酒精連續(xù)蒸餾板式塔的設(shè)計.doc

1、.第一部分：設(shè)計任務(wù)書 設(shè)計任務(wù)及要求原料：乙醇水溶液，年產(chǎn)量48000噸 乙醇含量：50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，原料液溫度：35設(shè)計要求：塔頂?shù)囊掖己坎恍∮?3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 塔底的乙醇含量不大于0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))第二部分：工藝流程圖(見附圖1)流程概要：乙醇水混合原料經(jīng)預(yù)熱器加熱到泡點后，送進精餾塔，塔頂上升的蒸汽采用全凝器冷凝后，一部分采用回流，其余為塔頂產(chǎn)物，塔釜采用間接蒸汽加熱供熱，塔底產(chǎn)物冷卻后送人貯槽。第三部分：設(shè)計方案的確定及說明一 設(shè)計方案的確定1塔板類型：選用F1型重浮閥塔.浮閥塔兼有泡罩塔和篩板塔的優(yōu)點，而且操作彈性大，操作靈活，板間壓降小，液面落差小, 浮閥的運動具有去污作

2、用，不容易積垢堵塞，操作周期長，結(jié)構(gòu)簡單，容易安裝，操作費用較小，其制造費用僅為泡罩塔的60%80%；又由于F1型浮閥塔結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，節(jié)省材料，性能良好；另外輕閥壓降雖小，但操作穩(wěn)定性差，低氣速時易漏液。綜上所述，選擇F1型重閥浮閥塔。2操作壓力：常壓精餾對于乙醇水體系，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。因為高壓或者真空操作會引起操作上的其他問題以及設(shè)備費用的增加，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)備費用增加。綜上所述，選擇常壓操作。3進料狀態(tài)：泡點進料進料狀態(tài)有五種，

3、如果選擇泡點進料，即q=1時，操作比較容易控制，且不受季節(jié)氣溫的影響，此外，泡點進料時精餾段和提餾段的塔徑相同，設(shè)計和制造時比較方便。4加熱方式：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。5熱能利用方式：選擇適宜回流比，塔釜殘液作為原料預(yù)熱熱源適宜的回流比應(yīng)該通過經(jīng)濟核算來確定，即操作費用和設(shè)備折舊費用之和為最低時的回流比為最適宜的回流比。確定回流比的方法為：先求出最小回流比R，根

4、據(jù)經(jīng)驗取操作回流比為最小回流比的1.12.0倍，采用釜液產(chǎn)品去預(yù)熱原料，可以充分利用釜液產(chǎn)品的余熱，節(jié)約能源。5回流方式：泡點回流泡點回流易于控制,設(shè)計和控制時比較方便,而且可以節(jié)約能源。二. 設(shè)計方案的說明 1。本精餾裝置利用高溫的釜液與進料液作熱交換，同時完成進料液的預(yù)熱和釜液的冷卻，經(jīng)過熱量與物料衡算，設(shè)想合理。釜液完全可以把進料液加熱到泡點，且低溫的釜液直接排放也不會造成熱污染。2。原料液經(jīng)預(yù)熱器加熱后先通過離心泵送往高位槽，再通過閥門和轉(zhuǎn)子流量計控制流量使其滿足工藝要求。3。本流程采用間接蒸汽加熱，使用25水作為冷卻劑，通入全凝器和冷卻器對塔頂蒸汽進行冷凝和冷卻。從預(yù)熱器、全凝器、冷

5、卻器出來的液體溫度分別在50-60、40和35左右，可以用于民用熱澡水系統(tǒng)或輸往鍋爐制備熱蒸汽的重復(fù)利用。4本設(shè)計的多數(shù)接管管徑取大，為了能使塔有一定操作彈性，允許氣體液體流量增大，所以采取大于工藝尺寸所需的管徑。第四部分：設(shè)計計算與論證1. 塔型選擇根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，若按年工作日330天，每天開動設(shè)備24小時計算，產(chǎn)品流量為6060.6Kg/h，由于產(chǎn)品粘度較小，流量較大，為減少造價，降低生產(chǎn)過程中壓降和塔板液面落差的影響，提高生產(chǎn)效率，選用浮閥塔。2.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)，為降低塔的操作費用，操作壓力選為常壓其中塔頂壓力為 塔底壓力2.2

6、 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提餾段的塔徑相同，無論是設(shè)計計算還是實際加工制造這樣的精餾塔都比較容易，為此，本次設(shè)計中采取飽和液體進料2.3 加熱方式精餾塔的設(shè)計中多在塔底加一個再沸器以采用間接蒸汽加熱以保證塔內(nèi)有足夠的熱量供應(yīng)。3.有關(guān)的工藝計算由于精餾過程的計算均以摩爾分?jǐn)?shù)為準(zhǔn)，需先把設(shè)計要求中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化為摩爾分?jǐn)?shù)。原料液的摩爾組成：同理可求得： 原料液的平均摩爾質(zhì)量：同理可求得：表1 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/%50930.5 (摩爾分?jǐn)?shù)

7、)0.28130.83870.00196摩爾質(zhì)量3241.4818.055沸點溫度/85.179.299.54沸點溫度的查取見附表1見附圖二3.1物料衡算摩爾流量計算 以年工作日為330天，每天開24小時計，進料量為：由物料衡算式可求得：3.2理論塔板數(shù)的求?。▓D解法）由常壓下沸騰的水-酒精溶液和由它產(chǎn)生的氣體組成及沸點表描點作圖，可得X=0.32最小回流比取R=2.5，理論塔板數(shù)為19塊：精餾段15塊，提餾段4塊加料板為第16塊3.3操作線方程a) 精餾段方程: 精餾段方程:b) 提餾段方程： 提餾段方程:根椐X用插值法求出Y，t再用公式a=Y(1-X)/X(1-Y)算出揮發(fā)度黏度查化工原理

8、上冊P341附錄14.液體的黏度和密度3.4全塔效率和實際板數(shù) 1塔頂： 79.2 揮發(fā)度1.0877 進料：=0.0425 0.2813 = 85.1 揮發(fā)度8.818 塔釜：=0.00196，0.0026（由于考慮到實際情況常用103）揮發(fā)度13.59平均揮發(fā)度：2 此溫度下， 3全塔效率：4實際板數(shù)： 取總板數(shù) 4.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(shù)據(jù)列于表2，由表中數(shù)據(jù)可知：液相平均摩爾質(zhì)量： 液相平均溫度：80.71表2 精餾段的已知數(shù)據(jù)位置進料板塔頂(第一塊板)質(zhì)量分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù)摩爾質(zhì)量/溫度/85.179.2在平均溫度下查得液相

9、平均密度為：其中，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)所以，精餾段的液相負荷 同理可計算出精餾段的汽相負荷。精餾段的負荷列于表3表3 精餾段的汽液相負荷名稱氣相液相平均摩爾質(zhì)量/37.6733.52平均密度/1.308777.25體積流量/6367.37（1.77）6.82(0.00189)4.1.2 提餾段整理提餾段的已知數(shù)據(jù)列于表5，采用與精餾段相同的計算方法可以得到提餾段的負荷，結(jié)果列于表6。表4 提餾段的已知數(shù)據(jù)位置塔釜進料板質(zhì)量分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù)摩爾質(zhì)量/溫度/99.5485.1表5 提餾段的汽液相負荷名稱液相氣相平均摩爾質(zhì)量/21.9726.29平均密度/881.960.829體積流量/3.938(0.0011

10、)7018.4(1.95)4.2塔徑的計算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?nèi)啥蔚乃较嗟?。有以上的計算結(jié)果可以知道：汽塔的平均蒸汽流量：汽塔的平均液相流量：汽塔的汽相平均密度： 汽塔的液相平均密度： 塔徑可以由下面的公式給出： 由于適宜的空塔氣速，因此，需先計算出最大允許氣速。取塔板間距，板上液層高度，那么分離空間： 功能參數(shù)：史密斯關(guān)聯(lián)圖見常用化工單元設(shè)備設(shè)計P60圖2-15見常用化工單元設(shè)備設(shè)計P284乙醇水溶液的表面張力見常用化工單元設(shè)備設(shè)計P59常用的塔徑系列標(biāo)準(zhǔn)尺寸從史密斯關(guān)聯(lián)圖查得：，由于，需先求平均表面張力：全塔平均溫度，在此溫度下，乙醇的平均摩爾分?jǐn)?shù)為

11、，所以，液體的臨界溫度：設(shè)計要求條件下乙醇水溶液的表面張力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：， 所以： 根據(jù)塔徑系列尺寸圓整為D=1400mm此時，精餾段的上升蒸汽速度為：、的查取見常用化工單元設(shè)備設(shè)計P67表2-5單流型塔板某些參數(shù)推薦值、由常用化工單元設(shè)備設(shè)計P64圖2-20弓形降液管的參數(shù) 查得 提餾段的上升蒸汽速度為： 4.3 塔高的計算塔的高度可以由下式計算： 已知實際塔板數(shù)為塊，板間距由于料液較清潔，無需經(jīng)常清洗，可取每隔8塊板設(shè)一個人孔，則人孔的數(shù)目為： 個取人孔兩板之間的間距，則塔頂空間，塔底空間，進料板空間高度，那么，全塔高度：5. 塔板結(jié)構(gòu)尺寸的確定5.1

12、 塔板尺寸由于塔徑大于800mm，所以采用單溢流型分塊式塔板。取無效邊緣區(qū)寬度，破沫區(qū)寬度，查得，對應(yīng)的截塔面積查圖可得，弓形溢流管寬度弓形降液管面積 驗算： 液體在精餾段降液管內(nèi)的停留時間 液體在精餾段降液管內(nèi)的停留時間 5.2 弓形降液管5.2.1 堰高采用平直堰，堰高根據(jù)0.10.05，驗算： 0.10.00860.05140.05-0.0086，故成立所以， 5.2.2 降液管底隙高度h0 ，取滿足不少于2025mm，符合要求。5.3 浮閥數(shù)目及排列采用F1型重閥，重量為33g，孔徑為39mm。5.3.1 浮閥數(shù)目浮閥數(shù)目浮閥的形式及浮閥的排列選用參考常用化工單元設(shè)備設(shè)計P69見附圖三

13、氣體通過閥孔時的速度取動能因數(shù)，那么，因此個5.3.2 排列由于采用分塊式塔板，故采用等邊三角形叉排。對于單溢流塔板，鼓泡區(qū)面積為：Aa=0.73取相鄰兩排孔的中心距t75mm，排得孔數(shù)為5.3.3 校核氣體通過閥孔時的實際速度：實際動能因數(shù)： (在912之間)開孔率：開孔率在10%14之間，滿足要求。6. 流體力學(xué)驗算6.1 氣體通過浮閥塔板的壓力降(單板壓降)氣體通過浮閥塔板的壓力降(單板壓降)6.1.1 干板阻力浮閥由部分全開轉(zhuǎn)為全部全開時的臨界速度為：6.1.2 板上充氣液層阻力由于乙醇水系統(tǒng)里，液相是水，故o0.56.1.3 由表面張力引起的阻力由表面張力導(dǎo)致的阻力一般來說都比較小，

14、所以一般情況下可以忽略，所以：單板壓強降：6.2 淹塔為了防止淹塔現(xiàn)象的發(fā)生，需要控制降液管中清液層高度： ，且有液體通過塔板的壓降所相當(dāng)?shù)囊褐舾叨?板上液層高度=0.06m所以降液管液面高度因為乙醇水的物系不易起泡，取因為，所以設(shè)計結(jié)果符合要求。6.3霧沫夾帶驗算查得物性系數(shù)，泛點負荷系數(shù)所以，及特性系數(shù)K及泛點負荷因數(shù)的查取見常用化工單元設(shè)備設(shè)計P79表2-8特性系數(shù)K及圖2-32泛點負荷因數(shù)可見，霧沫夾帶在允許的范圍之內(nèi)7. 操作性能負荷圖7.1 霧沫夾帶上限線取泛點率為80%代入泛點率計算式，有：整理可得霧沫夾帶上限方程為： 7.2 液泛線液泛線方程為其中，代入上式化簡后可得：7.3

15、液體負荷上限線取，那么7.4 漏液線取動能因數(shù)，以限定氣體的最小負荷： 7.5 液相負荷下限線取代入的計算式：整理可得： （二） 小結(jié)由塔板的負荷性能圖可以看出：(1) 在任務(wù)規(guī)定的氣液負荷下的操作點處在區(qū)內(nèi)位置較偏,穩(wěn)定性不是很好。(2) 塔板為氣相負荷上限由霧沫夾帶控制，操作下限由液面落差控制。(3) 按照固定的液氣比, 塔板氣相負荷上限，塔板氣相負荷下限，則：8主要接管尺寸計算見附圖四8.1進料管，查得(液)0.968 (液)0.770進料液密度，解得857.7進料由泵輸送，取進料流速u=2m/s,則進料管內(nèi)徑為：經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管(YB231-64)，規(guī)格： 45×3mm

16、校核設(shè)計流速：經(jīng)校核，設(shè)備適用。8.2回流管回流液密度查得(液)0.972 (液)0.741采用重力回流，適宜流速為0.20.5m/s。取回流液流速u=0.5m/s，則回流管內(nèi)徑為：選取鋼管89×4.5mm。校核設(shè)計流速：經(jīng)校核，設(shè)備適用。8.3釜液出口管由前面物料衡算得：，接管尺寸的規(guī)格由化工原理上冊P357附錄23管子規(guī)格 查得回流液密度。 查得(液)958.6接管尺寸的規(guī)格由化工原理上冊P357附錄23管子規(guī)格 查得釜液出口管一般的適宜流速為0.51.0m/s。取釜液流速u=1m/s，則釜液出口管內(nèi)徑為：選取鋼管38×3.5mm。校核設(shè)計流速，經(jīng)校核，設(shè)備適用。8.4

17、塔頂蒸汽管由前面物料衡算得：，蒸汽管一般適宜流速為1220m/s.取蒸汽管流速為u=20m/s，則塔頂蒸汽管管口內(nèi)徑為：選取鋼管377×9mm。校核設(shè)計流速：經(jīng)校核，設(shè)備適用。8.5塔釜蒸汽管由前面物料衡算得：，蒸汽管一般適宜流速為1525m/s.取蒸汽管流速為u=20m/s，則塔釜蒸汽管管口內(nèi)徑為： 選取鋼管299×7.5mm。校核設(shè)計流速：輔助設(shè)備的經(jīng)校核，設(shè)備適8.6主要接管設(shè)計匯總da2×S2da1×S1abcH1H2回流管38×3.556×3.51040155120150進料管25×2.545×3.510

18、20105120150釜底管32×3.557×3.5102055120150塔頂上升蒸汽管180×6194×6.51406055120200塔釜上升蒸汽管125×3150×3.510030551202009.輔助設(shè)備設(shè)計定型預(yù)熱器一個：預(yù)熱進料,同時冷卻釜液。全凝器一個：將塔頂蒸汽冷凝,提供產(chǎn)品和一定量的回流。冷卻器一個：將產(chǎn)品冷卻到要求的溫度后排出。再沸器一個：將塔底產(chǎn)品加熱，提供提餾段的上升蒸汽。管程殼程K值范圍預(yù)熱器料液水蒸汽280850W/m2s再沸器釜液水蒸汽8501500 W/m2s全凝器冷水物料蒸汽280850W/m2s

19、冷卻器冷水有機溶液8501500 W/m2s計算前均假定換熱器的損失為殼方氣體傳熱量的10%，即安全系數(shù)為1.05。下面四個換熱器的計算均按照這個假定。9.1預(yù)熱器設(shè)計流程要求泡點進料，進料濃度下的泡點溫度為84.8，而原料溫度為27。釜殘液的溫度為103，其主要成分是水，比熱比原料液大，所以完全可以利用釜液對進料液進行預(yù)熱，使其達到泡點，只要控制好釜殘液的流量，由于釜殘液能提供的熱量足夠，因而可以穩(wěn)定控制進料溫度為泡點。擬定將釜液降至35排出，以用于他途。F=0.4509kg/s,W=0.3121kg/s根據(jù)溫度，查相關(guān)表得：CP水=4.1768KJ/(kg),CP乙醇2.99KJ/(kg)

20、。則鍵入提要欄內(nèi)容。提要欄獨立于主文檔，是對主文檔的補充。提要欄通常放置在頁面的左側(cè)或右側(cè)，也可以放置在頁面的頂端或底端?？墒褂谩拔谋究蚬ぞ摺边x項卡更改提要欄文本框的格式。鍵入提要欄內(nèi)容。提要欄獨立于主文檔，是對主文檔的補充。提要欄通常放置在頁面的左側(cè)或右側(cè)，也可以放置在頁面的頂端或底端?？墒褂谩拔谋究蚬ぞ摺边x項卡更改提要欄文本框的格式。取總傳熱系數(shù)K=1400=1.4KJ/取安全系數(shù)1.1，則實際傳熱面積為：A=6.324。選取換熱器：G2737252管長3.0m；管數(shù)32；管子（炭鋼）尺寸校核：A=7Q=7×1.4×12.41=121.6KJ/s所以傳熱足夠，設(shè)計滿足要

21、求。9.2再沸器tW=103,查表得 ,則:。與預(yù)熱器一樣，采用間接蒸汽加熱。，取K=1000 W/(m2K)。換熱器面積：選取再沸器：G-159-4-25-1校核：A=0.04，傳熱量足夠，能夠滿足設(shè)計要求。9.3全凝器取水進口溫度為25，水的出口溫度為40，V =0.5162 Kg/s；塔頂出口氣體的溫度為78.2，在此溫度下：=0.94*730+（1-0.94）*1564=780.4kJ/kg取安全系數(shù)1.1A=選G-400-3-25-1型號的換熱器。管長：3 m 管數(shù)：86 管子（碳鋼）尺寸：25×2.5mm管子按正三角形排列。校核：由于全凝器的熱負荷Q有最大值，所以需要對它

22、進行校核。選取全凝器：G40026251管長3.0m；管數(shù)113；管子（碳鋼）尺寸40時水的參數(shù)如下：Cp=4.174KJ/（kg*k） 管間的傳熱系數(shù)： 壁面污垢系數(shù)：Rso=Rsi=0.00017197/w總傳熱系數(shù)：因為，安全系數(shù)在要求的0.150.25的范圍之內(nèi)，換熱器滿足要求。9.4冷卻器取水進口溫度為25，水的出口溫度為35；塔頂全凝器出來的有機液（質(zhì)量分率94%的乙醇溶液）D=0.1389Kg/s；溫度為78.2，降至38(設(shè)計任務(wù)書規(guī)定)。按產(chǎn)品冷卻前后的平均溫度查算比熱： 所用水量：kg/s取總傳熱系數(shù)K=450=0.450KJ/A=取安全系數(shù)1.1，則A=1.826選G-159-3-25-1型號的換熱器。管長：2m 管數(shù)：13 管子（碳鋼）尺寸：25×2.5mm 管子按三角形排列校核：A=2Q=2×0.45×24.10=21.69KJ/s KJ/s所以傳熱足夠，設(shè)計滿足要求。10 塔的總體結(jié)構(gòu)10.1塔的封頭確定：塔徑D=700mm，橢圓形封頭，曲面高度h1=0.175m，h2=0.025m，取壁厚s=6mm。10.2塔壁厚同封頭壁厚：s=6mm10.3塔高塔底空間具有中間儲槽的作用，塔釜料液最好在塔底有1015min