浮閥塔精餾工藝方案設計書示例

1、5.2.10浮閥塔精餾工藝設計示例5.2.10.1設計任務【例 5-2】今采用一浮閥塔進行乙醇- 水二元物系的精餾分離，要求乙醇的產能為1 104t a，塔頂餾出液中乙醇濃度不低于94，殘液中乙醇含量不得高于0.2。泡點進料，原料液中含乙醇為35%，其余為水，乙醇的回收率取 98%( 以上均為質量 %) 。且精餾塔頂壓強為 4kPa(表壓 )，單板壓降 0.7kPa。試作出能完成上述精餾任務的浮閥精餾塔的工藝設計計算。5.2.10.2工藝設計計算一、全塔物料衡算( 一 ) 料液及塔頂、底產品中乙醇的摩爾分率乙醇和水的相對摩爾質量分別為46.07 和 18.01kgkmol 。xF35 / 46

2、.070.17435/ 46.0765 /18.01xD94 / 46.070.86094 / 46.076 /18.01xW0.2 / 46.070.0007830.2 / 46.0799.8 /18.01( 二 ) 平均摩爾質量M F46.070.174(10.174)18.0122.89 kg / kmolM D46.070.860(10.860)18.0142.14 kg / kmolM W46.070.000783(1 0.000783)18.01 18.03 kg / k m o l( 三 ) 料液及塔頂底產品的摩爾流率一年以8000h a 計，有：D 1104 t / a1 10

3、7kg /8000 h1250 kg (94%C 2 H 5OH) / h根據乙醇 -水物系的特點，本設計采用低壓蒸汽直接加熱，加熱蒸汽質量流率設為G，kg h，摩爾流率設為 G， kmol h，全塔物料衡算：FGDW0.35F0.94D0.002W0.94D / 0.35F0.98F3425.7 kg / hF3425.7 / 22.89149.66 kmol / hD1250.0 kg / hD1250 / 42.14 29.66 kmol / hW11989.8 kg / hW11989.8/18.03664.99 kmol / hG9814.1 kg / hG9814.1/18.015

4、44.93 kmol / h二、塔板數的確定( 一) 理論塔板數NT 的求取1乙醇 -水相平衡數據表 5-23常壓下乙醇 -水系統(tǒng)的t x y 數據1沸點 t，乙醇摩爾分數沸點 t ，乙醇摩爾分數液相氣相液相氣相100.00.0000.00081.50.3270.58395.50.0190.17080.70.3970.61289.00.0720.38979.80.5080.65686.70.0970.43879.70.5200.66085.30.1240.47079.30.5730.68484.10.1660.50978.740.6760.73982.70.2340.54578.410.747

5、0.78282.30.2610.55878.150.8940.894本題中，塔內壓力接近常壓（實際上略高于常壓），而表中所給為常壓下的相平衡數據，因為操作壓力偏離常壓很小，所以其對x y平衡關系的影響完全可以忽略。2確定操作的回流比R將表 5-24 中數據作圖得x y 曲線及 tx y 曲線， 見圖 5-71。為便于計算機計算， 在乙醇 -水物系的x y 曲線中，以A(0.124 ， 0.470)點為分界線將該曲線分成OA和 AB 兩段，將其對應段曲線擬合成以下二式表示。OA 段： y289.2 x 388.417 x 210.312 x0.0013( x0 0.124 )AB 段： y0.9

6、309 x 31.2325 x20.9378 x0.3776(x0.124 0.894 )1.00.9y = 0.9309x 3 - 1.2325x2 + 0.9378x + 0.3776BC1050.8y = 289.2x 3 - 88.417x 2 + 10.312x + 0.00130.7100數 0.695分A度爾0.5氏摩q90，0.4攝y，0.3t85D0.2800.10.0O0.1240.1740.30.40.50.60.70.8600.8941.00.00.10.20.80.9x ，摩爾分數750.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80.9 1.0

7、x （y），摩爾分數圖 5-71乙醇 -水物系的 x y 曲線及 tx( y) 曲線確定最小回流比Rm。在 x y 圖上，過點 B(0.894 ，0.894)作相平衡曲線的切線BD ，與 y 軸的交點為 D(0 ， 0.2)，則有：xD0.2Rm1Rm0.860.23.30.2操作回流比 R。取操作的回流比為最小回流比的1.5 倍，即：R1.5Rm1.53.34.953求取理論塔板數精餾段操作線yRxD4.950.86xR1x0.832x 0.1445R 14.95 14.95 1提餾段操作線2因泡點進料，將xF0.174 代入精餾段操作線方程解得精餾段操作線與q 線的交點為 (0.174，

8、0.289)。設提餾段操作線為yaxb ，而提餾段操作線為過(0.000783，0)和 (0.174， 0.289)兩點的直線，固有：0.2890.174aba1.66800.000783abb0.00131即 y 1.668x 0.00131因靠近 B 端的操作線離平衡線很近，故需逐板計算理論塔板數。將 y1xD 0.860 代入 y0.9309 x 31.2325 x20.9378 x 0.3776 中試差解得 x10.855將 x10.855代入 y0.832x0.1445 中解得 y20.856將 y20.856代入 y0.9309 x31.2325 x20.9378 x 0.3776

9、 中試差解得 x2 0.850將 x20.850代入 y0.832x0.1445 中解得 y30.851在計算機上逐板計算的結果見表5-24 。表 5-24乙醇 -水物系理論板數的逐板計算結果精餾段 N122 塊理論板序號 i液相組成 xi氣相組成 yi+1理論板序號 i液相組成 xi氣相組成 yi+1150.7650.78110.8550.856160.7510.76920.8500.851170.7330.75430.8450.847180.7080.73440.8400.843190.6720.70350.8350.839200.6120.65460.8300.835210.4980.5

10、5970.8250.831220.2690.36880.8200.826提餾段 N24 塊90.8140.822理論板序號 i液相組成 xi氣相組成 yi+1100.8080.817230.06150.101110.8010.811240.01060.016120.7940.805250.00150.001130.7860.798260.000000020.000140.7770.791注：逐板計算時，在跨越x0.124 后，相平衡關系采用AB 段擬合線。進料板在第23 塊。(二 )實際塔板數Np1全塔效率ET選用 ET5132.5 lg(L) 公式計算。塔的平均溫度為(78.2+100) 2

11、 89 (取塔頂、 底的算術平均值)，在此平均溫度下查化工原理附錄得：A0.37mPa s ，B0.315mPa sLA xFB (1xF )0.370.174 0.315 (10.174) 0.325 mPa s在 89下乙醇對水的相對揮發(fā)度(見表 5-24) 為vA / vBpA / xAyA / xAyA / xA0.389/ 0.072pB / xByB / xB(1 yA ) /(1xA )(1 0.389)8.206/(1 0.072)ET51 32.5lg( L)51 32.5 lg(0.3258.206)37.0 %32實際塔板數 Np （近似取兩段效率相同）精餾段： Np12

12、2/ 0.3759.5 塊，取 N p160 塊提餾段： Np24 / 0.3710.8 塊，取 Np211 塊總塔板數 NpN p1 Np271塊 (包括塔釜 )。三、塔的精餾段操作工藝條件及相關物性數據的計算(一 )平均壓強pm取每層塔板壓降為0.7kPa 計算。塔頂： pD101.3 4105.3kPa加料板： pF105.30.7 60 147.3 kPa平均壓強 pm(105.3147.3) / 2 126.3 kPa(二 )平均溫度 tm查乙醇 -水相平衡數據表5-23 或溫度組成圖 5-71 得：塔頂為 78.2，加料板為 83.9。t m (78.2 83.9) / 281(三

13、 )平均分子量 M m塔頂： y1 xD0.8 6 0， x10.855 （用 AB 段相平衡關聯(lián)式試差計算得到）M VD, m0.86046.07(10.860)18.0142.14 kg/kmolM LD, m0.85546.07(10.855)18.0142.00 kg/kmol加料板： yF 0.508 ， xF0.174 （用 AB 段相平衡關聯(lián)式計算得到）M VF, m0.50846.07(10.508)18.0132.26 kg/kmolM LD, m0.17446.07(10.174)18.0122.89 kg/kmol精餾段： M V, m(42.1432.26) / 237

14、.20 kg/kmolM L, m(42.0022.89) / 232.45 kg/kmol(四 )平均密度m1液相平均密度L,m為方便計算，將查閱得到的乙醇和水的密度與表面張力列于表5-25。表 5-25乙醇的密度和表面張力溫度，2030405060708090100110乙醇795785777765755746735730716703密度， kgm3998.2995.7992.2988.1983.2977.8971.8965.3958.4951.0水乙醇22.321.220.419.818.818.017.1516.215.214.4表面張力， 103N m72.6771.2069.636

15、7.6766.2064.3362.5760.7158.8456.88水塔頂：查 78.2下乙醇和水的密度分別為737 kg m3 和 973 kg m3。1aAaB0.940.06LD, m747.9 kg/m3737973LD, mLD, ALD, B進料板：查 83.9下乙醇和水的密度分別為733 kg m3 和 969.3 kg m3 。1aAaB0.350.65LF, m871.0 kg/m3LF, mLF, ALF,B733969.3精餾段： L,m(747.9871.0) / 2 809.5 kg/m 342汽相平均密度V, mpmM V, m126.3 37.203V, mRTm

16、8.314 (2731.596 kg/m81)(五 )液體的平均表面張力m對于二元有機物 -水溶液的表面張力，采用第一章式1-23式 1-30 計算。塔頂：查表 5-26 得o 17.30 mN/m ； w62.89 mN/m （ 78.2）主體部分的摩爾體積Vo46.07 kg / kmol0.06251 m 3 / kmol737 kg / m 3Vw18.01 kg / kmol0.01851m 3 / kmol973 kg / m 3塔頂實際液相組成由操作線方程求得0.832x 0.14450.860x0.860即 xo0.860 ， xw10.8600.140主體部分的w 和 oox

17、oVo /( xwVwxoVo )0.8600.062510.9540.1400.018510.8600.06251w1o1 0.9540.046Blog ( wq /o )log(0.0462 / 0.954)2.654 （按表 1-13 之規(guī)定， q2 ）Q0.441(q / T )(V2 / 3 / qV2/3)ooww0.441217.30 0.062512 / 362.890.018512 / 3273.1578.220.00763ABQ2.6540.007632.662根據 log ( swq/ so)2.662和swso1 聯(lián)立解得sw0.0456so0.95441/41/41/

18、4mswwsoo0.045662.891/ 40.954417.301/ 42.075D,m18.53 mN / m進料板：o16.78 mN/m ；w 61.84 mN/m （ 83.9）主體部分的摩爾體積5Vo46.07 / 7330.06285 m3 / kmolVw18.01/ 969.30.01858 m 3 / kmolxo0.174 ， xw10.1740.826主體部分的w 和 oo0.1740.062850.4160.8260.018580.1740.06285w1o1 0.4160.584Blog ( wq /o )log( 0.5842 / 0.416)0.0863（按表

19、 1-13 之規(guī)定， q2 ）Q0.441(q / T)(oV2 / 3/ qwV 2/3)ow0.441216.780.062852 / 361.84 0.018582 / 3273.1583.920.00744ABQ0.08630.007440.0937根據log ( swq/ so )0.0937和 swso1 聯(lián)立解得sw0.581so0.4191/41/41/4msw wsoo0.51861.841/ 40.41916.781 / 42.477F,m37.66 mN / m精餾段：m(D, mF, m ) / 2(18.53 37.66) / 2 28.10 mN/m(六 )液體的平

20、均黏度L, m查得在 78.2和 83.9下乙醇和水的黏度分別為：D,A0.455 mPa s ，F(xiàn),A0.415 mPa s ，按加權求取平均黏度D, BF, B0.3655 mPa s（ 78.2）0.3395 mPa s（ 83.9）塔頂：LD, m(A xA ) D( B xB ) D0.4550.8600.36550.1400.442 mPa s加料板：LF,m0.4150.1740.33950.8260.353 mPa s精餾段：L,m( 0.4420.353) / 20.398 mPa s四、精餾段的汽液負荷計算汽相摩爾流率V( R1)D( 4.951)29.66176.48 k

21、mol/hVM汽相體積流量Vs3600V, mV, m176.4837.201.143 m 3 /s36001.596汽相體積流量Vh1.143 m 3 /s4114.8 m 3 /h液相回流摩爾流率LRD4.9529.66146.82 kmol/h6液相體積流量LsLM3600L, mL,m146.8232.450.00164 m 3/s3600809.5液相體積流量 Lh0.00164 m 3/s5.90 m 3/h冷凝器的熱負荷：查78.2下乙醇和水的汽化潛熱分別為970kJ/kg 和 2311kJ/kg 。平均汽化潛熱按質量分率加權有rm0.949700.062311 1050.46

22、kJ / kgQVr (176.4842.14)1050.46 / 36002170 kW五、精餾段塔和塔板主要工藝結構尺寸的計算(一 )塔徑1初選塔板間距H T500 mm 及板上液層高度 hL60 mm ，則：H ThL0.5 0.060.44 m2按 Smith 法求取允許的空塔氣速umax (即泛點氣速 uF )Ls0.50.00164809.50 .5L0.0323Vs1.1431.596V查 Smith 通用關聯(lián)圖 5-40得 C200.097負荷因子 C C200.20.09728.100.2200.10420泛點氣速：0.50.5umaxCLV0.104809.5 1.5962

23、.340 m / s1.596V3操作氣速取 u0.7umax0.72.340 1.638 m/s4精餾段的塔徑D4Vs1.1430.943 mu0.7851.638考慮到浮閥布置和檢修方便，圓整取DT1200mm ，此時的操作氣速u4Vs1.1431.011 m /s 。DT20.785 1.22(二 )精餾段塔板工藝結構尺寸的設計與計算1溢流裝置采用單溢流型的平頂弓形溢流堰、弓形降液管、平形受液盤，且不設進口內堰。(1) 溢流堰長 (出口堰長 ) Lw取 L w0.7DT0.71.20.84 m堰上溢流強度Lh / Lw5.90/ 0.847.02 m 3 /(m h)100 130m 3

24、 /(m h) ，滿足篩板塔的堰上溢流強度要求。(2)出口堰高 hw7hwhLhow對平直堰 h0.00284 E (Lh/ Lw)2/3ow由 L w / DT0.7及 Lh / L2w.55.90/ 0.842.59.12 ，查圖 5-30 得 E 1.03，于是：how0.002841.03(5.90 / 0.84)2 /30.0107 m 0.006 m （滿足要求）hwhLhow0.060.01070.049 m(3)降液管的寬度Wd 和降液管的面積Af由 L w/ DT0.7，查弓形降液管幾何關系圖得Wd / DT 0.14，Af / AT0.09 ，即：W0.168 m ， A0

25、.785 D21.13 m 2 ， Af0.102 m 2 。dTT液體在降液管內的停留時間Af H T/ Ls0.1020.5 / 0.0016431.1 s5 s （滿足要求）(4) 降液管的底隙高度 ho液體通過降液管底隙的流速一般為0.07 0.25m/s，取液體通過降液管底隙的流速uo0.08 m/s ，則有：hoLs0.00164Lw uo0.024 m （ ho 不宜小于 0.02 0.025m，本結果滿足要求）0.84 0.082塔板布置(1) 塔板分塊，因 DT 1200mm，根據表 5-6 將塔板分作 3 塊安裝。(2) 邊緣區(qū)寬度 Wc 與安定區(qū)寬度 Ws邊緣區(qū)寬度 Wc

26、 ：一般為50 75mm， DT 2m 時， Wc可達 100mm 。安定區(qū)寬度 Ws ：規(guī)定 DT1.5 m 時 Ws75mm ； DT1.5m 時 Ws75 mm ；本設計取 Wc60 mm， Ws75 mm。(3) 開孔區(qū)面積 AaxDT /2(Wd Ws)0.60( 0.1680.075 ) 0.357 mRDT /2Wc0.600.0600.540mA2 x R2x2R2 sin 1 xa180R2 0.3570.54020.35721800.5402 sin 1 0.3570.5400.710 m 23浮閥個數 n 及排列取 F1 型浮閥，其閥孔直徑d o39 mm ，初取閥孔動能

27、因子F0 u0V 11 ，故閥孔的孔速u0118.707 m / s1.596浮閥個數 n4Vs1.143110d02 u00.03920.7858.707擬定塔板采用碳鋼且按等腰三角形叉排，塔板厚度3mm ，且 W60 mm，W75 mm 。cs作等腰三角形叉排時，hAa0.7100.086 m ，按推薦尺寸，此處取h80 mm 。0.075n0.075110根據初步估算提供的孔心距t 75mm、孔數 n110 個和叉排高度 h 80mm 在塔板上布置浮閥，實得浮閥個數為 105個，見圖 5-72。8023=408756=45023孔59孔23孔閥孔總數 105個圖 5-72浮閥在塔板上的排

28、列根據在塔板上布置得到的浮閥個數重新計算塔板的各參數。閥孔氣速 u04Vs1.1439.12 m / sn d o20.785 105 0.0392動能因子 F09.121.59611.5（在經驗值范圍之內）(三 )精餾段的塔高 Z1Z1 (N p11)HT(601)0.529.5 m六、精餾段塔板流動性能校核( 一 ) 塔板壓降校核hfhche1氣體通過干板的壓降hc731 /1.825731 /1.825臨界孔速 uoc8.12 m / s u01.596V因 u0uoc ，故應在浮閥全開狀態(tài)下計算干板壓降。hc5.34Vuo21.5969.1220.0446 m2g5.34L809.5

29、29.812氣體通過板上液層的壓降hehe( hwhow )hL0.5 0.0600.030 m3克服表面張力的壓降h(一般情況下可不考慮 )h410 3410 328.1010 31000L gdo809.59.810.0390.00036 m （顯然此項很小可忽略）4氣體通過篩板的壓降(單板壓降 ) hf 和pfhfhcheh0.04460.0300.000360.075 mpfL ghf809.59.810.075596 Pa0.7kPa （滿足設計要求）( 二 ) 霧沫夾帶量校核9板上液流長度ZZDT2Wd1.2 20.168 0.864 m根據V1.596 kg / m 3 及 H

30、T 0.50m 查圖 5-37，得 CF 0.125。再根據表5-13 取 K 1.0。0.5100VsV136Ls ZFLVAa CFK1.5960.51001.1611360.001640.864809.51.5960.7100.1251.060.32%泛點率小于80%，故不會產生過量的霧沫夾帶。( 三) 漏液校核當閥孔的動能因子F o 小于 5 時將會發(fā)生嚴重漏液，故漏液點的孔速可按F o 5 計算55uom3.96 m / sV 1.596穩(wěn)定性系數 Kuo9.122.31.5 2.0 （不會產生過量液漏）uom3.96( 四 ) 降液管液泛校核為防止降液管發(fā)生液泛，應使降液管中的清液

31、層高度H d(hw) H TH dhf hLhd20.001642hd0.153Ls0.1530.001 m0.840.024Lw hoH d0.0750.0600.001 0.136m( H T hw )0.5(0.5 0.049 ) 0.275 mH d(H Thw ) 成立，故不會產生降液管液泛。通過流體力學驗算，可認為精餾段塔徑及塔板各工藝結構尺寸合適，若要做出更合理的設計，還需重選 H T 及 hL ，重復上述計算步驟進行優(yōu)化設計。七、精餾段塔板負荷性能圖負荷性能圖應按5.2.5 的步驟進行繪制，本題過程如下。( 一 ) 過量霧沫夾帶線令泛點率 F0.80 ，將相關數據代入式(5-2

32、8) 得1.5961.36 0.864LsVs809.51.5960.800.7100.1251.0整理得到Vs1.59726.44Ls在操作范圍內，任取幾個Ls 值，依式算出對應的Vs 值列于表 5-26。10表 5-26式中的 VsLs 關系數據L s, m3/s0.0007170.00090.00270.00420.00570.00720.00870.0102Vs, m3/s1.57801.57321.52561.48601.44631.40661.36701.3273依據表中數據在圖5-73 中作出霧沫夾帶線。( 二 ) 降液管液泛線( 氣相負荷上限線)根據式 (5-20) ，降液管發(fā)

33、生液泛的條件為：(H T hw ) hfhwhowhd3600Ls2 / 32 / 3how0.00284E0.0028413600Ls2/3Lw0.840.7493 LsAondo20.7851050.03920.1254 m 24Vu2V(V /A)2hc5.34o5.34soL 2g2 gL1.596Vs25.3429.810.12542809.50.0341Vs2he(hwhow )0.5( 0.0490.7493 L2s/ 3 )0.02450.3746 L2/3shfhc he0.0341 Vs20.3746 L2/3s0.0245Ls2Ls2hd0.1530.1532Lw ho0.840.024376.5 Ls(0.0341Vs20.3746 Ls2/30.0245 )0.0490.7493 Ls2/3376.5 Ls2