乙醇水精餾塔設計

1、課程設計說明書題 目：乙醇-水連續(xù)精餾塔設 計 人：sunrainbaby序言這次課程設計應該說做的很艱辛，因為一直以來我們都在學一些理論性的知識，確切的可以說是“紙上談兵”，但這次課程設計是需要多方面的知識的集合以及運用，不僅用了理論，同時也聯(lián)系了實際，真的很鍛煉人！說到艱辛，也許是因為我們一直都沒有完整的完成過一個設計而且自己一個人，做的過程中有時真的做到頭暈腦脹的，只能停下，第二天再做，從開始到現(xiàn)在做了將近一個月了，需要毅力！這個課程設計不僅鍛煉了我的毅力，而且也讓我認識到和學習到了很多東西！這是從別處得不到的！通過這次課程設計使我充分理解到化工原理課程的重要性和實用性，更特別是對精餾原

2、理及其操作各方面的了解和設計，對實際單元操作設計中所涉及的個方面要注意問題都有所了解。通過這次對精餾塔的設計，不僅讓我將所學的知識應用到實際中，而且對知識也是一種鞏固和提升充實。在老師和同學的幫助下，及時的按要求完成了設計任務，通過這次課程設計，使我獲得了很多重要的知識，同時也提高了自己的實際動手和知識的靈活運用能力。終于做完了，很開心、很幸福！還有很多不足的地方，希望老師提出批評!Sunrainbaby 2010年11月于大連目錄序言2設計任務書5第一章概述61.1精餾操作對塔設備的要求61.2 板式塔的類型71.2.1 泡罩塔71.2.2 篩板塔81.2.3 浮閥塔81.3 精餾塔的設計任

3、務及要求91.3.1 精餾塔設計的內(nèi)容91.3.2 繪圖要求92.1塔形的選擇102.2 操作條件的確定10操作壓力102.2.2 進料狀態(tài)102.2.3 加熱方式102.2.4 冷卻劑與出口溫度102.2.5 熱能的利用112.3 確定設計方案的原則112.4精餾流程的確定12第三章板式精餾塔的工藝計算133.1物料衡算133.1.1 料液及塔頂、塔底產(chǎn)品含乙醇摩爾分數(shù)13平均摩爾質(zhì)量13物料衡算133.2回流比的確定143.3塔板數(shù)的確定14精餾塔的氣、液相負荷14回收率15操作線方程15圖解法理論板層數(shù)15實際板層數(shù)的初步求取16塔板總效率估計173.4精餾塔有關物性計算18精餾段的平均

4、密度183.4.2 液體平均表面張力計算19本章符號意義20第四章板式塔主要尺寸計算214.1精餾塔的塔體工藝尺寸計21塔徑的計算21精餾塔有效高度計算224.2 塔板主要工藝尺寸的計算224.2.1 溢流裝置計算224.2.2 塔板布置及浮閥數(shù)目與排列234.3 塔板的流體力學驗算244.3.1 氣象通過浮閥塔板的壓降244.3.2 淹塔254.3.3 霧沫夾帶254.4塔板負荷性能圖26霧沫夾帶線264.4.2 液泛線27液相負荷上限線27漏液線28液相負荷下限線28塔板負荷性能圖28計算結(jié)果匯總30本章符號說明315.1 回流冷凝器325.1.1 冷凝器的介紹325.1.2 冷凝器的選擇

5、33冷凝器的傳熱面積和冷卻水的消耗量335.2 再沸器335.2.1 再沸器的介紹335.2.2 再沸器的選擇35附錄36附錄 1 常壓下乙醇水系統(tǒng)txy數(shù)據(jù)36附錄 2 乙醇的物性36附錄 3 物性系數(shù)36Key words37參考文獻38主體設備圖（見二號圖紙）38設計任務書1一設計題目乙醇水連續(xù)精餾塔的溫計二設計任務及操作條件(1)進精餾塔的料液含乙醇35%(質(zhì)量)其余為水。(2)產(chǎn)品的乙醇含量不得低于93(質(zhì)量)。(3)殘液中乙醇含量不得高于0.2(質(zhì)量)。(4)年生產(chǎn)時間為7200小時。 (5)操作條件精餾塔頂壓強4kPa(表壓)進料熱狀態(tài) 自選?；亓鞅?自選。加熱蒸汽 低壓蒸汽。單

6、板壓降 0.7kPa3 設備型式設備型式為浮閥塔四廠址廠址為東北地區(qū)。五設計內(nèi)容(1)設計方案的確定及流程說明。(2)塔的工藝計算。(3)塔和塔板主要工藝尺寸的設計。塔高、塔徑及塔板結(jié)構(gòu)尺寸的確定。塔板的流體力學驗算。塔板的負荷性能圖。(4)設計結(jié)果概要或設計一覽表。(5)輔助設備選型與計算。(6)生產(chǎn)工藝流程圖及精餾塔的工藝條件圖。(7)對本設計的評述或有關問題的分析討論。六設計基礎數(shù)據(jù)(1)常壓下乙醇水系統(tǒng)txy數(shù)據(jù)見附錄。(2)乙醇的密度、粘度、表面張力等物性參數(shù)見附錄。第一章概述蒸餾是利用液體混合物中各組分揮發(fā)度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝達到輕重組分分離的方法。蒸餾操作在化工

7、、石油化工、輕工等工業(yè)生產(chǎn)中中占有重要的地位。為此，掌握氣液相平衡關系，熟悉各種塔型的操作特性，對選擇、設計和分析分離過程中的各種參數(shù)是非常重要的。蒸餾過程按操作方式可分為間歇蒸餾和連續(xù)蒸餾。間歇蒸餾是一種不穩(wěn)態(tài)操作，主要應用于批量生產(chǎn)或某些有特殊要求的場合；連續(xù)蒸餾為穩(wěn)態(tài)的連續(xù)過程，是化工生產(chǎn)常用的方法。蒸餾過程按蒸餾方式可分為簡單蒸餾、平衡蒸餾、精餾和特殊精餾等。簡單蒸餾是一種單級蒸餾操作，常以間歇方式進行。平衡蒸餾又稱閃蒸，也是一種單級蒸餾操作，常以連續(xù)方式進行。簡單蒸餾和平衡蒸餾一般用于較易分離的體系或分離要求不高的體系。對于較難分離的體系可采用精餾，用普通精餾不能分離體系則可采用特殊

8、精餾。特殊精餾是在物系中加入第三組分，改變被分離組分的活度系數(shù)，增大組分間的相對揮發(fā)度，達到有效分離的目的。特殊精餾有萃取精餾、恒沸精餾和鹽溶精餾等。精餾過程按操作壓強可分為常壓精餾、加壓精餾和減壓精餾。一般說來，當總壓強增大時，平衡時氣相濃度與液相濃度接近，對分離不利，但對在常壓下為氣態(tài)的混合物，可采用加壓精餾；沸點高又是熱敏性的混合液，可采用減壓精餾。雖然工業(yè)生產(chǎn)中以多組分精餾為常見，但為簡化起見，本書主要介紹兩組分連續(xù)精餾過程的設計計算。1.1精餾操作對塔設備的要求精餾所進行的是氣(汽)、液兩相之間的傳質(zhì)，而作為氣(汽)、液兩相傳質(zhì)所用的塔設備，首先必須要能使氣(汽)、液兩相得到充分的接

9、觸，以達到較高的傳質(zhì)效率。但是，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)和需要，塔設備還得具備下列各種基本要求：（1）氣(汽)、液處理量大，即生產(chǎn)能力大時，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞操作的現(xiàn)象。（2）操作穩(wěn)定，彈性大，即當塔設備的氣(汽)、液負荷有較大范圍的變動時，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進行穩(wěn)定的操作并應保證長期連續(xù)操作所必須具有的可靠性。（3）流體流動的阻力小，即流體流經(jīng)塔設備的壓力降小，這將大大節(jié)省動力消耗，從而降低操作費用。對于減壓精餾操作，過大的壓力降還將使整個系統(tǒng)無法維持必要的真空度，最終破壞物系的操作。（4）結(jié)構(gòu)簡單，材料耗用量小，制造和安裝容易。（5）耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、調(diào)節(jié)和檢

10、修。（6）塔內(nèi)的滯留量要小。實際上，任何塔設備都難以滿足上述所有要求，況且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些獨特的優(yōu)點，設計時應根據(jù)物系性質(zhì)和具體要求，抓住主要矛盾，進行選型。1.2 板式塔的類型氣液傳質(zhì)設備主要分為板式塔和填料塔兩大類。精餾操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，本設計方案采用板式塔。板式塔類型的不同，在于其中的塔板結(jié)構(gòu)不同，常見的主要類型有：泡罩塔、篩板塔、浮閥塔、舌片塔、穿流篩板塔與穿流柵板塔。1.2.1 泡罩塔泡罩塔是Cellier于1813年提出的最早工業(yè)規(guī)模應用的板式塔式。泡罩塔的結(jié)構(gòu)及操作情況如圖1-1所示。液體通過降液管從一塊塔板流至下一塊塔板。為使液

11、體在塔板上有一定的積液厚度，塔板上液體流出口處設置有溢流堰。在塔板上鉆有若干規(guī)則排列的圓孔，每個孔均裝有升氣管，升氣管上又固定有泡罩。泡罩下緣開有齒縫。操作時，氣體向上流過升氣管后遇到泡罩便轉(zhuǎn)而向下流動，經(jīng)升氣管外側(cè)與泡罩內(nèi)側(cè)構(gòu)成的通道后在泡罩齒縫處分散成許多小氣泡進入塔板上液層。氣體以氣泡形式在液相中浮升并與液體進行相際傳質(zhì)。當氣體躍離液面時液膜破裂，氣體便流至上一層塔板。泡罩塔最大的優(yōu)點是易于操作，操作彈性大。當液體流量變化時，由于塔板上液層厚度主要由溢流堰高度控制，使塔板上液層厚度變化很小。若氣體流量變化，泡罩齒縫開啟度會隨氣體流量改變自動調(diào)節(jié)，故氣體通過齒縫的流速變化亦較小。于是，塔板

12、操作平穩(wěn)，氣液接觸狀況不因氣液負荷變化而顯著改變，換言之，維持較高傳質(zhì)效率的氣液負荷變化范圍很大。泡罩塔的弱點是結(jié)構(gòu)復雜，造價高，氣體通過每層塔板的壓降大等。由于泡罩塔的這些弱點，使之在與當今多種優(yōu)良塔板型式的比較中處于劣勢，所以現(xiàn)在泡罩塔的應用已較少了。1.2.2 篩板塔篩板塔是在塔板上開有許多均勻分布的篩孔，并裝有溢流管或沒有溢流管。操作時，液體由塔頂進入，經(jīng)溢流管（一部分經(jīng)篩孔）逐板下降，并在板上積存液層。氣體（或蒸氣）由塔底進入，經(jīng)篩孔上升穿過液層，鼓泡而出，因而兩相可以充分接觸，并相互作用。泡沫式接觸氣液傳質(zhì)過程的一種形式，性能優(yōu)于泡罩塔。篩板塔的優(yōu)點有：結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，造價約為

13、泡罩塔的60%，為浮閥塔的80%左右；處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加10%15%；塔板效率高，比泡罩塔高15%左右；壓降較低，每板壓力比泡罩塔約低30%左右。缺點有：操作彈性范圍較窄，小孔篩板容易堵塞。 1.2.3 浮閥塔 浮閥的閥片可以浮動，隨著氣體負荷的變化而調(diào)節(jié)其開啟度，因此，浮閥塔的操作彈性大，特別是在低負荷時，仍能保持正常操作。 浮閥塔由于氣液接觸狀態(tài)良好，霧沫夾帶量小(因氣體水平吹出之故)，塔板效率較高，生產(chǎn)能力較大。 塔結(jié)構(gòu)簡單，制造費用便宜，并能適應常用的物料狀況，是化工、煉油行業(yè)中使用最廣泛的塔型之一。 在分離穩(wěn)定同位素時采用在克服泡罩塔缺陷的基礎上發(fā)展起鼓泡式接觸裝置。

14、 浮閥塔有活動泡罩、圓盤浮閥、重盤浮閥和條形浮閥四種形式。 浮閥主要有V型和T型兩種，特點是：生產(chǎn)能力比泡罩塔約大2040；氣體兩個極限負荷比為56，操作彈性大；板效率比泡罩塔高1015；霧沫夾帶少，液面梯度小；結(jié)構(gòu)難于泡罩塔與篩板塔之間；對物料的適應性較好等，通量大、放大效應小，常用于初濃段的重水生產(chǎn)過程。1.3 精餾塔的設計任務及要求2 1.3.1 精餾塔設計的內(nèi)容（1）設計方案確定和說明。根據(jù)給定任務，對精餾裝置的流程、操作條件、主要設備型式及其材質(zhì)的選取等進行論述。（2）板式塔的工藝計算（物料和平衡級計算、理論塔板、實際塔板）；（3）計算塔板各主要工藝尺寸（板間距、塔高和塔徑等）；進行

15、流體力學校核計算，并畫出塔的操作性能圖。（4）塔的接管尺寸及附屬設備的計算與選型，如泵、再沸器、冷凝器（5）撰寫設計說明書。（6）繪制帶控制點的工藝流程圖和精餾塔設備圖； 1.3.2 繪圖要求 （1） 繪制二元體系的y-x圖，用圖解法求取理論塔板數(shù)，并畫出塔板的操作負荷性能圖。（2） 繪制精餾裝置工藝流程圖。（3） 繪制精餾塔工藝條件圖；（4） 繪制塔板結(jié)構(gòu)圖（包括正視圖和俯視圖）。第二章設計方案的確定2.1塔形的選擇根據(jù)生產(chǎn)任務，若按年工作日300天，每天開動設備24小時計算，產(chǎn)品流量為，由于產(chǎn)品粘度較小，流量較大，為減少造價，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，選用浮閥塔

16、。2.2 操作條件的確定2確定設計方案是指確定整個精餾裝置的流程、各種設備的結(jié)構(gòu)型式和某些操作指標。例如組分的分離順序、塔設備的型式、操作壓力、進料熱狀態(tài)、塔頂蒸汽的冷凝方式、余熱利用方案以及安全、調(diào)節(jié)機構(gòu)和測量控制儀表的設置等。下面結(jié)合課程設計的需要，對某些問題作些闡述。操作壓力由于乙醇水體系對溫度的依賴性不強，常壓下為液態(tài)，為降低塔的操作費用，當?shù)乇韷簽?kpa.2.2.2 進料狀態(tài)雖然進料方式有多種，但是飽和液體進料時進料溫度不受季節(jié)、氣溫變化和前段工序波動的影響，塔的操作比較容易控制；此外，飽和液體進料時精餾段和提餾段的塔徑相同，無論是設計計算還是實際加工制造這樣的精餾塔都比較容易，為

17、此，本次設計中采取飽和液體進料.2.2.3 加熱方式精餾塔的設計中多在塔底加一個再沸器以采用間接蒸汽加熱以保證塔內(nèi)有足夠的熱量供應；由于乙醇水體系中，乙醇是輕組分，水由塔底排出，且水的比熱較大，故可采用直接水蒸氣加熱，這時只需在塔底安裝一個鼓泡管，于是可省去一個再沸器，并且可以利用壓力較底的蒸汽進行加熱，無論是設備費用還是操作費用都可以降低。2.2.4 冷卻劑與出口溫度冷卻劑的選擇由塔頂蒸汽溫度決定。如果塔頂蒸汽溫度低，可選用冷凍鹽水或深井水作冷卻劑。如果能用常溫水作冷卻劑，是最經(jīng)濟的。水的入口溫度由氣溫決定，出口溫度由設計者確定。冷卻水出口溫度取得高些，冷卻劑的消耗可以減少，但同時溫度差較小

18、，傳熱面積將增加。冷卻水出口溫度的選擇由當?shù)厮Y源確定，但一般不宜超過50，否則溶于水中的無機鹽將析出，生成水垢附著在換熱器的表面而影響傳熱。2.2.5 熱能的利用2精餾過程是組分反復汽化和反復冷凝的過程，耗能較多，如何節(jié)約和合理地利用精餾過程本身的熱能是十分重要的。選取適宜的回流比，使過程處于最佳條件下進行，可使能耗降至最低。與此同時，合理利用精餾過程本身的熱能也是節(jié)約的重要舉措。若不計進料、餾出液和釜液間的焓差，塔頂冷凝器所輸出的熱量近似等于塔底再沸器所輸入的熱量，其數(shù)量是相當可觀的。然而，在大多數(shù)情況，這部分熱量由冷卻劑帶走而損失掉了。如果采用釜液產(chǎn)品去預熱原料，塔頂蒸汽的冷凝潛熱去加熱

19、能級低一些的物料，可以將塔頂蒸汽冷凝潛熱及釜液產(chǎn)品的余熱充分利用。此外，通過蒸餾系統(tǒng)的合理設置，也可以取得節(jié)能的效果。例如，采用中間再沸器和中間冷凝器的流程1，可以提高精餾塔的熱力學效率。因為設置中間再沸器，可以利用溫度比塔底低的熱源，而中間冷凝器則可回收溫度比塔頂高的熱量。2.3 確定設計方案的原則2確定設計方案總的原則是在可能的條件下，盡量采用科學技術上的最新成就，使生產(chǎn)達到技術上最先進、經(jīng)濟上最合理的要求，符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低消耗的原則。為此，必須具體考慮如下幾點：（1）滿足工藝和操作的要求所設計出來的流程和設備，首先必須保證產(chǎn)品達到任務規(guī)定的要求，而且質(zhì)量要穩(wěn)定，這就要求各流體流量

20、和壓頭穩(wěn)定，入塔料液的溫度和狀態(tài)穩(wěn)定，從而需要采取相應的措施。其次所定的設計方案需要有一定的操作彈性，各處流量應能在一定范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，必要時傳熱量也可進行調(diào)整。因此，在必要的位置上要裝置調(diào)節(jié)閥門，在管路中安裝備用支線。計算傳熱面積和選取操作指標時，也應考慮到生產(chǎn)上的可能波動。再其次，要考慮必需裝置的儀表(如溫度計、壓強計，流量計等)及其裝置的位置，以便能通過這些儀表來觀測生產(chǎn)過程是否正常，從而幫助找出不正常的原因，以便采取相應措施。（2） 滿足經(jīng)濟上的要求要節(jié)省熱能和電能的消耗，減少設備及基建費用。如前所述在蒸餾過程中如能適當?shù)乩盟?、塔底的廢熱，就能節(jié)約很多生蒸汽和冷卻水，也能減少電能消

21、耗。又如冷卻水出口溫度的高低，一方面影響到冷卻水用量，另方面也影響到所需傳熱面積的大小，即對操作費和設備費都有影響。同樣，回流比的大小對操作費和設備費也有很大影響。降低生產(chǎn)成本是各部門的經(jīng)常性任務，因此在設計時，是否合理利用熱能，采用哪種加熱方式，以及回流比和其他操作參數(shù)是否選得合適等，均要作全面考慮，力求總費用盡可能低一些。而且，應結(jié)合具體條件，選擇最佳方案。例如，在缺水地區(qū)，冷卻水的節(jié)省就很重要；在水源充足及電力充沛、價廉地區(qū)，冷卻水出口溫度就可選低一些，以節(jié)省傳熱面積。（3）保證安全生產(chǎn)例如酒精屬易燃物料，不能讓其蒸汽彌漫車間，也不能使用容易發(fā)生火花的設備。又如，塔是指定在常壓下操作的，

22、塔內(nèi)壓力過大或塔驟冷而產(chǎn)生真空，都會使塔受到破壞，因而需要安全裝置。以上三項原則在生產(chǎn)中都是同樣重要的。但在化工原理課程設計中，對第一個原則應作較多的考慮，對第二個原則只作定性的考慮，而對第三個原則只要求作一般的考慮。2.4精餾流程的確定 乙醇水溶液經(jīng)預熱至泡點后，用泵送入精餾塔。塔頂上升蒸氣采用全冷凝后，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。圖2.1 精餾流程簡圖第三章板式精餾塔的工藝計算23.1物料衡算乙醇的摩爾質(zhì)量為M乙=46kg/mol，水的摩爾質(zhì)量為M水=18kg/mol3.1.1 料液及塔頂、塔底產(chǎn)品含乙醇摩爾分數(shù)平

23、均摩爾質(zhì)量物料衡算 總的物料衡算 (1） 易揮發(fā)組分物料衡算 （2） 由（1）、（2）聯(lián)立得3.2回流比的確定 乙醇-水體系非理想體系，其平衡曲線有下凹部分，當操作線與交點尚未落在平衡線上之前，操作線已與平衡線相切，如圖3-1中點g所示。為此恒濃區(qū)出現(xiàn)在點g附近。Rmin可由（xD，yD）向平衡線做切線的斜率求得。 圖3-1乙醇-水的y-x圖由圖3-1可見，該切線的斜率為求得Rmin=1.463。所以R=2Rmin=2.92 由于物料采用泡點進料，q=1。 3.3塔板數(shù)的確定精餾塔的氣、液相負荷回收率 乙醇的回收率為：水的回收率為：操作線方程 精餾段操作線方程為 提餾段操作線方程為圖解法理論板

24、層數(shù) 采用直角梯級法求理論板層數(shù)，如圖3-2所示，在塔底或恒沸點附近作圖時需要將圖局部放大，如圖3-3和3-4。圖3-2 圖解法求理論板數(shù) 求解結(jié)果為： 總理論板層數(shù) NT=17進料板位置 NF=15 精餾段的理論板層數(shù) N精=14 提餾段的理論板層數(shù) N提=3（包括進料板）實際板層數(shù)的初步求取 設ET=55%，則 精餾段實際板層數(shù) N精=14/0.55=25 提餾段實際板層數(shù) N提=3/0.556 總實際板層數(shù) Np=N精+N提=25+6=31圖3-3 局部放大圖圖3-4 局部放大圖 塔板總效率估計（1）操作壓力計算 塔頂操作壓力 每層塔板壓降 進料板壓降 塔底操作壓力 精餾段平均壓降 （2

25、）操作溫度計算3 依據(jù)操作壓力，有泡點方程通過視差法計算出泡點溫度，其中乙醇、水的飽和蒸汽壓由安托方程計算，計算過程略。計算結(jié)果如下： 塔頂溫度 進料板溫度 塔底溫度 平均溫度 （3）粘度的計算在時，查的H2O=0.3165mPas，=0.397mPas（4） 相對揮發(fā)度計 根據(jù)乙醇、水的t-x-y圖，可以求出乙醇和水在塔底和塔頂?shù)姆謮海凰數(shù)南鄬]發(fā)度 塔底的相對揮發(fā)度 平均相對揮發(fā)度 (5)塔板總效率的估算 根據(jù),求的，且,所以假設成立。(6) 平均摩爾質(zhì)量塔頂混合物平均摩爾質(zhì)量的計算 由,查平衡曲線（見圖3-2）， 。 進料板混合平均摩爾質(zhì)量計算 由圖解理論版（見圖3-2）得，查平衡曲線

26、（見圖3-2）得， 精餾段混合物平均摩爾質(zhì)量3.4精餾塔有關物性計算精餾段的平均密度（1）氣相平均密度 由理想氣體狀態(tài)方程計算，即 （2）液相平均密度 液相平均密度依下式計，即塔頂液相平均密度。由，查的4， 5進料板液相平均密度。由，查的4， 5 進料板液相的質(zhì)量分數(shù)精餾段液相平均密度3.4.2 液體平均表面張力計算（1）塔頂液相平均表面張力的計算 當乙醇的質(zhì)量分數(shù)為93%時查圖2得，,切乙醇的臨界溫度為243，水的臨界溫度為374.2,則混合液體的臨界溫度為： 將混合液體的臨界溫度代入解得 （2）進料板液相平均表面張力的計算 當乙醇的質(zhì)量分數(shù)為35%時查圖2得，切乙醇的臨界溫度為243，水的

27、臨界溫度為374.2,則混合液體的臨界溫度為： 將混合液體的臨界溫度代入 解得 (3)精餾段液相平均表面張力計算本章符號意義第四章板式塔主要尺寸計算34.1精餾塔的塔體工藝尺寸計塔徑的計算精餾段的氣、液相體積流率為 氣體負荷系數(shù),由史密斯關聯(lián)圖,查得，圖中的橫坐 標為 取板間距離，板上液層高度，則 查圖4-1得,則 所以： 取安全系數(shù)為0.6，則空塔氣速為 取標準塔徑圓整后為： 塔截面積為 實際空塔氣速為 精餾塔有效高度計算 精餾段有效高度為 提餾段有效高度為4.2 塔板主要工藝尺寸的計算 4.2.1 溢流裝置計算因塔徑，可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。各項計算如下。 （1）堰長 取

28、。 （2）溢流堰高度 由 。選用平直堰，堰上液層高度好依下式計算，即 近似取，則取板上液層高度，故 （3）弓形降液管寬度和截面積 由查弓形降液管寬度與面積圖得故依式驗算液體在降液管中停留時間，即 故降液管設計合理。 （4）降液管底隙高度 取，則故降液管底隙高度合理。 4.2.2 塔板布置及浮閥數(shù)目與排列取閥孔動能因數(shù),用求孔速，即依式求每層塔板上的浮閥數(shù)，即取邊緣區(qū)寬度，破沫區(qū)寬度=0.07m。依式計算塔板上的鼓泡面積，即 浮閥排列方式采用正三角形排列。取同一橫排的孔心距，求出浮閥個數(shù)為61個。 閥孔數(shù)變化不大，仍在912之間。 塔板開孔率=4.3 塔板的流體力學驗算4.3.1 氣象通過浮閥塔

29、板的壓降可根據(jù)計算塔板壓降 （1）干板阻力 因為，所以有 (2)板上充氣液層阻力h1 本設備分離乙醇和水的混合液，即液相為水，可取充氣系數(shù)。所以 （3）克服表面張力所造成的阻力 因本設計采用浮閥塔，其很小，可忽略不計。因此，氣體流經(jīng)一層浮閥塔板的壓降所相當?shù)囊褐叨葹?單板壓降 4.3.2 淹塔為了防止淹塔現(xiàn)象的發(fā)生，要求控制降液管中清液層高度。可用下式計算，即 （1）與氣體通過塔板的壓降相當?shù)囊褐叨?。 （2）液體通過降液管的壓頭損失 因不設進堰口， 所以 （3）板上液層高度 取，則取，則可見 ，符合防止淹塔的要求。4.3.3 霧沫夾帶 板上液體流經(jīng)長度 板上液流面積 水和乙醇可按正常系統(tǒng)

30、按附錄3取物性系數(shù),又由泛點負荷圖查的泛點負荷系數(shù)，所以：由兩種方法計算出的泛點率都在80%以下，故可知霧沫夾帶量能滿足汽的要求。4.4塔板負荷性能圖 4.4.1霧沫夾帶線按式作出。對于一定物性及一定的塔結(jié)構(gòu)，式中均為已知值，相應于的泛點率上限值亦可確定，將各已知數(shù)代入上式，便得出，可作出負荷性能圖中的霧沫夾帶線。按泛點率=80%計算如下整理得 霧沫夾帶線為直線，則在操作范圍內(nèi)任意取兩個值，依上式算出相應的值列于表4-1中。4.4.2 液泛線 由確定液泛線。忽略項，所以+因物系一定，塔板結(jié)構(gòu)尺寸一定，則等均為定值，而與又有如下關系，即式中閥孔數(shù)與孔徑d0亦為定值。因此，可將上式簡化得 在造作范

31、圍內(nèi)任取若干個值，依上式都可算出一個相應的值列于表4-2中。 4.4.3液相負荷上限線 液體的最大流量應保證在降液管中停留時間不低于35s。 液體在降液管中停留時間 求出上限液體流量值（常數(shù)），在圖上，液相負荷上限線為與氣體流量無關的豎直線。 以作為液體在降液管中停留時間的下限，則 4.4.4漏液線對于F1型重閥，依計算，則。又知,即 式中均為已知數(shù)，故可由此式求出氣相負荷的下限值，據(jù)此作出與液相流量無關的水平漏液線。以作為規(guī)定氣體最小負荷的標準，則4.4.5液相負荷下限線 取堰上葉層高度作為液相負荷下限條件，依下列的計算式 計算出的下限值，依此作為液相負荷下限線，該線為與氣相流量無關的豎直直

32、線。 取,則4.4.6塔板負荷性能圖 根據(jù)表4-1、表4-1及式、可分別作出塔板負荷性能圖上的,見圖4-1。 由塔板負荷性能圖可以看出： （1）在任務規(guī)定的氣液負荷下的操作點A，處在適宜操作區(qū)內(nèi)的適中位置。 （2) 塔板的氣相負荷上限完全由霧沫夾帶控制。 （3）按照固定的液氣比，由圖4-4查出的塔板的氣相負荷上限，所以 操作彈性圖4-1 塔板負荷性能圖塔板負荷性能圖解釋說明 （1）液沫夾帶線 圖中線 1 為霧沫夾帶線，又稱氣相負荷上限線。如操作的氣液相負荷超過此線時，表明液沫夾帶現(xiàn)象嚴重，此時液沫夾帶量eV0.1kg（液）/ kg（氣）。塔板的適宜操作區(qū)應在該線以下。 （2）液泛線 圖中線2為

33、液泛線。若操作的氣液負荷超過此線時，塔內(nèi)將發(fā)生液泛現(xiàn)象，使塔不能正常操作。塔板的適宜操作區(qū)在該線以下。 （3）液相負荷上限線 圖中線 3 為液相負荷上限線。若操作的液相負荷高于此線時，表明液體流量過大，此時液體在降液管內(nèi)停留時間過短，進入降液管內(nèi)的氣泡來不及與液相分離而被帶入下層塔板，造成氣相返混，使塔板效率下降。塔板的適宜操作區(qū)應在該線以左。 （4）漏液線 圖中線 4 為漏液線，又稱氣相負荷下限線。當操作的氣相負荷低于此線時，將發(fā)生嚴重的漏液現(xiàn)象。此時的漏液量大于液體流量的10%。塔板的適宜操作區(qū)應在該線以上。 （5）液相負荷下限線 圖中線 5 為液相負荷下限線。若操作的液相負荷低于此線時，

34、表明液體流量過低，板上液流不能均勻分布，氣液接觸不良，易產(chǎn)生干吹、偏流等現(xiàn)象，導致塔板效率的下降。塔板的適宜操作區(qū)應在該線以右。計算結(jié)果匯總本章符號說明 表4-4第五章精餾裝置的附屬設備精餾裝置的主要附屬設備包括蒸氣冷凝器、產(chǎn)品冷凝器、塔底再沸器、原料預熱器、直接蒸汽鼓管、物料輸送管及泵等。前四種設備本質(zhì)上屬換熱器，并多采用列管式換熱器，管線和泵屬輸送裝置。下面簡要介紹。5.1 回流冷凝器 5.1.1 冷凝器的介紹6按冷凝器與塔的位置，可分為：整體式、自流式和強制循環(huán)式。（1）整體式 如圖5-1(a)和(b)所示。將冷凝器與精餾塔作成一體。這種布局的優(yōu)點是上升蒸汽壓降較小，蒸汽分布均勻，缺點是

35、塔頂結(jié)構(gòu)復雜，不便維修，當需用閥門、流量計來調(diào)節(jié)時，需較大位差，須增大塔頂板與冷凝器間距離，導致塔體過高。該型式常用于減壓精餾或傳熱面較小場合。圖5-1 冷凝器的型式（2）自流式 如圖5-1（c）所示。將冷凝器裝在塔頂附近的臺架上，靠改變臺架的高度來獲得回流和采出所需的位差。 （3）強制循環(huán)式 如圖5-1（d）、（e）所示。當冷凝器換熱面過大時，裝在塔頂附近對造價和維修都是不利的，故將冷凝器裝在離塔頂較遠的低處，用泵向塔提供回流液。需指出的是，在一般情況下，冷凝器采用臥式，因為臥式的冷凝液膜較薄，故對流傳熱系數(shù)較大，且臥式便于安裝和維修。 5.1.2 冷凝器的選擇本設計選擇強制循環(huán)式冷凝器冷凝

36、器置于塔下部適當位置，用泵向塔頂送回流冷凝水，在冷凝器和泵之間需設回流罐，這樣可以減少臺架，且便于維修、安裝，造價不高。 5.1.3冷凝器的傳熱面積和冷卻水的消耗量熱流體為85.45的93%的乙醇蒸汽，冷流體為20的水查液體氣化共線圖得r1=925kJ/，r2=2400kJ/。qm1=0.40kg/sQ=qm1r1Q=qm2r2解得 qm2=0.154 kg/s傳熱面積： ，取K=700Wm-2/所以 Q(J/s或W；)單位時間內(nèi)的傳熱量;qm1,qm2(kg/s)熱、冷流體的質(zhì)量流量;r1,r2(J/kg)熱，冷流體的汽化潛熱.5.2 再沸器 5.2.1 再沸器的介紹6精餾塔底的再沸器可分為：釜式再沸器、熱虹吸式再沸器及強制循環(huán)再沸器。（1）釜式式再沸器如圖 5-2（a）和（b）所示。（a）是臥式再沸器，殼方為釜液沸騰，管內(nèi)可以加熱蒸汽。塔底液體進入底液池中，再進入再沸器的管際空間被加熱而部分汽化。蒸汽引到塔底最下一塊塔板的下面，部分液體則通過再沸器內(nèi)的垂直擋板，作為塔底產(chǎn)物被引出。液體的采出口與垂直塔板之間的空間至少停留810 分鐘，以分離液體中的氣泡。為減少霧沫夾帶，再沸器上方應有一分離空間，對于小設備，管束上方至少有300mm 高的分離空間，對于大設備，取再沸器殼徑為管束直徑的1.31.6倍。