乙醇水板式精餾塔課程設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上1. 引言1.1. 精餾原理及其在化工生產(chǎn)上的應(yīng)用實(shí)際生產(chǎn)中，在精餾柱及精餾塔中精餾時(shí)，上述部分氣化和部分冷凝是同時(shí)進(jìn)行的。對(duì)理想液態(tài)混合物精餾時(shí)，最后得到的餾液(氣相冷卻而成)是沸點(diǎn)低的B物質(zhì)，而殘液是沸點(diǎn)高的A物質(zhì)，精餾是多次簡單蒸餾的組合。精餾塔底部是加熱區(qū)，溫度最高；塔頂溫度最低。精餾結(jié)果，塔頂冷凝收集的是純低沸點(diǎn)組分，純高沸點(diǎn)組分則留在塔底。1.2. 精餾塔對(duì)塔設(shè)備的要求精餾設(shè)備所用的設(shè)備及其相互聯(lián)系，總稱為精餾裝置，其核心為精餾塔。常用的精餾塔有板式塔和填料塔兩類，通稱塔設(shè)備，和其他傳質(zhì)過程一樣，精餾塔對(duì)塔設(shè)備的要求大致如下： 生產(chǎn)能力大：即單位塔截面大的

2、氣液相流率，不會(huì)產(chǎn)生液泛等不正常流動(dòng)。 效率高：氣液兩相在塔內(nèi)保持充分的密切接觸，具有較高的塔板效率或傳質(zhì)效率。 流體阻力?。毫黧w通過塔設(shè)備時(shí)阻力降小，可以節(jié)省動(dòng)力費(fèi)用，在減壓操作是時(shí)，易于達(dá)到所要求的真空度。 有一定的操作彈性：當(dāng)氣液相流率有一定波動(dòng)時(shí)，兩相均能維持正常的流動(dòng)，而且不會(huì)使效率發(fā)生較大的變化。 結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，安裝檢修方便。 能滿足某些工藝的特性：腐蝕性，熱敏性，起泡性等。11.11.21.3 常用板式塔類型及本設(shè)計(jì)的選型常用板式塔類型有很多，如：篩板塔、泡罩塔、舌型塔、浮閥塔等。）由于浮閥塔有如下優(yōu)點(diǎn)： 生產(chǎn)能力大，由于塔板上浮閥安排比較緊湊，其開孔面積大于泡罩塔板，生產(chǎn)能

3、力比泡罩塔板大 20%40%，與篩板塔接近。操作彈性大，由于閥片可以自由升降以適應(yīng)氣量的變化，因此維持正常操作而允許的負(fù)荷波動(dòng)范圍比篩板塔，泡罩塔都大。 塔板效率高，由于上升氣體從水平方向吹入液層，故氣液接觸時(shí)間較長，而霧沫夾帶量小，塔板效率高。 氣體壓降及液面落差小，因氣液流過浮閥塔板時(shí)阻力較小，使氣體壓降及液面落差比泡罩塔小。 塔的造價(jià)較低，浮閥塔的造價(jià)是同等生產(chǎn)能力的泡罩塔的 50%80%，但是比篩板塔高 20%30。 而且近幾十年來，人們對(duì)浮閥塔的研究越來越深入，生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)越來越豐富，積累的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)比較完整，因此設(shè)計(jì)浮閥塔比較合適。、2. 設(shè)計(jì)條件與任務(wù)在一常壓操作的連續(xù)板式精餾塔(自選

4、塔板類型)內(nèi)分離乙醇-水混合物,直接蒸汽加熱。生產(chǎn)能力和產(chǎn)品的質(zhì)量要求見下表。組號(hào)處理量/料液組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%塔頂產(chǎn)品濃度（(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%塔釜產(chǎn)品濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%920 000455操作條件：塔頂壓力：4kPa(表壓)； 進(jìn)料熱狀態(tài)：自選； 回流比：自選； 單板壓降 。工作日：每年300天，每天24小時(shí)。廠址：武漢地區(qū)。3. 設(shè)計(jì)方案的確定3.1. 設(shè)計(jì)思路確定設(shè)計(jì)方案總的原則是在可能的條件下，盡量采用科學(xué)技術(shù)上的最新成就，使生產(chǎn)達(dá)到技術(shù)上最先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)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(diǎn)：、(1) 滿足工藝和操作的要求所設(shè)計(jì)出來的流程和設(shè)備，

5、首先必須保證產(chǎn)品達(dá)到任務(wù)書上規(guī)定的要求，而且質(zhì)量要穩(wěn)定，這就要求各流體流量和壓頭穩(wěn)定，入塔料液的溫度和狀態(tài)穩(wěn)定。其次，設(shè)計(jì)方案需要有一定的操作彈性，各處流量應(yīng)能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，必要時(shí)傳熱量也可進(jìn)行調(diào)整。因此，在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b調(diào)節(jié)閥門，在管路中安裝備用支線。計(jì)算傳熱面積和選取操作指標(biāo)時(shí)，也應(yīng)考慮到生產(chǎn)上的可能波動(dòng)。再次，要考慮必需裝置的儀表位置，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。(2) 滿足經(jīng)濟(jì)上的要求 要節(jié)省熱能和電能的消耗，減少設(shè)備及基建費(fèi)用。比如在精餾過程中適當(dāng)?shù)乩盟敗⑺椎膹U熱，就能節(jié)約很多生蒸汽和冷卻水，也能減少電能消耗。又如冷卻水出口溫度的

6、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(duì)操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)都有影響。同樣，回流比的大小對(duì)操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)也有很大影響。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，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(fèi)用盡可能低一些。而且，應(yīng)結(jié)合具體條件，選擇最佳方案。(3)滿足安全生產(chǎn)的要求酒精屬易燃物料，如果其蒸氣在車間擴(kuò)散，一碰到火花就可能發(fā)生爆炸。分離酒精的版式塔是在常壓下操作的，塔內(nèi)壓力過大或塔驟冷而產(chǎn)生真空，都會(huì)使塔受到破壞，因而需要安全裝置。以上三項(xiàng)原則在生產(chǎn)中都是同樣重要的。但在化工原理課程設(shè)計(jì)中，對(duì)第一個(gè)原則應(yīng)作較多的考慮，對(duì)第二個(gè)原則只作

7、定性的考慮，而對(duì)第三個(gè)原則只要求作一般的考慮。3.2. ）3.3. 加熱方式精餾塔通常設(shè)置再沸器，采用間接蒸汽加熱，以提供足夠的熱量。本設(shè)計(jì)采用的冷卻方式為全凝器冷卻。 3.4. 選擇適宜回流比適宜的回流比應(yīng)該通過經(jīng)濟(jì)核算來確定，即操作費(fèi)用和設(shè)備折舊費(fèi)用之和為最低時(shí)的回流比為最適宜的回流比。確定回流比的方法為：先求出最小回流比Rmin，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取操作回流比為最小回流比的倍，考慮到原始數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)任務(wù)，本方案取，即：R ；采用釜液產(chǎn)品去預(yù)熱原料，可以充分利用釜液產(chǎn)品的余熱，節(jié)約能源。3.5. 回流方式：泡點(diǎn)回流泡點(diǎn)回流易于控制,設(shè)計(jì)和控制時(shí)比較方便,而且可以節(jié)約能源。3.6. 流程圖!4. 精餾塔

8、的工藝設(shè)計(jì)4.1. 精餾塔全塔物料衡算F：進(jìn)料量（kmol/s） ：原料組成（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）D：塔頂產(chǎn)品流量（kmol/s） ：塔頂組成W：塔底殘液流量（kmol/s） ：塔底組成：原料乙醇組成： xF=45/4645/46+55/18=24.26% (4.1.1) 塔頂組成：xD=92.5/4692.5/46+7.5/18=82.83% (4.1.2) 塔底組成：xW=5/465/46+95/18=2.02% (4.1.3) 進(jìn)料量：F=20000ta-1=200001030.4546+1-0.243600=0.0311kmol/s (4.1.4) 間接蒸汽加熱，所以：物料衡算式：F=D+

9、WFxF=DxD+WxW (4.1.5) 聯(lián)立代入求解：D=0.0086kmol/sW=0.0225kmol/s (4.1.6) 4.2. 實(shí)際回流比,由數(shù)據(jù)手冊查得乙醇-水物系的汽-液平衡數(shù)據(jù)如下：表4-1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0.006m所以選取平直堰，則取板上流層高度hL=50mm。對(duì)一般的塔，板上流層高度hL可在50100mm范圍內(nèi)選取，這樣，在求出how后可按下式給出的范圍確定hw：50-howhw100-how（式中單位為mm）。故hw=hL-how=0.05-0.0086=0.0414m6.1.1.3. 弓形降液管寬度Wd和截面積

10、Af圖 弓形降液管參數(shù)圖由lw/D=0.70查弓形降液管參數(shù)圖得AfAT=0.093；WdD=0.16故Af=0.093AT=0.0930.64=0.060m3Wd=0.16D=0.160.80=0.128m驗(yàn)算液體在降液管中停留時(shí)間，即：=AfHTLs1=0.0600.40.=29.4s5s所以降液管設(shè)計(jì)合理。6.1.1.4. 降液管底隙高度h0h0=LS1lwu0液體流經(jīng)底隙的流速一般不大于降液管內(nèi)的線速度，一般可取s,則取u0=0.07m/s,h0=LS1lwu0=0.560.10=0.0207m(0.020.025)m所以降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理，選用凹形受液盤（對(duì)于直徑在800mm以上

11、的大盤，一般多采用凹形受液盤）。又因?yàn)榘夹问芤罕P深度一般在50mm以上， 有側(cè)線出料時(shí)宜取深些，故在這里取深度h=80mm。設(shè)置入口堰既要多占用一定的塔板面積，還易使沉淀物在此淤積而造成堵塞，因此不設(shè)入口堰。6.1.2. 塔板設(shè)計(jì)6.1.2.1. 塔板分塊塔板有整塊式和分塊式兩種，直徑在800mm一下的小塔多采用整塊式塔板，直徑在900mm以上的多采用分塊式塔板。D=800mm，塔徑采用整塊式或分塊式皆可，在此我們選取整塊式。6.1.2.2. 邊緣區(qū)寬度確定安定區(qū)的寬度WS是指入口堰或出口堰與離它最近一排孔的中心線之間的距離，其值可按下述經(jīng)驗(yàn)范圍選?。寒?dāng)塔徑D，時(shí)，WS=6075mm；當(dāng)D0.

12、006m所以選取平直堰，則取板上流層高度hL=50mm。|對(duì)一般的塔，板上流層高度hL可在50100mm范圍內(nèi)選取，這樣，在求出how后可按下式給出的范圍確定hw：50-howhw100-how（式中單位為mm）。故hw=hL-how=0.05-0.0113=0.00387m6.2.1.2. 弓形降液管寬度Wd和截面積Af由lw/D=0.70查弓形降液管參數(shù)圖得AfAT=0.093；WdD=0.16故Af=0.093AT=0.0930.64=0.060m3Wd=0.16D=0.160.80=0.128m驗(yàn)算液體在降液管中停留時(shí)間，即：=AfHTLs2=0.0600.40.00123=19.51

13、s5s所以降液管設(shè)計(jì)合理。6.2.1.3. 降液管底隙高度h0h0=LS2lwu0液體流經(jīng)底隙的流速一般不大于降液管內(nèi)的線速度，一般可取s,則取u0=0.07m/s,h0=LS2lwu0=0.560.10=0.0313m(0.020.025)m所以降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理，選用凹形受液盤（對(duì)于直徑在800mm以上的大盤，一般多采用凹形受液盤）。又因?yàn)榘夹问芤罕P深度一般在50mm以上， 有側(cè)線出料時(shí)宜取深些，故在這里取深度h=80mm。設(shè)置入口堰既要多占用一定的塔板面積，還易使沉淀物在此淤積而造成堵塞，因此不設(shè)入口堰。6.2.2. 塔板設(shè)計(jì)6.2.2.1. |6.2.2.2. 塔板分塊塔板有整塊式

14、和分塊式兩種，直徑在800mm一下的小塔多采用整塊式塔板，直徑在900mm以上的多采用分塊式塔板。D=800mm，塔徑采用整塊式或分塊式皆可，在此我們選取整塊式。6.2.2.3. 邊緣區(qū)寬度確定取WS=60mm=0.06m；取Wc=40mm=0.04m。6.2.2.4. 浮閥數(shù)目與開孔率浮閥的形式有很多種，在這里使用F1型重閥，直徑均為39mm。對(duì)F1型浮閥，當(dāng)板上所有浮閥剛剛?cè)_時(shí)，F(xiàn)0c的大小在912之間。在設(shè)計(jì)時(shí)，取【F0c=11u0c=F0cV=112.07=7.646 u0=u0c浮閥數(shù)N=VS4d02u0=0.3903.1440.03927.646=436.2.2.5. 閥孔的排列

15、鼓泡區(qū)面積Aa計(jì)算：在確定了弓形寬度Wd，安定區(qū)的寬度WS和邊緣區(qū)的寬度Wc之后，應(yīng)按下式計(jì)算鼓泡區(qū)面積：)Aa=2xr2-x2+r2180arcsinxr式中 Aa為鼓泡區(qū)面積，m2;x=D2-Wd+Ws,m; r=D2-Wc,m; arcsinxr為以弧度表示的反三角函數(shù)。 計(jì)算：x=D2-Wd+Ws=0.40-0.128+0.06=0.212mr=D2-Wc=0.40-0.04=0.36mAa=2xr2-x2+r2180arcsinxr=2(0.2120.362-0.2122+3.140.arcsin0.2120.36=0.2866m2計(jì)算：t=d00.907AaA0=0.0390.90

16、70.28660.3907.646=0.088m取整得t=.根據(jù)已確定的孔徑作圖，圖 邊緣區(qū)擋板設(shè)置圖在鼓泡區(qū)內(nèi)實(shí)際布置得出的確定的閥孔總數(shù)N=63，由式】N=VS4d02u0得：u0=VS4d02N=0.5293.1440.039237=8.319m/s則F0= u0v=7.0332.01=12（912）開孔率=A0AT=N（d0D)2=37(0.0390.8)2=8.79%因此作圖得到的閥孔數(shù)能滿足要求。6.3. 塔板的流體力學(xué)性能的驗(yàn)算6.3.1. 精餾段6.3.1.1. !6.3.1.2. 塔板壓降核算氣體通過浮閥塔頂?shù)撵o壓頭降hf=hc+hl+h其中hf為氣體通過一層浮閥塔板的靜壓頭

17、降，m；hc為干板靜壓頭降，即氣體客克服干板阻力所產(chǎn)生的靜壓頭降，m； hl為氣體克服板上液層的靜壓強(qiáng)所產(chǎn)生的靜壓頭降，m； h為氣體克服液體表面張力所產(chǎn)生的靜壓頭降，m. （1）干板靜壓頭降hc)浮閥塔板在浮閥全開前與全開后，靜壓頭降有不同的大小，對(duì)F1型重閥可按下式計(jì)算：全開前：hc=19.9u00.175L全開后：hc=5.34u0c22gVL式中 hc為干板靜壓頭降,mu0為閥孔氣速，m/s L為液體密度,kg/m3 V為氣體密度，kg/m3 計(jì)算臨界閥孔u(yù)0c，可將兩式聯(lián)立計(jì)算，即：19.9u00.175L=5.34u0c22gVL將g=9.81m/s2代入，解之得u0c=1.825

18、73.1V=7.165 m/s7.033m/s（u0）所以hc=19.9u00.175L=0.0350m液柱(2)板上液層阻力hl氣體通過板上液層所引起的靜壓頭降稱為板上靜壓頭降，它受堰高、氣速、液流強(qiáng)度、氣泡狀況等各種因素影響，一般用下述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，即hl=0hL式中hL為板上液層高度，m；0為反映板上液層充氣程度的因數(shù)，無因次。液體為水時(shí)，0=0.5；為油時(shí)，0=0.20.35；為碳?xì)浠衔飼r(shí)，0=0.40.5。計(jì)算：此處0取，hL=0.05mhl=0.50.05=0.025m液柱（3）液體表面張力所造成的靜壓頭降h一般很小，計(jì)算時(shí)可忽略。所以hf=0.0350+0.025=0.060m

19、液柱6.3.1.3. 液泛降液管內(nèi)的液面隨氣、液流量的增大而升高，嚴(yán)重時(shí)可將泡沫層升舉到降液管的頂部甚至液面超過上一層塔板的堰頂，產(chǎn)生液體倒流，使板上液體無法順利流下而造成液泛，破壞了全塔的正常操作。液泛是氣、液兩相做逆向流動(dòng)時(shí)的操作極限，在操作時(shí)應(yīng)避免。為此，降液管內(nèi)的液面應(yīng)維持一定的高度，以避免液泛，保證液體能由上層塔板穩(wěn)定的流入下層塔板。:降液管內(nèi)液面高度可用下式計(jì)算，即Hd=hf+hW+hd+h+h0w式中Hd為降液管內(nèi)液面高度，m;hf為氣體通過一層浮閥塔板的靜壓頭降，m； hW為溢流堰的高度，m; hd為液體流過降液管的靜壓頭降，m； h為板上液體落差，m； h0w為堰上液流高度，

20、m。 &對(duì)浮閥塔，一般塔板上液面落差h很小，可忽略；液體流過降液管的靜壓頭降hd主要是由降液管底隙處的局部阻力造成，可按下式經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：塔板上不設(shè)入口堰時(shí)，hd=0.153（Lslwh0）2=0.153（u0)2塔板上設(shè)入口堰時(shí)，hd=0.2（Lslwh0）2=0.2（u0)2式中Ls為液體流量，m3/s ;lw為堰長，即降液管底隙長度，m； h0為降液管底隙高度，m； u0為液體通過降液管底隙時(shí)的流速，m/s. 計(jì)算：hd=0.153（Lslwh0）2=0.153（u0)2=0.153（0.540.0207）2=0.m；h0w=0.0086m；hf=0.060m；hW=0.0414m；h忽

21、略不計(jì)；|所以Hd=hf+hW+hd+h+h0w=0.060+0.0414+0.00813+0.0086=0.1108m此處算出的應(yīng)是降液管內(nèi)當(dāng)量清液層高度Hd，是清液層高度與液面上泡沫層阻力相當(dāng)?shù)囊簩痈叨戎?。所以降液管?nèi)流體和泡沫的實(shí)際高度應(yīng)大于Hd值。為了防止液泛，這一總高度不能超過上層塔板的出口堰，為此，應(yīng)使Hd（HT+hW)式中HT為板間距，m；hW為溢流堰高度，m； 為考慮降液管內(nèi)液體充氣及操作安全兩種因素而設(shè)置的校正系數(shù)。對(duì)易起泡的物系，取為；對(duì)不易起泡的物系取為;對(duì)一般物系取為。在此，=0.5，HT=0.4，hW=0.0414HT+hW=0.50.4+0.0414=0.2207

22、Hd|故本設(shè)計(jì)中液沫夾帶量在允許范圍內(nèi)。6.3.1.4. 霧沫夾帶霧沫夾帶是指下層塔板上產(chǎn)生的霧滴被上升氣流帶到上層塔板的現(xiàn)象。霧沫夾帶會(huì)導(dǎo)致塔板效率下降。一般霧沫夾帶量lv0.1kg液/kg干氣體。泛點(diǎn)率（常用操作時(shí)的空塔氣速與發(fā)生液泛時(shí)的空塔氣速的比值，作為估計(jì)霧沫夾帶量的指標(biāo)）按下式計(jì)算：F1=VSVL-V+1.36LSZLKGFAa100%F1為泛點(diǎn)率，% VS、LS分別為塔內(nèi)氣、液流量，m3/s ;V、L分別為塔內(nèi)氣、液密度，kg/m3;ZL為板上液體流程長度，m；對(duì)單溢流型塔板，ZL=D-2Wd ，其中D為塔徑，Wd為弓形降液管寬度；Aa為板上液流面積，m2；對(duì)單溢流塔板，Aa=A

23、T-2Af ，其中AT為塔截面積，Af為弓形降液管截面積；GF為泛點(diǎn)負(fù)荷因數(shù)，可根據(jù)泛點(diǎn)負(fù)荷因數(shù)圖查出；K為物性參數(shù)。圖 泛點(diǎn)負(fù)荷因數(shù)查圖可得GF=0.11;查表可知K =1;ZL=D-2Wd=0.8-20.128=0.544mAa=AT-2Af=0.64-20.06=0.52m2F1=VSVL-V+1.36LSZLKGFAa100%=0.5292.01800.9-2.01+1.360.0.54410.110.52=47.4%5，所以不會(huì)發(fā)生液泛。6.3.2. 提餾段6.3.2.1. 塔板壓降核算（1）干板靜壓頭降hcu0c=1.82573.12.07=7.05 m/sHd故本設(shè)計(jì)中液沫夾帶量

24、在允許范圍內(nèi)。6.3.2.3. 霧沫夾帶GF=0.11K=1ZL=D-2Wd=0.8-20.128=0.544m】Aa=AT-2Af=0.64-20.06=0.52m2F1=VSVL-V+1.36LSZLKGFAa100%=0.3902.07897.2-2.07+1.360.001230.54410.110.52=34.4%5，所以不會(huì)發(fā)生液泛。6.4. 塔板的負(fù)荷性能圖6.4.1. 精餾段1. .2.3.4.5.6.6.1.6.2.6.3.6.4. ,6.5.6.5.1.6.5.1.1. 漏液線（氣相負(fù)荷下限線）Vs,min=4d02N5V=3.1440.039252.01=0.2353m3

25、/s1.2.3.4.5. 6.6.1.6.2.6.3.6.4.6.4.1.6.4.1.1.6.4.1.2. 液相負(fù)荷下限：%how=2.E(Ls,minlw)23=0.006Ls,min=0.00039m3/s6.4.1.3. 過量霧沫夾帶線F1=VSVL-V+1.36LSZLKGFAa=0.7VS=0.783-14.14LS=0.7741.2.3.4. 5.6.6.1.6.2.6.3.6.4.6.4.1.6.4.1.1.6.4.1.2. 6.4.1.3.6.4.1.4.6.4.1.5. 液相負(fù)荷上限Ls,max=AfHT=0.060.45=0.0048m3/s6.4.1.6. 液泛線Hd=(HT+hw)由Hd=hp+hL+hd，hp=hc+hl+h0，hl=0hL，hL=hw+how得aVS2=b-cLs2-dLs23a=1.91105vLN2=0.1208b=HT+-1-0hw=0.1586c=0.153lw2h02=1138.6d=2.8410-3E(1+0)(3600lw)23=1.4730.1208VS2=0.1586-1138.6Ls2-1.473Ls23可得出精餾段塔板負(fù)荷性能圖如下：圖 精餾段塔