甲醇-水精馏塔的设计
甲醇-水溶液连续精馏塔的设计
(一)设计名称
甲醇-水溶液连续精馏塔的设计 (二)设计条件 1) 处理量:17500t/a
2) 料液组成(质量分数):40% 3) 塔顶产品组成(质量分数):93.5% 4) 塔顶易挥发组分的回收率:99%
5) 每年实际生产时间:330天/年,每天24小时连续工作 6) 连续操作、中间加料、泡点回流 7) 操作压力:常压 8) 进料状况:泡点进料
9) 塔釜间接蒸汽加热,加热蒸汽压力为0.3Mpa
10)塔顶冷凝水用冷却水,水的进、出口温度差20-40℃
(三)塔板类型
筛孔板
(四)设计内容
1、设计说明书的内容 1) 精馏塔的物料衡算; 2) 塔板数的确定;
3) 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算; 4) 精馏塔的塔体工艺尺寸计算; 5) 塔板主要工艺尺寸的计算; 6) 塔板的流体力学验算; 7) 塔板负荷性能图;
8) 精馏塔接管尺寸计算;
9) 对设计过程的评述和有关问题的讨论。
2、设计图纸要求:
1) 绘制生产工艺流程图(A2号图纸); 2) 绘制精馏塔设计条件图(A1号图纸)。
目录
1 2
设计方案的确定....................................................................................................................... 1 精馏塔的物料衡算 ................................................................................................................... 1 2.1 原料液及塔顶和塔底的摩尔分率 ............................................................................... 1 2.2 原料液及塔顶和塔底产品的平均摩尔质量 ............................................................... 1 2.3 物料衡算 ..................................................................................... 错误!未定义书签。 塔板数的确定........................................................................................................................... 2 3.1
理论板层数NT的求取 ................................................................................................ 2
3
4
5
6
3.1.1 相对挥发度的求取 ........................................................................................... 2 3.1.2 求最小回流比及操作回流比 ........................................................................... 3 3.1.3 求精馏塔的气、液相负荷 ............................................................................... 3 3.1.4 求操作线方程 ................................................................................................... 4 3.1.5 采用逐板法求理论板层数 ............................................................................... 4 3.2 实际板层数的求取 ....................................................................................................... 5
3.2.1 液相的平均粘度 ............................................................................................... 5 3.2.2 精馏段和提馏段的相对挥发度 ....................................................................... 6 3.2.3 全塔效率ET 和实际塔板数 ............................................................................ 6 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 ........................................................................... 6 4.1 操作压力的计算 ........................................................................................................... 6 4.2 操作温度计算 ............................................................................................................... 6 4.3 平均摩尔质量计算 ....................................................................................................... 7 4.4 平均密度计算 ............................................................................................................... 7
4.4.1 气相平均密度计算 ........................................................................................... 7 4.4.2 液相平均密度计算 ........................................................................................... 7 4.5 液体平均表面张力的计算 ........................................................................................... 8 4.6 液体平均粘度 ............................................................................................................... 9 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 ................................................................................................... 9 5.1 塔径的计算 ................................................................................................................... 9 5.2 精馏塔有效高度的计算 ............................................................................................. 10 塔板主要工艺尺寸的计算 ..................................................................................................... 10 6.1 溢流装置计算 ............................................................................................................. 10
6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.2
堰长lW ............................................................................................................ 10 溢流堰高度hW ............................................................................................... 10 弓形降液管宽度Wd和截面积Af ................................................................ 11 降液管底隙高度h0 ........................................................................................ 11
塔板布置 ..................................................................................................................... 12
7
6.2.1 塔板的分块 ..................................................................................................... 12 6.2.2 边缘区宽度确定 ............................................................................................. 12 6.2.3 开孔区面积计算 ............................................................................................. 12 6.2.4 筛孔计算及排列 ............................................................................................. 12 塔板的流体力学验算 ............................................................................................................. 13 7.1 塔板压降 ..................................................................................................................... 13
7.1.1 7.1.2 7.1.3
干板阻力hc计算 ............................................................................................ 13 气体通过液层的阻力h1计算 ........................................................................ 13 液体表面张力的阻力h 计算 ........................................................................ 13
7.2 液面落差 ..................................................................................................................... 14 7.3 液沫夹带 ..................................................................................................................... 14 7.4 漏液 ............................................................................................................................. 14 7.5 液泛 ............................................................................................................................. 15 8 塔板负荷性能图..................................................................................................................... 15
8.1 漏液线 ......................................................................................................................... 15 8.2 液沫夹带线 ................................................................................................................. 16 8.3 液相负荷下限线 ......................................................................................................... 17 8.4 液相负荷上限线 ......................................................................................................... 17 8.5 液泛线 ......................................................................................................................... 17 9 筛板塔设计计算结果 ............................................................................................................. 19 10 精馏塔接管尺寸计算 ............................................................................................................. 21
10.1 10.2 10.3 10.4 11 12 13 14
塔顶蒸气出口管的直径dV ................................................................................... 21 回流管的直径dR ................................................................................................... 21 进料管的直径dF ................................................................................................... 21 塔底出料管的直径dW .......................................................................................... 22
对设计过程的评述和有关问题的讨论 ................................................................................. 22
设计图纸 ................................................................................................................................ 22 参考文献 ................................................................................................................................ 23 主要符号说明......................................................................................................................... 24
15 致谢
1 设计方案的确定
本设计任务为分离甲醇-水混合物。对于二元混合物的分离,应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料,将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝,冷凝液在泡点下一部分加回流至塔内,其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。塔釜采用间接蒸汽加热,塔底产品经冷却后送至储罐。
2 精馏塔的物料衡算
2.1 原料液及塔顶的摩尔分率 甲醇的摩尔质量 MA=32.04kg/kmol 水的摩尔质量 MB=18.02kg/kmol
0.4/32.04
=0.273
0.4/32.04+0.6/18.02
0.935/32.04
xD==0.89
0.935/32.04+0.065/18.02xF=
2.2 原料液及塔顶产品的平均摩尔质量
MF=0.273⨯32.04+(1-0.273) ⨯18.02=21.85kg/kmol MD=0.89⨯32.04+(1-0.89) ⨯18.02=30.5kg/kmol
2.3 塔底产品的摩尔分率及平均摩尔质量 塔顶易挥发组分的回收率η=0.999,η=可得:
D
=0.306 F
DxDD0.89
=⨯=0.999 FxFF0.273
F=D+W,FxF=DxD+WxW ,xW=
FxF-DxD
=
F-D
xF-
DxD
0.273-0.272==0.001
D1-0.3061-F
1.75⨯107
=101.13kmol/h,D=0.306F=30.95kmol/h 原料处理量 F=
330⨯24⨯21.85W=F-D=101.13-30.95=70.18kmol/h
MW=0.001⨯32.04+0.999⨯18.02=18.03kg/kmol
3 塔板数的确定
3.1 理论板层数NT的求取 3.1.1 相对挥发度的求取 由α=
(1-xA)yA
,再根据表1[1]数据可得到不同温度下的挥发度,见表2
xA(1-yA)
所以αm=1α2α3...α14=4.45
3.1.2 求最小回流比及操作回流比 泡点进料:xq=xF=0..273 yq=
αmxF4.45⨯0.273
==0.626
1+(αm-1)xF1+(4.45-1)⨯0.273
xD-yq
故最小回流比为
Rmin=
=0.89-0.626=0.748 yq-xq0.626-0.273
取操作回流比为
R=2Rmin=2⨯0.748=1.5 3.1.3 求精馏塔的气、液相负荷
L=RD=1.5 ⨯30.95=46.43kmol/h
V=(R+1)D=2.5 ⨯30.95=77.38kmol/hL' =L+F=46.43+101.13=147.56kmol/h V'=V=77.38kmol/h
3.1.4 求操作线方程
精馏段操作线方程为
1.50.89xR
xn+D=xn+yn+1==0.6xn+0.356 (a)
2.5R+1R+12.5
提馏段操作线方程
ym+1
'
L'W147.5670.18='xm-'xW=xm-⨯0.001=1.907xm-0.001 (b)
77.3877.38VV
3.1.5 采用逐板法求理论板层数 由 yq=
αxqy
得x=
α-(α-1)y1+(α-1)xq
y
y
(c)
4.45-3.45y
将 α=4.45 代入得相平衡方程
x=
α-(α-1)y
=
联立(a)、(b)、(c)式,可自上而下逐板计算所需理论板数。因塔顶为全凝 则y1=xD=0.89
由(c)式求得第一块板下降液体组成
x1=
y10.89
==0.645
4.45-3.45y4.45-3.45⨯0.89
利用(a)式计算第二块板上升蒸汽组成为
y2=0.6x1+0.356=0.743
交替使用式(a)和式(c)直到xn≤xF,然后改用提馏段操作线方程,直到xn≤xW为止,
计算结果见表3。
精馏塔的理论塔板数为 NT=10(包括再沸器) 进料板位置 NF=3
3.2 实际板层数的求取 3.2.1 液相的平均粘度 进料黏度:根据表1,用内插法求得tF=79︒C
查手册[2]得μA=0.277mPa⋅s μB=0.316mP⋅as lgμLF=0.27l3g0(.27)7+0.72l7g0(.31)6 求得μLF=0.305mPa⋅s
塔顶物料黏度:用内插法求得tD=66.2︒C 查手册[2]得μA=0.321mPa⋅s μB=0.429mP⋅as
x-x1x2-x1
=
t-t1t2-t1
lgμLD=0.89lg(0.321)+0.11lg(0.429) 求得μLD=0.334mPa⋅s
塔釜物料黏度:用内插法求得tW=99.8︒C, 查手册得μA=0.228mPa⋅s μB=0.284mP⋅as lgμLW=0.00l1g0(.22)8+0.99l9g0(.28)4 求得μLW=0.284mPa⋅s 精馏段液相平均黏度:μ精=
μLD+μLF
2
=
0.305+0.334
=0.32mPa⋅s
20.305+0.284
=0.295mPa⋅s
2
提馏段液相平均黏度:μ提=
μLW+μLF
2
=
3.2.2 精馏段和提馏段的相对挥发度
根据表2,用内插法求得αF=4.867 αD=2.55 αw=7.582 则精馏段的平均挥发度 α精=DαF=2.55⨯4.867=3.523 提馏段的平均挥发度 α提=WF=.582⨯4.867=6.075 3.2.3 全塔效率ET 和实际塔板数
全塔效率可用奥尔康公式:ET=0.49(αμL)-0.245计算 所以精馏段ET=0.49⨯(3.523⨯0.32)-0.245=0.476 提馏段ET=0.49⨯(6.075⨯0.295)-0.245=0.425 精馏段实际板层数 N精=
NT2
==4.2≈5块 ET0.476
N'T8
==18.8≈19块 E'T0.425
提馏段实际板层数 N提=
4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算
4.1 操作压力的计算 塔顶操作压力 PD=101. kP3a每层塔板压降 ∆P=0.7kPa
进料板压力 PF=101.3+0.7⨯5=104.8kPa 精馏段平均压力 Pm=(101.3+104.8)/2=103.05kPa
4.2 操作温度计算
依据操作压力,由泡点方程通过试差法计算出泡点温度,其中甲醇、水的饱和蒸气压由安托尼方程计算。计算结果如下: 塔顶温度 tD=66.2︒C
进料板温度 tF=79︒C
精馏段平均温度 tm=(66.2+79)/2=72.6︒C
4.3 平均摩尔质量计算 塔顶平均摩尔质量计算 由xD=y1=0.89,x1=0.645
MVDm=0.89⨯32.04+(1-0.89)⨯18.02=30.5kg/kmol MLDm=0.645⨯32.04+(1-0.645)⨯18.02=27.06kg/kmol 进料板平均摩尔质量计算
yF=y3=0.592 xF=x3=0.24 6
MVFm=0.592⨯32.04+(1-0.592)⨯18.02=26.32kg/kmol MLFm=0.246⨯32.04+(1-0.246)⨯18.02=21.47kg/kmol 精馏段平均摩尔质量
MVm=(30.5+26.32)/2=28.41kg/kmol MLm=(27.06+21.47)/2=24.27kg/kmol
4.4 平均密度计算 4.4.1 气相平均密度计算 由理想气体状态方程计算,即 ρVm=
PmMVm103.05⨯28.4
==1.018kg/m3 RTm8.314⨯(72.6+273.15)
4.4.2 液相平均密度计算 液相平均密度依下式计算,即
1
ρVm
=∑
ai
i
塔顶液相平均密度的计算
由tD=66.2︒C,查手册[2]得
ρA=753.26kg/m3 ρB=979.21kg/m3
1
=764.53kg/m3
0.935/753.26+0.065/979.21
进料板液相平均密度的计算
ρLDm=
由tF=79︒C,查手册得
ρA=73.86kg/m3 ρB=972.12kg/m3 进料板液相的质量分率
0.273⨯32.04
=0.4 aA=
0.273⨯32.04+0.727⨯18.02
1
=862.81kg/m3 ρLFm=
0.4/738.6+0.6/972.12
精馏段液相平均密度为
ρLm=(764.53+862.81)/2=813.67kg/m3
4.5 液体平均表面张力的计算 液相平均表面张力依下式计算,即 σLm=∑xiσi
塔顶液相平均表面张力的计算 由tD=66.2︒C,查手册[2]得
σA=16.745mN/m σB=64.873mN/m σLDm=0.89⨯16.745+0.11⨯64.873=22.04mN/m 进料板液相平均表面张力为 由tF=79︒C,查手册[2]得
σA=15..186mN/m σB=62.867mN/m
σLFm=0.273⨯15.186+0.727⨯62.867=49.85mN/m
精馏段液相平均表面张力为
σLm=(22.04+49.85)/2=35.95mN/m
4.6 液体平均粘度 计算见2.2.1
精馏段液相平均黏度μLM=0.32
5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算
5.1 塔径的计算
精馏段的气、液相体积流率为
Vs=
VMVm77.38⨯28.41
==0.6m3/s
3600ρVm3600⨯1.018
Ls=
LMLm46.43⨯24.27
==0.00038m3/s
3600ρLm3600⨯813.67
由
umax=σ 式中的C由式C=C20(L)0.2计算,其中C20由史密斯
201/2
关联图查取,图的横坐标为
Lh
Vh
⎛ρL ρ⎝V
⎫⎪⎪⎭
0.00038⨯3600⎛813.67⎫= ⎪
0.6⨯3600⎝1.018⎭
1/2
≈0.02
取板间距HT=0.40m,板上液层高度hL=0.06m,则
HT-hL=0.40-0.06=0.34m 查史密斯关联图[3]得C20=0.068
⎛35.95⎫
C=0.068⨯ ⎪
⎝20⎭umax=0.0.2
=0.0765
813.67-1.018
=2..16m/s
1.018
取安全系数为0.5,则空塔气速为
u=0.5umax=0.5⨯2.16=1.296m/s D=
4VS4⨯0.6
==0.77m πu3.14⨯1.296
按标准塔径圆整后为 D=0.8m
塔截面积为
ππ
AT=D2=⨯0.82=0.50m2
44
实际空塔气速为
0.6u==1.2m/s
0.5 5.2 精馏塔有效高度的计算 精馏段有效高度为
Z精=(N精-1)HT=(5-1)⨯0.4=1.6m 提馏段有效高度为
Z提=(N提-1)HT=(19-1)⨯0.4=7.2m 在进料板上方开一人孔,其高度为:0.8m 故精馏塔的有效高度为
Z=Z精+Z提+0.8=7.2+1.6+0.8=9.6m
6 塔板主要工艺尺寸的计算
6.1 溢流装置计算
因塔径D=0.8m,可选用单溢流弓形降液管,采用凹形受液盘。各项计算如下: 6.1.1 堰长lW
取lW=0.6D=0.6⨯0.8=0.48m 6.1.2 溢流堰高度hW 由hW=hL-hOW
选用平直堰,堰上液层高度hOW由式hOW近似取E=1,则
2.84⎛Lh⎫=E ⎪ 1000⎝lW⎭
hOW
2.84⎛0.00038⨯3600⎫=⨯1⨯ ⎪10000.48⎝⎭
2/3
=0.0057m
取板上清液层高度hL=60mm 故 hW=0.06-0.005=70.054m3 6.1.3 弓形降液管宽度Wd和截面积Af
lW
=0.6 0D
查弓形降液管的参数图[3],得
由
AfAT
=0.058
Wd
=0.12 D
故 Af=0.05A8T=0.05⨯80.5=0.02m92
Wd=0.12D=0.12⨯0.8=0.096m 依式θ=
3600AfHT
Lh
3600AfHT
Lh
验算液体在降液管中停留时间,即
3600⨯0.029⨯0.40
=30.5s>5s
0.00038⨯3600
θ==
故降液管设计合理。 6.1.4 降液管底隙高度h0
Lh
'
3600lWu0
h0=
取u0=0.08m/s 则 h0=
0.00038⨯3600
=0.01m
3600⨯0.48⨯0.08
hW-h0=0.0543-0.01=0.0443m>0.006m
故降液管底隙高度设计合理。
'
选用凹形受液盘,深度hW=50mm。
6.2 塔板布置 6.2.1 塔板的分块
因D≥800mm,故塔板采用分块板。查塔板分块表得,塔板分为3块。 6.2.2 边缘区宽度确定
取 Ws=W's=0.05m,W0.0 3m5c=6.2.3 开孔区面积计算
⎛πr2-1x⎫开孔区面积A
a按式Aa=2 sin⎪计算
180r⎭⎝
D0.8
-(Wd+Ws)=-(0.096+0.05)=0.254m 22D0.8
-0.035=0.365m r=-Wc=
22
其中 x=
⎛π⨯0.3652-10.254⎫222
⎪故 Aa=2 0.0.365-0.254+sin=0.338m ⎪1800.365⎭⎝6.2.4 筛孔计算及排列
本设计所处理的物系无腐蚀性,可选用δ=3mm碳钢板,取利孔直径d0=5mm 筛孔按正三角形排列,取孔中心距t为
t=3d0=3⨯5=15mm
筛孔数目n为
n=
1.155A01.155⨯0.338
==1690个 22
t0.015
2
2
开孔率为
⎛d⎫⎛0.005⎫
φ=0.907 0⎪=0.907 ⎪=10.1%
⎝0.015⎭⎝t⎭气体通过阀孔的气速为
u0=
Vs0.6==17.58m/s A00.101⨯0.338
7 塔板的流体力学验算
7.1 塔板压降 7.1.1 干板阻力hc计算
⎛u⎫⎛ρ⎫
干板阻力hc由式hc=0.051 0⎪ V⎪计算
⎝c0⎭⎝ρL⎭
2
由d0/δ=5/3=1.67,查干筛孔得流量系数图[3]得,c0=0.772
⎛17.58⎫⎛1.018⎫
故 hc=0.051⨯ 液柱 ⎪ ⎪=0.033
⎝0.772⎭⎝813.67⎭7.1.2 气体通过液层的阻力h1计算 气体通过液层的阻力h1由式h1=βhL计算 ua=
2
Vs0.6
==1.27m4/s
AT-Af0.5-0.029
F0=1..018=1.285kg1/2/(s⋅m1/2)
查充气系数关联图,得β=0.64。
h1=β(hW+hOW)=0.64⨯(0.0543+0.0057)=0.0384m液柱
7.1.3 液体表面张力的阻力hσ计算
4σL
计算,即 ρLgd0
液体表面张力的阻力hσ可按式hσ=
4σL4⨯35.95⨯10-3
hσ===0.0036m液柱
ρLgd0813.67⨯9.81⨯0.005气体通过没层塔板的液柱高度hP可按下式计算,即
hP=hc+h1+hσ=0.033+0.0384+0.0036=0.075m液柱
气体通过每层塔板的压降为
∆Pp=hpρLg=0.075⨯813.67⨯9.81=598.66kPa
7.2 液面落差
对于筛板塔,液面落差很小,且塔径和液流量均不大,故可忽略液面落差的影响。
7.3 液沫夹带
液沫夹带量由下式计算,即
5.7⨯10⎛ua
eV= H-hσf⎝T
-6⎫
⎪⎪⎭
3.2
hf=2.5 hL=2.⨯50.=06m0.
5.7⨯10-6故 eV=
35.95⨯10-3
⎛1.274⎫⨯ ⎪⎝0.40-0.15⎭
3.2
=0.003kg液/kg气
故在本设计中液沫夹带量eV在允许范围内。
7.4 漏液
对筛板塔,漏液点气速u0,min可由下式计算,即
u0,min=4.4C0(0.0056+0.13hL-hσ)L/V
=4.4⨯0.(0.0056+0.13⨯0.06-0.0036 )⨯813.67/1.018 =9.5m/s
实际孔速u0=17.58m/s>u0,min 稳定系数为
K=
u0u0,min
=
17.58
=1.85>1.5 9.51
故在本设计中无明显液漏。
7.5 液泛
为防止塔内发生液泛,降液管内液层高度Hd应服从下式的关系,即 Hd≤ϕ(HT+hW)
甲醇—水物系属一般物系,取ϕ=0.5,则
ϕ(HT+hW)=0.5(0.40+0.0535)=0.227m
而 Hd=hp+hL+h d
板上不设进口堰,hd可由下式计算,即
hd=0.153(u'0)2=0.153⨯(0.07)2=0.002m6液柱 Hd=0.075+0.06+0.002=60.137m6液柱 Hd≤ϕ(HT+hW)
故在本设计中不会发生液泛现象。
8 塔板负荷性能图
8.1 漏液线 由 u0,min=4.4C0
0.0056+0.13hL-hσL/V
μ0,min=
VS,minA
hL=hW+hOW hOW=
2.841000E(Lh2/3
l) w
得
Vs,mi=nCA}
/
=4.4⨯0.772⨯0.101⨯0.338⨯
{0.0056+0.013[0.0543+
3600LS2/32.84
⨯1⨯()]-0.0036}813.67/1.018 10000.48
2/3
整理得Vs,min=0..4Ls
+2.16
在操作数据内,任取几个LS值,依上式计算出VS值,计算结果见表4
8.2 液沫夹带线
以 ev=0.1kg液/kg气为限,求Vs-Ls关系如下 由 ev=
5.7⨯10-6
σL
(
μa
HT-hf
)3.2
ua=
VSVs
==2.123Vs
AT-Af0.5-0.029
hf=2.5hL=2.5(hw+how) hw=0.0543
2.84⎛3600Ls⎫how=⨯1⨯ ⎪
1000⎝0.48⎭故 hf=2.5(0.0543+1.09Ls
2/3
=1.09Ls
2/3
2/3
)=2.725Ls
2/3
2/3
+0.1358
2/3
HT-hf=0.4-0.1358-2.725Ls=0.2615-2.725Ls
3.2
⎫2.123Vs5.7⨯10-6⎛ ⎪ eV=-3 2/3⎪35.95⨯10⎝0.2615-2.725Ls⎭
=0.1
整理得 VS=0.924-9.627Ls
2/3
在操作范围内,任取几个值,依上式计算出值,计算结果见表5
8.3 液相负荷下限线
对于平直堰,取堰上液层高度how=0.005m作为最小液体负荷标准。由式得
hOW
2.84⎛3600Ls=E 1000 ⎝lW
⎫
⎪⎪⎭
2/3
=0.005
取E=1,则 Ls,min
0.48⎛0.005⨯1000⎫
= =0.0003m132/s ⎪⨯
2.843600⎝⎭
1.5
据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线(3)
8.4 液相负荷上限线
以 θ=4s 作为液体在降液管中停留时间的下限,由 θ=
AfHT
4
0.02⨯90.4
=0.002m93/s 4
AfHTLs
=4得
Ls,max=
=
据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线(4)
8.5 液泛线
令 Hd=ϕ(HT+hw)
由 Hd=hp+hL+hd;hp=hc+h1+hσ;h1=βhL;hL=hw+how 联立得 ϕHT+(ϕ-β-1)hw=(β+1)how+hc+hd+hσ
忽略hσ,将how与LS,hd与LS,hc与VS的关系式代入上式,并整理得
2/3
α'VS2=b'-c'L2-d'LSS
式中 α'=
0.051ρV
() 2
(A0c0)ρL
b'=ϕHT+(ϕ-β-1h)w
2 c'=0.153l/h()w0
d'=2.84⨯10-3E(1+β)(将有关的数据代入,得 a'=
36002/3
) lw
0.051⎛1.018⎫
⨯ ⎪=0.091 12
(0.101⨯0.338⨯0.772)⎝813.67⎭
30.187 b'=0.5⨯0.40+(0.5-0.64-1)⨯0.054=
c'=
0.153
=6640.63 2
(0.48⨯0.01)
2/3
⎛3600⎫
d'=2.84⨯10-3⨯1⨯(1+0.64)⨯ ⎪
0.48⎝⎭
=1.79
2/3
故 0.0911Vs2=0.187-6640.63L2s-1.79Ls
在操作范围内,任取几个LS值,依上式计算出VS值,计算结果列于表6
根据以上各线方程,可作出筛板塔的负荷性能图,如图所示
在负荷性能图上,作出操作点A(0.00038,0.6),连接OA,即作出操作线,由图可看出,该筛板的操作上限为液泛控制,下限为液漏控制,由上图查得
VS,max=0.867 VS,min=0.482
故操作弹性为
VS,maxVS,min
=
0.867
=1.80 0.482
9 筛板塔设计计算结果
所设计筛板塔的主要结果汇总于表7 表7 序项目 号
数值
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 15 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
平均温度tm,℃ 平均压力Pm,kPa 气相流量Vs,(m3/s) 液相流量Ls,(m3/s) 实际塔板数 有效段高度Z,m 塔径,m 板间距,m 溢流形式 降液管形式 堰长,m 堰高,m
板上液层高度,m 堰上液层高度,m 降液管管底隙高度,m 安定区宽度,m 边缘区宽度,m 开孔区面积,m2 筛孔直径,m 筛孔数目
孔中心距,m 开孔率,%
空塔气速,m/s 筛孔气速,m/s 稳定系数
每层塔板压降,Pa 负荷上限 负荷下限
kg液⎫ 液沫夹带eV,⎛ 气⎪⎝⎭
103.05 0.6 0.00038 24
9.6 0.8 0.4 单溢流 弓形 0.48 0.0543 0.06 0.0057 0.01 0.05 0.035 0.338 0.005 1690 0.015 10.1 1.018 17.58 1.85 598.66 液泛控制 液漏控制
0.003 0.867 0.482 1.8
气相负荷上限,m3/s 气相负荷下限,m/s 操作弹性
3
10 精馏塔接管尺寸计算
10.1 塔顶蒸气出口管的直径dV
操作压力为常压时,蒸气导管中常用流速为12~20 m/s,
4Vs
d=蒸气管的直径为 V
πuV,其中
dV---塔顶蒸气导管内径m Vs---塔顶蒸气量m3/s,取uV=12m/s,则 dV=
4⨯0.6
=0.252m
3.14⨯12
查表取φ273⨯8mm
10.2 回流管的直径dR
塔顶冷凝器械安装在塔顶平台时,回流液靠重力自流入塔内,流速uR可取0.2~0.5 m/s。取uR=0.2m/s,则
dR=
4Ls4⨯0.00038
==0.049m
πuR3.14⨯0.2
查表取φ57⨯3.5mm
10.3 进料管的直径dF
采用高位槽送料入塔,料液速度可取uF=0.4~0.8m/s,取料液速度
uF=0.5m/s,则
1.75⨯107
Vs==0.0007m3/s
3600⨯330⨯24⨯862.81
4Vs
d== F
πuF
4⨯0.0007
=0.042m0
3.14⨯0.5
查表取φ57⨯3.5mm
10.4 塔底出料管的直径dW
一般可取塔底出料管的料液流速uw为0.5~1.5 m/s,循环式再沸器取1.0~1.5 m/s,取塔底出料管的料液流速uw为0.5 m/s
dw=
4LW4⨯0.001
==0.050m
πuF3.14⨯0.5
查表取φ57⨯3.5mm
11 对设计过程的评述和有关问题的讨论
本设计采用筛板精馏塔设计完成任务,采用筛板精馏塔的原因主要是其具有
结构简单,造价低,生产能力较大,气体分撒均匀,传质效率较高等优点,但也有筛孔易堵塞等缺点。
由塔板负荷性能图可以看出,在本设计中的塔板的设计点在正常操作范围内,气液两相流量的变化对塔板效率影响不大,可以获得较理想的塔板效率。但操作弹性不大,增产的潜力较小。
12 设计图纸
绘制生产工艺流程图(见附图1); 绘制精馏塔设计条件图(见附图2)。
图1精馏简易流程图
13 参考文献
[1]杨祖荣,刘丽英,刘伟.化工原理.北京:化学工业出版社,2008 [2]刘光启,马连湘,刘杰.化学化工物性数据手册(有机卷).北京:化学工业出版社,2002
[3]贾绍义,柴城敬.化工原理课程设计.天津:天津大学出版社,2008 [4]刘道德,袁庆辉.化工设备的选择与工艺设计.中南大学出版社,2002
[5]路秀林,王者相.化工设备设计全书—塔设备.北京.化学工艺出版社,2004
[6]姜绍通,周先汗.食品工程原理.北京.化学工业出版社,2010 [7]刘光启,马连湘,刘杰.化学化工物性数据手册有机卷.北京.化学
工业出版社,2002
[8] 刘光启,马连湘,刘杰.化学化工物性数据手册无机卷.北京.化学工业出版社,2002 14 主要符号说明
15 致谢
在课程设计中,遇到了不少困难和挫折。感谢食品工程原理的胡老师对我的指导以及同学对我的鼓励,通过一周的努力,课程设计终于完成了。通过这次课程设计,让我学到了很多知识,明白了自己的知识体系还比较欠缺。自己要学习的东西还太多,以前老是觉得自己什么东西都会,什么东西都懂,有点眼高手低。在整个设计中我懂得了许多东西,也培养了我独立工作的能力,树立了对自己工作能力的信心,相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力,使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好,但是在设计过程中所学到的东西是这次设计的最大收获和财富,将使我受益终生。