精餾塔設(shè)計(jì) 化工原理課程設(shè)計(jì)

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1、目錄 一．設(shè)計(jì)任務(wù)及要求3 二．概述3 三．設(shè)計(jì)依據(jù)4 五．操作條件的計(jì)算4 1.塔型選擇4 2.1 操作壓力5 2.2 進(jìn)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(jì)算：6 3.2全塔效率的估算7 3.3實(shí)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(jì)算9 1.精餾段與提餾段的體積流量9 2.塔徑的計(jì)算9 3.塔高的計(jì)算12 4.液流型式的選擇12 5.溢流堰（出口堰）的設(shè)計(jì)13 (1).堰長(zhǎng):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(jì)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(xué)驗(yàn)算17 7.1氣體通過(guò)塔板的壓強(qiáng)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(diǎn)氣速uOW20 八.篩板塔的輔助設(shè)備21 1.配管21 2.儲(chǔ)罐22 3.換熱器22 八.設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)22 九.參考文獻(xiàn)23 一．設(shè)計(jì)任務(wù)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?jǐn)?shù))，原料液溫度：42℃ 設(shè)計(jì)要求：塔頂?shù)囊掖己坎恍∮?0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 塔底的乙醇含量不大于0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 乙醇-水相圖： 二．概述 乙醇是很常見(jiàn)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(jī)化工原料（乙醇可用來(lái)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(jī)溶劑，涂料溶劑等?，F(xiàn)在研究的直接醇類燃料電池也將會(huì)將乙醇的使用量大大提高。 長(zhǎng)期以來(lái)，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(duì)于得到高純度的乙醇來(lái)說(shuō)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(jìn)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(wú)論是填料塔還是板式塔都在化工生產(chǎn)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用，在此我們作板式塔的設(shè)計(jì)以熟悉單元操作設(shè)備的設(shè)計(jì)流程和應(yīng)注意的事項(xiàng)是非常必要的。 三．設(shè)計(jì)依據(jù) 本設(shè)計(jì)依據(jù)于教科書(shū)的設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)所提出的題目進(jìn)行分析并做出理論計(jì)算。 四．技術(shù)來(lái)源 目前，精餾塔的設(shè)計(jì)方法以嚴(yán)格計(jì)算為主，也有一些簡(jiǎn)化的模型，但是嚴(yán)格計(jì)算法對(duì)于連續(xù)精餾塔是最常采用的，我們此次所做的計(jì)算也采用嚴(yán)格計(jì)算法。 五．操作條件的計(jì)算 1.塔型選擇 根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，若按年工作日300天，每天開(kāi)動(dòng)設(shè)備24小時(shí)計(jì)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(jià)，降低成本，提高生產(chǎn)效率，因?yàn)樗牟僮鲝椥圆淮?，故采用篩板塔。 2.1操作壓力 由于乙醇~水體系對(duì)溫度的依賴性不強(qiáng)，常壓下為液態(tài)，為降低塔的操作費(fèi)用，操作壓力選為常壓 其中塔頂壓力為 塔底壓力 2.2進(jìn)料狀態(tài) 為了計(jì)算和操作的方便本次設(shè)計(jì)中采取泡點(diǎn)進(jìn)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(jì)采用直接水蒸氣加熱，即在塔底安裝一個(gè)鼓泡管，可省去一個(gè)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(guò)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(jìn)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?dú)堃簩?duì)原料液進(jìn)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(kāi)車24小時(shí)計(jì)，進(jìn)料量為： 由全塔的物料衡算方程可寫(xiě)出： (蒸汽) (泡點(diǎn)) 3.最小回流比及操作回流比的確定 泡點(diǎn)進(jìn)料(q=1),查表計(jì)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(jì)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(duì)全塔效率進(jìn)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(duì)平均揮發(fā)度： 全塔的平均溫度： 在溫度下查得 因?yàn)? 所以: 全塔液體的平均粘度： 全塔效率: 3.3實(shí)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(fù)荷： 可以查得，所以 取水為冷凝介質(zhì)，(考慮到當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁剌^低)其進(jìn)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?dú)堃簩?duì)預(yù)熱原料液，則將原料加熱至泡點(diǎn)所需的熱量可記為： 其中 在進(jìn)出預(yù)熱器的平均溫度以及的情況下可以查得比熱，所以， 釜?dú)堃悍懦龅臒崃? 若將釜?dú)堃簻囟冉抵? 那么平均溫度 其比熱為，因此， 可知，，所以可以用釜?dú)堃杭訜嵩弦褐僚蔹c(diǎn)。 六.精餾塔主體尺寸的計(jì)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(jì)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?jì)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(jì)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?jǐn)?shù)為，所以，液體的臨界溫度： 設(shè)計(jì)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(jì)算： ， 所以： 根據(jù)塔徑系列尺寸圓整為D=1.6m 此時(shí)，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(jì)算 塔的高度可以由下式計(jì)算： 已知實(shí)際塔板數(shù)為N=50塊，板間距,因?yàn)榱弦狠^清潔，無(wú)需經(jīng)常清洗，可取每隔8塊板設(shè)一個(gè)人孔，則人孔的數(shù)目為： 個(gè) 取人孔兩板之間的間距，則塔頂空間，塔底空間，進(jìn)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(dòng)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(jì)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(jì)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(yīng)用 場(chǎng)合 用于較低 液氣比 一般應(yīng)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(jì) (1).堰長(zhǎng): =(0.6～0.8)D=0.7×1600=1120mm (2).堰上液層高度： 堰上液層高度應(yīng)適宜，太小則堰上的液體均布差，太大則塔板壓強(qiáng)增大，物沫夾帶增加。 平直堰的： 其中 —堰長(zhǎng), 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h(yuǎn)w=hL-how=60-15.3=44.7mm 6.塔板設(shè)計(jì) 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(wú)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(yàn)算： 液體在精餾段降液管內(nèi)的停留時(shí)間 液體在精餾段降液管內(nèi)的停留時(shí)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(guò)降液管底隙時(shí)的流速為 精餾段： 提餾段： 的一般經(jīng)驗(yàn)數(shù)值為,計(jì)算結(jié)果符合經(jīng)驗(yàn)值。 6.3板結(jié)構(gòu)的選擇 由于本設(shè)計(jì)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(kāi)孔率 一般,開(kāi)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(kāi)孔率為5%～15%。 6.6篩孔數(shù)n 每塊板上篩孔數(shù)n=107 開(kāi)孔面積 氣體通過(guò)篩孔氣速 7.塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算 7.1氣體通過(guò)塔板的壓強(qiáng)降:,m液柱 —?dú)怏w通過(guò)每層塔板壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨龋琺液柱 —?dú)怏w通過(guò)篩板的干板壓降，m液柱 —?dú)怏w通過(guò)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(wú)因次,一般=0.5～0.6。 與氣相動(dòng)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(guò)塔板的壓降ΔPp低于設(shè)計(jì)允許值。 7.2降液管內(nèi)液體高度(液泛or 淹塔) 設(shè)計(jì)中塔盤(pán)有入口堰所以采用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： 精餾段： 提餾段： 為了防止液泛，應(yīng)保證降液管中泡沫液體總高度不超過(guò)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(duì)于容易起泡的物系，取0.3～0.4；對(duì)不易起泡的物系，取0.6～0.7；對(duì)于一般物系，取0.5。 精餾段： 提餾段： 由以上可知，塔不會(huì)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(guò)多的霧沫夾帶將導(dǎo)致塔板效率嚴(yán)重下降。為了保證板式塔能維持正常的操作效果，應(yīng)使每千克氣體夾帶到上一層塔板的液體量不超過(guò)0.1kg，即控制霧沫夾帶量<0.1kg(液)/kg(氣)。 由以上計(jì)算可以知道不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的霧沫夾帶。 7.4漏液點(diǎn)氣速uOW 當(dāng)氣速逐漸減小至某值時(shí)，塔板將發(fā)生明顯的

20、漏夜現(xiàn)象，該氣速稱為漏液點(diǎn)氣速uOW，若氣速繼續(xù)降低，更嚴(yán)重的漏夜將使篩板不能積液而破壞正常操作，故漏液點(diǎn)氣速為篩板的下限氣速。 為使篩板具有足夠的操作彈性，應(yīng)保持穩(wěn)定性系數(shù)K: 若穩(wěn)定性系數(shù)偏低，可適當(dāng)減小開(kāi)孔率或降低堰高，前者影響較大。 由以上計(jì)算可以知道不會(huì)發(fā)生嚴(yán)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(wú)縫不銹鋼管。 (2)回流管dR 強(qiáng)制回流，uR=1.5-2.5m/s 圓整dR=0.25m 選用φ30×2.5的無(wú)縫不銹鋼管。 (3)進(jìn)料管dF

21、泵輸進(jìn)料，uF=1.5-2.5m/s 進(jìn)料溫度下, 圓整dF=0.10m 選用φ15×2.5的無(wú)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(wú)縫不銹鋼管。 2.儲(chǔ)罐 儲(chǔ)罐中的液體量應(yīng)保證十天的液體儲(chǔ)量。 儲(chǔ)罐中液體的質(zhì)量： 體積為： 所以儲(chǔ)罐體積選為1500m3。選用半徑為7m，高為10m的圓形儲(chǔ)罐。 3.換熱器 經(jīng)計(jì)算得塔頂冷凝器換熱面積為3.6549m2。采用東陽(yáng)市金誠(chéng)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(jì)評(píng)價(jià) 本設(shè)計(jì)采用篩板塔，能很好的完

22、成設(shè)計(jì)任務(wù)。篩板塔有如下優(yōu)點(diǎn)： ①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，造價(jià)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(diǎn)： 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(jì)中處理液干凈，不存在堵塞問(wèn)題。 ②操作彈性較?。s2～3）。本設(shè)計(jì)對(duì)操作彈性要求較小。 由此可知篩板塔符合設(shè)計(jì)需求。 九.參考文獻(xiàn) （1）化工原理.第四版.化學(xué)工業(yè)出版社。 （2）實(shí)用溶劑手冊(cè)。 （3）蘭氏化學(xué)手冊(cè)（中文第十五版）。 （4）化工圖算手冊(cè).化學(xué)工業(yè)出版社。 （5）化工工藝設(shè)計(jì).化學(xué)工業(yè)出版社。 （6）純物質(zhì)的基本物理化學(xué)性質(zhì)。 （7）純物質(zhì)熱化學(xué)數(shù)據(jù)手冊(cè).化學(xué)工業(yè)出版社。