化工原理課程設(shè)計--常壓二元精餾篩板塔設(shè)計

1、liaochengdaxue化 工 原 理 課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書專業(yè): 班級: 姓名: 設(shè)計日期: 年 月 日至 年 月 日設(shè)計題目: 常壓二元精餾篩板塔設(shè)計 設(shè)計條件: 水-乙醇體系1.進(jìn)料 F=6kmol/h q=0 Xf=0.452.壓力： p頂=4KPa 單板壓降0.7KPa3.采用電加熱，塔頂冷凝水采用12深井水4.要求：Xd=0.88 Xw=0.015.選定 R/Rmin=1.6 指導(dǎo)教師:_ _ 年 月 日前 言在化學(xué)工業(yè)和石油工業(yè)中廣泛應(yīng)用的諸如吸收、解吸、精餾、萃取等單元操作中，氣液傳質(zhì)設(shè)備必不可少。塔設(shè)備就是使氣液成兩相通過精密接觸達(dá)到相際傳質(zhì)和傳熱目的的氣液傳質(zhì)設(shè)備

2、之一。 塔設(shè)備一般分為級間接觸式和連續(xù)接觸式兩大類。前者的代表是板式塔，后者的代表則為填料塔，在各種塔型中，當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的是篩板塔與浮閥塔。篩板塔在十九世紀(jì)初已應(yīng)用與工業(yè)裝置上，但由于對篩板的流體力學(xué)研究很少，被認(rèn)為操作不易掌握，沒有被廣泛采用。五十年代來，由于工業(yè)生產(chǎn)實踐，對篩板塔作了較充分的研究并且經(jīng)過了大量的工業(yè)生產(chǎn)實踐，形成了較完善的設(shè)計方法。篩板塔和泡罩塔相比較具有下列特點：生產(chǎn)能力大于10.5%，板效率提高產(chǎn)量15%左右；而壓降可降低30%左右；另外篩板塔結(jié)構(gòu)簡單，消耗金屬少，塔板的造價可減少40%左右；安裝容易，也便于清理檢修。本次設(shè)計就是針對水乙醇體系，而進(jìn)行的常壓二元篩板精

3、餾塔的設(shè)計及其輔助設(shè)備的選型。 由于此次設(shè)計時間緊張，本人水平有限，難免有遺漏謬誤之處，懇切希望各位老師指出，以便訂正。目 錄一、總體設(shè)計計算- 1.1氣液平衡數(shù)據(jù)- 1.2物料衡算- 1.3操作線及塔板計算- 1.4全塔Et%和Np的計算-二、混合參數(shù)計算- 2.1混合參數(shù)計算- 2.2塔徑計算- 2.3塔板詳細(xì)計算- 2.4校核- 2.5負(fù)荷性能圖-三、篩板塔數(shù)據(jù)匯總- 3.1全塔數(shù)據(jù)- 3.2精餾段和提餾段的數(shù)據(jù)-四、討論與優(yōu)化- 4.1討論- 4.2優(yōu)化-五、輔助設(shè)備選型- 5.1全凝器- 5.2泵-一、總體設(shè)計計算1.1汽液平衡數(shù)據(jù)（760mm Hg） 乙醇% （mol) 溫度液相X

4、 氣相Y 0.00 0.001001.90 17.00 95.5 7.21 38.91 89.09.66 43.7586.712.3847.0485.316.6150.8984.123.3754.4582.726.0855.8082.332.7358.2681.539.6561.2280.750.7965.6479.851.9865.9979.757.3268.4179.367.6373.8578.7474.7278.1578.4189.4389.4378.151.2 物料衡算1.1-1已知：1.進(jìn)料：F=6 kmol/h q=0 Xf=0.452.壓力：p頂=4KPa 單板壓降0.7KPa

5、3.采用電加熱，塔頂冷凝水采用12深井水4.要求：Xd=0.88 Xw=0.015.選定：R/Rmin=1.6D=(Xf-Xw)/(Xd-Xw)×F=(0.45-0.01)/(0.88-0.01)×6=3.03 kmol/hW=F-D=6-3.03=2.97 kmol/h查y-x圖得 Xd/(Rmin+1)=0.218Rmin=3.037 R=1.6Rmin=4.859飽和蒸汽進(jìn)料 q=0L=RD=4.859×3.03=14.723 kmol/hV=(R+1)D=(4.859+1)×3.03=17.753 kmol/hL'=L+qF=14.723

6、+0×6=14.723 kmol/hV'=V-(1-q)F=17.753-(1-0)×6=11.753 kmol/h1.3操作線及塔板計算1.精餾段操作線：Y=R×X/(R+1)+Xd/(R+1) Y=0.829X+0.1502.提餾段操作線：Y=(L'/V')×X-(W/V')×Xw Y=1.253X-0.000253.理論塔板的計算利用計算機(jī)制圖取得理論板數(shù)Nt=29.33塊, 其中精餾段塔板Nt1=26.85塊,第27塊為加料板,提餾段Nt2 =2.48塊。1.4全塔Et%和Np的計算1.精餾段：t=(t頂

7、+t進(jìn))=(79.25+87.32)/2=83.285Xa=0.34 Xb=1-Xa=0.66Ya=0.59 Yb=1-Ya=0.41查得液體粘度共線圖 a=0.382 cp, b=0.592 cp L=YaXbL/XaYb=1.454查得：Et1%=0.49(L) -0.245=0.5471Np1=Nt1/Et1=49.082. 提餾段：t=(t底+t進(jìn))/2=(99.9+87.32)/2=93.61Xa=0.045 Xb=1-Xa=0.955Ya=0.27 Yb=1-Ya=0.730查得液體粘度共線圖 a=0.468cp, b=0.532 cp L=Xii=0.045×0.468

8、+0.955×0.532=0.5291L=YaXbL/XaYb=4.15查得：Et2%=0.49(L) -0.245=0.346Np2=Nt2/Et2=7.17Np=Np1+Np2=49.08+7.17=56.25圓整為57塊其中精餾段49塊，提餾段8塊。二 混合參數(shù)計算2.1混合參數(shù)計算溶質(zhì) C2H5OH 分子量 ： Ma=46.07 kg/kmol 溶劑 H2O 分子量：Mb=18.016 kg/kmola=0.789 g/ml b=1.000 g/ml(1)精餾段：進(jìn)料板液體溫度 ：t進(jìn)=87.32 塔頂溫度：t頂=79.25 tm=(87.32+79.25)/2=83.285

9、Xm=0.34 Ym=0.59a=0.382cp b=0.592cp Ml=Xm×Ma+(1-Xm)Mb=0.34×46.07+(1-0.34)×18.016=27.55 kg/kmolMg=Ym×Ma+(1-Ym)Mb=0.59×46.07+(1-0.59)×18.016=34.56 kg/kmol質(zhì)量分率: Wa=XmMa/Ml=0.34×46.07/27.55=0.6855 Wb=1-Wa=1-0.6855=0.31451/l= Wa/a+Wb/b=0.6855/0.789+0.3145/1.00l=845.1 kg/

10、m3P=105325Pav=PMg/RT=105325×34.56/(8314× (273.15+79.25)v=1.2424 kg/m3 (2)提餾段：t進(jìn)=87.32 t底=99.9 tm=93.61Xm=0.045 Ym=0.27Ml=Xm×Ma+(1-Xm)Mb=0.045×46.07+(1-0.045)×18.016=19.278 kg/kmolMg=Ym×Ma+(1-Ym)Mb=0.27×46.07+(1-0.27)×18.016=25.59 kg/kmol質(zhì)量分率: Wa=XmMa/Ml=0.045&

11、#215;46.07/19.278=0.1275 Wb=1-Wa=1-0.1275=0.87251/l= Wa/a+Wb/b=0.1275/0.789+0.8725/1l=1.0341 kg/m3P=105325Pav=PMg/RT=105325×25.59/(8314× (273.15+93.16)v=0.8839 kg/m3 a=58.46 dyn/cm , b=18.4 dyn/cm=X=0.688×58.46+(1-0.688)×18.4=45.96 dyn/cm2.2塔徑計算(1)精餾段：Ls=L×Ml/(3600l)=442.03&

12、#215;27.55/(3600×845.1)=0.004 m/sVs=V×Mv(3600v)=543.39×34.56/(3600×1.1952)=4.365m/stm=83.285此溫度下液體的表面張力a=18.2 dyn/cm b=67.3 dyn/cm=Xma+(1-Xm)b=0.34×18.2+0.66×67.3=50.606兩相流動參數(shù)：Flv=Ls/Vs×(l/v) 0.5=0.00013/0.137×(845.1/1.2424) 0.5=0.0247初設(shè) 板間距HT=0.5 m 清液層高度HL=0.

13、06mHT-HL=0.44 m查得： Cf,20 = 0.093 液氣氣相負(fù)荷因子：Cf = (/20)0.20 × Cf,20 =0.112氣體氣速： un,f = Cf (l-v)/v 0.5=0.112×(845.1-1.2424) / 1.24240.5 = 2.919 m/s空速： un=0.7un,f=0.7×2.919=2.0433 m/s初估塔徑：D=(Vs/(0.785un) 0.5=(0.137/(0.785×2.0433) 0.5=0.292 m圓整為 D=0.3 muf=vs/(0.785×D2)=0.137/（0.78

14、5×0.32）=1.939 m/s實際泛點百分率： uf/un,f=1.939/2.919=0. 6643(2)提餾段：Ls=L×Ml/(3600l)=14.723×19.278/(3600×1034.1)=0.000076 m/sVs=V×Mv(3600v)=11.753×25.59/(3600×0.8839)=0.0945 m/stm=93.61此溫度下液體的表面張力a=18.2 dyn/cm b=67.3 dyn/cm=Xma+(1-Xm)b=0.045×18.2+0.955×67.3=65.091

15、兩相流動參數(shù)：Flv=Ls/Vs×(l/v) 0.5=0.000076/0.0945×(1034.1/0.8839) 0.5=0.0275初設(shè) 板間距HT=0.5 m 清液層高度HL=0.06mHT-HL=0.44 m查得： Cf,20=0.0947 液氣氣相負(fù)荷因子：Cf=(/20) 0.20×Cf,20=0.1199氣體氣速： un,f=Cf(l-v)/v 0.5=0.1199×(1034.1-0.8839)/0.8839 0.5=4.099 m/s空速： un=0.7un,f=0.7×4.099=2.869 m/s初估塔徑：D=(Vs/(

16、0.785un) 0.5=(0.0945/(0.785×2.869) 0.5=0.205 m圓整為 D=0.25 muf=vs/(0.785×D2)=0.0945/（0.785×0.252）=1.926 m/s實際泛點百分率： uf/un,f=1.926/4.099=0.4702.3塔板的詳細(xì)設(shè)計 1.流動型式: 選取單溢流型2.堰的計算:（1）精餾段：堰長取 lw=0.6D=0.6×0.3=0.18 m堰高 hw=0.04 mlh/lw2.5=0.00013×3600/0.18 2.5=34.046又 lw/D= 0.6 查得： E=1.03

17、堰上清液高 how=0.00284E(Lh/lw) 2/3=0.00553 m清液層高度 hl=hw+how=0.04+0.00553=0.04553 m降液管底隙高 ho=hw-0.008=0.032 m（2）提餾段：堰長取 lw=0.6D=0.6×0.25=0.15 m堰高 hw=0.04 mlh/lw2.5=0.00013×3600/0.15 2.5=53.705又 lw/D= 0.6 查得： E=1.03堰上清液高 how=0.00284E(Lh/lw) 2/3=0.00137 m 清液層高度 hl=hw+how=0.04+0.00137=0.04137 m 降液管

18、底隙高 ho=hw-0.012=0.0283.塔板的布置 (1)精餾段：選取碳鋼為篩板的材料，板厚=4 mm，孔徑do=6 mm取孔中心距t=18 mm，t/do=3開孔率=Ao/Aa=0.907/(t/do) 2=0.1008Ao開孔面積， Aa開孔區(qū)面積Af降液管截面積，At空塔截面積取外堰前的安定區(qū)：Ws1=0.02 m取內(nèi)堰前的安定區(qū)：Ws2=0.02 m邊緣區(qū)：Wc=20mm （D2.5m）lw/D=0.6r = D/2-Wc=0.3/2-0.02=0.13 mWd=0.1×0.3=0.03x=D/2-(Wd+Ws)=0.1An=2x×(r2-x2) 0.5+r2

19、arcsin(x/r)=0.0463開孔區(qū)面積/塔板面積=0.0463/(0.785×0.32)=0.6553 m2篩孔總面積 A0=An×=0.0463×0.1008=0.004667 m2孔數(shù)：N=A0/u=0.004667/(0.785×0.0062)=165.15取整：N=166 孔(2)提餾段：選取碳鋼為篩板的材料，板厚=4 mm，孔徑do=6 mm取孔中心距t=18 mm，t/do=3開孔率=Ao/Aa=0.907/(t/do)2=0.1008Ao開孔面積， Aa開孔區(qū)面積Af降液管截面積，At空塔截面積取外堰前的安定區(qū)：Ws1=20mm取內(nèi)

20、堰前的安定區(qū)：Ws2=20mm邊緣區(qū)：Wc=20mm （D2.5m）lw/D=0.6r = D/2-Wc=0.25/2-0.02=0.105 mWd=0.1×0.25=0.025x=D/2-(Wd+Ws)=0.08An=2x×(r2-x2) 0.5+r2arcsin(x/r)=0.030開孔區(qū)面積/塔板面積=0.030/(0.785×0.252)=0.7856 m2篩孔總面積 A0=An×=0.030×0.1008=0.003024 m2孔數(shù)：N=A0/u=0.003024/(0.785×0.0062)=107.006取整：N=108

21、 孔2.4校核(1)精餾段1.壓降校核=4mm，do/=1.5， 查圖得Co=0.78Hc干板壓降，Co孔流系數(shù)下板阻力 Hc=0.051（v/l）×（Uo/Co）2Uo篩孔汽速，Uo=Vs/Ao=0.137/0.004667=29.355 Hc=01062（m液柱）Hl液層有效阻力，F(xiàn)o氣相動能因子Ua=Vs/(At-2Af)=0.137/0.063162=2.169Fa=Ua(pv)0.5=2.4176查表得=0.6Hl=(hw+how)=0.6×0.04553=0.02732m（液柱）總壓降-Hp=Hl+Hc=0.1335（m液柱）0.6 kg液/kg氣 合格2.液沫

22、夾帶的校核Ug-氣體通過有效截面的面積的速率Ug=Vs/(At-Af)=2.0477 m/shf 板上鼓泡層高度 物系的起泡系數(shù) hf=hl/=0.07167 m , =0.6 Ev=(5.7E10-3/)(Ug/(Ht-hf) 3.2=0.01392 kg(液)/kg（汽） 0.1 kg(液)/kg(汽)不產(chǎn)生過量液沫夾帶，合格.3.液泛校核Hd降液管液面高度，hd液相流經(jīng)降液管的阻力hd=0.153(Ls/(lw×ho) 2=0.0000779 Hd=hw+how+hd+Hp=0.179 m , =0.6Hd/=0.2984 m0.44 m合格，不會產(chǎn)生液泛4.停留時間的校核 A

23、f=0.003744 m2=Af×Ht/Ls=0.003744×0.5/0.004=27.91 (35s) 合格5.漏液校核h-表面張力壓頭, Uom-漏點氣速, Co-孔流系數(shù)h=4/9810l×do=0.00407 (m液柱)do/=1.5 查圖得Co=0.78Uom=4.4Co×(0.0056+0.13hl-h)×l/v)0.56.381 m/sK=Uo/Uom=4.61.5 操作彈性大，不會發(fā)生嚴(yán)重漏液，合格。(2)提餾段：1.壓降校核=4mm，do/=1.5， 查圖得Co=0.78Hc-干板壓降，Co-孔流系數(shù)下板阻力 Hc=0.05

24、1（v/l）×（Uo/Co）2Uo篩孔汽速，Uo=Vs/Ao=0.0945/0.003024=31.25 Hc=0.0700（m液柱）Hl液層有效阻力，F(xiàn)o氣相動能因子Ua=Vs/(At-2Af)=2.153Fa=Ua(pv)0.5=2.0239查表得=0.6Hl=(hw+how)=0.02482m（液柱）總壓降-Hp=Hl+Hc=0.09482（m液柱）0.6 kg液/kg氣 合格2.液沫夾帶的校核Ug-氣體通過有效截面的面積的速率Ug=Vs/(At-Af)=2.032 m/shf 板上鼓泡層高度 物系的起泡系數(shù) hf=hl/=0.04137 m , =0.6 Ev=(5.7E10

25、-3/)(Ug/(Ht-hf) 3.2=0.01453 kg(液)/kg（汽） 0.1 kg(液)/kg(汽) 不產(chǎn)生過量液沫夾帶，合格.3.液泛校核Hd降液管液面高度，hd液相流經(jīng)降液管的阻力hd=0.153(Ls/(lw×ho) 2=0.0000501 Hd=hw+how+hd+Hp=0.1362 m , =0.6Hd/=0.2270 m0.44 m 合格，不會產(chǎn)生液泛4.停留時間的校核 Af=0.0026 m2=Af×Ht/Ls=0.0026×0.5/0.000076=17.105 (35s) 合格5.漏液校核h-表面張力壓頭, Uom-漏點氣速, Co-孔

26、流系數(shù)h=4/(9810l×do)=0.00428 (m液柱)do/=1.5 查圖得Co=0.78Uom=4.4Co×(0.0056+0.13hl-h)×l/v)0.57.915 m/sK=Uo/Uom=3.9481.5 操作彈性大，不會發(fā)生嚴(yán)重漏液，合格。2.5負(fù)荷性能圖(1)精餾段：1.液相下限線取how=0.006 m E=1.04how=0.00284E(3600ls/lw) 2/3 ls=0.000145 m3/s2.液相上限線取=5 s=Af×HT/LsLs=Af×HT/=(0.5×0.003744)/5=0.000374

27、43.漏液線hl=hw+how=0.04+2.155ls2/3 mUom=Vsmin/A0=Vsmin/0.2028Uom =4.4C0(0.0056+0.13hl-h)×(l/v) 0.5Vsmin=0.0164.578+190.56ls2/3 0.54.過量液沫夾帶線：取ev=0.1 , E=1.04hf=2.5hl=0.1+5.388Ls2/3Ug=Vs/(AT-Af)=Vs/0.0669ev=(0.0057/)Ug/(HT-hf) 3.2Vs=0.459-6.176Ls2/35.液泛線：取 =0.6HT+hwHd ,Hd(0.4+0.04)/0.6=0.7333hd=0.15

28、3(Ls/(lw×h0) 2=4611.55Ls2hc=0.051(Vs/A0C0) 2×(v/l)=5.658Vs2hl'=0.024+1.293Ls2/3hp=hc+hl'=0.024+1.293Ls2/3+5.658Vs2Hd=0.7333=hl+hd+hp=0.1+5.388Ls2/3+4611.55Ls2+5.658Vs2 Vs2=0.112-0.952Ls2/3-815.05Ls2(2)提餾段：1.液相下限線取how=0.006 m E=1.04how=0.00284E(3600ls/lw) 2/3ls=0.000121 m3/s2.液相上限線取

29、=5 s=Af×HT/Ls, Ls=Af×HT/=(0.5×0.000076)/5=0.00000763.漏液線hl=hw+how=0.04+2.434ls2/3 mUom=Vsmin/A0=Vsmin/0.003024Uom =4.4C0(0.0056+0.13hl-h)×(l/v)0.5Vsmin=0.01047.628+370.19ls2/3 0.54.過量液沫夾帶線：取ev=0.1 , E=1.04hf=2.5hl=0.1+6.085Ls2/3Ug=Vs/(AT-Af)=Vs/0.0465ev=(0.0057/)Ug/(HT-hf) 3.2Vs=

30、0.151-2.291Ls2/35.液泛線：取 =0.6HT+hwHd ,Hd(0.4+0.04)/0.6=0.7333hd=0.153(Ls/(lw×h0)2=8673.47Ls2hc=0.051(Vs/A0C0)2×(v/l)=7.835Vs2hl'=0.024+1.4604Ls2/3hp=hc+hl'=0.024+1.4604Ls2/3+7.835Vs2Hd=0.7333=hl+hd+hp=0.1+6.085Ls2/3+8673.47Ls2+73835Vs2 Vs2=0.081-0.7766Ls2/3-1107.02Ls2三 篩板塔數(shù)據(jù)匯總1.全塔數(shù)據(jù)

31、加料熱狀態(tài)q最小回流比Rmin回流比R理論板數(shù)Nt03.0374.85929.33實際板數(shù)Np實際精餾板數(shù)實際提餾板數(shù)效率5749854.71%加料F加料濃度Xf塔頂出料D塔頂濃度Xd6kmol/h0.453.030.88塔底出料W塔底濃度Xw2.970.012. 精餾段與提餾段的數(shù)據(jù)序號參數(shù)精餾段提餾段1塔徑D(m)0.30.252板間距Ht(m)0.50.53塔板型單流型單流型4堰長lw(m)0.180.155空塔氣速U(m/s)2.04332.8696堰高h(yuǎn)w(m)0.040.047降液管底隙高度ho(m)0.0320.0288安定區(qū)Ws(m)0.020.029邊緣區(qū)Wc(m)0.020

32、.0210孔徑do(m)0.0060.00611孔間距t(m)0.0180.01812孔數(shù)(個)16610813開孔率0.10080.100814開孔面積An(m2)0.04630.03015塔板壓降Hp(m)0.13350.0948216泛點百分率%66.4347.0017板厚（m）0.0040.00418操作彈性2.32.3四 討論與優(yōu)化4.1討論 從負(fù)荷性能圖上觀察，本設(shè)計對設(shè)計要求符合良好，設(shè)計點落與正常工作區(qū)中間，操作彈性適宜。 4.2優(yōu)化 通過反復(fù)優(yōu)化才得到設(shè)計的最終的結(jié)果，觀察負(fù)荷性能圖，工作點狀態(tài)良好，操作彈性優(yōu)良。 通過在不斷的優(yōu)化過程中，得到以下幾點經(jīng)驗： 根據(jù)實際情況，在

33、工業(yè)生產(chǎn)中，液相上下限由人為規(guī)定，且在超過最大，最小液量仍能正常操作的情況還是存在的。 對于因夾帶不能正常操作的情況，一般先調(diào)Ht，后調(diào)D，其中D的調(diào)整尤為靈敏。 對于因液泛不能正常操作的情況，Ht是靈敏因素。一般應(yīng)判斷液泛是由于降液管阻力過大引起還是由于塔板阻力過大引起的，然后分別采用不同措施調(diào)整降液管底隙或開孔率。若二者的調(diào)整不靈敏或已調(diào)整至上限，則應(yīng)加大板間距。 應(yīng)漏液不能正常操作的情況，一般只能減小開孔率。 本設(shè)計由于為過量液沫夾帶線控制，所以通過調(diào)整Ht與D來完成設(shè)計要求，所以在提餾段取不等徑塔及Ht=0.8來滿足要求。五 輔助設(shè)備選型及校核 全凝器塔頂全凝器采用逆流形式，為了便于冷

34、凝，飽和蒸氣（水和乙醇）走殼程，冷凝水走管程。1.1換熱面積的估算塔頂 t=78.05水的汽化潛熱 r=2310.39 kJ/kg 乙醇的汽化潛熱 r=597 kJ/kgV=4.859 kmol/h=87.54 kg/hQc=r×V=2310.39×87.54 =202251 kJ/h 冷凝劑取深井水, t1=12 ,t2=60 (出口溫度)tm=(T-t1)-(T-t2)/ ln(T-t1)/(T-t2)=37設(shè)傳熱系數(shù): K=1118.0kcal/(m2×h×) =1300w/(m2×)=4680Kj/(m2×h×)A=Qc/(K×tm)=1.168 m2精選 159-2.45-2Dn=159 mm Pn=2.45MPa A公=2 管程數(shù) 1 管長 2 m 管子 25×2.5 最大管數(shù) 13管程流通面積: 0.785×n×d2=V/u=0.042 m25.2 泵5