板式精餾塔設(shè)計(jì)方案

1 板式精餾塔設(shè)計(jì)方案 一、設(shè)計(jì)方案確定 餾流程 精餾裝置包括精餾塔，原料預(yù)熱器，再沸器，冷凝器，釜液冷卻器和產(chǎn)品冷卻器等 ,為保持塔的操作穩(wěn)定性，流程中用泵直接送入塔原料，乙醇、水混合原料液經(jīng)預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后，送入精餾塔。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝后經(jīng)分配器 一部分回流，一部分經(jīng)過(guò)冷卻器后送入產(chǎn)品儲(chǔ)槽，塔釜采用間接蒸汽再沸器供熱 ， 塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后為冷卻水循環(huán)利用 。 塔板是板式塔的主要構(gòu)件，分為錯(cuò)流式塔板和逆流式塔板兩類，工業(yè)中以錯(cuò)流式為主，常用的錯(cuò)流式塔板有：泡罩塔板，篩孔塔板，浮閥塔板。 泡罩塔板是工業(yè)上應(yīng)用最早的塔板，其主要的優(yōu)點(diǎn)是操作彈性較大，液氣比范圍較大，不易堵塞；但由于生產(chǎn)能力及板效率底，已逐漸被篩孔塔板和浮閥塔板所替代。篩孔塔板優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，板上液面落差小，氣體壓強(qiáng)底，生產(chǎn)能力大；其缺點(diǎn)是篩孔易堵塞，易產(chǎn)生漏液，導(dǎo)致操作彈性減小，傳質(zhì)效率下降。而浮閥塔板是在泡罩塔板和篩孔塔板的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它吸收了前述兩種塔板的優(yōu)點(diǎn)。浮閥塔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，造價(jià)底；塔板開(kāi)孔率大，故生產(chǎn)能力大；由于閥片可隨氣量變化自由升降，故操作彈性大；因上升氣流水平吹入液層，氣液接觸時(shí)間長(zhǎng)，故 塔板效率較高。但浮閥塔板也有缺點(diǎn)，即不易處理易結(jié)焦、高粘度的物料，而設(shè)計(jì)的原料是乙醇 屬于此類。故總結(jié)上述，設(shè)計(jì)時(shí)選擇的是浮閥塔板。 產(chǎn)時(shí)日及處理量的選擇：設(shè)計(jì)要求塔年處理 水溶液系統(tǒng)， 年工作日 300d，每天工作 24h。 擇用板式塔不用填料塔的原因：因?yàn)榫s塔精餾塔對(duì)塔設(shè)備的要求大致如下： （ 1）生產(chǎn)能力大：即單位塔截面大的氣液相流率，不會(huì)產(chǎn)生液泛等不正常流動(dòng)。 2 （ 2）效率高：氣液兩相在塔內(nèi)保持充分的密切接觸，具有較高的塔板 效率或傳質(zhì)效率。 （ 3）流體阻力?。毫黧w通過(guò)塔設(shè)備時(shí)阻力降小，可以節(jié)省動(dòng)力費(fèi)用，在減壓操作是時(shí)，易于達(dá)到所要求的真空度。 （ 4）有一定的操作彈性：當(dāng)氣液相流率有一定波動(dòng)時(shí)，兩相均能維持正常的流動(dòng)，而且不會(huì)使效率發(fā)生較大的變化。 （ 5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，安裝檢修方便。 （ 6）能滿足某些工藝的特性：腐蝕性，熱敏性，起泡性等。 故選用板式塔。 式精餾塔選擇浮閥塔的原因： （ 1）生產(chǎn)能力大，由于塔板上浮閥安排比較緊湊，其開(kāi)孔面積大于泡罩塔板，生產(chǎn)能力比泡罩塔板大 20% 40%，與篩板塔接近 。 （ 2）操作彈性大，由于閥片可以自由升降以適應(yīng)氣量的變化，因此維持正常操作而允許的負(fù)荷波動(dòng)范圍比篩板塔，泡罩塔都大。 （ 3）塔板效率高，由于上升氣體從水平方向吹入液層，故氣液接觸時(shí)間較長(zhǎng)，而霧沫夾帶量小，塔板效率高。 （ 4）氣體壓降及液面落差小，因氣液流過(guò)浮閥塔板時(shí)阻力較小，使氣體壓降及液面落差比泡罩塔小。 （ 5）塔的造價(jià)較低，浮閥塔的造價(jià)是同等生產(chǎn)能力的泡罩塔的 50% 80%，但是比篩板塔高 20% 30%。 操作壓力：常壓精餾 對(duì)于乙醇水體系，在常壓下已經(jīng)是液態(tài)，且乙 醇水不是熱敏性材料，在常壓下也可成功分離，所以選用常壓精餾。因?yàn)楦邏夯蛘哒婵詹僮鲿?huì)引起操作上的其他問(wèn)題以及設(shè)備費(fèi)用的增加，尤其是真空操作不僅需要增加真空設(shè)備的投資和操作費(fèi)用，而且由于真空下氣體體積增大，需要的塔徑增加，因此塔設(shè)備費(fèi)用增加。綜上所述，選擇常壓操作。 q 值得選擇：泡點(diǎn)進(jìn)料 進(jìn)料狀態(tài)有五種，如果選擇泡點(diǎn)進(jìn)料，即 q=1時(shí)，操作比較容易控制，且不受季節(jié)氣溫的影響，此外，泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)精餾段和提餾段的塔徑相同，設(shè)計(jì)和制造 3 時(shí)比較方便。 熱方式：間接蒸汽加熱 蒸餾釜的加熱方式通常 采用間接蒸汽加熱，設(shè)置再沸器。直接蒸汽加熱只能用于塔底產(chǎn)物基本是水，由于蒸汽的不斷通入，對(duì)塔底溶液起了稀釋作用，在塔底易揮發(fā)物損失量相同的情況下，塔底殘液中易揮發(fā)組分的濃度應(yīng)較低，因而塔板數(shù)稍有增加，成本增加，故采用間接加熱。 回流比的選擇主要從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)出發(fā)，力求操作費(fèi)與設(shè)備費(fèi)最低， R= 4 藝草圖 藝流程說(shuō)明 一整套 精餾裝置 應(yīng)該包括 精餾塔、原料預(yù)熱器、再沸器、冷凝器、釜液冷卻器和 產(chǎn)品冷卻器等設(shè)備。熱量自塔釜輸入，物料在塔內(nèi)經(jīng)多次部分氣化與部分冷凝進(jìn)行精餾分離，由冷凝器和冷卻器中的冷卻介質(zhì)將余熱帶走。 乙醇 水 混合液原料經(jīng)預(yù)熱器加熱到 泡 點(diǎn)溫度后送入精餾塔進(jìn)料板，在進(jìn)料板上與自塔上部下降的的回流液體匯合后，逐板溢流，最后流入塔底。在每層板上，回流液體與上升蒸汽互相接觸，進(jìn)行熱和質(zhì)的傳遞過(guò)程。操作時(shí)，連續(xù) 地 從再沸器取出部分液體作為塔底產(chǎn)品，部分液體氣化，產(chǎn)生上升蒸汽，一起通過(guò)各層塔 5 板。塔頂蒸汽進(jìn)入冷凝器中被冷凝，并將部分冷凝液送回塔頂作為回流液，其余部分經(jīng)冷凝器冷凝后送出作為塔頂產(chǎn)品，經(jīng) 冷凝器冷卻后送入貯槽。塔釜采用再沸器 加 熱。塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送入貯槽。 二 工藝計(jì)算 料衡算 將質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換成摩爾分?jǐn)?shù) 2 0 6 8 7 4 8 8 8 5 9 6 7 4 8 8 k m /1 3 1 4 5 9 5 9 8 k m /8 1 5 4 0 6 6 8 6 k m o )0 0 0 19 5 0 19 5 6 6 1 解方程組，得 D 0 7 5 9 4 W hk m /1 1 1 5 6 1 hk m /0 6 0 1 4 4 6 7 hk m o /0 5 1 6 50 2 0 5 9 4 板數(shù)確定 論塔板數(shù) 由乙醇 水 相 平 衡 數(shù) 據(jù) 畫 得 相 平 衡 圖 ， 作 出 對(duì) 角 線 y=x ， 取 點(diǎn)（ 液體中酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù) 蒸汽中酒精質(zhì)量質(zhì)量分?jǐn)?shù) 沸點(diǎn) 液體中酒精摩爾分?jǐn)?shù) 蒸汽中酒精摩爾分?jǐn)?shù) 99 37 7 6 50 0 1 2 3 4 5 60 89 6 7 8 9 0 65 87 1 2 3 4 68 1 5 6 7 8 5 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 74 9 0 0 1 2 3 4 5 6 5 7 8 9 2 8 50 77 1 2 3 4 78 5 6 7 8 79 9 0 1 1 2 80 3 0 4 5 6 81 7 8 9 0 1 2 0 3 4 5 4 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 8 89 0 1 92 2 3 9 94 5 像圖中可知在點(diǎn) (有斜率最大值。設(shè)其值為 K. K= 由此可得 18 8 得 R 原設(shè)回流比與所求最優(yōu)回流比相差不大，符合要求。 再沸器折舊費(fèi)及操作元以及維修費(fèi)，為精餾塔塔體的折舊費(fèi)元為精餾塔總費(fèi)用，31321 10 是塔體的費(fèi)用，元是塔板的費(fèi)用，元是塔體折舊率，式中0181, 為板數(shù)因子，由于塔為塔板類型因子，浮閥取為美元對(duì)人民幣的匯率為總板效率為理論塔板數(shù)；為塔徑， i 4 6 p 壁厚取的儲(chǔ)量，可取塔底空間高度，塔頂空間高度，為塔板間距，頭直邊的長(zhǎng)度，為筒體的長(zhǎng)度加兩端封為塔體的質(zhì)量， m o 冷卻水進(jìn)出口溫度，為冷卻水的比熱容，熱，為塔頂餾出物的氣化潛為塔頂餾出液的流率為回流比元為冷卻水的價(jià)格，21122,./ 11 4( 6)( 元 /（ q=1 F、 和塔底產(chǎn)品流率， F=h,D=h 為操作時(shí)間， h/a 在 頂溫度 料溫度 底溫度 精餾段平均溫度 11 提溜段平均溫度 m 平均摩爾質(zhì)量的計(jì)算 由于 8 5 9 6 7 由內(nèi)插法得： x 且 x , y 塔頂平均摩爾質(zhì)量 1 3 1 4 5 9 6 7 6 8 9 6 7 2 4 5 4 3 5 6 8 4 4 3 5 0 1 2 4 3 4 5 9 6 8 4 5 9 2 8 1 5 4 0 6 7 8 7 6 8 6 7 8 7 5 7 1 2 1 8 9 9 5 2 1精餾段： 塔頂 ， 331 /107 2 5.0 塔底 Ct 時(shí)， 332 /10721.0 以上為通過(guò)查液體密度與溫度關(guān)系圖求的乙醇密度 有內(nèi)插法求得 1t 時(shí)， 3. 9k g/ ）（水2t 時(shí)， 3/. 8k m ）（水得 3/2 5 6 進(jìn)料，得 3k g / 2進(jìn)料 故 3/ 進(jìn)料 2提留段： 在提留段時(shí) hK m o hK m o hK m o 在提留段 4109 5 5 ww 此時(shí) ）之間介于（ 0 0 5 3 000 1 955 000 5 x ）（提 ）（提水的密度水33/396590水水時(shí)在時(shí)在 在 t= 3/0100 m 水時(shí) 3443/14 醇與溫度關(guān)系圖中查得乙醇的密度從液體密度33)(/2 9 21/底進(jìn)料 K ( 水（醇）時(shí)精餾段在塔頂 K P 水（醇）時(shí)在進(jìn)料段K P ）（）（進(jìn)料頂 3)()()(/21精餾精餾進(jìn)料頂精餾 ）（ 14 m o m o 0 0 0/ 0 0 0 0/1 0 9 0 7 0 0 1(33-)()(3)()(精餾精餾精餾精餾 51 0 時(shí)在時(shí)在時(shí)乙醇的飽和蒸汽壓為在提留段溫度0100 ）（時(shí)在時(shí)在時(shí)水的飽和蒸汽壓為在水水水水進(jìn)料底 ）（ M 提留 M 進(jìn)料 料提餾塔釜 M 提餾 M 進(jìn)料 料提餾塔釜 3/1 2 7 6 提餾底塔釜 3)( 釜提 15 33-)()( 釜提在精餾段時(shí)： 上液層厚度板間距0(a xm a 查史密斯關(guān)聯(lián)圖得實(shí)際空塔氣速圓整到在提留段： 0(以精餾段直徑為主1222m a a 粘度的計(jì)算 溫度 60 80 100 乙醇 16 o o 7 8 7 6 7 8 7 全塔效率）（進(jìn)料板）（值下的求在在塔底在塔頂水醇水乙醇三 實(shí)際板數(shù) 塊，塔尺寸 高 塔高為 H（不含底座） (12195( 塔總高為裙座高 17 徑 流裝置 取堰長(zhǎng)）到（堰長(zhǎng)選用單溢流降液管 故成立驗(yàn)算根據(jù)平直堰堰高符合液封要求的流速為取液體通過(guò)降液管底隙降液管底隙高度 8 0 1 87 4 ,板布置及浮閥數(shù)目 222 查得從弓形堰校正系數(shù)圖上由 驗(yàn)算液體在降液管中停留時(shí)間 t 18 提留段精餾段均使用符合要求 體力學(xué)驗(yàn)算 閥空數(shù)的計(jì)算 提留段：精餾段：型重閥），求閥空氣速（采用取閥空動(dòng)能因子每層塔板上浮閥數(shù) 塊取板上浮閥數(shù)為塊取提留段：塊取精餾段： 19 浮閥空數(shù)圖 板開(kāi)孔率 兩邊安定區(qū)寬度取邊緣區(qū)寬度 浮閥排列方 式采用等腰三角形叉排，取等邊三角形高 t=752)ar c s i (2222為鼓泡區(qū)面積且則排間距2222 c s i 20 %11%100)6%100)(20220 塔板開(kāi)孔率在常壓操作時(shí)開(kāi)孔率在 10%到 14%之間，所以驗(yàn)算準(zhǔn)確。 降為氣體痛過(guò)上液層的壓氣體通過(guò)干板壓降，壓降，為氣體通過(guò)一層塔板的 11）閥全開(kāi)后（）閥全開(kāi)前（提餾所以由于提留段：精餾段：臨界空速： 0111 為板上有效液層厚度濕板壓降 提餾提餾精餾精餾提留段精餾段降為表面張力所產(chǎn)生的壓 4 精餾提餾提餾提餾精餾精餾精餾單板壓降 9 50 6 7 5 提餾單板壓降 21 塔校核與液（霧）沫夾帶 為防止淹塔現(xiàn)象要控制降液管中請(qǐng)液層高度 )( 損失液體通過(guò)降液管的壓頭提餾段精餾段 7 5 7 2 4 0 ）（在精餾段： 精餾 3 7 2 4 11 精餾 0 ）（在提留段： 提餾發(fā)生液泛給定條件下降液管不會(huì)所以在設(shè)計(jì)塔板的結(jié)構(gòu)）（均小于與）（取前已經(jīng)選定提餾精餾提餾 0,計(jì)算泛點(diǎn)百分率校核霧沫夾帶 %1 0 泛點(diǎn)率 80%查泛點(diǎn)負(fù)荷系數(shù)圖得在精餾段： 22 %80%以上均符合要求 帶 精餾段p p 6 7 9 7 6 )(水蒸氣乙醇?xì)庖掖細(xì)馑魵饩s）（，在查圖求的）（%57) 1 7 8 8 m / )空塔氣速為）取的值（由在提留段： p p y /）（）（，在水蒸氣醇?xì)庖掖細(xì)馑魵?()()( 23 液 ,4633m i i i 氣相最小負(fù)荷，選型重閥，重量為選取的不會(huì)發(fā)生過(guò)量液漏提餾精餾提餾精餾394.1/i i nm i i 0%0020點(diǎn)取極限夾帶2提留段 (204232204232精餾段液泛線為：為閥空數(shù)為閥空直徑， 4 24 3液相流量5106 3103 : : 25 精餾段負(fù)荷性能圖 提留段負(fù)荷性能圖 i nm a xm i nm a x 8 i nm a xm i nm a x3 26 提留段：精餾段：的下限值，提留段提留段精餾段精餾段在提留段：在精餾段：時(shí)重閥直徑為的下限值，求出氣相負(fù)荷為氣體最小負(fù)荷比標(biāo)準(zhǔn)型重型取對(duì)于五、機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算 塔底強(qiáng)度校核 102m i nm i 為常壓操作圓筒體厚度考慮到塔體較高，內(nèi)徑較小，應(yīng)適當(dāng)增加厚度且取為 17用，則有效厚度為15頭壁厚 t 22 采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭8頭與筒體為了便于等厚焊接取封 荷與應(yīng)力分析 27 質(zhì)量載荷計(jì)算 (850,414. 4 (4內(nèi)外內(nèi)外，(4 31)-(43,，裙座高度為塔體與裙座的質(zhì)量為內(nèi)外內(nèi)外423 103 6 1 人孔法蘭接管等質(zhì)量 f 4內(nèi)構(gòu)件質(zhì)量 ,21 3 9 3 2三種，取為塔板厚度標(biāo)準(zhǔn)有塊，取為為塔板數(shù)目 4 3 27 8 5 0104941 3 9 4 300100)2322225外內(nèi)外，取保溫層厚度保溫層質(zhì)量 225 扶梯平臺(tái)質(zhì)量 扶梯單位長(zhǎng) 度上的質(zhì)量為 40kg/m,操作平臺(tái)共 平臺(tái)間距（ 2m 8m）取 5m。操作平臺(tái)寬 1200度 3/150 180直角 層取操作時(shí)塔內(nèi)物料質(zhì)量 327/進(jìn)料塔釜塔頂 28 水充水質(zhì)量 7654320 107 2 1 i a 09 2 6 4 8 4 中， ， 0 M P ， 6218 ， 載荷與風(fēng)彎矩 將塔沿高度分成五段 ： P= 塔高 = 0 10 若在合肥郊區(qū)建廠，則 梯的附加寬度： 00梯） 操作平臺(tái)的附加量： （ A/ 其最大值為一，計(jì)算塔段 10層平臺(tái)迎風(fēng)面積為 4=（ 2 5 106） /1000=40029 0+2 i+4=1824+2 100+200+400=2624體各段風(fēng)力： 1300 0130 1010