一．設計題目、任務和條件(一)設計題目酒精生產過程中精餾塔的設計（二）設計任務1.簡述酒精精餾過程的生產方法及特點，2.論述精餾總體結構(塔型、主要結構)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）塔徑塔板設計（7）進出管徑的計算（8）浮閥數(shù)目及排列（9）流體力學驗算（10）設計圖要求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。設備技術要求、主要參數(shù)、接管表、部件明細表、標題欄。2、用420×594圖紙繪制設備流程圖一張；3、用坐標紙繪制乙醇—水溶液的y-x圖一張，并用圖解法求理論塔板數(shù)（三）設計條件1、生產能力：40t/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)，并符合二級酒精標準：6、釜殘液中乙醇含量不大于0．2％(W)7、四級酒精(含乙醇為95％(V)其它無要求)的產出率為二級酒精的2％；8、塔頂溫度78℃，塔底溫度100-1049、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℃13、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．酒精生產的基本情況（一）工業(yè)酒精生產方法簡介工業(yè)上生產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：微生物細胞在無氧條件下，進行無氧呼吸，將吸收的營養(yǎng)物質通過細胞內酶的作用，進行一系列的生物化學反應，把復雜的有機物分解為比較簡單的生化中間產物，同時放出一定能量的過程－－發(fā)酵簡單地說，就是在無氧條件下，微生物將復雜的有機物轉變?yōu)楹唵蔚漠a物的過程，就叫做發(fā)酵其工藝流程如下：原料、淀粉（紅薯干或玉米）↓中碎↓細碎↓潤濕調漿←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、油水設備流程圖（二）酒精精餾的生產方法及特點1.生產過程的特點概述：（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，并省掉直接加熱設備。（2）該設計主要是設計酒精生產的最后一個環(huán)節(jié)——精餾。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預熱器加熱至泡點后，送至精餾塔，塔頂采用全凝器冷凝后，一部分作回流，其余為塔頂產品經冷卻后送貯槽，塔釜采用直接蒸汽供熱，塔底產品經冷卻后送至貯槽，流程圖如下圖：根據(jù)生產任務，若按每天開動設備24小時計算，產品流量為1.67t/h，由于產品粘度較小，流量較大，為減少造價，降低生產過程中壓降和塔板液面落差的影響，提高生產效率，選用浮閥塔。塔設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,塔底產品含乙醇(易揮發(fā)組分)摩爾分率乙醇的摩爾質量MA=46㎏/kmol水的摩爾質量MB=18㎏/kmolXF==0.142XD==0.855XW==0.000784其中XF—原料液的摩爾分率XD—塔頂產品的摩爾分率XW—底產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)質量分率(w)摩爾分率(x)原料液F\29.8XF=0.142餾出液D95%93.8XD=0.855釜液W\0.2XW=0.0007842.2原料及塔頂塔底摩爾質量MF=0.14246+(1-0.142)18=21.976kg/kmolMD=0.85546+(1-0.855)18=41.94kg/kmolMW=0.0007846+(1-0.0078)18=18.022kg/kmol其中:MF—原料液的平均摩爾質量,kg/kmolMD—塔頂產品的平均摩爾質量,kg/kmolMW—塔頂產品的平均摩爾質量,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/(41.9424)=39.74Kmol/h直接蒸汽加熱V=V0=L+D=(R+1)*D由后面所作乙醇-水溶液的yx圖知回流比R=3.8684∴V=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—塔頂產品(餾山液)流量,kmol/hW—塔底產品(釜底液)浪量,kmol/hV0—直接加熱蒸汽摩爾質量,kmol/hV—精餾段中上升蒸汽摩爾質量,kmol/h2.4熱量衡算查得質量分率29.8%的乙醇的泡點為84.7且84.7℃時ρ水=968.745kg/m3ρ乙醇=732.65xF=29.8%xW=0.2%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IV93.5%(W)的酒精的沸液焓ILD=244.54Kj/h29.8%(W)酒精的沸液焓IF=404.98Kj/h93.5%(W)酒精的沸液焓IVD=1208.67Kj/h0.2%(W)酒精的沸液焓IW=419.8Kj/h2.4.1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*18.02184+求得=4.96*Kj/hR由后面作圖可求得.2.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由于本設計未采用再背時器,故不做熱量衡算2.4.4對預熱器有:FI0+QP=FIP故QP=F(IF-I0)則=3.50*Kj/h其是:QP預熱器的熱負荷,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乙醇-水物系的y-x圖根據(jù)常壓下乙醇-水物系的氣液平衡數(shù)據(jù),作出y-x圖,見A1坐標紙上的乙醇水溶液的y-x圖3.1.2在乙醇水溶液的y-x圖上利用M.T圖解法可得Yq=0.385Xq=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)3.1.3Y=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可以由圖讀出Rmin-最小回流比,無因次R-回流比,無因次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=tm=90已知90℃μ乙醇=0.4mPaSμ水=0.3165mPaS該溫度下的進料液相平均粘度為:Μm=0.142μ乙醇+(1-0.142)μ水=0.142*0.4+0.858*0.3165=0.3284mPaS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,μ乙醇的粘度,μm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取11層進料板取層取36層4.塔的工藝條件及有關物性數(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=0.7KPa則進料板壓強PF=101.3+35*0.7=125.8KPa精餾段平均操作壓強Pm=（101.3+125.8）/2=113.55KPa4.2操作溫度tm塔頂溫度tm=78查得質量分數(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=81.35℃4.3平均摩爾質量Mm塔頂平均摩爾質量計算:XD=y1=0.855由平衡曲線得X1=0.85=41.94Kg/Kmol=41.8Kg進料板平均摩爾質量計算:XF=0.088yF=0.408=29.424Kg=20.464Kg則精餾段的平均分子量為:=35.682Kg=31.132Kg其中:塔頂氣相平均摩爾質量,塔底淮相平均摩爾質量進料板處氣相平均摩爾質量進料處液相平均摩爾質量,氣相平均摩爾質量,液相平均摩爾質量,4.4平均密度4.4.1依右式（a為質量分數(shù)）對<<化工課程式設計>>所給數(shù)據(jù)進行插什求得:tD=78℃=737.2Kg/=973Kg/塔頂液相的質量分率:=0.935=749.52Kg/進料板液相的質量分率:由=84.7℃查得=729.76Kg/=967.9Kg/=0.2682得:=890.01Kg/故精餾段平均液相密度=819.765Kg/4.4.2=（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℃=0.47mPaS=0.36642mPaS所以液體平均粘度依下式計算,得=0.497mPaS而當tF=84.7℃=0.43mPaS=0.3377mPaS所以則進料板液相平均粘度的計算=0.342mPaS精餾段液相平均粘度為=（0.497+0.342）/2=0.4195mPaS其中:塔頂液相平均粘度進料板液相平均粘度4.6精餾塔氣液負荷計算V=(R+1)×D=(3.8486+1)×39.74=158.368kmol/h=2.267L=R*D=3.84861×39.74=153.73kmol/h=0.0016217kmol/h=5.838kmol/h5，塔和塔頂工藝尺寸計算（1）塔徑D參考《化工原理課程設計》表4-1“板間距與塔徑關系”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關聯(lián)圖得=0.066，校正C，則：取安全系數(shù)為0.70，則：按標準塔，圓整后D=1.8塔截面：空塔氣速：（2）溢流裝置采用單溢流，弓形降液管，凹形受液盤及平行溢流堰，不設進口堰，各項計算如下：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(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=4.0mZ=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、篩板的流體力學驗算6.1塔板壓降氣體通過篩板的壓降：液柱高度hp：hp=hC+hL+hσhC------與氣體通過篩板的干板壓降相當?shù)囊褐叨?，m液柱hL------與氣體通過板上液層的壓降相當?shù)囊褐叨?，m液柱hσ------與克服表面張力的壓降相當?shù)囊褐叨龋琺液柱6.1.1與干板壓降相當?shù)囊褐叨萮C6.1.2與氣體穿過板上液層壓降相當?shù)囊褐叨萮L對于篩板塔6.1.3其中：C0——流量系數(shù)，無因次β——充氣系數(shù)，無因次ua——通過有效傳質區(qū)的氣速，m/sF0——篩孔氣相動能因子，kg1/2/(s﹒m1/2)g——重力加速度，m/s2△P——氣體通過每層塔板的壓降，Pa6.2液面落差當液體橫向流過塔板時，為克服板上所謂摩擦阻力和板上構件的局部阻力，需要一定的液位差。篩板上由于沒有突起的氣液接觸構件，故液面落差較下。在正常的液體流量范圍內，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，設計中規(guī)定液沫夾帶量ev<0.1kg液體/kg氣體6.4漏夜當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)經驗當露液量小于塔內液體量的10％時對塔板效率影響不大。故露液量等于塔內流量的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：設計孔速uo=17.67m/s>7.46篩板的穩(wěn)定系數(shù)故本設計中無明顯的漏液。6.5液泛為使液體能由上層塔板穩(wěn)定的流入下層塔板，降液管內須維持一定的液層高度Hd，降液管內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?shù)囊褐叨?，m液柱。板上不設置進口堰：因為Hd≤φ(HT+hw)乙醇-水物系屬于一般物系；故本設計中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象其中：Hd——降液管內清液層高度，mhd——與液體流過降液管的壓降相當?shù)囊褐叨龋琺φ——安全系數(shù)，無因次根據(jù)以上塔板的各項流體力學驗算，可認為精餾段塔徑及各工藝尺寸是合適的。7.塔板負荷性能圖7.1漏液線（氣相負荷下限線）以上各式化簡可得：此即氣相負荷下限關系式，在操作范圍內任取幾個Ls值，依上式計算相應的Vs值，列于表10-1中，依表中數(shù)據(jù)作氣相負荷下限線：表10-1Ls—Vs關系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Vs—Ls關系圖如下：在操作范圍內，任取幾個Ls值，上式算出相應Vs值，列于表10-2中表10-2Ls—Vs關系Ls×103,m3/s0.61.53.04.5Vs,m3/s2.4632.3472.1982.074依表中數(shù)據(jù)，在Vs—Ls圖中作出霧沫夾帶線。7.3液相負荷下限線對于平直堰，取堰上液層高度how=0.006m作為液相負荷下限標準，取E≈1.0，則依此值在Vs-Ls圖上液相負荷下限線。7.4液相負荷上限線以θ=4s