【正文】 濱州學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書 5 滿足經(jīng)濟(jì)上的要求 要節(jié)省熱能和電能的消耗，減少設(shè)備及基建費(fèi)用。其次所定的設(shè)計(jì)方案需要有一定的操作彈性，各處流量應(yīng)能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，必要時(shí)傳熱量也可進(jìn)行調(diào)整。冷卻水出口溫度取得高些，冷卻劑的消耗可以減少，但同時(shí)溫度差較小，傳熱面積將增加。 冷卻劑與出口溫度 冷卻劑的選擇由塔頂蒸汽溫度決定。然而，直接蒸汽加熱，由于蒸汽的不斷通入，對(duì)塔底溶液起了稀釋作用，在塔底易揮發(fā)物損失量相同的情況下，塔底殘液中易揮發(fā)組分的濃度應(yīng)較低，因而塔板數(shù)稍有增加。有時(shí)也可采用直接蒸汽加熱。 進(jìn)料狀態(tài) 進(jìn)料狀態(tài)與塔板數(shù)、塔徑、回流量及塔的熱負(fù)荷都有密切的聯(lián)系。 對(duì)于沸點(diǎn)低、在常壓下為氣態(tài)的物料，則應(yīng)在加壓下進(jìn)行蒸餾。下面結(jié)合課程設(shè)計(jì)的需要，對(duì)某些問題作些闡述。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比取最小回流比的 2 倍。 濱州學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書 3 第二章 設(shè)計(jì)方案的確定 本設(shè)計(jì)任務(wù)為乙醇 — 水混合物。 （ 4）壓降較低，每板壓力比泡罩塔約低 30％左右。目前從國內(nèi)外實(shí)際使用情況看，主要的塔板類型為浮閥塔、篩板塔及泡罩塔，而前兩者使用尤為廣泛，因此，本章只討論篩板塔的設(shè)計(jì)。 板式塔類型 氣－液傳質(zhì)設(shè)備主要分為板式塔和填料塔兩大類。 （ 5）耐腐蝕和不易堵 塞，方便操作、調(diào)節(jié)和檢修。 （ 2）操作穩(wěn)定，彈性大，即當(dāng)塔設(shè)備的氣 (汽 )、液負(fù)荷有較大范圍的變動(dòng)時(shí)，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進(jìn)行穩(wěn)定的操作并應(yīng)保證長期連續(xù)操作所必須具有的可靠性。但是由于常用的多 為其水溶液，因此，研究和改進(jìn)乙醇 `水體系的精餾設(shè)備是非常重要的。因其良好的理化性能，而被廣泛地應(yīng)用于化工、日化、醫(yī)藥等行業(yè)。 化工原理課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)我們化工設(shè)計(jì)能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，通過課程設(shè)計(jì)使我們初步掌握化工設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)、設(shè)計(jì)原則及方法；學(xué)會(huì)各種手冊(cè)的使用方法及物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的查找方法和技巧；掌握各種結(jié)果的校核，能畫出工藝流程、塔板結(jié)構(gòu)等圖形。本次設(shè)計(jì)任務(wù)為設(shè)計(jì)一定處理量的分離乙醇 水混合物的精餾塔。生產(chǎn)中為了滿足存儲(chǔ)、運(yùn)輸。加工和使用的要求，時(shí)常將這些混合物分離為較純凈的物質(zhì)。 板式精餾塔也是很早出現(xiàn)的一種板式塔， 20 世紀(jì) 50 年代起對(duì)板式精餾塔進(jìn)行了大量工業(yè)規(guī)模的研究，逐步掌握了篩板塔的性能，并形成了較完善的設(shè)計(jì)方法。在設(shè)計(jì)過程中不僅要考慮理論上的可行性，還要考慮生產(chǎn)上的安全性、經(jīng)濟(jì)合理性。近些年來，由于燃料價(jià)格的上漲，乙醇燃料越來越有取代傳統(tǒng)燃料的趨勢(shì)，且已在鄭州、濟(jì)南等地的公交、出租車行業(yè)內(nèi)被采用。 塔設(shè)備是最常采用的精餾裝置，無論是填料塔還是板式塔都在化工生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用，在此我們作板式塔的設(shè)計(jì)以熟悉單元操作設(shè)備的設(shè)計(jì)流程和應(yīng)注意的事項(xiàng)是非常必要的。 （ 3）流體流動(dòng)的阻力小，即流體流經(jīng)塔設(shè)備的壓力降小，這將大大節(jié)省動(dòng)力消耗，從而降低操作費(fèi)用。 （ 6） 塔內(nèi)的滯留量要小。精餾操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，填料塔的設(shè)計(jì)將在其他分冊(cè)中作詳細(xì)介紹，故本書將只介紹板式塔。 篩板塔也是傳質(zhì)過程常用的塔設(shè)備，它的主要優(yōu)點(diǎn)有： （ 1） 結(jié)構(gòu)比浮閥塔更簡單 ，易于加工，造價(jià)約為泡罩塔的 60％，為浮閥塔的80％左右。 篩板塔的缺點(diǎn)是： （ 1）塔板安裝的水平度要求較高，否則氣液接觸不勻。對(duì)于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲(chǔ)罐。 操作壓力 蒸餾操作通?？稍诔骸⒓訅汉蜏p壓下進(jìn)行。當(dāng)物性無特殊要求時(shí)，一般是在稍高于大氣壓下操作。在實(shí)際的生產(chǎn)中進(jìn)料狀態(tài)有多種，但一般都將料液預(yù)熱到泡點(diǎn)或接近泡點(diǎn)才送入塔中，這主要是由于此時(shí)塔的操作比較容易控制，不致受季節(jié)氣溫的影響。若塔底產(chǎn)物近于純水，而且在濃度稀薄時(shí)溶液的相對(duì)揮發(fā)度較大 (如酒精與水的混合液 )，便可 采用直接蒸汽加熱。但對(duì)有些物系 (如酒精與水的二元混合液 )，當(dāng)殘液的濃度稀薄時(shí)，溶液的相對(duì)揮發(fā)度很大，容易分離，故所增加的塔板數(shù)并不多，此時(shí)采用直接蒸汽加熱是合適的。如果塔頂蒸汽溫度低，可選用冷凍鹽水或深井水作冷卻劑。冷卻水出口溫度的選擇由當(dāng)?shù)厮Y源確定，但一般不宜超過 50℃ ，否則溶于水中的無機(jī)鹽將析出，生成水垢附著在換熱器的表面而影響傳熱。因此，在必要的位置上要裝置調(diào)節(jié)閥門，在管路中安裝備用支線。如前所述在蒸餾過程中如能適當(dāng)?shù)乩盟?、塔底的廢熱，就能節(jié)約很多生蒸汽和冷卻水，也能減少電能消耗。又如，塔是指定在常壓下操作的，塔內(nèi)壓力過大或塔驟冷而產(chǎn)生真空，都會(huì)使塔受到破壞，因而需要安全裝置。 實(shí)際板層數(shù)的求取 取全塔效率 ?TE ， 則有 1 11 0 52 22N ? ? ? ?塊 2 3 0 52 6N ? ? ? ?塊 總板效率的求取一般兩種方法： O’connell 法， 0 .2 4 9( )LTE ?? ?? 適用范圍： ?? ??，板上液流長度≤ 1m. ? 塔頂和塔底平均溫度下的相對(duì)揮發(fā)度； L?塔頂和塔底平均溫度下的粘度。 進(jìn)料板壓力 1 0 1 .3 2 5 0 .7 2 2 1 1 6 .7 2 5FP KPa? ? ? ? 塔底操作壓力 1 1 6 .7 2 5 0 .7 6 1 2 0 .9 2 5WP KP a? ? ? ? 精餾段平均壓力 ( 101 .325 116 .725 ) / 2 110 .025mP K Pa? ? ? 提餾段平均壓力 39。 表 32 不 同溫度下乙醇和水的密度 溫度/℃ ?乙 ?水 溫度/℃ ?乙 ?水 80 735 971 95 720 85 730 100 716 90 724 精餾段平均溫度 1t? =℃ 8 5 8 0 8 1 . 6 6 8 07 3 0 7 3 5 7 3 5????， ?乙 = kg/ 3m 8 5 8 0 8 1 . 6 6 8 09 6 8 . 6 9 7 1 . 8 9 7 1 . 8????, ?水 = kg/ 3m 同理 2t? =℃ 9 5 9 0 9 2 . 5 3 9 07 2 0 7 2 4 7 2 4????， ?乙 = kg/ 3m 濱州學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書 13 9 5 9 0 9 2 . 5 3 9 09 6 1 . 8 5 9 6 5 . 3 9 6 5 . 3????， ?水= kg/ 3m 在精餾段，液相密度 1L? ： 11 0 . 3 4 1 0 4 6 / [ 0 . 3 4 1 0 4 6 1 8 ( 1 0 . 3 4 1 0 ) ] 1 0 . 5 3 9 67 3 5 . 8 7 9 7 0 . 7 0L?? ? ? ? ? ??? 31 82 8. 13 /L kg m? ? 氣相密度 1V? ： 1V? = 3 4 .4 4 1 1 0 .0 2 58 .3 1 4 ( 2 7 3 .1 5 8 0 .6 6 )???= kg/ 3m 在提餾段，液相密度 2L? ： 21 0 . 0 4 3 2 6 4 6 / [ 0 . 0 4 3 2 6 4 6 1 8 ( 1 0 . 0 4 3 2 6 ) ] 1 0 . 1 0 3 87 2 1 . 9 8 9 6 3 . 5 5L?? ? ? ? ? ??? 32 931. 21 /L kg m? ? 氣相密度 2V? ： 2V? = 2 5 .5 8 1 1 8 .8 2 58 .3 1 4 ( 2 7 3 .1 5 9 2 .5 3 )???= kg/ 3m 液體平均表面張力計(jì)算 不同溫度下乙醇和水的表面張力 （ 姚玉英《化工原理（上）》 P362365 頁附錄二十一） 見表 33。3239。 32 1 2 21 5 8 .3 0 1 0 /m x x N m? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? 液體平均黏度計(jì)算 精餾段平均溫度 1t? =℃ 查液體黏度共線圖 （姚玉英《化工原理（上）》 P347頁附錄十五） 得： 2 m P a s? ?? 1 0 m P a s? ?? 提餾段平均溫度 2t? =℃ 查液體黏度共線圖得： 39。 0 . 2 0 . 220 4 8 . 0 6( ) 0 . 0 7 0 ( ) 0 . 0 8 32 0 2 0MCC ?? ? ? ? m a x 8 2 8 . 1 3 1 . 2 80 . 0 8 3 2 . 1 0 /1 . 2 8u m s??? 同理，提餾段的為 ?? max /u m s? ? HT= VLVf20 ?? ???uC 史密斯關(guān)聯(lián)圖 11 21()h LhvLV ??濱州學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書 17 選取 泛點(diǎn)率： 一般液體， uu ?? ，易起泡液體， uu ?? 。例如在塔體人孔處，應(yīng)留有足夠的工作空間，其值不應(yīng)小于 600mm。 塔板溢流形式有 ： U型流、單溢流、雙溢流和階梯流。 取 D m? ? ? ? 同理，提餾段的為 0 .6 0 .6 0 .6 0 .3 6wl D m? ?? ? ? ? 溢流堰高度 由 w L owh h h?? 式中 wh — 堰高， m Lh — 板上液層高度， m owh — 堰上液層高度， m 濱州學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書 19 溢流堰 板的形狀由 owh 決定， owh 選 平直堰 ； owh 選齒形堰 選用平直堰，堰上液層高度： 4 ()1000 how wLhEl?， 近似取 E=1（一般情況取 1， 可 借用博爾斯對(duì)泡罩塔提出的液流收縮系數(shù)計(jì)算圖求取。 0 39。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)， 一般取 39。 塔板布置 塔板的分塊 塔板類型按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為整塊式或分塊式兩種。 ② 鼓泡區(qū) 氣液傳質(zhì)有效區(qū) ③入口安定區(qū)和出口安定區(qū) Ws=50100mm。 邊緣區(qū)寬度確定 取 39。液相為水時(shí)， β=，為油時(shí)， β=~，為碳?xì)浠衔飼r(shí)， β=~ 同理，提餾段的為 1h ?? 液體表面張力的阻力計(jì)算 液體表面張力所產(chǎn)生的阻力： 3104 4 4 8 .0 6 1 0 0 .0 0 2 9 5 88 2 8 .1 3 9 .8 1 0 .0 0 8mLhmgd??? ???? ? ???液柱 式中 d0— 孔直徑， m σm— 操作物系的液體平均表面張力， mN/m 同理，提餾段的為 ?? ? 液柱 氣體通過每層塔板的液柱高度 可按下式計(jì)算，即 1pch h h h?? ? ? 0 .0 5 2 4 2 0 .0 2 5 0 .0 0 2 9 5 8 0 .0 8 0 4phm? ? ? ?液柱 同理，提餾段的為 ? ? 氣體通過每層塔板的壓降為 1 0 .0 8 0 4 8 2 8 .1 3 9 .8 1 6 7 5 0 .7P P Lh g P a k P a??? ? ? ? ? ? ?（設(shè)計(jì)允許值） 同理，提餾段的為 6 7 9 0 .7P P a kP a? ?? ? ?（設(shè)計(jì)允許值） 液面落差 液面落差Δ一般較小，可不計(jì)。 液泛 為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高 ()d T wH H h??? 式中 HT— 板間距， m hw— 堰高， m φ— 系數(shù)，是考慮到降液管內(nèi)充氣及操作安全兩種因素的校正系數(shù)。 濱州學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書 28 塔板負(fù)荷性能圖 漏液線 由 0 , m in 0 1 14 .4 ( 0 .0 0 5 6 0 .1 3 ) /L L Vu C h h ? ??? ? ? ,min0,min0sVu A? L w owh h h?? ()1000 howwLhEl? 得 23, m i n 0 0 1 12 . 8 44 . 4 { 0 . 0 0 5 6 0 . 1 3 [ ( ) ] } /1000 hs w L VwLV C A h E hl ? ??? ? ? ? 2336002 . 8 44 . 4 0 . 0 7 6 0 . 1 0 4 2 0 . 1 8 9 6 { 0 . 0 0 5 6 0 . 1 3 [ 0 . 0 4 3 2 6 1 ( ) ] 0 . 0 0 2 3 } 8 2 8 . 1 3 / 1 . 2 81 0 0 0 0 . 3 6 sL? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 231 . 6 8 0 . 0 1 1 2 2 0 . 1 7 1 4sL?? 同理，提餾段的為 23, m i n 2 . 0 2 0 . 0 0 9 5 2 0 0 . 1 7 1 4sSVL? ?? 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè) sL 值，依上式計(jì)算出 sV 值，計(jì)算結(jié)果列于表 34。 表 35 霧沫夾帶線計(jì)算結(jié)果 3/( / )aL m s 3/( / )sV m s