【文章內(nèi)容簡介】 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。 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)計以熟悉單元操作設(shè)備的設(shè)計流程和應(yīng)注意的事項是非常必要的。 塔設(shè)備是化工、煉油生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。塔設(shè)備的設(shè)計和研究，已經(jīng)受到化工行業(yè)的極大重視。在化工生產(chǎn)中，塔設(shè)備的性能對于整個裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)能力和消耗定額，以及三廢處理和環(huán)境保護(hù)等各個方面，都有非常重大的影響。 設(shè)計依據(jù) 本設(shè)計依據(jù)于教科書的設(shè)計實例，對所提出的題目進(jìn)行分析并做出理論計算。 技術(shù)來源 目前，精餾 塔的設(shè)計方法以嚴(yán)格計算為主，也有一些簡化的模型，但是嚴(yán)格計算法對于連續(xù)精餾塔是最常采用的，我們此次所做的計算也采用嚴(yán)格計算法。 設(shè)計任務(wù)及要求 原料：乙醇 ~水溶液，年產(chǎn)量 50000 噸 乙醇含量： 40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù) )，原料液溫度： 45℃ 2 設(shè)計要求：塔頂?shù)囊掖己坎恍∮?95%(質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 塔底的乙醇含量不大于 1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 表 1 乙醇 ~水溶液體系的平衡數(shù)據(jù) 液相中乙醇的含量 (摩爾分?jǐn)?shù) ) 汽相中乙醇的含量 (摩爾分?jǐn)?shù) ) 液相中乙醇的含量 (摩爾分?jǐn)?shù) ) 汽相中乙醇的含量 (摩爾分 數(shù) ) 二：計算過程 1. 塔型選擇 精餾過程的實質(zhì)是利用混合物中各組分具有不同的揮發(fā)度，即在同一溫度下，各組分的飽和蒸汽壓不同這一性質(zhì)，使液相中的輕組分轉(zhuǎn)移到氣相中，氣相中的重組分轉(zhuǎn)移到液相中，從而達(dá)到分離的目的。因此精餾塔操作彈性的好壞直接關(guān)系到石油化工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。 篩板塔是孔板塔的一種，內(nèi)裝若干層水平塔板，板上有許多小孔，形狀如篩； 3 并裝有溢流管或沒有溢流管。操作時，液體由塔頂 進(jìn)入，經(jīng)溢流管（一部分經(jīng)篩孔）逐板下降，并在板上積存液層。氣體（或蒸汽）由塔底進(jìn)入，經(jīng)篩孔上升穿過液層，鼓泡而出，因而兩相可以充分接觸，并相互作用。泡沫式接觸氣液傳質(zhì)過程的一種形式，性能優(yōu)于泡罩塔。為克服篩板安裝水平要求過高的困難，發(fā)展了環(huán)流篩板；克服篩板在低負(fù)荷下出現(xiàn)漏液現(xiàn)象，設(shè)計了板下帶盤的篩板；減輕篩板上霧沫夾帶縮短板間距，制造出板上帶擋的的篩板和突孔式篩板和用斜的增泡臺代替進(jìn)口堰，塔板上開設(shè)氣體導(dǎo)向縫的林德篩板。篩板塔普遍用作 OHSH 22 ? 雙溫交換過程的冷、熱塔。應(yīng)用 于蒸餾、吸收和除塵等。 篩板塔優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、造價低；氣流壓降小、板上液面落差小；板效率高。缺點：操作彈性小、篩孔小易堵塞。 泡罩塔板是工業(yè)上應(yīng)用最早的塔板，它主要由升氣管及泡罩構(gòu)成。泡罩安裝在升氣管的頂部，分圓形和條形兩種，以前者使用較廣。泡罩有 f80mm、 f100mm、 f150mm 三種尺寸，可根據(jù)塔徑的大小選擇。泡罩的下部周邊開有很多齒縫，齒縫一般為三角形、矩形或梯形。泡罩在塔板上為正三角形排列。操作時，液體橫向流過塔板，靠溢流堰保持板上有一定厚度的液層，齒縫浸沒于液層之中形成液封。升氣管的頂部應(yīng)高于泡罩齒 縫的上沿，以防止液體從中漏下。上升氣體通過齒縫進(jìn)入液層時，被分散成許多細(xì)小的氣泡或流股，在板上形成鼓泡層，為氣液兩相的傳熱和傳質(zhì)提供大量的界面。泡罩塔板的優(yōu)點是操作彈性大，塔板不易堵塞；缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高、板上液層厚，塔板壓降大，生產(chǎn)能力及塔效率低。泡罩塔板已經(jīng)逐漸被篩板、浮閥塔板所取代，在新建塔設(shè)備中已經(jīng)很少使用。 根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，若按年工作日 300 天，每天開動設(shè)備 24 小時計算，產(chǎn)品流量為 6667 /kg h ，由于產(chǎn)品粘度較小，流量較大，為減少造價，降低生產(chǎn)過程中壓降和塔板液面落差的影響，提高生產(chǎn)效率，選用浮閥塔。 板式塔的比較 ： 評價板式塔的性能主要是指處理能力、操作彈性、板效率、板壓降、板間距和費(fèi)用等。 各種塔板由于氣液接觸情況不同，板效率各有高低，板效率高的塔板說明它的結(jié)構(gòu)比較合理。另外，板效率的高低還要與操作彈性結(jié)合起來，彈性大而板效率又 4 高，則說明改塔能在較寬的操作范圍內(nèi)保持高效率。若板效率很高而彈性很小，則此中塔板只在很狹窄的范圍內(nèi)能良好操作，氣液略有波動或生產(chǎn)能體需提高時，其板效率立即就會下降。 目前對各種板式塔的對比資料不盡一致，下表僅供參考?？傂?的估算請參閱相關(guān)文獻(xiàn)。 表 2 板式塔的比較 塔型 總板效率 /％ 處理能力 操作彈性 Δ p 板間距 /mm 成本 泡罩 篩板 浮閥 舌型 60～ 80 70～ 90 70～ 90 70～ 90 1 ～ 5 3 9 3 1 400～ 800 200～ 400 300～ 600 300～ 600 1 2/3 2/3 2/3 2. 操作條件的確定 操作壓力 由于乙醇 ~水體系對溫度的依賴性不 強(qiáng)，常壓下為液態(tài)，為降低塔的操作費(fèi)用，操作壓力選為常壓 其中塔頂壓力為 25 10 Pa? 塔底壓力 5[1 . 0 1 3 2 5 1 0 ( 2 6 5 ~ 5 3 0 ) ]N P a?? 進(jìn)料狀態(tài) 雖然進(jìn)料方式有多種，但是飽和液體進(jìn)料時進(jìn)料溫度不受季節(jié)、氣溫變化和前段工序波動的影響，塔的操作比較容易控制；此外，飽和液體進(jìn)料時精餾段和提餾段的塔徑相同，無論是設(shè)計計算還是實際加工制造這樣的精餾塔都比較容易，為此，本次設(shè)計中采取飽和液體進(jìn)料 加熱方式 精餾塔的設(shè)計中多在塔底加一個再沸器以 采用間接蒸汽加熱以保證塔內(nèi)有足夠的熱量供應(yīng)；由于乙醇 ~水體系中，乙醇是輕組分，水由塔底排出，且水的比熱較 5 大，故可采用直接水蒸氣加熱，這時只需在塔底安裝一個鼓泡管，于是可省去一個再沸器，并且可以利用壓力較底的蒸汽進(jìn)行加熱，無論是設(shè)備費(fèi)用還是操作費(fèi)用都可以降低。 熱能利用 精餾過程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。因此熱效率較低，通常進(jìn)入再沸器的能量只有 5%左右可以被有效利用。雖然塔頂蒸汽冷凝可以放出大量熱量，但是由于其位能較低，不可能直接用作為塔底的熱源。為此，我們擬采用塔釜殘液對原料液進(jìn)行加熱。 3. 有關(guān)的工藝計算 工藝流程簡圖 圖 工藝計算 由于精餾過程的計算均以摩爾分?jǐn)?shù)為準(zhǔn)，需先把設(shè)計要求中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化為 摩爾分?jǐn)?shù)。 乙醇 的摩爾質(zhì)量 AM =46 kmolkg/ 6 水 的摩爾質(zhì)量 BM =18 kmolkg/ 原料液的摩爾組成： 20 18/6046/40 46/40 ???fX 同理可求得： Dx = Wx = 原料液的平均摩爾質(zhì)量： FM = 46+() 18= kmolkg/ DM = 46+() 18= kmolkg/ WM = 46+() 18= kmolkg/ 45℃ 下，原料液中2 3 2339 7 1 . 1 / , 7 3 5 /H O C H C H O Hk g m k g m???? 由此可查得原料液，塔頂和塔底混合物的沸點，以上計算結(jié)果見表 2。 表 3 原料液、餾出液與釜殘液的流量與溫度 名稱 原料液 餾出液 釜殘液 /%fx 40 95 1 fx (摩爾分?jǐn)?shù) ) 摩爾質(zhì)量 /kgkmol 沸點溫度 t /℃ 最小回流比 及操作回流比的確定 由于是泡點進(jìn)料， ?? XfXq ，過點 )20 ,20 (e 做直線 x= 交平衡線于點 d ，由點 d 可讀得 ?qy ，因此： i n ?? ????? FqqD Xy yXR 可取操作回流比 m i n ???? RR 7 塔頂產(chǎn)品產(chǎn)量、釜殘液 量的計算 以年工作日為 300 天，每天開車 24 小時計，進(jìn)料量為： hk m o lF /2 00 1 00 05 00 0 ??? ?? 由全塔的物料衡算方程可寫出： 總物料衡算 F= WD? =298 乙醇 的物料衡算 F= D + W 聯(lián)立解得 D =69 hkmol/ W =229 hkmol/ 求精餾塔的氣、液相負(fù)荷 L =R D= 69= V =(R+1) D=(1+) 69= 39。L =L+F=+298= 39。V =V= 全凝器冷凝介質(zhì)的消耗量 塔頂全凝器的熱負(fù)荷： ( 1) ( )C V D LDQ R D I I? ? ? 可以查得 1 2 6 6 / , 2 5 3 . 9 /V D L DI k J k g I k J k g??，所以 hkJQ C /) 2 6 6(69)( 5??????? 取水為冷凝介質(zhì)，其進(jìn)出冷凝器的溫度分別為 25℃ 和 35℃ 則 平均溫度下的比熱 4 .1 7 4 /pcc kJ kg C??186。，于是冷凝水用量可求 ： hkgttC QW pc CC / 1 8 3)2535( 1 7 4 6 0 0)12( ?????? 8 熱能利用 以釜殘液對預(yù)熱原料液，則將原料加熱至泡點所需的熱量 fQ 可記為：21()f f pf f fQ W c t t?? 其中 83 .8 3 45 64 .42fmtC??? 186。 在進(jìn)出預(yù)熱器的平均溫度以及 ? 186。 的情況下可以查得比熱4 .2 7 5 /pfc kJ kg C??186。，所以， hkJQ f /)( 100050000 6???????? 釜殘液放出的熱量 12()w w pw w wQ W c t t?? 若將釜殘液溫度降至 2 55wtC? 186。 那么平均溫度 8 55 wm ??? 186。 其比熱為 4 .1 9 1 /pwc kJ kg C??186。，因此， 63 6 4 . 8 5 4 . 1 9 1 ( 9 9 . 3 8 5 5 ) 1 . 2 2 8 1 0 /wQ k J h? ? ? ? ? ? 可知， wf? ，于是理論上可以用釜殘液加熱原料液至泡點 理論塔板層數(shù)的確定 精餾段操作線方程： 35 ??????? nDnn xR xxR Ry 提餾段操作線方程： 0 0 5 2 39。1 ????? mwmm xxVWxVLy q 線方程： ?x 在 ~yx相圖中分別畫出上述直線，利用圖解法可以求出 12?TN 塊 (含塔釜 ) 其中，精餾段 6塊，提餾段 6 塊。 9 010 0.10.20.30.40.50.60.70.80.91xy 圖 全塔效率的估算 用奧康奈爾法 ( 39。Oconenell )對全塔效率進(jìn)行估算： 由相平衡方程式1 ( 1)xy x??? ??可得 ( 1)( 1)yxxy? ?? ? 根據(jù)乙醇 ~水體系的相平衡數(shù) 據(jù)可以查得： ?? Dxy 1 ? (塔頂?shù)谝粔K板 ) ?fy ?fx (加料板 ) ?wx ?wy (塔釜 ) 因此可以求得： 3 4 ,2 3 ,6 1 ??? wf ??? 10 全塔的相對平均揮發(fā)度： 1 ??????? wfm ???? 全塔的平均溫度： 7 8 . 6 2 8 3 . 8 3 9 9 . 3 8 8 7 . 3 033D f Wm t t ttC?? ??? ? ? 186。 在溫度 mt 下查得2 3 20 . 3 2 7 , 0 . 3 8H O C H C H O Hm P a s m P a s??? ? ? ? 因為 L i Lix???? 所以， sm P aLf ??????? 3 3 8 )2 0 6 ( 0 6 ? 全塔液體的平均粘度： ( ) / 3 ( 0 . 3 2 7 0 . 3 8 0 . 3 2 7 ) / 3 0 . 3 4 4L m L f L D L W m P a s? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? 全塔效率 %)( )( ????? ?LTE ?? 實際塔板數(shù) PN 621 ????? TTTTP ENENN 塊 (含塔釜 ) 其中，精餾段的塔板數(shù) 為： ? 塊 4. 精餾塔主題尺寸的計算 精餾段與提餾段的體積流量 精餾段 整理精餾段的已知數(shù)據(jù)列于表 4，由表中數(shù)據(jù)可知： 液相平均摩爾質(zhì)量： k m olkgMMM f / 1 ????? 液相平均溫度： 8 3 . 8 3 7 8 . 6 2 8 1 . 222fDm tttC? ?? ? ? 186。 11 表 4 精餾段的已知數(shù)據(jù) 位置 進(jìn)料板 塔頂 (第一塊板 ) 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 39。 ?fx 39。39。1 ?? Dxy 39。 ?fy 39。1 ?x 摩爾分?jǐn)?shù) ?fx ?? Dxy ?fy 1 ? 摩爾質(zhì)量 / /kgkmol ?fM ? ? ?DM 溫度 /℃ 在平均溫度下查得2 3 2339 7 1 . 1 / , 7 3 5 /H O C H C H O Hk g m k g m???? 液相平均密度為： 3 2 239。39。11 L m L mL m C H C H O H H Oxx? ? ???? 其中，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù) 39。 0 .3 5 0 .8 8 5 0 .6 0 32Lmx ??? 所以， 3814 /Lm kg m? ? 精餾段的液相負(fù)荷 ???? RDL hmLMLLmn / 3???? ? 同理可計算出精餾段的汽相負(fù)荷。 精餾段的負(fù)荷列于表 5。 表 5 精餾段的汽液相負(fù)荷 名稱 汽相 液相 平均摩爾質(zhì)量 / /kgk