3/s S1 1 V1V=3600V=15840m3/h h1 S1提餾段：因本設(shè)計為飽和液體進料，所以q1L,=L+qF=562.29+1467.39=1029.68kmol/hV,=V+(q-1)F=659.9kmol/h已知：M18.96kg/kmol，M 24.54kg/kmol L2 V2936.62kg/kmol，1.16kg/kmolL2 V2則有質(zhì)量流量：L=ML'=18.961029.6819522.73kg/h 2 L2V=MV’=24.54659.916193.95kg/h 2 V2體積流量： L 19522.73 L= 2 5.78103m3/sS236003600936.62L2L=3600L=20.84m3/h h2 S2 V 16193.95V= 2 3.87m3/sS2360036001.16V2V=3600V=13932m3/h h2 S24.4塔板主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計算4.4.1塔徑1.精餾段取板間距：H=0.45m及板上液層高度h=0.07m則H-h=0.38m T L T L由u（0.6~0.8）u(4-9)maxuCL V(4-10)max V式中C可由史密斯關(guān)聯(lián)圖查出： L 4.48103851.06由橫坐標數(shù)值：S1(L1)1/2( )1/20.0253及H-h=0.38m查圖可 V 4.4 1.38 T L S1 V1 25.99知C0.081，負荷因子：C=C(L)0.20.081( )0.20.085 20 2020 20 851.061.38泛點氣速：CL V0.0852.11m3/smax 1.38V操作氣速：0.70.72.111.477m3/s1 max精餾段的塔徑：4VD S11.95m，T1 1圓整取2.0mD橫截面積：A(T1)23.14m2T 2此時的操作氣速： V 4.4 'S1 1.294m/s 1A 3.14T2.提餾段取板間距：H=0.45m及板上液層高度h=0.07m則H-h=0.38m T2 L2 T2 L2 L 5.78103936.62橫坐標數(shù)值：S2(L2)1/2( )1/20.0424 Vs 3.87 1.16 2 V2 25.99查圖可知，C0.081負荷因子：C=C(L)0.20.081( )0.20.085 20 2020 20 '' 936.621.16泛點氣速：'CL V0.0852.41m3/smax ' 1.16V操作氣速：0.70.72.411.687m3/s 1 max4V塔徑：D S21.71m T2 2圓整：2mD橫截面積：A'(T2)3.14m2 T 2V 3.87空塔氣速：'S2 1.23m/s2A'3.14T4.4.2塔板工藝結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計與計算1.溢流裝置堰長lw取l0.65D0.6521.3m w T出口堰高h：本設(shè)計采用平直堰，堰上液高度[18]h按下式算 w ow(4-11)近似取精餾段2.8416.13 h （）2/30.01520.006m ow1000 1.3出口堰高hhh0.07-0.01520.0548m w l ow提餾段 2.84 20.84 h' （ ）2/30.01810.006m ow1000 1.3h'h'h'0.07-0.01810.0519m w l ow2.弓形降液管的寬度和橫截面 L A W由W0.65查弓形降液管幾何關(guān)系圖得：f0.0721,d0.124 D A D T TA0.07213.140.226m2則：f W0.1242.00.248m2d驗算降液管內(nèi)停留時間：精餾段： AH 0.2260.45 fT 23.11s L 4.48103S1提餾段： A'H 0.2260.45 'f T 17.60s L' 5.78103S1停留時間5s（滿足要求）3.降液管底隙高度hoT液體通過降液管底隙的流速一般為0.07～0.25m/s取液體通過降液管底隙的流速u=0.15m/so 精餾段 L 4.48103hS10.023m0Lu1.30.15w0提餾段 L 5.78103h'S20.0296m0Lu'1.30.15w 0降液管底隙高度不宜小于0.02～0.025m，本結(jié)果滿足要求。4.塔板布置本設(shè)計塔徑D2，采用分塊式塔板，以便通過人孔裝拆塔板。T邊緣區(qū)寬度W：一般為50～75mm，D﹥2m時，W可達80～100mm。 C T C安定區(qū)寬度W:對于浮閥塔，因閥孔直徑較大，W相對來說比較大一些，一般對分塊塔S S板取80～110mm，對整塊式塔板取60～70mm。本設(shè)計取邊緣區(qū)寬度W=0.06m安定區(qū)寬度W=0.10m。 C S 開孔區(qū)面積Aa=2[R22R2sin1](4-12） 180 R D 2RTW0.060.94m 2 c2DT(WW)1（0.2480.10）0.652m 2 d s 3.14 0.652故Aa2[0.6520.9420.6522 0.942sin1]2.23m2 180 0.945.浮閥數(shù)目與排列精餾段：取F型浮閥，其閥孔直徑d=40mm取閥孔動能因子Fo=12，則孔速u為1 o 01 F 12 0 10.22m/s 01 1.38V1每層塔板上浮閥數(shù)目為： V 4.4NS1 340 d2u 0.7850.04210.2240 0浮閥排列方式采用等腰三角形叉排[19]，取同一個橫排的孔心距t=75mm則排間距： Aa 1.89 t' 74mm0.075N0.075340考慮到塔的直徑較大，必須采用分塊式塔板，而各分塊的支撐與銜接也要占去一部分鼓泡區(qū)面積，因此排間距不宜采用74mm，而應(yīng)小些，故取t’=65mm，按t=75mm，t’=65mm，以等腰三角形叉排方式作圖，排得閥數(shù)390個。按N=390重新核算孔速及閥孔動能因子 Vs 4.4閥控氣速u' 8.98m/s 01Nd 0.7853900.042 4 0F'8.981.3810.550閥孔動能因數(shù)變化不大，仍在9～13范圍內(nèi)u'1.294塔板開孔率=1 100%14.1%u' 8.9801提餾段