乙醇-水筛板精馏塔设计

.-乙醇-水连续筛板式精馏塔设计.-目录一、概述..........................................................................................................................................31.1设计依据............................................................................................................................31.2技术来源............................................................................................................................31.3设计任务及要求................................................................................................................3二、计算过程..................................................................................................................................41.塔型选择..............................................................................................................................42.操作条件的确定..................................................................................................................42.1操作压力....................................................................................................................42.2进料状态....................................................................................................................42.3加热方式....................................................................................错误!未定义书签。2.4热能利用....................................................................................................................53.有关的工艺计算..................................................................................................................53.1最小回流比及操作回流比的确定............................................................................63.2塔顶产品产量、釜残液量及加热蒸汽量的计算....................................................63.3全凝器冷凝介质的消耗量........................................................................................63.4热能利用....................................................................................................................73.5理论塔板层数的确定................................................................................................73.6全塔效率的估算........................................................................................................83.7实际塔板数N.........................................................................................................9P4.精馏塔主题尺寸的计算......................................................................................................94.1精馏段与提馏段的体积流量....................................................................................94.2塔径的计算..............................................................................................................114.3塔高的计算..............................................................................................................135.塔板结构尺寸的确定........................................................................................................135.1塔板尺寸..................................................................................................................135.2弓形降液管..............................................................................................................145.3浮阀数目及排列......................................................................................................156.流体力学验算....................................................................................................................166.1气体通过浮阀塔板的压力降(单板压降)h..........................................................16p6.2漏液验算..................................................................................................................176.3液泛验算..................................................................................................................176.4雾沫夹带验算..........................................................................................................187.操作性能负荷图................................................................................................................187.1雾沫夹带上限线......................................................................................................187.2液泛线......................................................................................................................187.3液体负荷上限线......................................................................................................197.4漏液线......................................................................................................................197.5液相负荷下限线......................................................................................................197.6操作性能负荷图......................................................................................................19.-一、概述乙醇~水是工业上最常见的溶剂，也是非常重要的化工原料之一，是无色、感谢阅读无毒、无致癌性、污染性和腐蚀性小的液体混合物。因其良好的理化性能，而被感谢阅读广泛地应用于化工、日化、医药等行业。近些年来，由于燃料价格的上涨，乙醇精品文档放心下载燃料越来越有取代传统燃料的趋势，且已在郑州、济南等地的公交、出租车行业精品文档放心下载内被采用。山东业已推出了推广燃料乙醇的法规。长期以来，乙醇多以蒸馏法生产，但是由于乙醇~水体系有共沸现象，普通谢谢阅读的精馏对于得到高纯度的乙醇来说产量不好。但是由于常用的多为其水溶液，因感谢阅读此，研究和改进乙醇`水体系的精馏设备是非常重要的。塔设备是最常采用的精馏装置，无论是填料塔还是板式塔都在化工生产过程感谢阅读中得到了广泛的应用，在此我们作板式塔的设计以熟悉单元操作设备的设计流程谢谢阅读和应注意的事项是非常必要的。1.1设计依据本设计依据于教科书的设计实例，对所提出的题目进行分析并做出理论计算。感谢阅读1.2技术来源目前，精馏塔的设计方法以严格计算为主，也有一些简化的模型，但是严格谢谢阅读计算法对于连续精馏塔是最常采用的，我们此次所做的计算也采用严格计算法。精品文档放心下载1.3设计任务及要求原料：丁烯-丙烯板式精馏塔设计设计条件：塔板类型：筛板或浮阀塔；饱和液体进料，进料丁烯含量xF=38%（摩尔分数）；感谢阅读塔顶丁烯含量xD=97%，釜液丁烯含量xW≤6% 总板效率0.6；精品文档放心下载处理量88kmol/h；回流比R/Rmin=1.1；塔顶操作压力1.65MPa(表压)。.-表1丁烯-丙烯t-x-y数据t/℃xyt/℃xy95.021660059.507160.550.7415791.271350.050.0963456.914940.60.7808687.614270.10.1862954.418830.650.816984.05720.150.2699252.014690.70.8499880.605390.20.3473849.698410.750.8803777.262220.250.418947.465510.80.9083274.029670.30.4847845.311680.850.9340570.90820.350.5453543.232410.90.9577967.897220.40.6009541.223440.950.9797164.995070.450.6519539.280281162.199360.50.69871二、计算过程塔型选择根据生产任务，产品流量为88kmol/h，由于产品粘度较小，流量较大，为减谢谢阅读少造价，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，选用浮阀感谢阅读塔。操作条件的确定2.1操作压力由于乙醇~水体系对温度的依赖性不强，常压下为液态，为降低塔的操作费谢谢阅读用，操作压力选为常压其中塔顶压力为1.65MPa2.2进料状态虽然进料方式有多种，但是饱和液体进料时进料温度不受季节、气温变化和感谢阅读前段工序波动的影响，塔的操作比较容易控制；此外，饱和液体进料时精馏段和谢谢阅读提馏段的塔径相同，无论是设计计算还是实际加工制造这样的精馏塔都比较容易，感谢阅读为此，本次设计中采取饱和液体进料。.-2.4热能利用精馏过程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。因此热效率较低，通常进感谢阅读入再沸器的能量只有5%左右可以被有效利用。虽然塔顶蒸汽冷凝可以放出大量谢谢阅读热量，但是由于其位能较低，不可能直接用作为塔底的热源。为此，我们拟采用精品文档放心下载塔釜残液对原料液进行加热。有关的工艺计算丁烯的的摩尔质量：M=28kg/kmol丙烯的的摩尔质量：M=42kg/kmol0.38F0.97Dx0.06w料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量：Mx

M

1x

M

=0.3828(10.38)42=36.68kg/kmol谢谢阅读F

F

A

F

BMx

M

1x

M

=0.9728(10.97)42=28.42kg/kmol谢谢阅读D

D

A

D

BM x

M

1x

M

=0.0628(10.06)42=41.16kg/kmol谢谢阅读W W

A

W

B25℃下，原料液中

998.7Kg/m3,

785Kg/m3H2O

CH2CH2OH由此可查得原料液，塔顶和塔底混合物的沸点，以上计算结果见表2。感谢阅读表2原料液、馏出液与釜残液的流量与温度名称原料液馏出液釜残液x/%35930.5fx(摩尔分数)0.17400.77900.0002f摩尔质量kg/kmol22.339.8118.1沸点温度t/℃83.8378.6299.38.-3.1最小回流比及操作回流比的确定由于是泡点进料，xx0.174，过点e(0.174,0.174)做直线x0.174交平qf衡线于点d，由点d可读得y0.516，因此：qRxy0.7790.5160.769dqmin(1)yx0.5160.174q过点a(0.779,0.779)作平衡线的切线，切点为g，读得其坐标为x'0.55,y'0.678，因此：精品文档放心下载q qxDyq'0.7790.6780.789min(2)y'x'0.6780.55精品文档放心下载q q所以，R R 0.789min min(2)可取操作回流比R1(R/R 1.27)谢谢阅读min3.2塔顶产品产量、釜残液量及加热蒸汽量的计算以年工作日为330天，每天开工24小时计，进料量为：感谢阅读6500103F3302422.3368kmol/h谢谢阅读由全塔的物料衡算方程可写出：VFDW y0(蒸汽) D65.85kmol/h精品文档放心下载0 0VyFxDxWx W364.85kmol/h精品文档放心下载0 0 f D WWL'LqFRDqF q1(泡点) V131.7kmol/h谢谢阅读03.3全凝器冷凝介质的消耗量塔顶全凝器的热负荷：Q(R1)D(I I )精品文档放心下载C VD LD可以查得I 1266kJ/kg,I 253.9kJ/kg，所以感谢阅读VD LD.-(11)65.8539.81(1266253.9)5.306106kJ/h感谢阅读C取水为冷凝介质，其进出冷凝器的温度分别为25℃和35℃则谢谢阅读平均温度下的比热c4.174kJ/kgC，于是冷凝水用量可求pcWQ5.306106C127120kg/hCc(tt)4.174(3525)pc213.4热能利用以釜残液对预热原料液，则将原料加热至泡点所需的热量 Q可记为：感谢阅读fQWc(t t )f f pf f2 f1其中t 83.832554.4oCfm 2在进出预热器的平均温度以及t 54.5oC的情况下可以查得比热谢谢阅读fm4.275kJ/kg.oC，所以，Rf650001034.07(83.8325)1.965106kJ/h精品文档放心下载33024f釜残液放出的热量QWc (t t )w w pw w1 w2若将釜残液温度降至t 40oCw那么平均温度t 99.384069.69oC精品文档放心下载wm 2其比热为c 4.08kJ/kgoC，因此，感谢阅读pw364.854.191(99.3855)1.228106kJ/h精品文档放心下载w可知，QQ，于是理论上可以用釜残液加热原料液至泡点精品文档放心下载w f3.5理论塔板层数的确定精馏段操作线方程：yRxxD0.5x0.39n1R1nR1n.-提馏段操作线方程：y WxWx2.77x0.0054谢谢阅读n1 V m V w m0 0q线方程：x0.174在y~x相图中分别画出上述直线，利用图解法可以求出谢谢阅读18块(含塔釜)T其中，精馏段13块，提馏段5块。3.6全塔效率的估算用奥康奈尔法(O'conenell)对全塔效率进行估算：感谢阅读x可得y(x1)由相平衡方程式y1(1)xx(y1)根据乙醇~水体系的相平衡数据可以查得：yx0.779x0.741(塔顶第一块板)1D1y0.516x0.174(加料板)ffx0.002y0.026(塔釜)ww因此可以求得：1.232,5.06,13.321fw全塔的相对平均挥发度：331.2325.0613.324.36m1fw全塔的平均温度：tttt78.6283.8399.3887.30CDfWm33在温度t下查得0.327mPas,0.38mPasmH2OCH3CH2OH因为xLiLi所以，0.1740.38(10.174)0.3270.336mPasLf.-全塔液体的平均粘度：()/3(0.3270.380.327)/30.344mPasLmLfLDLW全塔效率E0.49()0.4910.245(4.360.344)0.245TL3.7实际塔板数NPNN/E18/0.4540块(含塔釜)感谢阅读P T T其中，精馏段的塔板数为：13/0.4529块感谢阅读精馏塔主题尺寸的计算4.1精馏段与提馏段的体积流量4.1.1精馏段整理精馏段的已知数据列于表3(见下页)，由表中数据可知：感谢阅读液相平均摩尔质量：MMM22.338.730kg/kmolf122液相平均温度：ttftD83.8378.6281.2Cm22表3精馏段的已知数据位置进料板塔顶(第一块板)x'0.35y'x'0.9质量分数f1Dy'0.732x'0.885f1x0.174yx0.779摩尔分数f1Dy0.516x0.41f1摩尔质量/kg/kmolM22.3M38.7Lf Lf.-MVf32.45MVl39.81温度/℃83.8378.62在平均温度下查得 971.1kg/m3, 735kg/m3精品文档放心下载H2O CH3CH2OH液相平均密度为：1x'1x'LmLmLmCH3CH2OHH2O其中，平均质量分数x'0.350.8850.603Lm2所以， 814kg/m3Lm精馏段的液相负荷LRD65.85kmol/h感谢阅读LM65.85302.43m3/h814n感谢阅读Lm同理可计算出精馏段的汽相负荷。精馏段的负荷列于表4。表4精馏段的汽液相负荷名称汽相液相平均摩尔质量/kg/kmol3036.13平均密度/kg/m38141.251体积流量/m3/h2.43(0.000625m3/s)3804(1.056m3/s)4.1.2提馏段整理提馏段的已知数据列于表5，采用与精馏段相同的计算方法可以得到提谢谢阅读.-馏段的负荷，结果列于表6。表5提馏段的已知数据位置 塔釜 进料板质量分数摩尔分数摩尔质量/kg/kmol温度/℃名称平均摩尔质量/kg/kmol平均密度/kg/m3体积流量/m3/h4.2塔径的计算

x'0.005x'0.35Wfy'0.065y'0.732Wfx0.002x0.174Wfy0.026y0.516WfM18.1M22.3LWLfM18.7M32.45LVVf99.3883.83表6提馏段的汽液相负荷液相 汽相20.2 25.6911 0.8168.09(0.00225m3/s) 4132(1.15m3/s)感谢阅读由于精馏段和提馏段的上升蒸汽量相差不大，为便于制造，我们取两段的塔径相等。有以上的计算结果可以知道：精品文档放心下载汽塔的平均蒸汽流量：V(VV)1.0561.15/sSJST1.103m3S22汽塔的平均液相流量：L(L)0.0006750.002250.00146m3/sSJSTS22.-汽塔的汽相平均密度：1.2510.816VJVT1.0335kg/m3V22汽塔的液相平均密度：LJLT814911863kg/m3感谢阅读22L塔径可以由下面的公式给出：D 4VSu由于适宜的空塔气速u

(0.6~0.8)u

，因此，需先计算出最大允许气速u

。max

maxuCLVmaxV取塔板间距H0.4m，板上液层高度h60mm0.06m，那么分离空间：T1h0.40.060.34m1L0.00146863功能参数：(S)L1.1030.0382V1.0335SV从史密斯关联图查得：C0.073，由于CC()0.2，需先求平均表面张202020力：全塔平均温度TTT76.283.8399.38DFW86.5C，在此温度下，乙330.7410.1740.002醇的平均摩尔分数为 0.307，所以，液体的临界温度：精品文档放心下载T

xT

0.307(273243)(10.307)(273342.2)感谢阅读

609Kc

iic设计要求条件下乙醇~水溶液的表面张力 26dyn/m2精品文档放心下载1平均塔温下乙醇~水溶液的表面张力可以由下面的式子计算：精品文档放心下载(TT，[609(27386.5)]1.22619.95dyn/cm2mc2)1.2TT2609(27325)1mc1所以：C0.073(1920.9)0.20.073精品文档放心下载.-uC0.0738631.0335LV2.11m/smax1.0335V0.72.111.476m/sD41.1030.951m1.476根据塔径系列尺寸圆整为D1000mm此时，精馏段的上升蒸汽速度为：uJ4V41.0561.345m/sSJ提馏段的上升蒸汽速度为：u4V1.464m/sSTTD24.3塔高的计算塔的高度可以由下式计算：ZH(N2S)HSHHH感谢阅读P T T F W已知实际塔板数为N40块，板间距H0.4m由于料液较清洁，无需经常谢谢阅读T清洗，可取每隔8块板设一个人孔，则人孔的数目S为：谢谢阅读40个S814取人孔两板之间的间距H0.6m，则塔顶空间H1.2m，塔底空间TD2.5m，进料板空间高度H0.5m，那么，全塔高度：精品文档放心下载W F1.2(4024)0.440.60.52.520.2m感谢阅读塔板结构尺寸的确定5.1塔板尺寸由于塔径大于800mm，所以采用单溢流型分块式塔板。谢谢阅读取无效边缘区宽度W40mm，破沫区宽度W70mm，感谢阅读C S.-查得l 705mmW弓形溢流管宽度W146mmd弓形降液管面积A0.0706m2f/A0.0706/0.78540.09谢谢阅读f TRD/2W0.50.040.46m感谢阅读CxD/2WW0.50.1460.070.284m精品文档放心下载d S验算：液体在精馏段降液管内的停留时间AfHT0.07060.441.8s5s感谢阅读L0.000675JSJ液体在精馏段降液管内的停留时间TAH0.07060.412.6s5sfTST5.2弓形降液管5.2.1堰高采用平直堰，堰高hhhw 1 ow取h60mm,h 10mm，则h601050mm感谢阅读1 ow w5.2.2降液管底隙高度h0若取精馏段取h15mm，提馏段取为25mm，那么液体通过降液管底隙时的精品文档放心下载0流速为精馏段：u0lL0.0006750.0643m/s'SJ0.-提馏段：u0L0.002250.129m/s'ST0u'的一般经验数值为0.07~0.25m/s精品文档放心下载05.2.3进口堰高和受液盘本设计不设置进口堰高和受液盘5.3浮阀数目及排列采用F1型重阀，重量为33g，孔径为39mm。精品文档放心下载5.3.1浮阀数目4V浮阀数目NS2u00气体通过阀孔时的速度uF0v取动能因数F11，那么u01110.82m/s，因此1.03551.1034N0.039210.8286个感谢阅读5.3.2排列由于采用分块式塔板，故采用等腰三角形叉排。若同一横排的阀孔中心距精品文档放心下载t75mm，那么相邻两排间的阀孔中心距t'为：谢谢阅读计t计A'at.-A2[xR2x2R2sin1x]a180R2[0.2840.4620.28420.462sin10.284]1800.46=0.487m2t'0.48775.5mm计860.075t'80mm时画出的阀孔数目只有60个，不能满足要求，取t'65mm画谢谢阅读出阀孔的排布图如图1所示，其中t75mm,t'65mm精品文档放心下载图中，通道板上可排阀孔41个，弓形板可排阀孔24个，所以总阀孔数目为谢谢阅读4124289个5.3.3校核气体通过阀孔时的实际速度：u4V10.38m/sS0d2N0实际动能因数：F010.381.033510.55(在9~12之间)精品文档放心下载开孔率：阀孔面积100%d2N100%(0.039)28913.5%0T开孔率在10%~14之间，满足要求。流体力学验算6.1气体通过浮阀塔板的压力降(单板压降)hp谢谢阅读气体通过浮阀塔板的压力降(单板压降)h hhh谢谢阅读p c 1 6.1.1干板阻力hc浮阀由部分全开转为全部全开时的临界速度为u：oc1.82573.1/1.82573.1/1.033510.32m/s感谢阅读oc V.-因为u u10.38m/soc o所以h5.34u25.341.033510.382V00.0367mc2g28639.81L6.1.2板上充气液层阻力h1取板上液层充气程度因数0.5，那么：hh0.50.060.03m精品文档放心下载1 L6.1.3由表面张力引起的阻力h由表面张力导致的阻力一般来说都比较小，所以一般情况下可以忽略，所以：精品文档放心下载hp0.03670.030.667m0.6678639.81564.7Pa感谢阅读6.2漏液验算动能因数F5，相应的气相最小负荷V 为：0 SminVd2NuSmin400min其中u F 5/ 1.03354.92m/s谢谢阅读0min V所以V 0.0392894.920.523m3/s1.103m3/s感谢阅读Smin 4 0可见不会产生过量漏液。6.3液泛验算溢流管内的清液层高度Hhhhh谢谢阅读d p d L 其中，h0.0667m,h0.06m谢谢阅读p L所以，H0.6670.060.0030.1297m感谢阅读d为防止液泛，通常H(Hh)，取校正系数0.5，则有：感谢阅读d T w.-(Hh)0.5(0.40.05)0.225m精品文档放心下载T w可见，H(Hh)，即不会产生液泛。精品文档放心下载d T w6.4雾沫夹带验算V1.36LZVSSL泛点率=LVKCAF b查得物性系数K1.0，泛点负荷系数C0.097谢谢阅读FD2W120.1460.708m精品文档放心下载L dAA2A0.785420.07060.6442m2谢谢阅读b T f所以，1.0335