精餾塔及一系列附屬設(shè)備設(shè)計說明書

1、.精餾塔設(shè)計說明書 院（部）系化學與化學工程學院所 學 專 業(yè)化學工程與工藝年級、班級08級本科一班完成人 *指導(dǎo)教師*前言工程設(shè)計既是工程建設(shè)的靈魂，又是科研成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力的橋梁和紐帶，決定著工業(yè)現(xiàn)代化的水平。本設(shè)計方案要求設(shè)計以精餾塔為核心，根據(jù)要求合理和完整的設(shè)計一個精餾流程，具體設(shè)計任務(wù)如下：一、 設(shè)計任務(wù)以精餾塔為核心，要求能根據(jù)分離要求合理和完整的設(shè)計一個精餾流程，包括儲罐，管道，離心泵，換熱器，精餾塔等。還要求能用合適的形式表達設(shè)計方案。包括工藝流程圖帶控制點的工藝流程圖、設(shè)備圖等。具體任務(wù)為：某工廠生產(chǎn)乙酸丁酯時產(chǎn)生一股物流，含有乙酸乙酯30%（質(zhì)量分數(shù)，下同），乙酸丁酯

2、70%，設(shè)計一座常壓精餾塔，對上述混合物進行分離，要求塔頂流出液中乙酸乙酯回收率為95%，釜殘液中乙酸丁酯的回收率為97%，年處理量7200噸，產(chǎn)品均須冷卻到40°C。塔釜采用外置再沸器，冷公用工程水為循環(huán)水（20-30°C），熱公用工程為飽和水蒸氣，環(huán)境溫度為20°C。二、 工藝操作條件操作壓力：常壓進料熱狀況：冷夜進料，進料溫度為60°C回流比：R=6.8塔釜加熱蒸汽：0.4MPa（表壓）塔板類型：篩板工作日：每年300天，每天24小時連續(xù)運行。三、 設(shè)計內(nèi)容：1、 計算餾出液和釜殘液的流量和組成。2、 采用圖解法求出理論板數(shù)并確定進料位置。3、 進

3、行篩板式精餾塔的工藝設(shè)計，確定塔高、塔徑、進料位置等。4、 如果采用填料塔，確定填料層高度（填料類型自選）。5、 設(shè)計一合理的工藝流程，并繪制帶有主要參數(shù)控制點的工藝流程圖。6、 計算所設(shè)計流程的冷熱公用工程用量，并對工藝流程中的任一臺換熱器進行設(shè)計計算，要求采用列管式換熱器，計算其主要工藝參數(shù)，包括管長、管子規(guī)格殼程直徑、管程數(shù)、殼程數(shù)、管子數(shù)目等，畫出換熱器簡圖，表明接管尺寸。目 錄1 板式塔的設(shè)計11.1精餾塔的物料衡算11.1.1原料液及其摩爾分率11.1.2物料衡算11.2進料熱狀況參數(shù)q11.3塔板數(shù)的確定31.3.1理論板層數(shù)的求取31.3.2全塔效率的求取31.3.3實際板層數(shù)

4、的求取41.4精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性參數(shù)的計算41.5 精餾塔的塔體工藝尺寸計算61.5.1 塔徑的計算61.5.2精餾塔有效高度的計算71.5.3 塔板主要工藝尺寸的計算71.5.4塔板布置81.5.5篩板的流體力學驗算91.5.6 塔板負荷性能圖112 輔助設(shè)備的選型及計算162.1塔頂全凝器的設(shè)計計算162.1.1總傳熱系數(shù)的計算162.1.2傳熱面積的計算172.2 工藝結(jié)構(gòu)尺寸172.3 換熱器核算：192.4 填料塔的設(shè)計213 塔設(shè)計的評述22參考文獻26符號及其意義27.1 板式塔的設(shè)計1.1精餾塔的物料衡算1.1.1原料液及其摩爾分率乙酸乙酯的摩爾質(zhì)量乙酸丁酯的摩爾質(zhì)量進

5、料組成 原料液的平均摩爾質(zhì)量 原料液的流量 F=9.43kmol/h1.1.2物料衡算塔頂餾出液乙酸乙酯的回收率：釜殘液中乙酸丁酯的回收率：=0.97總物料衡算：F=D+W乙酸乙酯物料衡算：由以上各式解得 D=3.41kmol/h W=6.02kmol/h 1.2進料熱狀況參數(shù)q根據(jù)常壓下乙酸乙酯-乙酸丁酯溶液的平衡數(shù)據(jù)繪出t-x-y圖，如圖1。圖1 常壓下乙酸乙酯乙酸丁酯溶液的t-x-y圖由圖1查得，在進料組成下的泡點溫度°C，進料溫度t =60°C，平均溫度°C 。由設(shè)計任務(wù)書附錄圖1查得：乙酸乙酯汽化潛熱乙酸丁酯的汽化潛熱平均汽化潛熱：由附錄圖1查得： &#

6、176;C時， 平均液體比熱： 進料熱狀況參數(shù)： q=故符合冷夜進料。1.3塔板數(shù)的確定1.3.1理論板層數(shù)的求?。?） 由常壓下乙酸乙酯-乙酸丁酯溶液的平衡數(shù)據(jù)繪出x-y圖，如圖2.（2） 操作回流比R=6.8（3） 求精餾塔的氣、液相負荷 L=RD=23.188 kmol/h V=(R+1)D=26.598 kmol/h L=L+qF=34.79kmol/h V=V+(q-1)F=28.77 kmol/h（4）求操作線方程精餾段操作線方程： 提餾段操作線方程： q線方程： 在圖2中分別畫出精餾段、提餾段操作線及q線。（5）圖解法求理論板層數(shù)采用圖解法求理論板層數(shù)，如圖2所示，求解結(jié)果為總理

7、論板層數(shù) (包括再沸器)進料板位置 1.3.2全塔效率的求取由圖1查得液相在塔頂組分下的泡點溫度°C 。°C時，由設(shè)計任務(wù)書附錄圖5查得： 塔頂平均黏度 =-0.593 同理，求得塔底平均液相黏度： 則全塔平均黏度：塔頂與塔底平均溫度下的相對揮發(fā)度：則全塔效率：1.3.3實際板層數(shù)的求取精餾段實際板層數(shù) N精=2/0.46=4.35提餾段實際板層數(shù) N提=2.8/0.46-1=6(不包括再沸器)1.4精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性參數(shù)的計算1、 操作壓力：常壓2、 操作溫度計算由塔頂組成查圖1得出所對應(yīng)的泡點溫度°C由進料組成查圖1得出所對應(yīng)的泡點溫度，及進料板溫度t

8、=99°C精餾段平均溫度°C3、 平均摩爾質(zhì)量計算塔頂平均摩爾質(zhì)量計算由查圖2中平衡線得 進料板平均摩爾質(zhì)量計算 由圖解理論板得 ，查圖2平衡線得： 精餾段平均摩爾質(zhì)量 4、 平均密度計算（1） 氣相平均密度計算塔頂氣相平均密度：°C 由附圖4查得進料板氣相平均密度：t=99°C時，由設(shè)計任務(wù)書附圖4查得 氣相平均密度： （2） 液相平均密度計算塔頂液相平均密度°C 由附圖3查得，進料板液相平均密度t=99°C 由附圖3查得進料板液相的質(zhì)量分率精餾段液相平均密度5、 液相平均表面張力的計算 塔頂液相平均表面張力的計算°C，查

9、手冊得進料板液相平均表面張力的計算t=99°C時，查手冊得液相平均表面張力1.5 精餾塔的塔體工藝尺寸計算1.5.1 塔徑的計算精餾段的氣、液相體積流量： 圖的橫坐標為：取板間距為H=0.35m，板上液層高度查史密斯關(guān)聯(lián)圖得： ，1.5.2精餾塔有效高度的計算精餾段有效高度 提餾段有效高度 故精餾塔有效高度為：3.15m 。1.5.3 塔板主要工藝尺寸的計算（）溢流裝置計算選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤堰長：堰高：近似取E=1，則 （2）弓形降液管寬度和截面積由 查弓形降液管的參數(shù)圖得 液體在降液管中停留時間：故降液管設(shè)計合理（3）降液管底隙高度故降液管底隙高度設(shè)計合理 1.5

10、.4塔板布置（1） 塔板結(jié)構(gòu)：因為塔徑小于800mm，故采用整塊式。（2） 邊緣區(qū)寬度：取 （3） 開孔面積的計算：取開孔面積按下列公式計算（4） 篩孔計算及其排列：選用碳鋼板，取篩孔直徑篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為： 1.5.5篩板的流體力學驗算1. 塔板壓降（1） 干板阻力的計算 干板阻力由下式計算，即（2）氣體通過液層的阻力計算 氣體通過液層的阻力由下式計算，即 查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖得 （3） 液體表面張力 阻力計算 液體表面張力所產(chǎn)生的阻力由下式計算氣體通過每層塔板的液柱高度2. 液層落差 對于篩板塔液面落差很小，且本設(shè)計中塔徑和流量均不大，故忽略液面落差的影響。3. 霧沫夾帶 霧沫

11、夾帶量 故設(shè)計中液沫夾帶量在允許范圍內(nèi)4.漏液 對篩板塔，漏液點氣速可由下式計算，即實際孔速 故在本設(shè)計中無明顯漏液。5. 液泛 為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高度應(yīng)服從下式的關(guān)系，即 1.5.6 塔板負荷性能圖1. 漏液線由 在操作范圍內(nèi)，任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結(jié)果列于表1表1 漏液線數(shù)據(jù)Ls,0.00050.0010.0020.003Vs,0.1280.1310.1350.139由表1數(shù)據(jù)作出漏液線1。2. 液沫夾帶線 以為限，求關(guān)系如下： 在操作范圍內(nèi)任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結(jié)果列于表2表2 液沫夾帶線數(shù)據(jù)Ls,0.00050.0010.0020.00

12、3Vs,0.3880.370.340.316由表2數(shù)據(jù)作出液沫夾帶線2。3. 液相負荷下限線 對于平直堰，取堰上液層高度作為最小液體負荷標準則由 據(jù)此作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負荷下限線3。4. 液相負荷上限線 以作為液體在降液管中停留時間的下限 故 據(jù)此作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負荷上限線4。5. 液泛線 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 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入，得 故 或在操作范圍內(nèi)任取幾個Ls值，依上式計算出Vs值，計算結(jié)果列于表3。表3 液泛線數(shù)據(jù)Ls,0.00050.0010.0020.003Vs,0.4620.4500.4270.401由表3數(shù)據(jù)作出液泛線5

13、。 根據(jù)以上各方程，可作出篩板塔的負荷性能圖，如圖3。 在負荷性能圖上作出操作點A，連接OA，即為操作線，由圖可看出，該篩板塔的操作上限為液泛控制，下限為漏液控制，由圖3查得： 故操作彈性為 表4 篩板塔設(shè)計計算結(jié)果序號項目數(shù)值及說明1氣相流量0.2192液相流量0.000783實際塔板數(shù)124有效高度，m3.955塔徑D，m0.76板間距0.357溢流形式單溢流8降液管形式弓形9堰長m0.510堰高m0.5111板上液層高度m0.00612堰上液層高度m0.00913降液管底隙高度m0.02214安定區(qū)寬度m0.05515邊緣區(qū)寬度m0.03516開孔區(qū)面積0.21717篩孔直徑m0.005

14、18篩孔數(shù)目111419孔中心距m0.01520開孔率%10.121空塔氣速0.6122篩孔氣速1023穩(wěn)定系數(shù)1.724每層塔板壓降Pa57425負荷上限液泛控制26負荷下限漏液控制27液沫夾帶0.01728氣相負荷上限0.36229氣相負荷下限0.12730操作彈性2.852 輔助設(shè)備的選型及計算2.1塔頂全凝器的設(shè)計計算選擇列管式換熱器碳鋼管，管內(nèi)流速循環(huán)水。查取塔頂露點溫度為82.8°C，泡點溫度為78.5°C。氣體平均溫度 循環(huán)冷卻水溫度 混合物在88.9°C時的相關(guān)數(shù)據(jù)如下：密度：導(dǎo)熱系數(shù)：粘度： 循環(huán)冷卻水25°C時的相關(guān)數(shù)據(jù)如下：密度：定

15、壓比熱：粘度： 2.1.1總傳熱系數(shù)的計算1. 熱流量： 其中 2. 平均傳熱溫差：°C3. 冷卻水用量：4. 總傳熱系數(shù)K（1） 管程傳熱系數(shù)： （2）殼程傳熱系數(shù)：污垢熱阻： 取管壁導(dǎo)熱系數(shù) 2.1.2傳熱面積的計算 考慮15%面積裕度 2.2 工藝結(jié)構(gòu)尺寸1. 管徑及管內(nèi)流速： 取2. 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 取19根按單程設(shè)計，傳熱管長為 宜采用多程管結(jié)構(gòu)，取傳熱管長6米，則管程數(shù)為 傳熱管總根數(shù)為 3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)（1） 校正系數(shù)： 按單殼程、四管程結(jié)構(gòu)，查溫差校正系數(shù)，得 平均傳熱溫差 °C4. 傳熱管排列和分程方法：組合排列法，即每程內(nèi)按正三角形排列，隔

16、板兩側(cè)采用正方形排列。取管心矩 則橫過管束中心線的管數(shù) 5. 殼體內(nèi)經(jīng)：采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率殼體內(nèi)徑為：圓整后取 D=400mm6. 折流板 采用弓形（圓缺形）折流板，圓缺高度為殼體內(nèi)經(jīng)的25%，則切去的圓缺高度為取折流板間距折流板數(shù)折流板圓缺面面水平裝配7、接管：（1）殼程流體進出口管：取接管內(nèi)氣相流速為u=5m/s,則管內(nèi)徑為 d=（2）管程流體進出口管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速為1.5m/s,則管內(nèi)徑為 2.3 換熱器核算：1、 熱量核算：（1）殼程對流傳熱系數(shù)：對圓缺型折流板，可采用凱恩關(guān)聯(lián)式 （2）管程對數(shù)傳熱系數(shù)： 實際傳熱面積：表5塔頂全凝器數(shù)據(jù)統(tǒng)計換熱器形式：固定管板式換熱面

17、積（）：37.1工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱循環(huán)水有機物操作壓力常壓常壓操作溫度，20/3082.4/78.5流量，/h210002380.8流體密度，9963.1流速，m/s0.46519.4傳熱量，KW240總傳熱系數(shù)，W/.133.7對流傳熱系數(shù)，W/.2407301.5污垢系數(shù)，.K/W0.0001720.000086阻力降，Kpa8.68137.6程數(shù)41使用材料不銹鋼不銹鋼管子規(guī)格管數(shù)76管長，6000管間距，32排列方式正三角形折流板形式弓形間距，120切口高度25%殼體內(nèi)徑，400保溫厚度2.4 填料塔的設(shè)計如果采用填料塔，應(yīng)采用等板高度法計算填料層高度，其基本公式如下：Z=HETP×3 塔設(shè)計的評述 本次的設(shè)計任務(wù)是分離年產(chǎn)7200噸的乙酸乙酯乙酸丁酯的篩板式連續(xù)精餾塔。本次設(shè)計的精餾塔塔徑為800mm，實際塔數(shù)為10塊，塔板間距為0.3m，第6塊板為進料板。踏板設(shè)計，精餾段與提餾段設(shè)計相同。經(jīng)過流體力學驗算，我們設(shè)計的精餾塔能夠完成設(shè)計任務(wù)，能夠正常運行。本設(shè)計另一創(chuàng)新之處在于節(jié)能環(huán)節(jié)的設(shè)計，利用塔釜余熱對進料進行預(yù)熱，要完成一個設(shè)計，需要細心、良好的計算能力及設(shè)計能