乙醇-水溶液連續(xù)板式精餾塔設(shè)計(jì)

1、 1設(shè)計(jì)內(nèi)容及任務(wù)（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(wàn)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)）：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(kāi)動(dòng)設(shè)備24小時(shí)計(jì)算，產(chǎn)品流量為265.3kmol/h,由于產(chǎn)品黏度較小，流量增大，為減少造價(jià)，降低生產(chǎn)過(guò)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： 0.7KPa（3） 進(jìn)料

2、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(guò)程 物料衡算工藝過(guò)程1.1物料衡算 =7.4% =38.2% F=265.3kmol/h =0.0303塔底產(chǎn)品流量： 1.1表1 物料衡算數(shù)據(jù)記錄F265.3kmol/h0.0303D36.66kmol/h0.1948W228.64kmol/h0.00039由圖(在化工原理（第三版，王志魁）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，王志魁）附錄查得乙醇與水的有關(guān)

3、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(mǎn)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由于產(chǎn)品純度不高，故可采取塔頂進(jìn)料，無(wú)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?。河弥鸢宸ㄓ?jì)算理論板數(shù)相平衡方程 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： ，°C塔釜： , °C塔頂和

4、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(shū)中附表12查得：在91.5°C下， ， 根據(jù)公式 得（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：得: 水：得：將代入 進(jìn)行試差，求塔頂、進(jìn)料板、及塔釜的壓力和溫度：1) 塔頂：， 試差得 2) 塔釜壓力：塔釜：， 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： 塔釜： 平均摩爾質(zhì)量： 表2 平均摩爾質(zhì)量的計(jì)算塔頂平均摩爾質(zhì)量塔釜C. 平均密度的計(jì)算：1) 汽相平均密度計(jì)算：汽相平均密度：2) 液

5、相平均密度計(jì)算：塔頂：， 塔釜：， 得：液相平均密度：表3 液相平均密度的計(jì)算塔頂塔釜0.03119精餾段液相平均密度D. 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：，由化工原理（第三版，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)算塔頂塔釜液體表面平均張力E. 液體平均黏度計(jì)算： 液體平均黏度按下式計(jì)算：塔頂：，查由化工原理（第三版，化學(xué)工業(yè)出版社，王志魁）附錄十二， 得：塔釜：，查附錄：， 得：液體平均黏度：表5 液體平均黏度計(jì)算塔頂塔釜液體平均黏度F. 氣液相體積流率計(jì)算： 汽相體積流率：液相體積流率：表6 氣液相體積流率計(jì)

6、算G. 塔徑的確定 塔徑的確定，需求=，C由下式計(jì)算：由Smith圖查取。取板間距，板上液層高度，則（1） 精餾段塔徑的確定：圖的橫坐標(biāo)為查smith圖，smith圖得0.062=2.29m/s取安全系數(shù)為0.75，則空塔氣速為：則塔徑（2） 按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后，(故采取整塊式塔板結(jié)構(gòu))塔截面積：實(shí)際空塔氣速為：塔的有效高度的計(jì)算有效高度：塔頂間距：H1=(1.52.0)HT,取H1=2×0.35=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：

7、lw=（0.60.8）D，取lw=0.6×0.5=0.3mB.溢流堰高度hw因?yàn)閔l=hw+how選用平直堰，堰上液層高度how可用Francis計(jì)算， 即液體收縮系數(shù)計(jì)算圖=0.00122×3600=4.392m3/h，得 E=1.15，則hOW=(2.84/1000)×1.15×（4.392/0.3）2/3=0.0170m取板上清夜層高度hL=0.05m, 故hW=0.05-0.0170=0.033m2.2降液管2.2.1 降液管高度和截面積因?yàn)?，查下圖（弓形降液管參數(shù)圖）得：, 所以，弓形降液管參數(shù)圖依下式驗(yàn)算液體在降液管中的停留時(shí)間： ,故降液管

8、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：取則 ，即 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(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算開(kāi)孔區(qū)面積按下式計(jì)算：其中故浮閥塔計(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：氣體通過(guò)閥孔的速度：取動(dòng)能因數(shù)F=11 則精段：，取201) 開(kāi)孔率： 開(kāi)孔率在10%14%之間，且實(shí)際動(dòng)能因數(shù)F0在912間，滿(mǎn)足要求。B. 排列 由于采取整塊式塔板結(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(guò)浮閥塔板的壓力降（單板壓降） 單板

9、壓降：hp=hc+hl+h閥片全開(kāi)前 閥片全開(kāi)后: 取板上液層充氣因數(shù)0=0.5，那么 hL=0(hw+ how)=0 hL=0.5×0.05=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：但由于氣體克服液體表面張力所造成的阻力通常很小，可忽略不計(jì)。故hp=hc+hl+h=0.0329+0.025=0.0579m3.2漏液驗(yàn)算 氣體通過(guò)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+hd=hp+hL +hd（HT+hw）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)： Hd

10、=0.0579+0.05+0.0000525=0.107953m取=0.5 ，（HT+hw）=0.5×（0.35+0.033）=0.1915mHd<（HT+hw）3.4霧沫夾帶驗(yàn)算泛點(diǎn)百分率可取下列兩式計(jì)算，取計(jì)算結(jié)果中較大的數(shù)值： , ZL=D-2Wd ， Ab=AT-2Af4操作性能負(fù)荷4.1氣相負(fù)荷下限線(xiàn)4.2液相負(fù)荷下限線(xiàn) 得：4.3液泛負(fù)荷上限線(xiàn) 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(wú)縫鋼管(GB8163-87)，規(guī)格：38×5mm實(shí)際管內(nèi)流速：5.2釜?dú)堃撼隽瞎芨獨(dú)堃旱捏w積流量：取適宜的輸送速度

11、：uf=3m/s, 則 經(jīng)圓整選取熱軋無(wú)縫鋼管，規(guī)格：32×3mm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 經(jīng)圓整選取拉制黃銅管，規(guī)格：260×5mm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回流，采用25的水作為冷卻劑，逆流操作，則 Q=Wr1r1=VMVDr1 查液體的汽化潛熱圖，可知塔頂溫度92.7下， 乙醇汽化潛熱：rA=850KJ/kg 水的汽化潛熱：rB=2375KJ/kgr1=rixi=850×0.1948×46+（1-0.1948）×

12、2375×18=42038.98KJ/Kmol故Q=36.66×42038.98/3600=428.09KJ/s又由于Q=KAtm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=Wh2r2 查得塔釜溫度103.57下乙醇汽化潛熱rA=800KJ/kg 水的汽化潛熱：rB=2250KJ/kgr2=rixi=800×0.00032×46+（1-0.00032）×2250×18=40498.82KJ/Kmol故Q=（L-W）Mflr=(265.3-228.64)

13、5;40498.82=1484.66KJ/s又由于Q=KAtm因?yàn)镵=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，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100，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(guò)程開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì).廣州：華南理工大

14、學(xué)出版社.1996.024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(guò)程與設(shè)備.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2003.03符號(hào)說(shuō)明 一一塔板開(kāi)口面積,一一降液管截面積, 一一篩孔總面積, 一一塔截面積, 一一流量系數(shù),無(wú)因此 一一計(jì)算時(shí)負(fù)荷系數(shù), 一一篩孔直徑,m一一塔徑,m 一一篩孔氣相動(dòng)能因子 一一重力加速度,9.81一一進(jìn)口堰與降液管間的水平距離,m一一與干板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?m一一與液體流過(guò)降液管的壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨?m一一塔板上鼓泡高度,m一一板上清液層高度,m一一降壓管的底隙高度,m一一堰上液層高度,m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一一