塔板式精餾塔設(shè)計(jì)(圖文表)

1、.（一）設(shè)計(jì)方案的確定本設(shè)計(jì)任務(wù)為乙醇 -水混合物。設(shè)計(jì)條件為塔頂常壓操作，對于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。酒精精餾與化工精餾過程不同點(diǎn)就在于它不僅是一個(gè)將酒精濃縮的過程，而且還擔(dān)負(fù)著把粗酒精中 50 多種揮發(fā)性雜質(zhì)除去的任務(wù)，所以濃縮酒精和除去雜質(zhì)的過程在酒精工業(yè)中稱為精餾。物料中的雜質(zhì)基本上是在發(fā)酵過程中生成的，只是很少數(shù)的雜質(zhì)是在蒸煮和蒸餾過程中生成的。本次設(shè)計(jì)的精餾塔用板式塔， 內(nèi)部裝有塔板、 降液管、各種物料的進(jìn)出口及附屬結(jié)構(gòu) （如全凝器等）。此外，在塔板上有時(shí)還焊有保溫材料的支撐圈，為了方便檢修，在塔頂還裝有可轉(zhuǎn)動(dòng)的吊柱。塔板是板式塔的主要構(gòu)件，本設(shè)計(jì)所用的塔板為篩板塔板

2、。篩板塔的突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單造價(jià)低，合理的設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)牟僮髂苁购Y板塔滿足要求的操作彈性，而且效率高，并且采用篩板可解決堵塞問題，還能適當(dāng)控制漏液。設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送人精餾塔內(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)品冷卻器冷卻后送至儲(chǔ)罐。該物系屬不易分離物系，最小回流比較小，采用其 1.5 倍。設(shè)計(jì)中采用圖解法求理論塔板數(shù)，在溢流裝置選擇方面選擇單溢流弓形降液管。塔釜采用間接蒸汽加;.熱，塔頂產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲(chǔ)罐。（二）精餾塔的物料衡算1. 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率乙醇的摩爾質(zhì)量M 乙醇 =46kg/kmol純水的摩爾

3、質(zhì)量M 水 =18kg/kmol0.35 / 46xF= 0.35 / 460.65 / 18 =0.1740.9 / 46xD= 0.9 / 460.1 /18 =0.7790.005 / 18xW= 0.005/ 180.995 / 46 =0.0022. 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量M=0.174 4618(1-0.174)=22.872kg/kmolFM=0.779 4618(1-0.779)=39.812kg/kmolDM=0.002 4618(1-0.002)=18.056kg/kmolW3. 物料衡算48000000D=39.812 24 300 =167.454 kmo

4、l/h F=D+WFxF=DxD+WxW解得F=756.464 kmol/hW=589.01 kmol/h;.（三）塔板數(shù)的確定1. 回流比的選擇由任務(wù)書提供的乙醇 - 水物系的氣液平衡數(shù)據(jù)繪出 x-y 圖；由于設(shè)計(jì)中選用泡點(diǎn)式進(jìn)料， q=1，故在圖中對角線上自點(diǎn) a（xD,x D）作垂線，與 Y 軸截距 oa=xD/(R min +1)=0.415即最小回流比 Rmin=xD/oa-1=0.877取比例系數(shù)為 1.5 ，故操作回流比 R為 R=1.50.877=1.3162. 精餾塔的氣液相負(fù)荷的計(jì)算;.L=RD=1.316167.454=220.369 kmol/hV=L+D=(R+1)D

5、=2.316167.454=387.823 kmol/hL=L+qF=220.369+756.464=976.833 kmol/hV=V+(q-1)F=V=387.823 kmol/h3. 操作線方程精餾段操作線方程為R11.3161y= R1 x+ R1 xD= 1.3161 x+1.316 1 0.779即： y=0.568x+0.336提餾段操作線方程為RDqFFDy= (R 1) D(1 q) F x- (Rx1)D(1 q) FW=1.316*167.454+1*756.464x-756.464167.4540.002(1.316+1)*167.454(1.316 1)*167.45

6、4即： y=2.519x-0.0034. 采用圖解法求理論塔板數(shù);.總理論塔板層數(shù)NT=13進(jìn)料板位置NF=第 10 層5. 全塔效率的計(jì)算查上圖可知， t D=78.43 oC t W=99.53 oCt 平均 =t D t W =88.35 oC塔頂P 乙醇 =101.749 KPaP 水=44.607 KPa頂 =2.281塔底P 乙醇 =222.502 KPaP 水=99.754 KPa底 =2.231平均 = 頂 底=2.256平均溫度下A=0.38 mPasB=0.323 mPasL=xAA+(1-x A) =0.079 0.38+(1-0.079) 0.323=0.327 mPa

7、 sB查蒸餾塔全塔效率圖，橫坐標(biāo)為 平均 =0.738L可查得 ET=526. 實(shí)際板層數(shù)求取精餾段實(shí)際板層數(shù)N精 =9/0.52=17.31 18提餾段實(shí)際板層數(shù)N提 =4/0.52= 7.698（四）精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算1. 操作壓力計(jì)算;.塔頂操作壓力 PD=101.3 KPa單板壓降 P=0.7 kPa進(jìn)料板壓力 PF=0.7 18+101.3=113.9 kPa塔底操作壓力 PW=101.3+0.7 26=119.5 kPa精餾段平均壓力 Pm=(101.3+113.9)/2=107.6 kPa 壓力 Pm=(113.9+119.5)/2=116.7 kPa2. 操作

8、溫度計(jì)算計(jì)算全塔效率時(shí)已知塔頂溫度DoCt =78.43進(jìn)料板溫度 t F=83.75 o CWoC塔底溫度 t =99.53精餾段平均溫度mDF)/2=(78.43+83.75)/2=81.09oCt =(t +t提餾段平均溫度mWF)/2=(99.53+83.75)/2=91.64oCt =(t +t3. 平均摩爾質(zhì)量計(jì)算塔頂平均摩爾質(zhì)量計(jì)算由 xD=y1=0.779 查上圖可得 x1=0.741MVDm=0.779 46+(1-0.779) 18=39.812 g/molMLDm=0.741 46+(1-0.741) 18=38.748 g/mol 進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 t f =83

9、.74 o C由 yF=0.518查上圖可得 xF=0.183;.MVFm=0.518 46+(1-0.518) 18=32.504 g/mol MLFm=0.183 46+(1-0.183) 18=23.124 g/mol精餾平均摩爾質(zhì)量MVm=( M VDm+ MVFm)/2=36.158 g/molM =( M + M )/2=30.936 g/molLmLDmLFm4. 平均密度計(jì)算氣相平均密度計(jì)算由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，即Vm PMv107.6 36.1583= RT = 8.314(81.09273.15) =1.321 kg/m液相平均密度計(jì)算液相平均密度依 1/ Lm= i /

10、 i計(jì)算塔頂液相平均密度計(jì)算Do乙醇=740 kg/m3水=972.742 kg/m3t =78.43C時(shí) LDm13= (0.9 / 740 0.1/ 972.742) =758.14 kg/m進(jìn)料板液相平均密度計(jì)算FoC時(shí) 乙醇=735 kg/m3水=969.363 kg/m3t =83.75LFm13= (0.364/ 7350.636/ 969.363) =868.554 kg/m塔底液相平均密度計(jì)算WoC時(shí) 乙醇=720 kg/m3水=958.724 kg/m3t =99.53;.13LWm= (0.005/ 720 0.995/ 958.724) =957.137 kg/m精餾段液

11、相平均密度計(jì)算Lm=( LFm+LDm)/2=(758.14+868.554)/2=813.347 kg/m3提餾段液相平均密度計(jì)算 =( + ）/2=(957.137+868.554)/2=912.846kg/mLmLFmLWm35. 液體平均表面張力計(jì)算液體平均表面張力依 Lm=xi i 計(jì)算塔頂液相平均表面張力計(jì)算t =78.43 時(shí) 乙醇=62.866 mN/m水=17.8 mN/mD LDm=0.779 17.8+0.221 62.886=84.446 mN/m進(jìn)料板液相平均表面張力計(jì)算t =83.75 時(shí) 乙醇=61.889 mN/m水=17.3 mN/mF LFm=0.183 1

12、7.3+0.817 61.889=53.729 mN/m塔底液相平均表面張力計(jì)算t =99.53 時(shí) 乙醇=58.947 mN/m水=15.9 mN/mW LWm=0.005 15.9+0.995 58.947=58.732 mN/m精餾段液相平均表面張力計(jì)算 Lm =(84.446+53.729)/2=69.088 mN/m提餾段液相平均表面張力計(jì)算Lm =(58.732+53.729)/2=56.231 mN/m;.6. 液體平均粘度計(jì)算液體平均粘度依 lg Lm=xi lg i 計(jì)算塔頂液相平均粘度計(jì)算t D=78.43 oC 時(shí)乙醇 =0.364mPas水=0.455 mPaslg L

13、Dm=0.779lg(0.455)+0.221lg(0.364)=-0.363 LDm =0.436 mPa s進(jìn)料液相平均粘度計(jì)算t =83.75C時(shí) 乙醇=0.341mPas=0.415 mPasFo水lg LFm=0.183lg(0.415)+0.817lg(0.341)=-0.452 LFm=0.353 mPas塔底液相平均粘度計(jì)算t W=99.53 oC時(shí) 乙醇 =0.285mPas水=0.335 mPaslg LWm=0.002lg(0.335)+0.998lg(0.285)=-0.544 LWm=0.285 mPas精餾段液相平均粘度計(jì)算 Lm=(0.436+0.353)/2=0

14、.395 mPas提餾段液相平均粘度計(jì)算 Lm=(0.285+0.353)/2=0.319 mPas（五）精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算1. 塔徑的計(jì)算精餾段的氣液相體積流率為;.VS= VM=2.949 m3/s3600LS= LM=0.0023 m3/s3600查史密斯關(guān)聯(lián)圖，橫坐標(biāo)為Lh ( l)1 2=0.00232.949Vh v813.3471/2 =0.0196( 1.321 )取板間距 HT=0.45m ，板上液層高度 hL=0.06m ，則 HT-h L=0.39m 查圖可得 C20=0.08由 C=C (L)0.2=0.08(69.088/20)0.2=0.1032020=2.5

15、54 m/su =C ( - )/VmaxLV取安全系數(shù)為 0.7 ，則空塔氣速為u=0.7u max=1.788 m/sD= 4V / u=4 * 2.949 / 3.14 /1.788=1.39 ms按標(biāo)準(zhǔn)塔徑元整后 D=1.4 mT2塔截面積 A =( /4) 1.4 =1.539實(shí)際空塔氣速為u=2.717/1.539=1.765 m/s2. 精餾塔有效高度的計(jì)算精餾段有效高度為 Z 精 =（N精-1 ）HT=7.65 m提餾段有效高度為 Z 提 =（N提-1 ）HT=3.15 m 在進(jìn)料板上方開一人孔，其高度為 1m 故精餾塔的有效高度為Z=Z 精+Z 提 +1=7.65+3.15+

16、1=11.8 m;.（六）塔板主要工藝尺寸的計(jì)算1. 溢流裝置計(jì)算因塔徑 D=1.4 m，可選用單溢流弓形降液管堰長 l W=0.7 1.4=0.98 m2. 溢流強(qiáng)度 i 的校核3i=L h/l W=0.0023 3600/0.98=8.449 100130m/h m故堰長符合標(biāo)準(zhǔn)W3. 溢流堰高度 h平直堰堰上液層高度h =2.84E（L /l）2/3ow1000hW由于 L 不大，通過液流收縮系數(shù)計(jì)算圖可知E 近似可h取 E=1how= 2.84 1（ Lh/l W）2/3 =0.0119 m1000hW=hL-h ow=0.06-0.0119=0.0481 m4. 降液管尺寸計(jì)算查弓形

17、降液管參數(shù)圖，橫坐標(biāo) l W/D=0.7可查得 Af /A T=0.093W d/D=0.151故 Af =0.093AT=0.143 Wd=0.151Wd=0.211 留管時(shí)間 =3600ATHT/L H=27.64 s 5 s 符合設(shè)計(jì)要求5. 降液管底隙高度 hohO=Lh/3600l Wu0 =0.0023/0.98 0.08=0.03 mhW-h O=0.0481-0.03=0.0181 m 0.006 m;.6. 塔板布置塔板的分塊 D=1400 mm800 mm，故塔板采用分塊式。分為 4 塊。邊緣區(qū)寬度確定Ws = Ws =0.065 m,Wc =0.035 m開孔區(qū)面積計(jì)算x

18、=D/2-(Wd+Ws)=1.4/2-(0.211+0.065)=0.414 m r=D/2-Wc=1.4/2-0.035=0.665 ma(r222-1(x/r)=1.046故 A =2(x-x )+ r /180sin篩孔計(jì)算及其排列本例所處理的物系無腐蝕性?？蛇x用=3mm碳鋼板，取篩孔直徑 d=5mm。孔中心距 t=3d=3 5=15 mm篩孔數(shù) n=1.1551.046/0.015 2=5369 個(gè)開孔率 =0.907(d 2/t 2)=10.1 氣體通過閥孔的氣速為V2.949u0= A = 0.101 1.046 =30.541 m/s（七）篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算1. 塔板壓降干板阻力

19、 hc 計(jì)算由 c=0.790;.hc=0.051 （ U ）2( v )=0.044C l氣體通過液層阻力hlua=Vs/(A T-Af )=2.944/(1.539-0.143)=2.112 m/sFo=2.112 1.321 =2.428 查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖得 =0.55 hl = hL= (h W+hOW)=0.55(0.0119+0.0481)=0.033 m 液柱液體表面張力所產(chǎn)生的阻力h 計(jì)算h=4 / gd=4 56.231/(813.347 9.81 LL5)=0.00524mhp=hp+hl +h =0.124+0.033+0.00524=0.162 m 液柱每層塔板壓降Pp

20、=hpLg=0.082813.347 9.81=0.65 KPa0.7KPa2. 液沫夾帶fLh =2.5h =2.5 0.06=0.15 mv5.73.2=0.02260.1故 e = 56231 (2.112/(0.45-0.06)本設(shè)計(jì)中液沫夾帶在允許范圍內(nèi)3. 漏液篩板塔中，漏液點(diǎn)氣速0,minoLLV0.5=7.714 m/su =4.4C (0.0056+0.13h-h) / )實(shí)際孔速 u 0=30.541 m/s u0,min穩(wěn)定系數(shù) K= u0/u 0,min =30.541/7.714=3.967 1.5;.故本設(shè)計(jì)中無明顯漏液4. 液泛 (HT+hw)=0.5 (0.45

21、+0.0481)=0.249 m液柱Hd=hp+hL+hd=0.162+0.06+0.001=0.223 m液柱Hd(HT+hw)故在本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象（八）塔板負(fù)荷性能圖1. 漏液線Vs,min =0.367(4.071+54.119L s 2/3 ) 0.5操作范圍內(nèi)任取ss值，列表如下L值，算出 VLs0.00060.00150.00300.0045V0.7810.8110.8370.864s2. 液沫夾帶線ss2/3V =2.895-14.828 L操作范圍內(nèi)任取ss值，列表如下L值，算出 VLs0.00060.00150.00300.0045V2.7902.7012.5872.

22、491s3. 液相負(fù)荷下限線how2.84sW2/3=0.0119=1000 E(3600L /l)Ls,min=(0.01191000/2.84)3/20.98/3600=0.0004763m/s;.4. 液相負(fù)荷上限線以 =4s 作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限 =Af HT/L s =4Ls,max = Af HT/4=0.143 0.33/4=0.0059 m 3/s5. 液泛線222/30.0119Vs =0.114-177Ls -1.048La操作范圍內(nèi)任取ss值，列表如下L 值，算出 VL0.00060.00150.00300.0045sV2.9912.8972.7592.623

23、s6. 負(fù)荷性能圖依據(jù)各線方程繪圖如上 , 上限為液沫夾帶控制，下限為漏液控制。讀圖可得：;.Vs,max =2.673 m3/sVs,min =0.789 m3/s故操作彈性為Vs,max /Vs,min =2.673/0.789=3.389（九）精餾塔接管尺寸計(jì)算1. 塔頂蒸汽出口管選 uo=20 m/s V D=387.823 kmol/hM =39.812 g/mol =PM /RT =1.38 kg/m3VDmVDmD VDmDq =VM =15440 kg/h q=q / =3.11 m/smVDmvmVDm3vo0.5=445 mmD=(4q /u )2. 進(jìn)料管uF=1.6 m

24、/s在 35乙醇水溶液在 45下密度 =927kg/m3 MFm=460.174+18(1.0.174)=21.072 g/molF=756.464 kmol/hq=FM =4.428 kg/smFFmvF-33D=(4qvFF0.5=62 mmq =4.7810m /s/ u )3. 回流管u=1.6 m/sM=39.812 g/molL=220.369 kmol/hmq =ML=2.44 kg/s=758.14 kg/m 3mmv-33D=(4qv/ u)0.5=51 mmq =3.2210m /s4. 塔釜出料管uw=1.6 m/s;.MLWm=18.056 g/molW=589.01

25、kmol/h=957.37 kg/m 3qm=MLWmW=2.95 kg/sqv=qm/ =3.08 10-3 m3/s D=(4q v / uw) 0.5 =50 mm（十）計(jì)算結(jié)果一覽表序號(hào)項(xiàng)目數(shù)值1平均溫度，81.092平均壓力， kPa107.63氣相流量， m3/s2.9494液相流量， m3/s0.00235實(shí)際塔板數(shù)266有效段高度， m11.87塔徑， m1.48板間距， m0.459溢流形式單溢流10降液管形式弓形11堰長， m0.9812堰高， m0.048113板上液層高度， m0.0614堰上液層高度， m0.011915降液管底隙高度， m0.0316安定區(qū)寬度， m0.06517邊緣區(qū)寬度， m0.0