年產(chǎn)萬噸乙醇—水精餾塔設(shè)計(jì)

1、成績 西北大學(xué)化工學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)名稱： 年產(chǎn)兩萬噸乙醇-水精餾塔 年級專業(yè)： 2013級化學(xué)工程與工藝 姓 名： 指導(dǎo)老師： 2016年 1月 15日目錄1概述11.1 設(shè)計(jì)題目及要求1設(shè)計(jì)題目1設(shè)計(jì)任務(wù)1設(shè)計(jì)參數(shù)11.2 精餾過程簡介12工藝設(shè)計(jì)部分22.1 全塔物料衡算22.2 乙醇-水的氣液平衡數(shù)據(jù)32.3 確定Rmin及工業(yè)生產(chǎn)常用R的選擇42.4 板效率、塔板數(shù)的計(jì)算和進(jìn)料位置與狀態(tài)的選擇4理論塔板數(shù)NT的求取4全塔效率ET6實(shí)際塔板數(shù)Np6加料位置與狀態(tài)的選擇72.5 物性參數(shù)計(jì)算7定性壓力pm7定性溫度tm7平均分子質(zhì)量Mm8平均密度m9液體的平均表面張力10液體

2、的平均粘度L,m112.6 汽液負(fù)荷計(jì)算11精餾段氣液負(fù)荷計(jì)算11提餾段汽液負(fù)荷計(jì)算122.7 塔及塔板主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸結(jié)構(gòu)的計(jì)算12塔徑的設(shè)計(jì)計(jì)算12塔板工藝結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)與計(jì)算142.8 校核計(jì)算17精餾段校核計(jì)算17提餾段校核計(jì)算192.9 塔板負(fù)荷性能圖的計(jì)算與繪制21精餾段塔板負(fù)荷性能圖21提餾段塔板負(fù)荷性能圖233設(shè)備設(shè)計(jì)及輔助設(shè)計(jì)部分253.1 塔體結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)25筒體和封頭厚度計(jì)算25橢圓封頭的選型263.2 換熱器的計(jì)算與設(shè)計(jì)選型26預(yù)熱器26再沸器28冷凝器29冷卻器303.3 管道計(jì)算及規(guī)格選擇31管道設(shè)計(jì)步驟31算例31管道設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表343.4 泵的計(jì)算及設(shè)計(jì)選型

3、35原料泵35冷卻水泵363.5 儲罐的計(jì)算與選型36原料儲罐36產(chǎn)品儲罐37熱水儲罐374設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)總匯表384.1 物性參數(shù)數(shù)據(jù)384.2 工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)385認(rèn)識與體會406參考文獻(xiàn)411 概述1.1 設(shè)計(jì)題目及要求1.1.1 設(shè)計(jì)題目年產(chǎn)兩萬噸乙醇-水連續(xù)精餾塔（篩板塔）1.1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)由設(shè)定值濃度xF的酒精-水二元均相混合物作原料，根據(jù)所需要的年產(chǎn)量D、塔頂產(chǎn)品濃度xD、塔釜濃度xD等參數(shù)設(shè)計(jì)出酒精連續(xù)精餾塔。1.1.3 設(shè)計(jì)參數(shù)生產(chǎn)任務(wù)：年產(chǎn)量D=20000Ty加熱蒸汽壓力：3.5atg（表壓）冷卻器進(jìn)口水溫度：20冷凝器出口水溫：50原料濃度：xF=25%（質(zhì)量分率）塔頂產(chǎn)品濃度

4、：xD=93.1%（質(zhì)量分率）塔釜濃度：xW1%（質(zhì)量分率）1.2 精餾過程簡介圖1為連續(xù)精餾塔。乙醇水混合液自塔的中部某適當(dāng)位置連續(xù)地加入塔內(nèi)，塔頂設(shè)有冷凝器將塔頂蒸汽冷凝為液體。冷凝液的一部分回入塔頂，稱為回流液，其余作為塔頂產(chǎn)品（餾出液）排出。在塔內(nèi)上半部（加料位置以上）上升蒸汽和回流液體之間進(jìn)行著逆流接觸和物質(zhì)傳遞。塔底部裝有再沸器以加熱液體產(chǎn)生蒸汽，蒸汽沿塔上升，與下降的液體逆流接觸并進(jìn)行物質(zhì)傳遞，塔底連續(xù)排除部分液體作為塔底產(chǎn)品。在塔的加料位置以上，上升蒸汽中所含的重組分向液相傳遞，而回流液中的輕組分向氣相傳遞。如此物質(zhì)交換的結(jié)果，使上升蒸汽中輕組分的濃度逐漸升高。只要有足夠的相際

5、接觸表面和足夠的液體回流量，到達(dá)塔頂?shù)恼羝麑⒊蔀楦呒兌鹊妮p組分。塔的上半部完成了上升蒸汽的精制，即除去其中的重組分，因而稱為精餾段。圖 1連續(xù)精餾過程在塔的加料位置以下，下降液體（包括回流液和加料液中的液體）中的輕組分向氣相傳遞，上升蒸汽中的重組分向液相傳遞。這樣，只要兩相接觸面和上升蒸汽量足夠，到達(dá)塔底的液體中所含的輕組分可降至很低，從而獲得高純度的重組分。塔的下半部完成了下降液體中重組分的提濃即提出了輕組分，因而稱為提餾段。一個(gè)完整的精餾塔應(yīng)包括精餾段和提餾段，再這樣的塔內(nèi)可將一個(gè)雙組分混合物連續(xù)地、高純度地分離為輕、重兩組分。精餾與蒸餾的區(qū)別在于“回流”，包括塔頂?shù)囊合嗷亓髋c塔釜部分汽化

6、造成的氣相回流，回流是構(gòu)成氣、液兩相接觸傳質(zhì)的必要條件，沒有氣液兩相的接觸也就無從進(jìn)行物質(zhì)交換。另一方面，組分揮發(fā)度的差異造成了有利的相平衡條件（y > x）。這使上升蒸汽在與自身冷凝回流液之間的接觸過程中，重組分向液相傳遞，輕組分向氣相傳遞。相平衡條件y > x使必需的回流液的數(shù)量小于塔頂冷凝液的的總量，即只需要部分回流，而無需全部回流。唯有如此，才能從塔頂抽出部分凝液作為產(chǎn)品。因此，精餾過程的基礎(chǔ)是組分揮發(fā)度的差異。2 工藝設(shè)計(jì)部分2.1 全塔物料衡算F=D+WFxF=DxD+WxW質(zhì)量分率化為摩爾分率，得xD=0.8407，xW=0.0039，xF=0.1153D=20000

7、Ty=2525.25kgh=60.3kmolh（按一年330個(gè)工作日計(jì)算）DF=xW-xFxW-xD=0.0039-0.11530.0039-0.8407=0.1331WF=1-DF=1-0.1331=0.8669F=60.3÷0.1331=453.1kmolh=9630.3kghW=453.0×O.8669=392.7kmolh=7119.4kgh2.2 乙醇-水的氣液平衡數(shù)據(jù)圖 2 乙醇水相平衡曲線圖t/x圖 3 乙醇-水等壓相圖（p=1atm）2.3 確定Rmin及工業(yè)生產(chǎn)常用R的選擇根據(jù)圖 1，得Rmin時(shí)精餾段操作線斜率為k=RminRmin+1=0.625最小回

8、流比Rmin=1.67回流比R=（1.22.0）Rmin取回流比R=1.8Rmin，則R=1.8×1.67=32.4 板效率、塔板數(shù)的計(jì)算和進(jìn)料位置與狀態(tài)的選擇2.4.1 理論塔板數(shù)NT的求取精餾段操作線方程：yn+1=RR+1xn+xDR+1即yn+1=33+1xn+0.84073+1化簡，得yn+1=0.75xn+0.2102提餾段操作線方程：yn+1=RD+FR+1Dxn+F-D(R+1)DxWyn+1=3×60.3+453.03+1×60.3xn+453.0-60.33+1×60.3×0.0039化簡，得yn+1=2.6279xn-0.

9、0063根據(jù)氣液相平衡數(shù)據(jù)及精餾段、提餾段操作線方程，利用MATLAB編程計(jì)算理論板數(shù)，得圖 4。圖 4 圖解法計(jì)算理論板數(shù)NT1=15,NT2=3即理論板數(shù)NT=18(含塔釜)2.4.2 全塔效率ET采用O'connell法，根據(jù)ET=51-32.5lgL可得：A=0.37mPa.s,B=0.315mPa.sL=AxF+B(1-xF)塔頂相對揮發(fā)度：D=pAxApBxBD=yAxAyBxBD=yAxA(1-yA)(1-xA)D塔頂溫度： tD=78.28塔底相對揮發(fā)度：W=pAxApBxBW=yAxAyBxBW=yAxA1-yA1-xAW塔底溫度： tW=98.75代入數(shù)值，結(jié)合相平

10、衡曲線計(jì)算得D=1.0938，W=13.7462相對揮發(fā)度=DW=3.8776全塔效率ET=47.90%2.4.3 實(shí)際塔板數(shù)Np以塔釜作為一塊理論板，根據(jù)ET=NTNP精餾段塔板數(shù)NP1=NT1ET=32塊提餾段塔板數(shù)NP2=NT2-1ET=4塊總塔板數(shù)NP=36塊2.4.4 加料位置與狀態(tài)的選擇加料位置：第33塊塔板進(jìn)料狀態(tài)：泡點(diǎn)進(jìn)料2.5 物性參數(shù)計(jì)算2.5.1 定性壓力pm取每層塔板壓降為0.5 kPa計(jì)算塔頂：pD=101.3kPa加料板：pF=101.3+0.5×32=117.3kPa塔底壓力：pW=101.3+0.5×38=120.3kPa精餾段定性壓力：pm

11、1=(101.3+117.3)2=109.3kPa提餾段定性壓力：pm2=110.8kPa2.5.2 定性溫度tm塔頂溫度：tD=78.3加料板溫度：tF=85.7塔底溫度：tW=98.8精餾段定性溫度：tm1=(tD+tF)2=82.0提餾段定性溫度：tm2=(tF+tW)2=92.22.5.3 平均分子質(zhì)量Mm塔頂：xD=y1=0.8407,x1=0.8283MVD,m=0.8407×46.07+(1-0.8407)×18.02=41.6016kgkmolMLD,m=0.8283×46.07+(1-0.8283)×18.02=41.2543kgkmo

12、l加料板：yF=0.4608,xF=0.1153MVF,m=0.4608×46.07+1-0.4608×18.02=30.9454kgkmolMLF,m=0.1153×46.07+(1-0.1153)×18.02=21.2542kgkmol塔底：x底=6.3365×10-4,y底=0.0086MVW,m=6.3365×10-4×46.07+1-6.3365×10-4×18.02MVW,m=18.2624kgkmolMLW,m=0.0086×46.07+(1-0.0086)×18.02=

13、15.9715kgkmol精餾段：精餾段定性溫度82.0,由t-x-y圖可知xm1=0.2737,ym1=0.5646氣相平均分子質(zhì)量：MV,m1=0.5636×46.07+(1-0.5646)×18.02=36.2735kgkmol液相平均分子質(zhì)量：ML,m1=0.2737×46.07+(1-0.2737)×18.02=31.2542kgkmol提餾段：提餾段定性溫度為92.2由t-x-y圖可知ym2=0.2723,xm2=0.0352MV,m2=0.2723×46.07+(1-0.2723)×18.02=24.6039kgkmol

14、ML,m2=0.0352×46.07+(1-0.0352)×18.02=18.6128kgkmol2.5.4 平均密度m1、 液相平均密度L,m塔頂：塔頂溫度78.3下查得水的密度為980.2kgm3，乙醇的密度為734.8kgm3。LD,m=734.8D+980.21-D（為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）LD.m=748.8595kgm3進(jìn)料板：加料板溫度85.7下查得水的密度為974.8kgm3，乙醇的密度為727.0kgm3。LF,m=727.0F+974.8(1-F)LF,m=898.2788kgm3塔底：塔底溫度98.8下查得水的密度為973.8kgm3，乙醇的密度為712.8kgm

15、3。LW,m=712.8W+973.81-WLW,m=979.6705kgm3精餾段：精餾段定性溫度82.0下查得水的密度為979.0kgm3，乙醇的密度為731.0kgm3。Lm1=731.0m1+979.01-m1Lm1=839.728kgm3提餾段：提餾段定性溫度92.2下查得水的密度為975.9kgm3,乙醇的密度為720.1kgm3。Lm2=720.1m2+975.9(1-m2)L,m2=947.179kgm32、 氣相平均密度V,mV,m1=pm1MV,m1RTm1=1.3403kgm3V,m2=pm2MV,m2RTm2=0.9586kgm32.5.5 液體的平均表面張力 塔頂：塔

16、頂溫度78.3下查得水的表面張力為0.0624Nm，乙醇的表面張力為為0.0174。D,A=62.4mNmD,B=17.4mNmD,m=D,Ax1+D,B(1-x1)=25.1257mNm加料板：加料板溫度85.7下查得水的表面張力為0.0610Nm，乙醇的表面張力為0.0.0167NmF,A=61.0mNmF,B=16.7mNmF,m=F,AxF+F,B(1-xF)=55.8922mNm塔底：塔底溫度98.8下查得水的表面張力為0.0.0584Nm，乙醇的表面張力為0.0154Nm。W,A=58.4mNmW,B=15.4mNmW,m=W,Ax底+W,B(1-x底)=58.3728mNm精餾段

17、：精餾段定性溫度82.0下查得水的表面張力為0.0605Nm，乙醇的表面張力為0.0171Nm。A1=0.0605,B1=0.0171mNmm1=A1xm1+B1(1-xm1)=48.6208mNm提餾段：提餾段定性溫度92.2下查得水的表面張力為為0.0597Nm,乙醇的表面張力為0.0161NmA2=59.7mNm,B2=16.1mNmm2=A2xm2+B2(1-xm2)=58.1655mNm2.5.6 液體的平均粘度L,m塔頂：在塔頂溫度78.3下，查得水的黏度為0.364mPas，乙醇的黏度為0.439mPas。LD,m=0.439x1+0.364(1-x1)=0.4261mPas加料

18、板：在加料板溫度85.7下，查得水的黏度為0.330mPas，乙醇的黏度為0.394mPas。LF,m=0.394xF+0.330(1-xF)=0.3374mPas塔底：在塔底溫度98.8下，查得水的黏度為0.283mPas，乙醇的黏度為0.327mPas。LW,m=0.327xW+0.283(1-xW)=0.2830mPas精餾段：在精餾段定性溫度82.0，下查得水的黏度為0.317mPas，乙醇的黏度為0.415mPas。L,m1=0.415xm1+0.317(1-xm2)=0.3438mPas提餾段：在提餾段定性溫度92.2下，查得水的黏度為0.305mPas,乙醇的黏度為0.358mP

19、asL,m2=0.358xm2+0.305(1-xm2)=0.3069mPas2.6 汽液負(fù)荷計(jì)算2.6.1 精餾段氣液負(fù)荷計(jì)算氣相摩爾流率：V=R+1D=3+1×60.3=241.3kmolh氣相體積流量：Vs=VMV,m13600V,m1=1.8105m3sVh=6517.9m3h液相回流摩爾流率：L=RD=181.0kmolh液相體積流量：Ls=LML,m13600L,m1=0.0019m3sLh=6.7352m3h2.6.2 提餾段汽液負(fù)荷計(jì)算氣相摩爾流率：V=V=R+1D=241.3kmolh氣相體積流量：Vs=VMV,m23600V,m2=1.7143m3sVh=6182

20、.5m3h液相回流摩爾流率：L=L+F=RD+F=634.1kmolh液相體積流量：Ls=LML,m13600L,m1=0.0035m3sLh=12.4595m3h2.7 塔及塔板主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸結(jié)構(gòu)的計(jì)算2.7.1 塔徑的設(shè)計(jì)計(jì)算初選塔板間距HT=450mm，及板上液層高度hL=50mm，則HT-hL=0.45-0.05=0.40m按Smith法求取允許的空塔氣速umax（即泛點(diǎn)氣速uF）LsVsL,m1V,m10.5=0.00191.8105839.7281.34030.5=0.0258LsVsL,m2V,m20.5=0.00351.7143947.17920.95860.5=0.0633

21、查Smith通用關(guān)聯(lián)圖，得C20精=0.084,C20提=0.082負(fù)荷因子：C1=C20精m1200.2=0.1015C2=C20提m2200.2=O.1015泛點(diǎn)氣速：umax1=C1L,m1-V,m1V,m10.5=2.5369msumax2=C2L,m2-V,m2V,m20.5=3.1869ms操作氣速：取u=0.7umaxu1=0.7umax1=1.7758msu2=0.7umax2=2.2308ms精餾段塔徑：D1=4Vsu1=1.1394m提餾段塔徑：D2=4Vsu2=0.9900m圓整，取DT=1200mm此時(shí)的泛點(diǎn)氣速：umax1=4VsDT2=1.6009msumax2=4

22、VsDT2=1.5185ms操作氣速u=0.7umax：u1=0.7umax1=1.1206msu2=0.7umax2=1.0629ms2.7.2 塔板工藝結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)與計(jì)算1、塔板工藝結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 溢流裝置：a. 精餾段采用單溢流型的平形溢流堰、弓形降液管、平行受液盤，且不設(shè)進(jìn)口內(nèi)堰。 溢流堰長（出口堰長）Lw1：取Lw1=0.6DTLw1=0.6DT=0.6×1.2=0.72m，堰上溢流強(qiáng)度：Lh1Lw1=6.73527.2=0.9354m3mh<100130m3mh滿足篩板塔的堰上溢流強(qiáng)度要求。 出口堰高h(yuǎn)W1：hw1=hL-how1式中：hL板上液層高度，m

23、how堰上液層高度，m對平直堰：how=0.00284ELhLw23由Lw1DT=0.6及Lh1Lw12.5=15.3115，查圖得E=1.04，于是，how1=0.0131mhw1=hL-how1=0.0369m圓整，取hw1=0.04m降夜管的寬度Wd1和降夜管的面積Af由LW1DT=0.7，查弓形降夜管幾何關(guān)系圖，得：Wd1DT=0.1,AfAT=0.051即Wd1=0.12mAT=1.131m2(塔體的截面積)Af=0.0577m2液體在降夜管內(nèi)的停留時(shí)間為：1=AfHTLs=13.8736s>5s(滿足要求)降夜管的底隙高度ho1：液體通過降夜管底隙的流速一般為0.070.25

24、ms，取液體通過降夜管底隙的流速為uo'=0.08ms，則ho1=Lslwuo'=0.0325mb. 提餾段（計(jì)算過程與精餾段相似） 溢流堰長（出口堰長）：Lw2=0.6DT=0.72m堰上溢流強(qiáng)度：Lh2Lw2=12.45957.2=1.73m3mh<100130m3mh滿足篩板塔的堰上溢流強(qiáng)度要求。 出口堰高：hw2=0.03m降夜管的寬度和降夜管的面積Wd2=0.12mAf=0.0577m2液體在降夜管內(nèi)的停留時(shí)間為：2=7.4996s降夜管的底隙高度：ho2=0.0601m 塔板布置a.精餾段段塔板布置 塔板分塊因DT=1200mm，根據(jù)塔板分塊數(shù)與塔徑的關(guān)系圖將

25、塔板分作 邊緣區(qū)寬度與安定區(qū)寬度邊緣區(qū)寬度Wc：一般為5070mm，D>2m時(shí)，Wc可達(dá)100mm。安定區(qū)寬度Ws：規(guī)定DT<1.5m時(shí)，Ws=75mm。本設(shè)計(jì)取Wc=60mm,Ws=75mm 開孔區(qū)面積Aax=DT12-Wd1+Ws=0.4050mR=DT2-WC=0.54mAa=2xR2-x2+180R2sin-1xR=0.7839m2b.提餾段塔板布置 塔板分塊因DT=1200mm，根據(jù)塔板分塊數(shù)與塔徑的關(guān)系圖將塔板分作 邊緣區(qū)寬度與安定區(qū)寬度Wc=60mm,Ws=75mm 開孔區(qū)面積Aax=DT2-Wd2+Ws=0.4050mR=DT2-WC=0.54mAa=2xR2-x2

26、+180R2sin-1xR=0.7839m2（3）、開孔數(shù)和開孔率a.精餾段開孔數(shù)和開孔率取篩孔的孔徑do=5mm，正三角排列，篩板采用碳鋼，其厚度=3mm，且取tdo=2.8，故孔心距t1=2.8×5=14mm每層塔板的開孔數(shù)n1=1158×103t12Aa=4632每層塔板的開孔率1=0.907t1do2=0.1157每層塔板的開孔面積Ao1=Aa=0.0907m2氣體通過篩孔的孔速uo1=VsAo=19.9643msb.提餾段開孔數(shù)和開孔率孔心距t2=3×5=15mm每層塔板的開孔數(shù)n2=1158×103t22Aa=4036每層塔板的開孔率2=0.

27、907t2do2=0.1008每層塔板的開孔面積Ao2=Aa=0.0790m2氣體通過篩孔的孔速uo2=VsAo=21.7388ms（4）塔高計(jì)算Z=36×0.45×1.2=19.44m2.8 校核計(jì)算2.8.1 精餾段校核計(jì)算1、 塔板壓降校核hf=hc+he（1）氣體通過干板的壓降hchc1=0.051uoCo2V,m1L,m1=0.0508m式中，孔流系數(shù)Co由do=，查圖得出Co=0.8（2）氣體通過板上液層的壓降hehe1=hW1+hOW1=hL1式中，充氣系數(shù)的求取如下：氣體通過有效流通截面積的氣速ua1，對單流型塔板有：ua1=VsAT-2Af=1.7827m

28、s動能因子Fa1=ua1V,m1=2.0657查圖，得=0.57，（一般可近似取=0.50.6）。he1=hL1=0.0285m（3）氣體通過篩板的壓降（單板壓降）hf和pPhf1=hc1+he1=0.0793mpP1=L,m1ghf1=653.1494kPa<700kPa2、 霧沫夾帶量的校核氣體實(shí)際通過塔截面的速度un1=VsAT-Af1=1.6869ms霧沫夾帶量：eV1=5.7×10-6m1un1HT-Hf13.2=0.0228kg液kg氣式中，取板上泡沫層高度Hf1=2.5hL1eV1=0.0228kg液kg氣<0.1kg液kg氣校核結(jié)果說明不會產(chǎn)生過量的霧沫夾

29、帶。3、漏液的校核漏液點(diǎn)氣速計(jì)算公式：uom=4.4Co0.0056+0.13hL-hLVh1=4×10-3m1L,m1gdo=4.7218×10-6m(清液柱)故漏液點(diǎn)氣速為：uom1=4.4Co0.0056+0.13hL1-h1L,m1V,m1=9.6810ms篩板的穩(wěn)定性系數(shù)K1=uo1uom1= 2.0622 1.52（不會產(chǎn)生過量漏液）4、液泛的校核為防止降夜管發(fā)生液泛，應(yīng)使降夜管中的清液層高度HdHT+hwHd1=hf1+hL+hd1hd1=0.153LsLw,m2ho2=9.7920×10-4mHd1=0.1303m相對泡沫密度取0.5，則有HT+h

30、w1=0.2434mHd1HT+hw1成立，故不會產(chǎn)生液泛。通過流體力學(xué)校核，可認(rèn)為精餾段塔徑及塔板各工藝結(jié)構(gòu)尺寸合格。2.8.2 提餾段校核計(jì)算1、塔板壓降校核（1）氣體通過干板的壓降hchc2=0.051uoCo2V,m2L,m2=0.0382m（2）氣體通過板上液層的壓降hehe2=hW2+hOW2=hL2式中，充氣系數(shù)的求取如下：氣體通過有效流通截面積的氣速ua1，對單流型塔板有：ua2=VsAT-2Af1=1.6910ms動能因子Fa2=ua2V,m2=1.6570查圖，得=0.57，（一般可近似取=0.50.6）。于是he2=0.0285m（3）氣體通過篩板的壓降（單板壓降）hf和

31、pPhf2=hc2+he2=0.0667mpP2=L,m2ghf2=619.543Pa<700Pa2、霧沫夾帶量的校核un2=VsAT-Af2=1.6001ms霧沫夾帶量：eV2=5.7×10-6m2un2HT-Hf23.2=0.0161kg液kg氣式中，取板上泡沫層高度Hf2=2.5hL2校核結(jié)果說明不會產(chǎn)生過量的霧沫夾帶。3、漏液的校核h2=4×10-3m2L,m2gdo=5.0078×10-6m（清液柱）故漏液點(diǎn)氣速為：uom2=4.4Co0.0056+0.13hL2-h2L,m2V,m2=12.1587ms篩板的穩(wěn)定性系數(shù)K2=uo2uom2= 1.

32、7879 1.52.（不會產(chǎn)生過量漏液）4、液泛的校核為防止降夜管發(fā)生液泛，應(yīng)使降夜管中的清液層高度HdHT+hwHd2=hf2+hL+hd2hd2=0.153VsLw,m2ho2=9.7920×10-4msHd2=0.1177m相對泡沫密度取0.5，則有HT+hw2=0.2401Hd2HT+hw2成立，故不會產(chǎn)生液泛。通過流體力學(xué)校核，可認(rèn)為精餾段塔徑及塔板各工藝結(jié)構(gòu)尺寸合格對板式塔負(fù)荷性能圖的計(jì)算。2.9 塔板負(fù)荷性能圖的計(jì)算與繪制2.9.1 精餾段塔板負(fù)荷性能圖1、 液沫夾帶線eV1=5.7×10-6m1un1HT-Hf13.2式中un1=VsAT-Af1=25000

33、Vs8541Hf1=2.5hL1=2.5hw1+how=2.5hw1+0.00284E3600LsLw123=0.0073845000Ls23+0.09222而液沫夾帶量eV1=0.1kg液kg氣0.1=0.0001172-0.09317Vs0.0073845000Ls23-0.3578165化簡，得Vs=3.164 - 0.0653×(5000.0Ls)23于是可做出液沫夾帶線2、 液泛線（氣相負(fù)荷上限線）HT+hw1=(hf1+hw1+how1+hd1)=0.5how1=0.00284ELhLw123=0.029545000Ls23hc=0.051uoCo2V,m1L,m1=0.

34、051VsCoAo2V,m1L,m1=0.01549Vs2he1=hw1+how1=0.0016845000Ls23+0.02103hf1=hc1+he1=0.0016845000Ls23+0.01549Vs2+0.02103hd1=9.792×10-4于是，計(jì)算得到Vs,max=5.291×10-104.255×1019-1.69×10185000.0Ls233、 液相負(fù)荷上限線Ls,max=HTAf11Ls,max=0.0052m3s4、 漏液線（氣相負(fù)荷下限線）hL=hw1+how1=0.0029545000Ls23+0.03689漏液點(diǎn)氣速uom

35、1=3.520.24015000Ls23+6.49812Vs,min=Aouom1Vs,min=0.31920.2401×50000.0Ls23+604985、 液相負(fù)荷下限線平堰堰上液層高度how1=0.006mhow1=0.00284E3600Ls,minLw123=0.0029545000Ls23Ls,min=5.7907×10-4m3s6、 操作線與操作彈性工作點(diǎn)為：Ls=0.0019m3s，Vs=1.8105m3s操作氣液比：VsLs=1.81050.0019=952.8947過0,0和工作點(diǎn)在圖中做出操作線。7、 做出精餾段塔板負(fù)荷性能圖如下圖 5精餾段塔板負(fù)荷

36、性能圖操作線的上限由夾帶線控制，下限由漏液線所控制，其操作彈性為Vs,minLs,maxVs,maxLs,min=0.85.23.00.6=0.155.02.9.2 提餾段塔板負(fù)荷性能圖1、液沫夾帶線eV2=5.7×10-6m2un2HT-Hf23.2式中un2=VsAT-AfHf2=2.5hL2=2.5hw2+how2=2.5hw1+0.00284E3600LsLw223經(jīng)計(jì)算，得Vs=3.346-0.0690650000.0Ls23于是可做出霧沫夾帶線2、液泛線（氣相負(fù)荷上限線）HT+hw2=(hf2+hw2+how2+hd2)how2=0.00284ELhLw123=0.029

37、545000Ls23hc=0.051uoCo2V,m2L,m2=0.051VsCoAo2V,m2L,m2=0.01294Vs2he2=hw2+how2=0.0016845000Ls23+0.02103hf2=hc2+he2=0.0016845000Ls23+0.01549Vs2+0.02103hd2=0.153LsLw2ho22=0.7920×10-4Vs,max=5.788×10-104.255×1019-1.069×1018×5000.0Ls233、液相負(fù)荷上限線Ls,max=HTAf22=0.0052m3s4、漏液線（氣相負(fù)荷下限線）hL

38、=hw2+how2=0.0029545000Ls23+0.03689漏液點(diǎn)氣速uom2=3.520.37885000Ls23+10.2512Vs,min=0.27810.3788×5000.0Ls235、液相負(fù)荷下限線取平堰堰上液層高度how2=0.006mhow2=0.00284E3600Ls,minLw223=0.029545000Ls23Ls,min=5.7907×10-4m3s6、操作線與操作彈性操作氣液比VsLs=1.71430.0035=489.87、 做出提餾段塔板負(fù)荷性能圖如下·圖 6提餾段塔板負(fù)荷性能圖操作彈性Vs,minLs,maxVs,min

39、Ls,min=0.95.23.20.6=0.175.33 設(shè)備設(shè)計(jì)及輔助設(shè)計(jì)部分3.1 塔體結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)3.1.1 筒體和封頭厚度計(jì)算塔體圓筒高度：23.3m，設(shè)計(jì)壓力p：1.1MPa，許永應(yīng)力：170MPa塔體內(nèi)徑Di：1200mm，塔體焊接接頭系數(shù)：0.85計(jì)算過程整理如下表：表1塔體和封頭厚度計(jì)算及校核過程計(jì)算內(nèi)容計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果塔內(nèi)液柱高度hmh2.67液柱靜壓力pHMPapH=10-6gh0.021<0.05p計(jì)算壓力pcMPapc=p+pH1.1圓筒計(jì)算厚度mm=pcDi2t-pc4.6圓筒設(shè)計(jì)厚度cmmc=+C6.7圓筒名義厚度nmmn8圓通有效厚度emme=n-C6封頭

40、計(jì)算厚度hmmh=pcDi2t-0.5pc4.58封頭設(shè)計(jì)厚度hcmmhc=h+C6.58封頭名義厚度hnmmhn8封頭有效厚度hemmhe=hn-C6圓筒厚度：8mm，封頭厚度：8mm。3.1.2 橢圓封頭的選型公稱直徑（DN）:1200mm，名義厚度：8mm，材質(zhì)為16MnR總深度：325mm內(nèi)表面積：1.6552m2容積：0.2545m33.2 換熱器的計(jì)算與設(shè)計(jì)選型3.2.1 預(yù)熱器1、 預(yù)熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算預(yù)熱器入口溫度：25，出口溫度：tF=85.7預(yù)熱定性溫度：t預(yù)熱=25+85.72=55.4蒸汽壓力3.5atg，即451.3kPa查表，451.3kpa下蒸汽溫度為：t汽=148.

41、1取傳熱系數(shù)K=1500Wm2對數(shù)平均推動力tm=t1-t2lnt1t2=148.1-25-148.1-85.7ln123.162.4=89.34查定性溫度55.4下水的摩爾熱容Cp,B=7.527×104Jkmol-1K-1，乙醇的摩爾熱容Cp,A=1.258×105Jkmol-1K-1CF=xFCA+1-xFCB=8.110×104Jkmol-1K-1熱負(fù)荷：Q= F3600Cp,FtF-25×1.05=619.56kJs傳熱面積：Q=KAtmA=QKtm=4.8544m2高壓蒸汽汽化潛熱：r蒸汽=3.831×107Jkmol，密度：蒸汽=

42、2.1331kgm3蒸汽用量：qV=QM水r=2476.804×103×18.023.831×107×2.1331=0.5462m3sqV預(yù)熱=0.5462m3s2、預(yù)熱器的設(shè)計(jì)選型前端管箱型式：封頭（整體端蓋）（B）殼體型式：單程殼體（E）后端管箱型式：有背襯的浮頭（S）公稱直徑：DN=325mm公稱壓力：2.5MPa換熱面積：A=6.4m2換熱管長度：L=3m換熱管外徑：d=25mm管程數(shù)：Nt=4預(yù)熱器型號為：BES 325-2.50-6.4-325-4 I3.2.2 再沸器1、再沸器的設(shè)計(jì)計(jì)算塔底溫度：tW=98.8塔底溫度98.8下，查得水的汽

43、化潛熱為4.086×107Jkmol-1，查得乙醇的汽化潛熱為3.694×107Jkmol-1rm=3.694×107xW+4.086×1071-xW=3.700×107Jkmol-1取傳熱系數(shù)：K=2000Wm2熱負(fù)荷：Q=L-W3600r×1.05=2476.804kJs推動力：tm=148.1-98.8=49.35傳熱面積：A=QKtm=12.51m2高壓蒸汽汽化潛熱：r蒸汽=3.831×107Jkmol，密度：蒸汽=2.1331kgm3蒸汽用量：qV再沸=QM水r=0.0417m3s2、再沸器的設(shè)計(jì)選型前端管箱型式：

44、封頭（整體端蓋）（B）殼體型式：單程殼體(E)后端管箱型式：固定管板（M）公稱直徑：DN=273mm公稱壓力：1.60MPa換熱面積：A=13.1m2換熱管長度：LN = 4.5m換熱管外徑：d = 25mm管程數(shù)：Nt=1再沸器型號為：BEM 273-2.50-13.1-4.525-1 I3.2.3 冷凝器1、冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算塔頂溫度：tD=78.3塔底溫度78.3下，查得水的汽化潛熱為4.178×107Jkmol-1，查得乙醇的汽化潛熱為3.865×107Jkmol-1rm=3.865×107xW+4.178×1071-xW=4.128×1

45、07Jkmol-1取傳熱系數(shù)：K=1500Wm2熱負(fù)荷：Q=V3600r×1.05=3766.747kJs推動力：冷凝器出口水溫：50tm=78.3-25-(78.3-50)ln53.328.3=39.47傳熱面積：A=49.06m2冷凝水用量：qV冷凝=0.0417m3s2、冷凝器的設(shè)計(jì)選型前端管箱型式：（A）殼體型式：單程殼體（E）后端管箱型式：固定管板（S）公稱直徑：DN=500mm公稱壓力：2.5MPa換熱面積：A=54.1m2換熱管長度：LN=4.5m換熱管外徑：d=19mm管程數(shù)：Nt=2冷凝器型號為：AES 500-2.50-54.1-4.519-2 I3.2.4 冷卻

46、器1、冷卻器的設(shè)計(jì)計(jì)算定性溫度：t冷卻=51.65定性溫度51.65下，查得水的摩爾比熱容為7.525×104Jkmol-1K-1，查得乙醇的汽化潛熱為1.239×105Jkmol-1K-1冷卻水定性溫度：37.5取傳熱系數(shù)：K=900Wm2熱負(fù)荷：Q=1.037kJs推動力：tm=11.8858傳熱面積：A=10.1787m2冷卻水用量：qV冷卻=0.001909m3s2、冷卻器的設(shè)計(jì)選型前端管箱型式：（A）殼體型式：單程殼體（E）后端管箱型式：（L）公稱直徑：DN=400mm公稱壓力：1.60MPa公稱換熱面積：A=10.3m2公稱長度：LN=1500mm=1.5m換熱

47、管外徑：d=25mm管程數(shù)：Nt=2冷卻器型號為：AEL 400-1.60-10.3-1.525-2 I3.3 管道計(jì)算及規(guī)格選擇3.3.1 管道設(shè)計(jì)步驟1、 確定管道內(nèi)液體或氣體的體積流量qV。2、 初選設(shè)計(jì)流速uo3、 確定管道橫截面積A4、 計(jì)算管道內(nèi)徑：d0=4A5、 查取管道設(shè)計(jì)尺寸6、 根據(jù)管道所選尺寸計(jì)算管道實(shí)際流速3.3.2 算例1、原料儲罐與預(yù)熱器之間的管路計(jì)算根據(jù)加料流率F=453.1kmolh，可知管內(nèi)液體的流量為：qV=0.003m3s設(shè)計(jì)流速：u=2ms管道橫截面積：A=qVu=0.0032=0.0015m2管道內(nèi)徑：d內(nèi)=4A=0.043702m=43.702mm取

48、管道尺寸為：54mm×3.5mm管壁厚度為：=3.5mm管道外徑：d外=43.702+2×3.5=50.702mm實(shí)際管道內(nèi)徑為：47mm，取管件當(dāng)量長度：le=100m。實(shí)際流速為：u實(shí)=0.0030.04724=1.73ms2、預(yù)熱器與進(jìn)料口之間的管路根據(jù)進(jìn)料率F=453.1kmolh，可知管內(nèi)液體的流量為：qV=0.003m3s設(shè)計(jì)流速：u=2ms管道橫截面積：A=qVu=0.0032=0.0015m2管道內(nèi)徑：d內(nèi)=4A=0.043702m=43.702mm取管道尺寸為：54mm×3.5mm管壁厚度為：=3.5mm管道外徑：d外=43.702+2×

49、;3.5=50.702mm實(shí)際管道內(nèi)徑為：47mm，實(shí)際流速為：u實(shí)=0.0030.04724=1.73ms3、預(yù)熱器高壓蒸汽管路計(jì)算管內(nèi)蒸汽的流量為：qV=0.1366m3s設(shè)計(jì)流速：u=50ms管道橫截面積：A=qVu=0.002732m2管道內(nèi)徑：d內(nèi)=4A=58.98mm取管道尺寸為：76mm×8mm管壁厚度為：=8mm管道外徑：d外=74.98mm實(shí)際管道內(nèi)徑為：60mm實(shí)際流速為：u實(shí)=48.3ms4、預(yù)熱器到疏水器間的管路計(jì)算管內(nèi)液體的流量為：qV=0.000316m3s設(shè)計(jì)流速：u=2ms管道橫截面積：A=qVu=0.000158m2管道內(nèi)徑：d內(nèi)=4A=14.18m

50、m取管道尺寸為：22mm×3.5mm管壁厚度為：=15mm管道外徑：d外=21.18mm實(shí)際管道內(nèi)徑為：15mm實(shí)際流速為：u實(shí)=1.788ms5、塔頂出口與冷凝器間的蒸汽管道管內(nèi)蒸汽的流量為：設(shè)計(jì)流速：u=50ms管道橫截面積：A=qVu=0.136650=0.002732m2管道內(nèi)徑：d內(nèi)=4A=58.98mm取管道尺寸為：76mm×8mm管壁厚度為：=8mm管道外徑：d外=74.98mm實(shí)際管道內(nèi)徑為：60mm實(shí)際流速為：48.3 m/s3.3.3 管道設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表表2 管道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表管道流體狀態(tài)流量m3s設(shè)計(jì)流速ms管道內(nèi)徑Mm管道尺寸mm×mm實(shí)際內(nèi)徑

51、mm實(shí)際流速ms原料儲槽預(yù)熱器液0.003243.70254×3.5471.729預(yù)熱器進(jìn)料口液0.003243.70254×3.5471.729預(yù)熱器高壓蒸汽管汽0.13665058.9876×86048.3預(yù)熱器疏水器液0.000316221.1822×3.5151.789塔頂出口冷凝器汽1.810510480.125530×145029.1475冷凝器出口管液0.011283.68395×5.5841.985冷凝器冷卻水管液0.02672130.43146×6.51331.9236冷凝器出口回流管液0,0019234.

52、77945×4.5361.867冷凝器冷卻器液0.000633220.07932×3261.929冷卻器冷卻水管液0.0192110.2363127×61151.838塔底出口管液0.0035247.20357×4491.856塔底再沸器液0.0017232.89842×3361.67再沸器進(jìn)塔汽1.717410495.62500×144729.815再沸器高壓蒸汽管汽0.54650117.9146×1312246.72再沸器疏水器液0.00126228.3638×4301.78塔底熱水儲罐液0.0018233.8542×3361.768總蒸汽管汽0.68350131.86168×1613647.0總冷卻水管液004582170.8194×101741.92663.4 泵的計(jì)算及設(shè)計(jì)選型3.4.1 原料泵管內(nèi)液體的流量為：qV=0.003m3s，流速：u=1.729ms假設(shè)料液面至加料孔高度差為：Z=10m當(dāng)量長度：10m雷諾系數(shù)：Re=duLFLF=54180.41查得d=0.006383,=0.0327當(dāng)量長度：100m