乳酸生产工艺流程设计

1、*学校学 士 学 位 论 文乳酸生产工艺流程设计姓 名：*学 号：*指导教师：*院系（部所）：化学化工与材料科学学院专 业：化学工程与工艺完成日期：2012年*月*日枣庄学院学士学位论文作者声明本人声明：本人呈交的学位论文是本人在导师指导下取得的研究成果。对前人及其他人员对本文的启发和贡献已在论文中作出了明确的声明，并表示了谢意。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人和其它机构已经发表或者撰写过的研究成果。本人同意学校根据中华人民共和国学位条例暂行实施办法等有关规定保留本人学位论文并向国家有关部门或资料库送交论文或者电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权枣庄学院可以将本人学位论文的

2、全部或者部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其它复制手段和汇编学位论文（保密论文在解密后应遵守此规定）。 作者签名 日期 年 月 日摘 要乳酸是一种极具发展潜力的精细化学品，被广泛用于食品、制药、制革、纺织、环保和农业。近年来，白色热塑污染产品困扰世界各国，由于乳酸的下游产品聚乳酸的研究和开发，聚乳酸将有可能代替这种污染产品成为真正的“绿色”环保制品。乳酸是目前国内比较短缺的化工原料，而我国乳酸生产规模都很小，满足不了社会需求。目前乳酸的生产方法主要有发酵法、乳腈法、丙酸法和丙烯腈法四种。在查阅大量文献并结合国内外生产现状的基础上，本文选择了乳腈法制备乳酸。该设计参考了各物质

3、的物性参数，并且查阅大量的化工设计手册及相关的书籍，设计了乳酸生产的整个工艺流程，画出了工艺流程图。本设计对生产所用到的主要设备如反应器、酯化罐、精馏塔进行物料衡算和能量衡算，并对主体设备的尺寸和结构进行了初步设计，还设计了公共工程，最后进行了经济分析与评价。设计的数据及流程对乳腈法生产乳酸的工业生产具有一定的参考作用。关键词：乳酸；乳腈法；工艺设计abstractlactic acid is a great potential for development of fine chemicals, is widely used in medicine, pharmaceutical, leat

4、her, textile, environmental protection and agriculture. in recent years, white hot plastic pollution products throughout the world, due to lactic acid poly lactic acid downstream product research and development, poly lactic acid will likely replace the pollution products become the real green envir

5、onmental protection products. lactic acid is the current domestic shortage of chemical raw material, but our country lactic acid production scale is very small, can not meet the demand of the society.the lactic acid production methods of fermentation, milk nitrile, propionic acid and acrylonitrile m

6、ethod four kinds. in a great deal of literature at home and abroad in combination with production on the basis of the status quo, this paper chooses milk preparation of lactic acid nitrile. the design of a reference the material property parameters, and access to a large number of chemical engineeri

7、ng design manual and related books, designed for lactic acid production in the entire process, draw the process flow diagram. the design sued in the production of the major equipment of such as reactor, esterification tank, distillation column material balance and energy balance, and the main equipm

8、ent size and structure of the preliminary design, design the public project, finally carried on the economic analysis and evaluation. design of the data and process for milk nitrile lactic acid production by industrial production has certain reference function.key words: lactic acid; milk nitrile me

9、thod; process designii目录第1章 绪论11.1选题意义11.2 生产方案的确定11.2.1发酵法11.2.2丙酸法11.2.3丙烯腈法21.2.4乳腈法21.2.5工艺流程的确定21.3乳酸生产工艺流程简介31.3.1工艺简介31.3.2工艺流程叙述31.4设计概况41.4.1设计依据41.4.2原料及产品技术规格41.4.3生产制度4第 2章 物料衡算与热量衡算52.1物料衡算52.1.1反应器r-1的物料衡算52.1.2反应器r-2的物料衡算62.1.3酯化罐的物料衡算82.2热量衡算92.2.1反应器r-1中的热量衡算92.2.2反应器r-2中的热量衡算112.2.

10、3酯化罐中的热量衡算14第 3章 第二蒸馏塔的设计183.1设计方案的确定183.1.1工艺要求183.1.2操作条件183.1.3操作压力183.1.4进料状态183.1.5加热方式193.2精馏塔的物料衡算193.2.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率193.2.2物料衡算193.2.3原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量193.3精馏塔的塔板计算203.3.1理论板数的求取203.3.2实际板数的求取223.4精馏塔平衡数据计算223.4.1乙醇-乳酸不同温度下的平衡数据223.4.2乙醇-乳酸的平衡相图243.5精馏塔精馏段设计的计算253.5.1精馏段设计有关物性的计算253.5.2

11、精馏塔精馏段的塔体工艺尺寸计算283.5.3精馏段塔板主要工艺尺寸的计算293.5.4精馏塔筛板流体力学的验算313.5.5精馏段塔板负荷性能图323.6精馏塔提馏段设计的计算353.6.1提馏段设计有关物性的计算353.6.2精馏塔提馏段的塔体工艺尺寸计算383.6.3.提馏段塔板主要工艺尺寸的计算393.6.4.提馏段筛板的流体力学验算413.6.5.提馏段塔板负荷性能图42第 4章 工程经济464.1公共工程464.1.1供水464.1.2供电464.1.3供暖464.1.4通风464.2经济评价464.2.1原料价格474.2.2设备估算47第 5章 分析总结485.1 总结485.2

12、体会与不足48附 录49参考文献55致 谢57 iii 乳酸生产工艺流程设计第1章 绪论1.1选题意义乳酸，学名-羟基丙酸(2-羟基丙酸)1-3，分子式为c3h6o3，相对分子质量为90.08，相对密度约为1.206(25c条件下)4-5，沸点为122(1.86kpa)，无色或淡黄色吸湿性固体或液体6-7。乳酸是一种发展潜力极大的精细化学品8-9，是世界上应用广泛的三大有机酸之一，被广泛用于制药、食品、纺织、制革、农业和环保8,10,11。近年来，伴随人们生活节奏的加快，社会生活正向便利化、卫生化发展，所以“白色污染”污染问题日趋严重。由于乳酸的下游产品聚乳酸的研究和开发，聚乳酸将有可能代替这

13、种污染产品成为真正的“绿色”环保制品8,12。乳酸是目前国内比较短缺的化工原料12-13，而我国乳酸生产规模都很小，满足不了社会需求。1.2 生产方案的确定发酵法和化学合成法目前工业生产乳酸主要方法12。乳腈法、丙酸法和丙烯腈法是曾用于工业生产中的化学合成法12-14。1.2.1发酵法生产乳酸的一种成熟方法是发酵法，因为这种方法有玉米、淀粉等充足的原料，其工艺也较为简单。但是这种生产方法只能间歇或半连续化生产而不能连续化生产，且国内用这种方法生产的乳酸质量达不到国际标准12-14。1.2.2丙酸法主要化学反应方程式如下：+2 + hcl+ 2 + + hcl + 1.2.3丙烯腈法原料丙烯腈和

14、硫酸发生水解，再把水解产物与甲醇反应生成粗乳酸和硫酸氢氨，再把硫酸氢铵分出；然后将粗乳酸酯精馏，在塔底获得精乳酸酯17-19；精乳酸酯再送往精馏塔加热分解，塔底获得的稀乳酸经真空浓缩得纯产品17-20。1.2.4乳腈法主要化学方程式如下：1. + hcn 此反应在碱催化剂下，温度为下反应，乙醛的转化率为 。2. + 2 + + 在硫酸与水介质中乳腈水解制乳酸，乳酸的收率为 。3. +此反应在乙醇过量的情况下，以硫酸作催化剂，强酸作催化剂可以降低反应的活化能，从而加速反应的进行。浓硫酸的性质稳定、催化效果好等优点；乳酸的转化率为 。4. + + 在下乳酸乙酯的水解反应转化率高达。1.2.5工艺流

15、程的确定综合以上各种乳酸制备方法，发酵法虽有诸多优点，但生产周期长，产量受到限制。连续大批量生产乳酸悬着化学合成法最适合，在参考国内外优秀文献的基础上，吸收前人的研究成果，在查阅大量文献了解国内外生产现状的基础上选择乳腈法制备乳酸。1.3乳酸生产工艺流程简介1.3.1工艺简介原料乙醛和冷的氢氰酸被连续送入反应器r-1生成乳腈，用泵将乳腈送入反应器r-2；往反应器r-2注入水和硫酸，使乳腈发生水解反应得到粗乳酸和硫酸氢铵；再将来自反应器r-2的物流泵入酯化罐，向酯化罐中加入乙醇，乙醇与粗乳酸发生酯化反应生成粗乳酸乙酯，分出硫酸氢铵；将来自酯化罐的粗乳酸乙酯在第一蒸馏塔精馏得到精乳酸乙酯，再将精乳

16、酸乙酯加热分解送入第二蒸馏塔分解，塔底得到的稀乳酸经过浓缩得到产品精乳酸17-21。其工艺流程22简图如图1-1所示，具体工艺流程见附图1。反应器r-1原料乙醛，冷氢氰酸反应器r-2原料：硫酸与水酯化罐第一蒸馏塔第二蒸馏塔真空浓缩器原料:乙醇存储包装图1-1 乳酸生产工艺流程简图整个工艺主要包括三个单元，即：反应单元，精馏单元，储存单元。1.3.2工艺流程叙述1.反应单元流程叙述将乙醛与氢氰酸冷却到送入反应器r-1，乙醛与氢氰酸反应生成乳腈，以碱为催化剂；将产物乳腈加热到送入反应器r-2，加入硫酸与水，在下反应生成粗乳酸与硫酸氢铵19,21；将粗乳酸与硫酸氢铵降温到送入酯化罐，加入的乙醇，硫酸

17、作催化剂可以降低反应的活化能，从而加速反应的进行，粗乳酸与乙醇发生酯化反应生成乳酸乙酯，从酯化罐中分出硫酸氢铵，将乳酸乙酯等输送到第一蒸馏塔6,16,21。2.精馏单元流程叙述 来自酯化罐的乳酸乙酯及其他低沸点杂质在第一蒸馏塔分离，在塔底得到乳酸乙酯及部分水；将乳酸乙酯加热分解得到的乳酸与乙醇送入第二蒸馏塔，乳酸与乙醇在第二蒸馏塔得到分离17-19；将在塔底得到的稀乳酸送入真空浓缩器进一步提纯，得到精乳酸。1.4设计概况1.4.1设计依据 为乳酸的生产工艺流程设计，产品为乳酸，年产3万t，乳酸含量99.9% 。1.4.2原料及产品技术规格原料为工业级原料，其规格见表1-1所列。产品规格要求：乳

18、酸99.9% 。表1-1 原料规格序号原料名称纯度指标备注1氢氰酸99.9%3500元/吨2乙醛99.5%4000元/吨3硫酸98.0%510元/吨4乙醇95.0%3200元/吨5水99.9%4元/吨1.4.3生产制度全年共365天，即8760小时，设计时间取6000小时，其余为大、中、小修时间。第 2章 物料衡算与热量衡算2.1物料衡算2.1.1反应器r-1的物料衡算1. 物料衡算范围反应器r-1衡算范围23-26见图2-1。反应器r-1原料进料：乙醛，氢氰酸下股物料：乳腈和低沸点杂质质图2-1 反应器r-1物料衡算范围2. 化学反应方程式 + hcn 乙醛的转化率为80。3. 衡算基准以进

19、料100即4400的原料乙醛为衡算基准。乙醛的纯度为，氢氰酸的纯度为4. 进行衡算(1) 进入反应器r-1的物料计算 原料乙醛：100即4400纯乙醛：1000.99599.5即4378 原料氢氰酸：100即2700纯氢氰酸：1000.99999.9即2697.3(2) 输出反应器r-1的物料计算 生成的乳腈：99.50.80=79.6即5657.97 低沸点杂质：4400+2700-5657.97=5. 反应器r-1物料衡算结果反应器r-1物料衡算结果见表2-1所列。表2-1 反应器r-1物料衡算结果一览组分名称输入物料输出物料kmol/hkg/hkmol/hkg/h乙醛99.54378氢氰

20、酸99.92697.3乳腈0079.65657.97低沸点杂质0.624.71442.03合计710071002.1.2反应器r-2的物料衡算1. 物料衡算范围反应器r-2的物料衡算范围见图2-2。原料进料:硫酸原料进料：水反应器r-2上股物料：乳腈，低沸点杂质下股物料：乳酸，硫酸氢铵，水，低沸点杂质图2-2 反应器r-2的物料衡算范围2. 化学反应方程式 + 2 + +在硫酸与水介质中下乳腈水解制乳酸，乳酸的收率为 。3. 衡算基准以进入反应器r-2的乳腈为衡算基准，硫酸的纯度为 。4. 进行衡算(1) 进入反应器r-2的物料计算 乳腈: 99.50.80=79.6即79.671.08=56

21、57.97 纯硫酸：即4400原料硫酸：即 原料水：79.62=即18.01= 低沸点杂质：(2) 输出反应器r-2的物料计算 生成的乳酸：79.60.848=67.50即67.5090.08=6080.40 硫酸氢铵: 67.50即7769.93 水:159.2-67.502=24.20即435.84 低沸点杂质：5657.97+7769.93+2867.19+1442.03-6080.40-7769.93-435.84=3647.085.反应器r-2物料衡算结果反应器r-2物料衡算结果见表2-2所列。表2-2 反应器r-2物料衡算结果一览组分名称输入物料输出物料kmol/hkg/hkmol

22、/hkg/h乳腈79.65657.97原料硫酸81.227966.06水159.22867.1924.2435.84乳酸67.506080.40硫酸氢铵67.507769.93低沸点杂质1442.033647.08合计17933.2517933.252.1.3酯化罐的物料衡算1. 物料衡算范围酯化罐的物料衡算范围见图2-3。原料进料:水分出副产:硫酸氢铵酯化罐下股物料：乳酸乙酯，水，低沸点杂质上股物料：乳酸,硫酸氢铵，低沸点杂质图2-3 酯化罐物料衡算范围2. 化学反应方程式+ +乙醇用量的条件下，乳酸的转化率，原料乙醇的纯度为 。3. 衡算基准以进入反应器4酯化罐的乳酸为衡算基准。4. 进行

23、衡算(1) 进入反应体系的物料衡算 乳酸：67.50即6080.40 硫酸氢铵: 即 低沸点杂质： 纯乙醇：67.501.50=101.25 原料乙醇：=106.58即106.5846.07=4910.14(2)输出反应体系的物料衡算 生成的乳酸乙酯：67.500.875=59.06即6976.76 硫酸氢铵: 67.50即7769.93 水:59.06+24.20=83.26即1499.51 低沸点杂质：6080.40+7769.93+3647.08+4910.14-6976.76-7769.93-1499.51=6597.195. 酯化罐物料衡算结果酯化罐物料衡算结果见表2-3。表2-3

24、酯化罐物料衡算结果一览组分名称输入物料输出物料kmol/hkg/hkmol/hkg/h乳酸67.506080.40硫酸氢铵67.507769.9367.507769.93水24.20435.8483.261499.51原料乙醇106.584910.14低沸点杂质3647.086597.19乳酸乙酯59.066976.76合计22843.3922843.392.2热量衡算2.2.1反应器r-1中的热量衡算1. 反应器r-1中反应热的计算第一步反应如下： + hcn +=-=-查物质的标准摩尔生成焓27分别为：=-192.30=115.5=150.2=150.2-115.5+192.3=227.0

25、反应温度为，根据基希霍夫定理：=+，其中：=101.46-89.05-35.86=-23.45=-23.45 （283-298）=351.75=351.75=227.0+351.75=227351.75由此可见反应温度对反应热影响不大。=79.6227351.75=2. 反应器r-1中的计算为进入反应器r-1的原料氢氰酸从降到所需要放出的热量。=35.86 (283-298)= (-537.9) =3. 反应器r-1中的计算为进入反应器r-1的原料乙醛从降到所需要放出的热量。=4. 反应器r-1中的计算为反应器r-1中的热损失=5. 反应器r-1中的热量衡算汇总反应器r-1中的热量衡算汇总见表

26、2-4所列。表2-4 反应器r-1中的热量衡算汇总符号代表项目数值反应器r-1中反应热原料氢氰酸从降到放出的热量原料乙醛从降到放出的热量为反应器r-1中的热损失6. 反应器r-1中需要加入的热量q=-=2.2.2反应器r-2中的热量衡算1. 反应器r-2中反应热的计算第二步反应如下：+2+=-=-查物质的标准摩尔生成焓27分别为：=150.2=-813.99=-285.83=-384.1=-1140.85-384.1-（150.2-813.992285.83）=-289.5反应温度为，根据基希霍夫定理：=+，其中：=187.49+141.5-275.291-138.91-101.46=-61.

27、692=-61.692（363-298）=-4009.98=-4009.98=+=- 289.5-4009.98=67.50()=2. 反应器r-2中的计算为进入反应器r-2的原料硫酸从加热到所需要的热量。=138.91 (363-298)=3. 反应器r-2中的计算为进入反应器r-2的原料水从加热到所需要的热量。= 1950 +229.863 -14.402=2165.461=4. 反应器r-2中的计算为来自反应器r-1进入反应器r-2的物料从加热到所需要的热量。(1) =101.46（363-283）=(2) 取低沸点杂质的平均比热容为=（363-283）k=+=5.反应器r-2中的计算为

28、反应器r-2中的热损失=0.01 () =6. 反应器r-2中的热量衡算汇总反应器r-2中的热量衡算汇总见表2-5所列。表2-5 反应器r-2中的热量衡算汇总符号代表项目数值反应器r-2中反应热原料硫酸从加热到所需的热量原料水从加热到所需的热量来自r-1的物料从加热到所需的热量。为反应器r-2中的热损失7. 反应器r-2中需要移除的热量q+=+ =2.2.3酯化罐中的热量衡算1. 酯化罐中反应热的计算第三步反应如下：+ +=-=-查物质的标准摩尔生成焓27分别为：= - 384.1= - 276.98= - 375.21= - 285.83= - 285.83375.21-(- 276.983

29、84.1)=0.04现在反应温度为，根据基希霍夫定理：=+，其中：=75.291+254. 6-112.6-141.5= 75.791=75.791(343-298)= 3410.595= 3410.595=+=0.04+3410.595=3450.595=67.50=2. 反应器r-2中的计算为加入酯化罐的原料乙醇从加热到所需要的热量。=3488.025=3. 酯化罐中的计算为来自反应器r-2进入酯化罐的物料从降到所需要放出的热量。(1) =141.5 (343-363)=(2) =187.49 (343-363)=(3) 取低沸点杂质的平均比热容为= (343-363)k=+ +=4. 酯

30、化罐中的计算为酯化罐中的热损失。= -= - 0.01=5. 酯化罐中的热量衡算汇总反酯化罐中的热量衡算汇总见表2-6所列。表2-6 酯化罐中的热量衡算汇总符号代表项目数值酯化罐中反应热原料乙醇从加热到所需的热量来自r-2的物料从降到放出的热量。为酯化罐中的热损失6. 酯化罐中需要加入的热量q=+=第 3章 第二蒸馏塔的设计3.1设计方案的确定3.1.1工艺要求原料：乙醇-乳酸溶液，原料液温度，原料组成如表3-1。表3-1原料组成组分名称流量摩尔分数质量分数kmol/hkg/h%乙醇5625805028.05乳酸5666155071.95总计1129195100100设计要求：塔底乙醇的含量不

31、大于(摩尔分数) 塔底难挥发组分的回收率为3.1.2操作条件1.操作压强：常压 2.进料热状态：泡点进料 3.回流比：自定待测4.冷却水： 20 5.单板压强： 0.7mpa3.1.3操作压力蒸馏操作确定操作压力通常可在常压、加压和减压下根据技术上的可行性、处理物料的性质和经济上的合理性来考虑23-25。一般物料则采用常压操作，因乙醇和乳酸对压力无特殊要求，则采用常压操作。其中塔顶压力为，塔底压力。3.1.4进料状态 进料状态与塔径、塔板数、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。生产中进料状态有多种，该设计将料液预热到泡点才送入塔中，因为此时塔的操作不致受季节气温的影响，比较容易控制。此外，在泡点

32、进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便25-26。3.1.5加热方式因为塔釜中液体不能由蒸汽直接加热，所以采取间接加热。又考虑到立式再沸器对液体加热均匀等优点，故选择再沸器立式加热。3.2精馏塔的物料衡算3.2.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率乙醇的摩尔质量 乳酸的摩尔质量 由条件知 , 3.2.2物料衡算原料处理量 总物料衡算 易挥发组分物料衡算 联立解得： , 3.2.3原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 3.3精馏塔的塔板计算3.3.1理论板数的求取1. 相对挥发度的求取乙醇的沸点为，乳酸沸点为，查手册27-28得：乙醇的安托因方程为：乳酸的安托因方程为：其中，的

33、单位为，t的单位为。当温度为时解得，当温度为时得，有2. 最小回流比的求取由于是饱和液体进料，有q=1，q线为一垂直线，故，根据相平衡方程有：最小回流比为：取回流比为最小回流比的2.25倍，即： 3. 精馏塔的气、液相负荷4. 操作线方程精馏段操作线方程：提馏段操作线方程：两操作线交点横坐标为：5. 理论板计算过程如下采用逐板计算法，公式如下28-30：精馏段：， 提馏段：， 计算过程如下：总理论板数为16（包括再沸器），精馏段理论板数为7，第8块板为进料板，提馏段理论板数为8（包括再沸器）。3.3.2实际板数的求取取塔板效率,则有：， 3.4精馏塔平衡数据计算3.4.1乙醇-乳酸不同温度下的

34、平衡数据在总压p=101.33kpa下，取至共46组数据根据安托因方程：乙醇：，乳酸：的单位为，t的单位为，由以上公式计算出各温度下的及。再由公式 计算出不同温度下的气液组成28-30。其中46组数据计算结果见表3-2。表3-2 乙醇-乳酸气液组成温度ocmmhgkpammhgkpa78.3760101.3329238.401179773103.0529739.630.9730.99080792105.5530440.580.9350.97481811108.0931241.560.8980.95882830110.6931942.550.8630.94383850113.3432743.57

35、0.8280.92684870116.0533444.600.7940.90985891118.8034245.650.7610.89286912121.6235046.720.7290.87587934124.4835947.820.6980.85788956127.4036748.930.6680.8489978130.3837650.070.6380.821901001133.4238451.220.6100.803911024136.5139352.400.5820.784921047139.6640253.600.5550.765931072142.8841154.820.5280.

36、745941096146.1542156.070.5020.724951121149.4943057.340.4770.704961147152.8844058.630.4530.683971173156.3545059.940.4290.662981199159.8746061.280.4060.641991226163.4647062.640.3840.6191001253167.1248064.020.3620.5971011281170.8549165.430.3410.5751021310174.6450266.870.3200.5521031339178.5051268.330.3

37、000.5281041368182.4352469.820.280.5041051398186.4453571.330.2610.481061429190.5154772.870.2420.4551071460194.6655874.430.2240.43续表温度ocmmhgkpammhgkpa1081492198.8857076.020.2060.4041091524203.1858277.640.1890.3791101557207.5559579.290.1720.3521111590212.0060780.960.1550.3241121624216.5362082.660.1390.

38、2971131659212.1463384.400.1330.2781141694225.8364686.160.1090.2431151729230.5966087.950.09380.2131161766235.4567389.770.07940.1841171803240.3868791.610.06530.1551181841245.4070193.490.05160.1251191879250.5071695.400.03820.09441201918255.6973097.350.02510.06331211957260.9774599.320.01240.031912219982

39、66.34760101.33003.4.2乙醇-乳酸的平衡相图根据上表3-2绘出乙醇-乳酸的平衡相图，如图3-1。图3-1 乙醇-乳酸的平衡相图再根据以上数据绘出乙醇-乳酸的温度组成相图如图3-2。图3-2 系统操作温度组成计算图3.5精馏塔精馏段设计的计算3.5.1精馏段设计有关物性的计算1. 操作压力的计算塔顶的操作压力 每层塔板的压降 进料板压力 精馏段平均压力 2. 泡点温度由操作压力根据泡点方程采用试差法计算，其中乙醇、乳酸的饱和蒸汽压根据安托尼方程29计算：(1) 方程为，式中： 溶液中组分的摩尔分数； 溶液上方的总压，pa； 纯组分在同温度下的饱和蒸汽压，pa。(2) 安托因方程

40、为乙醇的安托因方程为：乳酸的安托因方程为：在温度为t时的饱和蒸汽压，mmhg， t温度，塔顶温度公式：精料板温度公式：塔顶温度 进料板温度 精馏段平均温度 3. 平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量的计算，由理论板的计算过程可知：，进料板平均摩尔质量的计算28，由理论板的计算过程可知：，精馏段的平均摩尔质量为：4. 平均密度计算(1) 气相(2) 液相液相平均温度： 整理已知的精馏段的数据列于表3-3。表3-3 精馏段的已知数据位置进料板塔顶(第一块板)质量分数摩尔分数温度/90.078.30在平均温度下查手册27得： 液相平均密度为： ，其中：平均质量分数，所以，5. 液体平均表面张力的计算28

41、利用公式：由，查得： ，进料板处，由，查得： ，精馏段平均表面张力为：6. 液体平均黏度利用公式：塔顶液相，由，查得：，解得：进料板处，由，查得：，解得：所以精馏段液相平均黏度为：3.5.2精馏塔精馏段的塔体工艺尺寸计算1. 塔径的计算精馏段的气、液相体积流率为：，其中c由求取， 取板间距，板上液层高度，则查筛板塔气液负荷因子曲线图得计算空塔气速时取安全系数为0.7，则：圆整后为。塔截面积为：， 2. 精馏塔有效高度的计算精馏段： 提馏段： 在进料板处孔高为0.9 m，故整个精馏塔高为：3.5.3精馏段塔板主要工艺尺寸的计算1. 溢流装置计算塔径，降液管选择单溢流弓形，受液盘采用凹形。(1)

42、堰长取(2) 溢流堰高度由，采用平直堰，堰高为： 近似取e=1，则筛板塔塔板上清液层高度取为：故(3)降液管的宽度和它的截面积的求取由，查设计手册得： 则：，液体停留时间， ，设计合理。(4) 降液管高度，底隙流速，则：设计合理，受液盘选用凹形，深度2. 塔板布置(1) 塔板的分块。因，分为4块。(2) 边缘区宽度确定取，(3)塔板开孔区面积计算。开孔区面积计算为：，其中：故(4) 筛孔计算及其排列。取筛孔直径，筛孔设计采用正三角形排列，取孔中心距t为： 筛孔数目n为：由得开孔率为：气体通过筛孔的气速为：3.5.4精馏塔筛板流体力学的验算1. 塔板压降(1) 干板阻力计算。干板阻力由下式计算：

43、由，查筛板塔气液负荷因子曲线图得故(2) 气相穿过液层的阻力计算 查手册中充气系数关联图得(3) 液相由于表面张力所产生的阻力计算。 气相穿过一层塔板的液体高度及压强降按下式计算：2. 液面落差此影响在该设计中很小可以忽略。3. 雾沫夹带设计合理。4. 漏液漏液点气速利用以下公式计算： =6.5191m/s，实际孔速，稳定系数为气速设计是合理的。5. 液泛，取，则：，而 板上不设进口堰，按下式计算：，设计合理。3.5.5精馏段塔板负荷性能图1. 漏液线由，得： 取不同的液相流量计算出相应的气体流量，结果见表3-4。表3-4 漏液线计算结果0.00050.00300.00450.0150.879

44、20.94360.97091.10192. 雾沫夹带线以为限，求关系如下：整理得取不同的液相流量计算出相应的气体流量，结果见表3-5。表3-5 雾沫夹带线计算结果0.00050.00300.00450.0153.1052.8072.6741.9843. 液相负荷下限线平直堰，取堰高=0.006， 4. 液相负荷上限线在降液管中液体的停留时间下限取， 由 得5. 液泛线令，由，及联立解得忽略，将与，与，与的关系式代入上式，并整理得：式中 整理，得取不同的液相流量计算出相应的气体流量，结果见表3-5。表3-6液泛线计算表0.00050.00300.00450.0153.4503.1803.0171

45、.440由上述各操作线方程，作出各操作线即得到负荷性能图，如图3-3所示。图3-3 精馏段的负荷性能图在负荷性能图28中，a是操作点，连接oa，便可得到操作线。可知雾沫夹带控制该筛板的操作上限，漏液控制下限。由上图查得： = 0.375 = 2.625故操作弹性为：/=7将以上精馏塔计算所得结果列于附表1。3.6精馏塔提馏段设计的计算3.6.1提馏段设计有关物性的计算1. 操作压力的计算进料板压力 每层塔板的压降 提馏段的操作压 提馏段平均压力 2. 泡点温度由操作压力根据泡点方程采用试差法计算，其中乙醇、乳酸的饱和蒸汽压根据安托尼方程29计算： (1) 方程为式中： 溶液中组分的摩尔分数；

46、溶液上方的总压，pa； 纯组分在相同温度下的饱和蒸汽压，pa。(2) 安托因方程为乙醇的安托因方程为：乳酸的安托因方程为： 单位mmhg， t单位塔底温度公式：精料板温度公式：塔底温度 进料板温度 精馏段平均温度 3. 平均摩尔质量计算由理论板的计算过程可知，已求出： ， 则由此求出提馏段：4.平均密度计算(1) 气相：(2) 液相液相平均温度： 整理已知的精馏段的数据列于表3-7。表3-7 精馏段的已知数据位置进料板塔釜质量分数摩尔分数温度/90.0122在平均温度下查得：液相平均密度为： ，其中：平均质量分数，所以，5. 液体的平均表面张力计算利用以下公式，即：由，查得： ，进料板处，由，

47、查得： ，提馏段的平均表面张力：6. 液体的平均黏度计算利用公式：塔顶液相，由，查得： ， 解得 进料板处，由，查得： ，解得精馏段的液相平均黏度： 3.6.2精馏塔提馏段的塔体工艺尺寸计算1. 塔径的计算体积流率为：由，式中c由求取，在筛板塔气液负荷因子曲线图中查得：取板间距，板上液层高度，则，得计算空塔气速时取安全系数为0.8，则圆整后为。塔截面积为：，2. 精馏塔提馏段有效高度的计算3.6.3.提馏段塔板主要工艺尺寸的计算1. 溢流装置计算塔径，降液管选择单溢流弓形，受液盘采用凹形。(1) 堰长取(2) 溢流堰高度由，采用平直堰，堰高为： 近似取e=1，则筛板塔塔板上的清液层高度取为：故(3) 降液管的宽度和它的截面积的求取由，查设计手册得： 则：，液体停留时间： 设计合理。(4) 降液管高度降液管底隙的流速，则：设计合理，受液盘选用凹形，深度2. 塔板布置(1) 塔板的分块。因，分为4块。(2) 边缘区宽度确定取，(3) 开孔区面积计算。开孔区面积计算为：，其中故：(4) 筛孔计算及其排列。取筛孔直径，筛孔设计采用正三角形排列，取孔中心距t为： 筛孔数目n为：由得开孔率为：气体通过筛孔的气速为： 3.6.4.提馏段筛板的流体力学验算1. 塔板压降(1) 干板阻力计算，利用下式： 由，查筛板塔气液负荷因子曲线图得故(2) 气相穿过液层的阻