产万吨酒精蒸馏车间设计

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：1490024280100000=⨯=P 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 各塔物料衡算图2 粗馏塔物料进出Fig.2 Figure out crude distillation column materials对整个粗馏塔进行全塔总物料衡算；0W L S F +=+ wl Wx Lx x F +=00式中 F 0——发酵缪蒸汽量，kg/h ；0x ——发酵缪中酒精摩尔分率 S —— 加热蒸汽量，kg/h ；L —— 上升蒸汽量，kg/h ；l x ——上升蒸汽的摩尔分率 W 0—— 废液量，kg/h ； 0w x —— 废液中的摩尔分率 粗馏塔热量衡算：WL s F WI LI SI I F +=+0式中： F I —— 成熟缪的热焓，kJ/kg ；s I —— 加热蒸汽的热焓，kJ/kg ； W I —— 废液的热焓，kJ/kg ；L I —— 上升酒精蒸汽的热焓，kJ/kg ；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：''0V P W P V Q V F ++++=++其中 P R Q V )1(+== 故：''0V P W P V F +++=+pp w p f x V x P Wx Px Fx '''+++=式中 F —— 粗酒精蒸汽量，kg/h ； V 0—— 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 ； 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：''''0q I V I P WI PI VI QI I V FI v p w p v q s f +++++=++式中 f I —— 粗酒精蒸汽的热焓，kJ/kg ；s I —— 加热蒸汽的热焓，kJ/kg ； q I —— 回流液的热焓，kJ/kg ；vI —— 上升酒精蒸汽的热焓，kJ/kg ；p I —— 成品酒精的热焓，kJ/kg ；'pI —— 杂醇酒精的热焓，kJ/kg ； w I —— 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：（摩尔分数）（质量分数）体积分数）77.3%1.9%(120===x ，温度：80℃比热：c p C ,=4.17 4 kJ /kg. ℃，热焓：334175.480=⨯=F I kJ/kg成品酒精：P=14900kg/h ，酒精含量：p x =95%(气相中酒精质量分数)=88.13%（气相中酒精分子摩尔分数），温度：78.3℃=351.45K ，比热：3.35kJ/kg.℃热焓:35.33.78⨯=p I kJ/kg进料层气相酒精浓度： y 0=x f =49.18%(质量分数)=27.5%（摩尔分数）与之相平衡的液相浓度x 0=5.3%（摩尔分数），则最小回流比：7.23.55.275.2713.88min 000=--=--=x y y x R p取最适宜的回流比:5.37.23.13.1min =⨯==R R则上升酒精蒸汽量：6705014900)5.31()1(=⨯+=+=P R V 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:67050==V Q kg/h262==p q I I kJ/kg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%，含酒精量55%，则杂醇酒精中酒精含量：%33%10055.06.0'=⨯⨯=p x , 杂醇酒精中带走的酒精占成品酒精的0.48%，则：p p Px x P 0048.0''=杂醇酒精蒸汽量：2101490033950048.00048.0''=⨯⨯==P x x P pp kg/h 杂醇酒精的温度354.15K ，比热为4.10 kJ/kg.K,其热焓33210.481'=⨯=P I kJ/kg 精馏酒精蒸汽渗漏损耗和废液带走酒精损耗为40.22081.0475*******.0'=⨯⨯==w p Wx x V kg/h 53.295.040.240.2'===p x V kg/h 热损失按每100kg 成品酒精24166 kJ 计算，则：36000001001490024166=⨯kJ/h 将已知数据代入p p w p f x V x P Wx Px Fx '''+++= 则得：{4.2213.8814900)0048.01(5.27⨯+⨯⨯+=F解得：47980=F kg/h 热焓：1975=f I 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:47980==F L kg/h1975==f L I I 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80.400=w x W kg/h 将已知数据代入w l Wx Lx x F +=0080.45.2728.322016.40+⨯=F解得：3499880=F kg/h将已知数据代入00W L S F +=+和W L s F WI LI SI I F +=+0 则⎩⎨⎧+⨯=+⨯+=+0435197547980272333434998847980349988W S W S 解方程组得:⎩⎨⎧==34957247744W S kg/h粗塔废液酒精的含量：=⨯=%10034957280.4wo x 1.37×10-5将已知数据代入''''0q I V I P WI PI VI QI I V FI v p w p v q s f +++++=++和''0V P W P V F +++=+则⎩⎨⎧++⨯+⨯+⨯=⨯++⨯+++=+36000004353322102621490011876780026267800272311874798053.2210149004798000W V W V 解方程组得：⎩⎨⎧==44647120300W V kg/h废液中酒精含量：（摩尔分数）（质量分数）%002.0%0054.01004467440.2==⨯=w x 3. 热量衡算3.1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78.3℃，出口温度t0 30℃；冷却器的水入口温度1t 为27℃，出口温度2t 为50℃； 95%乙醇的无相变传热60,10004.33.48175.414900)(⨯=⨯⨯=-=t t PC q c p kJ/h水的无相变传热)(12t t HC q h -=水的流量为46121011.3232.410004.3)(⨯=⨯⨯=-=t t C qH h 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51002.2⨯kJ/h,采用竖式列管冷却器,经查表,总传热系数K=2.09×103 kJ/（m 2·h· ℃）,95%乙醇进口温度为78.3℃，出口温度为30℃，冷却水的进口温度为t 1=27℃,出口温度为t 2=50℃,平均温差Δtm 为：78.3℃ → 30℃ 27℃→ 50℃ 51.3℃20℃3.51273.781=-=∆t ℃2030502=-=∆t ℃ )ln()(2121t t t t t m ∆∆∆-∆=∆代入数据得：32.33=∆m t ℃ 冷却面积：mt K qS ∆=1.4323.331009.210004.336=⨯⨯⨯=S m 24.2 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）图4 乙醇—水的气—液平衡y-x 图Fig.4 Ethanol — water vapor —liquid equilibrium y-x diagram精馏段操作方程是基于该段物料衡算得出的：111+++=+R x x R Ry p n n式中1+n y ——由n+1层上升蒸汽中的酒精的摩尔分率；n x ——由n 层下降的回流液中的酒精的摩尔分率； p x ——成品酒精的摩尔分率；R ——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。

提馏段的操作方程：w n n x V W x V W y 001-=+式中 V 0—— 加热蒸汽量； W —— 废液量；w x ——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f x y =回流比R=3.5，故精馏段操作方程：p x x y 2.08.0+=当p x x =时，代入上式得p x y =，即在对角线上以a （88.13,88.13）点表示。

精馏段操作线在y 轴上的截距为17.626%根据物料衡算结果，提馏段操作方程为：007.07.3-=x y提馏段操作线在y 轴上的截距为0.007根据平衡线，精馏段操作线和提馏段操作线，采用图解法求出塔板数。