酒精连续精馏塔的工艺设计说明

第四章工艺计算

一、物料衡算

已知：

生产能力（产量）6160 吨／年

操作周期8000 小时／年

进料组成进料含乙醇37.6%，其余为水（质量分率，下同）

塔顶产品（乙醇）组成≥81.6％

塔底产品（乙醇）组成≤0.5%

乙醇分子量：46，水的分子量：18

进料摩尔组成：乙醇，水0.809

塔顶摩尔组成：乙醇，水0.366

塔底摩尔组成：乙醇，水0.998804

全塔总物料衡算：

乙醇衡算：

塔顶产品流率：

求解上面的方程得：，

乙醇的回收率：

水的回收率（塔顶）：

表格1物料衡算结果一览

名称原料（FEED）馏出液（D）废液（W）摩尔分数x（乙醇）0.191 0.634 0.00196

摩尔流率（kmol/h）72.041 21.544 50.497

1.0

1.2 1.4 1.6 1.8

2.0 2.2 2.4

81012141618

20222426N

R/Rmin

图表 1理论板数随回流比变化曲线

由图可以看出，回流比增大到一定的值以后，塔板数减小的很慢了，此时依靠增大回流比来减小设备投资费用已经不值得了。另外发现即便是N 接近恒定时实际的回流比也不是很大，再根据经验确定

。

用上面确定的回流比重新计算，结果如下：

表格 3回流比、理论半数验证模拟结果

Minimum reflux ratio:

0.42388628 Actual reflux ratio: 0.84777256 Minimum number of stages: 5.82659753 Number of actual stages:

10.5148951 Feed stage:

7.06415444 Number of actual stages above feed:

6.06415444 Reboiler heating required: 462110.955 Watt Condenser cooling required: 44250

7.796 Watt Distillate temperature: 7

8.914069 C Bottom temperature:

99.4117042 C Distillate to feed fraction: 0.298878

故可以确定回流比、塔板数和进料位置的初值： (1) 塔板数：11块 (2) 回流比：0.85

(3) 进料位置：第7块板进料 2. 操作型模拟计算：

得到回流比、理论塔板数和进料位置的初值后，用RADFRAC 模块进行校核计算，检验是否满足分离要求。

模拟条件：

(1) 选用aspen plus 的RADFRAC 模块；

(2)对乙醇-水体系进行平衡分离模拟计算；

(3)物性方法为NRTL；

(4)饱和蒸汽进料（气相分率为零），模拟计算时塔板压降对分离的效果的影响比较小，只影响到塔顶和塔釜的温度，故可以根据经验资料设塔板压降为0.5kpa。据此，第七块板进

料，进料压力应该不小于第七块板的压力，即。

(5)理论塔板数为11（全塔效率为默认值1）；

(6)塔底选择釜式再沸器，塔顶为全凝器；

(7)回流比为0.85；

(8)馏出液流率为21.544kmol/h；

(9)第七块板进料（on stage）；

(10)第一块板和第十一块板分别以liquid采出馏出液和废液；

(11)塔顶压力为1atm；塔板压降为0.5kpa；

模拟工艺流程图

图表2Aspen模拟流程图

结果如表4所示。

表格4Aspen精确模拟结果

Unit D FEED W

From RADFRAC RADFRAC

To RADFRAC

Phase: Liquid Liquid Liquid

Component Mole Flow

ETHANOL KMOL/HR 13.76 13.76 0

WATER KMOL/HR 7.79 58.28 50.49

Component Mole Fraction

ETHANOL 0.64 0.19 0

WATER 0.36 0.81 1

Mole Flow KMOL/HR 21.54 72.04 50.5

11

Mass Flow KG/HR 774.02 1683.85 909.84

Temperature C 78.89 83.86 101.35

Pressure KPA 101.33 104.33 106.33 Vapor Fraction 0 0 0

Liquid Fraction 1 1 1

Solid Fraction 0 0 0

图表3组成及温度沿塔板的分布曲线

如图表3所示，分离已达到了设计要求。故理论塔板数块，第7块板进料，回流比R=0.85。

三、全塔效率

在实际塔板上，气液两相并未达到平衡，这种气液两相间传质的不完善程度用塔板效率来表示，在设计计算中多采用总板效率求出实际塔板数。采用O’connell（奥克勒尔）法来求取总板效率。总板效率

其中：

为塔顶及塔底平均温度下的相对挥发度；

为塔顶及塔底平均温度下进料液相平均黏度，。

由上面的模拟可得：

表格5各塔板上的温度及各组分的平衡常数

Stage Temperature/℃

K-Values ETHANOL WATER

1 78.8934879 1.12801286 0.77391344

2 80.236699 1.41990498 0.65689419

3 82.7291357 2.4658672 0.57665459