乙醇水溶液連續(xù)板式精餾塔方案

1、乙醇-水溶液連續(xù)板式精餾塔設(shè)計(jì)(一) 設(shè)計(jì)內(nèi)容乙醇-水溶液連續(xù)板式精餾塔設(shè)計(jì)(二) 設(shè)計(jì)任務(wù)處理能力：3.6萬噸/年，每年按300天計(jì)算，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。原料乙醇-水溶液：7.4%組成 乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù))產(chǎn)品要求：塔頂產(chǎn)品組成 質(zhì)量分?jǐn)?shù))：38.2%塔底的產(chǎn)品組成 質(zhì)量分?jǐn)?shù))：W 0.1%1) 塔型選擇根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，若按年工作日 300天，每天開動(dòng)設(shè)備24小時(shí)計(jì)算，產(chǎn)品流量為 265.3kmol /h,因?yàn)楫a(chǎn)品黏度較小，流量增大，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，選擇浮閥塔。2) 操作條件(1) 操作壓力：塔頂壓強(qiáng)為常壓 101.3kPa(2) 單板壓降：0

2、.7KPa(3) 進(jìn)料狀況：30° C冷夜進(jìn)料(4) 回流比：自選(5) 加熱方式：間接蒸汽加熱(6) 冷卻水進(jìn)口溫度：30° C一、塔的工藝計(jì)算1工藝過程物料衡算工藝過程1.1物料衡算:-=7.4%-=38.2%I F=265.3kmol/h0.0303塔底產(chǎn)品流量:1.1表1物料衡算數(shù)據(jù)記錄F265.3kmol/h刮0.0303D36.66kmol/h0.1948W228.64kmol/hLd0.00039由圖（在化工原理第三版，王志魁） I頁(yè) 查出組成 的乙醇-水溶液泡點(diǎn)為95.7 ° C,在平均溫度為95.7+30）/2=61.35 下，由化工原理第三版,

3、王志魁）附錄查得乙醇與水的有關(guān)物性為： 數(shù)值為在范圍內(nèi)的一個(gè)估值）乙醇的摩爾熱容:乙醇的摩爾汽化潛熱:水的摩爾熱容:水的摩爾汽化潛熱：比較水與乙醇的摩爾汽化潛熱可知，系統(tǒng)滿足衡摩爾流的假定。加料液的平均摩爾熱容:加料液的平均汽化熱：r=1.2最小回流比及操作回流比的確定因?yàn)楫a(chǎn)品純度不高，故可采取塔頂進(jìn)料，無回流，只有提留段操作，從而達(dá)到節(jié)約成本的 目的。1.3理論及實(shí)際塔板數(shù)的確定1）由相平衡方程式，可得 LEJ根據(jù)乙醇-水體系的相平衡數(shù)據(jù)可以查得:因此可以求得:平均相對(duì)揮發(fā)度的求取:用逐板法計(jì)算理論板數(shù)一包括塔釜共四塊(2>根據(jù)乙醇-水體系的相平衡數(shù)據(jù)可以查得:塔頂： 亠 ，一J &#

4、176; C塔釜:塔頂和塔釜的算術(shù)平均溫度：t=91.5 ° C由化工原理 < 第三版，化學(xué)工業(yè)出版社，王志魁)書中附表12查得:在 91.5 ° C下,根據(jù)公式 x(1) 由奧康奈爾關(guān)聯(lián)式:C求解實(shí)際塔板數(shù)取N=81.4塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)塔徑的計(jì)算A.查得有關(guān)乙醇與水的安托因方程:乙醇:水:得:將二代入進(jìn)行試差，求塔頂、進(jìn)料板、及塔釜的壓力和溫度:1） 塔頂：丨 ，丨試差得 .塔釜壓力：I塔釜：I ,I 試差得 求得塔內(nèi)的平均壓力及溫度：B.平均摩爾質(zhì)量的計(jì)算:塔頂：JI塔釜:平均摩爾質(zhì)量:表2平均摩爾質(zhì)量的計(jì)算塔頂凹L = |平均摩爾質(zhì)量LrJ1 II塔釜凹1 1回凹凹

5、1 X 11 11 - 1C.平均密度的計(jì)算:1）汽相平均密度計(jì)算：汽相平均密度:塔頂:塔釜:液相平均密度:表3液相平均密度的計(jì)算塔頂LJ1塔釜±1| =1Id1 121|11Id0.03119111 =1Id1 * 1r1精餾段液相平均密度回11D.液體平均表面張力計(jì)算液體平均表面張力按下式計(jì)算：塔頂：二j，由化工原理 第二版，化學(xué)工業(yè)出版社，王志魁）附錄二十塔釜:，查附錄:液體表面平均張力:表4液體平均表面張力計(jì)算塔頂塔釜塔頂：.-I'，查由化工原理 第三版，化學(xué)工業(yè)出版社，王志魁）附錄十得：1_塔釜：，查附錄：1，n液體平均黏度按下式計(jì)算：得:液體平均黏度:液相體積流率

6、:表5液體平均黏度計(jì)算塔頂EI塔釜兇1 1.I J兇1 * 131 1回1 1凹1 = 1液體平均黏度1- 1F.氣液相體積流率計(jì)算:表6氣液相體積流率計(jì)算G.塔徑的確定則Hi - AlO.OS-0.0!0.060.0$得三TE由Smith圖查取。0.062=2.29m/s取安全系數(shù)為0.75，則空塔氣速為:塔徑的確定，需求,C由下式計(jì)算:查smith圖,smith 圖則塔徑亠(故采取整塊式塔板結(jié)構(gòu) >塔截面積:取板間距 "Il，板上液層咼度(1) 精餾段塔徑的確定：圖的橫坐標(biāo)為0.60 LW(2) 按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后,M2Q.040.06 0.08 0.1G實(shí)際空塔氣速為:塔的

7、有效高度的計(jì)算有效高度：塔頂間距：Hi=(1.52.0>H t,取Hi=2XQ.35=0.7m 塔底空間高度：H2=1.5m塔高：H=0.7+1.5+2.45=4.65m2塔板主要工藝尺寸的計(jì)算2.1溢流裝置計(jì)算因塔徑D=0.5m，可選用單溢流弓形降液管A. 堰長(zhǎng)lw單溢流：lw=<0.60.8) D, 取 lw=0.6 &5=0.3mB. 溢流堰高度hw因?yàn)?h|=hw+h ow選用平直堰，堰上液層高度how可用Francis計(jì)算,液體收縮系數(shù)計(jì)算圖=0.00122 3600=4.392m'/h得 E=1.15，則 h' OW=(2.84/1000>

8、X 1.15 X <4.392/0)32/3=0.0l70m 取板上清夜層高度 hL=0.05m,故h' W=O.00.O17O=O.O33m2.2降液管2.2.1降液管高度和截面積所以因?yàn)槎橄聢D < 弓形降液管參數(shù)圖）得:0 50.4Q3弓形降液管參數(shù)圖0.20020.1030,060.050XM0.03依下式驗(yàn)算液體在降液管中的停留時(shí)間:故降液管勉強(qiáng)符合設(shè)計(jì)要求。2.2.2降液管底隙高度 降液管底隙高度依下式計(jì)算:，即I故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。2.3塔板布置邊緣區(qū)寬度確定溢流堰前的安定區(qū)寬度：Ws=0.07m邊緣區(qū)寬度：Wc=0.035m開孔區(qū)面積計(jì)算開孔區(qū)面積按

9、下式計(jì)算:其中浮閥塔計(jì)算及其排列采用F1型重閥，重量為33g，孔徑為39mmA.浮法數(shù)目浮法數(shù)目按下式計(jì)算：a氣體通過閥孔的速度:取動(dòng)能因數(shù)F=11則精段:，取201) 開孔率:開孔率在10%14%之間，且實(shí)際動(dòng)能因數(shù) Fo在912間，滿足要求。B.排列因?yàn)椴扇≌麎K式塔板結(jié)構(gòu)，故采用正三角形叉排3流體力學(xué)驗(yàn)算3.1氣體通過浮閥塔板的壓力降 單板壓降)單板壓降：hp=hc+hi+h閥片全開后 取板上液層充氣因數(shù)滬0.5，那么hL= so(hw+ how>= so hL=0.5 為.05=0.025m氣體克服液體表面張力所造成的阻力可由下式計(jì)算: 但因?yàn)闅怏w克服液體表面張力所造成的阻力通常很

10、小，可忽略不計(jì)。故hp=hc+hi+h 產(chǎn)0.0329+0.025=0.0579m3.2漏液驗(yàn)算氣體通過閥孔時(shí)的速度：3.3液泛驗(yàn)算降液管內(nèi)泡沫液層高度可按下式計(jì)算：Hd=hp+hw+how+ A +h=hp+hL +hdW© <Hhw)浮法塔的頁(yè)面落差一般不大，?？珊雎圆挥?jì)hp =0.0579m , hL =0.05m塔板上不設(shè)進(jìn)口堰時(shí):H d=0.0579+0.05+0.0000525=0.107953m取 0 =0.5, $ <HT+hw) =0.5 X0.35+0.033 ) =0.1915mHd< $ <F+hw)3.4霧沫夾帶驗(yàn)算泛點(diǎn)百分率可取下列

11、兩式計(jì)算，取計(jì)算結(jié)果中較大的數(shù)值:I 5Zl=D-2W d , Ab=A2Af4 操作性能負(fù)荷4.1氣相負(fù)荷下限線4.2液相負(fù)荷下限線得：4.3液泛負(fù)荷上限線5各接管尺寸的確定5.1進(jìn)料管進(jìn)料體積流量。取適宜的輸送速度Uf=3.0m/s,故經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管(GB8163-87，規(guī)格：$ 38 X 5mm實(shí)際管內(nèi)流速:5.2釜?dú)堃撼隽瞎苋∵m宜的輸送速度：Uf=3m/s,則經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管，規(guī)格：$ 32X 3mm實(shí)際管內(nèi)流速:5.3塔頂上升蒸汽管塔頂上升蒸汽的體積流量:取適宜速度Uv=10m/s，那么實(shí)際管內(nèi)流速:輔助設(shè)備的計(jì)算及選型1冷凝器熱負(fù)荷按泡點(diǎn)回流設(shè)計(jì)，即飽和蒸汽冷凝且飽和

12、回流，采用25C的水作為冷卻劑，逆流操作，則Q=W rii=VM vd ri查液體的汽化潛熱圖，可知塔頂溫度92.7C下，乙醇汽化潛熱：rA=850KJ/kg水的汽化潛熱：rB=2375KJ/kgri=EiiXi=850 >0.1948 46+<1-0.1948 ) X2375 >18=42038.98KJ/Kmol故 Q=36.66>42038.98/3600=428.09KJ/s又因?yàn)镼=KAt m因?yàn)?K=750J/s (m2 K>所以2再沸器熱負(fù)荷采用飽和水蒸氣間接加熱，逆流操作，則Q=Wh22查得塔釜溫度103.57 C下乙醇汽化潛熱A=800KJ/kg

13、水的汽化潛熱：rB=2250KJ/kgr2=EiiXi=800 X0.00032 46+<1-0.00032 ) >2250 >8=40498.82KJ/Kmol 故Q=<L -W) Mfir=(265.3-228.64> 40498.82=1484.66KJ/s又因?yàn)镼=KAt m因?yàn)?K=900J/s (m2 k>所以3泵的選用(1) 進(jìn)料泵：選用離心泵，泵入口溫度為常溫，取為30 C，特點(diǎn)為流量穩(wěn)定，揚(yáng)程較高；(2) 產(chǎn)品泵：?jiǎn)螜C(jī)離心泵，入口溫度為常溫，流量較小，揚(yáng)程較低；(3) 塔底泵：?jiǎn)螜C(jī)離心泵，流量變動(dòng)范圍大，流量較大，泵入口溫度高，一般大 與1

14、00 C，故塔底不須冷凝器。三、附錄：參考文獻(xiàn)1王志魁編，化工原理北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2005.012賈紹義，柴誠(chéng)敬編.化工原理課程設(shè)計(jì).天津：天津大學(xué)出版社.2003.123華東理工大學(xué)化工原理教研室編.化工過程開發(fā)設(shè)計(jì).廣州：華南理工大學(xué)出版社.1996.02 4劉道德編.化工設(shè)備的選擇與設(shè)計(jì).長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社.2003.045袁惠新編.分離過程與設(shè)備.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2003.03符號(hào)說明vl塔板開口面積，宜I.一一降液管截面積，vl 一一篩孔總面積，一.1一一塔截面積，.LI 一一流量系數(shù)，無因此一一計(jì)算三I時(shí)負(fù)荷系數(shù)，.1 一一篩孔直徑，m一一塔徑，m一一篩孔氣相動(dòng)能因子重力加速度，9.81 ”1 一一進(jìn)口堰與降液管間的水平距離，mE 一與干板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?，m一一與液體流過降液管的壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨萴| -' 一一塔板上鼓泡高度，m一一板上清液層高度，mE 一一降壓管的底隙高度，m_1堰上液層高度，m.1 一一出口堰高度，m一一與克服表面張力的壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?，m一