塔板式精餾塔設(shè)計(jì)(圖文表).doc

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WORD格式可編輯 （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(mǎn)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/kmol xF==0.174 xD==0.779 xW==0.002 2.原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 MF=0.17446＋18(1-0.174)= 22.872 kg/kmol MD=0.77946＋18(1-0.779)= 39.812 kg/kmol MW=0.00246＋18(1-0.002)= 18.056 kg/kmol 3.物料衡算 ｛ D==167.454 kmol/h F=D+W FxF=DxD+WxW 解得 F=756.464 kmol/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(xiàn)上自點(diǎn)a（xD,xD）作垂線(xiàn)，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=1.316 2.精餾塔的氣液相負(fù)荷的計(jì)算 L=RD=1.316167.454=220.369 kmol/h V=L+D=(R+1)D=2.316167.454=387.823 kmol/h L’=L+qF=220.369+756.464=976.833 kmol/h V’=V+(q-1)F=V=387.823 kmol/h 3.操作線(xiàn)方程 精餾段操作線(xiàn)方程為 y=x+xD=x+0.779 即：y=0.568x+0.336 提餾段操作線(xiàn)方程為 y=x-xW =x-0.002 即：y=2.519x-0.003 4.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=78.43 oC tW=99.53 oC t平均= tD tW =88.35 oC 塔頂 P乙醇=101.749 KPa P水=44.607 KPa α頂=2.281 塔底 P乙醇=222.502 KPa P水=99.754 KPa α底=2.231 α平均=α頂α底=2.256 平均溫度下μA=0.38 mPas μB=0.323 mPas μL=xAμA+(1-xA) μB=0.0790.38+(1-0.079)0.323=0.327 mPas 查蒸餾塔全塔效率圖，橫坐標(biāo)為α平均μL=0.738 可查得ET=52％ 6.實(shí)際板層數(shù)求取 精餾段實(shí)際板層數(shù)N精=9/0.52=17.31≈18 提餾段實(shí)際板層數(shù)N提=4/0.52= 7.69≈8 （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 kPa 2.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=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 oC 3.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=0.741 MVDm=0.77946+(1-0.779)18=39.812 g/mol MLDm=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=0.183 MVFm=0.51846+(1-0.518)18=32.504 g/mol MLFm=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/mol MLm=( MLDm+ MLFm)/2=30.936 g/mol 4.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 ρVm===1.321 kg/m3 液相平均密度計(jì)算 液相平均密度依1/ρLm=∑αi/ρi計(jì)算 塔頂液相平均密度計(jì)算 tD=78.43 oC時(shí) ρ乙醇=740 kg/m3 ρ水=972.742 kg/m3 ρLDm==758.14 kg/m3 進(jìn)料板液相平均密度計(jì)算 tF=83.75 oC時(shí) ρ乙醇=735 kg/m3 ρ水=969.363 kg/m3 ρLFm==868.554 kg/m3 塔底液相平均密度計(jì)算 tW=99.53 oC時(shí) ρ乙醇=720 kg/m3 ρ水=958.724 kg/m3 ρLWm==957.137 kg/m3 精餾段液相平均密度計(jì)算 ρLm=(ρLFm+ρLDm)/2=(758.14+868.554)/2=813.347 kg/m3 提餾段液相平均密度計(jì)算 ρLm=(ρLFm+ρLWm）/2=(957.137+868.554)/2=912.846 kg/m3 5.液體平均表面張力計(jì)算 液體平均表面張力依σLm=∑xiσi計(jì)算 塔頂液相平均表面張力計(jì)算 tD=78.43時(shí) σ乙醇=62.866 mN/m σ水=17.8 mN/m σLDm=0.77917.8+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) σ乙醇=61.889 mN/m σ水=17.3 mN/m σLFm=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) σ乙醇=58.947 mN/m σ水=15.9 mN/m σLWm=0.00515.9+0.99558.947=58.732 mN/m 精餾段液相平均表面張力計(jì)算 σLm =(84.446+53.729)/2=69.088 mN/m 提餾段液相平均表面張力計(jì)算 σLm =(58.732+53.729)/2=56.231 mN/m 6.液體平均粘度計(jì)算 液體平均粘度依lgμLm=∑xilgμi計(jì)算 塔頂液相平均粘度計(jì)算 tD=78.43oC時(shí) μ乙醇=0.364mPas μ水=0.455 mPas lgμLDm=0.779lg(0.455)+0.221lg(0.364)=-0.363 μLDm =0.436 mPas 進(jìn)料液相平均粘度計(jì)算 tF=83.75 oC時(shí) μ乙醇=0.341mPas μ水=0.415 mPas lgμLFm=0.183lg(0.415)+0.817lg(0.341)=-0.452 μLFm=0.353 mPas 塔底液相平均粘度計(jì)算 tW=99.53 oC時(shí) μ乙醇=0.285mPas μ水=0.335 mPas lgμLWm=0.002lg(0.335)+0.998lg(0.285)=-0.544 μLWm=0.285 mPas 精餾段液相平均粘度計(jì)算 μLm=(0.436+0.353)/2=0.395 mPas 提餾段液相平均粘度計(jì)算 μLm=(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/s LS==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=0.103 umax=C(ρL-ρV)/ ρV =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/s D=4Vs/πu==1.39 m 按標(biāo)準(zhǔn)塔徑元整后 D=1.4 m 塔截面積AT=(π/4)1.42=1.539 ㎡ 實(shí)際空塔氣速為 u=2.717/1.539=1.765 m/s 2.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 堰長(zhǎng)lW=0.71.4=0.98 m 2.溢流強(qiáng)度i的校核 i=Lh/lW=0.00233600/0.98=8.449≤100~130m3/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=1 how=1（Lh/lW）2/3=0.0119 m hW=hL-how=0.06-0.0119=0.0481 m 4.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θ=3600ATHT/LH=27.64 s＞5 s符合設(shè)計(jì)要求 5.降液管底隙高度ho hO=Lh/3600lWu0’=0.0023/0.980.08=0.03 m hW-hO=0.0481-0.03=0.0181 m＞0.006 m 6.塔板布置 塔板的分塊 D=1400 mm＞800 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 m r=D/2-Wc=1.4/2-0.035=0.665 m 故Aa=2(x(r2-x2)+πr2/180sin-1(x/r))=1.046 ㎡ 篩孔計(jì)算及其排列 本例所處理的物系無(wú)腐蝕性?？蛇x用δ=3mm碳鋼板，取篩孔直徑d=5mm。 孔中心距t=3d=35=15 mm 篩孔數(shù)n=1.1551.046/0.0152=5369 個(gè) 開(kāi)孔率φ=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=0.790 hc=0.051（）2()=0.044 氣體通過(guò)液層阻力hl ua=Vs/(AT-Af)=2.944/(1.539-0.143)=2.112 m/s Fo=2.112=2.428 查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖得β=0.55 hl=βhL=β(hW+hOW)=0.55(0.0119+0.0481)=0.033 m液柱 液體表面張力所產(chǎn)生的阻力hσ計(jì)算 hσ=4σL/ρLgd=456.231/(813.3479.815)=0.00524m hp=hp+hl+hσ=0.124+0.033+0.00524=0.162 m液柱 每層塔板壓降 ΔPp=hpρLg=0.082813.3479.81=0.65 KPa＜0.7KPa 2.液沫夾帶 hf=2.5hL=2.50.06=0.15 m 故ev=(2.112/(0.45-0.06))3.2=0.0226＜0.1 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 u0,min=4.4Co((0.0056+0.13hL-hσ) ρL/ρV)0.5=7.714 m/s 實(shí)際孔速 u0=30.541 m/s＞u0,min 穩(wěn)定系數(shù)K= u0/u0,min=30.541/7.714=3.967＞1.5 故本設(shè)計(jì)中無(wú)明顯漏液 4.液泛 φ(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≤φ(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(xiàn) 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 Ls 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 Vs 0.781 0.811 0.837 0.864 2.液沫夾帶線(xiàn) Vs=2.895-14.828 Ls2/3 操作范圍內(nèi)任取Ls值，算出Vs值，列表如下 Ls 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 Vs 2.790 2.701 2.587 2.491 3.液相負(fù)荷下限線(xiàn) how=E(3600Ls/lW)2/3=0.0119 Ls,min=(0.01191000/2.84)3/20.98/3600=0.000476 m3/s 4.液相負(fù)荷上限線(xiàn) 以θ=4s作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限 θ=AfHT/Ls=4 Ls,max= AfHT/4=0.1430.33/4=0.0059 m3/s 5.液泛線(xiàn) 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 Ls 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 Vs 2.991 2.897 2.759 2.623 6.負(fù)荷性能圖 依據(jù)各線(xiàn)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/s Vs,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/h MVDm=39.812 g/mol ρVDm=PDMVDm/RTD=1.38 kg/m3 qm=VMVDm=15440 kg/h qv=qm/ρVDm=3.11 m3/s D=(4qv/πuo)0.5=445 mm 2.進(jìn)料管 uF=1.6 m/s 在35％乙醇—水溶液在45℃下密度ρ=927kg/m MFm=460.174+18(1.0.174)=21.072 g/mol F=756.464 kmol/h qmF=FMFm=4.428 kg/s qvF=4.7810-3 m3/s D=(4qvF/πuF)0.5=62 mm 3.回流管 u=1.6 m/s Mm=39.812 g/mol L=220.369 kmol/h qm=MmL=2.44 kg/s ρ=758.14 kg/m qv=3.2210-3 m3/s D=(4qv/πu)0.5=51 mm 4.塔釜出料管 uw=1.6 m/s MLWm=18.056 g/mol W=589.01 kmol/h ρ=957.37 kg/m3 qm=MLWmW=2.95 kg/s qv=qm/ρ=3.0810-3 m3/s D=(4qv/πuw)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，℃ 81.09 2 平均壓力，kPa 107.6 3 氣相流量，m/s 2.949 4 液相流量，m/s 0.0023 5 實(shí)際塔板數(shù) 26 6 有效段高度，m 11.8 7 塔徑，m 1.4 8 板間距，m 0.45 9 溢流形式 單溢流 10 降液管形式 弓形 11 堰長(zhǎng)，m 0.98 12 堰高，m 0.0481 13 板上液層高度，m 0.06 14 堰上液層高度，m 0.0119 15 降液管底隙高度，m 0.03 16 安定區(qū)寬度，m 0.065 17 邊緣區(qū)寬度，m 0.035 18 開(kāi)孔區(qū)面積，㎡ 1.046 19 篩孔直徑，m 0.005 20 篩孔數(shù)目 5369 21 孔中心距，m 0.015 22 開(kāi)孔率，％ 10.1 23 空塔氣速，m/s 1.765 24 篩孔氣速，m/s 30.541 25 穩(wěn)定系數(shù) 3.96 26 每層塔板壓降，Pa 650 27 負(fù)荷上限 液沫夾帶控制 28 負(fù)荷下限 漏液控制 29 液沫夾帶 0.0226 30 氣相負(fù)荷上限,m/s 0.789 31 氣相負(fù)荷下限,m/s 2.673 32 操作彈性 3.389 （十一）塔主體設(shè)備圖 （十二）評(píng)述與討論 整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，準(zhǔn)備階段確定設(shè)計(jì)方案。首先進(jìn)行精餾塔物料衡算，進(jìn)而確定塔板數(shù)。然后對(duì)精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)計(jì)算，進(jìn)一步對(duì)精餾塔塔體工藝尺寸進(jìn)行計(jì)算。接著對(duì)篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算接著做塔板復(fù)合性能圖，接著對(duì)精餾塔接管尺寸計(jì)算，最后畫(huà)主體設(shè)備條件圖。問(wèn)題：一開(kāi)始由于經(jīng)驗(yàn)主義認(rèn)為M平均=Ma乘以a%+Mb乘以b%（a%為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）而后得知M平均=Ma乘以a%+Mb乘以b%（a%為摩爾分?jǐn)?shù)）。我們計(jì)算各項(xiàng)的提鎦段數(shù)據(jù)，似乎在后面沒(méi)有用到。電腦做氣液平衡圖時(shí)，應(yīng)該選擇平滑曲線(xiàn)，我們采用的添加趨勢(shì)線(xiàn)的辦法（使用六次方程），點(diǎn)與線(xiàn)并不能完全重合。 (十三)參考文獻(xiàn) 1. 黃英.化工過(guò)程設(shè)計(jì).西北工業(yè)大學(xué)出版社 2. 王志魁,劉麗英,劉偉.化工原理（第四版）.化學(xué)工業(yè)出版社 3. 董寧海.板式精餾塔設(shè)計(jì).合肥工業(yè)大學(xué) 老師發(fā)的參考資料文明施工 ①依據(jù)業(yè)主、監(jiān)理有關(guān)要求，落實(shí)施工組織文件，明確各工序管理、材料管理、機(jī)械管理、成本管理、勞動(dòng)管理。 ② 對(duì)全體職工，特別是民工，在進(jìn)場(chǎng)前進(jìn)行文明、安全施工教育，不斷提高職工的文明施工意識(shí)和自身素質(zhì)。 ③建立文明施工管理制度，采用統(tǒng)一規(guī)范臨設(shè)，圍檔整齊，符合要求，臨設(shè)要牢固整齊，材質(zhì)符合要求。 ④運(yùn)料車(chē)運(yùn)料時(shí)要用帆布覆蓋，以防沿路遺撒和揚(yáng)塵。施工道路要保證濕潤(rùn)，以防車(chē)輛行駛揚(yáng)塵。 ⑤場(chǎng)地內(nèi)材料與設(shè)備要保持整齊，并保證場(chǎng)地內(nèi)的清潔。 4. 專(zhuān)業(yè)知識(shí)整理分享