乙醇-水篩板精餾塔設計

1、乙醇-水連續(xù)篩板式精餾塔設計目 錄一、概述41.1 設計依據(jù)41.2 技術來源41.3 設計任務及要求4二、計算過程51. 塔型選擇52. 操作條件的確定52.1 操作壓力52.2 進料狀態(tài)52.3 加熱方式62.4 熱能利用63. 有關的工藝計算63.1 最小回流比及操作回流比的確定73.2 塔頂產品產量、釜殘液量及加熱蒸汽量的計算73.3 全凝器冷凝介質的消耗量83.4 熱能利用83.5 理論塔板層數(shù)的確定93.6 全塔效率的估算93.7 實際塔板數(shù)104. 精餾塔主題尺寸的計算104.1 精餾段與提餾段的體積流量104.2 塔徑的計算134.3 塔高的計算145. 塔板結構尺寸的確定15

2、5.1 塔板尺寸155.2 弓形降液管155.3 浮閥數(shù)目及排列166. 流體力學驗算186.1 氣體通過浮閥塔板的壓力降(單板壓降)186.2 漏液驗算186.3 液泛驗算196.4 霧沫夾帶驗算197. 操作性能負荷圖207.1 霧沫夾帶上限線207.2 液泛線207.3 液體負荷上限線207.4 漏液線217.5 液相負荷下限線217.6 操作性能負荷圖21一、概述乙醇水是工業(yè)上最常見的溶劑，也是非常重要的化工原料之一，是無色、無毒、無致癌性、污染性和腐蝕性小的液體混合物。因其良好的理化性能，而被廣泛地應用于化工、日化、醫(yī)藥等行業(yè)。近些年來，由于燃料價格的上漲，乙醇燃料越來越有取代傳統(tǒng)燃

3、料的趨勢，且已在鄭州、濟南等地的公交、出租車行業(yè)內被采用。山東業(yè)已推出了推廣燃料乙醇的法規(guī)。長期以來，乙醇多以蒸餾法生產，但是由于乙醇水體系有共沸現(xiàn)象，普通的精餾對于得到高純度的乙醇來說產量不好。但是由于常用的多為其水溶液，因此，研究和改進乙醇水體系的精餾設備是非常重要的。塔設備是最常采用的精餾裝置，無論是填料塔還是板式塔都在化工生產過程中得到了廣泛的應用，在此我們作板式塔的設計以熟悉單元操作設備的設計流程和應注意的事項是非常必要的。1.1 設計依據(jù)本設計依據(jù)于教科書的設計實例，對所提出的題目進行分析并做出理論計算。1.2 技術來源目前，精餾塔的設計方法以嚴格計算為主，也有一些簡化的模型，但是

4、嚴格計算法對于連續(xù)精餾塔是最常采用的，我們此次所做的計算也采用嚴格計算法。1.3 設計任務及要求原料：丁烯-丙烯板式精餾塔設計設計條件：塔板類型：篩板或浮閥塔；飽和液體進料，進料丁烯含量xF=38%（摩爾分數(shù)）；塔頂丁烯含量xD=97%，釜液丁烯含量xW6% 總板效率0.6；處理量88kmol/h；回流比R/Rmin=1.1；塔頂操作壓力1.65 MPa(表壓)。表1丁烯-丙烯t-x-y數(shù)據(jù)t/xyt/xy95.021660059.507160.550.7415791.271350.050.0963456.914940.60.7808687.614270.10.1862954.418830.6

5、50.816984.05720.150.2699252.014690.70.8499880.605390.20.3473849.698410.750.8803777.262220.250.418947.465510.80.9083274.029670.30.4847845.311680.850.9340570.90820.350.5453543.232410.90.9577967.897220.40.6009541.223440.950.9797164.995070.450.6519539.280281162.199360.50.69871二、計算過程1. 塔型選擇根據(jù)生產任務，產品流量為88

6、kmol/h，由于產品粘度較小，流量較大，為減少造價，降低生產過程中壓降和塔板液面落差的影響，提高生產效率，選用浮閥塔。2. 操作條件的確定2.1 操作壓力由于乙醇水體系對溫度的依賴性不強，常壓下為液態(tài)，為降低塔的操作費用，操作壓力選為常壓其中塔頂壓力為2.2 進料狀態(tài)雖然進料方式有多種，但是飽和液體進料時進料溫度不受季節(jié)、氣溫變化和前段工序波動的影響，塔的操作比較容易控制；此外，飽和液體進料時精餾段和提餾段的塔徑相同，無論是設計計算還是實際加工制造這樣的精餾塔都比較容易，為此，本次設計中采取飽和液體進料。2.4 熱能利用精餾過程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。因此熱效率較低，通常進入再沸

7、器的能量只有5%左右可以被有效利用。雖然塔頂蒸汽冷凝可以放出大量熱量，但是由于其位能較低，不可能直接用作為塔底的熱源。為此，我們擬采用塔釜殘液對原料液進行加熱。3. 有關的工藝計算丁烯的的摩爾質量：丙烯的的摩爾質量：料液及塔頂、塔底產品的平均摩爾質量：25下，原料液中由此可查得原料液，塔頂和塔底混合物的沸點，以上計算結果見表2。表2 原料液、餾出液與釜殘液的流量與溫度名稱原料液餾出液釜殘液35930.5(摩爾分數(shù))0.17400.77900.0002摩爾質量22.339.8118.1沸點溫度/83.8378.6299.383.1 最小回流比及操作回流比的確定由于是泡點進料，過點做直線交平衡線于

8、點，由點可讀得，因此： 又過點作平衡線的切線，切點為，讀得其坐標為，因此：所以，可取操作回流比3.2 塔頂產品產量、釜殘液量及加熱蒸汽量的計算以年工作日為330天，每天開工24小時計，進料量為：由全塔的物料衡算方程可寫出： (蒸汽) (泡點) 3.3 全凝器冷凝介質的消耗量塔頂全凝器的熱負荷：可以查得，所以取水為冷凝介質，其進出冷凝器的溫度分別為25和35則平均溫度下的比熱，于是冷凝水用量可求：3.4 熱能利用以釜殘液對預熱原料液，則將原料加熱至泡點所需的熱量可記為：其中在進出預熱器的平均溫度以及的情況下可以查得比熱，所以，釜殘液放出的熱量若將釜殘液溫度降至那么平均溫度其比熱為，因此，可知，于

9、是理論上可以用釜殘液加熱原料液至泡點3.5 理論塔板層數(shù)的確定精餾段操作線方程：提餾段操作線方程：線方程：在相圖中分別畫出上述直線，利用圖解法可以求出塊(含塔釜)其中，精餾段13塊，提餾段5塊。3.6 全塔效率的估算用奧康奈爾法()對全塔效率進行估算：由相平衡方程式可得根據(jù)乙醇水體系的相平衡數(shù)據(jù)可以查得： (塔頂?shù)谝粔K板) (加料板) (塔釜)因此可以求得：全塔的相對平均揮發(fā)度：全塔的平均溫度：在溫度下查得因為所以，全塔液體的平均粘度：全塔效率3.7 實際塔板數(shù)塊(含塔釜)其中，精餾段的塔板數(shù)為：塊4. 精餾塔主題尺寸的計算4.1 精餾段與提餾段的體積流量4.1.1 精餾段 整理精餾段的已知數(shù)

10、據(jù)列于表3(見下頁)，由表中數(shù)據(jù)可知：液相平均摩爾質量：液相平均溫度：表3 精餾段的已知數(shù)據(jù)位置進料板塔頂(第一塊板)質量分數(shù)摩爾分數(shù)摩爾質量/溫度/83.8378.62在平均溫度下查得液相平均密度為：其中，平均質量分數(shù)所以，精餾段的液相負荷 同理可計算出精餾段的汽相負荷。精餾段的負荷列于表4。表4 精餾段的汽液相負荷名稱汽相液相平均摩爾質量/3036.13平均密度/8141.251體積流量/2.43(0.000625)3804(1.056)4.1.2 提餾段整理提餾段的已知數(shù)據(jù)列于表5，采用與精餾段相同的計算方法可以得到提餾段的負荷，結果列于表6。表5 提餾段的已知數(shù)據(jù)位置塔釜進料板質量分數(shù)

11、摩爾分數(shù)摩爾質量/溫度/99.3883.83表6 提餾段的汽液相負荷名稱液相汽相平均摩爾質量/20.225.6平均密度/9110.816體積流量/8.09(0.00225)4132(1.15)4.2 塔徑的計算由于精餾段和提餾段的上升蒸汽量相差不大，為便于制造，我們取兩段的塔徑相等。有以上的計算結果可以知道：汽塔的平均蒸汽流量：汽塔的平均液相流量：汽塔的汽相平均密度： 汽塔的液相平均密度： 塔徑可以由下面的公式給出： 由于適宜的空塔氣速，因此，需先計算出最大允許氣速。取塔板間距，板上液層高度，那么分離空間： 功能參數(shù)：從史密斯關聯(lián)圖查得：，由于，需先求平均表面張力：全塔平均溫度，在此溫度下，乙

12、醇的平均摩爾分數(shù)為，所以，液體的臨界溫度：設計要求條件下乙醇水溶液的表面張力平均塔溫下乙醇水溶液的表面張力可以由下面的式子計算：，所以： 根據(jù)塔徑系列尺寸圓整為此時，精餾段的上升蒸汽速度為： 提餾段的上升蒸汽速度為： 4.3 塔高的計算塔的高度可以由下式計算： 已知實際塔板數(shù)為塊，板間距由于料液較清潔，無需經常清洗，可取每隔8塊板設一個人孔，則人孔的數(shù)目為： 個取人孔兩板之間的間距，則塔頂空間，塔底空間，進料板空間高度，那么，全塔高度：5. 塔板結構尺寸的確定5.1 塔板尺寸由于塔徑大于800mm，所以采用單溢流型分塊式塔板。取無效邊緣區(qū)寬度，破沫區(qū)寬度，查得弓形溢流管寬度弓形降液管面積 驗算

13、： 液體在精餾段降液管內的停留時間 液體在精餾段降液管內的停留時間 5.2 弓形降液管5.2.1 堰高采用平直堰，堰高取，則5.2.2 降液管底隙高度h0 若取精餾段取，提餾段取為，那么液體通過降液管底隙時的流速為精餾段： 提餾段： 的一般經驗數(shù)值為5.2.3 進口堰高和受液盤本設計不設置進口堰高和受液盤5.3 浮閥數(shù)目及排列采用F1型重閥，重量為33g，孔徑為39mm。5.3.1 浮閥數(shù)目浮閥數(shù)目氣體通過閥孔時的速度取動能因數(shù)，那么，因此個5.3.2 排列由于采用分塊式塔板，故采用等腰三角形叉排。若同一橫排的閥孔中心距，那么相鄰兩排間的閥孔中心距為： 取時畫出的閥孔數(shù)目只有60個，不能滿足要

14、求，取畫出閥孔的排布圖如圖1所示，其中圖中，通道板上可排閥孔41個，弓形板可排閥孔24個，所以總閥孔數(shù)目為個5.3.3 校核氣體通過閥孔時的實際速度：實際動能因數(shù)：(在912之間)開孔率：開孔率在10%14之間，滿足要求。6. 流體力學驗算6.1 氣體通過浮閥塔板的壓力降(單板壓降)氣體通過浮閥塔板的壓力降(單板壓降)6.1.1 干板阻力浮閥由部分全開轉為全部全開時的臨界速度為：因為所以6.1.2 板上充氣液層阻力取板上液層充氣程度因數(shù)，那么：6.1.3 由表面張力引起的阻力由表面張力導致的阻力一般來說都比較小，所以一般情況下可以忽略，所以：6.2 漏液驗算動能因數(shù)，相應的氣相最小負荷為：其中

15、所以可見不會產生過量漏液。6.3 液泛驗算溢流管內的清液層高度其中，所以，為防止液泛，通常，取校正系數(shù)，則有：可見，即不會產生液泛。6.4 霧沫夾帶驗算泛點率=查得物性系數(shù)，泛點負荷系數(shù)所以，泛點率=可見，霧沫夾帶在允許的范圍之內7. 操作性能負荷圖7.1 霧沫夾帶上限線取泛點率為80%代入泛點率計算式，有：整理可得霧沫夾帶上限方程為： 7.2 液泛線液泛線方程為其中，代入上式化簡后可得：7.3 液體負荷上限線取，那么7.4 漏液線取動能因數(shù)，以限定氣體的最小負荷： 7.5 液相負荷下限線取代入的計算式：整理可得：7.6 操作性能負荷圖由以上各線的方程式，可畫出圖塔的操作性能負荷圖。VsLs根據(jù)生產任務規(guī)定的氣液負荷，可知操作點P(0.00146，1.103)在正常的操作范圍內。連接OP作出操作線，由圖可知，該塔的霧沫夾帶及液相負荷下限，即由漏液所控制。由圖可讀得：所以，塔的操作彈性為有關該浮閥塔的工藝設計計算結果匯總于表7。表7 浮閥塔工藝設計計算結果項目數(shù)值與說明備注塔徑1.0板間距0.4塔板型式單溢流弓形降液管分塊式塔板空塔氣速1.476溢流堰長度0.705溢流堰高度0.05板上液層高度0.01降液管底隙高度0.025浮閥數(shù)個89等腰三角形叉排閥孔氣速10.38閥孔動能因數(shù)5臨