乙醇-水溶液连续板式精馏塔研究设计.doc

1设计内容及任务（一） 设计内容乙醇-水溶液连续板式精馏塔设计（二） 设计任务处理能力：3.6万吨/年，每年按300天计算，每天24小时连续运转。原料乙醇-水溶液：7.4%组成（乙醇的质量分数）产品要求：塔顶产品组成（质量分数）：38.2%塔底的产品组成（质量分数）：0.1%1) 塔型选择根据生产任务，若按年工作日300天，每天开动设备24小时计算，产品流量为265.3kmol/h,由于产品黏度较小，流量增大，为减少造价，降低生产过程中压降和塔板液面落差的影响，提高生产效率，选择浮阀塔。2) 操作条件（1） 操作压力：塔顶压强为常压101.3kPa（2） 单板压降： 0.7KPa（3） 进料状况：30C冷夜进料（4） 回流比：自选（5） 加热方式：间接蒸汽加热（6） 冷却水进口温度：30C一、 塔的工艺计算a1工艺过程 物料衡算工艺过程1.1物料衡算 =7.4% =38.2% F=265.3kmol/h =0.0303塔底产品流量： 1.1表1 物料衡算数据记录F265.3kmol/h0.0303D36.66kmol/h0.1948W228.64kmol/h0.00039由图(在化工原理（第三版，王志魁）页)查出组成的乙醇-水溶液泡点为95.7C，在平均温度为（95.7+30）/2=61.35下，由化工原理（第三版，王志魁）附录查得乙醇与水的有关物性为：（数值为在范围内的一个估值）乙醇的摩尔热容：乙醇的摩尔汽化潜热：水的摩尔热容：水的摩尔汽化潜热：比较水与乙醇的摩尔汽化潜热可知，系统满足衡摩尔流的假定。加料液的平均摩尔热容：加料液的平均汽化热：r=1.2最小回流比及操作回流比的确定由于产品纯度不高，故可采取塔顶进料，无回流，只有提留段操作，从而达到节约成本的目的。1.3理论及实际塔板数的确定（1）由相平衡方程式，可得根据乙醇-水体系的相平衡数据可以查得： 因此可以求得：平均相对挥发度的求取：用逐板法计算理论板数相平衡方程 包括塔釜共四块(2)根据乙醇-水体系的相平衡数据可以查得：塔顶： ，C塔釜： , C塔顶和塔釜的算术平均温度：t=91.5C由化工原理（第三版，化学工业出版社，王志魁）书中附表12查得：在91.5C下， ， 根据公式 得（1） 由奥康奈尔关联式：C 求解实际塔板数 取N=81.4塔的结构设计1.4.1塔径的计算A. 查得有关乙醇与水的安托因方程：乙醇：得: 水：得：将代入 进行试差，求塔顶、进料板、及塔釜的压力和温度：1) 塔顶：， 试差得 塔釜压力：塔釜：， 试差得求得塔内的平均压力及温度：B. 平均摩尔质量的计算： 塔顶： 塔釜： 平均摩尔质量： 表2 平均摩尔质量的计算塔顶平均摩尔质量塔釜C. 平均密度的计算：1) 汽相平均密度计算：汽相平均密度：2) 液相平均密度计算：塔顶：， 塔釜：， 得：液相平均密度：表3 液相平均密度的计算塔顶塔釜0.03119精馏段液相平均密度D. 液体平均表面张力计算液体平均表面张力按下式计算：塔顶：，由化工原理（第三版，化学工业出版社，王志魁）附录二十，塔釜：，查附录：， 液体表面平均张力：表4 液体平均表面张力计算塔顶塔釜液体表面平均张力E. 液体平均黏度计算： 液体平均黏度按下式计算：塔顶：，查由化工原理（第三版，化学工业出版社，王志魁）附录十二， 得：塔釜：，查附录：， 得：液体平均黏度：表5 液体平均黏度计算塔顶塔釜液体平均黏度F. 气液相体积流率计算： 汽相体积流率：液相体积流率：表6 气液相体积流率计算G. 塔径的确定 塔径的确定，需求=，C由下式计算：由Smith图查取。取板间距，板上液层高度，则（1） 精馏段塔径的确定：图的横坐标为查smith图，smith图得0.062=2.29m/s取安全系数为0.75，则空塔气速为：则塔径（2） 按标准塔径圆整后，(故采取整块式塔板结构)塔截面积：实际空塔气速为：1.4.2塔的有效高度的计算有效高度：塔顶间距：H1=(1.52.0)HT,取H1=20.35=0.7m塔底空间高度：H2=1.5m塔高： H=0.7+1.5+2.45=4.65m2塔板主要工艺尺寸的计算2.1溢流装置计算 因塔径D=0.5m，可选用单溢流弓形降液管A.堰长lw单溢流：lw=（0.60.8）D，取lw=0.60.5=0.3mB.溢流堰高度hw因为hl=hw+how选用平直堰，堰上液层高度how可用Francis计算， 即液体收缩系数计算图=0.001223600=4.392m3/h，得 E=1.15，则hOW=(2.84/1000)1.15（4.392/0.3）2/3=0.0170m取板上清夜层高度hL=0.05m, 故hW=0.05-0.0170=0.033m2.2降液管2.2.1 降液管高度和截面积因为，查下图（弓形降液管参数图）得：, 所以，弓形降液管参数图依下式验算液体在降液管中的停留时间： ,故降液管勉强符合设计要求。2.2.2 降液管底隙高度降液管底隙高度依下式计算：取则 ，即故降液管底隙高度设计合理。2.3塔板布置2.3.1边缘区宽度确定溢流堰前的安定区宽度：WS=0.07m 边缘区宽度：WC=0.035m2.3.2开孔区面积计算开孔区面积按下式计算：其中故2.3.3浮阀塔计算及其排列采用F1型重阀，重量为33g，孔径为39mmA. 浮法数目 浮法数目按下式计算：气体通过阀孔的速度：取动能因数F=11 则精段：，取201) 开孔率： 开孔率在10%14%之间，且实际动能因数F0在912间，满足要求。B. 排列 由于采取整块式塔板结构，故采用正三角形叉排3流体力学验算3.1气体通过浮阀塔板的压力降（单板压降） 单板压降：hp=hc+hl+h阀片全开前 阀片全开后: 取板上液层充气因数0=0.5，那么 hL=0(hw+ how)=0 hL=0.50.05=0.025m气体克服液体表面张力所造成的阻力可由下式计算：但由于气体克服液体表面张力所造成的阻力通常很小，可忽略不计。故hp=hc+hl+h=0.0329+0.025=0.0579m3.2漏液验算 气体通过阀孔时的速度： 3.3液泛验算降液管内泡沫液层高度可按下式计算：Hd=hp+hw+how+hd=hp+hL +hd（HT+hw）浮法塔的页面落差一般不大，常可忽略不计 hp =0.0579m , hL =0.05m塔板上不设进口堰时： Hd=0.0579+0.05+0.0000525=0.107953m取=0.5 ，（HT+hw）=0.5（0.35+0.033）=0.1915mHd（HT+hw）3.4雾沫夹带验算泛点百分率可取下列两式计算，取计算结果中较大的数值： , ZL=D-2Wd ， Ab=AT-2Af4操作性能负荷4.1气相负荷下限线4.2液相负荷下限线 得：4.3液泛负荷上限线 5各接管尺寸的确定5.1进料管进料体积流量;取适宜的输送速度uf=3.0m/s, 故经圆整选取热轧无缝钢管(GB8163-87)，规格：385mm实际管内流速：5.2釜残液出料管釜残液的体积流量：取适宜的输送速度：uf=3m/s, 则 经圆整选取热轧无缝钢管，规格：323mm实际管内流速：5.3塔顶上升蒸汽管塔顶上升蒸汽的体积流量：取适宜速度uV=10m/s，那么 经圆整选取拉制黄铜管，规格：2605mm实际管内流速：辅助设备的计算及选型1 冷凝器热负荷 按泡点回流设计，即饱和蒸汽冷凝且饱和回流，采用25的水作为冷却剂，逆流操作，则 Q=Wr1r1=VMVDr1 查液体的汽化潜热图，可知塔顶温度92.7下， 乙醇汽化潜热：rA=850KJ/kg 水的汽化潜热：rB=2375KJ/kgr1=rixi=8500.194846+（1-0.1948）237518=42038.98KJ/Kmol故Q=36.6642038.98/3600=428.09KJ/s又由于Q=KAtm因为 K=750J/s(m2K)所以2 再沸器热负荷 采用饱和水蒸气间接加热，逆流操作，则 Q=Wh2r2 查得塔釜温度103.57下乙醇汽化潜热rA=800KJ/kg 水的汽化潜热：rB=2250KJ/kgr2=rixi=8000.0003246+（1-0.00032）225018=40498.82KJ/Kmol故Q=（L-W）Mflr=(265.3-228.64)40498.82=1484.66KJ/s又由于Q=KAtm因为K=900J/s(m2K)所以 3 泵的选用（1） 进料泵：选用离心泵，泵入口温度为常温，取为30，特点为流量稳定，扬程较高；（2） 产品泵：单机离心泵，入口温度为常温，流量较小，扬程较低；（3） 塔底泵：单机离心泵，流量变动范围大，流量较大，泵入口温度高，一般大与100，故塔底不须冷凝器。三、 附录：参考文献1王志魁编,化工原理.北京：化学工业出版社.2005.012贾绍义，柴诚敬编.化工原理课程设计.天津：天津大学出版社.2003.123华东理工大学化工原理教研室编.化工过程开发设计.广州：华南理工大学出版社.1996.024刘道德编.化工设备的选择与设计.长沙：中南大学出版社.2003.045袁惠新编.分离过程与设备.北京：化学工业出版社.2003.03符号说明1 / 16 一一塔板开口面积,一一降液管截面积, 一一筛孔总面积, 一一塔截面积, 一一流量系数,无因此 一一计算时负荷系数, 一一筛孔直径,m一一塔径,m 一一筛孔气相动能因子 一一重力加速度,9.81一一进口堰与降液管间的水平距离,m一一与干板压降相当的液柱高度,m一一与液体流过降液管的压降相当的液柱高度,m一一塔板上鼓泡高度,m一一板上清液层高度,m一一降压管的底隙高度,m一一堰上液层高度,m一一出口堰高度,m一一与克服表面张力的压降相当的液柱高度,m一一降液管内清夜层高度,m一一湿润速度,一一液体体积流量, 一一液体体积流量, P一一操作压力,Pa一一气体通过每层筛板的压降,Pa一一理论板层数一一压力降,Par一一鼓泡区半径,mt一一筛板的中心距,mU一一空塔气速, m/s一一气体通过筛孔的速度, m/s一一漏夜点气速, m/s一一气体体积流量,一一气体体积流量,一一边缘无效区宽度,m一一弓形降压管宽度,m X一一液相摩尔分数y一一气相摩尔分数Y一一气相摩尔比Z一一板式塔的有效高度,.m