酒精生產(chǎn)過程精餾塔的設計 板式塔2013

?什么是酒精酒精是一種無色透明、易揮發(fā)，易燃燒的液體。有酒的氣，味和刺激的辛辣滋味，微甘。學名是乙醇，分子式C

2

H

5

OH因為它的化學分子式中含有羥基，所以叫做乙醇，比重0.7893(20

／4

°)。凝固點-117.3 ℃。沸點78.2 ℃。能與水、甲醇、乙醚和氯仿等以任何比例混溶。有吸濕性。與水能形成共沸混合物，共沸點78.15 ℃。課程設計目的和要求?目的：–鍛煉學生的綜合能力：資料查閱、知識綜合應用、理論計算、設備選型、繪制圖形、編寫說明書。–培養(yǎng)工程觀念：理論→小試→放大。?要求：–設定大致框架，繪制工藝流程圖；–進行有關(guān)計算，得出設備主要尺寸和參數(shù)（塔高，直徑，塔板數(shù)等）；–選擇附屬設備；–根據(jù)計算結(jié)果繪制主體設備圖形；–編寫設計說明書?！澳芰Α钡挠柧毢团囵B(yǎng)：①查閱資料、選用公式和數(shù)據(jù)的能力；②從技術(shù)上的可行性與經(jīng)濟上的合理性兩方面樹立正確的設計思想、分析和解決工程實際問題的能力；③準確、快速的計算能力；④熟練應用計算機（包括編程計算和使用工程設計軟件）的能力以及用簡潔文字、圖表表達設計思想的能力．、經(jīng)濟性：應符合能量充分合理利用和節(jié)能原則，符合經(jīng)常生產(chǎn)費和設備投資費的綜合核算最經(jīng)濟的原則；符合有用物質(zhì)高回收率、低損耗率原則．、先進性：應對目前工廠生產(chǎn)過程和設備上存在的問題提出改進方案和改進措施，并盡量采用國內(nèi)外最新技術(shù)成果。、可靠性和穩(wěn)定性：保證運行的安全可靠和操作的穩(wěn)定易控是現(xiàn)代化生產(chǎn)應優(yōu)先考慮的原則，不得采用缺乏可靠性的、不成熟的技術(shù)和設備，不得采用難以控制或難以保證安全生產(chǎn)的技和設備。、可行性：流程布置和設備結(jié)構(gòu)不應超出一般土建要求和機本設計的基本內(nèi)容和要求?設計內(nèi)容包括：?選定精餾方案及流程；?進行精餾塔的工藝計算；?結(jié)構(gòu)和附屬設備的選型設計；?繪制精餾塔的裝配圖；?將設計結(jié)果編寫成設計說明書。時間安排?所有工作必須獨立完成。?時間：6月7日——6月18日。?6月11日之前完成理論計算，6月12日開始繪圖。?6月16日之前完成主體設備圖和流程圖。?6月17日之前完成說明書撰寫。一、化工原理課程設計任務?設計題目：酒精生產(chǎn)過程板式精餾塔的設計?設計任務：在酒精生產(chǎn)工藝中，將粗產(chǎn)品中的大部分雜質(zhì)除去后，還存在著大量的水分，為了達到產(chǎn)品的質(zhì)量要求，需要將水分分離出去。本設計結(jié)合乙醇生產(chǎn)工藝，要

求設計一浮閥精餾塔，用于乙醇水溶液的分離。?下面是乙醇精餾塔的設計任務：、生產(chǎn)能力：年產(chǎn) 噸乙醇產(chǎn)品。、原料液中含乙醇

% （質(zhì)量），其余為水。、餾出液中的乙醇含量為

% （質(zhì)量）。、殘液中的乙醇含量不高于0.2% （質(zhì)量）。 設備的年運行時間平均為300 天。?設計條件：1、加熱方式：直接蒸汽加熱，蒸汽壓力為1.0~2.0kg/cm2。間接加熱。、操作壓力：、進料狀況：常壓。飽和液體。30℃冷液進料。、冷卻水進口溫度：30℃，出口溫度自定。、塔板形式：浮閥塔板。?應完成的工作量：、乙醇精餾塔的工藝設計，塔板的結(jié)構(gòu)設計及輔助設備的選型，編寫設計說明書。、繪制工藝流程圖一張。、繪制精餾塔的裝配圖（一號圖紙）。、說明書編寫。二、設計說明書的內(nèi)容1、目錄；2、設計題目及原始數(shù)據(jù)(任務書)；3、簡述酒精精餾過程的生產(chǎn)方法及特點；4、論述精餾總體結(jié)構(gòu)(塔型、主要結(jié)構(gòu))及流程的安排、 材料選擇；5、精餾過程有關(guān)計算(物料衡算、熱量衡算、理論塔板數(shù)、回流比、塔高、塔徑塔板設計、進出管徑等)；–6、設計結(jié)果概要(主要設備尺寸、衡算結(jié)果等);–7、主體設備設計計算及說明；–8、主要附屬設備的選擇（換熱器等）；–9、參考文獻；–10、自我總結(jié)及有關(guān)問題的討論。–說明書書寫格式：每頁的右邊留30mm，用來標注參考文獻及簡單備注。三、繪圖要求、用坐標紙繪制乙醇—水溶液的y-x圖， 并用圖解法求理論塔板數(shù)；、用坐標紙繪浮閥的排孔圖；、用A4

圖紙繪制設備流程圖一張；、用594

×841

圖紙繪制裝置圖一張：一主視圖， 一俯視圖，一剖面圖，若干個局部放大圖。設備技術(shù)要求、主要參數(shù)、接管表、部件明細表、標題欄等。四、參考書?

1

、天津大學，《化工原理》，天津，天津科學技術(shù)出版社，1990

年。?2

、李功樣等《常用化工單元設備設計》，廣州，華南理工大學出版社，2003

年。?3

、魏崇關(guān)，鄭曉梅，《化工工程制圖》，北京，化學工業(yè)出版社，1992

年。?4

、刁玉瑋，王立業(yè)

編，《化工設備機械基礎(chǔ)》，大連，大連理工大學出版社，1989

年。?

5

、章克昌，吳佩琮，《酒精工業(yè)手冊》，北京，輕工業(yè)出版社1995

年。?化工設備設計手冊《金屬設備》?化工設備設計手冊《材料與零部件》五、設計原理和方法?1、關(guān)于精餾方案的選定?

選定精餾方案是完成設計的先決條件，因為精餾塔工藝尺寸的確定不僅與所處理物系的性質(zhì)、給定的生產(chǎn)能力、組成要求有關(guān)，還與操作壓力、回流液狀態(tài)、加熱方式以及所選用設備的型式等一系列因素有關(guān)，所以在進行精餾塔設計過程中，選定精餾方案和擬定精餾裝置流程的工作必須首先進行。精餾方案選定涉及的內(nèi)容大致包括：a．精餾方式的選定：根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品質(zhì)量要求，可選用簡單蒸餾、水蒸汽蒸餾、間歇精餾、連續(xù)精餾或特殊精餾等。b．操作壓力的選?。焊鶕?jù)精餾物系的特點，可以是常壓精餾、減壓精餾或加壓精餾。塔型的選擇：通過技術(shù)經(jīng)濟綜合評價，可以選用不同塔型（板式塔、填料塔〕和不同板型（如浮閥搭、篩板塔等）或填料塔。進料狀態(tài)一般，一切熱量盡可能從塔底加入，但應考慮工藝條件。加熱方式：直接蒸汽加熱、間接加熱，綜合各組的計算結(jié)果，比較它們的優(yōu)缺點。f．再沸器、冷凝器、冷卻器等換熱設備的配置:再沸器配置與所采用的加熱方式有關(guān)，通常采用間接蒸汽加熱，有時也可采用直接蒸汽加熱；冷凝器的型式多采用列管式換熱器，冷凝器的安裝位置從技術(shù)和經(jīng)濟上考慮，對于小塔，當傳熱面積較小時常將冷凝器直接安裝在塔頂，而當處理量較大或搭較高時，則常將冷凝器移至地面，然后再用回流泵強制回流入塔.?選定方案必須考慮的問題:a、必須考慮工藝要求與平穩(wěn)操作問題；b、必須考慮經(jīng)濟上的合理性;如在精餾方式的選定中必須考慮生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量的要求以及投資費用等，如用水蒸汽蒸餾或簡單蒸餾雖投資省，但所獲得的產(chǎn)品質(zhì)量不高，欲要得到高純度產(chǎn)品則必須采用連續(xù)精餾等方式。在確定操作壓力時則必須考慮所處理的液體混合物的性質(zhì)等因素；如熱敏性物料采用真空蒸餾，而對于沸點低常壓下呈氣態(tài)的物料則應在加壓下進行蒸餾。?在塔型的選擇中固然要盡量設法選用性能優(yōu)良的塔型，但因每種塔型絕非十全十美，故選型時還必須從產(chǎn)量、質(zhì)量和能耗等實際需要出發(fā)，努力做到兼顧技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟上的合理性兩個方面．?在確定進料狀態(tài)和加料方式時既要考慮便于平穩(wěn)操作，還要考慮相關(guān)工序的實際情況等因素。如精餾塔的加料方式用高位槽就比用加料泵直接加料較易平穩(wěn)操作。但必須注意，無論進料狀態(tài)還是加料方式均與前道工序以至整個車間的流程安排有關(guān)。在考慮精餾塔附屬的換熱設備的配置中，必須注意到精餾過程如何合理利用熱能的問題，可以用定性或定量的方法論述塔底釜液與塔頂蒸汽熱能利用的可能性（可以從傳熱溫差的大小以及回收熱量的多少進行可行性比較），考慮它們能否用于預熱料液或有別的用處。此外，在考慮回收熱能的方案時還要以精餾塔可能實現(xiàn)平穩(wěn)操作為前題。?必須注意：a、對任務書中根據(jù)規(guī)定的操作條件所選用的塔型、板型、填料類型等必須進行簡要論證．對流程安排中合理利用熱能的可能性必須作簡要分析，并繪制精餾裝置流程圖。b、設計開始通常只能對方案，流程作初步安排，待整個計算完成后再對方案流程進行修正并作較全面的論證討論。?2、關(guān)于工藝計算工藝計算的主要內(nèi)容是：物料衡算確定產(chǎn)品的質(zhì)量、收率和流率。

確定操作條件指塔主要部位的壓力和溫度。精餾計算根據(jù)相平衡數(shù)據(jù)和分離要求，根據(jù)經(jīng)濟核算，確定適宜回流比；計算精餾塔的理論板數(shù)；計算板式塔的實際板數(shù)，并確定進料位置。?工藝計算內(nèi)容1

）平衡關(guān)系（略））物性計算（氣、液相）（略））物料衡算（略）?將所計算結(jié)果列入表中，但應列出詳細的計算過程。塔頂塔底表1、表2

（液相、氣相）進料質(zhì)量分率(wt%)摩爾分率(mol%)平均分子量（kg/mol）溫度(℃)密度(kg/m3)粘度（Pa.s）相對揮發(fā)度

表面張力mN/m表3（全塔參數(shù)）乙醇(kmol/h)進料F餾出液D釜液W加熱蒸氣V

0物性數(shù)據(jù)……水(kmol/h)總量(kmol/h)表4：單位換算表：FD

WLVL

"V

"

(or

Vo

)t℃

MSx

mol%kmol/hkg/hm

3/h4

）確定回流比先計算最小回流比，然后取操作的實際回流比）理論塔板數(shù)的計算（用圖解法））實際塔板數(shù)表5

精餾塔工藝參數(shù)匯總R

minRN

1N

2N

TE

TN

p3、關(guān)于塔板和塔體主要工藝尺寸的設計計算?主要內(nèi)容包括：板間距、塔徑、塔板型式、溢流裝置、塔板布置、流體力學性能校核、負荷性能圖以及塔高等。?著重應注意的是：塔板設計的任務是以流經(jīng)塔內(nèi)氣液的物流量、操作條件和系統(tǒng)物性為依據(jù)，確定具有良好性能（壓降小、彈性大、效率高）的塔板結(jié)構(gòu)與尺寸。?塔板設計的基本思路是：以通過某一塊板的氣液處理量和板上氣液組成，溫度、壓力等條件為依據(jù)，首先參考設計手冊上推薦數(shù)據(jù)初步確定有關(guān)的獨立變量，然后進行流體力學計算，校核其是否符合所規(guī)定的范圍，如不符合要求就必須修改結(jié)構(gòu)參數(shù)，重復上述設計步驟直到滿意為止。最后給制出負荷性能圖，以確定適宜操作區(qū)和操作彈性。結(jié)構(gòu)計算主要內(nèi)容板式塔的結(jié)構(gòu)設計內(nèi)容包括塔的總體結(jié)構(gòu)，塔盤結(jié)構(gòu)和接管結(jié)構(gòu)，可參見有關(guān)資料。（1

）塔的主體尺寸

b.塔徑c.塔高（2

）塔板與降液管結(jié)構(gòu)尺寸設計

a.塔板D

＜800mmD≥900mm，整塊式，分塊式b.堰長

c.堰高

d.降液管e.塔板布置與閥孔排列：計算閥孔數(shù)目，然后再在坐標紙上實際排孔，以實際排孔數(shù)為準。（3

）流體力學驗算氣體通過塔板的壓力降泄露計算

c.液泛d.霧沫夾帶

e.負荷性能圖

f.接管尺寸塔徑的計算方法：?板式塔的塔徑依據(jù)流量公式計算，即D

?4Vs?

u，?

空塔氣速u的計算方法是，先求得最大空塔氣速u

max然后根據(jù)設計經(jīng)驗，乘以一定的安全系數(shù)，即u

?

(0.6~

0.8)umax?最大空塔氣速u

max可根據(jù)懸浮液滴沉降原理導出，其結(jié)果為maxu ?

C?

L

?

?

V?V?

氣體負荷參數(shù)C

20

僅適用于液體的表面張力為２０m

N/m ，若液體的表面張力為σmN/m ，則其氣體負荷系數(shù)C可用下式求得：??

??C

?

C2020?

??

?0.2?所以，初步估算塔徑為：V0.785uD

/

??由于精餾段、提餾段的汽液流量不同，故兩段中的氣體速度和塔徑也可能不同。在初算塔徑中，精餾段的塔徑可按塔頂?shù)谝粔K板上物料的有關(guān)物理參數(shù)計算，提餾段的塔徑可按釜中物料的有關(guān)物理參數(shù)計算。也可分別按精餾段、提餾段的平均物理參數(shù)計算。?塔徑的圓整?目前，塔的直徑已標準化。所求得的塔徑必須圓整到標準值。塔徑在1

米以下者，標準化先按100

mm 增值變化；塔徑在1

米以上者，按200

mm 增值變化，即1000

mm

、1200

mm 、1400

mm 、1600

mm

……?塔徑的核算?塔徑標準化以后，應重新驗算霧沫夾帶量，必要時在此先進行塔徑的調(diào)整，然后再決定塔板結(jié)構(gòu)的參數(shù)，并進行其它各項計算。?當液量很大時，亦宜先核查一下液體在降液管中的停留時間θ。如不符合要求，且難以加大板間距來調(diào)整時，也可在此先作塔徑的調(diào)整。塔的總體結(jié)構(gòu)?塔的外殼多用鋼板焊接?板式塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)有：塔板、降液管及各種物料的進出口，?附屬裝置：除沫器、人（手）孔、基座等，?外部裝置：扶梯或平臺、保溫材料的支承圈，可轉(zhuǎn)動的吊柱。?一般說來，各層塔板的結(jié)構(gòu)是相同的，只有最高一層，最低一層和進料層的結(jié)構(gòu)有所不同。塔頂空間高度：保證良好的除沫。塔底空間高度：保證有較大的塔底空間貯液，液體能有10

～15min

的停留時間，塔底液體不能流空。?塔底直接通入由塔外再沸器來的蒸氣，有時塔底釜中設置列管或蛇管換熱器，將釜中液體加熱汽化。?若是直接蒸汽加熱，則在釜的下部裝一鼓泡管，直接接入加熱蒸汽。?進料板的板間距也比一般間距大。塔體總高度?板式塔的塔體總高度（不包括裙座）由下式?jīng)Q定DH

?

H ?

(Np?

2

?

S)?

HT?

S

?

HFB?式中H

D

——塔頂空間，m

；——塔底空間，m

；"

?

H ?

HT?

H

B?

H

T

——塔板間距，m

；? H

T

"——開有人孔的塔板間距，m

；? H

F

——進料段高度，m

；?

Np

——實際塔板數(shù)；?

S——人孔數(shù)目（不包括塔頂空間和塔底空間的人孔）。?塔頂空間H

D?塔頂空間指塔內(nèi)最上層塔板與塔頂空間的距離。為利于出塔氣體夾帶的液滴沉降，其高度應大于板間距，通常取H

D

為（1.5

～2.0

）H

T

。若需要安裝除沫器時，要根據(jù)除沫器的安裝要求確定塔頂空間。?人孔數(shù)目?

人孔數(shù)目根據(jù)塔板安裝方便和物料的清洗程度而定。對于處理不需要經(jīng)常清洗的物料，可隔8

～10

塊塔板設置一個人孔；對于易結(jié)垢、結(jié)焦的物系需經(jīng)常清洗，則每隔4

～6塊塔板開一個人孔。人孔直徑通常為450

mm

。?塔底空間H

B?塔底空間指塔內(nèi)最下層塔板到塔底間距。其值視具體情況而定：當進料有15分鐘緩沖時間的容量時，塔底產(chǎn)品的停留時間可取3

～5分鐘，否則需有10

～15分鐘的儲量，以保證塔底料液不致流空。塔底產(chǎn)品量大時，塔底容量可取小

些，停留時間可取3

～5分鐘；對易結(jié)焦的物料，停留時間應短些，一般取1

～1.5分鐘。?塔板結(jié)構(gòu)?塔板類型按結(jié)構(gòu)特點可分為整塊式或分塊式兩種。一般，塔徑從300

～900

mm 時采用整塊式塔板；當塔徑800

mm以上時，人已能在塔內(nèi)進行拆裝操作，無須將塔板整塊裝入。并且，整塊式塔板在大塔中剛性也不好，結(jié)構(gòu)顯得復雜，故采用分塊式塔板；塔徑在800

～900

mm 之間，設計時可按便于制造、安裝的具體情況選定

。?整塊式塔板結(jié)構(gòu)?小塔的塔板均做成整塊式的，相應地，塔體則分成若干段塔節(jié)，塔節(jié)與塔節(jié)之間用法蘭連接。每個塔節(jié)中安裝若干塊疊置起來的塔板。塔板與塔板之間保持所需要的板間距。塔節(jié)內(nèi)的板數(shù)與塔徑和板間距有關(guān)。如以塔徑Dg=600

～700

mm

的塔節(jié)為例，對應于不同的板間距，塔節(jié)內(nèi)安裝的塔板數(shù)N

ˊ，塔板與下法蘭端面的距離h

1

以及塔節(jié)高度L如下表所示。?塔板的有關(guān)尺寸N

ˊH

T

,mm

L

,mm

h1,mm300618002003505175025045041800350?分塊式塔板基本結(jié)構(gòu)?塔板分塊數(shù)目與塔徑大小有關(guān)，按下表規(guī)定選?。核剑╩m）

800~12001400~18001800~22002200~2400分塊數(shù)3

4

5

6塔板分數(shù)塊，靠近塔壁的兩塊叫弓形板，其余是矩形板，為了檢修方便，不管分成幾塊，矩形板中必有一塊作為通道板，通道板的寬度統(tǒng)一取

400mm ，因安裝需要，相鄰兩塊板之間的孔間距可取為100mm

。塔盤結(jié)構(gòu)及溢流裝置的設計、塔的流體力學驗算、負荷性能圖的繪制等內(nèi)容，可參見相關(guān)的資料，在此不再詳述。4、關(guān)于附屬設備的設計附屬設備的設計主要有：a

）