15万吨乙醇—水常压精馏塔设计讲解

第1章 绪 论1.1 乙醇的成分、理化常数及用途乙醇的结构式为OH H C 52，俗称酒精，它在常温、常压下是一种易燃、易挥用途1．不同浓度消毒剂99.5%的酒精称为无水酒精。

生物学中的用途：叶绿体中的色素能在有机溶剂无水乙醇（或丙酮）中，所以用无水乙醇可以提取叶绿体中的色素95%的酒精用于擦拭紫外线灯。

这种酒精在医院常用，而在家庭中则只会将其用于相机镜头的清洁。

70%～75%的酒精用于消毒。

这是因为，过高浓度的酒精会在细菌表面形成一层保护膜，阻止其进入细菌体内，难以将细菌彻底杀死。

若酒精浓度过低，虽可进入细菌，但不能将其体内的蛋白质凝固，同样也不能将细菌彻底杀死。

其中70%的酒精消毒效果最好。

40%～50%的酒精可预防褥疮。

长期卧床患者的背、腰、臀部因长期受压可引发褥疮，如按摩时将少许40%～50%的酒精倒入手中，均匀地按摩患者受压部位，就能达到促进局部血液循环，防止褥疮形成的目的。

25%～50%的酒精可用于物理退热。

高烧患者可用其擦身，达到降温的目的。

因为用酒精擦拭皮肤，能使患者的皮肤血管扩张，增加皮肤的散热能力，酒精蒸发，吸热，使病人体表面温度降低，症状缓解。

但酒精浓度不可过高，否则可能会刺激皮肤，并吸收表皮大量的水分。

2.饮料乙醇是酒主要成分（含量和酒的种类有关系）如白酒为56度的酒。

注意：我们喝的酒内的乙醇不是把乙醇加进去，而是发酵出来的乙醇，当然根据使用的发酵酶不同还会有乙酸或糖等有关物质。

白酒的度数表示酒中含乙醇的体积百分比（西方国家常用proof表示酒精含量），通常是以20℃时的体积比表示的，如50度的酒，表示在100毫升的酒中，含有乙醇50毫升(20℃)。

另外对于啤酒是表示啤酒生产原料麦芽汁的浓度，以12度的啤酒为例，是麦芽汁发酵前浸出物的浓度为12%(重量比)。

麦芽汁中的浸出物是多种成分的混合物，以麦芽糖为主。

啤酒中乙醇浓度一般低于10%。

3.基本有机化工原料乙醇可用来制取乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等化工原料，也是制取、染料、涂料、洗涤剂等产品的原料。

4、汽车燃料乙醇可以调入汽油，作为车用燃料，我国雅津甜高粱乙醇在汽油中占10%。

美国销售乙醇汽油已有20年历史。

乙醇汽油也被称为（E型汽油），我国使用乙醇汽油是用90%的普通汽油与10%的燃料乙醇调和而成。

它可以改善油品的性能和质量，降低一氧化碳、碳氢化合物等主要污染物排放。

此外乙醇还做：稀释剂、有机溶剂、涂料溶剂等几大方面，其中用量最大的是消毒剂。

危险特性易燃，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸。

与氧化剂接触发生化学反应或引起燃烧。

在火场中，受热的容器有爆炸危险。

其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇火源会着火回燃。

乙醇的用途很广，可用乙醇来制造醋酸、饮料、香精、染料、燃料等。

医疗上也常用体积分数为70%——75%的乙醇作消毒剂等。

1.2塔设备类型简介塔设备是化工、石油化工、生物化工、制药等生产过程中广泛采用的气液传质设备。

根据塔内气液接触构件的结构形式，可分为板式塔和填料塔两大类。

板式塔内设置一定数量的塔板，气体以鼓泡或咬射形式穿过板上的液层，进行传质与传热。

在正常操作下，气相为分散相，液相为连续相，气相织成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。

填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流向上(有时也采用并流向下)流动，气液两相密切接触进行传质与传热。

在正常操作下，气相为连续相，液相为分散相，气相组成呈连续变化，属微分接触逆流操作过程。

两种类型塔的简要比较，如下表1.1所示[1,2]。

板式塔作为重要的化工单元设备一直受到重视，在对原有塔板的改进和性能研究以及新型塔板的开发和应用等方面都取得了进展。

在塔板研究方面，塔板是按泡罩、筛孔和浮阀这三种塔型而发展的，一些新开发的塔板多数也是这三种塔板的改进型，它们均具有气液分散的共同特点[3,4]。

表1.1 板式塔和填料塔性能的简要比较板式塔根据塔板上气液接触元件的不同可分为泡罩塔、浮阀板塔、筛塔、舌形塔、浮动舌形塔和垂直浮阀板塔等多种[5]。

1.3塔设备选型及要求对于一个具体的分离过程，设计中选择何种塔型，应根据生产能力、分离效率、塔压降。

操作弹性等要求，并结合制造双修造价等因素综合考虑。

例如，对于热敏性物系的分离，要求塔压降尽可能低，选用填料塔较为适宜；对于侧线进料和出料的工艺过程，选用板式塔较为适宜；对于有悬浮物或容易聚合物系的分离，为防止堵塞，宜选用板式塔。

对于液体喷淋密度极小的工艺过程，若采用填料塔，填料层得不到充分润湿，使其分离效率明显下降，故宜选用板式塔；对于易发泡物系的分离，因填料层具有破碎泡沫的作用，宜选用填料塔。

为保证精馏过程的稳定、高效地操作，实现优质、高产、经济的分离，适宜的塔型及合理的设计是十分关键的，因此设备应满足一下要求：生产能力大，即单位塔截面气、液两相通过能力大。

不会产生液泛等不正常流动。

效率高、操作稳定弹性大。

当塔设备的气液负荷量有较大的波动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作，并且塔设备应保证能长期连续操作。

流体流动的阻力小，即流体通过塔设备的压力降小。

这将大大节省成产过程中的动能消耗，以降低常规操作费用。

结构简单、材料耗用量小、制造和安装容易。

这可以减少基建过程中的投资费用。

耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修[6]。

结合以上对塔设备发展状况、选型要求的简介，为满是工艺要求, 本设计采用浮阀板塔。

1.4设计步骤塔设备的设计一般主要包括两个部分：工艺设计和机械设计。

工艺设计中要初步确定各阶段混合物的物理特性，由计算得出的具体数据再进行塔板的最基本设计，主要是与塔板有关的各种计算，在工艺设计的最后还要进行塔的附属设备设计。

进入塔设备的机械设计部分后，塔的结构形式渐渐明朗化。

机械部分要解决的问题，除了确定塔设备的各细节结构外，更重要的就是要做各种校核工作，以保证设计完成的塔设备不仅能够正常运转，而且必须符合国家安全生产的标准。

其校核内容主要包括：质量载荷、地震载荷、风载荷等，还包括强度及稳定性校核。

在完成设计部分的任务后，就进入画图阶段。

图纸包括一张装配图和若干零件图，均采用计算机绘图，并严格按照设计尺寸进行绘制[7]。

本设计的研究的步骤：(1)工艺设计计算○1计算理论塔板数，塔板效率，确定实际塔板数及进料板位置；○2计算塔径；○3塔盘设计，溢流装置设计，进行流体力学计算，绘制塔板负荷性能图；○4确定塔高。

（2）结构设计计算○1塔体总体结构设计；○2设计塔盘结构，包括塔盘板、溢流装置、紧固件及支撑件结构；○3零部件设计，包括接管、裙座、人孔、塔内件、塔体辅助设备、法兰吊柱以及平台扶梯。

（3）强度校核对塔体、封头、裙座等进行强度计算和稳定性校核。

（4）绘制图纸。

（5）提出技术要求。

（6）编写设计说明书，整理图纸。

第2章精馏塔工艺设计计算2.1查阅文献，整理相关物性数据2.1.1 乙醇和水的物理性质表2.1 乙醇和水的物理性质[8]2.1.2 常压下乙醇和水的气液相平衡数据表2.2 乙醇-水系统t—x—y数据[9]2.1.3 乙醇和水的液相物理性质表2.3 乙醇和水的液相密度表2.4 乙醇和水的表面张力表2.5 乙醇和水的粘度2.1.4 设计任务和条件原料液含乙醇30%（质量分数，下同），其余为水；产品乙醇含量不低于93%；残液中乙醇含量不高于0.5%；生产能力为年产1.5万吨93%乙醇产品。

操作条件：常压下连续操作，塔顶采用全凝器，泡点回流 进料状态：饱和液体进料 回流比： 自选单板压降：不大于0.70kPa设备工作时间为300天/年 24h 连续工作 当地大气压：93.326kPa2.2 精馏塔全塔物料衡算2.2.1 物料衡算 已知D==⨯24300150002083h kg =47.34h kmol＝41.5218×0.1646×＝0.84+D M kmol kg 92.2118×0.8646×0.14=＋＝F M kmol kg ＝17.9618×＋0.99846×＝0.002W M kmol kgF x ＝=+18/70.046/30.046/30.00.14D x ＝=+18/07.046/93.046/93.00.84W x ＝=+18/995.046/005.046/005.00.002 乙醇的摩尔质量：M A ＝46kmol kg 水的摩尔质量：M B ＝18kmol kg则:⎩⎨⎧+=+=W D FWx Dx Fx W D F代入数值：⎩⎨⎧⨯+=+=W 0.00247.34×0.84F ×14.034.47W F解得：⎩⎨⎧==h kmol W hkmol F /14.240/48.287符号说明：F ：原料液流量（h kmol ）F x ：原料组成（摩尔分数，下同）D ：塔顶产品流量（h kmol ）D x ：塔顶组成W ：塔底残液流量（h kmol ）W x ：塔底组成 2.2.2 回收率乙醇的回收率为：%80.98%100=⨯=FDFx Dx H 2.2.3 适宜回流比的确定 1. 相对挥发度αF x ＝0.14 D x ＝0.84 W x ＝0.002 用内插法求塔顶、塔釜及进料板的温度： 塔顶温度： D t =81.3ºC 进料板温度： 7.101=F t ºC 塔底温度： W t ＝106.36ºC在泡点进料温度下，即t= 81.3ºC 时，其安托因常数为 乙醇 A=7.33827, B=1652.05, C=231.48 水 A=7. 07406, B=1657. 46, C=227. 02 由安托因方程得：塔顶：056.248.3123.181652.05-7.33827 Ct B -A ρlg )(o =++＝＝乙醇＝113.8ρ)(o 乙醇698.102.2723.181657.46-＝7.07406 Ct B-＝A ρlg o =++（水）28.29.498.113===水乙醇p p D α＝49.9ρ)(o 水塔底：448.248.31236.1061652.05-7.33827 Ct B -A ρlg )(o =++＝＝乙醇＝280.5ρ)(o 乙醇1024.202.27236.1061657.46-＝7.07406 Ct B-＝A ρlg o =++（水）21.26.1265.280===水乙醇p p W α＝126.6ρ)(o 水平均相对挥发度24.221.228.2=⨯=α2.回流比的确定乙醇-水溶液为非理想溶液，其平衡曲线有下凹部分，当操作线与q 线的交点尚未落在平衡线上之前，操作线已与平衡线相切，此时min R 可由点M （D D y x ,）向平衡线做切线的斜率求得。