1、分離乙醇-水混合液的浮閥精餾塔設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)題目：分離乙醇-水混合液的浮閥精餾塔設(shè)計(jì) 2 原始數(shù)據(jù)及條件 生產(chǎn)能力：年處理乙醇-水混合液14.0萬(wàn)噸（開(kāi)工率300天/年） 原料：乙醇含量為20%（質(zhì)量百分比，下同）的常溫液體 分離要求：塔頂乙醇含量不低于95%塔底乙醇含量不高于0.2%建廠地址： 3.4.2 塔板的工藝設(shè)計(jì) 1 精餾塔全塔物料衡算 F：原料液流量（kmol/s） xF：原料組成（摩爾分?jǐn)?shù)，下同） D：塔頂產(chǎn)品流量（kmol/s） xD：塔頂組成W：塔底殘液流量（kmol/s） xW：塔底組成 原料乙醇組成：塔頂組成：塔底組成：進(jìn)料量：物料衡算式：F = D + WF xF= D

2、xD+ W xW聯(lián)立代入求解：D = 0.0264 kmol/s， W = 0.2371 kmol/s2 常壓下乙醇-水氣液平衡組成（摩爾）與溫度關(guān)系 在示例中對(duì)表格、圖和公式未編號(hào)，在設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)中要求嚴(yán)格編號(hào)。 表3-11 乙醇-水氣液平衡組成（摩爾）與溫度關(guān)系 溫度/ 液相 氣相 溫度/液相 氣相 溫度/液相 氣相 1000082.723.3754.4579.357.3268.4195.51.9017.0082.326.0855.8078.7467.6373.8589.07.2138.9181.532.7359.2678.4174.7278.1586.79.6643.7580.739.65

3、61.2278.1589.4389.4385.312.3847.0479.850.7965.6484.116.6150.8979.751.9865.99（1）溫度 利用表中數(shù)據(jù)由拉格朗日插值可求得tF、tD、tWtF ： tF = 87.41tD ： tD = 78.17tW ： tW = 99.82精餾段平均溫度：提餾段平均溫度：（2） 密度 已知：混合液密度：混合氣密度：精餾段： 液相組成x1： x1 = 22.94%氣相組成y1： y1 = 54.22%所以 提餾段 液相組成x2： x2 = 3.44%氣相組成y2： y2 = 23.37%所以 表3-12 不同溫度下乙醇和水的密度 溫度

4、/ 乙 水 溫度/乙 水 80735971.895720961.8585730968.6100716958.490724965.3求得在與下的乙醇和水的密度 ， ， ， 同理：， ， 在精餾段：液相密度： 氣相密度：在提餾段：液相密度： 氣相密度：（3） 混合液體表面張力 二元有機(jī)物-水溶液表面張力可用下列各式計(jì)算 公式： 注： ， ， ， ， ， ， 式中下角標(biāo)，w,o,s分別代表水、有機(jī)物及表面部分，xw、xo指主體部分的分子數(shù)，Vw、Vo主體部分的分子體積，w、o為純水、有機(jī)物的表面張力，對(duì)乙醇q = 2。 精餾段表3-13 不同溫度下的表面張力 溫度/ 708090100乙醇表面張力/

5、10-2N/m21817.1516.215.2水表面張力/10-2N/m264.362.660.758.8乙醇表面張力： 水表面張力： 因?yàn)椋月?lián)立方程組 ， 代入求得：， ，1. 提餾段 ， 乙醇表面張力： 解得： 水表面張力： 解得： 因?yàn)椋月?lián)立方程組 ， 代入求得：， （4） 混合物的粘度 ，查表得：，查表得： ，精餾段粘度：提餾段粘度：（5） 相對(duì)揮發(fā)度 精餾段揮發(fā)度：由，得，所以 提餾段揮發(fā)度：由，得，（6） 氣液相體積流量計(jì)算 根據(jù)x-y圖得： 取精餾段：已知：，則有質(zhì)量流量：體積流量：提餾段：因本設(shè)計(jì)為飽和液體進(jìn)料，所以已知：，則有質(zhì)量流量：體積流量：3 理論塔板的計(jì)算 理

6、論板：指離開(kāi)這種板的氣液兩相互成平衡，而且塔板上液相組成均勻。 理論板的計(jì)算方法：可采用逐板計(jì)算法，圖解法，在本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中采用圖解法。 根據(jù)1.01325105Pa下，乙醇水的氣液平衡組成關(guān)系可繪出平衡曲線(xiàn)，即x-y曲線(xiàn)圖，泡點(diǎn)進(jìn)料，所以q = 1，即q為一直線(xiàn)，本平衡具有下凹部分，操作線(xiàn)尚未落到平衡線(xiàn)前，已與平衡線(xiàn)相切，如圖（圖略）：xq = 0.0891， yq = 0.3025，所以，操作回流比已知：精餾段操作線(xiàn)方程：提餾段操作線(xiàn)方程：在圖上作操作線(xiàn)，由點(diǎn)（0.8814, 0.8814）起在平衡線(xiàn)與操作線(xiàn)間畫(huà)階梯，過(guò)精餾段操作線(xiàn)與q線(xiàn)交點(diǎn)，直到階梯與平衡線(xiàn)交點(diǎn)小于0.00078為止，由

7、此得到理論板NT = 26塊（包括再沸器）加料板為第24塊理論板。 板效率與塔板結(jié)構(gòu)、操作條件、物質(zhì)的物理性質(zhì)及流體力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，它反映了實(shí)際塔板上傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行的程度。板效率可用奧康奈爾公式計(jì)算。 注： 塔頂與塔底平均溫度下的相對(duì)揮發(fā)度 L 塔頂與塔底平均溫度下的液相粘度mPas（1）精餾段 已知：，所以：，故塊 （2）提餾段 已知：，所以：，故 塊 全塔所需實(shí)際塔板數(shù)：全塔效率：加料板位置在第53塊塔板。 4 塔徑的初步設(shè)計(jì) (1) 精餾段 由，式中C可由史密斯關(guān)聯(lián)圖查出： 橫坐標(biāo)數(shù)值：取板間距：，則查圖可知，橫截面積：，空塔氣速：(2) 提餾段 橫坐標(biāo)數(shù)值：取板間距：，則查圖可知，圓整：，

8、橫截面積：， 空塔氣速：5 溢流裝置 (1) 堰長(zhǎng)取出口堰高：本設(shè)計(jì)采用平直堰，堰上液高度按下式計(jì)算 近似取精餾段 提餾段 （2） 弓形降液管的寬度和橫截面 查圖得： 驗(yàn)算降液管內(nèi)停留時(shí)間： 精餾段：提餾段：停留時(shí)間。故降液管可使用。 (3) 降液管底隙高度 精餾段 取降液管底隙的流速，則提餾段 取，取因?yàn)椴恍∮?0mm，故滿(mǎn)足要求。 6 塔板布置及浮閥數(shù)目與排列 （1）塔板分布 本設(shè)計(jì)塔徑，采用分塊式塔板，以便通過(guò)人孔裝拆塔板。 （2）浮閥數(shù)目與排列 精餾段 取閥孔動(dòng)能因子，則孔速 每層塔板上浮閥數(shù)目為： 取邊緣區(qū)寬度，破沫區(qū)寬度計(jì)算塔板上的鼓泡區(qū)面積，即：其中 所以浮閥排列方式采用等腰三角

9、形叉排，取同一個(gè)橫排的孔心距則排間距：考慮到塔的直徑較大，必須采用分塊式塔板，而各分塊的支撐與銜接也要占去一部分鼓泡區(qū)面積，因此排間距不宜采用81mm，而應(yīng)小些，故取，按，以等腰三角形叉排方式作圖，排得閥數(shù)288個(gè)。 按重新核算孔速及閥孔動(dòng)能因數(shù) 閥孔動(dòng)能因數(shù)變化不大，仍在913范圍內(nèi) 塔板開(kāi)孔率提餾段 取閥孔動(dòng)能因子，則每層塔板上浮閥數(shù)目為：按，估算排間距， 取，排得閥數(shù)為244塊 按塊重新核算孔速及閥孔動(dòng)能因數(shù) 閥孔動(dòng)能因數(shù)變化不大，仍在913范圍內(nèi) 塔板開(kāi)孔率浮閥數(shù)排列方式如圖所示（圖略） 3.4.3 塔板的流體力學(xué)計(jì)算 1 氣相通過(guò)浮閥塔板的壓降 可根據(jù)計(jì)算 (1)精餾段 干板阻力：因

10、，故：板上充氣液層阻力 取液體表面張力所造成的阻力 此阻力很小，可忽略不計(jì)，因此與氣體流經(jīng)塔板的壓降相當(dāng)?shù)母叨葹?(2) 提餾段 干板阻力：因，故：板上充氣液層阻力 取液體表面張力所造成的阻力 此阻力很小，可忽略不計(jì)，因此與單板的壓降相當(dāng)?shù)囊褐叨葹?2 淹塔 為了防止發(fā)生淹塔現(xiàn)象，要求控制降液管中清液高度（1）精餾段 單層氣體通過(guò)塔板壓降所相當(dāng)?shù)囊褐叨纫后w通過(guò)液體降液管的壓頭損失 板上液層高度 取，已選定則可見(jiàn)所以符合防止淹塔的要求。 （2）提餾段 單板壓降所相當(dāng)?shù)囊褐叨纫后w通過(guò)液體降液管的壓頭損失 板上液層高度 取，則可見(jiàn)所以符合防止淹塔的要求。 3 物沫夾帶 （1）精餾段 板上液體流

11、經(jīng)長(zhǎng)度：板上液流面積：查物性系數(shù)，泛點(diǎn)負(fù)荷系數(shù)圖對(duì)于大塔，為了避免過(guò)量物沫夾帶，應(yīng)控制泛點(diǎn)率不超過(guò)80%，由以上計(jì)算可知，物沫夾帶能夠滿(mǎn)足的要求。 （2）提餾段 取物性系數(shù)，泛點(diǎn)負(fù)荷系數(shù)圖由計(jì)算可知，符合要求。 4 塔板負(fù)荷性能圖 （1）物沫夾帶線(xiàn) 據(jù)此可作出負(fù)荷性能圖中的物沫夾帶線(xiàn)，按泛點(diǎn)率80%計(jì)算： 精餾段 整理得：由上式知物沫夾帶線(xiàn)為直線(xiàn)，則在操作范圍內(nèi)任取兩個(gè)值算出提餾段 整理得：表3-14精餾段 Ls (m3/s)0.0020.01Vs (m3/s)4.794.39提餾段 Ls (m3/s)0.0020.01Vs (m3/s)5.835.33（2） 液泛線(xiàn) 由此確定液泛線(xiàn)，忽略式中

12、而精餾段 整理得：提餾段 整理得：在操作范圍內(nèi)任取若干個(gè)值，算出相應(yīng)得值： 表3-15精餾段 Ls1 (m3/s)0.0010.0030.0040.007Vs1 (m3/s)7.156.866.936.23提餾段 Ls2 (m3/s)0.0010.0030.0040.007Vs2 (m3/s)8.077.837.727.42（3）液相負(fù)荷上限 液體的最大流量應(yīng)保證降液管中停留時(shí)間不低于35s液體降液管內(nèi)停留時(shí)間以作為液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間的下限，則 （4）漏液線(xiàn) 對(duì)于F1型重閥，依作為規(guī)定氣體最小負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)，則精餾段 提餾段 （5）液相負(fù)荷下限 取堰上液層高度作為液相負(fù)荷下限條件作出液相負(fù)荷下

13、限線(xiàn)，該線(xiàn)為與氣相流量無(wú)關(guān)的豎直線(xiàn)。 取，則由以上15作出塔板負(fù)荷性能圖（圖略） 由塔板負(fù)荷性能圖可以看出： 在任務(wù)規(guī)定的氣液負(fù)荷下的操作點(diǎn)p（設(shè)計(jì)點(diǎn)）處在適宜操作區(qū)內(nèi)的適中位置； 塔板的氣相負(fù)荷上限完全由物沫夾帶控制，操作下限由漏液控制； 按固定的液氣比，由圖可查出塔板的氣相負(fù)荷上限，氣相負(fù)荷下限。 所以：；表3-16 浮閥塔工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果 項(xiàng)目 符號(hào) 單位 計(jì)算數(shù)據(jù) 備注 精餾段 提餾段 塔徑 Dm1.81.8板間距 HTm0.450.45塔板類(lèi)型 單溢流弓形降液管 分塊式塔板 空塔氣速 um/s1.541.58堰長(zhǎng) lwm1.171.17堰高 hw m0.05730.0470板上液層高

14、度 m0.070.07降液管底隙高 h0 m0.020.05浮閥數(shù) N288244等腰三角形叉排 閥孔氣速 u0m/s11.2411.34同一橫排孔心距 浮閥動(dòng)能因子 F012.1112.47相鄰橫排中心距離 臨界閥孔氣速 u0c m/s9.7811.72孔心距 tm0.0750.075排間距 tm0.0650.08單板壓降 pPPa683.91703.77液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間 s30.1611.30降液管內(nèi)清液層高度 Hdm0.150.1525泛點(diǎn)率 %66.3060.44氣相負(fù)荷上限 (Vs)maxm3/s4.901.67物沫夾帶控制 氣相負(fù)荷下限 (Vs)minm3/s4.801.71

15、漏液控制 操作彈性 2.932.813.4.4 塔附件設(shè)計(jì) 1 接管 (1) 進(jìn)料管 進(jìn)料管的結(jié)構(gòu)類(lèi)型很多，有直管進(jìn)料管、彎管進(jìn)料管、T型進(jìn)料管。本設(shè)計(jì)采用直管進(jìn)料管。管徑計(jì)算如下： 取查標(biāo)準(zhǔn)系列選取(2) 回流管 采用直管回流管，取查表取(3) 塔釜出料管 取，直管出料，查表取(4) 塔頂蒸氣出料管 直管出氣，取出口氣速查表取(5) 塔釜進(jìn)氣管 采用直管，取氣速查表取(6) 法蘭 由于常壓操作，所有法蘭均采用標(biāo)準(zhǔn)管法蘭，平焊法蘭，由不同的公稱(chēng)直徑，選用相應(yīng)法蘭。 進(jìn)料管接管法蘭：Pg6Dg70HG5010-58回流管接管法蘭：Pg6Dg50HG5010-58塔釜出料管法蘭：Pg6Dg80HG

16、5010-58塔頂蒸氣管法蘭：Pg6Dg500HG5010-58塔釜蒸氣進(jìn)氣法蘭：Pg6Dg500HG5010-582 筒體與封頭 （1）筒體 壁厚選6mm，所用材質(zhì)為A3（2）封頭 封頭分為橢圓形封頭、碟形封頭等幾種，本設(shè)計(jì)采用橢圓形封頭，由公稱(chēng)直徑，查得曲面高度，直邊高度，內(nèi)表面積，容積。選用封頭Dg18006,JB1154-733 除沫器 當(dāng)空塔氣速較大，塔頂帶液現(xiàn)象嚴(yán)重，以及工藝過(guò)程中不許出塔氣速夾帶霧滴的情況下，設(shè)置除沫器，以減少液體夾帶損失，確保氣體純度，保證后續(xù)設(shè)備的正常操作。常用除沫器有折流板式除沫器、絲網(wǎng)除沫器以及程流除沫器。本設(shè)計(jì)采用絲網(wǎng)除沫器，其具有比表面積大、重量輕、空

17、隙大及使用方便等優(yōu)點(diǎn)。 設(shè)計(jì)氣速選取： 除沫器直徑：選取不銹鋼除沫器：類(lèi)型：標(biāo)準(zhǔn)型，規(guī)格：40-100，材料：不銹鋼絲（1Gr18Ni9）, 絲網(wǎng)尺寸：圓絲4 裙座 塔底采用裙座支撐，裙座的結(jié)構(gòu)性能好，連接處產(chǎn)生的局部阻力小，所以它是塔設(shè)備的主要支座形式，為了制作方便，一般采用圓筒形。由于裙座內(nèi)徑800mm，故裙座壁厚取16mm。 基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)徑：基礎(chǔ)環(huán)外徑：圓整：，；基礎(chǔ)環(huán)厚度，考慮到腐蝕余量取18mm；考慮到再沸器，裙座高度取3m，地角螺栓直徑取m305 吊柱 對(duì)于較高的室內(nèi)無(wú)框架的整體塔，在塔頂設(shè)置吊柱，對(duì)于補(bǔ)充和更換填料、安裝和拆卸內(nèi)件，即經(jīng)濟(jì)又方便的一項(xiàng)設(shè)施，一般取15m以上的塔物設(shè)吊柱

18、，本設(shè)計(jì)中塔高度大，因此設(shè)吊柱。因設(shè)計(jì)塔徑，可選用吊柱500kg。，。材料為A3。 6 人孔 人孔是安裝或檢修人員進(jìn)出塔的唯一通道，人孔的設(shè)置應(yīng)便于進(jìn)入任何一層塔板，由于設(shè)置人孔處塔間距離大，且人孔設(shè)備過(guò)多會(huì)使制造時(shí)塔體的彎曲度難于達(dá)到要求，一般每隔1020塊塔板才設(shè)一個(gè)人孔，本塔中共58塊板，需設(shè)置5個(gè)人孔，每個(gè)孔直徑為450mm，在設(shè)置人孔處，板間距為600mm，裙座上應(yīng)開(kāi)2個(gè)人孔，直徑為450mm，人孔伸入塔內(nèi)部應(yīng)與塔內(nèi)壁修平，其邊緣需倒棱和磨圓，人孔法蘭的密封面形及墊片用材，一般與塔的接管法蘭相同，本設(shè)計(jì)也是如此。 3.4.5 塔總體高度的設(shè)計(jì) 1 塔的頂部空間高度 塔的頂部空間高度是

19、指塔頂?shù)谝粚铀P(pán)到塔頂封頭的直線(xiàn)距離，取除沫器到第一塊板的距離為600mm，塔頂部空間高度為1200mm。 2 塔的底部空間高度 塔的底部空間高度是指塔底最末一層塔盤(pán)到塔底下封頭切線(xiàn)的距離，釜液停留時(shí)間取5min。 3 塔體高度 3.4.6 附屬設(shè)備設(shè)計(jì) 1 冷凝器的選擇 有機(jī)物蒸氣冷凝器設(shè)計(jì)選用的總體傳熱系數(shù)一般范圍為本設(shè)計(jì)取出料液溫度：78.173（飽和氣）78.173（飽和液） 冷卻水溫度：2035逆流操作：傳熱面積：設(shè)備型號(hào)：G500I16402 再沸器的選擇 選用120飽和水蒸氣加熱，傳熱系數(shù)取料液溫度：99.815100，熱流體溫度：120120逆流操作：換熱面積：設(shè)備型號(hào)：GCH800670表3-17 不同設(shè)計(jì)條件下設(shè)計(jì)結(jié)果比較 F（