年處理30000噸乙醇水溶液的板式精餾塔設(shè)計(jì)

1、eca9a74240bdd777a607ceffa72eb05c.pdf 安徽中醫(yī)學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題目 年處理30000噸乙醇-水溶液的板式精餾塔設(shè)計(jì)班級 09制藥工程 組別 第一小組 學(xué)生 陳捷 邊術(shù)梓 蔡華代 陳偉光學(xué)號 09313003 09313001 09313002 09313004設(shè)計(jì)時(shí)間：2012年1月15日至2012年4月25日第一章 概述41.1 設(shè)計(jì)依據(jù)41.2 設(shè)計(jì)條件41.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容41.4 設(shè)計(jì)任務(wù)4第二章 設(shè)計(jì)方案確定及流程說明.4 2.1 塔型選擇4 2.2 操作流程5第三章 塔板的工藝設(shè)計(jì)63.1 精餾塔的物料衡算63.1.1 原材料及塔頂、塔底產(chǎn)

2、品的摩爾分率63.1.2 原材料及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量63.1.3 物料衡算63.2 塔板數(shù)的確定7 3.2.1 相對揮發(fā)度7 3.2.2 最小回流比及操作回流比的確定8 3.2.3 理論塔板數(shù)的求取 8 3.2.4 溫度和粘度的計(jì)算93.2.5 實(shí)際塔板數(shù)113.2.6 塔板效率11第四章 主要設(shè)備工藝尺寸計(jì)算12 4.1 氣液相體積流量計(jì)算124.2 塔徑的計(jì)算144.3 塔高的計(jì)算174.4 溢流裝置174.4.1 堰長184.4.2方形降液管的寬度和橫截面184.4.3降液管底隙高度184.5 塔板布置194.5.1 塔板分布194.5.2 開孔區(qū)面積194.5.3 篩板的篩孔

3、和開孔率19第五章 塔板的流體力學(xué)計(jì)算20 5.1 氣相通過塔板的壓降20 5.1.1 干板阻力20 5.1.2 板上充氣液層阻力20 5.1.3 由表面張力引起的阻力215.2 液面落差215.3 液泛22 5.4 液沫夾帶22 5.5 漏液23第六章 塔板負(fù)荷性能圖236.1 漏液線236.2 液沫夾帶線246.3 液相負(fù)荷下限線25 6.4 液相負(fù)荷上限線256.5 液泛線256.6操作彈性27第七章 附屬設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算及選型.28 7.1 冷凝器28 7.2 再沸器29 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總參考文獻(xiàn)第一章 概述1.1 設(shè)計(jì)依據(jù) 本設(shè)計(jì)依據(jù)于教科書的設(shè)計(jì)實(shí)例，對所提出的題目進(jìn)行分析并做出理論計(jì)算。

4、1.2 設(shè)計(jì)條件(1) 原料組成：35%的乙醇，泡點(diǎn)進(jìn)料；(2) 產(chǎn)品組成：塔頂?shù)囊掖己坎恍∮?0%，塔底的乙醇含量不大于0.5%;(3) 操作壓力： 塔頂壓強(qiáng)為常壓;(4) 可取回流比為最小回流比的1.25倍；(5) 每年按300天計(jì)算，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。1.3設(shè)計(jì)內(nèi)容(1) 確定精餾裝置流程；(2) 工藝參數(shù)的確定：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的查取與估算，工藝過程的物料衡算及熱量衡算，理論塔板數(shù)，塔板效率，實(shí)際塔板數(shù)等。(3) 主要設(shè)備的工藝尺寸計(jì)算：板間距，塔徑，塔高，溢流裝置，塔盤布置等。(4) 流體力學(xué)計(jì)算：流體力學(xué)驗(yàn)算，操作負(fù)荷性能圖及操作彈性。(5) 主要附屬設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算及選型。1.4 設(shè)計(jì)

5、任務(wù) 設(shè)計(jì)說明書一份，作圖法求理論塔板數(shù)圖紙一張，帶控制點(diǎn)工藝流程圖一張。 第二章 設(shè)計(jì)方案確定及流程說明2.1塔型選擇 根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，每年300天，每天24小時(shí)運(yùn)行，產(chǎn)品流量為4.17th由于產(chǎn)品黏度較小，流量較大，為減少造價(jià)，降低生產(chǎn)過程中壓降和塔板液面落差的影響，提高生產(chǎn)效率，選用篩板塔。2.2 操作流程乙醇水溶液經(jīng)預(yù)熱至泡點(diǎn)后，用泵送入精餾塔。塔頂上升蒸氣采用冷凝后，部分回流，其余作為塔頂產(chǎn)品經(jīng)冷卻器冷卻后送至貯槽。塔釜采用間接蒸汽再沸器供熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送入貯槽。精餾裝置有精餾塔、原料預(yù)熱器、再沸器、冷凝器、釜液冷卻器和產(chǎn)品冷卻器等設(shè)備。熱量自塔釜輸入，物料在塔內(nèi)經(jīng)多次部分氣化與

6、部分冷凝進(jìn)行精餾分離，由冷凝器和冷卻器中的冷卻介質(zhì)將余熱帶走。乙醇水混合液原料經(jīng)預(yù)熱器加熱到泡點(diǎn)溫度后送入精餾塔進(jìn)料板，在進(jìn)料板上與自塔上部下降的的回流液體匯合后，逐板溢流，最后流入塔底。在每層板上，回流液體與上升蒸汽互相接觸，進(jìn)行熱和質(zhì)的傳遞過程。圖一：精餾裝置流程示意圖 第三章 塔板的工藝設(shè)計(jì)3.1 精餾塔的物料衡算3.1.1 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率 f：進(jìn)料量（kmol/h） ：原料組成（摩爾分?jǐn)?shù)，下同） d：塔頂產(chǎn)品流量（kmol/h） ：塔頂組成 w：塔底殘夜流量（kmol/h） ：塔底組成 乙醇摩爾質(zhì)量： 水摩爾質(zhì)量： 原料乙醇組成： = 17.40%塔頂組成： = 77

7、.88% 塔底組成：= 0.20%3.12 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 3.13 物料衡算 進(jìn)料流量 解得3.2 塔板數(shù)的確定3.2.1 相對揮發(fā)度 常壓下乙醇和水氣液平衡組成（摩爾）與溫度的關(guān)系溫度/。c液相中乙醇的含量x%氣相乙醇的含量y%1000095.51.917897.2138.9186.79.6643.7585.312.3847.0484.116.6150.8982.723.3754.4582.326.0855.881.532.7359.2680.739.6561.2279.850.7965.6479.751.9865.9979.357.3268.4178.7467.63

8、73.8578.4174.7278.1578.1589.4389.43 由上述表格計(jì)算 同理可得 則 3.2.2 最小回流比及操作回流比的確定 當(dāng)泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí),q=1,則=0.3906取,則3.2.3 理論塔板數(shù)的求取 由解的為精餾段的相對揮發(fā)度 得 求精餾段理論板層數(shù) = 由吉利蘭圖查得 則n=3.38，所以加料板為從塔頂往下的第四塊理論板。 由芬斯克方程知 = = 5.7142 且，由吉利蘭圖查得 得n=14 ，則全塔理論塔板數(shù)層。3.2.4 溫度和粘度的計(jì)算表3-1乙醇水系統(tǒng)的氣液平衡數(shù)據(jù)沸點(diǎn)t/乙醇摩爾數(shù)/%沸點(diǎn)t/乙醇摩爾數(shù)/%液相氣相液相氣相99.90.0040.0538227.35

9、6.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.9079.8552.6866.2899.00.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568.9274.6995.81.6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.

10、9183.7517.4151.6778.285.9786.4082.325.7555.7478.1589.4189.41用插值法求得精餾段平均溫度 0提餾段平均溫度表3-4水在不同溫度下的黏度溫度黏度溫度黏度810.3521900.3165820.3478910.3130表3-5乙醇在不同溫度下的黏度溫度黏度800.4951000.361 查表得： 查表得： 精餾段粘度=0.4950.46+（1-0.495）0.359=0.409mpa.s 提餾段粘度=0.050.422+（1-0.05）0.314=0.3194mpa.s 3.2.5 實(shí)際塔板數(shù) 當(dāng)時(shí)，y=0.8048 ，因?yàn)?3.4345，

11、解得 精餾段所需實(shí)際塔板數(shù) 所以精餾段實(shí)際塔板數(shù) 全塔相對揮發(fā)度為，因?yàn)?，所?7.904 提餾段相對揮發(fā)度 提餾段所需實(shí)際塔板數(shù)為 3.2.6 塔板效率 全塔實(shí)際塔板數(shù) 塊 全塔效率 第四章 主要設(shè)備工藝尺寸計(jì)算4.1 氣液相體積流量計(jì)算已知：混合液密度：混合氣密度：精餾段，液相組成氣相組成所以 提餾段液相組成氣相組成所以 不同溫度下乙醇和水的密度溫度/7080859095乙745735730724720水997.8971.8968.6965.3961.85 求得在與下的乙醇和水的密度 精餾段 提餾段 氣液體積流量（1） 精餾段 質(zhì)量流量 體積流量 （2） 提餾段 質(zhì)量流量： 體積流量： 4

12、.2 塔徑的計(jì)算 由，式中c可由史密斯關(guān)聯(lián)圖查出： 不同溫度下乙醇和水的表面張力溫度/708090100乙醇表面張力/10-3n/m21817.1516.215.2水表面張力/10-3n/m264.362.660.758.8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?nèi)啥蔚乃较嗟取Ｓ幸陨系挠?jì)算結(jié)果可以知道：汽塔的平均蒸汽流量：汽塔的平均液相流量：ls=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(jì)算出最大允許氣速。 取塔板間距，板上液層高度，則分離空間 功能參數(shù)： 由史密斯關(guān)聯(lián)圖查得，以下求平均表面張力 1-乙醇 2-水

13、 塔頂： 進(jìn)料板： 塔底： 精餾段液相平均表面張力 提餾段液相平均表面張力 全塔相平均表面張力 取u=0.71.7097=1.1968m/s 根據(jù)塔徑系列尺寸圓整為d=1.1m此時(shí)，精餾段的上升蒸汽速度為 提餾段蒸汽上升速度為 安全系數(shù)： 均符合要求。塔截面積 空塔氣速 4.3 塔高的計(jì)算在進(jìn)料板上方開三個(gè)人孔，其高度為0.8m每個(gè)，故精餾塔的有效高度為 =12.3m4.4 溢流裝置4.4.1 堰長 取出口堰高：本設(shè)計(jì)采用齒形堰，堰上液高度按下式計(jì)算，取 （1） 精餾段 （2） 提餾段 4.4.2 方形降液管的寬度和橫截面 由，查表得則 驗(yàn)算降液管內(nèi)停留時(shí)間：故該降液管可以使用。4.4.3 降

14、液管底隙高度 (1) 精餾段 （2）提餾段 均不小于20mm，滿足要求。4.5 塔板布置4.5.1 塔板分布 本設(shè)計(jì)塔徑，采用整塊式板塔。4.5.2 開孔區(qū)面積 已知弓形降液管 ?。簾o效區(qū)寬度 破沫區(qū)寬度 4.5.3 篩板的篩孔和開孔率 因乙醇-水組分無腐蝕性，可選用 碳鋼板，取篩空直徑 d0=5mm篩空按正三角排列，孔中心距 t=3d0=35=15mm 篩孔數(shù)目 開孔率 （在515%范圍內(nèi)） 氣體通過篩孔的氣速為 則 精餾段 提餾段 第五章 塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算5.1 氣體通過塔板的壓力降氣體通過塔板的壓力降(單板壓降)氣體通過每層塔板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨龋琺液柱氣體通過篩板的干板壓降，m液柱氣

15、體通過板上液層的阻力，m液柱克服液體表面張力的阻力，m液柱5.1.1 精餾段（1）干板阻力 干板壓降 =篩孔氣速，m/s 孔流系數(shù)分別為氣液相密度，kg/m3 根據(jù)d2/=5/3=1.67 查干篩孔的流量系數(shù)圖c0 =0.78 精餾段 提餾段 5.1.2 板上充氣液層阻力 板上液層阻力用下面的公式計(jì)算： 板上清液層高度，m反映板上液層充氣程度的因數(shù)，可稱為充氣因數(shù)精餾段 動能因子 查充氣系數(shù)與fa的關(guān)聯(lián)圖可得 則 提餾段 動能因子 查充氣系數(shù)與fa的關(guān)聯(lián)圖可得 則5.1.3 由表面張力引起的阻力 液體表面張力的阻力 精餾段 提餾段 綜上所述，精餾段 壓降 提餾段5.2 液面落差 對于篩板塔，液

16、面落差很小，且本設(shè)計(jì)的塔徑和流量均不大，故可忽略液面落差的影響。5.3 液泛 為了防止液泛，應(yīng)保證降液管中泡沫液體總高度不超過上層塔板的出口堰。 因此 精餾段 m 取，則=0.6（0.3+0.034）=0.2004m提餾段 取，則=0.6（0.3+0.029）=0.19745.4 液沫夾帶 板上液體被上升氣體帶入上一層塔板的現(xiàn)象，為保證板式塔能維持正常的操作效果，kg液/kg氣 精餾段 提餾段 由上計(jì)算可知霧沫夾帶能滿足5.5 漏液對篩板塔，取漏液量10%的氣相動能因子為fo=10精餾段 實(shí)際流速u1=16.8223m/s穩(wěn)定系數(shù) 符合要求 提餾段 實(shí)際流速u2=17.3128m/s 穩(wěn)定系數(shù)

17、 符合要求綜上所述，篩板具有足夠的操作彈性。 第六章 塔板負(fù)荷性能圖6.1 漏液線 精餾段 提餾段 據(jù)此可以做出與流體流量無關(guān)的水平漏液線16.2 液沫夾帶線 以ev=0.1kg液/kg氣為限，求vs-ls關(guān)系如下：精餾段 整理得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，就算結(jié)果列于下表0.000020.000140.000260.000380.00051.38531.31431.27741.24990.8971提餾段 整理得在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，就算結(jié)果列于下表0.000020.000140.000260.000380.00050.18900.17980.17510.1

18、7150.16866.3 液相負(fù)荷下限線對于齒形堰，取堰上液層高度作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線36.4 液相負(fù)荷上限線以作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限精餾段 提餾段據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負(fù)荷上線46.5 液泛線 令 由 立得 與，與，與的關(guān)系式代入上式，并整理的 中 精餾段 故 操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，就算結(jié)果列于下表0.000020.000140.000260.000380.00053.17753.12403.09503.07343.0554 提餾段 故 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)值，依上式計(jì)算出值，就算結(jié)果列于下表0.00002

19、0.000140.000260.000380.00053.84743.78363.74503.72443.5846 由此表數(shù)據(jù)即可做出液泛線5。 精餾段的 提留段的 故提留段的操作彈性為 第七章 主要附屬設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算及選型7.1 冷凝器 冷凝器的選擇：強(qiáng)制循環(huán)式冷凝器 冷凝器置于塔下部適當(dāng)位置，用泵向塔頂送回流冷凝水，在冷凝器和泵之間需設(shè)回流罐，這樣可以減少臺架，且便于維修、安裝，造價(jià)不高。 氣化熱數(shù)據(jù)溫度/6080100乙醇的汽化熱40.5338.6136.51水的汽化熱42.41641.52940.599 塔頂溫度: 塔頂全凝器的熱負(fù)荷： 可得： 取水為冷凝介質(zhì)，其進(jìn)出冷凝器的溫度分別25和45則平均溫度下的比熱 ，于是冷凝水用量可求 有機(jī)物蒸汽冷凝器設(shè)計(jì)選用的總體傳熱系數(shù)一般范圍為 本設(shè)計(jì)取 出料溫度：80.40（飽和氣）80.40（飽和液）