酒精生产过程中精馏塔的设计

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1、一设计题目、任务和条件(一) 设计题目酒精生产过程中精馏塔的设计（二）设计任务1.简述酒精精馏过程的生产方法及特点， 2.论述精馏总体结构(塔型、主要结构)的选择和材料选择；3.精馏过程的计算（1）精馏过程的物料衡算（2）精馏过程的热量衡算（3）理论塔板层数的确定（4）最小回流比及操作回流比的确定（5）塔高的计算（6）塔径塔板设计（7）进出管径的计算（8）浮阀数目及排列（9）流体力学验算（10）设计图要求l 1、用594841图纸绘制装置图一张：一主视图，一俯视图，一剖面图，两个局部放大图。设备技术要求、主要参数、接管表、部件明细表、标题栏。l 2、 用420594图纸绘制设备流程图一张； 3

2、、用坐标纸绘制乙醇水溶液的y-x图一张，并用图解法求理论塔板数（三） 设计条件1、生产能力： 40 t/d二级酒精2、原料：乙醇含量29.8%（wt）的粗馏冷凝液，以乙醇水二元系为主；3、实行直接蒸汽加热：4、实行泡点进料：q=15、馏出液中乙醇含量95(V)，并符合二级酒精标准：6、釜残液中乙醇含量不大于02(W)7、四级酒精(含乙醇为95(V)其它无要求)的产出率为二级酒精的2；8、塔顶温度 78，塔底温度100-104；9、塔板效率0.3-0.4或更低；10、精馏段塔板数计算值 22层，工厂 32层，提馏段塔板数计算值 10层，工厂 16层；11、二级酒精从塔第三、四、五层提取；12、二

3、、四级酒精的冷却温度为25，冷却水温度：进口20，出口35-4013、回流比大致范围 3.5-4.5（通过最少回流比计算）14、其他参数(除给出外)可自选15. 单板压降不大于0.7KPa二酒精生产的基本情况（一）工业酒精生产方法简介工业上生产酒精主要有两种方法：合成法和发酵法工业上用的最广的是发酵法： l 微生物细胞在无氧条件下，进行无氧呼吸，将吸取的营养物质通过细胞内酶的作用，进行一系列的生物化学反应，把简单的有机物分解为比较简洁的生化中间产物，同时放出肯定能量的过程发酵l 简洁地说，就是在无氧条件下，微生物将简单的有机物转变为简洁的产物的过程，就叫做发酵l 其工艺流程如下：原料、淀粉（红

4、薯干或玉米）中碎细碎 润湿调浆 加热蒸煮、加压到4atm蒸汽直接加热到糊精糖化酶 糖化成葡萄糖、水、渣 发酵生产酒精 酵母 其中乙醇7%8%，最大处10% 其他有机物有杂醇、醛、酸等 渣主要是酒糟、水等直接蒸汽 粗馏 酒糟、水冷凝直接蒸汽 精馏 二级酒精、四级酒精、杂醇、油水设备流程图（二）酒精精馏的生产方法及特点 1. 生产过程的特点概述：（1）以乙醇水二元物系为主，在蒸馏釜残液中的主要成分加水，在低浓度下轻组分的相对挥发度较大，则可用直接蒸汽加热，因而可以利用压强较低的加热蒸汽以节省操作费用，并省掉直接加热设备。（2）该设计主要是设计酒精生产的最后一个环节精馏。其过程如下所述；气相进塔的两

5、塔流程液相进塔的两塔流程回流装置（三）计算过程1. 精馏流程和塔型的选择 乙醇和水混合料经预热器加热至泡点后，送至精馏塔，塔顶接受全凝器冷凝后，一部分作回流，其余为塔顶产品经冷却后送贮槽，塔釜接受直接蒸汽供热，塔底产品经冷却后送至贮槽，流程图如下图：依据生产任务，若按每天开动设备24小时计算，产品流量为1.67t/h，由于产品粘度较小，流量较大，为削减造价，降低生产过程中压降和塔板液面落差的影响，提高生产效率，选用浮阀塔。塔设备的高度与直径之比，因情况不同，差别很大，塔外壳用钢板焊制，也可用铸铁铸造，每层塔板为一节，并用法兰连接。塔体材料和踏板材料均选用,因这种不锈钢具有高的强度极限，较低的屈

6、服极限，极好的塑性和韧性，他的焊接性能和冷弯成形等工艺性也很好，是目前制造容器、塔的最广泛的一类不锈钢，又由于这种钢在乙醇介质中有很好的耐腐蚀性，所以选用。2，塔的物料衡算：2.1原料液及塔顶,塔底产品含乙醇(易挥发组分)摩尔分率乙醇的摩尔质量 MA=46 /kmol水的摩尔质量MB=18 /kmolXF= =0.142XD=0.855XW=0.000784其中XF原料液的摩尔分率XD塔顶产品的摩尔分率XW底产品的摩尔分率酒精浓度的换算如表2所示表1 酒精浓度换算如表类别物系 体积分率(v)质量分率(w)摩尔分率(x)原料液F29.8XF=0.142馏出液D95%93.8XD=0.855釜液W

7、0.2XW=0.0007842.2原料及塔顶塔底摩尔质量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原料液的平均摩尔质量,kg/kmolMD塔顶产品的平均摩尔质量,kg/kmolMW塔顶产品的平均摩尔质量,kg/kmol2.3物料衡算总物料衡算 F+V0=W+D易挥发组分FXf=DXd+WXw已知 D=40000/(41.94 24)=39.74Kmol/h直接蒸汽加热V=V0=L+D=(R

8、+1)*D由后面所作乙醇-水溶液的y x图知回流比R=3.8684V=V0=(3.8684+1)89.41=158.36kmol/h 联立解得F=239.05kmol/hW=199.02kmol/h其中F 原料液流量, kmol/hD 塔顶产品(馏山液)流量,kmol/hW 塔底产品(釜底液)浪量,kmol/hV0 直接加热蒸汽摩尔质量,kmol/hV 精馏段中上升蒸汽摩尔质量,kmol/h2.4热量衡算查得质量分率29.8%的乙醇的泡点为84.7且84.7时水= 968.745kg/m3 乙醇=732.65 kg/m3xF=29.8% xW=0.2% 已知:xD=93.5%接受过热蒸汽加热,

9、可取加热蒸汽温度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全塔的热量衡算:依据热量守衡,有左边=478.10*537.86*21.976+2708.9*435.28*18.02184+244.92*317.29*4194=3.02* Kj/h右边=1204.475*435.28*41.94+447.79*398.04*18.02184+ 求得=4.96* Kj/hR由后

10、面作图可求得.2.4.2冷凝器的热量衡算依据公式QC=(R+1)D(IVD-ILD),其中R=3.8684,将数据代入得:QC=21.75* Kj/h.其中:QC损失的热量,kJ/h2.4.3再沸器的热量衡算由于本设计未接受再背时器,故不做热量衡算2.4.4预热哭喊 的的热量衡算对预热器有:FI0+QP=FIP故QP=F(IF-I0)则=3.50* Kj/h其是:QP预热器的热负荷,CP原料液平均比热容原料液的温度冷却水进口温度3.塔板数的确定3.1理论塔板数NT的求取乙醇水属抱负物系,可接受图解法求理论塔板数3.1.1乙醇-水物系的y-x图依据常压下乙醇-水物系的气液平衡数据,作出y-x图,

11、见A1坐标纸上的乙醇水溶液的y-x图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图上利用M.T图解法可得Yq=0.385 Xq=Xf=0.142故最水回流比为Rmin=1.99342Q线性方程由于泡点进料,故q=1,XF=Xq取操作回流比为R=R2Rmin=2*1.93=3.8684 (在3.4 -3.5之间,符合要求)3.1.3精馏段操作线方程Y= Y=由图可得理论板层数NT=21层,其中,精馏段为16层,提馏段4层,第17层为进料板.其中:Yq,Xq-q 线与平衡线的交点坐标可以由图读出Rmin-最小回流比,无因次R-回流比,无因次3.2全塔效率的求取,由式样ET=0.1

12、7-0.616lg已知:tD=78 tB=100-104(取tB=102),则塔的平均温度为tm=90已知90下,乙醇和水的粘度分别为:乙醇=0.4mPaS 水=0.3165mPaS该温度下的进料液相平均粘度为: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,无因次tD-塔顶温度,tB 塔底温度,乙醇的粘度,m原料液的平均粘度3.3实际塔板数N精馏段 =16/0.4679=34.2 取35层提镏段= 5/0.4679=10.7 取11层进料板取层取36层4.塔的工艺条件

13、及有关物性数据的计算4.1操作压强Pm由于接受常压精馏,故塔顶压强为PD=101.3KPa,取每层塔板的压降为 P=0.7 KPa则进料板压强PF=101.3+35*0.7=125.8 KPa精馏段平均操作压强Pm=（101.3+125.8）/2=113.55 KPa4.2操作温度tm塔顶温度tm= 78查得质量分数为29.8%的乙醇的泡点,既tF=84.7精馏段的平均温度为=（78+84.7）/2=81.354.3平均摩尔质量Mm塔顶平均摩尔质量计算:XD=y1=0.855由平衡曲线得X1=0.85=41.94Kg/Kmol=41.8 Kg/Kmol进料板平均摩尔质量计算:XF= 0.088

14、 yF=0.408=29.424 Kg/Kmol=20.464 Kg/Kmol则精馏段的平均分子量为:=35.682 Kg/Kmol=31.132 Kg/Kmol其中: 塔顶气相平均摩尔质量,塔底淮相平均摩尔质量进料板处气相平均摩尔质量进料处液相平均摩尔质量,气相平均摩尔质量,液相平均摩尔质量,4.4平均密度4.4.1液相平均密度依右式（a为质量分数）对所给数据进行插什求得:tD=78时=737.2Kg/ =973 Kg/塔顶液相的质量分率:=0.935=749.52 Kg/进料板液相的质量分率:由=84.7查得=729.76Kg/ =967.9 Kg/=0.2682得: =890.01 Kg

15、/故精馏段平均液相密度=819.765 Kg/4.4.2汽相平均密度=（14.82+2.62）/2=8.72mN/m4.5液体平均表面张力液相平均表面张力的计算: 查得:tD=78时=0.47mPaS =0.36642mPaS所以液体平均粘度依下式计算,得 =0.497 mPaS而当tF=84.7,查得：=0.43mPaS =0.3377mPaS所以则进料板液相平均粘度的计算=0.342 mPaS精馏段液相平均粘度为=（0.497+0.342）/2=0.4195 mPaS其中: 塔顶液相平均粘度 进料板液相平均粘度4.6精馏塔气液负荷计算V=(R+1)D=(3.8486+1)39.74=158

16、.368kmol/h=2.267L=R*D=3.8486139.74=153.73kmol/h=0.0016217 kmol/h=5.838 kmol/h5，塔和塔顶工艺尺寸计算（1）塔径D参考化工原理课程设计表4-1“板间距与塔径关系”表，初选板间距=0.40m,取板上液层高度=0.06m,故-=0.40-0.06=0.34m查图4-5，Smith关联图得=0.066，校正C，则：取平安系数为0.70，则：按标准塔，圆整后D=1.8m塔截面：空塔气速：（2）溢流装置接受单溢流，弓形降液管，凹形受液盘及平行溢流堰，不设进口堰，各项计算如下：1， 溢流堰长取溢流堰长2.出口堰高由 查图4-9，液

17、流收缩系数计算图得E=1.07则：3.降液管的宽带wd与降液管的面积由，查图4-11，弓形降液管的宽度与面积图可知， ，故计算液体在降液管停留时间以及检验降液管面积，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 取液体通过降隙管底隙的流速为0.08m/s，则 (3)塔板布置 （1）取边缘区宽度WC=0.07m 安定区宽度WS=0.1m (2)计算开孔面积其中故：=0.865 (4)开孔数n与开孔率f取筛孔的孔径d0为5mm,三角形排列，一般碳钢的板厚d为3mm，取t/d0=3.55，故孔中心距t=3=15mm塔板的孔筛数n，即： =1.1

18、55*0.856/=4396塔板上开孔区的开孔率，即气孔通过筛孔的气速为（5）塔有效高度Z 精馏段：Z精=（ 35 -1）*0.4=13.6m 提馏段：Z提=(11-1)*0.4=4.0m Z= Z精 + Z提=13.6+4.0m=17.6m其中： X, 开孔区宽度的1/2，mR, 鼓泡区的半径,m, 筛板厚度, mm,筛孔直径,mmt, 筛孔的中心距,mmn,筛孔数目,个开孔率，无因次气体通过筛孔的速度，6、筛板的流体力学验算6.1塔板压降 气体通过筛板的压降：液柱高度hp：hp=hC+hL+hhC-与气体通过筛板的干板压降相当的液柱高度，m液柱hL-与气体通过板上液层的压降相当的液柱高度，

19、m液柱h-与克服表面张力的压降相当的液柱高度，m液柱6.1.1 与干板压降相当的液柱高度hC6.1.2 与气体穿过板上液层压降相当的液柱高度hL对于筛板塔6.1.3 与克服液体表面张力压降相当的液柱高度h 其中： C0流量系数，无因次 充气系数，无因次 ua通过有效传质区的气速，m/s F0筛孔气相动能因子，kg1/2/(sm1/2) g重力加速度，m/s2 P气体通过每层塔板的压降，Pa6.2 液面落差当液体横向流过塔板时，为克服板上所谓摩擦阻力和板上构件的局部阻力，需要肯定的液位差。筛板上由于没有突起的气液接触构件，故液面落差较下。在正常的液体流量范围内，对于的筛板，液面落差可以忽视不计。

20、对于筛板塔，液面落差很小，且本设计中的塔径和液流量均不大，故可忽视液面落差的影响。 6.3 液沫夹带量eV为保证塔板效率的基本稳定，通常将液沫夹带量限制在肯定的范围内，设计中规定液沫夹带量ev7.46m/s筛板的稳定系数故本设计中无明显的漏液。6.5 液泛为使液体能由上层塔板稳定的流入下层塔板，降液管内须维持肯定的液层高度Hd，降液管内液层的高度用克服相邻两层塔板间的压降、板上清液阻力和液体流过降液管的阻力，因此可以用下式计算Hd:Hd=hp+hL+hdHd-降液管中清液层高度，m液柱；hd -与液体流过降液管的压降相当的液柱高度，m液柱。板上不设置进口堰：由于Hd(HT+hw)乙醇-水物系属

21、于一般物系；故本设计中不会发生液泛现象其中： Hd降液管内清液层高度，m hd与液体流过降液管的压降相当的液柱高度，m 平安系数，无因次依据以上塔板的各项流体力学验算，可认为精馏段塔径及各工艺尺寸是合适的。7.塔板负荷性能图7.1 漏液线（气相负荷下限线）以上各式化简可得：此即气相负荷下限关系式，在操作范围内任取几个Ls值，依上式计算相应的Vs值，列于表10-1中，依表中数据作气相负荷下限线：表10-1 LsVs关系Ls103, m3/s0.61.53.04.5Vs, m3/s0.59750.62240.65520.68197.2液沫夹带线雾沫夹带极限值ev=0.1kg液/kg气为限，求VsL

22、s关系图如下： 在操作范围内，任取几个Ls值，上式算出相应Vs值，列于表10-2中表10-2 LsVs关系Ls103 ,m3/s0.61.53.04.5Vs,m3/s2.4632.3472.1982.074依表中数据，在VsLs图中作出雾沫夹带线。7.3 液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度how=0.006m作为液相负荷下限标准，取E1.0，则依此值在Vs-Ls图上液相负荷下限线。7.4 液相负荷上限线以=4s作为液体在降液管中停留时间的下限,可以得到：7.5 液泛线在操作范围内取若干个Ls值，依上式计算Vs值，列于表10-3依表中数据作出液泛。表10-3 LsVs关系Ls103，m3/

23、s0.61.53.04.5Vs，m3/s2.662.572.432.277.6 操作线及其操作弹性应用MATLAB编程语言结合上述计算数据作得负荷性能图如下：上图即为所设计的浮阀塔的负荷性能图，五条线包围区域为精馏段塔板操作区，通过原点O的斜线为汽液比肯定的操作线。P为操作点，OP为操作线，OP与雾沫夹带线的交点为相应气相负荷为Vs,max, OP线与漏液线的交点为相应气相负荷为Vs,min。由塔板负荷性能图可以看出：（1）设计任务规定的汽液负荷下的操作点P，处在适宜操作区内。（2）塔板的气相负荷上限由雾沫夹带掌握，操作下限由漏液掌握。（3）依据固定的液气比， 操作弹性为：7.7优化 通过反复

24、优化才得到设计的最终的结果，观察负荷性能图，工作点状态良好，操作弹性优良。 通过在不断的优化过程中，得到以下几点阅历： 依据实际情况，在工业生产中，液相上下限由人为规定，且在超过最大，最小液量仍能正常操作的情况还是存在的。 对于因夹带不能正常操作的情况，一般先调HT，后调D，其中D的调整尤为灵敏。 对于因液泛不能正常操作的情况，HT是灵敏因素。一般应推断液泛是由于降液管阻力过大引起还是由于塔板阻力过大引起的，然后分别接受不同措施调整降液管底隙或开孔率。若二者的调整不灵敏或已调整至上限，则应加大板间距。 应漏液不能正常操作的情况，一般只能减小开孔率。 本设计由于为过量液沫夹带线掌握，所以通过调整HT与D来完成设计要求，可以在提馏段接受不等径塔以及加大提馏段塔板间距来满足要求。21 / 21