1、设计题目:年产8000吨乙醇板式精馏塔工艺设计
2、已知条件:
A.进料 F=6kmol/h q=0 Xf=0.45 B.压力: p顶=4KPa 单板压降≤0.7KPa C.采用电加热,塔顶冷凝水采用12℃深井水 D.要求:Xd=0.88 Xw=0.01 E.选定 R/Rmin=1.6
3、设计要求(1)物料流程图,塔版图,塔体工艺图(2)各接口尺寸(3)加热剂及冷却剂用量。
二、 设计方案选定
2.1 精馏方式:本设计采用连续精馏方式。原料液连续加入精馏塔中,并连续收集产物和排出残液。其优点是集成度高,可控性好,产品质量稳定。由于所涉浓度范围内乙醇和水的挥发度相差较大,因而无须采用特殊精馏。
2.2 操作压力:本设计选择常压,常压操作对设备要求低,操作费用低,适用于乙醇和水这类非热敏沸点在常温(工业低温段)物系分离。
2.3 塔板形式:根据生产要求,选择结构简单,易于加工,造价低廉的筛板塔,筛板塔处理能力大,塔板效率高,压降教低,在乙醇和水这种黏度不大的分离工艺中有很好表现。
2.4 加料方式和加料热状态:加料方式选择加料泵打入。由于原料温度稳定,为减少操作成本采用30度原料冷液进料。
2.5 由于蒸汽质量不易保证,采用间接,蒸汽加热。
2.6 再沸器,冷凝器等附属设备的安排:塔底设置再沸器,塔顶蒸汽完全冷凝后再冷却至65度回流入塔。冷凝冷却器安装在较低的框架上,通过回流比控制期分流后,用回流泵打回塔内,馏出产品进入储罐。塔釜产品接近纯水,一部分用来补充加热蒸汽,其余储槽备稀释其他工段污水排放。
三、总体设计计算
3.1汽液平衡数据(760mm Hg)
乙醇%(mol) 温度 液相X气相Y℃
0.00 0.00 100
1.90 17.00 95.5
7.21 38.91 89.0
9.66 43.75 86.7
12.38 47.04 85.3
16.61 50.89 84.1
23.37 54.45 82.7
26.08 55.80 82.3
32.73 58.26 81.5
39.65 61.22 80.7
50.79 65.64 79.8
51.98 65.99 79.7
57.32 68.41 79.3
67.63 73.85 78.74
74.72 78.15 78.41
89.43 89.43 78.15
3.2 物料衡算
3.2.1已知:
A.进料:F=6 kmol/h q=0 Xf=0.45
B.压力:p顶=4KPa 单板压降≤0.7KPa
C.采用电加热,塔顶冷凝水采用12℃深井水
D.要求:Xd=0.88 Xw=0.01
E、选定:R/Rmin=1.6
D=(Xf-Xw)/(Xd-Xw)×F
=(0.45-0.01)/(0.88-0.01)×6=3.03 kmol/h
W=F-D=6-3.03=2.97 kmol/h
查y-x图得 Xd/(Rmin+1)=0.218
∴Rmin=3.037 ∴R=1.6Rmin=4.859
∵饱和蒸汽进料 ∴q=0
L=RD=4.859×3.03=14.723 kmol/h
V=(R+1)D=(4.859+1)×3.03=17.753 kmol/h
L'=L+qF=14.723+0×6=14.723 kmol/h
V'=V-(1-q)F=17.753-(1-0)×6=11.753 kmol/h
1.3操作线及塔板计算
1.精馏段操作线:
Y=R×X/(R+1)+Xd/(R+1)
∴Y=0.829X+0.150
3.2.2.提馏段操作线:
Y=(L'/V')×X-(W/V')×Xw
∴ Y=1.253X-0.00025
3.3.理论塔板的计算
利用计算机制图取得理论板数
Nt=29.33块, 其中精馏段塔板Nt1=26.85块,第27块为加料板,提馏段Nt2 =2.48块。
3.4全塔Et%和Np的计算
3.4.1.精馏段:
t=(t顶+t进)=(79.25+87.32)/2=83.285℃
Xa=0.34 Xb=1-Xa=0.66
Ya=0.59 Yb=1-Ya=0.41
查得液体粘度共线图 μa=0.382 cp, μb=0.592 cp
αμL=YaXbμL/XaYb=1.454
查得:Et1%=0.49(αμL) -0.245=0.5471
Np1=Nt1/Et1=49.08
3.4.2. 提馏段:t=(t底+t进)/2=(99.9+87.32)/2=93.61
Xa=0.045 Xb=1-Xa=0.955
Ya=0.27 Yb=1-Ya=0.730
查得液体粘度共线图 μa=0.468cp, μb=0.532 cp
μL=ΣXiμi=0.045×0.468+0.955×0.532=0.5291
αμL=YaXbμL/XaYb=4.15
查得:Et2%=0.49(αμL) -0.245=0.346
Np2=Nt2/Et2=7.17
∴Np=Np1+Np2=49.08+7.17=56.25
圆整为57块 其中精馏段49块,提馏段8块。
四、 混合参数计算
4.1混合参数计算
溶质 C2H5OH 分子量 : Ma=46.07 kg/kmol
溶剂 H2O 分子量:Mb=18.016 kg/kmol
ρa=0.789 g/ml ρb=1.000 g/ml
4.1.1精馏段:
进料板液体温度 :t进=87.32 ℃
塔顶温度:t顶=79.25 ℃
tm=(87.32+79.25)/2=83.285℃
Xm=0.34 Ym=0.59
μa=0.382cp μb=0.592cp
Ml=Xm×Ma+(1-Xm)Mb=0.34×46.07+(1-0.34)×18.016=2**5 kg/kmol
Mg=Ym×Ma+(1-Ym)Mb=0.59×46.07+(10.59)
×18.016=34.56 kg/kmol
质量分率: Wa=XmMa/Ml=0.34×46.07/2**5=0.6855
Wb=1-Wa=1-0.6855=0.3145
1/ρl= Wa/ρa+Wb/ρb=0.6855/0.789+0.3145/1.00
ρl=845.1 kg/m3 P=105325Pa
ρv=PMg/RT=105325×34.56/(8314× (273.15+79.25))
∴ρv=1.2424 kg/m3
4.1.2提馏段:
t进=87.32℃ t底=99.9℃ tm=93.61℃ Xm=0.045
Ym=0.27 Ml=Xm×Ma+(1Xm)Mb
=0.045×46.07+(10.045)×18.016=19.278 kg/kmol
Mg=Ym×Ma+(1-Ym)Mb
=0.27×46.07+(1-0.27)×18.016=25.59 kg/kmol
质量分率: Wa=XmMa/Ml=0.045×46.07/19.278
=0.1275 Wb=1-Wa=1-0.1275=0.8725
1/ρl= Wa/ρa+Wb/ρb=0.1275/0.789+0.8725/1
ρl=1.0341 kg/m3 P=105325Pa
ρv=PMg/RT=105325×25.59/(8314× (273.15+93.16))
∴ρv=0.8839 kg/m3 σa=58.46 dyn/cm ,
σb=18.4 dyn/cm
σ=ΣXσ=0.688×58.46+(1-0.688)×18.4
=45.96 dyn/cm
4.2塔径计算
4.2.1精馏段:
Ls=L×Ml/(3600ρl)=442.03×2**5/(3600×845.1)
=0.004 m/s
Vs=V×Mv(3600ρv)=543.39×34.56/(3600×1.1952)
=4.365m/s tm=83.285℃
此温度下液体的表面张力
σa=18.2 dyn/cm σb=67.3 dyn/cm
σ=Xmσa+(1-Xm)σb=0.34×18.2+0.66×67.3=50.606
两相流动参数:
Flv=Ls/Vs×(ρl/ρv) 0.5
=0.00013/0.137×(845.1/1.2424) 0.5=0.0247
初设 板间距HT=0.5 m 清液层高度HL=0.06m
∴HT-HL=0.44 m
查得: Cf,20 = 0.093
液气气相负荷因子:Cf = [(σ/20)0.20] × Cf,20 =0.112
气体气速:
un,f = Cf [(ρl-ρv)/ρv] 0.5
=0.112×[(845.1-1.2424) / 1.2424]0.5 = 2.919 m/s
空速: un=0.7un,f=0.7×2.919=2.0433 m/s
初估塔径:
D=(Vs/(0.785un)) 0.5
=(0.137/(0.785×2.0433)) 0.5=0.292 m
圆整为 D=0.3 m
uf=vs/(0.785×D2)=0.137/(0.785×0.32)=1.939 m/s
实际泛点百分率: uf/un,f=1.939/2.919=0. 6643
4.2.2提馏段:
Ls=L’×Ml/(3600ρl)
=14.723×19.278/(3600×1034.1)=0.000076 m/s
Vs=V’×Mv(3600ρv)
=11.753×25.59/(3600×0.8839)=0.0945 m/s
tm=93.61℃
此温度下液体的表面张力
σa=18.2 dyn/cm σb=67.3 dyn/cm
σ=Xmσa+(1-Xm)σb=0.045×18.2+0.955×67.3=65.091
两相流动参数:
Flv=Ls/Vs×(ρl/ρv) 0.5
=0.000076/0.0945×(1034.1/0.8839) 0.5=0.0275
初设 板间距HT=0.5 m 清液层高度HL=0.06m
∴HT-HL=0.44 m
查得: Cf,20=0.0947
液气气相负荷因子:Cf=[(σ/20) 0.20]×Cf,20=0.1199
气体气速:
un,f=Cf[(ρl-ρv)/ρv] 0.5
=0.1199×[(1034.1-0.8839)/0.8839] 0.5=4.099 m/s
空速: un=0.7un,f=0.7×4.099=2.869 m/s
初估塔径:
D=(Vs/(0.785un)) 0.5
=(0.0945/(0.785×2.869)) 0.5=0.205 m
圆整为 D=0.25 m
uf=vs/(0.785×D2)=0.0945/(0.785×0.252)=1.926 m/s
实际泛点百分率: uf/un,f=1.926/4.099=0.470
4.3 塔板的详细计算
4.3.1.流动型式: 选取单溢流型
4.3.2.堰的计算:
A、精馏段:
堰长取 lw=0.6D=0.6×0.3=0.18 m
堰高 hw=0.04 m
lh/lw2.5=0.00013×3600/0.18 2.5=34.046
又 lw/D= 0.6 查得: E=1.03
堰上清液高 how=0.00284E(Lh/lw) 2/3=0.00553 m
清液层高度 hl=hw+how=0.04+0.00553=0.04553 m
降液管底隙高 ho=hw-0.008=0.032 m
B、提馏段:
堰长取 lw=0.6D=0.6×0.25=0.15 m
堰高 hw=0.04 m
lh/lw2.5=0.00013×3600/0.15 2.5=53.705
又 lw/D= 0.6 查得: E=1.03
堰上清液高 how=0.00284E(Lh/lw) 2/3=0.00137 m
清液层高度 hl=hw+how=0.04+0.00137=0.04137 m
降液管底隙高 ho=hw-0.012=0.028
C.塔板的布置
(1)精馏段:
选取碳钢为筛板的材料,板厚δ=4 mm,孔径do=6 mm
取孔中心距t=18 mm,t/do=3
开孔率φ=Ao/Aa=0.907/(t/do) 2=0.1008
Ao—开孔面积, Aa—开孔区面积
Af—降液管截面积,At—空塔截面积
取外堰前的安定区:Ws1=0.02 m
取内堰前的安定区:Ws2=0.02 m
边缘区:Wc=20mm (D≤2.5m)
lw/D=0.6
r = D/2-Wc=0.3/2-0.02=0.13 m
Wd=0.1×0.3=0.03
x=D/2-(Wd+Ws)=0.1
An=2[x×(r2-x2) 0.5+r2arcsin(x/r)]=0.0463
开孔区面积/塔板面积=0.0463/(0.785×0.32)=0.6553 m2
筛孔总面积 A0=An×φ=0.0463×0.1008=0.004667 m2
孔数:N=A0/u=0.004667/(0.785×0.0062)=165.15
取整:N=166 孔
(2)提馏段:
选取碳钢为筛板的材料,板厚δ=4 mm,孔径do=6 mm
取孔中心距t=18 mm,t/do=3
开孔率φ=Ao/Aa=0.907/(t/do)2=0.1008
Ao—开孔面积, Aa—开孔区面积
Af—降液管截面积,At—空塔截面积
取外堰前的安定区:Ws1=20mm
取内堰前的安定区:Ws2=20mm
边缘区:Wc=20mm (D≤2.5m)
lw/D=0.6
r = D/2-Wc=0.25/2-0.02=0.105 m
Wd=0.1×0.25=0.025
x=D/2-(Wd+Ws)=0.08
An=2[x×(r2-x2) 0.5+r2arcsin(x/r)]=0.030
开孔区面积/塔板面积=0.030/(0.785×0.252)=0.7856 m2
筛孔总面积 A0=An×φ=0.030×0.1008=0.003024 m2
孔数:N=A0/u=0.003024/(0.785×0.0062)=107.006
取整:N=108 孔
4.4校核
4.4.1精馏段
A.压降校核
δ=4mm,do/δ=1.5, 查图得Co=0.78
Hc—干板压降,Co—孔流系数
下板阻力 Hc=0.051(ρv/ρl)×(Uo/Co)2
Uo筛孔汽速,Uo=Vs/Ao=0.137/0.004667=29.355
∴ Hc=01062(m液柱)
Hl—液层有效阻力,Fo—气相动能因子
Ua=Vs/(At-2Af)=0.137/0.063162=2.169
Fa=Ua(pv)0.5=2.4176
查表得β=0.6
Hl=β(hw+how)=0.6×0.04553=0.02732m(液柱)
总压降--Hp=Hl+Hc=0.1335(m液柱)≤0.6 kg液/kg气
∴ 合格
B.液沫夹带的校核
Ug--气体通过有效截面的面积的速率
Ug=Vs/(At-Af)=2.0477 m/s
hf 板上鼓泡层高度 Φ物系的起泡系数
hf=hl/Φ=0.07167 m , Φ=0.6
∴Ev=(5.7E10-3/σ)(Ug/(Ht-hf)) 3.2
=0.01392 kg(液)/kg(汽)≤ 0.1 kg(液)/kg(汽)
∴不产生过量液沫夹带,合格.
C.液泛校核
Hd降液管液面高度,hd液相流经降液管的阻力
hd=0.153(Ls/(lw×ho)) 2=0.0000779 m
Hd=hw+how+hd+Hp=0.179 m , Φ=0.6
Hd/φ=0.2984 m≤0.44 m
∴合格,不会产生液泛
D.停留时间的校核
Af=0.003744 m2
τ=Af×Ht/Ls=0.003744×0.5/0.004=27.91 ≥(3∽5s)
∴ 合格
E.漏液校核
hσ-表面张力压头, Uom-漏点气速, Co-孔流系数
hσ=4σ/9810ρl×do=0.00407 (m液柱)
do/δ=1.5 查图得Co=0.78
Uom=4.4Co×((0.0056+0.13hl-hσ)×ρl/ρv)0.5=6.381 m/s
K=Uo/Uom=4.6≥1.5
∴ 操作弹性大,不会发生严重漏液,合格。
δ=4mm,do/δ=1.5, 查图得Co=0.78
Hc-干板压降,Co-孔流系数
下板阻力 Hc=0.051(ρv/ρl)×(Uo/Co)2
Uo筛孔汽速,Uo=Vs/Ao=0.0945/0.003024=31.25
∴ Hc=0.0700(m液柱)
Hl—液层有效阻力,Fo气相动能因子
Ua=Vs/(At-2Af)=2.153
Fa=Ua(pv)0.5=2.0239
查表得β=0.6
Hl=β(hw+how)=0.02482m(液柱)
总压降--Hp=Hl+Hc=0.09482(m液柱)≤0.6 kg液/kg气
∴ 合格
B.液沫夹带的校核
Ug--气体通过有效截面的面积的速率
Ug=Vs/(At-Af)=2.032 m/s
hf 板上鼓泡层高度 Φ物系的起泡系数
hf=hl/Φ=0.04137 m , Φ=0.6
∴ Ev=(5.7E10-3/σ)(Ug/(Ht-hf)) 3.2
=0.01453 kg(液)/kg(汽)≤ 0.1 kg(液)/kg(汽)
∴ 不产生过量液沫夹带,合格.
C.液泛校核
Hd降液管液面高度,hd液相流经降液管的阻力
hd=0.153(Ls/(lw×ho)) 2=0.0000501 m
Hd=hw+how+hd+Hp=0.1362 m , Φ=0.6
Hd/φ=0.2270 m≤0.44 m
∴ 合格,不会产生液泛
D.停留时间的校核
Af=0.0026 m2
τ=Af×Ht/Ls=0.0026×0.5/0.000076=17.105 ≥(3∽5s)
∴ 合格
E.漏液校核
hσ-表面张力压头, Uom-漏点气速, Co-孔流系数
hσ=4σ/(9810ρl×do)=0.00428 (m液柱)
do/δ=1.5 查图得Co=0.78
Uom=4.4Co×((0.0056+0.13hl-hσ)×ρl/ρv)0.5=7.915 m/s
K=Uo/Uom=3.948≥1.5
∴ 操作弹性大,不会发生严重漏液,合格。
4.5负荷性能图
4.5.1精馏段:
A.液相下限线
取how=0.006 m E=1.04
how=0.00284E(3600ls/lw) 2/3
∴ ls=0.000145 m3/s
B.液相上限线
取τ=5 s τ=Af×HT/Ls
Ls=Af×HT/τ=(0.5×0.003744)/5=0.0003744
C.漏液线
hl=hw+how=0.04+2.155ls2/3 m
Uom=Vsmin/A0=Vsmin/0.2028
Uom =4.4C0[(0.0056+0.13hl-hσ)×(ρl/ρv)] 0.5
Vsmin=0.016[4.578+190.56ls2/3] 0.5
D.过量液沫夹带线:
取ev=0.1 , E=1.04
hf=2.5hl=0.1+5.388Ls2/3
Ug=Vs/(AT-Af)=Vs/0.0669
ev=(0.0057/σ)[Ug/(HT-hf)] 3.2
Vs=0.459-6.176Ls2/3
E.液泛线:
取 φ=0.6
HT+hw≥Hdφ ,Hd≤(0.4+0.04)/0.6=0.7333
hd=0.153(Ls/(lw×h0) 2=4611.55Ls2
hc=0.051(Vs/A0C0) 2×(ρv/ρl)=5.658Vs2
hl'=0.024+1.293Ls2/3
hp=hc+hl'=0.024+1.293Ls2/3+5.658Vs2
Hd=0.7333=hl+hd+hp
=0.1+5.388Ls2/3+4611.55Ls2+5.658Vs2
∴ Vs2=0.112-0.952Ls2/3-815.05Ls2
4.5.2提馏段:
A.液相下限线
取how=0.006 m E=1.04 how=0.00284E(3600ls/lw) 2/3
∴ls=0.000121 m3/s
B.液相上限线
取τ=5 s τ=Af×HT/Ls,
Ls=Af×HT/τ=(0.5×0.000076)/5=0.0000076
C.漏液线
hl=hw+how=0.04+2.434ls2/3 m
Uom=Vsmin/A0=Vsmin/0.003024
Uom =4.4C0[(0.0056+0.13hl-hσ)×(ρl/ρv)]0.5
Vsmin=0.0104[7.628+370.19ls2/3] 0.5
D.过量液沫夹带线:
取ev=0.1 , E=1.04
hf=2.5hl=0.1+6.085Ls2/3
Ug=Vs/(AT-Af)=Vs/0.0465
ev=(0.0057/σ)[Ug/(HT-hf)] 3.2
Vs=0.151-2.291Ls2/3
E.液泛线:
取 φ=0.6
HT+hw≥Hdφ ,Hd≤(0.4+0.04)/0.6=0.7333
hd=0.153(Ls/(lw×h0)2=8673.47Ls2
hc=0.051(Vs/A0C0)2×(ρv/ρl)=7.835Vs2
hl'=0.024+1.4604Ls2/3
hp=hc+hl'=0.024+1.4604Ls2/3+7.835Vs2
Hd=0.7333=hl+hd+hp
=0.1+6.085Ls2/3+8673.47Ls2+73835Vs2
∴ Vs2=0.081-0.7766Ls2/3-1107.02Ls2
一)物料衡算
1. 原料液量、残液量及加热蒸汽消耗量的计算
(1)单位换算,将质量分率换算成摩尔分率
原料液组成用xF表示。每位同学课程设计的进料浓度计算方法如下:
aF=(30+班号后三位×0.04+学号后两位×0.1)%(质量分率)
(2)计算混合物的平均分子量
(3)作乙醇—水物系的平衡曲线,确定回流比
①按设计指导书附录的平衡数据作x-y平衡曲线
由塔顶馏出液组成(xD)点作平衡曲线最凹处的切线,其斜率为k=Rmin/(Rmin+1),进而求出Rmin
②确定回流比R
R=(1.1~2) Rmin,,每位同学课程设计的回流比计算方法如下:
R= Rmin(1.2+学号后两位×0.03)
(4)全塔物料衡算
2. 计算结果:
塔顶产品量D kmol/h, 原料液量F kmol/h, 残液量W kmol/h,
加热蒸汽消耗量S kmol/h, 实际回流比R, 直接蒸汽加热时残液量W* kmol/h
直接蒸汽加热时残液组成xW*, 塔顶上升蒸汽量V kmol/h
(二)实际塔板数的确定
1. 理论塔板数的确定 2. 总板效率 3. 实际板数Ne
(三)塔径的计算
精馏段:
1. 汽液相流量 2. 气液负荷参数 3 液泛气速 4. 实际气速 5. 计算塔径
6. 圆整 7. 校核塔径
提馏段:
(四) 塔高计算
塔板结构参数的确定
(一) 堰及溢流管尺寸
1. lW的确定: 2. 降液管截面积Ad与弓型降液管宽Wd的确定: 3. 出口堰上液层高度how
4. 出口堰高度hw: 5. 降液管底隙高hH:
(二) 塔板布置
1.塔板的区域划分
⑴ 安定区宽度Ws ⑵ 边缘区宽度Wc
2.孔数的确定
3.提馏段筛板的孔数及排布
塔板流体力学校核,负荷性能图:
1.气体通过塔板的压力降——单板压降。
(1)干板压降h0的计算: (2)液层(泡沫层)压降he计算:
2.液体在降液管内的停留时间τ
3.液沫夹带量eV的计算(kmol液沫/kmol气体)
⑴ 图解法 ⑵ 计算法
3.负荷性能图:
⑴ 气相负荷上限 ⑵ 气相负荷下限 ⑶ 液相负荷上、下限线
4、操作弹性、稳定系数
辅助设备的计算和选型
1.热负荷 2.冷却水消耗量 3.所需传热面积 4.选型
四、课程学时分配
讲 课 内 容 学时 合计学时
观看教学录像《板式塔》 2 2
讲课 2 4
板
式
塔
设
计
工
艺
计
算 板式精馏塔设计方案的选定,操作压力、进料状态及加热方式的确定,并形成文字 2 6
全塔物料衡算求出进料量、塔釡产品量,加热蒸汽消耗量,确定回流比,精馏段、提馏段上升蒸汽量,下降液体量 4 10
按直接蒸汽加热,塔顶设全凝器,饱和液体进料图解求理论板数,奥克奈尔关联图求塔板效率及实际塔板数的确定,由汽、液负荷参数,操作气速等确定塔径 4 14
塔板的型式、结构参数及主要尺寸、板间距,塔体总高度的计算,堰及溢流管尺寸,液体在降液管内的停留时间,出口堰上液层高度,出口堰高,降液管底隙高度,塔板安定区宽度,边缘区宽度,鼓泡区面积,开孔率及孔数的确定 6 20
塔板流体力学校核,单板压降,全塔压降,液面落差,降液管内清液层高度计算,降液管不发生液泛条件的校核,液沫夹带量的计算,负荷性能图 6 26
辅助设备的计算与选型:塔顶全凝器、塔釡再沸器、料液预热器,塔釡直接蒸汽加热装置的设计选型,各接管尺寸的确定 4 30
作筛板正视及俯视图,工艺流程图,塔体总装图(局部刨 4 34
检查整理、装订成册 2 36 |