【導讀】化工原理課程設計。設計題目乙醇-水篩板精餾塔設計。完成時間2020年6月23日于徐州

　　

【正文】 又按前述各款進行了流體力學驗算之后，便可確認所設計的塔板能在任務規(guī)定的氣液負荷下正常操作。此時，有必要進一步揭示該塔板的操作性能，即求出維持該塔板正常操作所允許的氣、液負荷波動范圍。這個范圍通常以塔板負荷性能圖的形式表示。 圖 10 塔板負荷性能圖 27 漏液線 smU o / in ? 1 2 3 3m i nm in 0 . 7 8 5 0 . 0 0 5 2 6 9 2 1 0 . 9 7 0 . 5 7 9 6 / 2 0 8 6 . 3 8 /4S o oV d n u m s m h?? ? ? ? ? ? ?據(jù)此可以做出與流體流量無關(guān)的 液沫夾帶線 以 )1(fhTuaev ????? ? SSfT sa VVAA vu ????? 32)(,),( lwVEhmhhhhh LowwowwLf ????? 3232 ) 6 0 0( 0 2 LLh sow ???? 則 3232 )( LLh f ???? 3232 5 7 4 2 ssfT LLHH ?????? 57 323236 ???????????????sSVLVe 解得 ?SV 3206 sL? 計算所得： Ls(m3/s) Vs(m3/s) 據(jù)此可作出液沫夾帶線 2 液相負荷下限線 對 于 平 直 堰 ， 取 堰 上 清 液 層 高 度 mhow ? 作 最 小 液 體 負 荷 標 準 ， 由EL LEh w sow )3600( 32 ?? 得 ?E 則： smLS /0 0 0 5 2 ) ( 332m i n ??? 據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負荷下限 3 28 ..4 液相負荷上限線 以 s5?? 作為液體在降液管管中停留時間的下限 5?? s TfLHA? 3, 0. 05 34 0. 4m a x 0. 00 42 7 /55fTs AHL m s?? ? ? 據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負荷上線 4 液泛線 令 ?? hhhhhhhHhHH LcPdLpdwTd ???????? ,),( owwLL hhhhh ???? ,1 ? 聯(lián)立的： hhhhhH dCowwT ???????? )1()1( ???? ? （ 125） 整理得： 3222 39。39。39。39。 sss LdaLcbVa ??? 2 220 .0 5 1 0 .0 5 1 4 .6 539。 ( ) ( )( ) 8 6 2 .2 5( 0 .0 0 5 2 6 9 2 0 .7 8 ) 0 .1 6 24o o Lpva A C p ?? ? ? ?? ? ? 39。 ( 1 ) 0 . 6 0 . 4 ( 0 . 6 0 . 5 5 1 ) 0 . 0 1 7 0 . 2 2 4Twb H h? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? )( )( 39。 22 ???? ow ahlc 2233 333 6 0 0 3 6 0 039。 2 . 8 4 1 0 ( 1 ) ( ) 2 . 1 . 48 4 1 0 1 . 0 3 8 ( 1 0 . 5 5 ) ( )0 . 6 5 34wdE l???? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3222 sss LLV ??? 1 6 4 3 2 82 4 SSS LLV ????? (126) 列表計算如下 Ls(m3/s) Vs(m3/s) 由此表數(shù)據(jù)即可做出液泛線 5 根據(jù)以上各線方程，可做出篩板塔的負荷性能曲線 29 圖 11 精餾段 篩板塔的負荷性能曲線 五、換熱器 換熱器的初步選型 塔頂冷凝器 熱負荷 QC = (R+1)D(IVD ILD)= (R+1)DMDrD = 105 kcal/h。 取冷卻水的進口溫度為 32℃ ，出口溫度為 38℃ ，則換熱平均溫 差 ?tm =℃ ，取換熱系數(shù) K = 350 w/m2℃ ，則所需換熱面積： S = 105103 / (3600350) = m2 選擇型號：標準系列 JB114573 Fg20（單程） 塔底再沸器 熱負荷 QB = (R+1)DMBrB = 106 kJ/h。 取導熱油進口溫度為 260℃ ，出口溫度為 250℃ ， 則換熱平均溫差 ?tm =℃ ，取換熱系數(shù) K = 500 w /m2℃ ； 則所需換熱面積： S = 106103 /(3600500) = m2 選擇型號：標準系列 JB114573 Fg20（單程） 塔頂冷凝器的設計 公用工程：循環(huán)冷卻水：進口溫度 32℃ ，出口溫度 38℃ ；導熱油：進口溫度 260℃ ，出口溫度 250℃ 表 13 不同 流體的 K 值推薦 高溫流體 低溫流體 K 值推薦 /kcal/m2h ℃ 有機蒸汽 水 350650 高沸點碳氫化合物蒸汽 水 450850 有機蒸汽與水蒸汽混合物 水 400750 油汽蒸汽 水 350450 水蒸氣 水 15002500 甲醇蒸汽 水 450550 30 選擇水蒸氣 水循環(huán)系統(tǒng)，選擇換熱器，具體參數(shù)見下表 表 14 換熱器參數(shù) 外殼直徑 D/mm 500 公稱壓力 P/Mpa 公稱面積 A/m2 57 管程數(shù) Np 2 管子排列方式 正方形 管子尺寸 /mm Φ25╳ 管長 l/m 3 管數(shù) NT/根 248 管心距 t/mm 32 圖 12 換熱器工藝尺寸圖 表 15 塔頂冷凝器設計計算結(jié)果匯總表 項目 數(shù)值 備注 換熱器類型 — 固定管板式 換熱器面積 57m2 — 管程流體 — 冷卻水 殼程流體 — 塔頂汽相 管程流速 — 殼程流速 — 外殼直徑 500mm — 管程數(shù) — 雙程 管子長度 管子尺寸 Φ25╳ 正方形排列 折流板型式 — 弓形折流板 折流板間距 200mm — 殼程壓降 — 管程壓降 — 31 六、精餾塔工藝條件 塔體總高 塔頂空間 HD 塔頂空間 HD 的作用是供安裝塔板和開人孔的需要，也使氣體中的液滴自由沉降，一般取 1～ 塔底空間 HB 塔底空間 HB 具有中間貯槽的作用，塔釜料液最好能在塔底有 10～ 15 分鐘的儲量，以保證塔釜料液不致迅速排完，一般取 ～ 人孔 一般每隔 6～ 8層塔板設一人孔（供安裝、檢修用），人孔處板間距 ≥650mm，人孔直徑一般為 450～ 550mm，其伸出塔體的筒體長為 200～ 250mm，人孔中心距操作平臺約 800～ 1200mm 塔高 H=(nnp2)HT+HF+nPHp+HD+HB n—— 實際塔板數(shù) HF—— 進料板處板間距， m nP—— 人孔數(shù) Hp—— 人孔處的板間距，取 HD—— 塔頂空間， m（不包括頭蓋部分） HB—— 塔底空間， m（不包括底蓋部分） HT—— 板間距， m 進料板處間距 HF取 1000mm 塔底空間高度 HB取 2500mm 塔頂空間高度 HD取 1000mm 32 圖 13 塔高示意圖 精餾塔配管尺寸的計算 塔頂汽相管徑 dp 塔頂汽相出口流速 uv與塔的操作壓力有關(guān)，常壓可取 12~20m/s，減壓可取 20~30m/s。選擇常壓 20m/s ???? = √4??????????= √ 420= ??= ???? 根據(jù)國標管徑規(guī)格向上圓整 ，塔頂汽相管徑 dp=150mm， 塔頂汽相管型號選擇 DN150 回流液管徑 dR 回流量前已算出，自回流的流速范圍為 ~；若用泵輸送回流液，流速 uR可取 1~ m/s。 采用自回流，流速取 ???? = √4??????????= √ 4= ??=???? 根據(jù)國標管徑規(guī)格向上圓整，回流液管徑 dR =40mm， 回流液管型號選擇 DN40 33 加料管徑 dF 料液由泵送時流速 uF可取 ～ 。料液選擇由泵輸送，流速 uF取 ???? =?? ??????????????? = = ??3/? ???? = √4??????????=√ 4= ??= 根據(jù)國標管徑規(guī)格向上圓整， 加料管徑 dF =20mm， 加料管 型號選擇 DN20 釜液排出管徑 dw 塔釜液出塔的流速 uw可取 ～ 。本設計采用流速 uw為 ????′ = [(?? +1)?????? +??????]3600???? = [(+1)+]3600 = ??/?? ???? = √ 4????′?????? = √4 = ??= 根據(jù)國標管徑規(guī)格向上圓整， 釜液排出管徑 dw =80mm， 釜液排出管 型號選擇 DN80 再沸器返塔蒸汽管徑 dv’ 常壓與加壓塔流速 uv’可取 10m/s，減壓塔可取 15m/s 。此工藝采用常壓，流速 uv’可取 10m/s ????′ = √4??????????′= √ 410= ??= ???? 根據(jù)國標管徑規(guī)格向上圓整， 再沸器返塔蒸汽管徑 dv’=125mm， 再沸器返塔蒸汽管 型號選擇DN125 表 16 精餾塔配管尺寸 管類 管徑 /mm 管型號 塔頂汽相管 DN150 回流液管 DN40 加料管 DN20 釜液排出管 DN80 再沸器返塔蒸汽管 DN125 34 精餾塔工藝尺寸 圖 14 精餾塔工藝尺寸圖 35 七、塔板結(jié)構(gòu)設計結(jié)果 表 17 塔板結(jié)構(gòu)設計結(jié)果匯總 項目 數(shù)值或說明 備注 塔徑 /mm 1000 塔板數(shù) /塊 32 板間距 /mm 350 塔板類型 單溢流型 溢流堰類型 平直堰 堰長 /mm 650 堰高 /mm 17 降液管底隙高度 /mm 2 篩孔個數(shù) /個 2692 孔速 /m/s 精餾段 提餾段 開孔率 /% 板壓降 /mmH2O 精餾段 提餾段 134 降液管內(nèi)液體停留時間 /s 精餾段 提餾段 降液管內(nèi)液體清液層高度 /mm 泛點率 /% 操作彈性 3 八、符號說明 F：進料量（ kmol/h） D：塔頂產(chǎn)品流量（ kmol/h） W：塔底殘液流量（ kmol/h） xF：原料組成（摩爾分數(shù)） xD：塔頂組成（摩爾分數(shù)） xW：塔底組成（摩爾分數(shù)） MF：原料液的平均摩爾質(zhì)量（ kg/kmol） MD：餾出液的平均摩爾質(zhì)量（ kg/kmol） MW：塔釜殘液的平均摩爾量（ kg/kmol） Rmin：最小回流比 Nmin：最小理論板數(shù) R：最適回流比 NP：塔板數(shù) Mvm：氣相平均摩爾質(zhì)量（ kg/kmol） ρvm: 氣相平均密度（ kg/ m3） VS：塔的平均蒸汽流量（ m3/h） LS：塔的平均液相流量（ m3/h） σmD：塔頂平均表面張力（ mN/m） σmF：進料板平均表面張力（ mN/m） σmW：塔低平均表面張力（ mN/m） D：塔徑（ m） u：空塔速率為（ m/s） HT：板間距（ m） HP：塔頂空間（ m） HW：塔底空間（ m） HF：進料板高度（ m） WD：弓形溢流管寬度（ m） Af：弓形降液管面積（ m2） hOW：堰上液流高度（ mm） hW：堰高度（ mm） LW：堰長（ mm） hO：降液管底部離塔板距離（ mm） uO：氣體通過篩孔的氣速（ m/s） hp:氣體通過每層塔板壓降相當?shù)囊褐叨?mmH2O) hc:氣體通過篩板的干板壓降 (mmH2O) hi:氣體通過板上液層的阻力 (mmH2O) hσ:克服液體表面張力的阻力 (mmH2O) 36 九、結(jié)束語 課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識 ， 發(fā)現(xiàn) ， 提出 ， 分析和解決實際問題 ， 鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié) ， 是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程 。 塔設備是化工、石油化工和煉油等生產(chǎn)中最重要的設備之一 ， 他可以使氣 (或汽 )或液液兩相緊密接觸 ， 達到相際傳質(zhì)及傳熱的目的。在化工廠、石油化工廠、煉油廠等中 ， 塔設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)境保護等各方面都有重大影響。因此，掌握精餾塔的基本設計是身為化工專業(yè)學生是十分重要的。