乙醇水連續(xù)精餾塔的設(shè)計(jì)說(shuō)明

..乙醇—水連續(xù)精餾塔的設(shè)計(jì)目的：通過(guò)課程設(shè)計(jì)進(jìn)一步鞏固課本所學(xué)的內(nèi)容,培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行化工單元過(guò)程設(shè)計(jì)的初步能力,使所學(xué)的知識(shí)系統(tǒng)化,通過(guò)本次設(shè)計(jì),應(yīng)了解設(shè)計(jì)的內(nèi)容,方法及步驟,使學(xué)生具有調(diào)節(jié)技術(shù)資料,自行確定設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,并繪制設(shè)備條件圖、編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。在常壓連續(xù)精餾塔中精餾分離含乙醇20%的乙醇—水混合液,分離后塔頂餾出液中含乙醇量不小于94%,塔底釜液中含乙醇不高于4%〔均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。已知參數(shù)：〔1設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)料乙醇X=20%〔質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同生產(chǎn)能力Q=80t/d塔頂產(chǎn)品組成>94%塔底產(chǎn)品組成<0.1%〔2操作條件操作壓強(qiáng)：常壓精餾塔塔頂壓強(qiáng)：Z=4KPa進(jìn)料熱狀態(tài)：泡點(diǎn)進(jìn)料回流比：自定待測(cè)冷卻水：20加熱蒸汽：低壓蒸汽,0.2MPa單板壓強(qiáng)：≤0.7全塔效率：ET=52%建廠地址：天津地區(qū)塔頂為全凝器,中間泡點(diǎn)進(jìn)料,篩板式連續(xù)精餾設(shè)計(jì)內(nèi)容：〔1設(shè)計(jì)方案的確定及流程說(shuō)明〔2塔的工藝計(jì)算〔3塔和塔板主要工藝尺寸的計(jì)算〔a、塔高、塔徑及塔板結(jié)構(gòu)尺寸的確定；b、塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算；c、塔板的負(fù)荷性能圖〔4設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)一覽表〔5精餾塔工藝條件圖〔6對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)論或有關(guān)問(wèn)題的分析討論目錄一、精餾流程的確定3二、課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容41.塔的物料計(jì)算41.1料液及塔頂、塔底產(chǎn)品含乙醇摩爾分?jǐn)?shù)41.2平均摩爾質(zhì)量41.3物料衡算42.塔板數(shù)的確定52.1理論塔板數(shù)的求取52.2全塔效率72.3實(shí)際塔板數(shù)73.塔點(diǎn)工藝條件及物性數(shù)據(jù)計(jì)算73.1操作壓強(qiáng)73.2溫度73.3平均摩爾質(zhì)量83.4平均密度83.5液體表面張力103.6液體黏度104.精餾段氣液負(fù)荷計(jì)算115.塔和塔板主要工藝尺寸計(jì)算125.1塔徑125.2溢流裝置135.3塔板布置165.4篩孔數(shù)與開(kāi)孔率165.5塔的有效高度〔精餾段175.6塔高計(jì)算176.篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算176.1氣體通過(guò)篩板壓強(qiáng)降相當(dāng)?shù)囊褐叨?76.2霧沫夾帶量的驗(yàn)算196.3漏液的驗(yàn)算196.4液泛驗(yàn)算197.塔板負(fù)荷性能圖207.1霧沫夾帶線〔1207.2液泛線〔2217.3液相負(fù)荷上限線〔3227.4漏液線〔氣相負(fù)荷下限線〔4227.5液相負(fù)荷下限線〔5238.篩板塔的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果總表249.精餾塔的附屬設(shè)備及接管尺寸25三、設(shè)計(jì)小結(jié)26四、主要參考文獻(xiàn)26一、精餾流程的確定乙醇—水混合液經(jīng)原料預(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,一部分作為回流,其余為塔頂產(chǎn)品經(jīng)冷凝后送至貯槽。塔釜采用間接蒸汽向再沸器供熱,塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送入貯槽。二、課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容1.塔的物料計(jì)算1.1料液及塔頂、塔底產(chǎn)品含乙醇摩爾分?jǐn)?shù)1.2平均摩爾質(zhì)量1.3物料衡算總物料衡算輕組分物料衡算聯(lián)立二式得：各物料數(shù)值為：2.塔板數(shù)的確定2.1理論塔板數(shù)NT的求取乙醇—水屬于理想物系,可采用M.T.圖解法求NT。2.1.1根據(jù)乙醇—液相中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù)氣相中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù)液相中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù)氣相中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù)0.00.00.250.5510.100.110.300.5750.020.1750.40.6140.040.2730.50.6570.060.340.60.6980.080.3920.70.7550.10.430.80.820.140.4820.8940.8940.180.5130.950.9420.20.5251.01.0表1：乙醇—水氣液平衡數(shù)據(jù)2.1.2求最小回流比Rmin因泡點(diǎn)進(jìn)料,在圖1中對(duì)角線上自點(diǎn)e〔0.09,0.09作垂線即為進(jìn)料線〔q線,該線與平衡線的交點(diǎn)坐標(biāo)為yq=0.41,xq=0.09,此時(shí)最小回流比為：①由于此時(shí)乙醇—水系統(tǒng)的平衡曲線有下凹部分,求最小回流比自a點(diǎn)〔xD,xD作平衡線的切線aq并延長(zhǎng)與y軸相交于c點(diǎn),截距為0.28,即②當(dāng)最小回流比為①時(shí),比②還要小很多,已出現(xiàn)恒濃區(qū),需要無(wú)窮多塊塔板才能達(dá)到g點(diǎn)。所以對(duì)具有下凹部分平衡曲線點(diǎn)物系求Rmin時(shí),不能以平衡數(shù)據(jù)〔yq,xq代入。圖1M.T.圖解法求NT取操作回流比2.1精餾段方程：如圖所示按照M.T.圖解法作圖可知：NT=21〔包括再沸器,其中精餾段17層提餾段4層〔包括再沸器第18層為進(jìn)料板。2.2全塔效率ET根據(jù)已知條件,ET=52%2.3實(shí)際塔板數(shù)N精餾段提餾段3.塔點(diǎn)工藝條件及物性數(shù)據(jù)計(jì)算3.1操作壓強(qiáng)Pm塔頂壓強(qiáng)取每層壓強(qiáng)降,則進(jìn)料板壓強(qiáng)精餾段平均操作壓強(qiáng)：3.2溫度tm根據(jù)操作壓強(qiáng),有純組分的飽和蒸汽壓P0和溫度t的關(guān)系可用安托尼〔Antoine方程表示,即ABCCH3CH2OH8.044961554.3222.65H2O<60―150℃7.966811668.21228H2O<0―60℃8.107651750.286235注：式中P為mmHg,t為℃,1mmHg=0.133kpa表2：安托尼公式相關(guān)系數(shù)組分?jǐn)?shù)據(jù)：塔頂xA=0.86xB=0.14P=105.3kPa進(jìn)料x(chóng)A=0.035xB=0.965P=125.1kPa試差法計(jì)算,導(dǎo)入Excel可得：塔頂tD=81.47進(jìn)料tF=104.88此時(shí)精餾段平均溫度℃3.3平均摩爾質(zhì)量Mm塔頂進(jìn)料板則精餾段平均摩爾質(zhì)量：3.4平均密度ρm3.4.1液相密度ρLm由式〔α為質(zhì)量分?jǐn)?shù)溫度/℃2030405060708090100110乙醇密度/kg/m3795785777765755746735730716703水密度/kg/m3998.2995.7992.2988.1983.2977.8971.8965.3958.4951.0表3乙醇與水的密度已知：〔為質(zhì)量分?jǐn)?shù)根據(jù)表3的密度值,當(dāng)塔頂溫度為81.47℃,由拉格朗日插值法可知：進(jìn)料板,由加料板液相組成,進(jìn)料板溫度104.88℃時(shí)故精餾段平均液相密度：3.4.2氣相密度3.5液體表面張力溫度/℃2030405060708090100110表面張力/σ×103N/m乙醇22.321.220.419.818.81817.1516.215.514.4水72.671.269.667.766.264.362.660.758.856.9表4乙醇—水的表面張力與溫度的關(guān)系在塔頂處,溫度為81.47℃,此時(shí)乙醇：水：在進(jìn)料處,溫度為104.88℃,此時(shí)乙醇：水：則精餾段平均表面張力為：3.6液體黏度液體的黏度可根據(jù)式對(duì)于乙醇,其中,溫度T——℃黏度μ——mPa·s對(duì)于水,可根據(jù)水的物性參數(shù)表知溫度/℃708090100110黏度/μ×105Pa·s40.6135.6531.6528.3825.89表5水的黏度與溫度的關(guān)系塔頂：進(jìn)料：則精餾段平均液相黏度為：4.精餾段氣液負(fù)荷計(jì)算5.塔和塔板主要工藝尺寸計(jì)算5.1塔徑D參考表6,初選板間距,取板上液層高度塔徑HT/m0.3～0.50.5～0.80.8～1.61.6～2.42.4～4.0板間距HT/m200～300250～350300～450350～600400～600表6板間距與塔徑的關(guān)系圖2Smith關(guān)系圖由取安全系數(shù)為0.70,則故<滿足0.8~1.6的范圍>按標(biāo)準(zhǔn),塔徑圓整為,則空塔氣速為一般的,在塔徑超過(guò)1m時(shí),應(yīng)按照200mm增值定塔徑。故取D=1.8m5.2溢流裝置采用單溢流、弓形降液管、平形受液盤(pán)及平形溢流堰,不設(shè)進(jìn)口堰。各項(xiàng)計(jì)算如下?！瞐U型流〔b單溢流〔c雙溢流〔d階梯式雙溢流圖3溢流裝置圖圖4塔板的結(jié)構(gòu)參數(shù)5.2.1溢流堰長(zhǎng)取堰長(zhǎng)為0.7D,即5.2.2出口堰高由圖5液流收縮系數(shù)計(jì)算圖查液流收縮系數(shù)計(jì)算圖可知E≈1故5.2.3降液管的寬度Wd與降液管的面積A由查圖弓形降液管的寬度與面積,得故則液體在降液管中停留的時(shí)間以檢驗(yàn)降液管面積,即因?yàn)榇酥荡笥?s,可保證足夠的停留時(shí)間,使溢流液中夾帶的氣泡得以分離。圖6弓形降液管的寬度與面積5.2.4降液管底隙高度取液體通過(guò)降液管底隙的流速5.3塔板布置〔1取邊緣區(qū)寬度,〔2開(kāi)孔區(qū)面積5.4篩孔數(shù)與開(kāi)孔率圖7篩孔的正三角形排列取篩孔的孔徑,正三角形排列,一般碳鋼的板厚若,孔中心距此時(shí),篩板數(shù)為開(kāi)孔區(qū)的開(kāi)孔率為〔在5%~15%之間每層塔板上的開(kāi)孔面積A0為氣體通過(guò)篩孔的氣速5.5塔的有效高度Z〔精餾段5.6塔高計(jì)算略6.篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算6.1氣體通過(guò)篩板壓強(qiáng)降相當(dāng)?shù)囊褐叨?.1.1干板壓強(qiáng)降相當(dāng)?shù)囊褐叨扔?查圖干篩孔的流量系數(shù),圖8干篩孔的流量系數(shù)6.1.2氣流穿過(guò)板上液層壓強(qiáng)降相當(dāng)?shù)囊褐叨炔楸沓錃庀禂?shù)與的關(guān)系,圖9充氣系數(shù)與的關(guān)系6.1.3克服液體表面張力壓強(qiáng)降相當(dāng)?shù)囊褐叨裙蕟伟鍓簭?qiáng)降〔設(shè)計(jì)允許值6.2霧沫夾帶量的驗(yàn)算故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生過(guò)量霧沫夾帶。6.3漏液的驗(yàn)算篩板的穩(wěn)定性系數(shù)故在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)產(chǎn)生過(guò)量漏液。6.4液泛驗(yàn)算為防止降液管液泛的發(fā)生,應(yīng)使用降液管中清液層高度取,則故,在設(shè)計(jì)負(fù)荷下不會(huì)發(fā)生液泛。根據(jù)以上塔板的各項(xiàng)流體力學(xué)驗(yàn)算,可認(rèn)為精餾段塔徑及各工藝尺寸是合適的。7.塔板負(fù)荷性能圖7.1霧沫夾帶線〔1其中…〔a取近似值,,故………〔b取霧沫夾帶極限值,已知,將〔a、〔b式代入,可得：整理得………〔1在操作范圍內(nèi),任取幾個(gè)LS值,依〔1式算出相應(yīng)的VS值列于下表中。5.014.714.524.35依表中數(shù)據(jù)在VS—LS圖中做出霧沫夾帶線〔17.2液泛線〔2聯(lián)立式可知近似取,故由于因此,此時(shí)可知由于,,,聯(lián)立上式可知：整理得下式……〔2在操作范圍內(nèi)取若干LS值,依式〔2計(jì)算VS值,列于下表之中,依表中數(shù)據(jù)做出液泛線〔2。6.205.955.765.587.3液相負(fù)荷上限線〔3取液體在降液管中停留時(shí)間為4s,由式…………〔3液相負(fù)荷上限線〔3在VS—LS坐標(biāo)圖上為與氣體流量VS無(wú)關(guān)的垂直線。7.4漏液線〔氣相負(fù)荷下限線〔4由代入漏液點(diǎn)氣速式：其中,已得出,代入并整理得：……〔4此即氣相負(fù)荷下限關(guān)系式,在操作范圍內(nèi)任取n個(gè)LS值,依式〔4計(jì)算相應(yīng)的VS值,列于下表中,依附表中的數(shù)據(jù)作氣相負(fù)荷下限線〔4。1.461.541.591.637.5液相負(fù)荷下限線〔5取平堰、堰上液層高度作為液相負(fù)荷下限條件,取,則整理上式得…………………〔5以此值在VS—LS坐標(biāo)圖上作線〔5即為液相負(fù)荷下限線。將以上5條線標(biāo)繪于圖中,即為精餾段負(fù)荷性能圖。5條線包圍的區(qū)域?yàn)榫s段塔板操作區(qū),P點(diǎn)為操作點(diǎn),OP線為操作線。OP線與線〔1的交點(diǎn)相應(yīng)氣相負(fù)荷為,OP線與氣相負(fù)荷下限線〔4的交點(diǎn)相應(yīng)的氣相負(fù)荷為可知本設(shè)計(jì)塔板上限由霧沫夾帶控制,下限由漏液控制。精餾段的操作彈性圖10精餾段負(fù)荷性能圖8.篩板塔的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果總表項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算數(shù)據(jù)精餾段提餾段各段平均壓強(qiáng)PmkPa115.2略各段平均溫度tm℃93.18平均流量氣相Vsm3/s2.92液相Lsm3/s0.0033實(shí)際塔板數(shù)N塊33板間距HTm0.40塔的有效高度Zm12.8塔徑Dm1.8空塔氣速u(mài)m/s2.094塔板液流形式單流型溢流裝量溢流管形式弓形堰長(zhǎng)lWm1.26堰高h(yuǎn)Wm0.047溢流堰寬度Wdm0.261管底與受液盤(pán)距離hOm0.026板上清夜層高度hLm0.06孔徑domm5孔間距tmm15孔數(shù)n個(gè)8904開(kāi)孔面積㎡0.18篩孔氣速u(mài)om/s16.68塔板壓強(qiáng)降△PpkPa0.59液體在降液管中停留時(shí)間τs27.75降液管內(nèi)清夜層高度Hdm0.134霧沫夾帶eVkg液/kg氣0.025負(fù)荷上限霧沫夾帶控制負(fù)荷下限漏液控制氣相最大負(fù)