精餾塔設(shè)計 化工原理課程設(shè)計

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1、目錄 一．設(shè)計任務及要求3 二．概述3 三．設(shè)計依據(jù)4 五．操作條件的計算4 1.塔型選擇4 2.1 操作壓力5 2.2 進料狀態(tài)5 2.3 加熱方式5 2.4 熱能利用5 3.最小回流比及操作回流比的確定6 3.1逐板計算：6 3.2全塔效率的估算7 3.3實際塔板數(shù)8 4.全凝器冷凝介質(zhì)的消耗量8 5.熱能利用8 六.精餾塔主體尺寸的計算9 1.精餾段與提餾段的體積流量9 2.塔徑的計算9 3.塔高的計算12 4.液流型式的選擇12 5.溢流堰（出口堰）的設(shè)計13 (1).堰長:13 =(0.6～0.8)D=0.7×1600=1120mm13

2、 (2).堰上液層高度：13 6.塔板設(shè)計14 6.1塔板尺寸15 6.2降液管底隙高度h015 6.3板結(jié)構(gòu)的選擇16 6.4板材料的選擇16 6.5板基本結(jié)構(gòu)的選擇16 6.6篩孔數(shù)n16 7.塔板的流體力學驗算17 7.1氣體通過塔板的壓強降:,m液柱17 7.2降液管內(nèi)液體高度(液泛or 淹塔)19 7.3霧沫夾帶20 7.4漏液點氣速uOW20 八.篩板塔的輔助設(shè)備21 1.配管21 2.儲罐22 3.換熱器22 八.設(shè)計評價22 九.參考文獻23 一．設(shè)計任務及要求 原料：乙醇~水溶液，年產(chǎn)量48000噸 乙醇含量：33%(質(zhì)量

3、分數(shù))，原料液溫度：42℃ 設(shè)計要求：塔頂?shù)囊掖己坎恍∮?0%(質(zhì)量分數(shù)) 塔底的乙醇含量不大于0.5%(質(zhì)量分數(shù)) 乙醇-水相圖： 二．概述 乙醇是很常見的一種化工產(chǎn)品，它有著廣泛的用途，主要有：消毒劑，藥物使用， 飲料，基本有機化工原料（乙醇可用來制取乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等化工原料，也是制取、染料、涂料、洗滌劑等產(chǎn)品的原料），汽車燃料（乙醇可以調(diào)入汽油，作為車用燃料），稀釋劑，有機溶劑，涂料溶劑等?，F(xiàn)在研究的直接醇類燃料電池也將會將乙醇的使用量大大提高。 長期以來，乙醇多以蒸餾法生產(chǎn)，但是由于乙醇~水體系有共沸現(xiàn)象，普通的精餾對于得到高純度的乙醇來說產(chǎn)量不好。但是由

4、于常用的多為其水溶液，因此，研究和改進乙醇`水體系的精餾設(shè)備是非常重要的。 塔設(shè)備是最常采用的精餾裝置，無論是填料塔還是板式塔都在化工生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應用，在此我們作板式塔的設(shè)計以熟悉單元操作設(shè)備的設(shè)計流程和應注意的事項是非常必要的。 三．設(shè)計依據(jù) 本設(shè)計依據(jù)于教科書的設(shè)計實例，對所提出的題目進行分析并做出理論計算。 四．技術(shù)來源 目前，精餾塔的設(shè)計方法以嚴格計算為主，也有一些簡化的模型，但是嚴格計算法對于連續(xù)精餾塔是最常采用的，我們此次所做的計算也采用嚴格計算法。 五．操作條件的計算 1.塔型選擇 根據(jù)生產(chǎn)任務，若按年工作日300天，每天開動設(shè)備24小時計算，產(chǎn)品流量為

5、，由于產(chǎn)品粘度較小，流量較大，為減少造價，降低成本，提高生產(chǎn)效率，因為塔的操作彈性不大，故采用篩板塔。 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進料狀態(tài) 為了計算和操作的方便本次設(shè)計中采取泡點進料（q=1）。 2.3 加熱方式 在乙醇~水體系中，乙醇是輕組分，水由塔底排出，且水的比熱較大，可采用直接水蒸氣加熱。本設(shè)計采用直接水蒸氣加熱，即在塔底安裝一個鼓泡管，可省去一個再沸器，降低了設(shè)備的成本，并且不影響分離效率。 2.4 熱能利用 精餾過程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。因

6、此熱效率較低，通常進入再沸器的能量只有5%左右可以被有效利用。雖然塔頂蒸汽冷凝可以放出大量熱量，但是由于其位能較低，不可能直接用作為塔底的熱源。為此，我們擬采用塔釜殘液對原料液進行加熱。 物料衡算 Xf=0.1616 Xd=0.7788 Xw=0.002 以年工作日為300天，每天開車24小時計，進料量為： 由全塔的物料衡算方程可寫出： (蒸汽) (泡點) 3.最小回流比及操作回流比的確定 泡點進料(q=1),查表計算得α=2.4286 聯(lián)立求解q線方程和相平衡方程得xq=0.1616,yq=0.3186 取操作回流比 理論塔板層數(shù)

7、的確定 精餾段操作線方程： 提餾段操作線方程： 線方程： 3.1逐板計算： 塔板 1 2 3 4 5 6 7 8 Y 0.7788 0.6534 0.6296 0.4334 0.3716 0.3366 0.3182 0.2844 X 0.5918 0.4370 0.3167 0.2395 0.1958 0.1728 0.1612 0.1406 塔板 9 10 11 12 13 14 15 16 Y 0.2478 0.2102 0.1739 0.1400 0.1099 0.0843 0.0623

8、0.0464 X 0.1194 0.0989 0.0798 0.0628 0.0484 0.0365 0.0270 0.0196 塔板 17 18 19 20 21 22 23 Y 0.0333 0.0233 0.0157 0.0100 0.0088 0.0050 0.0021 X 0.0140 0.0065 0.0065 0.0041 0.0036 0.00205 0.0009 塊(含塔釜) 其中，精餾段7塊，提餾段15塊。 3.2全塔效率的估算 用奧康奈爾法()對全塔效率進行估算： 由相平衡方程式可得

9、 根據(jù)乙醇~水體系的相平衡數(shù)據(jù)可以查得： (塔頂?shù)谝粔K板) Td=78.62 (加料板) Tf=84.23 (塔釜) Tw=99.38 因此可以求得： 全塔的相對平均揮發(fā)度： 全塔的平均溫度： 在溫度下查得 因為 所以: 全塔液體的平均粘度： 全塔效率: 3.3實際塔板數(shù) 塊(含塔釜) 其中，精餾段的塔板數(shù)為：塊 4.全凝器冷凝介質(zhì)的消耗量 塔頂全凝器的熱負荷： 可以查得，所以 取水為冷凝介質(zhì)，(考慮到當?shù)仄骄鶜鉁剌^低)其進出冷凝器的溫度分別為20℃和30℃則平均溫度下的比熱，于是冷凝水

10、用量為： 5.熱能利用 以釜殘液對預熱原料液，則將原料加熱至泡點所需的熱量可記為： 其中 在進出預熱器的平均溫度以及的情況下可以查得比熱，所以， 釜殘液放出的熱量 若將釜殘液溫度降至 那么平均溫度 其比熱為，因此， 可知，，所以可以用釜殘液加熱原料液至泡點。 六.精餾塔主體尺寸的計算 1.精餾段與提餾段的體積流量 精餾段 提餾段 汽相 液相 汽相 液相 平均摩爾質(zhì)量/ 39.812 31.1656 25.4312 20.2904 平均密度/ 1.2462 812.734 0.809 909.22 體積流量/ 8845.057

11、2.4570m3/s 9.400 0.002611m3/s 9623.25 2.6731 m3/s 12.0754 0.003354 m3/s 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)： 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

12、醇的平均摩爾分數(shù)為，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=1.6m 此時，精餾段的上升蒸汽速度為： 提餾段的上升蒸汽速度為： 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N=50塊，板間距,因為料液較清潔，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： 塔體壁厚為50mm。用Q235-A鋼板卷焊而成。 4.液流型式的選擇

13、 液體在板上的流動型式主要有，U型流、單流型、雙流型和階梯流型等，其中常選擇的則為單流型和雙流型。 由于本設(shè)計中液體流量不是很大，板上液體厚度不大，并參考下表本設(shè)計采用單溢流型。 選擇液流形式參考表 塔徑 流體流量 m3/h Mm U形流型 單流型 雙流型 階梯流型 600 5以下 5～25 900 7以下 7～50 1000 7以下 45以下 1200 9以下 9～70 1400

14、 9以下 70以下 1500 10以下 70以下 2000 11以下 90以下 90～160 3000 11以下 110以下 110～200 200～300 4000 11以下 110以下 110～230 230～350 5000 11以下 110以下 110～250 250～400 6000 11以下 110～250 250～450 應用 場合 用于較低 液氣比 一般應用

15、 高液氣比和大型塔板 極高液氣極大型塔板 流型示意圖： 5.溢流堰（出口堰）的設(shè)計 (1).堰長: =(0.6～0.8)D=0.7×1600=1120mm (2).堰上液層高度： 堰上液層高度應適宜，太小則堰上的液體均布差，太大則塔板壓強增大，物沫夾帶增加。 平直堰的： 其中 —堰長, m; —塔內(nèi)液體流量， —液流收縮系數(shù)，查圖求取。查得E=1.195 (3).堰高： 取板上液層高度Hl=60mm 堰高hw=hL-how=60-15.3=44.7mm 6.塔板設(shè)計 塔板結(jié)構(gòu)示意圖: 6.1塔板尺寸 由于塔徑大于8

16、00mm，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 查表得， Af=0.085×2.0096=0.1708m2 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 6.2降液管底隙高度h0 若取精餾段取，提餾段取為，那么液體通過降液管底隙時的流速為 精餾段： 提餾段： 的一般經(jīng)驗數(shù)值為,計算結(jié)果符合經(jīng)驗值。 6.3板結(jié)構(gòu)的選擇 由于本設(shè)計中操作的彈性不是很大所以采用篩板塔。 6.4板材料的選擇 材料選用不銹鋼。 6.5板基本結(jié)構(gòu)的選擇 篩孔孔徑d0=5mm 篩孔厚度δ=2.

17、3mm 正三角形排列： 孔心距t=(2.5~5) d0=3.5×5=17.5mm 開孔率 一般,開孔率大,塔板壓降低,霧沫夾帶量少,但操作彈性小,漏夜量大,板效率低。通常開孔率為5%～15%。 6.6篩孔數(shù)n 每塊板上篩孔數(shù)n=107 開孔面積 氣體通過篩孔氣速 7.塔板的流體力學驗算 7.1氣體通過塔板的壓強降:,m液柱 —氣體通過每層塔板壓降相當?shù)囊褐叨?，m液柱 —氣體通過篩板的干板壓降，m液柱 —氣體通過板上液層的阻力，m液柱 —克服液體表面張力的阻力，m液柱、 i.干板壓降 —篩孔氣

18、速，m/s —分別為液、氣密度， C0—孔流系數(shù)， ii.板上液層阻力 式中： —板上清液層高度，m —反映板上液層充氣程度的因數(shù)，可稱為充氣因數(shù)，無因次,一般=0.5～0.6。 與氣相動能因子有關(guān)， iii.液體表面張力的阻力 ΔPp=hpgρL=0.1056*9.8*860.977=0.9810KPa 氣體通過塔板的壓降ΔPp低于設(shè)計允許值。 7.2降液管內(nèi)液體高度(液泛or 淹塔) 設(shè)計中塔盤有入口堰所以采用以下經(jīng)驗公式計算： 精餾段： 提餾段： 為了防止液泛，應保證降液管中泡沫液體總高度不超過上層塔板的出口堰。因此 —板

19、間距，m —系數(shù)。為考慮降液管內(nèi)液體充氣及操作安全兩種因素的校正系數(shù)。對于容易起泡的物系，取0.3～0.4；對不易起泡的物系，取0.6～0.7；對于一般物系，取0.5。 精餾段： 提餾段： 由以上可知，塔不會發(fā)生液泛。 7.3霧沫夾帶 霧沫夾帶是指板上液體被上升氣體帶入上一層塔板的現(xiàn)象。過多的霧沫夾帶將導致塔板效率嚴重下降。為了保證板式塔能維持正常的操作效果，應使每千克氣體夾帶到上一層塔板的液體量不超過0.1kg，即控制霧沫夾帶量<0.1kg(液)/kg(氣)。 由以上計算可以知道不會發(fā)生嚴重的霧沫夾帶。 7.4漏液點氣速uOW 當氣速逐漸減小至某值時，塔板將發(fā)生明顯的

20、漏夜現(xiàn)象，該氣速稱為漏液點氣速uOW，若氣速繼續(xù)降低，更嚴重的漏夜將使篩板不能積液而破壞正常操作，故漏液點氣速為篩板的下限氣速。 為使篩板具有足夠的操作彈性，應保持穩(wěn)定性系數(shù)K: 若穩(wěn)定性系數(shù)偏低，可適當減小開孔率或降低堰高，前者影響較大。 由以上計算可以知道不會發(fā)生嚴重的漏液。 八.篩板塔的輔助設(shè)備 1.配管 (1)塔頂蒸汽管dp 常壓操作，uv=12-20m/s 圓整dp =0.5m 選用φ55×2.5的無縫不銹鋼管。 (2)回流管dR 強制回流，uR=1.5-2.5m/s 圓整dR=0.25m 選用φ30×2.5的無縫不銹鋼管。 (3)進料管dF

21、泵輸進料，uF=1.5-2.5m/s 進料溫度下, 圓整dF=0.10m 選用φ15×2.5的無縫不銹鋼管。 (4) 塔釜出料管dw 塔釜出料，uw=0.5-1m/s, 圓整dF=0.10m 選用φ15×2.5的無縫不銹鋼管。 2.儲罐 儲罐中的液體量應保證十天的液體儲量。 儲罐中液體的質(zhì)量： 體積為： 所以儲罐體積選為1500m3。選用半徑為7m，高為10m的圓形儲罐。 3.換熱器 經(jīng)計算得塔頂冷凝器換熱面積為3.6549m2。采用東陽市金誠化工設(shè)備生產(chǎn)的PSGH-5-300- L型列管式換熱器。其技術(shù)數(shù)據(jù)如下： 八.設(shè)計評價 本設(shè)計采用篩板塔，能很好的完

22、成設(shè)計任務。篩板塔有如下優(yōu)點： ①結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，造價為泡罩塔的60%左右，為浮閥塔的80%左右； ②在相同條件下，生產(chǎn)能力比泡罩塔大20%～40%； ③塔板效率較高，比泡罩塔高15%左右，但稍低于浮閥塔； ④氣體壓力降較小，每板壓力降比泡罩塔約低30%左右。 但篩板塔也有一定的缺點： ①小孔篩板易堵塞，不適宜處理臟的、粘性大的和帶固體粒子的料液；本設(shè)計中處理液干凈，不存在堵塞問題。 ②操作彈性較?。s2～3）。本設(shè)計對操作彈性要求較小。 由此可知篩板塔符合設(shè)計需求。 九.參考文獻 （1）化工原理.第四版.化學工業(yè)出版社。 （2）實用溶劑手冊。 （3）蘭氏化學手冊（中文第十五版）。 （4）化工圖算手冊.化學工業(yè)出版社。 （5）化工工藝設(shè)計.化學工業(yè)出版社。 （6）純物質(zhì)的基本物理化學性質(zhì)。 （7）純物質(zhì)熱化學數(shù)據(jù)手冊.化學工業(yè)出版社。