塔板式精餾塔設計圖文表

1、（一）設計方案的確定本設計任務為乙醇-水混合物。設計條件為塔頂常壓操作，對于二元混合物的分離，應采用連續(xù)精餾流程。酒精精餾與化工精餾過程不同點就在于它不僅是一個將酒精濃縮的過程，而且還擔負著把粗酒精中50多種揮發(fā)性雜質除去的任務，所以濃縮酒精和除去雜質的過程在酒精工業(yè)中稱為精餾。物料中的雜質基本上是在發(fā)酵過程中生成的，只是很少數的雜質是在蒸煮和蒸餾過程中生成的。本次設計的精餾塔用板式塔，內部裝有塔板、降液管、各種物料的進出口及附屬結構（如全凝器等）。此外，在塔板上有時還焊有保溫材料的支撐圈，為了方便檢修，在塔頂還裝有可轉動的吊柱。塔板是板式塔的主要構件，本設計所用的塔板為篩板塔板。篩板塔的突出

2、優(yōu)點是結構簡單造價低，合理的設計和適當的操作能使篩板塔滿足要求的操作彈性，而且效率高，并且采用篩板可解決堵塞問題，還能適當控制漏液。設計中采用泡點進料，將原料液通過預熱器加熱至泡點后送人精餾塔內。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內，其余部分經產品冷卻器冷卻后送至儲罐。該物系屬不易分離物系，最小回流比較小，采用其1.5倍。設計中采用圖解法求理論塔板數，在溢流裝置選擇方面選擇單溢流弓形降液管。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔頂產品經冷卻后送至儲罐。（二）精餾塔的物料衡算1.原料液及塔頂、塔底產品的摩爾分率乙醇的摩爾質量 M乙醇=46kg/kmol純水的摩爾質量 M水 =18kg/k

3、molxF=0.174xD=0.779xW=0.0022.原料液及塔頂、塔底產品的平均摩爾質量MF=0.174×4618×(1-0.174)= 22.872kg/kmolMD=0.779×4618×(1-0.779)= 39.812kg/kmolMW=0.002×4618×(1-0.002)= 18.056kg/kmol3.物料衡算D=167.454 kmol/hF=D+WF·xF=D·xD+W·xW解得 F=756.464kmol/h W=589.01 kmol/h（三）塔板數的確定1.回流比的選擇由任

4、務書提供的乙醇-水物系的氣液平衡數據繪出x-y圖； 由于設計中選用泡點式進料，q=1，故在圖中對角線上自點a（xD,xD）作垂線，與Y軸截距oa=xD/(Rmin+1)=0.415即最小回流比Rmin=xD/oa-1=0.877取比例系數為1.5，故操作回流比R為R=1.5×0.877=1.3162.精餾塔的氣液相負荷的計算L=RD=1.316×167.454=220.369 kmol/hV=L+D=(R+1)D=2.316×167.454=387.823 kmol/hL=L+qF=220.369+756.464=976.833 kmol/hV=V+(q-1)F=

5、V=387.823 kmol/h3.操作線方程精餾段操作線方程為y=x+xD=x+×0.779即：y=0.568x+0.336提餾段操作線方程為y=x-xW=x-×0.002即：y=2.519x-0.0034.采用圖解法求理論塔板數總理論塔板層數 NT=13進料板位置 NF=第10層5.全塔效率的計算查上圖可知，tD=78.43oC tW=99.53oCt平均= tD tW =88.35 oC塔頂P乙醇=101.749 KPaP水=44.607 KPa頂=2.281塔底P乙醇=222.502 KPaP水=99.754 KPa底=2.231平均=頂底=2.256平均溫度下A=

6、0.38 mPa·sB=0.323 mPa·sL=xAA+(1-xA) B=0.079×0.38+(1-0.079)×0.323=0.327 mPa·s查蒸餾塔全塔效率圖，橫坐標為平均L=0.738可查得ET=526.實際板層數求取精餾段實際板層數N精=9/0.52=17.3118提餾段實際板層數N提=4/0.52= 7.698（四）精餾塔的工藝條件及有關物性數據的計算1.操作壓力計算塔頂操作壓力PD=101.3 KPa單板壓降P=0.7 kPa進料板壓力PF=0.7×18+101.3=113.9 kPa塔底操作壓力PW=101.3+

7、0.7×26=119.5 kPa精餾段平均壓力Pm=(101.3+113.9)/2=107.6 kPa壓力Pm=(113.9+119.5)/2=116.7 kPa2.操作溫度計算計算全塔效率時已知塔頂溫度 tD=78.43 oC進料板溫度tF=83.75 oC塔底溫度tW=99.53 oC 精餾段平均溫度tm=(tD+tF)/2=(78.43+83.75)/2=81.09 oC提餾段平均溫度tm=(tW+tF)/2=(99.53+83.75)/2=91.64 oC3.平均摩爾質量計算塔頂平均摩爾質量計算 由xD=y1=0.779 查上圖可得x1=0.741MVDm=0.779

8、5;46+(1-0.779)×18=39.812 g/molMLDm=0.741×46+(1-0.741)×18=38.748 g/mol進料板平均摩爾質量計算 tf=83.74 oC由yF=0.518 查上圖可得xF=0.183MVFm=0.518×46+(1-0.518)×18=32.504 g/molMLFm=0.183×46+(1-0.183)×18=23.124 g/mol精餾平均摩爾質量MVm=( MVDm+ MVFm)/2=36.158 g/molMLm=( MLDm+ MLFm)/2=30.936 g/mol

9、4.平均密度計算氣相平均密度計算由理想氣體狀態(tài)方程計算，即Vm=1.321kg/m3液相平均密度計算液相平均密度依1/Lm=i/i計算塔頂液相平均密度計算tD=78.43 oC時 乙醇=740 kg/m3 水=972.742 kg/m3LDm=758.14 kg/m3進料板液相平均密度計算tF=83.75 oC時 乙醇=735 kg/m3 水=969.363 kg/m3LFm=868.554 kg/m3塔底液相平均密度計算tW=99.53 oC時 乙醇=720 kg/m3 水=958.724 kg/m3LWm=957.137 kg/m3精餾段液相平均密度計算Lm=(LFm+LDm)/2=(75

10、8.14+868.554)/2=813.347 kg/m3提餾段液相平均密度計算Lm=(LFm+LWm）/2=(957.137+868.554)/2=912.846 kg/m35.液體平均表面張力計算液體平均表面張力依Lm=xii計算塔頂液相平均表面張力計算tD=78.43時乙醇=62.866 mN/m 水=17.8 mN/mLDm=0.779×17.8+0.221×62.886=84.446 mN/m進料板液相平均表面張力計算tF=83.75時乙醇=61.889 mN/m 水=17.3 mN/mLFm=0.183×17.3+0.817×61.889=5

11、3.729 mN/m塔底液相平均表面張力計算tW=99.53時乙醇=58.947 mN/m 水=15.9 mN/mLWm=0.005×15.9+0.995×58.947=58.732 mN/m精餾段液相平均表面張力計算Lm =(84.446+53.729)/2=69.088 mN/m提餾段液相平均表面張力計算Lm =(58.732+53.729)/2=56.231 mN/m6.液體平均粘度計算液體平均粘度依lgLm=xilgi計算塔頂液相平均粘度計算tD=78.43oC時 乙醇=0.364mPa·s 水=0.455 mPa·slgLDm=0.779lg(

12、0.455)+0.221lg(0.364)=-0.363LDm =0.436 mPa·s進料液相平均粘度計算tF=83.75 oC時 乙醇=0.341mPa·s 水=0.415 mPa·slgLFm=0.183lg(0.415)+0.817lg(0.341)=-0.452LFm=0.353 mPa·s塔底液相平均粘度計算tW=99.53 oC時 乙醇=0.285mPa·s 水=0.335 mPa·slgLWm=0.002lg(0.335)+0.998lg(0.285)=-0.544LWm=0.285 mPa·s精餾段液相平均

13、粘度計算Lm=(0.436+0.353)/2=0.395 mPa·s提餾段液相平均粘度計算Lm=(0.285+0.353)/2=0.319 mPa·s（五）精餾塔的塔體工藝尺寸計算1.塔徑的計算精餾段的氣液相體積流率為VS=2.949 m3/sLS=0.0023 m3/s查史密斯關聯(lián)圖，橫坐標為()=() 1/2=0.0196 取板間距HT=0.45m ，板上液層高度hL=0.06m ，則HT-hL=0.39m 查圖可得C20=0.08由C=C20()0.2=0.08(69.088/20)0.2=0.103umax=C(L-V)/ V=2.554 m/s取安全系數為0.7，

14、則空塔氣速為u=0.7umax=1.788 m/sD=4Vs/u=1.39 m按標準塔徑元整后 D=1.4 m塔截面積AT=(/4)×1.42=1.539 實際空塔氣速為 u=2.717/1.539=1.765 m/s2.精餾塔有效高度的計算精餾段有效高度為Z精=（N精-1）HT=7.65 m提餾段有效高度為Z提=（N提-1）HT=3.15 m在進料板上方開一人孔，其高度為 1m 故精餾塔的有效高度為 Z=Z精+Z提+1=7.65+3.15+1=11.8 m（六）塔板主要工藝尺寸的計算1.溢流裝置計算因塔徑D=1.4 m，可選用單溢流弓形降液管 堰長lW=0.7×1.4=0

15、.98 m2.溢流強度i的校核i=Lh/lW=0.0023×3600/0.98=8.449100130m3/h·m 故堰長符合標準3.溢流堰高度hW平直堰堰上液層高度how=E（Lh/lW）2/3由于Lh不大，通過液流收縮系數計算圖可知E近似可取E=1how=×1×（Lh/lW）2/3=0.0119 mhW=hL-how=0.06-0.0119=0.0481 m4.降液管尺寸計算查弓形降液管參數圖，橫坐標lW/D=0.7 可查得Af/AT=0.093 Wd/D=0.151故Af=0.093AT=0.143 Wd=0.151Wd=0.211 留管時間=36

16、00ATHT/LH=27.64 s5 s符合設計要求5.降液管底隙高度hohO=Lh/3600lWu0=0.0023/0.98×0.08=0.03 mhW-hO=0.0481-0.03=0.0181 m0.006 m6.塔板布置塔板的分塊 D=1400 mm800 mm，故塔板采用分塊式。分為4塊。邊緣區(qū)寬度確定 Ws = Ws=0.065 m,Wc=0.035 m開孔區(qū)面積計算x=D/2-(Wd+Ws)=1.4/2-(0.211+0.065)=0.414 mr=D/2-Wc=1.4/2-0.035=0.665 m故Aa=2(x(r2-x2)+r2/180sin-1(x/r)=1.0

17、46 篩孔計算及其排列本例所處理的物系無腐蝕性?？蛇x用=3mm碳鋼板，取篩孔直徑d=5mm。孔中心距t=3d=3×5=15 mm2=5369 個開孔率=0.907(d2/t2)=10.1氣體通過閥孔的氣速為u0=30.541 m/s（七）篩板的流體力學驗算1.塔板壓降干板阻力hc計算由c=0.790hc=0.051（）2()=0.044氣體通過液層阻力hlua=Vs/(AT-Af)=2.944/(1.539-0.143)=2.112 m/sFo=2.112=2.428 查充氣系數關聯(lián)圖得=0.55hl=hL=(hW+hOW)=0.55(0.0119+0.0481)=0.033 m液柱

18、液體表面張力所產生的阻力h計算h=4L/Lgd=4×56.231/(813.347×9.81×5)=0.00524mhp=hp+hl+h=0.124+0.033+0.00524=0.162 m液柱每層塔板壓降Pp=hpLg=0.082×813.347×9.81=0.65 KPa0.7KPa2.液沫夾帶hf=2.5hL=2.5×0.06=0.15 m故ev=(2.112/(0.45-0.06)3.2=0.02260.1本設計中液沫夾帶在允許范圍內3.漏液篩板塔中，漏液點氣速u0,min=4.4Co(0.0056+0.13hL-h) L/

19、V)0.5=7.714 m/s實際孔速 u0=30.541 m/su0,min穩(wěn)定系數K=u0/u0,min=30.541/7.714=3.9671.5故本設計中無明顯漏液4.液泛(HT+hw)=0.5×(0.45+0.0481)=0.249 m液柱Hd=hp+hL+hd=0.162+0.06+0.001=0.223 m液柱Hd(HT+hw)故在本設計中不會發(fā)生液泛現象（八）塔板負荷性能圖1.漏液線Vs,min=0.367(4.071+54.119Ls2/3)0.5操作范圍內任取Ls值，算出Vs值，列表如下Ls0.00060.00150.00300.0045Vs0.7810.8110

20、.8370.8642.液沫夾帶線Vs Ls2/3操作范圍內任取Ls值，算出Vs值，列表如下Ls0.00060.00150.00300.0045Vs2.7902.7012.5872.4913.液相負荷下限線how=E(3600Ls/lW)2/3=0.0119Ls,min=(0.0119×1000/2.84)3/20.98/3600=0.000476 m3/s4.液相負荷上限線以=4s作為液體在降液管中停留時間的下限=AfHT/Ls=4Ls,max= AfHT/4=0.143×0.33/4=0.0059 m3/s5.液泛線0.0119Vs2=0.114-177L2s-1.048

21、La2/3操作范圍內任取Ls值，算出Vs值，列表如下Ls0.00060.00150.00300.0045Vs2.9912.8972.7592.6236.負荷性能圖依據各線方程繪圖如上,上限為液沫夾帶控制，下限為漏液控制。讀圖可得：Vs,max=2.673 m3/sVs,min=0.789 m3/s故操作彈性為Vs,max/Vs,min=2.673/0.789=3.389（九）精餾塔接管尺寸計算1.塔頂蒸汽出口管選uo=20 m/s VD=387.823 kmol/hMVDm=39.812 g/mol VDm=PDMVDm/RTD=1.38 kg/m3qm=VMVDm=15440 kg/h qv

22、=qm/VDm=3.11 m3/sD=(4qv/uo)0.5=445 mm2.進料管uF=1.6 m/s 在35乙醇水溶液在45下密度=927kg/m³MFm=46×0.174+18×(1.0.174)=21.072 g/molF=756.464 kmol/h qmF=FMFm=4.428 kg/sqvF=4.78×10-3 m3/s D=(4qvF/uF)0.5=62 mm3.回流管u=1.6 m/sMm=39.812 g/mol L=220.369 kmol/hqm=MmL=2.44 kg/s =758.14 kg/m³qv=3.22

23、15;10-3 m3/s D=(4qv/u)0.5=51 mm 4.塔釜出料管uw=1.6 m/sMLWm=18.056 g/mol W=589.01 kmol/h=957.37 kg/m3 qm=MLWmW=2.95 kg/sqv=qm/=3.08×10-3 m3/s D=(4qv/uw)0.5=50 mm（十）計算結果一覽表序號項目數值1平均溫度，81.092平均壓力，kPa107.63氣相流量，m³/s2.9494液相流量，m³/s0.00235實際塔板數266有效段高度，m11.87塔徑，m1.48板間距，m0.459溢流形式單溢流10降液管形式弓形11堰長，m0.9812堰高，m0.048113板上液層高度，m0.0614堰上液層高度，m0.011915降液管底隙高度，m0.0316安定區(qū)寬度，m0.06517邊緣區(qū)寬度，m0.03518開孔區(qū)面積，1.04619篩孔直徑，m0.00520篩孔數目536921孔中心距，m0.