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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、采取直接蒸汽加热：4、采取泡点进料：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，将吸收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，把复杂的有机物分解为比较简单的生化中间产物，同时放出一定能量的过程发酵l 简单地说，就是在无氧条件下，微生物将复杂的有机物转变为简单的产物的过程，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，塔顶采用全凝器冷凝后，一部分作回流，其余为塔顶产品经冷却后送贮槽，塔釜采用直接蒸汽供热，塔底产品经冷却后送至贮槽，流程图如下图：根据生产任务，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，为减少造价，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，又因为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%采用过热蒸汽加热,
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:根据热量守衡,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冷凝器的热量衡算根据公式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采用再背时器,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的求取乙醇水属理想物系,可采用图解法求理论塔板数3.1.1乙醇-水物系的y-x图根据常压下乙醇-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线性方程因为泡点进料,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=已知:
12、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.塔的工艺条件及有关物性数据的计算4.
13、1操作压强Pm因为采用常压精馏,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 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/
