乙醇—水精餾浮閥塔設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)_第1頁
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文檔簡介

1、鹽城師范學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì)2013 2014學(xué)年度化學(xué)化工學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)班級 11 (6) 學(xué)號(hào) 11233526題目名稱化工原理課程設(shè)計(jì)學(xué)生姓名陳清指導(dǎo)教師王俊設(shè)計(jì)時(shí)間:2013年11月25日2013年12月8日化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書化學(xué)化工學(xué)院 材料化學(xué)專業(yè) 班級化11本(6)姓名陳清學(xué)號(hào)11233526 設(shè)計(jì)題目:乙醇 一水精儲(chǔ)浮閥塔設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)地目地與意義:(1)初步掌握化工單元操作設(shè)計(jì)地基本方法和程序;(2)訓(xùn)練我們地基本技能,如計(jì)算、繪圖、運(yùn)用設(shè)計(jì)資料(手冊、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范)、使用經(jīng)驗(yàn)數(shù) 據(jù),進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)估算和處理數(shù)據(jù)等;(3)提高運(yùn)用工程語言(簡潔地文字、清晰地圖表、正確地計(jì)算)表達(dá)

2、設(shè)計(jì)思想能力培養(yǎng)我們理論聯(lián)系實(shí)際地正確設(shè)計(jì)思想,訓(xùn)練綜合運(yùn)用已學(xué)過地理論和實(shí)際經(jīng)驗(yàn).課程設(shè)計(jì)地內(nèi)容:設(shè)計(jì)一個(gè)常壓浮閥精儲(chǔ)塔,分離含乙醇0.48 (以下皆為質(zhì)量分率)地乙醇一水混合液,進(jìn)料溫度為35C,要求獲得 0.95地塔頂產(chǎn)品和0.03地塔釜產(chǎn)品,年生產(chǎn)量為3000t,再沸器用2atm地水蒸汽作為加熱介質(zhì),塔頂全凝器采用冷水為冷凝介質(zhì).通過翻閱大量地資料進(jìn)行工藝計(jì)算、物性數(shù)據(jù)處理、塔體塔板尺寸計(jì)算、流體力學(xué)計(jì)算、畫負(fù)荷性能圖等對浮閥塔展開了全方面地設(shè)計(jì).工藝操作條件:精儲(chǔ)塔地塔頂壓力進(jìn)料狀態(tài)回流比加熱蒸汽壓力單板壓降設(shè)備型式4kPa泡點(diǎn)進(jìn)料R=1.6Rmin101.33kPa不大于0.70k

3、Pa浮閥塔(F1型)課題設(shè)計(jì)任務(wù):(1) 完成主題設(shè)備地工藝設(shè)計(jì)與計(jì)算;(2) 有關(guān)附屬設(shè)備地設(shè)計(jì)和選型;(3) 繪制帶控制點(diǎn)地工藝流程簡圖和主體設(shè)備地工藝條件圖;(4) 編寫設(shè)計(jì)說明書.主要參考書:1王國勝.化工原理課程設(shè)計(jì).大連:大連理工大學(xué)出版社,2006.82申迎華、郝曉剛.化工原理課程設(shè)計(jì).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.53賈紹義,柴誠敬等.化工原理課程設(shè)計(jì).天津:天津大學(xué)出版社,2002.84付家新、王為國、肖穩(wěn)發(fā).化工原理課程設(shè)計(jì)(典型化工單元操作設(shè)備設(shè)計(jì)).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.105任曉光.化工原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.16濮存恬.精細(xì)化工

4、過程及設(shè)備.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1996夏清、陳常貴.化工原理(上冊).天津:天津大學(xué)出版社,2005.18夏清、陳常貴.化工原理(下冊).天津:天津大學(xué)出版社,2005.1指導(dǎo)教師 王俊職務(wù)(稱)2013年11月25日目錄摘要 1第一章 概述 21.1 塔設(shè)備地類型 31.2 板式塔與填料塔地比較及選型 41.2.1 板式塔與填料塔地比較 41.2.2 塔設(shè)備地選型 5第二章 設(shè)計(jì)任務(wù) 62.1 設(shè)計(jì)摘要 62.2 設(shè)計(jì)任務(wù)和條件 6第三章設(shè)計(jì)方案簡介 板式塔地設(shè)計(jì) 73.1 設(shè)計(jì)方案地確定 73.1.1 裝置流程地確定 73.1.2 操作壓力地選擇 83.1.3 進(jìn)料狀況地選擇 83.1

5、.4 加熱方式地選擇 83.1.5 回流比地選擇 83.2 塔板地類型與選擇 93.2.1 塔板地類型 93.2.2 塔板地選擇 11第四章 浮閥塔精餾工藝設(shè)計(jì)114.1 工藝計(jì)算 114.1.1 全塔物料衡算 114.1.2 Rmin 地確定 124.1.3 塔板數(shù)地確定 144.2 精餾塔地操作工藝條件及相關(guān)物性數(shù)據(jù)地計(jì)算 194.2.1 操作壓力 194.2.2 操作溫度 194.2.3 平均摩爾質(zhì)量 194.2.4 平均密度 205.2.5液體平均表面張力地計(jì)算 224.3 精餾塔地塔體工藝尺寸計(jì)算 244.3.1 塔徑地計(jì)算 244.3.2 精餾塔有效高度地計(jì)算 274.3.3 塔高

6、地計(jì)算 274.4 塔板主要工藝尺寸地計(jì)算 294.4.1 溢流裝置地設(shè)計(jì) 294.4.2 塔板布置及浮閥數(shù)目與排列 324.5 塔板流體力學(xué)驗(yàn)算 344.5.1 氣相通過浮閥塔板地壓降 344.5.2 淹塔 354.5.3 霧沫夾帶 364.6 塔板負(fù)荷性能圖(精餾段) 384.6.1 霧沫夾帶線 384.6.2 液泛線 394.6.3 液相負(fù)荷上限線 404.6.4 漏液線 404.6.5 液相負(fù)荷下限線 404.6塔板負(fù)荷性能圖(提儲(chǔ)段) 424.6.1 霧沫夾帶線 424.6.2 液泛線 424.6.3 液相負(fù)荷上限線434.6.4 漏液線 434.6.5 液相負(fù)荷下限線 44參考文獻(xiàn)

7、 46課程設(shè)計(jì)心得 46摘要化工生產(chǎn)中所處理地原料中間產(chǎn)品幾乎都是由若干組分組成地混合物,其中大部分是均相混合物.生產(chǎn)中為滿足要求需將混合物分離成較純地物質(zhì).精餾是分離液體混合物(含可液化地氣體混合物)最常用地一種單元操作,在化工、煉油、石油化工等工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用1. 精餾過程在能量劑地驅(qū)動(dòng)下(有時(shí)加質(zhì)量劑),使氣、液兩相多次直接接觸和分離,利用液相混合物中各組分揮發(fā)度地不同,使易揮發(fā)組分由液相向氣相轉(zhuǎn)移,難揮發(fā)組分由氣相向液相轉(zhuǎn)移,實(shí)現(xiàn)原料混合液中各組分地分離.該過程是同時(shí)進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱地過程.在本設(shè)計(jì)中我們使用浮閥塔,浮閥塔是一種板式塔,用于氣液傳質(zhì)過程中.浮閥地閥片可以浮動(dòng),隨著氣體負(fù)

8、荷地變化而調(diào)節(jié)其開啟度,因此,浮閥塔地操作彈性大,特別是在低負(fù)荷時(shí),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?。ㄒ驓怏w水平吹出之故),塔板效率較高,生產(chǎn)能力較大2. 塔結(jié)構(gòu)簡單,制造費(fèi)用便宜,并能適應(yīng)常用地物料狀況,是化工、煉油行業(yè)中使用最廣泛地塔型之一.浮閥塔有活動(dòng)泡罩、圓盤浮閥、重盤浮閥和條形浮閥四種形式.浮閥塔地突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單造價(jià)低,合理地設(shè)計(jì)能滿足要求地操作彈性,浮閥塔是最廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)地設(shè)備之一.第一章 概述精餾是分離液體混合物最常用地一種單元操作,精餾一種利用回流使液體混合物得到高純度分離地蒸餾方法 .精餾之所以能使液體混合物得到較完全地分離,關(guān)鍵在于回流地

9、應(yīng)用.回流包括塔頂高濃度易揮發(fā)組分液體和塔底高濃度難揮發(fā)組分蒸氣兩者返回塔中.汽液回流形成了逆流接觸地汽液兩相,從而在塔地兩端分別得到相當(dāng)純凈地單組分產(chǎn)品.塔頂回流入塔地液體量與塔頂產(chǎn)品量之比,稱為回流比,它是精餾操作地一個(gè)重要控制參數(shù),它地變化影響精餾操作地分離效果和能耗.精餾過程地核心在于回流,而回流必須消耗大量能量.降低能耗是精餾過程發(fā)展地重大課題.除了選擇經(jīng)濟(jì)上合理地回流比外,主要地節(jié)能措施有:熱泵精餾.將塔頂蒸氣絕熱壓縮(見熱力學(xué)過程)升溫后,重新作為再沸器地?zé)嵩矗ㄒ姛岜谜舭l(fā));多效精餾.精餾裝置由壓力依次降低地若干個(gè)精餾塔組成,前一精餾塔塔頂蒸氣用作后一精餾塔再沸器地加熱蒸氣(見多

10、效蒸發(fā));采用高效精儲(chǔ)塔,可用較小地回流比;采用高效換熱器,可降低傳熱溫度差,這樣就可以減少有效能損失 .采用電子計(jì)算機(jī)對過程進(jìn)行有效控制,減小操作裕度,確保過程在最低能耗下進(jìn)行1.1 塔設(shè)備地類型塔設(shè)備是化工、石油化工、生物化工、制藥等生產(chǎn)過程中廣泛采用地傳質(zhì)設(shè)備.根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸構(gòu)件地結(jié)構(gòu)形式,可分為板式塔和填料塔兩大類.板式塔內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量地塔板,氣體以鼓泡或噴射形式穿過板上地液層,進(jìn)行傳質(zhì)與傳熱.在正常操作下,氣相為分散相,液相為連續(xù)相,氣相組成呈階梯變化,屬逐級接觸逆流操作過程.填料塔內(nèi)裝有一定高度地填料層,液體自塔頂沿填料表面下流,氣體逆流向上(有時(shí)也采用并流向下)流動(dòng),氣液兩相密

11、切接觸進(jìn)行傳質(zhì)與傳熱.在正常操作狀況下,氣相為連續(xù)相,液相為分散相,氣相組成呈連續(xù)變化,屬微分接觸逆流操作過程.1.2 板式塔與填料塔地比較及選型1.2.1 板式塔與填料塔地比較工業(yè)上評價(jià)塔設(shè)備地性能指標(biāo)主要有以下幾個(gè)方面:生產(chǎn)能力;分離效率;塔壓降;操作彈性;結(jié)構(gòu)、制造及造價(jià)等.現(xiàn)就板式塔與填料塔地性能比較如下:1 生產(chǎn)能力板式塔與填料塔地液體流動(dòng)和傳質(zhì)機(jī)理不同.板式塔地傳質(zhì)是通過上升氣體穿過板上地液層來實(shí)現(xiàn)地,塔板地開孔率一般占塔截面積地7%10%;而填料塔地傳質(zhì)是通過上升氣體和靠重力沿填料表面下降地液體接觸實(shí)現(xiàn).填料塔內(nèi)件地開孔率通常在50%以上,而填料層地空隙率則超過90%,一般液泛點(diǎn)

12、較高,故單位塔截面積上填料塔地生產(chǎn)能力一般均高于板式塔.2 分離效率一般情況下,填料塔具有較高地分離效率.工業(yè)上常用填料塔每M 理論級為28 級 .而常用地板式塔,每 M 理論板最多不超過2 級 .研究表明,在壓力小于0.3MPa 時(shí),填料塔地分離效率明顯優(yōu)于板式塔,在高壓下,板式塔地分離效率略優(yōu)于填料塔.3 塔壓降填料塔由于空隙率高,故其壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于板式塔.一般情況下,板式塔每個(gè)理論級地壓降為0.41.1kPa,填料塔為0.010.27kPa.通常,板式塔地壓降高于填料塔5倍左右.壓降低不僅能降低操作費(fèi)用,節(jié)約能耗,對于精餾過程,還可使塔釜溫度降低,有利于熱敏性物系地分離.4 操作彈性一般來

13、說,填料本身對氣液負(fù)荷變化地適應(yīng)性很大,故填料塔地操作彈性取決于塔內(nèi)件地設(shè)計(jì),特別是液體分布器地設(shè)計(jì),因而可根據(jù)實(shí)際需要確定填料塔地操作彈性.而板式塔地操作彈性則受到塔板液泛、液沫夾帶及降液管能力地限制,一般操作彈性較小.5 結(jié)構(gòu)、制造及造價(jià)等般來說,填料塔地結(jié)構(gòu)較板式塔簡單,故制造、維修也較為方便,但填料塔地造價(jià)通常高于板式塔應(yīng)予指出,填料塔地持液量小于板式塔.持液量大,可使塔地操作平穩(wěn),不易引起產(chǎn)品地迅速變化,故板式塔較填料塔更易于操作.板式塔容易實(shí)現(xiàn)側(cè)線進(jìn)料和出料,而填料塔對側(cè)線進(jìn)料和出料等復(fù)雜情況不太適合.對于比表面積較大地高性能填料,填料層容易堵塞,故填料塔不宜直接處理有懸浮物或容易

14、聚合地物料.1.2.2 塔設(shè)備地選型工業(yè)上,塔設(shè)備主要用于蒸餾和吸收傳質(zhì)單元操作過程.傳統(tǒng)地設(shè)計(jì)中,蒸餾過程多選用板式塔,而吸收過程多選用填料塔.近年來,隨著塔設(shè)備設(shè)計(jì)水平地提高及新型塔構(gòu)件地出現(xiàn),上述傳統(tǒng)已逐漸打破.在蒸餾過程中采用填料塔及在吸收過程中采用板式塔已有不少應(yīng)用范例,尤其是填料塔在精餾過程中地應(yīng)用已非常普遍.對于一個(gè)具體地分離過程,設(shè)計(jì)中選擇何種塔型,應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)能力、分離效率、塔壓降、操作彈性等要求,并結(jié)合制造、維修、造價(jià)等因素綜合考慮.例如,( 1 )對于熱敏性物系地分離,要求塔壓降盡可能低,選用填料塔較為適宜;( 2)對于有側(cè)線進(jìn)料和出料地工藝過程,選用板式塔較為適宜;( 3

15、)對于有懸浮物或容易聚合物系地分離,為防止堵塞,宜選用板式塔;( 4)對于液體噴淋密度極小地工藝過程,若采用填料塔,填料層得不到充分潤濕使其分離效率明顯下降,故宜選用板式塔;5)對于易發(fā)泡物系地分離,因填料層具有破碎泡沫地作用,宜選用填料塔第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)2.1 設(shè)計(jì)摘要今采用一 F1型浮閥塔進(jìn)行乙醇-水二元物系地精微分離,要求乙醇地生產(chǎn)能力為3000t/年,塔頂儲(chǔ)出液中乙醇濃度不低于95%,殘液中乙醇含量小于3%.原料液中含乙醇為48%,其余為水(以上均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)).且精微塔頂壓力為 4KPa (表壓),單板壓降 w0.7KPa.本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離乙醇和水地混合物. 對于二元混合物地分離,應(yīng)采

16、用常壓下地連續(xù)精餾裝置.本設(shè)計(jì)采用泡點(diǎn)進(jìn)料,將原料液通過預(yù)熱器(再沸器)加熱至泡點(diǎn)后送入精餾塔內(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)品冷卻器冷卻后送入儲(chǔ)罐.該物系屬不分離物系,最小回流比較小,故操作回流比取最小回流比地1.6 倍 .塔釜采用直接蒸汽加熱,釜底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲(chǔ)罐.2.2 設(shè)計(jì)任務(wù)和條件( 1) 原料液含乙醇48(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同),其余為水.( 2)產(chǎn)品乙醇含量不低于95 .( 3)殘液中乙醇含量小于3 .( 4)生產(chǎn)能力為年產(chǎn)3000t 地乙醇產(chǎn)品.( 5)操作條件精儲(chǔ)塔地塔頂壓力 4kPa (表壓)進(jìn)料狀態(tài)泡點(diǎn)進(jìn)料回流比R=1.6Rmin

17、加熱蒸汽壓力 101.33kPa (表壓)單板壓降不大于0.70kPa (表壓)(6) 設(shè)備型式為浮閥塔(F1 型)7)廠址位于鹽城地區(qū)( 8)設(shè)備工作日為330 天 /年, 24h 連續(xù)運(yùn)行.( 9)鹽城地區(qū)夏天水溫為1618 .( 10)鹽城當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?01.4kPa.第三章設(shè)計(jì)方案簡介 板式塔地設(shè)計(jì)3.1 設(shè)計(jì)方案地確定3.1.1 裝置流程地確定蒸餾裝置包括精餾塔、原料預(yù)熱器,蒸餾釜(再沸器)、冷凝器、釜液冷卻器和產(chǎn)品冷卻器等設(shè)備.蒸餾過程按操作方式地不同,分為連續(xù)蒸餾和間歇蒸餾兩種流程.連續(xù)蒸餾具有生產(chǎn)能力大,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),工業(yè)生產(chǎn)中以連續(xù)蒸餾為主.間歇蒸餾具有操作靈活、適應(yīng)性

18、強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),適合于小規(guī)模、多品種或多組分物系地初步分離.蒸餾通過物料在塔內(nèi)地多次部分氣化與多次部分冷凝實(shí)現(xiàn)分離,熱量自塔釜輸入,由冷凝器和冷卻器中地冷卻介質(zhì)將余熱帶走.在此過程中,熱能利用率很低,為此,在確定裝置流程時(shí)應(yīng)考慮余熱地利用.譬如,用原料作為塔頂產(chǎn)品(或釜液產(chǎn)品)冷卻器地冷卻介質(zhì),既可將原料預(yù)熱,又可節(jié)約冷卻介質(zhì).另外,為保持塔地操作穩(wěn)定性,流程中除用泵直接送入塔原料外也可采用高位槽送料,以免受泵操作波動(dòng)地影響 .塔頂冷凝裝置可采用全冷凝器、分凝器兩種不同地設(shè)置.工業(yè)上采用全冷凝器為主,以便于準(zhǔn)確地控制回流比.塔頂分凝器對上升蒸氣有一定地增濃作用,若后繼裝置使用氣態(tài)物料,則宜用分凝器.

19、總之,確定流程時(shí)要較全面、合理地兼顧設(shè)備、操作費(fèi)用、操作控制及安全諸因素.3.1.2 操作壓力地選擇蒸餾過程按操作壓力不同,分為常壓蒸餾、減壓蒸餾和加壓蒸餾.一般地,除熱敏性物系外,凡通過常壓蒸餾能夠?qū)崿F(xiàn)分離要求,并能用江河水或循環(huán)水將鎦出物冷凝下來地物系,都應(yīng)采用常壓蒸餾;對熱敏性物系或者混合物泡點(diǎn)過高地物系,則宜采用減壓蒸餾;對常壓下鎦出物冷凝溫度過低地物系,需提高塔壓或者采用深井水、冷凍鹽水作為冷卻劑;而常壓下呈氣態(tài)地物系必須采用加壓蒸餾.例如苯乙烯常壓沸點(diǎn)為145.2,而將其加熱到102以上就會(huì)發(fā)生聚合,故苯乙烯應(yīng)采用減壓蒸餾;脫丙烷塔操作壓力提高到1765kPa 時(shí),冷凝溫度約為50

20、,便可用江河水或者循環(huán)水進(jìn)行冷卻,則運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用減少;石油氣常壓呈氣態(tài),必須采用加壓蒸餾.3.1.3 進(jìn)料狀況地選擇蒸餾操作有五種進(jìn)料熱狀況,進(jìn)料熱狀況不同,影響塔內(nèi)各層塔板地氣、液相負(fù)荷.工業(yè)上多采用接近泡點(diǎn)地液體進(jìn)料和飽和液體(泡點(diǎn))進(jìn)料,通常用釜?dú)堃侯A(yù)熱原料.若工藝要求減少塔釜地加熱量,以避免釜溫過高,料液產(chǎn)生聚合或結(jié)焦,則應(yīng)采用氣態(tài)進(jìn)料.3.1.4 加熱方式地選擇蒸餾大多采用間接蒸汽加熱,設(shè)置再沸器.有時(shí)也可采用直接蒸汽加熱,例如釜?dú)堃褐械刂饕M分是水,且在低濃度下輕組分地相對揮發(fā)度較大時(shí)(如乙醇與水混合液)宜用直接蒸汽加熱,其優(yōu)點(diǎn)是可以利用壓力較低地加熱蒸汽以節(jié)省操作費(fèi)用,并省掉間接加熱

21、設(shè)備.但由于直接蒸汽地加入,對釜內(nèi)溶液氣一定稀釋作用,在進(jìn)料條件和產(chǎn)品純度、輕組分收率一定地前提下,釜液濃度相應(yīng)較低,故需要在提留段增加塔板以達(dá)到生產(chǎn)要求.3.1.5 回流比地選擇回流比是精餾操作地重要工藝條件,其選擇地原則是使設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)用之和最低.設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選定回流比,也可參考同類生產(chǎn)地經(jīng)驗(yàn)值選定.必要時(shí)可選用若干個(gè)R 值,利用吉列蘭圖(簡捷法)求出對應(yīng)理論板數(shù) N,作出N-R曲線,從中找出適宜操作回流比R,也可作出 R對精儲(chǔ)操作費(fèi)用地關(guān)系線,從中確定適宜回流比R.3.2 塔板地類型與選擇1 .2.1塔板地類型塔板是板式塔地主要構(gòu)件,分為錯(cuò)流式塔板和逆流式塔板兩類,工業(yè)以錯(cuò)流

22、式塔板為主,常用地錯(cuò)流 式塔板主要有以下幾種.2 .泡罩塔板泡罩塔盤是工業(yè)上應(yīng)用最早地一種塔盤,它在塔盤板上開許多圓孔,每個(gè)孔上焊接一個(gè)短管,稱為升氣管,管上再罩一個(gè)帽子,稱為泡罩,泡罩周圍開有許多條形孔.工作時(shí),液體從上層塔盤經(jīng)過降液管流入本層塔盤,然后橫向流過塔盤板,流入下一層塔盤.氣體從下層塔盤上升進(jìn)入升氣管,通過環(huán)形通道再經(jīng)過泡罩地條形孔流散地泡罩間地液層中.泡罩尺寸分為80mm、100mm、150mm三種,可根據(jù)塔徑地大小選擇通常塔徑小于1000mm,選用80mm地泡罩;塔徑大于 2000mm,選用150mm地泡罩.泡罩塔盤具有如下特點(diǎn)。1、氣液兩相接觸充分,傳質(zhì)面積大,因此塔盤效率

23、高2、操作彈性大,再負(fù)荷變動(dòng)范圍較大時(shí),仍能保持較高地效率3、具有較高地生產(chǎn)能力,適用于大型生產(chǎn).4、不易堵塞,介質(zhì)適應(yīng)范圍廣,操作穩(wěn)定可靠 3 .篩孔塔板篩孔塔板簡稱篩板,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為塔板上開有許多均勻地小孔.根據(jù)孔徑地大小,分為小孔徑篩板(孔徑為38mm)和大孔徑篩板(孔徑為1025mm)兩類.工業(yè)應(yīng)用中心以小孔徑篩板為主,大孔徑多用于某些特殊場合(如分離粘度大、易結(jié)焦地物系).工作時(shí)液體從上層塔盤經(jīng)降液管流下,橫行流過塔盤進(jìn)入本層塔盤降液管流入下一層塔盤,氣體則自上而下穿過篩孔,分散成氣泡,穿過篩板上地液層,在此過程中進(jìn) 行相繼間地傳質(zhì)、傳熱.篩板塔盤具有如下優(yōu)點(diǎn):1、結(jié)構(gòu)簡單、制造維護(hù)方

24、便;2、生產(chǎn)能力大,比泡罩塔盤地高 20%-50%3、壓降小,適應(yīng)于減壓操作4、比泡罩塔盤效率高,但是不及浮閥塔盤5、篩孔塔盤地缺點(diǎn)是小孔徑篩孔易堵塞,故不易處理臟、粘性大及帶固體顆粒地料液應(yīng)予指出,盡管篩板傳質(zhì)效率高,但若設(shè)計(jì)和操作不當(dāng),易產(chǎn)生漏液,使得操作彈性減小,傳質(zhì)效率下降,故過去工業(yè)上應(yīng)用較為謹(jǐn)慎.近年來,由于設(shè)計(jì)和控制水平地不斷提高,可使篩板地操作非常精確,彌補(bǔ)了上述不足,故應(yīng)用日趨廣泛 .在確保精確設(shè)計(jì)和采用先進(jìn)控制手段地前提下,設(shè)計(jì)中可大膽選用.4 .浮閥塔板浮閥塔板是在泡罩塔板和篩孔塔板地基礎(chǔ)上發(fā)展起來地,它吸收了兩種塔板地優(yōu)點(diǎn). 操作時(shí),氣體通過閥孔使浮閥上升,隨后穿過環(huán)形

25、縫隙時(shí),并從水平方向吹入液層,形成泡沫,浮閥隨著 氣速地增減在相當(dāng)寬地氣速范圍內(nèi)自由升降.其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在塔板上開有若干個(gè)閥孔,每個(gè)閥孔裝有一個(gè)可以上下浮動(dòng)地閥片.氣流從浮閥周邊水平地進(jìn)入塔板上液層,浮閥可根據(jù)氣流流量地大小而上下浮動(dòng),自行調(diào)節(jié).浮閥地類型很多,國內(nèi)常用地有 F1型、V-4型及T型等,其中以F1型浮閥應(yīng)用最為普遍.浮閥塔盤地優(yōu)點(diǎn)如下:1、生產(chǎn)能力大,因浮閥在塔盤板上排列比泡罩更緊湊,故生產(chǎn)能力比泡罩塔盤高20%-40%.2、操作彈性大,因浮閥可在一定范圍內(nèi)自由升降以適應(yīng)氣量地變化,所以能在較寬地范圍內(nèi)保持高地效 率.3、效率高,由于氣液接觸充分,且蒸汽以水平方向吹入液層,故霧沫夾

26、帶較少,因此分離效果好4、壓降小,氣流通過浮閥時(shí),只有一次收縮、擴(kuò)大及轉(zhuǎn)彎,故壓降比泡罩塔低5、與泡罩塔盤相比,結(jié)構(gòu)簡單、制造安裝較方便,制造費(fèi)用也較低5 .2.2塔板地選擇應(yīng)予指出,以上介紹地僅是幾種較為典型地浮閥形式.由于浮閥具有生產(chǎn)能力大,操作彈性大及塔板效率高等優(yōu)點(diǎn),且加工方便,故有關(guān)浮閥塔板地研究開發(fā)遠(yuǎn)較其他型式地塔板廣泛,是目前新型塔板研究開發(fā)地主要方向.近年來研究開發(fā)出地新型浮閥有船型浮閥、管型浮閥、梯形浮閥、雙層浮閥、V-V浮閥、混合浮閥等,其共同地特點(diǎn)是加強(qiáng)了流體地導(dǎo)向作用和氣體地分散作用,使氣液兩相地流動(dòng)更趨于合理,操作彈性和塔板效率得到進(jìn)一步地提高.但應(yīng)指出,在工業(yè)應(yīng)用中

27、,目前還多采用F1型浮閥已有系列化標(biāo)準(zhǔn),各種設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)完善,便于設(shè)計(jì)和對比.而采用新型浮閥,設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)不夠完善,給設(shè)計(jì)帶來一定地困難,但隨著新型浮閥性能數(shù)據(jù)地不斷發(fā)表及工業(yè)應(yīng)用地增加,其設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)會(huì)逐步完善,在有較完善地?cái)?shù)據(jù)下,設(shè)計(jì)中 可選用新型浮閥.第四章 浮閥塔精微工藝設(shè)計(jì)4.1 工藝計(jì)算4.1.1 全塔物料衡算原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品地摩爾分?jǐn)?shù)如下.乙醇地摩爾質(zhì)量 MA=46kg/kmol,水地摩爾質(zhì)量 MB=18kg/kmol,則aAXF=MaaA 1 - aA0.48 /460.48 /460.52 /18=0.2654Ma M bxDaAMaaA 1 - aA+Ma Mb0.95/460.

28、95 /460.05 /18=0.8814aAxw 二MAaA 1 - aAMA MB0.03/460.03/46 0.97/18=0.0120=8.8752 kmol/h)3000 10八3330 24 (0.8814 46 0.1186 18)總物料 F = D + W(3-1)(3-2)易揮發(fā)組分FXf = DXdWXw聯(lián)立式3-1、3-2解得F = 30.4502D = 8.8752W = 21.5750式中 F原料液流量,kmol/h ;D 塔頂產(chǎn)品(鐳出液)流量, kmol/h;W 塔底產(chǎn)品(釜?dú)堃海┝髁浚?kmol/h ;XF 原料液中易揮發(fā)組分地摩爾分?jǐn)?shù);Xd 鐳出液中易揮發(fā)組

29、分地摩爾分?jǐn)?shù);Xw 釜?dú)堃褐幸讚]發(fā)組分地摩爾分?jǐn)?shù)4.1.2 Rmin地確定乙醇-水體系為非理想體系,其平衡曲線有下凹部分,當(dāng)操作線與 q線(進(jìn)料方程)地交點(diǎn)尚未落在平衡線上之前,操作線已與平衡線相切,如圖 1中點(diǎn)g所示為此恒濃區(qū)出現(xiàn)在點(diǎn) g附近.此時(shí)Rmin可由點(diǎn)(xD,yD )向平衡線作切線地斜率求得表1常壓下乙醇一水溶液地平衡數(shù)據(jù)液相中乙醇地摩爾氣相中乙醇地摩爾分液相中乙醇地摩爾分氣相中乙醇地摩爾分分?jǐn)?shù)x數(shù)y數(shù)x數(shù)y0.00.00.450.6350.010.110.500.6570.020.1750.550.6780.040.2730.600.6980.060.3400.650.7250.

30、080.3920.700.7550.100.4300.750.7850.140.4820.800.8200.180.5130.850.8550.200.5250.8940.8940.250.5510.900.8980.300.5750.950.9420.350.5951.01.00.400.6140.80.60.40.20C10. 20.40.60.81X水地回收率為:“水W(1M100% ;如5750年一0.0120) M100% =99 19%F(1 -xf)30.4502 (1 -0.2 654).操作線方程根據(jù)回流比求精微段操作線方程為y=-RxxDR 164±x0.8814

31、 =0.8700x 0.1 1466.6944 16.6944 1提福段操作線方程為L' Wy =x xL'-WL'-W89.864321.5750W-89.8643 -21.5750x 89.8643 -21.57500.0120 =1.3159x0.00 38 四圖解法求理論板層數(shù)采用直角階梯法求理論板層數(shù),如圖(2)所示.在塔底或恒沸點(diǎn)附近作圖時(shí)將圖局部放大圖2圖解法求理論塔板數(shù)求解結(jié)果為:總理論板層數(shù)NT=16 (不包括再沸器)進(jìn)料板位置NF=15精微段地理論板層數(shù)N精=14提福段地理論板層數(shù)N提=2 (包括進(jìn)料板)五.實(shí)際板層數(shù)地初步求取設(shè) ET=46 % ,

32、貝U精微段實(shí)際板層數(shù)Nm = 14,0 46=30.4331提福段實(shí)際板層數(shù)N提=% 46 = 4.35= 5總實(shí)際板層數(shù)Np =N N提=31 5 = 36六.塔板總效率估算(1)操作壓力計(jì)算塔頂操作壓力pD=p當(dāng)?shù)?p表=101.4 +4=105.4kPa每層塔板壓降A(chǔ)p=0.7kPa塔底操作壓力Pw=Pd Ap Np= 105.4 0.7 36 = 130.6(kPa)(2)操作溫度計(jì)算表2常壓下乙醇一水系統(tǒng)地t-x(y)數(shù)據(jù)沸點(diǎn)/C乙醇摩爾分?jǐn)?shù)沸點(diǎn)/C乙醇摩爾分?jǐn)?shù)液相x氣相y液相x氣相y100.00.0000.00081.50.3270.58395.50.0190.17080.70.3

33、970.61289.00.0720.38979.80.5080.65686.70.0970.43879.70.5200.66085.30.1240.47079.30.5730.68484.10.1660.50978.70.6760.73982.70.2340.54578.40.7470.78282.30.2610.55878.20.8940.894105, Q圖(3)氣液相平衡圖由圖(3)得塔頂溫度tD = 78.2C塔底溫度tw=96.8C平均溫度tm=(78.2 +96.8% =87.50 C(3)粘度地計(jì)算在 tm=87.50C時(shí),查表得,mh2o =0.3258mPas 然乙醇=0.4

34、159mPas,貝Uh=£ xi pLi =0.2 655M 0.4159 +(1 0.2 655)93258 = 0.34 97(mPas)(4)相對揮發(fā)度地計(jì)算相平衡方程為y =,且過點(diǎn)q1+( a -1)X(Xq,yq )q=1, Xq xf = 0.2 655由圖(2)得,yq = 0.5625所以yq =a Xq1 ( a -1)Xqa m 0.2 6551 (1) 0.2 655=0. 5625解得 a = 3.5559(5)塔板總效率地估算I2 c/i d. 6 i.o6 4 ir>圖 10-29全塔效率關(guān)聯(lián)曲線奧康奈爾(o' comme唯:塔效率圖得:塔

35、效率:Et' =0.49( a 科)345 因?yàn)?a =3.5559 , ml =0.34 97mPas可解得 Et' =0.4645,因?yàn)镋t'-Et =0.45% (<1%),所以假設(shè)成立.七.實(shí)際塔板層數(shù)地確定取塔板總效率Et=0. 4645,則精福段實(shí)際板層數(shù)N1%.4645=30.1什31提福段實(shí)際板層數(shù) 岫g = % 4645 = 4.30=5總實(shí)際板層數(shù)Np =N N提=31 5-364.2精微塔地操作工藝條件及相關(guān)物性數(shù)據(jù)地計(jì)算4.2.1 操作壓力塔頂操作壓力Pd=P當(dāng)?shù)?p表=101.4+4=105.4kPa每層塔板壓降A(chǔ)p=0.7kPa進(jìn)料板壓

36、 BIPf = 105.4 0.7 31 =127.1kPa塔底操作壓降Pw= 127.1 0.7 5 =130.6kPa精微段平均壓降Pm=(105.4127.1)2 =116.25kPa提儲(chǔ)段平均壓降Pm=(1 27.1 , 130.6)2 =128.85kPa4.2.2 操作溫度由圖(3)得塔頂溫度t d -78.2 C進(jìn)料板溫度tF = 82.3C塔底溫度tw=96.8C精微段平均溫度t m78.2 , 82.3)2 =80. 25 C提儲(chǔ)段平均溫度t m=(96.882.3)289.55C4.2.3 平均摩爾質(zhì)量1 .塔頂混合物平均摩爾質(zhì)量計(jì)算由Xd乎=0.8814,查平衡曲線(見圖

37、1)地X1 = 0.8800.M_Dm= 0.8 800M 46 +(1 - 0.8 800)父 18 = 42.6400kg/kmol)M/Dm=0.8814 46 (1 -0.8 814) 18 = 42. 679Zkg/kmol)2 .進(jìn)料板混合物平均摩爾質(zhì)量計(jì)算由圖解理論板(見圖 2)得yF = 0.3 456查平衡曲線(見圖1)得xF-0.0 620MLFm= 0.0 620 x 46+(1 -0. 0620)父 18 = 19. 736kg/kmol)Mkm= 0.3 456 46 (1 -0.3 456) 18 =27. 6768(kg/kmol)3 .塔底混合物平均摩爾質(zhì)量計(jì)算

38、由Xw = 0.0120 ,由圖解平衡線(見圖2)得yw = 0.12Wm= 0.0120 M 46+(1 - 0.0120) M 18 = 18.336(kg/ kmol)MVFm=0.12 46 (1 -0.12) 18 = 21.36(kg/kmol)精儲(chǔ)段混合物平均摩爾質(zhì)量MLm=(42.64 e 736)2 =31. 188(kg/kmol)M/m=(42. 6792 27. 6768)2 =35.1780(kg/kmol)提儲(chǔ)段混合物平均摩爾質(zhì)量M|_m=(18.33619. 736)2 = 19.036(kg/kmol)MVm=( 21.36 27. 6768)2 = 21.51

39、84(kg/kmol)4.2.4 平均密度.氣相平均密度由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算,即精福段PmMVm 116.25 35.1780RTm - 8.314 (80. 25 273.15)3= 1.3 91&kg/m )提鋪段PVm 二pmMVmRTm128.85 21.51848.314 (89.55 273.15)3、= 1.0477(kg/m ).液相平均密度表二:小同溫度卜乙醇地密度溫度t/ c5060708090100110乙醇密度p/(kg/m3)765755746735730716703液相平均密度依據(jù)下式計(jì)算,即=n少Pm/ "(1)塔頂液相平均密度33由 tD =

40、 78.2C,查手冊得 P 乙醇=737.5kg/m , p 水=971.253kg/ m.1 3、PLDm=0.9 50.0 5= 746.4829(kg/m )737.5971.253(2)進(jìn)料板液相平均密度 33由 tF=82.3C ,杳手冊付 P乙醇=733.6kg/m , p水=970.528kg/m .進(jìn)料板液相地質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.0 620 46coa = = 0.1 4453、=925.3663(kg/m )0.0 620 46 (1 - 0.0 620) 18PLFm = 0.1 445(1 - 0.1 445)734.5967.847(3)塔底液相平均密度由 tw = 96.8C

41、 ,查手冊得 p 乙醇=725.3kg/m 3, p 水=951.068kg/ m3.13、心二0.03725.3 0.97951.068 二.(4)液相平均密度精微段PLm=(746.4869 十925.3663% = 835.9266(kg/m 3)提福段piJ942.269 +930.709) 2 =933.8177(kg/m 3)5.2.5液體平均表面張力地計(jì)算臨界溫度:物質(zhì)臨界溫度(C)氨 267. 9氯化氫 51 . 5氫240氨132氮147氯144氧118. 8乙醛194甲烷 一83乙醇243.1二氧化碳 31水 374乙醇和水地混合液地表面張力:25 c時(shí)地乙醇和水地混合液地

42、表面張力與乙醇濃度之間地關(guān)系為:(T =67.83364-2.9726雙+ 0.09604雙人2-X 10人-8雙人50.00163 XxA3+1.348 X 10人-5 XxA4-4.314表面張(T-25 Cx乙醇其 他 溫 度 下質(zhì)量分地 表 面 張 力 可./ U.利 用 下 式 求 得2 2/ 1 1=(T2)/(Tc-T1)A1.2式中,(r1 -溫度為T1時(shí)地表面張力;N/m; (t2溫度為T2時(shí)地表面張力;N/m; TC 混合物地 臨 界 溫 度,TC =匯xiTci,K ;xi組分 i 地摩爾分?jǐn)?shù); TCi組分 i 地臨界溫度, K 一.塔頂液相平均表面張力地計(jì)算當(dāng)乙醇地質(zhì)量

43、分?jǐn)?shù)為 95%時(shí),且乙醇地臨界溫度為243 C,水地臨界溫度為 374.2 C,25 c下,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 95%地乙醇溶液地表面張力:3.=25. 6 10 N/m則混合液體地臨界溫度為:TmcD二,XiTic=0.8814 243.1 (1 -0.8814) 374.2 - 258.648C將混合液體地臨界溫度代入O"tD =(C25CTmCD-TDTmCD-T25C產(chǎn).(25產(chǎn)-3343_ .解得SD = 18. 7750M10 N/m二.進(jìn)料板液相平均表面張力地計(jì)算3_ .當(dāng)乙醇地質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48%時(shí),查表得(r25C =27. 3父10 N/m,且乙醇地臨界溫度為243.1 C,

44、水地臨界溫度為374.2C,則混合液體地臨界溫度為:TmcF=Z XiTc =0.2 654M 243.1+(1 0.2 654)父 374.2 =339.4061C將混合液體地臨界溫度代入6fTmCF-TF 1.2339.4061 -82.3x1.2n -70 cc=()=()=0.78 55O25CTmC丁T25c339.4061 - 25一一, 一一一 ,一 3.解得 即 =21.444210 N/m3 .塔底液相平均表面張力地計(jì)算當(dāng)乙醇地質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí),查表得(T25C =53.9 M 10N/m ,且乙醇地臨界溫度為243C,水地臨界溫度為374.2 C,則混合液體地臨界溫度為:T

45、mC斤工 XiTiC =0.0120 M243.1+(1 0.0120)父 374.2 = 372.63 C將混合液體地臨界溫度代入O"tW( TmCW-TWO"25CTmCWT25 c、i.2/ 372.63 -96.8 i.2 八 一八)=()=0.7 576372.63 一 25, 一-一 一 3解得ud =40.8310 N /m4 .平均表面張力精微段(TLm=(18. 7750+21.444% = 20. 109qMl0'N/m)、提儲(chǔ)段bLm =( 40.8336 *21. 4442% = 31.1389(M10,N/m)表3物性數(shù)據(jù)表平均壓降Pm精福

46、段116.25kPa提福段128.85kPa平均溫度t m精微段平均溫度80.25 C提儲(chǔ)段平均溫度89.55 C平均摩爾質(zhì)量精福段MLm31.188kg/kmolMvm35.1780kg/kmol提福段MLm19.036kg/kmolM/m21.5184kg/kmol平均密度精福段P Vm1.3918kg/m3P Lm835.9266kg/m3提福段P Vm1.0477kg/m3P Lm933.8177kg/m3液相平均表面張力(rLm精福段20.1096 M0-3N/m3提福段31.1389 M0-3N/m34.3精儲(chǔ)塔地塔體工藝尺寸計(jì)算4.3.1 塔徑地計(jì)算qn,VMI/m 加“一 36

47、00 P vm.精儲(chǔ)段地氣、液相體積流率為68.2893 35.17803,、= 0.4 795m /s)3600 1.3 918八qn,LMLmqv3 3600P Lm59.4141 31. 18803600 835.9266= 0.00061am3/s)由umax =C巴二V 式中C由C = C20(6/0.02) 0.2 計(jì)算,其中地C20由圖(4)查取,圖地橫 PV坐標(biāo)為= 0.03148qv,L w PL)1/20.000616M3600835.9266 1/2晨/( TV)= 0.4 795x3600 ” 1.3918 )圖(4)史密斯關(guān)聯(lián)圖取板間距叫=0. 35m,板上液層高度h

48、L = 0.05m,則HT-hL-0. 35-0.05 =0. 3(m)查圖(4)得弓。=0.0 620,則umax= 0.0621C = C20( b/0.02) 0.2 =0.0 620 M( 20. 1096 父10 %02)0.2 =0.0 621=1.521(m/s)835.9266 -1.3 9181.3 918取安全系數(shù)為0.8,則空塔氣速為u =0. 8Umax = 0. 8 1.521 = 1.217(m/s)=0. 7085(m)D_ 4q%v _4 0.4 7951 u =;3.14 m1.217按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為D = 0.7m表4塔板間距與塔徑地關(guān)系塔徑D/m0.30

49、.50.50.80.81.61.62.42.44.0板間距HT/mm200300250350300450350600400600依表4,經(jīng)驗(yàn)算后選取地板間距適合,因此D=0.7m符合要求.二.提福段地氣、液相體積流率為qn,vMVm68.2893 21.5184qv,V=3600p vm3600 1.04773 .、=0. 389am /s)qv, L =qn,LMLm3600P Lm59.4141 19.0323600 933.8177= 0.000 3364m3/s)由umax =C -L V 式中C由C = C20( d /0.02) 0.2 計(jì)算,其中地C20由圖(4)查取,圖地橫坐標(biāo)

50、 PV為qv,L /Pl1/2 0.000 3364M3600 , 933.8177、i/2 八八”“-()()=0.02578qvVpV0.3896M 36001.0477查圖(4)得 Go = 0.0615,則C = C2o(t/0.02) 0.2 =0.0 615穴31.1389 父10%02 )0.2 = 0.06719umax= 0.0 6719933.8177 -1.04771. 0477=2.0048(m/s)取安全系數(shù)為0.8,則空塔氣速為u =0. 8umax=0. 8 2.0048 = 1.6038m/s)4 0.44390. 5938m)3.14 1.6038按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓

51、整后為D = 0. 6m由依表3,經(jīng)驗(yàn)算后選取地板間距適合.因此塔徑D=0. 7 m.一,3.14 一 2塔地截面積為At = D =m 0. 7 =0.3847m44實(shí)際空塔氣速為+qv,v 0.4 795 精微段 u = = =1.2464m/s)At0.3847qvv 0.3896提儲(chǔ)段 u = = 1.0127m/s)At0.38474.3.2 精儲(chǔ)塔有效高度地計(jì)算精微段有效高度為Z精=(N 精-4) Ht=(3 14)m0.3 5 = 9.45(M提福段有效高度為Z提=(N提-2)跖=(5 -2) 0.35=1.05m在進(jìn)料板上方開1個(gè)入孔,在精儲(chǔ)段設(shè)3個(gè)入孔,其高度均為 0.8m.故精福塔地有效高度為Zd精 +Z提 +0.8 父4 =9.45+1.05+0.8 父4=13.7(同4.3.3 塔高地計(jì)算塔地總高度是有效段高度、底部和頂部空間高度及裙座高度地總和 塔板間距Ht直接影響塔高.此外,板間距還與塔地生產(chǎn)能力、操作彈性及塔板效率有關(guān),在一定地生產(chǎn)任務(wù)下,采用較大地板間距能允許較高地空塔氣速,因而塔徑可小些,但塔高要增加.反之采用較小地板間距只能允許

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