不銹鋼波紋填料酒精回收塔的設(shè)計(jì)探討

單建領(lǐng) 劉鳳（江蘇炬烽機(jī)械有限公司，江蘇 淮安 211700）

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不銹鋼波紋填料酒精回收塔的設(shè)計(jì)探討

單建領(lǐng) 劉鳳
（江蘇炬烽機(jī)械有限公司，江蘇 淮安 211700）

摘 要酒精回收塔是將濃度低的乙醇溶液通過(guò)蒸餾和分離，從而提高乙醇溶液的濃度。為了節(jié)省原料提高利用率，塔類設(shè)備在化工、制藥領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。下面以一個(gè)連續(xù)式酒精回收塔為實(shí)例，針對(duì)酒精回收塔系統(tǒng)各個(gè)單元的設(shè)計(jì)計(jì)算，闡述酒精回收塔的設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞酒精回收塔；再沸器；熱回收冷凝器；冷凝器；冷卻器

塔是在一定的條件下，能將氣液共存狀態(tài)下的混合物實(shí)現(xiàn)分離、純化的單元操作設(shè)備。廣泛用于煉油、精細(xì)化工、環(huán)境工程、醫(yī)藥工程和輕紡織工程等行業(yè)中。近年來(lái)中藥制取行業(yè)迅速發(fā)展，乙醇的用量迅速上升，為避免造成乙醇的浪費(fèi)，適時(shí)對(duì)使用并稀釋后的乙醇溶液進(jìn)行濃縮回收，以減少乙醇的排放，不僅達(dá)到節(jié)能的目的還減少了環(huán)境的污染。江蘇炬峰機(jī)械有限公司經(jīng)過(guò)幾年的摸索改進(jìn)設(shè)計(jì)出一款稀酒精回收濃縮裝置，該裝置適用于制藥、食品、輕工、化工等行業(yè)的稀酒精的回收，可將含量30 % ~ 70 %的稀酒精蒸餾到90 %~95 % 。

酒精回收塔利用酒精和水沸點(diǎn)的不同，使酒精和部分水蒸發(fā)分離。其原理是酒精和水的混合蒸汽經(jīng)塔身填料上升，在上升過(guò)程中溫度逐漸下降使部分乙醇水溶液內(nèi)回流。大部分酒精蒸汽經(jīng)塔頂管道至冷凝器冷凝為濃酒精，取樣化驗(yàn)合格后經(jīng)冷卻器出料，如不合格可回流到稀酒精儲(chǔ)罐待再蒸餾。酒精回收塔工作情況的好壞直接影響到回收酒精的濃度和質(zhì)量，進(jìn)而影響中藥制品的制作效率和質(zhì)量，所以在此將酒精回收塔各單元設(shè)備簡(jiǎn)單計(jì)算作一介紹，供相關(guān)人士參考。

現(xiàn)舉一實(shí)例：

已知：將要回收的乙醇水溶液經(jīng)過(guò)預(yù)熱器加熱到泡點(diǎn)下進(jìn)料，處理量為800 kg/h，進(jìn)料時(shí)組成為50 %，塔頂餾出液組成為94 %，塔釜?dú)堃航M成為5 % ，試計(jì)算相關(guān)參數(shù)。

1 工藝流程圖

圖1 連續(xù)酒精回收塔工藝流程圖Fig. 1 Continuous alcohol recovery tower process flow chart

連續(xù)式酒精回收塔工藝流程圖：如圖1所示[2]

2 酒精回收塔的設(shè)計(jì)

2.1 乙醇——水氣液平衡數(shù)據(jù)表（見(jiàn)表1）。

2.2 用圖解法求回流比

根據(jù)已知條件把重量百分?jǐn)?shù)換算成摩爾百分?jǐn)?shù)[1]：

表1 乙醇——水氣液平衡數(shù)據(jù)[4]Tab. 1 Ethanol—Water vapor liquid equilibrium data table[4]

水分子量：M水=18 kg/kmol（H2O）

乙醇分子量：M乙醇=46 kg/kmol（C2H5OH）

進(jìn)料摩爾百分?jǐn)?shù)：餾出液摩爾百分?jǐn)?shù)：殘液摩爾百分?jǐn)?shù)：

根據(jù)表1乙醇——水氣液平衡數(shù)據(jù)表繪得乙醇——水氣液平衡曲線圖（圖2）[2]

在圖2上繪出對(duì)角線并找出點(diǎn)M（0.281，0.281），

圖2 乙醇—水氣液平衡曲線Fig. 2 Ethanol——water vapor equilibrium curve chart

并過(guò)此點(diǎn)作x軸的垂直線，此線交與平衡線點(diǎn)為N，MN線即為進(jìn)料線，N點(diǎn)的坐標(biāo)為（0.281，0.564）故根據(jù)N點(diǎn)既可求出最小回流比：

一般情況下R = 2 Rmin= 2×1.05 = 2.1

為安全起見(jiàn)R可取整為2.5。

2.3 用圖解法求理論塔板數(shù)

圖3 乙醇—水氣液平衡曲線（用圖解法求理論塔板數(shù)）Fig. 3 Ethanol—— water vapor equilibrium curve chart（Using graphical method for theoretical tower plate number）

（1）過(guò)點(diǎn)X=0.86作垂直于x軸的線并與對(duì)角線交于點(diǎn)a，再由精餾段操作線的截距X÷(R + 1 ) = 0.86÷( 2.5 + 1 ) = 0.246，在y軸上定出一點(diǎn)b，使Yb= 0.246，連接ab，ab線即為精餾段操作線；

（2）由2.2已知M點(diǎn)，過(guò)M點(diǎn)作斜率為Q/（Q -1）的線，因在泡點(diǎn)下進(jìn)料，故Q取1，因而此線為垂直于x軸的線，既MN線，MN線與ab線交與一點(diǎn)d；

（3）在x軸上取一點(diǎn)，長(zhǎng)度為0.02，過(guò)此點(diǎn)作x軸的垂直線，與對(duì)角線交于一點(diǎn)c，連接cd，cd線即為提餾段操作線；

（4）從點(diǎn)a開(kāi)始，在精餾段操作線與平衡線之間繪由水平線及鉛垂線組成的梯級(jí)，當(dāng)梯級(jí)跨過(guò)點(diǎn)d時(shí)，則改在提餾段操作線與平衡線之間繪梯級(jí)，止于最后一梯級(jí)X≤Xw= 0.020，由梯級(jí)的數(shù)目求得精餾段理論塔板數(shù)為19塊，提餾段理論塔板數(shù)為3塊（此時(shí)為理論塔板數(shù)）。

2.4 塔徑的計(jì)算

2.4.1 通過(guò)物料衡算求出餾出液量D（kg/h）和塔釜?dú)埩粢毫縒（kg/h）。

即：D +W = F

0.94 D + 0.05 W = 0.5 F

代入數(shù)據(jù)：D +W = F

0.94×D + 0.05×W = 0.5 F

解之可得：D = 404.5 kg/h

W = 395.5 kg/h

2.4.2 計(jì)算精餾段的平均壓強(qiáng)[1]

一般情況下塔頂操作壓力：

P塔頂= 101.3 + 4 = 105.3 kPa

每層塔板壓降為Δp = 0.7 kPa

側(cè)進(jìn)料板壓降為：

P進(jìn)料=105.3 + 0.7×16 = 116.5 kPa

由上可得精餾段平均壓降：

P平均=（105.3 + 116.5）/2 = 110.9 kPa

2.4.3 精餾段的平均摩爾質(zhì)量[1]

由2.2已知：

進(jìn)料摩爾百分?jǐn)?shù)：XF= 0.281

餾出液摩爾百分?jǐn)?shù)：XD= 0.86

可求得：

所進(jìn)料的摩爾質(zhì)量：

MF= 0.281×46 + (1-0.281)×18

≈25.9 kg/kmol

MD= 0.86×46 + (1-0.86)×18

≈42.1 kg/kmol

則平均摩爾質(zhì)量約為：

M平均= (25.9 + 42.1) /2

= 34 kg/kmol

2.4.4 塔徑

由2.2已求的回流比R=2.5則氣相流量：

V = ( R + 1)×D = ( 2.5 +1)×404.5

=1 415.75 kg/h

氣相平均密度可近示計(jì)算為：[4]

Ρ平均密度= P平均×M平均/R×( t + T )

=110.9×34/8.314×( 84 + 273)

≈1.27 kg/m3

把氣相流量的重量流量轉(zhuǎn)化為體積流量為：V體積= V/Ρ平均密度

=1 415.75 kg/h÷1.27 kg/m3

≈1 114.76 m3/h

合：0.31 m3/s

圓整塔體直徑可取600 mm。

2.5 塔高

填料塔的高度取決于填料層高度。填料層高度為等板高度×理論塔板數(shù)。其中等板高度是一層理論塔板數(shù)的傳質(zhì)作用相當(dāng)?shù)奶盍蠈痈叨?，不僅取決于填料的類型與尺寸，而且受系統(tǒng)物性，操作條件及設(shè)備尺寸的影響。對(duì)于不銹鋼波紋填料的等板高度一般取360 mm。

則填料提餾段的高度為360×3 = 1 080 mm精餾段總高度為360 mm×19 = 6 840 mm，填料總高度為1 080 mm + 6 840 mm = 7 920 mm。

3 再沸器工藝計(jì)算

簡(jiǎn)圖中酒精回收塔塔釜內(nèi)采用的是U型管式換熱器，設(shè)計(jì)時(shí)假設(shè)為泡點(diǎn)進(jìn)料，因此加熱器只用于維持物料的沸騰即可。

根據(jù)2.4.1計(jì)算已知餾出液量為D = 404.5 kg/h，根據(jù)2.2可知最小回流比R為2.5。可知加熱器滿足2.5×404.5 kg/h = 1 011.25 kg/h物料蒸發(fā)所需要的熱量。

查蒸汽表可知100 ℃時(shí)水的汽化熱為2 258.4 kJ/kg。

則所需的熱量：

Q1= 2 258.4 kJ/kg×1 011.25 kg/h

=2 283 806.9 kJ/h

因此蒸汽的工作壓力取0.2 MPa，對(duì)應(yīng)蒸汽溫度為119 ℃。

平均溫差為：Δtm= 119-100 = 19 ℃

采用U型管式換熱器，傳熱系數(shù)K取1 650 kJ/（m2·h·℃）[3]

公式A = Q1÷( K×Δtm）

= 2 283 806.9÷1 650÷19÷3.6 = 20.2 m2

4 預(yù)熱器工藝計(jì)算

假設(shè)原料t =30 ℃進(jìn)，加熱至tf= 83 ℃；進(jìn)料量800 kg/h；采用蒸汽加熱，蒸汽的工作壓力在此取0.2 MPa，對(duì)應(yīng)蒸汽溫度為119 ℃；查表可得50 %乙醇水溶液的平均比熱為3.68 kJ/(kg·℃)。

Q預(yù)熱= c×m×Δt

= 3.68×800×( 83-30 )

=156 032 kJ/h

=51.1 ℃

在此傳熱系數(shù)k取1 000 kJ / (m2·h·℃）[3]

換熱面積A預(yù)熱= Q預(yù)熱/ ( k×Δt預(yù)熱)

=156 032/ (1 000×51.1)

≈11.01 m2

取A預(yù)熱面積為11.5 m2。

5 冷凝器工藝計(jì)算[2]

塔頂乙醇蒸汽溫度為78.1 ℃；此溫度下蒸汽焓值為910 kJ/kg 。

塔頂餾出料量：

( R + 1)×D = ( 2.5 + 1 )×404.5 = 1 415.75 kg/h

Q冷凝=1 415.75×910 =1 288 332.5 kJ/h

設(shè)冷凝水進(jìn)口溫度為20 ℃，出口溫度為35 ℃。

平均溫差：

傳熱系數(shù)K取1 000 kJ /（kg·℃）換熱面積A冷凝= Q冷凝/ ( k×Δt冷凝）=1 288 332.5/ (1 000×50.2 ) ≈25.67 m2

取A冷凝面積為26 m2。

6 冷卻器工藝計(jì)算[2]

設(shè)冷卻水20 ℃進(jìn)，25 ℃出；成品乙醇側(cè)經(jīng)過(guò)冷卻器從78.1 ℃冷卻至30 ℃。

查表95 %的乙醇溶液的比熱是3.19 kJ/（kg·℃）。Q冷卻= c×m×Δt

= 3.19×404.5×（78.1-30）

= 62 066.1 kJ/h

平均溫差：

傳熱系數(shù)K取500 kJ / (kg·℃)

換熱面積A冷卻= Q冷卻/ ( k×Δt冷卻)

=62 066.1/ ( 500×21.65） ≈5.74 m2

取A冷卻面積為6 m2。

英文字母

D — 餾出液量，kg/h；

W — 殘留液量，kg/h；

Rmin— 最小回流比；

XD— 餾出液混合液的摩爾百分?jǐn)?shù)；

Xw— 殘液混合液的摩爾百分?jǐn)?shù)；

Xf— 進(jìn)液混合液的摩爾百分?jǐn)?shù)；

M水— 純水的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；

M乙醇— 乙醇的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；

MF— 進(jìn)料液混合物的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；

MD— 餾出液混合物的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；

V — 氣相流量，kg/h；

Q — 熱量，kJ/h；

K — 換熱系數(shù)；

Δt — 平均溫差，℃；

A — 換熱面積，m2；

C — 比熱，kJ/（kg·℃）；

P塔頂— 塔頂操作壓力，kPa；

P進(jìn)料— 側(cè)進(jìn)料板壓降，kPa；

P平均— 精餾段的平均壓降，kPa；

d直徑— 整塔體直徑，mm。

7 結(jié)束語(yǔ)

酒精回收塔在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用廣泛，能達(dá)到最佳工藝要求的酒精回收塔，不但節(jié)省了設(shè)備費(fèi)用，還提高了經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到資源的良好整合與利用。由于個(gè)人水平有限在設(shè)計(jì)過(guò)程中難免會(huì)有不少問(wèn)題，希望在以后工作和生產(chǎn)中，更加認(rèn)真和細(xì)心去領(lǐng)悟問(wèn)題的所在，加以改進(jìn)，做到更好。其次乙醇是易燃品，在封閉的空間內(nèi)揮發(fā)達(dá)到一定濃度后遇明火易爆，所以設(shè)備上的電機(jī)、電控箱、控制系統(tǒng)必須全部按防爆進(jìn)行設(shè)計(jì)、選型、安裝、調(diào)試并驗(yàn)收。

參考文獻(xiàn)

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[2]賈邵義，柴誠(chéng)敬. 化工原理課程設(shè)計(jì). 第一版[M]天津：天津大學(xué)出版社，2001.

[3]管國(guó)鋒，趙汝溥. 化工原理. 第三版[M] . 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 . 2009

[4]范建兵，王慶. 關(guān)于連續(xù)酒精精餾塔的設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)制藥裝備. 2009（12）.

中石化上海工程有限公司列“2015年中國(guó)承包商80強(qiáng)”第61名

2015年11月19日，由美國(guó)《工程新聞?dòng)涗洝罚‥NR）和中國(guó)《建筑時(shí)報(bào)》兩家權(quán)威媒體共同主辦的2015 年ENR/建筑時(shí)報(bào)“中國(guó)承包商80強(qiáng)和工程設(shè)計(jì)企業(yè)60強(qiáng)”排名結(jié)果揭曉（以2014年?duì)I業(yè)收入為依據(jù)）。中石化上海工程有限公司在2015年中國(guó)承包商80強(qiáng)中位列第61名。

（魏永忠）

中石化上海工程有限公司承擔(dān)的獨(dú)山子改擴(kuò)建煉油及新建乙烯工程獲2014~2015年度國(guó)家優(yōu)質(zhì)工程金質(zhì)獎(jiǎng)

近日，由中石化上海工程有限公司參建的中國(guó)石油獨(dú)山子石化分公司改擴(kuò)建煉油及新建乙烯工程獲2014~2015年度國(guó)家優(yōu)質(zhì)工程金質(zhì)獎(jiǎng)。同時(shí)，該項(xiàng)目還獲得2015年度全國(guó)工程建設(shè)項(xiàng)目?jī)?yōu)秀設(shè)計(jì)成果一等獎(jiǎng)。

（魏永忠）

中石化上海工程有限公司承擔(dān)的日照商儲(chǔ)庫(kù)項(xiàng)目順利通過(guò)竣工驗(yàn)收

2015年12月4日，日照原油商業(yè)儲(chǔ)備基地工程順利通過(guò)竣工驗(yàn)收，標(biāo)志著該項(xiàng)目正式由試運(yùn)行進(jìn)入全面生產(chǎn)階段。

中國(guó)石化集團(tuán)公司工程部副主任高河?xùn)|代表總部對(duì)日照原油商業(yè)儲(chǔ)備基地工程通過(guò)竣工驗(yàn)收表示祝賀，對(duì)總承包商中石化上海工程有限公司在項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中出色的項(xiàng)目管理和組織表示肯定，并對(duì)項(xiàng)目質(zhì)量、安全、進(jìn)度、費(fèi)用等工作給予了高度評(píng)價(jià)。

日照原油商業(yè)儲(chǔ)備基地工程于2011年9月29日、2012年6月5日分期投產(chǎn)并試運(yùn)成功，2012年6月26日通過(guò)工程交工驗(yàn)收。投產(chǎn)試運(yùn)以來(lái)，生產(chǎn)運(yùn)行平穩(wěn)，工程通過(guò)了生產(chǎn)考核，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

（魏永忠）

Discussion of Design Method for Stainless Steel Alcohol Recovery Column with Corrugated Packing

Shan Jianling, Liu Feng
（Jiangsu Jufeng Machinery Co., Ltd,Huaian 211700）

Abstract:In alcohol recovery column, low concentration ethanol solvent is distillated and separated so as to be concentrated. In order to save raw material and raise usage rate, column like equipment is widely used in chemical and pharmaceutical industries. In this article, exampled with continuous alcohol recovery column, from view point of design and calculation for each element in this column, the thought of design of alcohol recovery column was expounded.

Keywords:alcohol recovery column; reboiler; heat recovery condenser; condenser; cooler

作者簡(jiǎn)介：?jiǎn)谓I(lǐng)（1980—），男，助理工程師，主要從事乳品機(jī)械和中藥提取/濃縮機(jī)械。

收稿日期：2015-05-18

中圖分類號(hào)：TQ 052.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-817X（2016）01-0055-000