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1、2 物料衡算2.1 生产规模年生产能力：100000t/y年连续工作日:280d/y 连续每小时产量： 根据设计任务，医用酒精的年生产能力 100000t/ y全年365d，除去机械维修、节假日等，实际连续工作日280d每昼夜24h连续生产，则每小时生产能力:100000280 x 24=14900 kg/h蒸馏过程采用气相过塔两塔蒸馏流程，塔底采用直接蒸汽加热，压力为0.12MPa，温度 为104。设蒸汽总损耗0.25%，其中精馏和粗馏各占一半，在粗馏和精馏损耗中，设备的 蒸汽渗漏损耗和废酒糟带走的酒精各占一半，两外提取杂醇油带走的酒精又占成品酒精总量0.48%2.2 各塔物料衡算粗馏塔物料
2、进出Figure out crude distillation column materials图2Fig.2对整个粗馏塔进行全塔总物料衡算F + S 二 L + W00F x = Lx + Wx0 0 l w发酵缪中酒精摩尔分率式中F0发酵缪蒸汽量，kg/h； x0S加热蒸汽量，kg/h；L上升蒸汽量，kg/h； x 上升蒸汽的摩尔分率W0废液量，kg/h； x 废液中的摩尔分率 0w0粗馏塔热量衡算：FI + SI = LI + WI0 FsLW式中：I成熟缪的热焓，kJ/kg；FI加热蒸汽的热焓，kJ/kg；sI 废液的热焓，kJ/kg；IL上升酒精蒸汽的热焓，kJ/kg；p US沖二上
3、1广W图2精馏塔物料进出Fig.2 Figure out distillation column materials现在以每小时成品酒精的产量为基准，对整个精馏塔进行总物料衡算如下：F + V + Q 二 V + P + W + P + V 0其中V = Q = (R +1) P故：F + V 二 P + W + P + V 0Fx = Px + Wx + P x + V xf p w p p式中F粗酒精蒸汽量，kg/h；V0 加热蒸汽量， kg/h；V 塔顶上升的酒精蒸汽量， kg/h； V 酒精蒸汽渗漏损失量， kg/h；Q 回流入塔的冷凝酒精量， kg/h；P 杂醇酒精蒸汽量， kg/h
4、；P 成品酒精量， kg/h；W 废液量， kg/h；R 回流比。 精馏塔热量衡算：FI + VI + QI = VI + PI + WI + P I + V I + qf 0 s q v p w p v式中 I 粗酒精蒸汽的热焓， kJ/kg；加热蒸汽的热焓， kJ/kg； 回流液的热焓， kJ/kg；qv 上升酒精蒸汽的热焓， kJ/kg 成品酒精的热焓， kJ/kg；I 杂醇酒精的热焓， kJ/kg； p废液的热焓， kJ/kg；q 热损失， kJ/h.加热蒸汽：压力为0.3MPa （绝对），其热焓：Is=2723（kJ/kg）成熟缪：酒精含量： x = 12%（体积分数）= 9.1%（
5、质量分数）= 3.7（7 摩尔分数），0温度：80 C比热：C =4.17 4 kJ /kg. C,热焓：/ = 80x4.175 = 334kJ/kgp ,cF成品酒精：P=14900kg/h,酒精含量：x =95%（气相中酒精质量分数）=88.13% （气相中p酒精分子摩尔分数），温度:78.3C=351.45K,比热：3.35kJ/kg.C热焓：I 二 78.3 x 3.35kJ/kgp进料层气相酒精浓度：y0=x=49.18%（质量分数）=27.5% （摩尔分数）与之相平衡的液相 浓度x0=5.3% （摩尔分数），厂. x - y 88.13 - 27.5则最小回流比：Rmin = 7
6、0二二2.7y - x 27.5 -5.300取最适宜的回流比:R = 1.3R .二1.3x2.7 = 3.5min则上升酒精蒸汽量：V = （R +1）P = （1 + 3.5） x 14900 = 67050 kg/h酒精浓度与成品酒精相同，温度为351.45K，其热焓为Iv=1187kJ/kg回流冷凝酒精量:Q = V = 67050 kg/hI = I = 262 kJ/kgqp废液：一般精馏塔塔底压力为0.12MPa（绝对），相对应温度为377.15K，比热容为4.178 kJ/kg.K，其热焓 Iw=435 kJ/kg杂醇酒精：含量60%（质量分数，下同），其中杂醇油含量为45%
7、，含酒精量55%，则杂醇酒精中酒精含量： x = 0.6 x 0.55 x100% =33%, 杂醇酒精中带走的酒精占成品酒精 p的 0.48%，则： Px = 0.0048Px ppx95杂醇酒精蒸汽量：P = 0.0048 P = 0.0048 x x 14900 = 210kg/hx 33杂醇酒精的温度354.15K，比热为4.10 kJ/kg.K,其热焓I= 81 x 4.10 = 332kJ/kg精馏酒精蒸汽渗漏损耗和废液带走酒精损耗为V x = Wx = 0.00125 x 47571 x 0081 = 2.40 kg/hp w 22.40 _ 2.40x 0.95= 2.53kg
8、/h热损失按每100kg成品酒精24166 kJ计算，贝： 24166 x14900100= 3600000kJ/h将已知数据代入Fxf=Px + Wx + P x + V xpwpp则得：27.5F = (1 + 0.0048) x 14900 x 88.13 + 2 x 2.4解得： F = 47980kg/h热焓： I = 1975 kJ/kg根据工艺设计，粗馏塔的上升蒸汽量等于精馏塔的粗酒精蒸汽量，即:L = F = 47980 kg/h/厶=1975 kJ/kg根据精馏塔和粗馏塔的损耗各占一半可知粗馏塔的损耗气xw0二4.80 kg/h将已知数据代入F x二Lx + Wx00lw4.
9、16F 二 3220.28 x 27.5 + 4.800解得：F。= 349988 kg/h将已知数据代入F + S = L + W和F I + SI = LI + WI000 FsLW则J349988 + S = 47980 + W1349988 x 334 + 2723S = 47980 x 1975 + 435W0IS = 47744 解方程组得:C = 349572 kg%I 0 粗塔废液酒精的含量：4.80x =X100% = 1.37X10-5wo 349572将已知数据代入 FI + VI + QI = VI + PI + WI + PI + VI + q和 f 0 s q v
10、p w p vF + V = P + W + P + V 0则47980 + V = 14900 + W + 210 + 2.53047980 x 1187 + 2723V + 67800 x 262 = 67800 x 1187 +14900 x 262 + 210 x 332 + 435W + 36000000解方程组得：V =120300W = 44647kg/h2.40废液中酒精含量：x =一x 100 = 0.0054%（质量分数）=0.002%（摩尔分数）w 446743. 热量衡算I三l = = i3.1精馏塔冷却器 7的热量衡算冷却器的95%乙醇入口的温度t为78.3C，出口温
11、度t0 30C；冷却器的水入口温度11为27C，出口温度12为50C；95%乙醇的无相变传热q = PC (t -1 ) = 14900 x 4.175 x 48.3 = 3.004x 106 kJ/h p ,c0水的无相变传热q = HC (t t )h 2 1水的流量为H=qC (t t )h 2 13.004 x 1064.2 x 23=3.11x 104 kg/h4. 设备设计计算4.1 精馏塔冷却器 7设计计算4.1.1 冷却面积计算95%乙醇给冷却器的最大传热量为2.02x 105kj/h,采用竖式列管冷却器，经查表,总传热 系数K=2.09x103 kJ/ (m2h C) ,95
12、%乙醇进口温度为78.3C，出口温度为30 C，冷却水的 进口温度为t1=27C，出口温度为t2=50C,平均温差Atm为：78.3 C 30 C27C50 C51.3C20CAt = 78.3 27 = 51.3 C At = 50 30 = 20 C12At(At At )12ln(护代入数据得：At二33.32 Cm冷却面积：S二qKAtm3.004x1062.09x103 x33.23=43.1m24.2精馏塔设计计算4.2.1精馏塔塔板数计算乙醇-水的气-液平衡y-x如下图4：图中曲线表示在一定外压下乙醇蒸汽的组成y和与之相平衡的液相组成x之间的关系 (均为摩尔分数)。图中平衡曲线与
13、对角线相交于M点，此点为恒沸点。在此点，y=x,即蒸汽中的酒 精含量和与之相平衡的液相中的酒精含量相等(y=x=0.894)100加807D60504030囲10一一/7. 1 /,.J/N!0 10 20 30 40 50 60 70 90 W 100裁相乙图4乙醇一水的气一液平衡y-x图Fig.4Ethanol 一 water vaporliquid equilibrium y-x diagram精馏段操作方程是基于该段物料衡算得出的：Rxy = x +p-n+1R +1 n R +1式中y 由n+1层上升蒸汽中的酒精的摩尔分率;n+1x由n层下降的回流液中的酒精的摩尔分率;nx 成品酒精的摩尔分率；pR 回流比。酒精蒸馏为分离水为重组分的物料。可将加热蒸汽直接通入精馏塔塔釜加热，采用直接 蒸汽加热，对精馏段方程不影响，提馏段的操作线与间接蒸汽加热精馏过程略有差异。W W提馏段的操作方程：y 二 x - xn+1 V n V w0 0废液中酒精的摩尔浓度;其他同上q线方程或进料方程，加料热状态一定时，q线方程式为一直线）:饱和蒸汽进料时，q=0，q线方程为y = x回流比R=3.5，故精馏段操作方程：y二0.8x + 0.2xp当x二x时，代入上式得y二x，即在对角线上以a （88.13,88.13）点表示。p
