乙醇-水篩板精餾塔設計

.-乙醇-水連續(xù)篩板式精餾塔設計.-目錄一、概述..........................................................................................................................................31.1設計依據............................................................................................................................31.2技術來源............................................................................................................................31.3設計任務及要求................................................................................................................3二、計算過程..................................................................................................................................41.塔型選擇..............................................................................................................................42.操作條件的確定..................................................................................................................42.1操作壓力....................................................................................................................42.2進料狀態(tài)....................................................................................................................42.3加熱方式....................................................................................錯誤!未定義書簽。2.4熱能利用....................................................................................................................53.有關的工藝計算..................................................................................................................53.1最小回流比及操作回流比的確定............................................................................63.2塔頂產品產量、釜殘液量及加熱蒸汽量的計算....................................................63.3全凝器冷凝介質的消耗量........................................................................................63.4熱能利用....................................................................................................................73.5理論塔板層數的確定................................................................................................73.6全塔效率的估算........................................................................................................83.7實際塔板數N.........................................................................................................9P4.精餾塔主題尺寸的計算......................................................................................................94.1精餾段與提餾段的體積流量....................................................................................94.2塔徑的計算..............................................................................................................114.3塔高的計算..............................................................................................................135.塔板結構尺寸的確定........................................................................................................135.1塔板尺寸..................................................................................................................135.2弓形降液管..............................................................................................................145.3浮閥數目及排列......................................................................................................156.流體力學驗算....................................................................................................................166.1氣體通過浮閥塔板的壓力降(單板壓降)h..........................................................16p6.2漏液驗算..................................................................................................................176.3液泛驗算..................................................................................................................176.4霧沫夾帶驗算..........................................................................................................187.操作性能負荷圖................................................................................................................187.1霧沫夾帶上限線......................................................................................................187.2液泛線......................................................................................................................187.3液體負荷上限線......................................................................................................197.4漏液線......................................................................................................................197.5液相負荷下限線......................................................................................................197.6操作性能負荷圖......................................................................................................19.-一、概述乙醇~水是工業(yè)上最常見的溶劑，也是非常重要的化工原料之一，是無色、感謝閱讀無毒、無致癌性、污染性和腐蝕性小的液體混合物。因其良好的理化性能，而被感謝閱讀廣泛地應用于化工、日化、醫(yī)藥等行業(yè)。近些年來，由于燃料價格的上漲，乙醇精品文檔放心下載燃料越來越有取代傳統燃料的趨勢，且已在鄭州、濟南等地的公交、出租車行業(yè)精品文檔放心下載內被采用。山東業(yè)已推出了推廣燃料乙醇的法規(guī)。長期以來，乙醇多以蒸餾法生產，但是由于乙醇~水體系有共沸現象，普通謝謝閱讀的精餾對于得到高純度的乙醇來說產量不好。但是由于常用的多為其水溶液，因感謝閱讀此，研究和改進乙醇`水體系的精餾設備是非常重要的。塔設備是最常采用的精餾裝置，無論是填料塔還是板式塔都在化工生產過程感謝閱讀中得到了廣泛的應用，在此我們作板式塔的設計以熟悉單元操作設備的設計流程謝謝閱讀和應注意的事項是非常必要的。1.1設計依據本設計依據于教科書的設計實例，對所提出的題目進行分析并做出理論計算。感謝閱讀1.2技術來源目前，精餾塔的設計方法以嚴格計算為主，也有一些簡化的模型，但是嚴格謝謝閱讀計算法對于連續(xù)精餾塔是最常采用的，我們此次所做的計算也采用嚴格計算法。精品文檔放心下載1.3設計任務及要求原料：丁烯-丙烯板式精餾塔設計設計條件：塔板類型：篩板或浮閥塔；飽和液體進料，進料丁烯含量xF=38%（摩爾分數）；感謝閱讀塔頂丁烯含量xD=97%，釜液丁烯含量xW≤6% 總板效率0.6；精品文檔放心下載處理量88kmol/h；回流比R/Rmin=1.1；塔頂操作壓力1.65MPa(表壓)。.-表1丁烯-丙烯t-x-y數據t/℃xyt/℃xy95.021660059.507160.550.7415791.271350.050.0963456.914940.60.7808687.614270.10.1862954.418830.650.816984.05720.150.2699252.014690.70.8499880.605390.20.3473849.698410.750.8803777.262220.250.418947.465510.80.9083274.029670.30.4847845.311680.850.9340570.90820.350.5453543.232410.90.9577967.897220.40.6009541.223440.950.9797164.995070.450.6519539.280281162.199360.50.69871二、計算過程塔型選擇根據生產任務，產品流量為88kmol/h，由于產品粘度較小，流量較大，為減謝謝閱讀少造價，降低生產過程中壓降和塔板液面落差的影響，提高生產效率，選用浮閥感謝閱讀塔。操作條件的確定2.1操作壓力由于乙醇~水體系對溫度的依賴性不強，常壓下為液態(tài)，為降低塔的操作費謝謝閱讀用，操作壓力選為常壓其中塔頂壓力為1.65MPa2.2進料狀態(tài)雖然進料方式有多種，但是飽和液體進料時進料溫度不受季節(jié)、氣溫變化和感謝閱讀前段工序波動的影響，塔的操作比較容易控制；此外，飽和液體進料時精餾段和謝謝閱讀提餾段的塔徑相同，無論是設計計算還是實際加工制造這樣的精餾塔都比較容易，感謝閱讀為此，本次設計中采取飽和液體進料。.-2.4熱能利用精餾過程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。因此熱效率較低，通常進感謝閱讀入再沸器的能量只有5%左右可以被有效利用。雖然塔頂蒸汽冷凝可以放出大量謝謝閱讀熱量，但是由于其位能較低，不可能直接用作為塔底的熱源。為此，我們擬采用精品文檔放心下載塔釜殘液對原料液進行加熱。有關的工藝計算丁烯的的摩爾質量：M=28kg/kmol丙烯的的摩爾質量：M=42kg/kmol0.38F0.97Dx0.06w料液及塔頂、塔底產品的平均摩爾質量：Mx

M

1x

M

=0.3828(10.38)42=36.68kg/kmol謝謝閱讀F

F

A

F

BMx

M

1x

M

=0.9728(10.97)42=28.42kg/kmol謝謝閱讀D

D

A

D

BM x

M

1x

M

=0.0628(10.06)42=41.16kg/kmol謝謝閱讀W W

A

W

B25℃下，原料液中

998.7Kg/m3,

785Kg/m3H2O

CH2CH2OH由此可查得原料液，塔頂和塔底混合物的沸點，以上計算結果見表2。感謝閱讀表2原料液、餾出液與釜殘液的流量與溫度名稱原料液餾出液釜殘液x/%35930.5fx(摩爾分數)0.17400.77900.0002f摩爾質量kg/kmol22.339.8118.1沸點溫度t/℃83.8378.6299.38.-3.1最小回流比及操作回流比的確定由于是泡點進料，xx0.174，過點e(0.174,0.174)做直線x0.174交平qf衡線于點d，由點d可讀得y0.516，因此：qRxy0.7790.5160.769dqmin(1)yx0.5160.174q過點a(0.779,0.779)作平衡線的切線，切點為g，讀得其坐標為x'0.55,y'0.678，因此：精品文檔放心下載q qxDyq'0.7790.6780.789min(2)y'x'0.6780.55精品文檔放心下載q q所以，R R 0.789min min(2)可取操作回流比R1(R/R 1.27)謝謝閱讀min3.2塔頂產品產量、釜殘液量及加熱蒸汽量的計算以年工作日為330天，每天開工24小時計，進料量為：感謝閱讀6500103F3302422.3368kmol/h謝謝閱讀由全塔的物料衡算方程可寫出：VFDW y0(蒸汽) D65.85kmol/h精品文檔放心下載0 0VyFxDxWx W364.85kmol/h精品文檔放心下載0 0 f D WWL'LqFRDqF q1(泡點) V131.7kmol/h謝謝閱讀03.3全凝器冷凝介質的消耗量塔頂全凝器的熱負荷：Q(R1)D(I I )精品文檔放心下載C VD LD可以查得I 1266kJ/kg,I 253.9kJ/kg，所以感謝閱讀VD LD.-(11)65.8539.81(1266253.9)5.306106kJ/h感謝閱讀C取水為冷凝介質，其進出冷凝器的溫度分別為25℃和35℃則謝謝閱讀平均溫度下的比熱c4.174kJ/kgC，于是冷凝水用量可求pcWQ5.306106C127120kg/hCc(tt)4.174(3525)pc213.4熱能利用以釜殘液對預熱原料液，則將原料加熱至泡點所需的熱量 Q可記為：感謝閱讀fQWc(t t )f f pf f2 f1其中t 83.832554.4oCfm 2在進出預熱器的平均溫度以及t 54.5oC的情況下可以查得比熱謝謝閱讀fm4.275kJ/kg.oC，所以，Rf650001034.07(83.8325)1.965106kJ/h精品文檔放心下載33024f釜殘液放出的熱量QWc (t t )w w pw w1 w2若將釜殘液溫度降至t 40oCw那么平均溫度t 99.384069.69oC精品文檔放心下載wm 2其比熱為c 4.08kJ/kgoC，因此，感謝閱讀pw364.854.191(99.3855)1.228106kJ/h精品文檔放心下載w可知，QQ，于是理論上可以用釜殘液加熱原料液至泡點精品文檔放心下載w f3.5理論塔板層數的確定精餾段操作線方程：yRxxD0.5x0.39n1R1nR1n.-提餾段操作線方程：y WxWx2.77x0.0054謝謝閱讀n1 V m V w m0 0q線方程：x0.174在y~x相圖中分別畫出上述直線，利用圖解法可以求出謝謝閱讀18塊(含塔釜)T其中，精餾段13塊，提餾段5塊。3.6全塔效率的估算用奧康奈爾法(O'conenell)對全塔效率進行估算：感謝閱讀x可得y(x1)由相平衡方程式y1(1)xx(y1)根據乙醇~水體系的相平衡數據可以查得：yx0.779x0.741(塔頂第一塊板)1D1y0.516x0.174(加料板)ffx0.002y0.026(塔釜)ww因此可以求得：1.232,5.06,13.321fw全塔的相對平均揮發(fā)度：331.2325.0613.324.36m1fw全塔的平均溫度：tttt78.6283.8399.3887.30CDfWm33在溫度t下查得0.327mPas,0.38mPasmH2OCH3CH2OH因為xLiLi所以，0.1740.38(10.174)0.3270.336mPasLf.-全塔液體的平均粘度：()/3(0.3270.380.327)/30.344mPasLmLfLDLW全塔效率E0.49()0.4910.245(4.360.344)0.245TL3.7實際塔板數NPNN/E18/0.4540塊(含塔釜)感謝閱讀P T T其中，精餾段的塔板數為：13/0.4529塊感謝閱讀精餾塔主題尺寸的計算4.1精餾段與提餾段的體積流量4.1.1精餾段整理精餾段的已知數據列于表3(見下頁)，由表中數據可知：感謝閱讀液相平均摩爾質量：MMM22.338.730kg/kmolf122液相平均溫度：ttftD83.8378.6281.2Cm22表3精餾段的已知數據位置進料板塔頂(第一塊板)x'0.35y'x'0.9質量分數f1Dy'0.732x'0.885f1x0.174yx0.779摩爾分數f1Dy0.516x0.41f1摩爾質量/kg/kmolM22.3M38.7Lf Lf.-MVf32.45MVl39.81溫度/℃83.8378.62在平均溫度下查得 971.1kg/m3, 735kg/m3精品文檔放心下載H2O CH3CH2OH液相平均密度為：1x'1x'LmLmLmCH3CH2OHH2O其中，平均質量分數x'0.350.8850.603Lm2所以， 814kg/m3Lm精餾段的液相負荷LRD65.85kmol/h感謝閱讀LM65.85302.43m3/h814n感謝閱讀Lm同理可計算出精餾段的汽相負荷。精餾段的負荷列于表4。表4精餾段的汽液相負荷名稱汽相液相平均摩爾質量/kg/kmol3036.13平均密度/kg/m38141.251體積流量/m3/h2.43(0.000625m3/s)3804(1.056m3/s)4.1.2提餾段整理提餾段的已知數據列于表5，采用與精餾段相同的計算方法可以得到提謝謝閱讀.-餾段的負荷，結果列于表6。表5提餾段的已知數據位置 塔釜 進料板質量分數摩爾分數摩爾質量/kg/kmol溫度/℃名稱平均摩爾質量/kg/kmol平均密度/kg/m3體積流量/m3/h4.2塔徑的計算

x'0.005x'0.35Wfy'0.065y'0.732Wfx0.002x0.174Wfy0.026y0.516WfM18.1M22.3LWLfM18.7M32.45LVVf99.3883.83表6提餾段的汽液相負荷液相 汽相20.2 25.6911 0.8168.09(0.00225m3/s) 4132(1.15m3/s)感謝閱讀由于精餾段和提餾段的上升蒸汽量相差不大，為便于制造，我們取兩段的塔徑相等。有以上的計算結果可以知道：精品文檔放心下載汽塔的平均蒸汽流量：V(VV)1.0561.15/sSJST1.103m3S22汽塔的平均液相流量：L(L)0.0006750.002250.00146m3/sSJSTS22.-汽塔的汽相平均密度：1.2510.816VJVT1.0335kg/m3V22汽塔的液相平均密度：LJLT814911863kg/m3感謝閱讀22L塔徑可以由下面的公式給出：D 4VSu由于適宜的空塔氣速u

(0.6~0.8)u

，因此，需先計算出最大允許氣速u

。max

maxuCLVmaxV取塔板間距H0.4m，板上液層高度h60mm0.06m，那么分離空間：T1h0.40.060.34m1L0.00146863功能參數：(S)L1.1030.0382V1.0335SV從史密斯關聯圖查得：C0.073，由于CC()0.2，需先求平均表面張202020力：全塔平均溫度TTT76.283.8399.38DFW86.5C，在此溫度下，乙330.7410.1740.002醇的平均摩爾分數為 0.307，所以，液體的臨界溫度：精品文檔放心下載T

xT

0.307(273243)(10.307)(273342.2)感謝閱讀

609Kc

iic設計要求條件下乙醇~水溶液的表面張力 26dyn/m2精品文檔放心下載1平均塔溫下乙醇~水溶液的表面張力可以由下面的式子計算：精品文檔放心下載(TT，[609(27386.5)]1.22619.95dyn/cm2mc2)1.2TT2609(27325)1mc1所以：C0.073(1920.9)0.20.073精品文檔放心下載.-uC0.0738631.0335LV2.11m/smax1.0335V0.72.111.476m/sD41.1030.951m1.476根據塔徑系列尺寸圓整為D1000mm此時，精餾段的上升蒸汽速度為：uJ4V41.0561.345m/sSJ提餾段的上升蒸汽速度為：u4V1.464m/sSTTD24.3塔高的計算塔的高度可以由下式計算：ZH(N2S)HSHHH感謝閱讀P T T F W已知實際塔板數為N40塊，板間距H0.4m由于料液較清潔，無需經常謝謝閱讀T清洗，可取每隔8塊板設一個人孔，則人孔的數目S為：謝謝閱讀40個S814取人孔兩板之間的間距H0.6m，則塔頂空間H1.2m，塔底空間TD2.5m，進料板空間高度H0.5m，那么，全塔高度：精品文檔放心下載W F1.2(4024)0.440.60.52.520.2m感謝閱讀塔板結構尺寸的確定5.1塔板尺寸由于塔徑大于800mm，所以采用單溢流型分塊式塔板。謝謝閱讀取無效邊緣區(qū)寬度W40mm，破沫區(qū)寬度W70mm，感謝閱讀C S.-查得l 705mmW弓形溢流管寬度W146mmd弓形降液管面積A0.0706m2f/A0.0706/0.78540.09謝謝閱讀f TRD/2W0.50.040.46m感謝閱讀CxD/2WW0.50.1460.070.284m精品文檔放心下載d S驗算：液體在精餾段降液管內的停留時間AfHT0.07060.441.8s5s感謝閱讀L0.000675JSJ液體在精餾段降液管內的停留時間TAH0.07060.412.6s5sfTST5.2弓形降液管5.2.1堰高采用平直堰，堰高hhhw 1 ow取h60mm,h 10mm，則h601050mm感謝閱讀1 ow w5.2.2降液管底隙高度h0若取精餾段取h15mm，提餾段取為25mm，那么液體通過降液管底隙時的精品文檔放心下載0流速為精餾段：u0lL0.0006750.0643m/s'SJ0.-提餾段：u0L0.002250.129m/s'ST0u'的一般經驗數值為0.07~0.25m/s精品文檔放心下載05.2.3進口堰高和受液盤本設計不設置進口堰高和受液盤5.3浮閥數目及排列采用F1型重閥，重量為33g，孔徑為39mm。精品文檔放心下載5.3.1浮閥數目4V浮閥數目NS2u00氣體通過閥孔時的速度uF0v取動能因數F11，那么u01110.82m/s，因此1.03551.1034N0.039210.8286個感謝閱讀5.3.2排列由于采用分塊式塔板，故采用等腰三角形叉排。若同一橫排的閥孔中心距精品文檔放心下載t75mm，那么相鄰兩排間的閥孔中心距t'為：謝謝閱讀計t計A'at.-A2[xR2x2R2sin1x]a180R2[0.2840.4620.28420.462sin10.284]1800.46=0.487m2t'0.48775.5mm計860.075t'80mm時畫出的閥孔數目只有60個，不能滿足要求，取t'65mm畫謝謝閱讀出閥孔的排布圖如圖1所示，其中t75mm,t'65mm精品文檔放心下載圖中，通道板上可排閥孔41個，弓形板可排閥孔24個，所以總閥孔數目為謝謝閱讀4124289個5.3.3校核氣體通過閥孔時的實際速度：u4V10.38m/sS0d2N0實際動能因數：F010.381.033510.55(在9~12之間)精品文檔放心下載開孔率：閥孔面積100%d2N100%(0.039)28913.5%0T開孔率在10%~14之間，滿足要求。流體力學驗算6.1氣體通過浮閥塔板的壓力降(單板壓降)hp謝謝閱讀氣體通過浮閥塔板的壓力降(單板壓降)h hhh謝謝閱讀p c 1 6.1.1干板阻力hc浮閥由部分全開轉為全部全開時的臨界速度為u：oc1.82573.1/1.82573.1/1.033510.32m/s感謝閱讀oc V.-因為u u10.38m/soc o所以h5.34u25.341.033510.382V00.0367mc2g28639.81L6.1.2板上充氣液層阻力h1取板上液層充氣程度因數0.5，那么：hh0.50.060.03m精品文檔放心下載1 L6.1.3由表面張力引起的阻力h由表面張力導致的阻力一般來說都比較小，所以一般情況下可以忽略，所以：精品文檔放心下載hp0.03670.030.667m0.6678639.81564.7Pa感謝閱讀6.2漏液驗算動能因數F5，相應的氣相最小負荷V 為：0 SminVd2NuSmin400min其中u F 5/ 1.03354.92m/s謝謝閱讀0min V所以V 0.0392894.920.523m3/s1.103m3/s感謝閱讀Smin 4 0可見不會產生過量漏液。6.3液泛驗算溢流管內的清液層高度Hhhhh謝謝閱讀d p d L 其中，h0.0667m,h0.06m謝謝閱讀p L所以，H0.6670.060.0030.1297m感謝閱讀d為防止液泛，通常H(Hh)，取校正系數0.5，則有：感謝閱讀d T w.-(Hh)0.5(0.40.05)0.225m精品文檔放心下載T w可見，H(Hh)，即不會產生液泛。精品文檔放心下載d T w6.4霧沫夾帶驗算V1.36LZVSSL泛點率=LVKCAF b查得物性系數K1.0，泛點負荷系數C0.097謝謝閱讀FD2W120.1460.708m精品文檔放心下載L dAA2A0.785420.07060.6442m2謝謝閱讀b T f所以，1.0335