12.0萬噸年乙醇-水混合液的浮閥精餾塔設(shè)計-分離乙醇-水混合液的浮閥精餾塔

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填 寫 說 明 1.本手冊是學(xué)院對畢業(yè)設(shè)計（論文）工作進行質(zhì)量監(jiān)控的重要依據(jù)，必須認(rèn)真如實填寫，妥善保管。 2.畢業(yè)答辯前，學(xué)生要將本手冊送交指導(dǎo)教師，待指導(dǎo)教師和評閱教師審閱畢業(yè)設(shè)計（論文）填寫評閱意見后，連同畢業(yè)設(shè)計（論文）一并交答辯委員會評閱。 3.凡由指導(dǎo)教師組或外聘（反聘）教師指導(dǎo)學(xué)生，各分院要派負(fù)責(zé)教師協(xié)助做好畢業(yè)設(shè)計（論文）手冊的填寫工作。畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 設(shè)計（論文）題目： 分離乙醇-水混合液的浮閥精餾塔 設(shè)計（論文）時間： 2012 年4 月 至 2012年6月 設(shè)計（論文）進行地點： 1、 設(shè)計（論文）內(nèi)容： 12.0萬噸/年乙醇-水混合液的浮閥精餾塔設(shè)計 2、 設(shè)計（論文）的原始數(shù)據(jù)及條件: 生產(chǎn)能力：年處理乙醇-水混合液12.0萬噸（開工率300天/年） 原 料：乙醇含量為20%（質(zhì)量百分比）的常溫液體 分離要求：塔頂乙醇含量不低于95%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 塔頂乙醇含量不高于0.2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 3、 塔操作條件 平均操作壓力：1atm 進料熱狀況：飽和液體進料 塔板類型：浮閥塔 工作日：每年300天，每天24小時連續(xù)運行 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 4、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻 [1] 《化工原理》王志魁 編著 化學(xué)工業(yè)出版社（第二版） 2002年2月第9次印刷 [2] 《化工原理》（新版）上、下冊 姚玉英主編 天津大學(xué)出版社1999年8月第1版 [3] 《化工原理》上、下冊 蔣維鈞主編 清華大學(xué)出版社 2003年2月第二版 5、進度安排及完成情況 序號 設(shè)計（論文）各階段任務(wù) 日 期 完成情況 1 進行實地調(diào)查 4月12日 ~ 5月 1日 完成 2 查找資料 5月 1日 ~ 5月25日 完成 3 進行設(shè)計計算 5月25日 ~ 6月 5日 完成 4 審核 6月5日 ~ 6月10日 完成 5 進行排版 6月10日 ~ 6 月 15日 完成 6 月 日 ~ 月 日 學(xué)生簽名： 文蔣權(quán) 指導(dǎo)教師簽名： 劉冬梅 系主任簽名： 鄧書平 2012年 月 日 畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱書 指導(dǎo)教師評語： 評 分 表（導(dǎo)師建議成績） 項目 創(chuàng)新 摘要 內(nèi)容 字跡 表現(xiàn) 合計 權(quán)重 10 5 60 10 15 100 分?jǐn)?shù) 指導(dǎo)教師簽字： 2012 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱書 評閱教師評語： 評 分 表（評閱教師建議成績） 項目 創(chuàng)新 摘要 內(nèi)容 字跡 合計 權(quán)重 10 5 75 10 100 分?jǐn)?shù) 評閱教師簽字： 2012 年 月 日 畢業(yè)答辯情況表 答辯時間：2012 年 月 日 答 辯 組 成 員 姓 名 職 稱 工 作 單 位 注 備 副教授 遼寧石油化工大學(xué) 副教授 遼寧石油化工大學(xué) 教授 遼寧石油化工大學(xué) 副教授 遼寧石油化工大學(xué) 副教授 遼寧石油化工大學(xué) 講師 遼寧石油化工大學(xué) 答辯評語： 建議答辯成績： 答辯組長： 2012 年 月 日 答辯委員會意見： 答辯委員會主任： 2012 年 月 日 成 績 畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 作 者 簽 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　  指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。 作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　  學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)　　 　 　大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 12.0萬噸/年乙醇-水混合液的浮閥精餾塔設(shè)計 摘 要 塔設(shè)備是煉油、化工、石油化工等生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的氣液傳質(zhì)設(shè)備。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸部件的形式，可以分為填料塔和板式塔。板式塔屬于逐級接觸逆流操作，填料塔屬于微分接觸操作。工業(yè)上對塔設(shè)備的主要要求：生產(chǎn)能力大；分離效率高；操作彈性大；氣體阻力小結(jié)構(gòu)簡單；設(shè)備取材面廣等。 塔型的合理選擇是做好塔設(shè)備設(shè)計的首要環(huán)節(jié)，選擇時應(yīng)考慮物料的性質(zhì)、操作的條件、塔設(shè)備的性能以及塔設(shè)備的制造、安裝、運轉(zhuǎn)和維修等方面的因素。板式塔的研究起步較早，具有結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、適應(yīng)性強、易于放大等特點。 精餾是分離液體混合物（含可液化的氣體混合物）最常用的一種單元操作，在化工，煉油，石油化工等工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。精餾過程在能量劑驅(qū)動下（有時加質(zhì)量劑），使氣液兩相多次直接接觸和分離，利用液相混合物中各組分的揮發(fā)度的不同，使易揮發(fā)組分由液相向氣相轉(zhuǎn)移，難揮發(fā)組分由氣相向液相轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)原料混合液中各組分的分離。根據(jù)生產(chǎn)上的不同要求，精餾操作可以是連續(xù)的或間歇的，有些特殊的物系還可采用衡沸精餾或萃取精餾等特殊方法進行分離。本設(shè)計的題目是乙醇-水連續(xù)精餾浮閥塔的設(shè)計，即需設(shè)計一個精餾塔用來分離易揮發(fā)的乙醇和不易揮發(fā)的水，采用連續(xù)操作方式，需設(shè)計一板式塔將其分離。 關(guān)鍵詞：乙醇，水， 浮閥精餾塔 Abstract The tower equipment is widely used in the production of oil refining, chemical, petrochemical and other gas-liquid mass transfer equipment. According to the form of tower gas-liquid contact parts can be divided into the packed tower and tray columns. Plate tower belonging to one level contact with counter-current operation, packed tower belongs to the differential-contact operation. The main requirements of industrial equipment on the tower: ； capacity ； high separation efficiency, operating flexibility ；The simple structure of gas flow resistance equipment drawn a wide range. The tower type of rational choice is to do the primary link in the tower equipment, options, should consider the nature of the materials, operating conditions, the performance of the tower equipment and tower equipment manufacturing, installation, operation and maintenance and other factors. Plate tower of an early start with a simple structure, low cost, adaptable, easy to enlarge. Distillation is the separation of liquid mixtures (including liquefied gas mixture) the most commonly used as a unit operation, has been widely used in the chemical, oil refining, petrochemical and other industries. Distillation process in the energy agent-driven (sometimes plus a quality agent), so that the gas-liquid two-phase many times in direct contact and separation, the volatility of each component in the liquid mixture of different volatile components from the liquid to the gas transfer, difficult to volatiles from vapor to liquid phase transfer and separation of each component in the raw material mixture. According to different requirements on the production, distillation can be continuous or intermittent, some special material system can be applied to value-for-boiling distillation or extractive distillation, and other special methods for separation. The subject of this design is ethanol - water continuous distillation of the valve tower design, the need to design a distillation column used to separate ethanol volatile and less volatile water, using a continuous mode of operation, the need to design a plate tower separation . Key words: ethanol, water, float valve distillation column 目 錄 前言 1 第一章 綜述 2 1.1 乙醇的性質(zhì) 2 1.1.1 物理性質(zhì) 2 1.1.2 化學(xué)性質(zhì) 2 1.2 乙醇的用途 2 1.2.1 藥理作用 2 1.2.2飲料 3 1．2.3 基本有機化工原料 3 1.2.4汽車燃料 3 1.3 乙醇的發(fā)展 4 第二章 工藝計算 6 2.1塔板的工藝設(shè)計 6 2.1.1精餾塔全塔物料衡算 6 2.1.2理論塔板的計算 12 2.1.3塔經(jīng)的初步計算 13 2.1.4溢流裝置 15 2.1.5塔板布置及浮閥數(shù)目與排列 16 2.2塔板的流體力學(xué)計算 17 2.2.1淹塔 18 2.2.2、液沫夾帶 19 2.2.3塔板負(fù)荷性能 20 2.3 附件設(shè)計 22 2.3.1接管 22 進料管 22 回流管 23 塔釜出料管 23 塔頂蒸汽出料管 23 2.3.2法蘭 23 2.3.3簡體與封頭 24 2.3.4除沫器 24 2.3.5裙座 24 2.3.6 吊柱 25 2.3.7人孔 25 2.4塔總體高度的設(shè)計 25 2.5塔附屬設(shè)備設(shè)計 26 2.5.1冷凝器的選擇 26 2.5.2再沸器的選擇 26 第三章 總結(jié) 28 謝辭 29 參考文獻 30 32 前言 本次課程設(shè)計的任務(wù)是設(shè)計分離乙醇-水的精餾塔，塔型選為浮閥塔，因為篩板塔與浮閥塔相比，浮閥塔有降液槽和溢流堰，氣體頂開浮閥上升與塔盤上液體接觸，傳質(zhì)在塔盤上進行，液體通過降液槽下降，其操作彈性較大。 本設(shè)計任務(wù)為分離乙醇-水混合物，進料為飽和液體進料，操作壓力是一個大氣壓。對于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。設(shè)計中采用泡點進料，將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點后送人精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲罐。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1.5倍。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。  第一章 文獻綜述 1.1 乙醇的性質(zhì) 1.1.1 物理性質(zhì) 乙醇俗稱酒精，室溫下，乙醇是無色易燃，且有特殊香味的揮發(fā)性液體。乙醇是一種很好的溶劑，既能溶解許多無機物，又能溶解許多有機物，所以常用乙醇來溶解植物色素或其中的藥用成分，也常用乙醇作為反應(yīng)的溶劑，使參加反應(yīng)的有機物和無機物均能溶解，增大接觸面積，提高反應(yīng)速率。例如，在油脂的皂化反應(yīng)中，加入乙醇既能溶解NaOH，又能溶解油脂，讓它們在均相（同一溶劑的溶液）中充分接觸，加快反應(yīng)速率，提高反應(yīng)限度。 1.1.2 化學(xué)性質(zhì) 乙醇分子中含有極化的氧氫鍵，電離時生成烷氧基負(fù)離子和質(zhì)子。 乙醇具有還原性，可以被氧化成為乙醛。酒精中毒的罪魁禍?zhǔn)淄ǔ１徽J(rèn)為是有一定毒性的乙醛，而并非喝下去的乙醇。 乙醇可以與乙酸在濃硫酸的催化并加熱的情況下發(fā)生酯化作用，生成乙酸乙酯。 乙醇燃燒發(fā)出淡藍色火焰，生成二氧化碳和水（蒸氣），并放出大量的熱，不完全燃燒時還生成一氧化碳，有黃色火焰，放出熱量 。 1.2 乙醇的用途 1.2.1 藥理作用 廣泛用于醫(yī)用消毒[75%（體積分?jǐn)?shù)）的乙醇溶液常用于醫(yī)療消毒] 一般使用 95%的酒精用于器械消毒；70~75%的酒精用于殺菌，例如 75%的酒精在常溫（25C）下一分內(nèi)可以殺死 大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠菌、白色念球菌、銅綠假單胞菌等；更低濃度的酒精用于降低體溫，促進局部血液循環(huán)等。但是研究表明，乙醇不能殺死細(xì)菌芽孢，也不能殺死肝炎病毒（如：乙肝病毒）。故乙醇只能用于一般消毒，達不到滅菌標(biāo)準(zhǔn)。 1.2.2 飲料 乙醇是酒主要成分（含量和酒的種類有關(guān)系）如白酒為56度的酒。注意：我們喝的酒內(nèi)的乙醇不是把乙醇加進去，而是發(fā)酵出來的乙醇，當(dāng)然根據(jù)使用的發(fā)酵酶不同還會有乙酸或糖等有關(guān)物質(zhì)。 　白酒的度數(shù)表示酒中含乙醇的體積百分比（西方國家常用proof表示酒精含量），通常是以20℃時的體積比表示的，如50度的酒，表示在100毫升的酒中，含有乙醇50毫升(20℃)。另外對于啤酒是表示啤酒生產(chǎn)原料麥芽汁的濃度，以12度的啤酒為例，是麥芽汁發(fā)酵前浸出物的濃度為12%(重量比)。麥芽汁中的浸出物是多種成分的混合物，以麥芽糖為主。啤酒中乙醇濃度一般低于10%。 1．2.3 基本有機化工原料 乙醇可用來制取乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等化工原料，也是制取、染料、涂料、洗滌劑等產(chǎn)品的原料 1.2.4 汽車燃料 乙醇可以調(diào)入汽油，作為車用燃料，我國雅津甜高粱乙醇在汽油中占10%。美國銷售乙醇汽油已有20年歷史。 乙醇汽油也被稱為（E型汽油），我國使用乙醇汽油是用90%的普通汽油與10%的燃料乙醇調(diào)和而成。它可以改善油品的性能和質(zhì)量，降低一氧化碳、碳?xì)浠衔锏戎饕廴疚锱欧拧? 車用乙醇汽油是指在不含甲基叔丁基醚（MTBE）、含氧添加劑的專用汽油組分油中，按體積比加入一定比例（我國目前暫定為10%）的變性燃料乙醇，由車用乙醇汽油定點調(diào)配中心按國標(biāo)GB18351—2001的質(zhì)量要求，通過特定工藝混配而成的新一代清潔環(huán)保型車用燃料。 車用乙醇汽油按研究法辛烷值分為90號、93號、95號三個牌號。 標(biāo)志方法是在汽油標(biāo)號前加注字母E，做為車用乙醇汽油的統(tǒng)一標(biāo)示，三種牌號的汽油標(biāo)志分別為“E90乙醇汽油90號”、“E90乙醇汽油93號”、“E90乙醇汽油95號”。車用乙醇汽油適用于裝配點燃式發(fā)動機的各類車輛、無論是化油器或電噴供油方式的大、中、小型車輛。 它不影響汽車的 行駛性能，還減少有害氣體的排放量。乙醇汽油作為一種新型清潔燃料，是目前世界上可再生能源的發(fā)展重點，符合我國能源替代戰(zhàn)略和可再生能源發(fā)展方向，技術(shù)上成熟安全可靠，在我國完全適用，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。 1.3 乙醇的發(fā)展 早在20世紀(jì)20年代，巴西就開始了乙醇汽油的使用。由于巴西石油資源缺乏，但盛產(chǎn)甘蔗，于是形成了用甘蔗生產(chǎn)蔗糖、醇的成套技術(shù)。目前，巴西是世界上乙醇汽油中乙醇含量最早達到20%的國家。 美國是世界上另一個燃料乙醇的消費大國。20世紀(jì)30年代在內(nèi)布拉斯加州地區(qū)乙醇汽油就首次面市。1978年含10%乙醇汽油（E10汽油）在內(nèi)布拉斯加州大規(guī)模使用，此后，美國聯(lián)邦政府對E10汽油實行減免稅，燃料乙醇產(chǎn)量從1979年的3萬噸迅速增加到1990年的269萬噸。2000年美國燃料乙醇產(chǎn)量達到500萬噸。隨著MTBE在美國使用量的減少和最終的禁用，燃料乙醇將成為MTBE最佳含氧化合物的替代產(chǎn)品。預(yù)計，到2004年全美國燃料乙醇需求將達到1000萬噸。 我國在抗戰(zhàn)時，就使用酒精作汽車燃料，在解放戰(zhàn)爭的時候，解放軍為了軍用，建立了南陽酒精廠，現(xiàn)在這個廠還是現(xiàn)在生產(chǎn)乙醇汽油用酒精的主要工廠。解放之初，還有用酒精開汽車的，而且還不是現(xiàn)在的科學(xué)的乙醇汽油。 國內(nèi)乙醇汽油產(chǎn)量占世界第三位，今年國家發(fā)展與改革委員會上呈全國兩會的報告統(tǒng)計，全國目前已有每年混配一千萬噸乙醇汽油的能力，乙醇汽油的消費量已占全國汽油消費量的20%，在全世界上繼巴西、美國之后成為生產(chǎn)乙醇汽油的第三大國。如全國都使用含10%的乙醇汽油，則每年可節(jié)省450萬噸汽油。乙醇汽油是「十五計劃」的重點工作之一。 國內(nèi)從2003年起陸續(xù)宣稱黑龍江、吉林、遼寧、河南、安徽等省及河北、山東、江蘇、湖北等27個城市全面停用普通無鉛汽油，改用添加10%酒精的乙醇汽油。 目前中國大多數(shù)推廣省市中乙醇汽油占汽油的銷售使用量比例都較高，且還在進一步提高，可是因為原料、成本和技術(shù)問題，中國在乙醇汽油的推廣中也遇到一些阻礙，后因政策支持，技術(shù)進步等原因，使得乙醇汽油的推廣得以順利進行。 總體看來，乙醇汽油的使用及推廣是中國大勢所趨，2006至2010年期間，車用乙醇汽油將在國內(nèi)更多地區(qū)推廣。 乙醇汽油的環(huán)保性令人稱道，在9個城市調(diào)查報告中，使用乙醇汽油期間，城市空氣中的二氧化氮、一氧化碳季均值與使用普通汽油比較，二氧化氮下降了8%與一氧化碳下降5%。  第二章 工藝計算 2.1 塔板的工藝設(shè)計 2.1.1 精餾塔全塔物料衡算 F：原料液流量(kmol/s) xF：原料組成（摩爾分?jǐn)?shù)，下同） D：塔頂產(chǎn)品流量(kmol/s) xD：塔頂組成 W：塔底殘液流量(kmol/s) xW：塔底組成 原料乙醇組成： 塔頂組成： 塔底組成： 進料平均分子量：=46.070.174+18.020.826=22.9kg/kmol 進料量： kmol/h=0.2259 kmol/s 物料衡算式為： （2-1） 聯(lián)立代入求解：D=0.0227 kmol/s W=0.2032 kmol/ 表2-1 常壓下乙醇-水氣液平衡組成（摩爾）與溫度關(guān)系 溫度/℃ 液相 氣相 溫度/℃ 液相 氣相 溫度/℃ 液相 氣相 100 0 0 82.7 23.37 54.45 79.3 57.32 68.41 95.5 1.90 17.00 82.3 26.08 55.80 78.74 67.63 73.85 89.0 7.21 38.91 81.5 32.73 59.26 78.41 74.72 78.15 86.7 9.66 43.75 80.7 39.65 61.22 78.15 89.43 89.43 85.3 12.38 47.04 79.8 50.79 65.64 84.1 16.61 50.89 79.7 51.98 65.99 溫度 ①tF：，tF=87.41℃ ②tD：，tD=78.17℃ ③tW：，tW=99.82℃ ④精餾段平均溫度：℃ ⑤提餾段平均溫度：℃ 密度 已知：混合液密度 （2-2） 混合氣密度（a為質(zhì)量分率，為平均分子量） 精餾段：℃ 液相組成x1：，x1=22.94% 氣相組成y1：，y1=54.22% 所以 kg/kmol kg/kmol 提餾段：℃ 液相組成x2：，x2=3.44% 氣相組成y2：，y2=23.37% 所以 kg/kmol kg/kmol 表2-2 不同溫度下乙醇和水的密度 溫度/℃ ρ乙 ρ水 溫度/℃ ρ乙 ρ水 80 735 971.8 95 720 961.85 85 730 968.6 100 716 958.4 90 724 965.3 求得在與下乙醇和水的密度 ℃，， kg/m ， kg/m 同理：℃， kg/m， kg/m 在精餾段 液相密度： kg/m 氣相密度： kg/m 在精餾段 液相密度： kg/m 氣相密度： kg/m 混合液體表面張力 二元有機物-水溶液表面張力可用下列各式計算 公式： （2-3） 注： 式中下角標(biāo)w、o、s分別代表水、有機物及表面部分，Xw、Xo指主體部分的分子數(shù)，、指主體部分的分子體積，、為水、有機物的表面張力，對乙醇q=2。 ① 精餾段：℃ 表2-3 不同溫度下乙醇和水的表面張力 溫度/℃ 70 80 90 100 乙醇表面張力/10-2N/m2 18 17.15 16.2 15.2 水表面張力/10-2N/m2 64.3 62.6 60.7 58.8 cm3/mol cm3/mol 乙醇表面張力：， 水表面張力：， （2-4） 因為 ， 所以 （2-5） 聯(lián)立方程組 代入解得： ， ②提餾段：℃ cm3/mol cm3/mol 乙醇表面張力：， 水表面張力：， ， 因為 ， 所以 聯(lián)立方程組 代入解得： 混合物的粘度 ℃，查表得： mPas， mPas ℃，查表得： mPas， mPas 精餾段粘度 mPas 提餾段粘度 mPas 相對揮發(fā)度 ①精餾段揮發(fā)度：由，得， 所以 ②提餾段揮發(fā)度：由，得， 所以 （2-6） 氣液相體積流量計算 根據(jù)x-y圖得： 取 （1）精餾段： kmol/s kmol/s 已知： kg/kmol， kg/kmol kg/ kmol， kg/ kmol 質(zhì)量流量： kg/s （2-7） m/s 體積流量： m/s （2-8） m/s （2）提餾段：因本設(shè)計為飽和液體進料，所以q=1 kmol/s （2-9） kmol/s 已知： kg/kmol， kg/kmol kg/m， kg/m 質(zhì)量流量： kg/s （2-10） kg/s 體積流量： m/s （2-11） m/s 2.1.2 理論塔板的計算 理論板：指離開這種板的氣液兩相互成平衡，而且塔板上液相組成均勻。 理論板的計算方法：可采用逐板計算法、圖解法，本次實驗采用圖解法。 根據(jù)1.01325105Pa下，乙醇-水的氣液平衡組成關(guān)系可繪出平衡曲線即x-y曲線圖，泡點進料，所以q=1，即q為一直線，本平衡具有下凹部分，操作線尚未落到平衡線前，已與平衡線相切。，操作回流比 已知：精餾段操作線方程： 精餾段操作線方程： 在圖上作操作線，由點（0.8814，0.8814）起在平衡線與操作線間畫階梯，過精餾段操作線與q線交點，直到階梯與平衡線交點小于0.00078為止，由此得到理論板NT=26塊（包括再沸器），加料板為第24塊理論板。 板效率與塔板結(jié)構(gòu)、操作條件、物質(zhì)的物理性質(zhì)及流體性質(zhì)有關(guān)，它反映了實際塔板上傳質(zhì)過程進行的程度。板效率可用奧康奈爾公式計算。 注：——塔頂與塔底平均溫度下的相對揮發(fā)度 ——塔頂與塔底平均溫度下的液體粘度mPas 精餾段 已知：，mPas 所以： 故塊 提餾段 已知：， mPas 所以： 故塊 （2-12） 全塔所需實際塔板數(shù)：塊 全塔效率加料板位置在第53塊板。 2.1.3 塔經(jīng)的初步計算 精餾段 由=（安全系數(shù)），安全系數(shù)=0.6-0.8，式中C可由史密斯關(guān)聯(lián)圖查出： 橫坐標(biāo)數(shù)值： 取板間距： m， m，則 m 查圖可知： m/s （2-13） m/s m 橫截面積： m2 空塔氣速： m/s 提餾段 橫坐標(biāo)數(shù)值： 取板間距： m， m，則 m 查圖可知： m/s m/s m 圓整： m 橫截面積： m2 空塔氣速： m/s 2.1.4 溢流裝置 堰長 取 m 出口堰高：本設(shè)計采用平直堰，堰上液高度按下式計算 近似取E=1 （1）精餾段 m m （2）提餾段 m m 弓形降液管寬度和橫截面積 查圖得：， 則 m2， m 驗算降液管內(nèi)停留時間： 精餾段： s 提餾段： s 停留時間>5s，故降液管可用。 降液管底隙高度 （1）精餾段 取降液管底隙的流速 m/s，則 m （2）提餾段 取降液管底隙的流速 m/s，則 m 取0.05 因為不小于20mm，故滿足要求。 2.1.5 塔板布置及浮閥數(shù)目與排列 塔板分布 本設(shè)計塔經(jīng)D=1.67m，采用分塊式塔板，以便通過人孔裝拆塔板。 浮閥數(shù)目與排列 （1）精餾段 取閥孔動能因子，則孔速為 m/s 每層塔板上浮閥數(shù)目為 個 取邊緣區(qū)寬度 m，破沫區(qū)寬度 m 計算塔板上的鼓泡區(qū)面積，即 其中 m m 所以 m2 浮閥排列方式采用等腰三角形叉排，取同一個橫排的孔心距t=75mm 則排間距： m=88mm 考慮到塔的直徑較大，必須采用分塊式塔板，二各分塊的支撐與銜接也要占去一部分鼓泡區(qū)面積，因此排間距不宜采用88mm，而應(yīng)小些。故取mm=0.065m，按t=75mm，mm，以等腰三角形叉排作圖，排的浮閥數(shù)247個。 按N=300重新核算孔速及閥孔動能因子： m/s， 閥孔動能因子變化不大，仍在9-13范圍內(nèi)，塔板開孔率= 提餾段 取閥孔動能因子，則 m/s 每層塔板上浮閥數(shù)目為個 按t=75mm，估算排間距：m=101mm 取mm，以等腰三角形叉排作圖，排的浮閥數(shù)213個。 按N=213重新核算孔速及閥孔動能因子： m/s， 閥孔動能因子變化不大，仍在9-13范圍內(nèi)，塔板開孔率= 2.2 塔板的流體力學(xué)計算 氣相通過浮閥塔板的壓降可根據(jù)計算 精餾段 ⑴ 干板阻力 m/s （2-14） 因故 ⑵ 板上氣液層阻力 取， ⑶ 液體表面張力所造成的阻力 此阻力很小，可忽略不計，因此與氣體流經(jīng)塔板的壓降相當(dāng)?shù)母叨葹? 提留段 ⑴ 干板阻力 m/s 因，故 ⑵ 板上充氣液層阻力。取， ⑶ 表面張力所造成的阻力 此阻力很小，可忽略不計，因此與氣體流經(jīng)塔板的壓降相當(dāng)?shù)母叨葹椋? 2.2.1 淹塔 為防止發(fā)生淹塔現(xiàn)象，要求控制降液管中清液高度 精餾段 ⑴ 單層氣體通過塔板壓降所相當(dāng)?shù)囊褐叨? ⑵ 液體通過降液管的壓頭損失： （2-15） ⑶ 板上液層高度：，則， 取，已選定， 則 可見，所以符合防止淹塔的要求 提留段 ⑴ 單板壓降所相當(dāng)?shù)囊褐叨? ⑵ 液體通過降液管的壓頭損失 （2-16） ⑶ 板上液層高度：，則 取，則 可見，所以符合防止淹塔的要求 2.2.2 液沫夾帶 精餾段 泛點率= (2-17) 泛點率= (2-18) 板上液體流經(jīng)長度： 板上液流面積： 查物性系數(shù) K=1.0，泛點負(fù)荷系數(shù)圖 泛點率= 泛點率= 對于大塔，為了避免過量物沫夾帶，應(yīng)控制泛點率不超過80%，由以上計算可知，無沫夾帶能夠滿足的要求。 提留段 取物性系數(shù)K=1.0，泛點負(fù)荷系數(shù)圖 泛點率= 泛點率= 由計算可知符合要求。 2.2.3 塔板負(fù)荷性能 物沫夾帶線 泛點率= (2-20) 據(jù)此可作出負(fù)荷性能圖中的物沫夾帶線，按泛點率80%計算 ⑴ 精餾段 整理得： 由上可知物沫夾帶線為直線，則在操作范圍內(nèi)任取兩個值，算出 ⑵ 提留段 整理得： 液泛線 (2-21) 由此確定液泛線，忽略式中的， 而 ⑴ 精餾段0.254=5.34 整理得： ⑵ 提留段0.249=5.34 整理得： 液相負(fù)荷上限 液體的最大流量應(yīng)保證降液管中停留時間不低于35s 液體降液管內(nèi)停留時間 以Q=5s作為液體在降液管內(nèi)停留時間的下限，則 m3/s 漏液線 對于型重閥，依作為規(guī)定氣體最小負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)，則 ⑴ 精餾段 m3/s ⑵ 提留段 m3/s 液相負(fù)荷下限 取堰上液層高度作為液相負(fù)荷下限條件作出液相負(fù)荷下限線，該線為與氣相流量無關(guān)的豎直線。 ，取E=1.0 則 m3/s 由以上15作出塔板負(fù)荷性能圖?？梢钥闯? ⑴ 在任務(wù)規(guī)定的氣液負(fù)荷下的操作點p（設(shè)計點）處在適宜操作區(qū)內(nèi)的位置； ⑵ 塔板的氣相負(fù)荷上限完全由物沫夾帶控制操作下限由漏液控制； ⑶ 按固定的液氣比，由圖可查出塔板的氣相負(fù)荷上限 m3/s，氣相負(fù)荷下限m3/s 所以精餾段操做彈性=，提餾段操做彈性= 2.3 附件設(shè)計 2.3.1 接管 進料管 進料管的結(jié)構(gòu)類型很多，有直管進料管，彎管進料管，本設(shè)計采用直管進料管。 管徑計算： D= 取u=1.6m/s,=918.19kg/m V=m/s D=m=64mm 查表取 回流管 采用直管回流管，取 m/s 查表取 塔釜出料管 取m/s，直管出料， 查表取 塔頂蒸汽出料管 取直管出氣，取出口管速 ，則 查表取 2.3.2 法蘭 由于常壓操作，所有法蘭均采用標(biāo)準(zhǔn)管法蘭，由不同的公稱直徑選用相應(yīng)的法蘭 ⑴ 進料管法蘭： ⑵ 回流管法蘭： ⑶ 塔釜出料管法蘭： ⑷ 塔頂蒸汽管法蘭： ⑸ 塔釜蒸汽進氣法蘭： 2.3.3 簡體與封頭 1、簡體 壁厚選6mm，所用材質(zhì)為 2、封頭 封頭分為橢圓形封頭、碟形封頭等幾種，本設(shè)計采用橢圓形封頭，由公稱直徑，查得曲面高度,直邊高度，內(nèi)表面積，容積，選用封頭， 2.3.4 除沫器 當(dāng)空塔氣速較大，塔頂帶液現(xiàn)象嚴(yán)重，以及工藝過程中不許出現(xiàn)氣速夾帶霧滴的情況下，設(shè)置除沫器，以減少液體夾帶損失，確保氣體純度，保證后續(xù)設(shè)備的正常操作。常用除沫器有折流式除沫器，絲網(wǎng)除沫器以及程流除沫器。本設(shè)計采用絲網(wǎng)除沫器，其具有比表面積大，重量輕、空隙大及使用方便等優(yōu)點。 設(shè)計全速，選取，系數(shù)=0.107 u=0.107 m/s除沫器直徑：D= 選取不銹鋼除沫器：類型：標(biāo)準(zhǔn)型，規(guī)格：40-100，材料：不銹鋼絲網(wǎng)（） 2.3.5 裙座 塔底常用裙座的結(jié)構(gòu)性能好，連接處產(chǎn)生的局部阻力小，所以它是塔設(shè)備的主要支座形式，為了制作方便，一般采用圓筒形。由于群座內(nèi)徑>800mm,故群座壁厚取16mm。 基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)經(jīng)： 基礎(chǔ)環(huán)外經(jīng)： 圓整：=1600mm，=2100mm.基礎(chǔ)環(huán)厚度，考慮到腐蝕余量，腐蝕余量取18mm，考慮到再沸器，群座高度取3m，地角螺栓直徑取M30. 2.3.6 吊柱 對于較高的室外無框架的整體塔，在塔頂設(shè)置吊柱，對于補充和更換填料、安裝和拆卸內(nèi)件，既經(jīng)濟又方便的一項措施，一般取15m以上的塔物設(shè)吊柱，本設(shè)計中高度大，因此設(shè)吊柱。因設(shè)計塔徑D=1800mm，可選用吊柱500kg，s=1000mm，L=3400mm，H=1000mm，材料為。 2.3.7 人孔 人孔是安裝和檢修人員進出塔的惟一通道，人空的設(shè)置應(yīng)便于人進入任一層塔板，由于設(shè)置人孔處塔間距離大，且人孔設(shè)備過多會使制造時塔體的彎曲度難以達到要求，一般每隔10-20塊塔板才設(shè)一個人孔，本塔總共58塊板，需設(shè)置5個人孔，每個孔直徑為450mm，在設(shè)置人孔處，板間距為600mm，裙座上應(yīng)開設(shè)2個人孔，直徑450mm，人孔慎入塔內(nèi)部應(yīng)與他內(nèi)壁修平，其邊緣需倒裝和磨圓，人孔法蘭的密封形狀及墊片用材，一般與塔的接管法蘭相同，本設(shè)計也是如此。 2.4 塔總體高度的設(shè)計 1、塔的頂部空間高度是指塔頂?shù)谝粚铀P到塔頂封頭的直線距離，取除沫器到第一板的間距為600mm，頂部空間高度為1200mm 2、塔的底部空間高度是指塔底最末一層塔盤到塔底封頭的直線距離，釜液停留時間取5s。 H=(tL＇ )/A+(0.5-0.7)=1.43 （2-22） 塔立體高度 H=HN+5 H=H+H+H+H+H= 2.5 塔附屬設(shè)備設(shè)計 2.5.1 冷凝器的選擇 有機物蒸汽冷凝器的設(shè)計選用的總體傳熱系數(shù)一般范圍為5001500kcal/(㎡h℃) 本設(shè)計取 K=700 kcal/(㎡h℃)=2926J/(㎡h℃) 出料液溫度：78.137℃（飽和氣）→78.173℃（飽和液） 冷卻水溫度：20℃→35℃ 逆流操作：=58.173℃，=43.173℃ （2-23） 傳熱面積：A= （2-24） 2.5.2 再沸器的選擇 選用120℃飽和水蒸汽加熱，傳熱系數(shù)取K=2926 J/(㎡h℃) 料液溫度：99.815℃→100℃，熱流體溫度120℃→120℃ 逆流操作：=20℃，=20.185℃ （2-25） 換熱面積：根據(jù)全塔熱量衡算，計算方法參見任務(wù)書2和4，得Q=2150.64Kj/h。傳熱面積：A= （2-26） 表2-4 浮閥塔工藝設(shè)計計算結(jié)果 項目 符號 單位 計算數(shù)據(jù) 備注 精餾段 提留段 塔經(jīng) D m 1.67 1.67 板間距 m 0.45 0.45 塔板類型 單溢流弓形降液管 分塊式塔板 空塔氣速 m/s 1.53 1.57 堰長 m 1.09 1.09 堰高 m 0.0580 0.0486 板上液層高度