乙醇水精餾塔設(shè)計(jì)

1、三、設(shè)計(jì)內(nèi)容：(1) 精餾塔的物料衡算；(2) 塔板數(shù)的確定：(3) 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物件數(shù)據(jù)的計(jì)算；(4) 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算；(5) 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算；(6) 塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算：(7) 塔板負(fù)荷性能圖；(8) 精餾塔接管尺寸計(jì)算；(9) 繪制生產(chǎn)工藝流程圖；(10) 繪制精餾塔設(shè)計(jì)條件圖；(11) 對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的評(píng)述和有關(guān)問(wèn)題的討論。 設(shè)計(jì)計(jì)算 （一） 設(shè)計(jì)方案選定本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離水乙醇混合物。    原料液由泵從原料儲(chǔ)罐中引出，在預(yù)熱器中預(yù)熱至84后送入連續(xù)板式精餾塔（篩板塔），塔頂上升蒸汽流采用強(qiáng)制循環(huán)式列管全凝器冷凝后一部分作為回流液，

2、其余作為產(chǎn)品經(jīng)冷卻至25后送至產(chǎn)品槽；塔釜采用熱虹吸立式再沸器提供氣相流，塔釜?dú)堃核椭翉U熱鍋爐。1精餾方式：本設(shè)計(jì)采用連續(xù)精餾方式。原料液連續(xù)加入精餾塔中，并連續(xù)收集產(chǎn)物和排出殘液。其優(yōu)點(diǎn)是集成度高，可控性好，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。由于所涉濃度范圍內(nèi)乙醇和水的揮發(fā)度相差較大，因而無(wú)須采用特殊精餾。2操作壓力：本設(shè)計(jì)選擇常壓，常壓操作對(duì)設(shè)備要求低，操作費(fèi)用低，適用于乙醇和水這類非熱敏沸點(diǎn)在常溫（工業(yè)低溫段）物系分離。3塔板形式：根據(jù)生產(chǎn)要求，選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，造價(jià)低廉的篩板塔，篩板塔處理能力大，塔板效率高，壓降較低，在乙醇和水這種黏度不大的分離工藝中有很好表現(xiàn)。4加料方式和加料熱狀態(tài)：加料方式選擇

3、加料泵打入。由于原料溫度穩(wěn)定，為減少操作成本采用30度原料冷液進(jìn)料。5由于蒸汽質(zhì)量不易保證，采用間接蒸汽加熱。6再沸器，冷凝器等附屬設(shè)備的安排：塔底設(shè)置再沸器，塔頂蒸汽完全冷凝后再冷卻至65度回流入塔。冷凝冷卻器安裝在較低的框架上，通過(guò)回流比控制期分流后，用回流泵打回塔內(nèi)，餾出產(chǎn)品進(jìn)入儲(chǔ)罐。塔釜產(chǎn)品接近純水，一部分用來(lái)補(bǔ)充加熱蒸汽，其余儲(chǔ)槽備稀釋其他工段污水排放。（二） 精餾塔的物料衡算原料液處理量為3000kg/h,（每年生產(chǎn)300天），塔頂產(chǎn)品組成94%（w/w）乙醇。原料25%（w/w）乙醇水溶液，釜?dú)堃汉掖?.1%（w/w）的水溶液。分子量M水=18 kg/kmol；M乙醇=46 k

4、g/kmol。1.原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率原料摩爾分?jǐn)?shù)：xF塔頂摩爾分?jǐn)?shù) ： xD塔釜?dú)堃旱哪柗謹(jǐn)?shù)： xW2 原料及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量MFMDMW3 物料衡算原料的處理量 F=3000/（300*24）/21.2312=19.63 kmol/h總物料衡算 19.63=D+W乙醇的物料衡算 19.63*0.1154=0.86*D+0.0004*W 解得： 塔頂采出量 D=2.626 塔底采出量 （三） 精餾工藝條件計(jì)算T 的求取 確定回流比R乙醇水屬于理想物系，可采用圖解法求回流比R和理論塔板數(shù)。 由手冊(cè)查得乙醇水物系的氣液平衡數(shù)據(jù)，繪出x-y圖，見下圖。常壓下乙醇水溶液的t

5、-x-y圖常壓下乙醇水溶液的t-x-y圖 求最小回流比及操作回流比。故最小回流比為Rmin=(0.86-0.45)/(0.45-0.115)=1.22 取操作的回流比為 R=2Rmin 求氣液相負(fù)荷LV 求操作線方程精餾段操作線方程為: Y=L*X/V + D*XD/ V =提餾段操作線方程為: Y= L*X/V - W*XW/ V 確定理論塔板數(shù)。結(jié)果見上圖，得理論塔板數(shù)NT =15塊（不包括再沸器），精餾段12塊，提餾段3塊（不包括再沸器） 確定實(shí)際塔板數(shù)。 精餾段實(shí)際塔板數(shù) N精 = 12/0.52=23塊 提餾段實(shí)際塔板數(shù) N提 = 3/0.52= 6塊精餾塔工藝參數(shù)匯總表精餾塔工藝參

6、數(shù)匯總NpN精N提ETNTRRmin29236154精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算41 操作壓力計(jì)算 4.1.1 塔頂操作壓力 PD =101.34105.3 kPa 4.1.2 每層塔板壓降 P = 0.7kPa 4.1.3 進(jìn)料板壓力P= 4.1.4 精餾段平均壓力 PM = 42 操作溫度計(jì)算依據(jù)據(jù)操作壓力,由泡點(diǎn)方程通過(guò)試差法計(jì)算出泡點(diǎn)溫度,其中乙醇與水的飽和蒸氣壓由安托因方程P*=A - B /(T +C) 計(jì)算,計(jì)算過(guò)程略.計(jì)算結(jié)果如下:塔頂溫度 tD = 進(jìn)料板溫度 tF = 84 .04.3 平均摩爾質(zhì)量的計(jì)算由XD=y1=0.86，查平衡曲線得：X1 塔頂液相的平均摩爾

7、質(zhì)量： MVDm×46 +(1-0.86)× MLDm= 0.825 ×46 +(1- 0.825 )× 18 = 41.1 kg/kmol 進(jìn)料板的摩爾質(zhì)量，由圖解理論板得 yF =0.415 由平衡曲線得：XF =0.25 MVFm×46+（1-0.415）× MLFm×46 +(1-0.25) ×18 = 25kg/kmol 平均摩爾質(zhì)量： MVm=(42.08 + 29.62)/2=35.85 kg/kmol MLm4.4 平均密度計(jì)算氣相平均密度計(jì)算vm = Pm * MVm / R * Tm =113.

8、35 * 35.85/8.314 * (81.0 + 273.15)=1.337 kg/m3液相平均密度計(jì)算塔頂TD=78查手冊(cè)水= 973 kg/ m3, 乙醇 = 744.4 kg/m3進(jìn)料TF=82查手冊(cè)水= 969 kg/ m3, 乙醇 = 737.3 kg/m3塔頂密度 LDH= 1/XD/A + (1-XD)/ B = 735.3 kg/ m3進(jìn)料板的液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)： A= XF*MA/XF*MA+(1-XF)MB進(jìn)料板的液相密度:LDM= 1/A /A + (1-A)/ B= 833.3 kg/ m3精餾段的平均密度LDM34.5 液體平均表面張力的計(jì)算塔頂表面平均張力由

9、T=78查手冊(cè)得：水=62.9mN/m, 乙醇lDm=18××進(jìn)料板的表面張力由T=84查手冊(cè)得：水×103N/m,乙醇=17.88 ×103N/mlFm××精餾段的液相平均表面張力LM35 塔徑和塔高的計(jì)算 5.1 塔徑的計(jì)算精餾塔的氣，液體體積流率為VS= 0.07 m3/sLs= 0.0001 m3/s由umax=查圖表 取板間距HT=0.4m 板上液層高度hL查化工原理課程設(shè)計(jì)P105圖5-1得：C20 C = C20 * Umax = C = 1.59 m/s取設(shè)計(jì)的泛點(diǎn)率為0.7，則空塔氣速為：塔截面積為：=*實(shí)際空塔氣速

10、為：5.2 精餾塔有效高度的計(jì)算精餾段的有效高度Z精=（N精-1）HT=(23-1)×0.4 = 8.8 m提餾段的有效高度Z提=（N提-1）HT=（6-1）×0.4 = 2m在進(jìn)料板的上方開人孔其高度為=0.8m,故精餾段的有效高度為：Z= Z精+ Z提+0.8=10.611m6. 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算 6.1 溢流裝置的計(jì)算：因塔徑和流體量適中，選取單溢流弓形降管。堰長(zhǎng)取溢流堰高度由 選用平直堰，堰上液層高度取板上清液層高度故m 弓形降液管寬度和截面積 由查化工原理課程設(shè)計(jì)P112圖5-7得故液體在降液管停留的時(shí)間，即故降液管設(shè)計(jì)合理。降液管底隙高度 取 m

11、/s，則故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理邊緣寬度的確定，查化工原理課程設(shè)計(jì)P114 取，所以開孔的面積代入式中解得：=0.084 篩孔的計(jì)算篩孔的孔徑，孔中心距 t為 篩孔的數(shù)目為 開孔率為 =10.1氣體通過(guò)閥孔的氣速為： m/s 7. 塔板流動(dòng)性能的校核7.1 液沫夾帶的校核液沫夾帶量ev，即 代入得：故設(shè)計(jì)中液沫夾帶量ev在允許范圍內(nèi)。7.2 塔板壓降干板阻力h0可計(jì)算如下：查化工原理課程設(shè)計(jì)圖5-10，得代入故 m液柱氣體通過(guò)液層阻力由 查化工原理課程設(shè)計(jì)圖5-11，得代入得： m液柱液體表面張力的阻力氣體通過(guò)每層板的液柱高度p= 設(shè)計(jì)允許值7.3 降液管液泛校核降液管中的清夜柱高度Hd因?yàn)橐?/p>

12、醇-水為不易起泡物系，取故 m液柱。故不會(huì)產(chǎn)生降液管液泛。7.4 取漏液點(diǎn)氣速 為閥孔動(dòng)能因子時(shí)相應(yīng)的值，則 m/s穩(wěn)定系數(shù)k= ,故不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重漏液。8. 塔板負(fù)荷性能圖在 m/s 式中，并將塔板有關(guān)尺寸數(shù)據(jù)和物性常數(shù)等值代入，整理之可得=0.029*      （1）在操作范圍內(nèi)，取幾個(gè)值，列與下表                 作漏液線1 8.2 過(guò)

13、量液沫夾帶線關(guān)系式由ev =2.5(hw + how)  得   （2）在操作范圍內(nèi)，取幾個(gè)值，列與下表           作液沫夾帶線28.3 液相下限關(guān)系式由令E=1，取=0.006m代入，可解得  （3） 可作出也氣體流量無(wú)關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線3                &

14、#160;                     8.4 液相上限關(guān)系式以降液管中停留時(shí)間的下限，故= （4） 可作出也氣體流量無(wú)關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線4                  

15、0;                     8.5 液泛線由降液管液泛校核條件式 或 ，將 ，hf和hd計(jì)算式代入，即：令， 由； ； ；聯(lián)立得 忽略，將與，與，與的關(guān)系式代入上式，并整理得 式中可得將塔板有關(guān)尺寸數(shù)據(jù)和物性常數(shù)等值代入并整理之，可得：  在操作范圍內(nèi)，取幾個(gè)值，列與下表      

16、;         作掖泛線5 根據(jù)以上各線方程，可作出篩板的負(fù)荷性能圖，如下圖所示。以為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)，作本塔板的負(fù)荷性能圖（附圖）。圖中，作出操作點(diǎn)A，連接OA，即作出操作線。由圖可讀得,該篩板的操作上限為液泛控制，下限為漏液控制，由圖查得Vs,max= Vs,min= 故其操作彈性為設(shè)計(jì)計(jì)算的主要結(jié)果序 號(hào) 項(xiàng) 目 數(shù)值 1 平均溫度tm，oC 812 平均壓力Pm3 氣相流量Vs，（m3/s） 0.07 4 液相流量Ls，（m35 實(shí)際塔板數(shù) 296 有效段高度Z，m 119 溢流形式 單溢流1

17、0 降液管形式 弓形15 降液管底隙高度，m 0.00625 16 安定區(qū)寬度，m 0.07 18 開孔區(qū)面積，m2 20 篩孔數(shù)目 43123 空塔氣速，m/s 127 負(fù)荷上限 液泛控制28 負(fù)荷下限 漏液控制29 液沫夾帶ev30 氣相負(fù)荷上限，m3/s 31 氣相負(fù)荷下限，m3/s32 操作彈性9.1 進(jìn)料管有已知料液流率為5200kg/h,取料液密度為965kg/m3,則料液體積流率為取管內(nèi)流速uf=0.5m/s,則進(jìn)料管的直徑取進(jìn)料管尺寸為×9.2 回流管 由已知回流液流率為12298.6kg/h，取回流液密度為742.43kg/m3,則回流液體積流率為 取回流管尺寸為1

18、40×9.3 釜液出口管由已知釜液流率為3376kg/h,取釜液密度為920kg/m3,則釜液體積流率取管內(nèi)流速Uw =0.5m/s，則釜液出口管直徑取釜液出口管尺寸為57×9.4 塔頂蒸汽管近似取精餾段體積流率為塔頂蒸汽體積流率VT，并取管內(nèi)蒸汽流速uT=15m/s，則塔頂蒸汽管直徑取塔頂蒸氣管尺寸為180×9.5 加熱蒸氣管取加熱蒸氣管內(nèi)蒸汽流速uT=0.6m3/s加熱蒸氣密度3.25kg/m3,流速取15m/s,則加熱蒸氣管徑取加熱蒸氣管尺寸為245×6。10. 輔助設(shè)備的選取10.1 冷凝器冷凝器選用單殼程的列管式換熱器，冷凝劑選用冷水，冷水走管

19、程，蒸汽走殼程，該冷凝器為全冷凝器，對(duì)全凝器作熱量衡算并忽略熱量損失，選定冷水的入口溫度為t1=25,出口溫度為t2=40,選定回流液在飽和溫度下進(jìn)入塔內(nèi)，由于塔頂餾出液幾乎為純乙醇作焓按純乙醇計(jì)算，則××106J為冷水消耗量10.2 再沸器本設(shè)計(jì)分離乙醇-水體系，可以采用直接蒸汽加熱，只需在精餾塔的底部通入水蒸氣即可，不需要外加再沸器。符號(hào)說(shuō)明 英文字母Ap塔板鼓泡區(qū)面積，m2；Af降液管截面積，m2；A0篩孔面積，m2；AT塔截面積，m2；C負(fù)荷系數(shù)，無(wú)因次；C2020dyn/cm時(shí)的負(fù)荷系數(shù)，無(wú)因次Cf泛點(diǎn)負(fù)荷系數(shù)，無(wú)因次；Cp比熱，kJ/kg&S226;K；

20、d0篩孔直徑，m；D塔徑，m；D塔頂產(chǎn)品流量，kmol/h或kg/h；eV霧沫夾帶量，kg(液)/kg(氣) ；E液流收縮系數(shù)，無(wú)因次；ET總板效率或全塔效率，無(wú)因次；F原料流量，kmol/h或kg/h；g重力加速度，m/s2；hd干板壓降，m；hd液體通過(guò)降液管的壓降，m；ht氣相通過(guò)塔板的壓降，m；hf板上鼓泡層高度，m；hl板上液層的有效阻力，m；hL板上液層高度，m；h0降液管底隙高度，m；h0w堰上液層高度，m；hp與單板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?，m；hW溢流堰高度，m；h與克服表面張力的壓強(qiáng)降相當(dāng)?shù)囊褐叨?，m；Hd降液管內(nèi)清液層高度，m；HT塔板間距，m；I物質(zhì)的焓，kJ/kg；K穩(wěn)定

21、系數(shù)，無(wú)因次；lW堰長(zhǎng)，m；LS塔內(nèi)液體流量，m3/s；M分子量；n篩孔總數(shù)；NT理論板數(shù)；N實(shí)際板數(shù)；P操作壓強(qiáng)，Pa；P單板壓強(qiáng)，Pa；Pp通過(guò)一層塔板的壓強(qiáng)降，Pa/層；q進(jìn)料熱狀況參數(shù)，無(wú)因次；Q熱負(fù)荷，kJ/h；QB再沸器熱負(fù)荷，kJ/h；QC全凝器熱負(fù)荷，kJ/h；QL熱負(fù)荷損失，kJ/h；r汽化潛熱，kJ/kg；R氣體常數(shù)，8314J/kmol&S226;K；R回流比，無(wú)因次；t溫度，或K；t孔心距，m；T溫度，或K；TS塔頂溫度，或K；TS回流液溫度，或K；u空塔氣速，m/s；Ua按板上層液上方有效流通面積計(jì)的氣速，m/s；Umax極限空塔氣速，m/s；u0篩孔氣速，m/s；u0M漏液點(diǎn)氣速，m/s；uo降液管底隙處液體流速，m/s；V精餾段上升蒸氣量，kmol/h；Vh塔內(nèi)氣相流量，m3/h；Vs塔