1、2 物料衡算2.1 生产规模年生产能力：100000ty年连续工作日:280dy连续每小时产量：根据设计任务，医用酒精的年生产能力 100000ty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：kg/h149028P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 Fi
2、gure out crude distillation column materials对整个粗馏塔进行全塔总物料衡算； 00WLSFwlxx式中 F0发酵缪蒸汽量，kg/h； 发酵缪中酒精摩尔分率0xS 加热蒸汽量，kg/h ；L 上升蒸汽量，kg/h ； 上升蒸汽的摩尔分率lW0 废液量，kg/h； 废液中的摩尔分率0wx粗馏塔热量衡算： WLsFISI0式中： 成熟缪的热焓，kJ/kg； 加热蒸汽的热焓，kJ/kg；sI 废液的热焓，kJ/kg；W 上升酒精蒸汽的热焓，kJ/kg ；LI图 2 精馏塔物料进出Fig.2 Figure out distillation column mat
3、erials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：0 VPWVQF其中 R)1(故： 0pwpf xVPxFx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；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：0 qIVPWIVIQIFvpwpvqsf 式中 粗酒精蒸汽的热焓，kJ/kg；fI 加热蒸汽的热焓，kJ/kg；s 回流液的热焓， kJ/kg；qIv 上升酒精蒸汽的热焓， k
4、J/kg； 成品酒精的热焓， kJ/kg；pI 杂醇酒精的热焓， kJ/kg； 废液的热焓， kJ/kg；wI 热损失，kJ/h.q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：，温度：80（ 摩 尔 分 数 ）（ 质 量 分 数 ）体 积 分 数 ） 7.3%1.9(120 x比热： =4.17 4 kJ /kg. ，热焓： kJ/kgcpC, 3415.80FI成品酒精：P=14900 kg/h，酒精含量： =95%(气相中酒精质量分数)=88.13% （气相px中酒精分子摩尔分数） ，温度：78.3=351.45K，比热：3.35kJ/k
5、g. 热焓: kJ/kg35.78pI进料层气相酒精浓度： y0=xf=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） ，则最小回流比： 7.23.5271.8min0Rp取最适宜的回流比: .3.1in则上升酒精蒸汽量： kg/h6705149)()( PV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: kg/h6705QkJ/kg2pqI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
6、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： , 杂醇酒精中带走的酒精占成品%3105.6 px酒精的 0.48%，则： pP48.0杂醇酒精蒸汽量： kg/h210493508 xp杂醇酒精的温度 354.15K，比热为 4.10 kJ/kg.K,其热焓 kJ/kg3.PI精馏酒精蒸汽渗漏损耗和废液带走酒精损耗为kg/h40.281.475012. wpWxVkg/h3.9.4.2p热损失按每 100kg 成品酒精 24166 kJ 计算，则： kJ/h36014926将已知数据代入 pwpf xVPWxFx则得： 4.23.8
7、1490).(5.27解得： kg/h4980热焓： kJ/kg1fI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: kg/h kJ/kg47980FL1975fLI根据精馏塔和粗馏塔的损耗各占一半，可知粗馏塔的损耗 kg/h80.40wxW将已知数据代入 wlWxx08.4527.316.40F解得： kg/h9将已知数据代入 和00LSWLsFISI则004351974827334989W解方程组得: kg/h950S粗塔废液酒精的含量：1.3710-5%134728.wox将已知数据代入 和0 qIVPWIVIQIFvpwpvqsf 0PWV则 3604532102614
8、9876026780231874953.140 W解方程组得： kg/h40WV废液中酒精含量： （ 摩 尔 分 数 ）（ 质 量 分 数 ） %02.%5.1467.2wx3. 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 为 27，出口温度 为 50；1t2t95%乙醇的无相变传热kJ/h60, 104.3875.49)( tPCqcp水的无相变传热 )(12tHh水的流量为 kg/h4612 10.32.403)( tCqh4. 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
9、95%乙醇给冷却器的最大传热量为 kJ/h,采用竖式列管冷却器,经查表,总传热5102.系数 K=2.09103 kJ/（m 2h ）,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 t1=27,出口温度为 t2=50,平均温差 tm 为：78.3 3027 5051.3 20 3.5127.81t 20352t)ln(21ttm代入数据得： 3.m冷却面积： mtKqSm21.43.109.2364.2 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
10、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 vaporliquid equilibrium y-x diagram精馏段操作方程是基于该段物料衡算得出的： 11Rxypnn式中 由 n+1 层上升蒸汽中的酒精的摩尔分率；1n由 n 层下降的回流液中的酒精的摩尔分率；x成品酒精的摩尔分率；pxR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
11、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： wnnxVWy01式中 V0 加热蒸汽量； W 废液量；废液中酒精的摩尔浓度；wx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 fxy回流比 R=3.5，故精馏段操作方程： p2.08.当 时，代入上式得 ，即在对角线上以 a（88.13,88.13）点表示。pxpxy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： 073xy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
12、塔板数。用图解法求出理论塔板数数为 12 个实际板数 （个）245.01N4.2.2 塔板设计计算4.2.2.1 塔板类型：选用 F1 型重浮阀塔浮阀板兼有泡罩板和筛板的优点，而且操作弹性大，操作灵活，板间压降小，液面落差小，浮阀的运动具有去污作用，不易积垢堵塞，操作周期长，结构简单，容易安装，操作费用少，其制作费用仅为泡罩板的 60%80%；又由于 F1 型浮阀塔结构简单，制造方便，节省材料，性能良好；另轻阀压降虽小但操作稳定性差，低气速是易漏液。综上所述，故选用 F1 型重浮阀塔4.2.2.2 浮阀塔板间距的选择与塔径的估算精馏塔塔顶压力一般为 0.105MPa（绝对） ，其酒精度为 95
13、%（质量分数）=88.13%（摩尔分数） ，该酒精密度为 1.51kg/ m3v则该酒精蒸汽的体积流量为： m3/s47.125.6078hV精馏段液相流量： kg/h，酒精浓度 88.13%（摩尔分数）914.3RPL，温度为 351.45K,其密度为 793 kg/m3。则液相体积流量为： m3/s019.76528hL动能因素： 44.50lhV从图 5 中差的负荷系数 5220c，酒精表面张力 4102.N/cm2代入式得： 53.07220 最大允许空塔速度 m/s2.1.91.max vlcv取空塔速度为 m/s732.0.86.0ax塔径： m6.4.13924vVdh即取塔径
14、m6.根据浮阀塔板间距参考值，选用板间距 mm=0.45mTH精馏塔塔高 m ，3.1.241TNZ动能参数5.0lhLV图 5 史密斯关联图Fig.5 under different kinetic parameters of the separation space and the relationship between load factor4.3 粗馏塔设计计算4.3.1 粗馏塔塔板数计算xWyq0 xDxF图 6 粗馏塔塔板数图解法 Fig.6 Crude distillation plate number graphical solution粗馏塔同精馏塔一样采用直接蒸汽加热，故根据物料衡算结果，其操作方程为： 01.8.6xy其在 y 轴上的截距为 0.061%饱和蒸汽进料，q=0，q 线方程为 0xy粗馏塔求解塔板数稍有不同，按图 6 所示求解塔板数，由下图 7 可知，理论塔板数为4 个则实际塔板数 （个）85.04N4.3.2 塔板设计计算4.3.2.1 塔板选型：同上精馏塔的选型。4.3.2.2 浮阀塔板间距的选择与塔径的估算原料液流量较大，塔径选为为 m4.50d根据浮阀塔板间距参考值，塔板间距为 600mm=0.6mTH塔高： m，2.180TNZ
