塔板式精餾塔設(shè)計(jì)圖文表蒼松書(shū)屋

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(duì)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(guò)程不同點(diǎn)就在于它不僅是一個(gè)將酒精濃縮的過(guò)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(guò)程在酒精工業(yè)中稱(chēng)為精餾。物料中的雜質(zhì)基本上是在發(fā)酵過(guò)程中生成的，只是很少數(shù)的雜質(zhì)是在蒸煮和蒸餾過(guò)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。篩板塔的突出

2、優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(wèn)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(guò)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純水的摩爾質(zhì)量 m水 =18kg/k

3、molxf=0.174xd=0.779xw=0.0022.原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量mf=0.1744618(1-0.174)= 22.872kg/kmolmd=0.7794618(1-0.779)= 39.812kg/kmolmw=0.0024618(1-0.002)= 18.056kg/kmol3.物料衡算d=167.454 kmol/hf=d+wfxf=dxd+wxw解得 f=756.464kmol/h w=589.01 kmol/h（三）塔板數(shù)的確定1.回流比的選擇由任務(wù)書(shū)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(duì)角線上自點(diǎn)a

4、（xd,xd）作垂線，與y軸截距oa=xd/(rmin+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=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y=x+xd=x+0.779即：y=0.568x+0.336提餾段操作線方程為y

5、=x-xw=x-0.002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，td=78.43oc tw=99.53oct平均= td tw =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?shù)?2.256平均溫度下a=0.38 mpasb=0.323 mpasl=xaa+(1-xa) b=0.0790.38+(1-0.079)0.323=0.327 mpas查蒸餾塔全塔效率圖，橫坐標(biāo)

6、為平均l=0.738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=17.3118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=0.718+101.3=113.9 kpa塔底操作壓力pw=101.3+0.726=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.操作溫度計(jì)算計(jì)算全塔效率時(shí)已知塔頂溫度 td=78.43 oc進(jìn)料板溫度tf

7、=83.75 oc塔底溫度tw=99.53 oc 精餾段平均溫度tm=(td+tf)/2=(78.43+83.75)/2=81.09 oc提餾段平均溫度tm=(tw+tf)/2=(99.53+83.75)/2=91.64 oc3.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=0.77946+(1-0.779)18=39.812 g/molmldm=0.74146+(1-0.741)18=38.748 g/mol進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 tf=83.74 oc由yf=0.518 查上圖可得xf=0.183mvfm=0.51846+(1-0.51

8、8)18=32.504 g/molmlfm=0.18346+(1-0.183)18=23.124 g/mol精餾平均摩爾質(zhì)量mvm=( mvdm+ mvfm)/2=36.158 g/molmlm=( mldm+ mlfm)/2=30.936 g/mol4.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=1.321kg/m3液相平均密度計(jì)算液相平均密度依1/lm=i/i計(jì)算塔頂液相平均密度計(jì)算td=78.43 oc時(shí) 乙醇=740 kg/m3 水=972.742 kg/m3ldm=758.14 kg/m3進(jìn)料板液相平均密度計(jì)算tf=83.75 oc時(shí) 乙醇=735 kg/m3 水=9

9、69.363 kg/m3lfm=868.554 kg/m3塔底液相平均密度計(jì)算tw=99.53 oc時(shí) 乙醇=720 kg/m3 水=958.724 kg/m3lwm=957.137 kg/m3精餾段液相平均密度計(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lm=(lfm+lwm）/2=(957.137+868.554)/2=912.846 kg/m35.液體平均表面張力計(jì)算液體平均表面張力依lm=xii計(jì)算塔頂液相平均表面張力計(jì)算td=78.43時(shí)乙醇=62.866 mn/m 水=17.8 mn/mldm=0.7791

10、7.8+0.22162.886=84.446 mn/m進(jìn)料板液相平均表面張力計(jì)算tf=83.75時(shí)乙醇=61.889 mn/m 水=17.3 mn/mlfm=0.18317.3+0.81761.889=53.729 mn/m塔底液相平均表面張力計(jì)算tw=99.53時(shí)乙醇=58.947 mn/m 水=15.9 mn/mlwm=0.00515.9+0.99558.947=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/m6.液體平均粘度計(jì)算液體

11、平均粘度依lglm=xilgi計(jì)算塔頂液相平均粘度計(jì)算td=78.43oc時(shí) 乙醇=0.364mpas 水=0.455 mpaslgldm=0.779lg(0.455)+0.221lg(0.364)=-0.363ldm =0.436 mpas進(jìn)料液相平均粘度計(jì)算tf=83.75 oc時(shí) 乙醇=0.341mpas 水=0.415 mpaslglfm=0.183lg(0.415)+0.817lg(0.341)=-0.452lfm=0.353 mpas塔底液相平均粘度計(jì)算tw=99.53 oc時(shí) 乙醇=0.285mpas 水=0.335 mpaslglwm=0.002lg(0.335)+0.998l

12、g(0.285)=-0.544lwm=0.285 mpas精餾段液相平均粘度計(jì)算lm=(0.436+0.353)/2=0.395 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=2.949 m3/sls=0.0023 m3/s查史密斯關(guān)聯(lián)圖，橫坐標(biāo)為()=() 1/2=0.0196 取板間距ht=0.45m ，板上液層高度hl=0.06m ，則ht-hl=0.39m 查圖可得c20=0.08由c=c20()0.2=0.08(69.088/20)0.2=0.103umax=c(l-v

13、)/ v=2.554 m/s取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為u=0.7umax=1.788 m/sd=4vs/u=1.39 m按標(biāo)準(zhǔn)塔徑元整后 d=1.4 m塔截面積at=(/4)1.42=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(kāi)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+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

14、長(zhǎng)lw=0.71.4=0.98 m2.溢流強(qiáng)度i的校核i=lh/lw=0.00233600/0.98=8.449100130m3/hm 故堰長(zhǎng)符合標(biāo)準(zhǔn)3.溢流堰高度hw平直堰堰上液層高度how=e（lh/lw）2/3由于lh不大，通過(guò)液流收縮系數(shù)計(jì)算圖可知e近似可取e=1how=1（lh/lw）2/3=0.0119 mhw=hl-how=0.06-0.0119=0.0481 m4.降液管尺寸計(jì)算查弓形降液管參數(shù)圖，橫坐標(biāo)lw/d=0.7 可查得af/at=0.093 wd/d=0.151故af=0.093at=0.143 wd=0.151wd=0.211 留管時(shí)間=3600atht/lh=27

15、.64 s5 s符合設(shè)計(jì)要求5.降液管底隙高度hoho=lh/3600lwu0=0.0023/0.980.08=0.03 mhw-ho=0.0481-0.03=0.0181 m0.006 m6.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(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算x=d/2-(wd+ws)=1.4/2-(0.211+0.065)=0.414 mr=d/2-wc=1.4/2-0.035=0.665 m故aa=2(x(r2-x2)+r2/180sin-1(x/r)=1.046 篩孔計(jì)算及其排列本例所處理的物

16、系無(wú)腐蝕性。可選用=3mm碳鋼板，取篩孔直徑d=5mm?？字行木鄑=3d=35=15 mm篩孔數(shù)n=1.1551.046/0.0152=5369 個(gè)開(kāi)孔率=0.907(d2/t2)=10.1氣體通過(guò)閥孔的氣速為u0=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hc計(jì)算由c=0.790hc=0.051（）2()=0.044氣體通過(guò)液層阻力hlua=vs/(at-af)=2.944/(1.539-0.143)=2.112 m/sfo=2.112=2.428 查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖得=0.55hl=hl=(hw+how)=0.55(0.0119+0.0481)=0.033 m液柱液體表

17、面張力所產(chǎn)生的阻力h計(jì)算h=4l/lgd=456.231/(813.3479.815)=0.00524mhp=hp+hl+h=0.124+0.033+0.00524=0.162 m液柱每層塔板壓降pp=hplg=0.082813.3479.81=0.65 kpa0.7kpa2.液沫夾帶hf=2.5hl=2.50.06=0.15 m故ev=(2.112/(0.45-0.06)3.2=0.02260.1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u(mài)0,min=4.4co(0.0056+0.13hl-h) l/v)0.5=7.714 m/s實(shí)際孔速 u0=30.541 m/su0,min

18、穩(wěn)定系數(shù)k=u0/u0,min=30.541/7.714=3.9671.5故本設(shè)計(jì)中無(wú)明顯漏液4.液泛(ht+hw)=0.5(0.45+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+54.119ls2/3)0.5操作范圍內(nèi)任取ls值，算出vs值，列表如下ls0.00060.00150.00300.0045vs0.7810.8110.8370.8642.液沫夾帶線vs=2.895-14.828 ls2/3操作范圍內(nèi)任取l

19、s值，算出vs值，列表如下ls0.00060.00150.00300.0045vs2.7902.7012.5872.4913.液相負(fù)荷下限線how=e(3600ls/lw)2/3=0.0119ls,min=(0.01191000/2.84)3/20.98/3600=0.000476 m3/s4.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=afht/ls=4ls,max= afht/4=0.1430.33/4=0.0059 m3/s5.液泛線0.0119vs2=0.114-177l2s-1.048la2/3操作范圍內(nèi)任取ls值，算出vs值，列表如下ls0.00060.00150.00

20、300.0045vs2.9912.8972.7592.6236.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 vd=387.823 kmol/hmvdm=39.812 g/mol vdm=pdmvdm/rtd=1.38 kg/m3qm=vmvdm=15440 kg/h qv=qm/vdm=3.11 m3/sd=(4qv/uo)0.5=445 mm2.進(jìn)料管uf

21、=1.6 m/s 在35乙醇水溶液在45下密度=927kg/mmfm=460.174+18(1.0.174)=21.072 g/molf=756.464 kmol/h qmf=fmfm=4.428 kg/sqvf=4.7810-3 m3/s d=(4qvf/uf)0.5=62 mm3.回流管u=1.6 m/smm=39.812 g/mol l=220.369 kmol/hqm=mml=2.44 kg/s =758.14 kg/mqv=3.2210-3 m3/s d=(4qv/u)0.5=51 mm 4.塔釜出料管uw=1.6 m/smlwm=18.056 g/mol w=589.01 kmol

22、/h=957.37 kg/m3 qm=mlwmw=2.95 kg/sqv=qm/=3.0810-3 m3/s d=(4qv/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，m/s2.9494液相流量，m/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(zhǎng)，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，m0.03518開(kāi)孔區(qū)面積，1.04619篩孔直徑，m0.00520篩孔數(shù)目536921孔中心距，m0.01522開(kāi)孔