不锈钢波纹填料酒精回收塔的设计探讨

单建领 刘凤（江苏炬烽机械有限公司，江苏 淮安 211700）



不锈钢波纹填料酒精回收塔的设计探讨

单建领 刘凤
（江苏炬烽机械有限公司，江苏 淮安 211700）

摘 要酒精回收塔是将浓度低的乙醇溶液通过蒸馏和分离，从而提高乙醇溶液的浓度。为了节省原料提高利用率，塔类设备在化工、制药领域得到广泛应用。下面以一个连续式酒精回收塔为实例，针对酒精回收塔系统各个单元的设计计算，阐述酒精回收塔的设计思路。

关键词酒精回收塔；再沸器；热回收冷凝器；冷凝器；冷却器

塔是在一定的条件下，能将气液共存状态下的混合物实现分离、纯化的单元操作设备。广泛用于炼油、精细化工、环境工程、医药工程和轻纺织工程等行业中。近年来中药制取行业迅速发展，乙醇的用量迅速上升，为避免造成乙醇的浪费，适时对使用并稀释后的乙醇溶液进行浓缩回收，以减少乙醇的排放，不仅达到节能的目的还减少了环境的污染。江苏炬峰机械有限公司经过几年的摸索改进设计出一款稀酒精回收浓缩装置，该装置适用于制药、食品、轻工、化工等行业的稀酒精的回收，可将含量30 % ~ 70 %的稀酒精蒸馏到90 %~95 % 。

酒精回收塔利用酒精和水沸点的不同，使酒精和部分水蒸发分离。其原理是酒精和水的混合蒸汽经塔身填料上升，在上升过程中温度逐渐下降使部分乙醇水溶液内回流。大部分酒精蒸汽经塔顶管道至冷凝器冷凝为浓酒精，取样化验合格后经冷却器出料，如不合格可回流到稀酒精储罐待再蒸馏。酒精回收塔工作情况的好坏直接影响到回收酒精的浓度和质量，进而影响中药制品的制作效率和质量，所以在此将酒精回收塔各单元设备简单计算作一介绍，供相关人士参考。

现举一实例：

已知：将要回收的乙醇水溶液经过预热器加热到泡点下进料，处理量为800 kg/h，进料时组成为50 %，塔顶馏出液组成为94 %，塔釜残液组成为5 % ，试计算相关参数。

1 工艺流程图

图1 连续酒精回收塔工艺流程图Fig. 1 Continuous alcohol recovery tower process flow chart

连续式酒精回收塔工艺流程图：如图1所示[2]

2 酒精回收塔的设计

2.1 乙醇——水气液平衡数据表（见表1）。

2.2 用图解法求回流比

根据已知条件把重量百分数换算成摩尔百分数[1]：

表1 乙醇——水气液平衡数据[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）

进料摩尔百分数：馏出液摩尔百分数：残液摩尔百分数：

根据表1乙醇——水气液平衡数据表绘得乙醇——水气液平衡曲线图（图2）[2]

在图2上绘出对角线并找出点M（0.281，0.281），

图2 乙醇—水气液平衡曲线Fig. 2 Ethanol——water vapor equilibrium curve chart

并过此点作x轴的垂直线，此线交与平衡线点为N，MN线即为进料线，N点的坐标为（0.281，0.564）故根据N点既可求出最小回流比：

一般情况下R = 2 Rmin= 2×1.05 = 2.1

为安全起见R可取整为2.5。

2.3 用图解法求理论塔板数

图3 乙醇—水气液平衡曲线（用图解法求理论塔板数）Fig. 3 Ethanol—— water vapor equilibrium curve chart（Using graphical method for theoretical tower plate number）

（1）过点X=0.86作垂直于x轴的线并与对角线交于点a，再由精馏段操作线的截距X÷(R + 1 ) = 0.86÷( 2.5 + 1 ) = 0.246，在y轴上定出一点b，使Yb= 0.246，连接ab，ab线即为精馏段操作线；

（2）由2.2已知M点，过M点作斜率为Q/（Q -1）的线，因在泡点下进料，故Q取1，因而此线为垂直于x轴的线，既MN线，MN线与ab线交与一点d；

（3）在x轴上取一点，长度为0.02，过此点作x轴的垂直线，与对角线交于一点c，连接cd，cd线即为提馏段操作线；

（4）从点a开始，在精馏段操作线与平衡线之间绘由水平线及铅垂线组成的梯级，当梯级跨过点d时，则改在提馏段操作线与平衡线之间绘梯级，止于最后一梯级X≤Xw= 0.020，由梯级的数目求得精馏段理论塔板数为19块，提馏段理论塔板数为3块（此时为理论塔板数）。

2.4 塔径的计算

2.4.1 通过物料衡算求出馏出液量D（kg/h）和塔釜残留液量W（kg/h）。

即：D +W = F

0.94 D + 0.05 W = 0.5 F

代入数据：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 计算精馏段的平均压强[1]

一般情况下塔顶操作压力：

P塔顶= 101.3 + 4 = 105.3 kPa

每层塔板压降为Δp = 0.7 kPa

侧进料板压降为：

P进料=105.3 + 0.7×16 = 116.5 kPa

由上可得精馏段平均压降：

P平均=（105.3 + 116.5）/2 = 110.9 kPa

2.4.3 精馏段的平均摩尔质量[1]

由2.2已知：

进料摩尔百分数：XF= 0.281

馏出液摩尔百分数：XD= 0.86

可求得：

所进料的摩尔质量：

MF= 0.281×46 + (1-0.281)×18

≈25.9 kg/kmol

MD= 0.86×46 + (1-0.86)×18

≈42.1 kg/kmol

则平均摩尔质量约为：

M平均= (25.9 + 42.1) /2

= 34 kg/kmol

2.4.4 塔径

由2.2已求的回流比R=2.5则气相流量：

V = ( R + 1)×D = ( 2.5 +1)×404.5

=1 415.75 kg/h

气相平均密度可近示计算为：[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

把气相流量的重量流量转化为体积流量为：V体积= 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

圆整塔体直径可取600 mm。

2.5 塔高

填料塔的高度取决于填料层高度。填料层高度为等板高度×理论塔板数。其中等板高度是一层理论塔板数的传质作用相当的填料层高度，不仅取决于填料的类型与尺寸，而且受系统物性，操作条件及设备尺寸的影响。对于不锈钢波纹填料的等板高度一般取360 mm。

则填料提馏段的高度为360×3 = 1 080 mm精馏段总高度为360 mm×19 = 6 840 mm，填料总高度为1 080 mm + 6 840 mm = 7 920 mm。

3 再沸器工艺计算

简图中酒精回收塔塔釜内采用的是U型管式换热器，设计时假设为泡点进料，因此加热器只用于维持物料的沸腾即可。

根据2.4.1计算已知馏出液量为D = 404.5 kg/h，根据2.2可知最小回流比R为2.5。可知加热器满足2.5×404.5 kg/h = 1 011.25 kg/h物料蒸发所需要的热量。

查蒸汽表可知100 ℃时水的汽化热为2 258.4 kJ/kg。

则所需的热量：

Q1= 2 258.4 kJ/kg×1 011.25 kg/h

=2 283 806.9 kJ/h

因此蒸汽的工作压力取0.2 MPa，对应蒸汽温度为119 ℃。

平均温差为：Δtm= 119-100 = 19 ℃

采用U型管式换热器，传热系数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 预热器工艺计算

假设原料t =30 ℃进，加热至tf= 83 ℃；进料量800 kg/h；采用蒸汽加热，蒸汽的工作压力在此取0.2 MPa，对应蒸汽温度为119 ℃；查表可得50 %乙醇水溶液的平均比热为3.68 kJ/(kg·℃)。

Q预热= c×m×Δt

= 3.68×800×( 83-30 )

=156 032 kJ/h

=51.1 ℃

在此传热系数k取1 000 kJ / (m2·h·℃）[3]

换热面积A预热= Q预热/ ( k×Δt预热)

=156 032/ (1 000×51.1)

≈11.01 m2

取A预热面积为11.5 m2。

5 冷凝器工艺计算[2]

塔顶乙醇蒸汽温度为78.1 ℃；此温度下蒸汽焓值为910 kJ/kg 。

塔顶馏出料量：

( 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

设冷凝水进口温度为20 ℃，出口温度为35 ℃。

平均温差：

传热系数K取1 000 kJ /（kg·℃）换热面积A冷凝= Q冷凝/ ( k×Δt冷凝）=1 288 332.5/ (1 000×50.2 ) ≈25.67 m2

取A冷凝面积为26 m2。

6 冷却器工艺计算[2]

设冷却水20 ℃进，25 ℃出；成品乙醇侧经过冷却器从78.1 ℃冷却至30 ℃。

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

= 3.19×404.5×（78.1-30）

= 62 066.1 kJ/h

平均温差：

传热系数K取500 kJ / (kg·℃)

换热面积A冷却= Q冷却/ ( k×Δt冷却)

=62 066.1/ ( 500×21.65） ≈5.74 m2

取A冷却面积为6 m2。

英文字母

D — 馏出液量，kg/h；

W — 残留液量，kg/h；

Rmin— 最小回流比；

XD— 馏出液混合液的摩尔百分数；

Xw— 残液混合液的摩尔百分数；

Xf— 进液混合液的摩尔百分数；

M水— 纯水的摩尔质量，kg/kmol；

M乙醇— 乙醇的摩尔质量，kg/kmol；

MF— 进料液混合物的摩尔质量，kg/kmol；

MD— 馏出液混合物的摩尔质量，kg/kmol；

V — 气相流量，kg/h；

Q — 热量，kJ/h；

K — 换热系数；

Δt — 平均温差，℃；

A — 换热面积，m2；

C — 比热，kJ/（kg·℃）；

P塔顶— 塔顶操作压力，kPa；

P进料— 侧进料板压降，kPa；

P平均— 精馏段的平均压降，kPa；

d直径— 整塔体直径，mm。

7 结束语

酒精回收塔在现实生活中应用广泛，能达到最佳工艺要求的酒精回收塔，不但节省了设备费用，还提高了经济效益，达到资源的良好整合与利用。由于个人水平有限在设计过程中难免会有不少问题，希望在以后工作和生产中，更加认真和细心去领悟问题的所在，加以改进，做到更好。其次乙醇是易燃品，在封闭的空间内挥发达到一定浓度后遇明火易爆，所以设备上的电机、电控箱、控制系统必须全部按防爆进行设计、选型、安装、调试并验收。

参考文献

[1]中国石化集团上海工程有限公司. 化工工艺设计手册[M]. 上册（第4版）. 北京：化学工业出版社，2009.

[2]贾邵义，柴诚敬. 化工原理课程设计. 第一版[M]天津：天津大学出版社，2001.

[3]管国锋，赵汝溥. 化工原理. 第三版[M] . 北京：化学工业出版社 . 2009

[4]范建兵，王庆. 关于连续酒精精馏塔的设计[J]. 中国制药装备. 2009（12）.

中石化上海工程有限公司列“2015年中国承包商80强”第61名

2015年11月19日，由美国《工程新闻记录》（ENR）和中国《建筑时报》两家权威媒体共同主办的2015 年ENR/建筑时报“中国承包商80强和工程设计企业60强”排名结果揭晓（以2014年营业收入为依据）。中石化上海工程有限公司在2015年中国承包商80强中位列第61名。

（魏永忠）

中石化上海工程有限公司承担的独山子改扩建炼油及新建乙烯工程获2014~2015年度国家优质工程金质奖

近日，由中石化上海工程有限公司参建的中国石油独山子石化分公司改扩建炼油及新建乙烯工程获2014~2015年度国家优质工程金质奖。同时，该项目还获得2015年度全国工程建设项目优秀设计成果一等奖。

（魏永忠）

中石化上海工程有限公司承担的日照商储库项目顺利通过竣工验收

2015年12月4日，日照原油商业储备基地工程顺利通过竣工验收，标志着该项目正式由试运行进入全面生产阶段。

中国石化集团公司工程部副主任高河东代表总部对日照原油商业储备基地工程通过竣工验收表示祝贺，对总承包商中石化上海工程有限公司在项目建设过程中出色的项目管理和组织表示肯定，并对项目质量、安全、进度、费用等工作给予了高度评价。

日照原油商业储备基地工程于2011年9月29日、2012年6月5日分期投产并试运成功，2012年6月26日通过工程交工验收。投产试运以来，生产运行平稳，工程通过了生产考核，达到了设计要求。

（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

作者简介：单建领（1980—），男，助理工程师，主要从事乳品机械和中药提取/浓缩机械。

收稿日期：2015-05-18

中图分类号：TQ 052.5

文献标识码：A

文章编号：2095-817X（2016）01-0055-000