1、武汉工业学院毕业设计说明书5.1全塔物料衡算F：进料量 （Kmol/s） ：原料组成（摩尔分数，下同）D：塔顶产品流量（Kmol/s） ：塔顶组成W：塔低残液流量（Kmol/s） ：塔底组成原料乙醇组成：=14.36%塔顶组成：=85.98%塔底组成：=0.078%5.1.1 最小回流比及操作回流比的确定由于是泡点进料，xe=xf=0.1436，过点e(0.1436,0)作直线x=0.1436交平衡线于点，由点可读得ye=0.5，因此：Rmin(1)=(xD-yf)/(yf-xF)=(0.8598-0.5)/(0.5-0.1436)=1.009又过点a(0.8598,0.8598)作平衡线的切
2、线，切点为，读得其坐标为g(0.5，0.1435)因此：Rmin(2)=1.009所以， Rmin(1)= Rmin(2)=1.009可取操作回流比： R=1.98 Rmin=25.1.2 塔顶产品产量、釜残液量及加热蒸汽量的计算进料量：F=1500kg/h=1500* =78.26kmol/h=0.0217由全塔的物料衡算方程可写出： (蒸汽) D=12.976 kmol/h =0.0036 W=104.21 kmol/h =0.0289 (泡点) V0=38.928 kmol/h =0.01085.2常压下乙醇-水气体平衡组成(摩尔)与温度的关系常压下乙醇-水气体平衡组成(摩尔)与温度的关
3、系见表5.1。表5.1 常压下乙醇-水气体平衡组成(摩尔)与温度的关系温度/ 液相 气相 温度/液相 气相 温度/液相 气相 1000082.723.3754.4579.357.3268.4195.51.9017.0082.326.0855.8078.7467.6373.8589.07.2138.9181.532.7359.2678.4174.7278.1586.79.6643.7580.739.6561.2278.1589.4389.4385.312.3847.0479.850.7965.6484.116.6150.8979.751.9865.995.2.1 确定温度利用表5.1中数据由插值
4、法求得tf 、tD、tw tf:：, tf =82.29tD：， tD=78.21tw： ， tw=99.82精馏段的平均温度：提馏段的平均温度：5.2.2确定密度已知:混合物密度:(为质量分数,为平均相对分子质量)混合气密度:塔顶温度: tD=78.21气相组成yD：， yD=89.267%进料温度: tf =82.29气相组成yf：， yf=53.03%塔底组成: tw=99.82气相组成yW：， yW=0.68%（1）精馏段液相组成: , 50.17%气相组成:, 71.15%所以: 32.05kg/kmol 37.92 kg/kmol（2）提馏段液相组成: ，7.22气相组成: ，26
5、.86%所以：20.02 kg/kmol 25.52 kg/kmol表5.2不同温度下乙醇和水的密度表温度/ 乙 水 温度/乙 水 80735971.895720961.8585730968.6100716958.490724965.3由表5.2求得在tf 、tD、tw下的乙醇和水的密度（单位：） tf =82.29时： ， =733.25 ， =970.39 ， =884.57 tD=78.21时： ， =738.15， =973.08， =749.00tW=99.82时： , =712.22 , =958.82 , =957.87所以：=816.785 =921.22 kg/kmolkg/
6、kmolkg/kmol 32.045kg/kmol 20.02kg/kmol 43.00kg/kmol 32.85kg/kmol 18.19kg/kmol 37.975kg/kmol 25.52kg/kmol 1.127 1.49 1.31 0.865.2.3混合液体表面张力二元有机物-水溶液表面张力可用下列公式计算：式中： ； ； ； ； ； 式中下角标，w,o,s分别代表水、有机物及表面部分，xw、xo指主体部分的分子数，Vw、Vo主体部分的分子体积，w、o为纯水、有机物的表面张力，对乙醇q = 2。 表5.3 不同温度下乙醇和水的表面张力温度/ 708090100乙醇表面张力/10-2N
7、/m21817.1516.215.2水表面张力/10-2N/m264.362.660.758.8由表5.3求得在tf 、tD、tw的乙醇和水的表面张力（单位：N/m）乙醇的表面张力： ， 同理： 同理水的表面张力： ，塔顶表面张力： 联立方程组： ，代入求得： ， ， 原料表面张力： 联立方程组： ，同理代入求得：, 同理塔底表面张力： 联立方程组： ,代入求得： 提馏段的平均表面张力为：精馏段的平均表面张力为：5.2.4混合物的粘度，查表得:，查表得:， 精馏段粘度： 0.3975提馏段粘度： 0.31745.2.5相对挥发度由得6.73由得 1.356由得8.77精馏段的平均相对挥发度：4
8、.043 提馏段的平均相对挥发度： 7.755.2.6气液相体积计算根据x-y图查图计算。或由解析法计算求得：Rmin= 1.009，取R=1.98 Rmin=2（1）精馏段 L=RD=2*0.0036=0.0072kmol/s V=(R+1)D=(2+1)*0.00360.0108kmol/s 已知：， ， ，则质量流量：0.23kg/s 体积流量： （2）提馏段：因为设计为泡点进料，所以q=1。 0.0289 kmol/s 0.0108 kmol/s同理则质量流量： 0.579 kg/s 0.276 kg/s体积流量： 5.3理论塔板层数的确定5.3.1理论板（1）精馏段操作线方程：yn+
9、1= xn+xD=0.667 xn+0.2866图5.1 精馏段操作线示意图（2）提馏段操作线方程：ym+1= Wxm/ V0-Wxw/ V0=2.677 xm-0.0021线方程： x= 0.1436图5.2 泡点进料线及提馏段操作线示意图在相图中分别画出上述直线（如图5.3所示），利用图解法可以求出NT=19块(含塔釜)，其中，精馏段14块，提馏段5块，加料板为第14块理论板。 图5.3 理论塔板层数确定示意图5.3.2 塔效率和实际塔板塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度 塔顶与塔底平均温度下的液相粘度（1）精馏段 已知：，所以：=0.43，30块 （2）精馏段 已知： ， 所以：=0.39
10、， 12块 全塔所需实际塔板数：30+12 = 42块 全塔效率： =42.86% 加料板位置在第37块塔板。5.4塔径的初步计算（1）精馏段由，安全系数=0.00.8，式中C可由史密斯关联图查出。取板间距：，则：，,，圆整：，横截面积：空塔气速： （2）提馏段横坐标数值:取板间距： , 。则查图可知：,，圆整：，横截面积： 空气气速：5.5溢流装置5.5.1确定堰长取出口堰高：本设计采用平直堰，堰上液高度按下式计算： 近似取精馏段： 提馏段： 5.5.2 确定方形降液管的宽度和横截面查图得：,则： ,验算降液管内停留时间：精馏段： 提馏段： 因为停留时间，故降液管可使用。5.5.3确定降液管
11、底隙高度精馏段：取降液管底隙的流速：则 取。提馏段：取，取5.6塔板分布、浮阀数目与排列的确定（1）塔板分布本设计塔径D=0.6m，采用分块式塔板，以便通过人孔装拆塔板。（2）浮阀数目与排列1）精馏段：取阀孔动能因子，则孔速为： 每层塔板上浮阀数目为：个取边缘区宽度，破沫区宽度。m计算塔板上的鼓泡区面积，即 其中 ： m m所以：浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取同一个横排的孔心距。则排间距： 考虑到塔的直径较大，必须采用分块式塔板，而各分块的支撑与衔接也要占去一部分鼓泡区面积，因此排间距不宜采用82mm，而应小些，故取，按，以等腰三角形叉排方式作图，排得阀数26个。按重新核算孔速及阀孔动能因
12、子：m/s 可见，阀孔动能因数变化不大，仍在913范围内。塔板开孔率=2）提馏段取阀孔动能因子，则孔速m/s每层塔板上浮阀数目为： 个按t=70mm,估算排间距 取排得阀数为24个。按N=24重新核算孔速及阀孔动能因子： 可见，阀孔动能因子变化不大，仍在913范围内塔板开孔率5.7塔板的流体力学计算5.7.1气相通过浮阀塔板的压降可根据计算。（1）精馏段1）干板阻力 因，故：2）板上充气液层阻力 取3）液体表面张力所造成的阻力 此阻力很小，可忽略不计，因此与气体流经塔板的压降相当的高度为： （2）提馏段 1）干板阻力： 因，故： 2）板上充气液层阻力 取 3）液体表面张力所造成的阻力 此阻力很
13、小，可忽略不计，因此与单板的压降相当的液柱高度为 5.7.2淹塔为了防止发生淹塔现象，要求控制降液管中清液高度：（1）精馏段 1）单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度2）液体通过液体降液管的压头损失 3）板上液层高度，则m取已选定m， 则m可见，所以符合防止淹塔的要求。（2）提馏段 1）单板压降所相当的液柱高度2）液体通过液体降液管的压头损失： 3）板上液层高度,则取，则可见，所以符合防止淹塔的要求。5.7.3物沫夹带（1）精馏段 板上液体流经长度： 板上液流面积： 查物性系数，泛点负荷系数图泛点率=对于大塔，为了避免过量物沫夹带，应控制泛点率不超过80%，由以上计算可知，物沫夹带能够满足的要
14、求。（2）提馏段 取物性系数，泛点负荷系数图泛点率=由计算可知，符合要求。5.7.4塔板负荷性能图5.7.4.1物沫夹带线 据此可作出负荷性能图中的物沫夹带线，按泛点率80%计算： （1）精馏段0.8=整理得： ，即由上式知物沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个值算出（2）提馏段整理得： 即：在操作范围内，任取若干个值，三出相应的值。计算如表5.4所示：表5.4 精馏段与提馏段物沫夹带线计算结果表精馏段 Ls (m3/s)0.0020.01Vs (m3/s)0.47550.3775提馏段 (m3/s)0.0020.01 (m3/s)0.6130.4505.7.4.2泛液线由此确定液泛线，忽略
15、式中而（1）精馏段 整理： （2）提馏段 整理得： 在操作范围内任取若干个值，算出相应得值：表5.5 精馏段与提馏段泛液线计算结果表精馏段 Ls1 (m3/s)0.00010.00030.00060.0009Vs1 (m3/s)0.57660.0.56190.53000.4815提馏段 Ls2 (m3/s)0.00010.00030.00060.0009Vs2 (m3/s)0.71780.70570.68760.66675.7.4.3液相负荷上限液体的最大流量应保证降液管中停留时间不低于35s，液体降液管内停留时间：以作为液体在降液管内停留时间的下限，则：5.7.4.4漏液线对于F1型重阀，依
16、作为规定气体最小负荷的标准，则：精馏段： 提馏段： 5.7.4.5液相负荷下限取堰上液层高度作为液相负荷下限条件作出液相负荷下限线，该线为与气相流量无关的竖直线。取，则 由以上15作出塔板负荷性能图5.4。图5.4 塔板负荷性能图由图5.4可以看出： 1）在任务规定的气液负荷下的操作点p（设计点）处在适宜操作区内的适中位置；2）塔板的气相负荷上限完全由物沫夹带控制，操作下限由漏液控制； 3）按固定的液气比，由图可查出塔板的气相负荷上限0.49（0.61） , 气相负荷下限 0.14（0.16） 。 所以：精馏段操作弹性=；提馏段操作弹性= 。浮阀精馏塔工艺设计计算结果见表5.6表5.6 浮阀精
17、馏塔工艺设计计算结果 项目 符号 单位 计算数据 备注 精馏段 提馏段 塔径 Dm0.60.6板间距 m0.450.45塔板类型 单溢流弓形降液管 分块式塔板 空塔气速 um/s1.081.13堰长 m0.390.39堰高 hw m0.0650.061板上液层高度 m0.070.07降液管底隙高 h0 m0.0050.01浮阀数 N2624等腰三角形叉排 阀孔气速 u0m/s10.4812.94浮阀动能因子 F011.4310.36临界阀孔气速 u0c m/s9.0611.43孔心距 tm0.0700.070同一横排孔心距排间距 tm0.0820.097相邻横排中心距离单板压降 Pa664.3
18、7704.18液体在降液管内停留时间 s32.1414.52降液管内清液层高度 m0.1560.1507泛点率 %50.4140.67气相负荷上限 (Vs)maxm3/s物沫夹带控制 气相负荷下限 (Vs)minm3/s漏液控制 操作弹性 6精馏塔的结构设计与强度校核6.1塔的结构设计6.1.1塔盘设计该塔直径有0.6m，可采用单溢流型分块式塔板。一共分为两块。这种型式便于安装、检修、清洗。安装时可通过人孔送入塔内，装在焊于塔体内壁的塔盘支承件上。6.1.2筒体和封头的设计（1）选材因为工况属于常压，常温且介质腐蚀性极小，是易然介质的传质设备。属于类设备，故可选用普通碳素钢Q235。（2）按设
19、计压力计算筒体和封头对于筒体：式中：P为设计压力取0.1Mpa 在120下的许用应力，查知=124.46 Mpa =1 , 故计算厚度：=考虑到钢板负偏差，取名义厚度4mm。对于封头，采用标准椭圆封头，厚度与塔体相同，均等于4mm。6.2塔的强度校核6.2.1各种载荷的计算6.2.1.1设备自身重量载荷的计算1）塔体重：2）内构件重量： N3） 保温层的重量取保温层厚0.05m,查知=2940N/m,则 4） 物料重量塔盘充液时，查知q=70kg/,且塔釜储液为0.213，料液密度为597kg/。 5） 附件重量：估计取=800N6） 充水重量： 由以上可知正常操作时： =水压试验时： =设备
20、安装时： =7861+0.214836.5+6381.9+800 =18010.2N6.2.1.2风载荷的计算（1）风载荷的计算全塔共高13.15m，分为两段计算，在第一段塔时，有 ：式中：为空气动力系数，对于圆筒形设备取0.7 为地区基本风压值，在本地区=300Pa 风压高度变化系数，查知在此=0.74 为塔的计算段高，在此=10m 为有效直径： 为风振系数，=1+，m为脉动系数，当计算段中心高度400mm，故裙座壁厚取8mm。 基础环内径： 基础环外径： 圆整：；基础环厚度，考虑到腐蚀余量取18mm；考虑到再沸器，裙座高度取2m，地角螺栓直径取M30。7.4吊柱 对于较高的室内无框架的整体
21、塔，在塔顶设置吊柱，对于补充和更换填料、安装和拆卸内件，即经济又方便的一项设施，一般取15m以上的塔物设吊柱，本设计中塔高度大，因此设吊柱。因设计塔径，可选用吊柱200kg。， ， 。材料为A3。 8塔总体高度的设计（1）塔的顶部空间高度 塔的顶部空间高度是指塔顶第一层塔盘到塔顶封头的直线距离，取除沫器到第一块板的距离为600mm，塔顶部空间高度为1200mm。 （2）塔的底部空间高度 塔的底部空间高度是指塔底最末一层塔盘到塔底下封头切线的距离，釜液停留时间取5min。（3）塔体高度 9附属设备设计9.1冷凝器的选择有机物蒸气冷凝器设计选用的总体传热系数一般范围为：本设计取： 出料液温度：78.173（饱和气）78.173（饱和液） 冷却水：进水温度，出水温度逆流操作：传热面积： 选取设备型号：G500I16409.2再沸器的选择 选用120饱和水蒸气加热，传热系数取：料液温度：99.815100，热流体温度：120120逆流操作：换热面积： 设备型号：GCH80067030
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