塔板式精餾塔設(shè)計(jì)(圖文表)

1、 WORD格式可編輯（一）設(shè)計(jì)方案的確定本設(shè)計(jì)任務(wù)為乙醇-水混合物。設(shè)計(jì)條件為塔頂常壓操作，對(duì)于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。酒精精餾與化工精餾過程不同點(diǎn)就在于它不僅是一個(gè)將酒精濃縮的過程，而且還擔(dān)負(fù)著把粗酒精中50多種揮發(fā)性雜質(zhì)除去的任務(wù)，所以濃縮酒精和除去雜質(zhì)的過程在酒精工業(yè)中稱為精餾。物料中的雜質(zhì)基本上是在發(fā)酵過程中生成的，只是很少數(shù)的雜質(zhì)是在蒸煮和蒸餾過程中生成的。本次設(shè)計(jì)的精餾塔用板式塔，內(nèi)部裝有塔板、降液管、各種物料的進(jìn)出口及附屬結(jié)構(gòu)（如全凝器等）。此外，在塔板上有時(shí)還焊有保溫材料的支撐圈，為了方便檢修，在塔頂還裝有可轉(zhuǎn)動(dòng)的吊柱。塔板是板式塔的主要構(gòu)件，本設(shè)計(jì)所用的塔板為篩

2、板塔板。篩板塔的突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單造價(jià)低，合理的設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)牟僮髂苁购Y板塔滿足要求的操作彈性，而且效率高，并且采用篩板可解決堵塞問題，還能適當(dāng)控制漏液。設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送人精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲(chǔ)罐。該物系屬不易分離物系，最小回流比較小，采用其1.5倍。設(shè)計(jì)中采用圖解法求理論塔板數(shù)，在溢流裝置選擇方面選擇單溢流弓形降液管。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔頂產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲(chǔ)罐。（二）精餾塔的物料衡算1.原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率乙醇的摩爾質(zhì)量 M乙醇=46kg/kmol純水的摩爾質(zhì)量

3、M水 =18kg/kmolxF=0.174xD=0.779xW=0.0022.原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量MF=0.174×4618×(1-0.174)= 22.872kg/kmolMD=0.779×4618×(1-0.779)= 39.812kg/kmolMW=0.002×4618×(1-0.002)= 18.056kg/kmol3.物料衡算D=167.454 kmol/hF=D+WF·xF=D·xD+W·xW解得 F=756.464kmol/h W=589.01 kmol/h（三）塔板數(shù)的確定

4、1.回流比的選擇由任務(wù)書提供的乙醇-水物系的氣液平衡數(shù)據(jù)繪出x-y圖； 由于設(shè)計(jì)中選用泡點(diǎn)式進(jìn)料，q=1，故在圖中對(duì)角線上自點(diǎn)a（xD,xD）作垂線，與Y軸截距oa=xD/(Rmin+1)=0.415即最小回流比Rmin=xD/oa-1=0.877取比例系數(shù)為1.5，故操作回流比R為R=1.5×0.877=1.3162.精餾塔的氣液相負(fù)荷的計(jì)算L=RD=1.316×167.454=220.369 kmol/hV=L+D=(R+1)D=2.316×167.454=387.823 kmol/hL=L+qF=220.369+756.464=976.833 kmol/hV

5、=V+(q-1)F=V=387.823 kmol/h3.操作線方程精餾段操作線方程為y=x+xD=x+×0.779即：y=0.568x+0.336提餾段操作線方程為y=x-xW=x-×0.002即：y=2.519x-0.0034.采用圖解法求理論塔板數(shù)總理論塔板層數(shù) NT=13進(jìn)料板位置 NF=第10層5.全塔效率的計(jì)算查上圖可知，tD=78.43oC tW=99.53oCt平均= tD tW =88.35 oC塔頂P乙醇=101.749 KPaP水=44.607 KPa頂=2.281塔底P乙醇=222.502 KPaP水=99.754 KPa底=2.231平均=頂?shù)?2.

6、256平均溫度下A=0.38 mPa·sB=0.323 mPa·sL=xAA+(1-xA) B=0.079×0.38+(1-0.079)×0.323=0.327 mPa·s查蒸餾塔全塔效率圖，橫坐標(biāo)為平均L=0.738可查得ET=526.實(shí)際板層數(shù)求取精餾段實(shí)際板層數(shù)N精=9/0.52=17.3118提餾段實(shí)際板層數(shù)N提=4/0.52= 7.698（四）精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算1.操作壓力計(jì)算塔頂操作壓力PD=101.3 KPa單板壓降P=0.7 kPa進(jìn)料板壓力PF=0.7×18+101.3=113.9 kPa塔底操作壓

7、力PW=101.3+0.7×26=119.5 kPa精餾段平均壓力Pm=(101.3+113.9)/2=107.6 kPa壓力Pm=(113.9+119.5)/2=116.7 kPa2.操作溫度計(jì)算計(jì)算全塔效率時(shí)已知塔頂溫度 tD=78.43 oC進(jìn)料板溫度tF=83.75 oC塔底溫度tW=99.53 oC 精餾段平均溫度tm=(tD+tF)/2=(78.43+83.75)/2=81.09 oC提餾段平均溫度tm=(tW+tF)/2=(99.53+83.75)/2=91.64 oC3.平均摩爾質(zhì)量計(jì)算塔頂平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 由xD=y1=0.779 查上圖可得x1=0.741MVDm

8、=0.779×46+(1-0.779)×18=39.812 g/molMLDm=0.741×46+(1-0.741)×18=38.748 g/mol進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 tf=83.74 oC由yF=0.518 查上圖可得xF=0.183MVFm=0.518×46+(1-0.518)×18=32.504 g/molMLFm=0.183×46+(1-0.183)×18=23.124 g/mol精餾平均摩爾質(zhì)量MVm=( MVDm+ MVFm)/2=36.158 g/molMLm=( MLDm+ MLFm)/2=30

9、.936 g/mol4.平均密度計(jì)算氣相平均密度計(jì)算由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，即Vm=1.321kg/m3液相平均密度計(jì)算液相平均密度依1/Lm=i/i計(jì)算塔頂液相平均密度計(jì)算tD=78.43 oC時(shí) 乙醇=740 kg/m3 水=972.742 kg/m3LDm=758.14 kg/m3進(jìn)料板液相平均密度計(jì)算tF=83.75 oC時(shí) 乙醇=735 kg/m3 水=969.363 kg/m3LFm=868.554 kg/m3塔底液相平均密度計(jì)算tW=99.53 oC時(shí) 乙醇=720 kg/m3 水=958.724 kg/m3LWm=957.137 kg/m3精餾段液相平均密度計(jì)算Lm=(LFm+

10、LDm)/2=(758.14+868.554)/2=813.347 kg/m3提餾段液相平均密度計(jì)算Lm=(LFm+LWm）/2=(957.137+868.554)/2=912.846 kg/m35.液體平均表面張力計(jì)算液體平均表面張力依Lm=xii計(jì)算塔頂液相平均表面張力計(jì)算tD=78.43時(shí)乙醇=62.866 mN/m 水=17.8 mN/mLDm=0.779×17.8+0.221×62.886=84.446 mN/m進(jìn)料板液相平均表面張力計(jì)算tF=83.75時(shí)乙醇=61.889 mN/m 水=17.3 mN/mLFm=0.183×17.3+0.817

11、5;61.889=53.729 mN/m塔底液相平均表面張力計(jì)算tW=99.53時(shí)乙醇=58.947 mN/m 水=15.9 mN/mLWm=0.005×15.9+0.995×58.947=58.732 mN/m精餾段液相平均表面張力計(jì)算Lm =(84.446+53.729)/2=69.088 mN/m提餾段液相平均表面張力計(jì)算Lm =(58.732+53.729)/2=56.231 mN/m6.液體平均粘度計(jì)算液體平均粘度依lgLm=xilgi計(jì)算塔頂液相平均粘度計(jì)算tD=78.43oC時(shí) 乙醇=0.364mPa·s 水=0.455 mPa·slgLD

12、m=0.779lg(0.455)+0.221lg(0.364)=-0.363LDm =0.436 mPa·s進(jìn)料液相平均粘度計(jì)算tF=83.75 oC時(shí) 乙醇=0.341mPa·s 水=0.415 mPa·slgLFm=0.183lg(0.415)+0.817lg(0.341)=-0.452LFm=0.353 mPa·s塔底液相平均粘度計(jì)算tW=99.53 oC時(shí) 乙醇=0.285mPa·s 水=0.335 mPa·slgLWm=0.002lg(0.335)+0.998lg(0.285)=-0.544LWm=0.285 mPa

13、3;s精餾段液相平均粘度計(jì)算Lm=(0.436+0.353)/2=0.395 mPa·s提餾段液相平均粘度計(jì)算Lm=(0.285+0.353)/2=0.319 mPa·s（五）精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算1.塔徑的計(jì)算精餾段的氣液相體積流率為VS=2.949 m3/sLS=0.0023 m3/s查史密斯關(guān)聯(lián)圖，橫坐標(biāo)為()=() 1/2=0.0196 取板間距HT=0.45m ，板上液層高度hL=0.06m ，則HT-hL=0.39m 查圖可得C20=0.08由C=C20()0.2=0.08(69.088/20)0.2=0.103umax=C(L-V)/ V=2.554 m/s

14、取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為u=0.7umax=1.788 m/sD=4Vs/u=1.39 m按標(biāo)準(zhǔn)塔徑元整后 D=1.4 m塔截面積AT=(/4)×1.42=1.539 實(shí)際空塔氣速為 u=2.717/1.539=1.765 m/s2.精餾塔有效高度的計(jì)算精餾段有效高度為Z精=（N精-1）HT=7.65 m提餾段有效高度為Z提=（N提-1）HT=3.15 m在進(jìn)料板上方開一人孔，其高度為 1m 故精餾塔的有效高度為 Z=Z精+Z提+1=7.65+3.15+1=11.8 m（六）塔板主要工藝尺寸的計(jì)算1.溢流裝置計(jì)算因塔徑D=1.4 m，可選用單溢流弓形降液管 堰長lW=0.7&

15、#215;1.4=0.98 m2.溢流強(qiáng)度i的校核i=Lh/lW=0.0023×3600/0.98=8.449100130m3/h·m 故堰長符合標(biāo)準(zhǔn)3.溢流堰高度hW平直堰堰上液層高度how=E（Lh/lW）2/3由于Lh不大，通過液流收縮系數(shù)計(jì)算圖可知E近似可取E=1how=×1×（Lh/lW）2/3=0.0119 mhW=hL-how=0.06-0.0119=0.0481 m4.降液管尺寸計(jì)算查弓形降液管參數(shù)圖，橫坐標(biāo)lW/D=0.7 可查得Af/AT=0.093 Wd/D=0.151故Af=0.093AT=0.143 Wd=0.151Wd=0.2

16、11 留管時(shí)間=3600ATHT/LH=27.64 s5 s符合設(shè)計(jì)要求5.降液管底隙高度hohO=Lh/3600lWu0=0.0023/0.98×0.08=0.03 mhW-hO=0.0481-0.03=0.0181 m0.006 m6.塔板布置塔板的分塊 D=1400 mm800 mm，故塔板采用分塊式。分為4塊。邊緣區(qū)寬度確定 Ws = Ws=0.065 m,Wc=0.035 m開孔區(qū)面積計(jì)算x=D/2-(Wd+Ws)=1.4/2-(0.211+0.065)=0.414 mr=D/2-Wc=1.4/2-0.035=0.665 m故Aa=2(x(r2-x2)+r2/180sin-

17、1(x/r)=1.046 篩孔計(jì)算及其排列本例所處理的物系無腐蝕性?？蛇x用=3mm碳鋼板，取篩孔直徑d=5mm?？字行木鄑=3d=3×5=15 mm篩孔數(shù)n=1.1551.046/0.0152=5369 個(gè)開孔率=0.907(d2/t2)=10.1氣體通過閥孔的氣速為u0=30.541 m/s（七）篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算1.塔板壓降干板阻力hc計(jì)算由c=0.790hc=0.051（）2()=0.044氣體通過液層阻力hlua=Vs/(AT-Af)=2.944/(1.539-0.143)=2.112 m/sFo=2.112=2.428 查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖得=0.55hl=hL=(hW+hOW

18、)=0.55(0.0119+0.0481)=0.033 m液柱液體表面張力所產(chǎn)生的阻力h計(jì)算h=4L/Lgd=4×56.231/(813.347×9.81×5)=0.00524mhp=hp+hl+h=0.124+0.033+0.00524=0.162 m液柱每層塔板壓降Pp=hpLg=0.082×813.347×9.81=0.65 KPa0.7KPa2.液沫夾帶hf=2.5hL=2.5×0.06=0.15 m故ev=(2.112/(0.45-0.06)3.2=0.02260.1本設(shè)計(jì)中液沫夾帶在允許范圍內(nèi)3.漏液篩板塔中，漏液點(diǎn)氣速u

19、0,min=4.4Co(0.0056+0.13hL-h) L/V)0.5=7.714 m/s實(shí)際孔速 u0=30.541 m/su0,min穩(wěn)定系數(shù)K=u0/u0,min=30.541/7.714=3.9671.5故本設(shè)計(jì)中無明顯漏液4.液泛(HT+hw)=0.5×(0.45+0.0481)=0.249 m液柱Hd=hp+hL+hd=0.162+0.06+0.001=0.223 m液柱Hd(HT+hw)故在本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象（八）塔板負(fù)荷性能圖1.漏液線Vs,min=0.367(4.071+54.119Ls2/3)0.5操作范圍內(nèi)任取Ls值，算出Vs值，列表如下Ls0.0006

20、0.00150.00300.0045Vs0.7810.8110.8370.8642.液沫夾帶線Vs=2.895-14.828 Ls2/3操作范圍內(nèi)任取Ls值，算出Vs值，列表如下Ls0.00060.00150.00300.0045Vs2.7902.7012.5872.4913.液相負(fù)荷下限線how=E(3600Ls/lW)2/3=0.0119Ls,min=(0.0119×1000/2.84)3/20.98/3600=0.000476 m3/s4.液相負(fù)荷上限線以=4s作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限=AfHT/Ls=4Ls,max= AfHT/4=0.143×0.33/4=

21、0.0059 m3/s5.液泛線0.0119Vs2=0.114-177L2s-1.048La2/3操作范圍內(nèi)任取Ls值，算出Vs值，列表如下Ls0.00060.00150.00300.0045Vs2.9912.8972.7592.6236.負(fù)荷性能圖依據(jù)各線方程繪圖如上,上限為液沫夾帶控制，下限為漏液控制。讀圖可得：Vs,max=2.673 m3/sVs,min=0.789 m3/s故操作彈性為Vs,max/Vs,min=2.673/0.789=3.389（九）精餾塔接管尺寸計(jì)算1.塔頂蒸汽出口管選uo=20 m/s VD=387.823 kmol/hMVDm=39.812 g/mol VDm

22、=PDMVDm/RTD=1.38 kg/m3qm=VMVDm=15440 kg/h qv=qm/VDm=3.11 m3/sD=(4qv/uo)0.5=445 mm2.進(jìn)料管uF=1.6 m/s 在35乙醇水溶液在45下密度=927kg/m³MFm=46×0.174+18×(1.0.174)=21.072 g/molF=756.464 kmol/h qmF=FMFm=4.428 kg/sqvF=4.78×10-3 m3/s D=(4qvF/uF)0.5=62 mm3.回流管u=1.6 m/sMm=39.812 g/mol L=220.369 kmol/hq

23、m=MmL=2.44 kg/s =758.14 kg/m³qv=3.22×10-3 m3/s D=(4qv/u)0.5=51 mm 4.塔釜出料管uw=1.6 m/sMLWm=18.056 g/mol W=589.01 kmol/h=957.37 kg/m3 qm=MLWmW=2.95 kg/sqv=qm/=3.08×10-3 m3/s D=(4qv/uw)0.5=50 mm（十）計(jì)算結(jié)果一覽表序號(hào)項(xiàng)目數(shù)值1平均溫度，81.092平均壓力，kPa107.63氣相流量，m³/s2.9494液相流量，m³/s0.00235實(shí)際塔板數(shù)266有效段高度，m11.87塔徑，m1.48板間距，m0.459溢流形式單溢流10降液管形式弓形11堰長，m0.9812堰高，m0.048113板上液層高度，m0.0614堰上液層高度，m0.011915降液管底隙高度，m0.0316安定區(qū)寬度，m0.06517邊緣區(qū)寬度，m0.03518開孔區(qū)面積，1.04619篩孔直徑，m0.00520篩孔數(shù)目536921孔中心距，m0.0152