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化工原理课程设计板式精馏塔

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目录
1 设计方案的确定......................................................................................................................... 1 2 回收塔的物料衡算 ..................................................................................................................... 3 2.1 原料液及塔顶和塔体产品的摩尔分率 ............................................................................ 3 2.2 原料液及塔顶和塔底产品的*均摩尔质量 .................................................................... 3 2.3 物料衡算............................................................................................................................ 3 3 塔板数的确定............................................................................................................................. 4 3.1 理论板层数的 NT 确定....................................................................................................... 4 3.1.1 相对挥发度的求取 .................................................................................................. 4 3.1.2 求回收塔气、液相的负荷 ...................................................................................... 5 3.1.3 采用逐板计算法求理论板层数 .............................................................................. 5 3.2 实际板层数的求取 ............................................................................................................. 6 3.2.1 液相的*均黏度 ...................................................................................................... 6 3.2.2 全塔的相对挥发度 .................................................................................................. 6 3.2.3 全塔的效率 ET 和实际塔板数 ................................................................................ 6 4 回收塔的工艺条件及物性数据的计算 ..................................................................................... 7 4.1 操作压力............................................................................................................................ 7 4.2 操作温度............................................................................................................................ 7 4.3 *均摩尔质量 .................................................................................................................... 7 4.4 *均密度............................................................................................................................ 8 4.4.1 气相*均密度 .......................................................................................................... 8 4.4.2 液相*均密度 .......................................................................................................... 8 4.5 液体*均表面张力 ............................................................................................................ 8 4.6 液体*均黏度 .................................................................................................................... 9 5 回收塔塔体工艺尺寸计算 ......................................................................................................... 9 5.1 塔径的计算........................................................................................................................ 9 5.2 回收塔有效高度计算 ...................................................................................................... 10 6 塔板主要工艺尺寸计算 ........................................................................................................... 10 6.1 溢流装置计算 .................................................................................................................. 10 6.1.1 堰长 lW ................................................................................................................... 10 6.1.2 溢流堰高度 hW ...................................................................................................... 11 6.1.3 弓形降液管宽度 Wd 和截面积 A f ....................................................................... 11 6.1.4 降液管底隙高度 h0 ............................................................................................... 11 6.2 塔板布置及浮阀数目与排列 .......................................................................................... 12 6.3 浮阀的型号与选型 .......................................................................................................... 13
I

7 塔板流体力学验算 ................................................................................................................... 14 7.1 塔板压降.......................................................................................................................... 14 7.1.1 干板阻力 hc .......................................................................................................... 14 7.1.2 板上充气液层阻力 h1 ........................................................................................... 14 7.1.3 液体表面张力阻力 h? ........................................................................................... 14 7.2 淹塔.................................................................................................................................. 15 7.3 液沫夹带.......................................................................................................................... 15 8 塔板负荷性能图....................................................................................................................... 16 8.1 雾沫夹带线...................................................................................................................... 16 8.2 液泛线.............................................................................................................................. 16 8.3 液相负荷上限线 ............................................................................................................... 17 8.4 漏液线............................................................................................................................... 18 8.5 液相负荷下限线 ............................................................................................................... 18 9 精馏塔塔高的计算和设计 ....................................................................................................... 20 9.1 塔顶空间高度 .................................................................................................................. 20 9.2 塔底空间高度 .................................................................................................................. 20 9.3 手孔尺寸.......................................................................................................................... 21 9.4 塔总高度.......................................................................................................................... 21 9.5 支座高度.......................................................................................................................... 21 10 接管尺寸设计......................................................................................................................... 21 10.1 塔顶蒸汽管 dv .............................................................................................................. 21 10.2 输料管 d F ...................................................................................................................... 22 10.3 塔釜出液管 d W ............................................................................................................. 22 10.4 蒸汽喷出器管 dp ........................................................................................................... 23 10.5 饱和蒸汽管 db ............................................................................................................... 24 11 辅助设备计算与选型 ............................................................................................................. 24 11.1 再沸器 ............................................................................................................................ 24 11.2 料液预热器 .................................................................................................................... 25 11.3 塔顶冷凝器 .................................................................................................................... 25 12 主要符号及说明..................................................................................................................... 26 13 参考文献................................................................................................................................. 27

II

1

设计方案的确定
由设计任务书可知:本设计方案是分离低组成的水和甲醇的混合物,并且分

离的程度不是很高, 仅为 0.24; 由水和甲醇的气液*衡相图可知: 在较低组成时, 水和甲醇的分离效果较好,故可以用回收塔来进行分离。 本设计采用浮阀塔板,浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的,它主要的改 进是取消了升气管和泡罩,在塔板开孔上设有浮动的浮阀,浮阀可根据气体流量 上下浮动,自行调节,使气缝速度稳定在某一数值。这一改进使浮阀塔在操作弹 性、 塔板效率、 压降、 生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。 塔径从 200mm 到 6400mm,使用效果均较好。浮阀塔具有下列特点: (1) 处理能力大,比同塔径的泡罩塔可增加 20~40%,而接*于筛板塔。 (2) 操作弹性大,比筛板、泡罩、舌形塔板的操作弹性要大得多。 (3) 塔板效率高,比泡罩塔高 15%左右。 (4) 压强小,在常压塔中每块板的压强降一般为 400~660N/m2。 (5) 液面梯度小。 (6) 使用周期长。粘度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常操作。 (7) 结构简单, 安装容易, 制造费为泡罩塔板的 60~80%,为筛板塔的 120~ 130%。 回收塔只有提馏段,并且没有回流,在进行计算时,相关的公式要有改动。 q 值的选择至关重要, 由水和甲醇的气液*衡相图, 可以粗略的发现, 当 q=1 时, 即泡点进料时,操作线的斜率会较大,导致理论版很多,故 q 应大于 1,采用冷 夜进料,选择合适的进料温度,将会得到较合适的操作线。采用冷液进料后,原 料液进行预热,本设计方案采用塔底残液来进行预热。具体物料流程如图 1-2 所 示。
1

1.0 0.9 0.8 0.7 0.6

Y

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

X
图 1-1 甲醇-水的气液*衡相同

原料液 泵

预热器 全凝器 釜液储罐 回收塔 出料储罐

再沸器

图 1-2 物料流程图

2

2

回收塔的物料衡算

2.1 原料液及塔顶和塔体产品的摩尔分率
甲醇的摩尔质量 水的摩尔质量

M A =32.04kg/kmol M B =18.02kg/kmol
xF ? 0.052

xD ? 0.24
xW ? 0.002

2.2 原料液及塔顶和塔底产品的*均摩尔质量
M F ? 32.04 ? 0.052 ? 18.02 ? (1 ? 0.052) ? 18.74kg / kmol M D ? 32.04 ? 0.24 ? 18.02 ? 0.76 ? 21.38kg / kmol MW ? 32.04 ? 0.002 ? 18.02 ? (1 ? 0.002) ? 18.05kg / kmol

2.3 物料衡算
原料处理量 总物料衡算 甲醇物料衡算
联立解得

F?

40000000 ? 296.45kmol / h 18.74 ? 7200

2 9 6 . 4?5D ? W
296.4 ?5 0 . ? 0 5 2 D0 ?. 2 4 W 0 . 0 0 2

D ? 61.76kmol / h,W ? 234.69kmol / h

3

3

塔板数的确定

3.1 理论板层数的 NT 确定 3.1.1 相对挥发度的求取
由? ?

(1 ? x A ) y A ,再根据表 3-1 数据可得到不同温度下的挥发度,见表 3-2 x A (1 ? y A )
表 3-1[1] x 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.15 0.20 0.30 y 0.00 0.134 0.234 0.304 0.365 0.418 0.517 0.579 0.665 温度/℃ 75.3 73.1 71.2 69.3 67.6 66.0 65.0 64.7 x 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 0.95 1.00 y 0.729 0.779 0.825 0.870 0.915 0.958 0.979 1.00

温度/℃ 100 96.4 93.5 91.2 89.3 87.7 84.4 81.7 78.0

表 3-2 温度/℃ 96.4 93.5 91.2 89.3 87.7 84.4 81.7 所以 ? ?
7

相对挥发度 7.582 7.332 6.843 6.610 6.464 6.066 5.501

温度/℃ 78 75.3 73.1 71.2 69.3 67.6 66

相对挥发度 4.632 4.035 3.525 3.143 2.868 2.691 2.534

?1? 2 ???7 ? 6.595

4

3.1.2 求回收塔气、液相的负荷
采用冷夜进料,进料温度为 35℃,将摩尔分数转化为质量分数为:0.08885,查 表得原料液的 r=2294.7kg/kg ,cp=4.034kJ/(kg·K)
q? r ? c p (tb ? t F ) r ? 1.1004

L' =qF=326.22kmol/h
V'=D+(q-1)F=91.53kmol/h
L' W' x? xF ? 3.5642 x ? 5.1284 ?10?3 V' V'

所以操作线方程为 y ?

(a)

3.1.3 采用逐板计算法求理论板层数


yq ?

? xq y 得 x? ? ? (? ? 1) y 1 ? (? ? 1) xq
x? y ? y 6.595 ? 5.595 y

将 ? ? 6.595 代入得相*衡方程

? ? (? ? 1) y

(b)

联立(a) 、 (b)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 ? 0.24 由(b)式求得第一块板下降液体组成

x1 ?

y1 0.5 ? ? 0.04569 y1 ? ? ? ? y 0.24 ? 6.595 ? 6.595 ? 0.24

利用(a)式计算第二块板上升蒸汽组成为

y2 ? 1.586x1 ?1.114 ?10?3 ? 0.2899
交替使用式(a)和式(b)直到 xn ? xF ,计算结果见表 3-3。 表 3-3 板号 组成 y x 1 0.24 0.04570 2 0.16287 0.02865 3 0.10213 0.01696 4 0.06043 0.00966 5 0.03442 0.00538 6 0.01916 0.00295 7 0.01053 0.00161 ≤xF

理论塔板数为:

NT ? 7 ? 1 ? 6快(不包括再沸器)
5

3.2 实际板层数的求取 3.2.1 液相的*均黏度
表 3-4[2-3] 温度/℃ 密 度/kg/m 比热容 /kJ/(kg·℃) 汽化热 kJ/kg
3

0 甲醇 水 甲醇 水 甲醇 水 甲醇 水 甲醇 水 825.2 999.9 2.347 4.212 1210 2493 0.799 1.792 24.50 75.6

20 804.8 998.2 2.474 4.183 1185 2449 0.580 1.005 22.07 72.6

40 783.5 992.2 2.600 4.174 1149 2391 0.439 0.656 19.67 69.6

60 761.1 983.2 2.756 4.178 1128 2356 0.344 0.469 17.33 66.2

80 737.4 971.8 2.943 4.195 1070 2307 0.277 0.357 15.04 62.6

100 712.0 958.4 3.162 4.220 1030 2256 0.228 0.284 12.80 58.8

黏度 mPa·s

表面张力 mN/m

根据表 3-1, 用内插法求得 tD ? 80.2?C 用内插法求得 tW ? 99.6?C , 则塔顶、塔底的*均温度 tm ? (80.2 ? 99.6) / 2 ? 89.9?C 塔顶的液相*均温度为 80.2℃,查表 3-4,通过内插法,根据 ?L ? ?xi ?i 求得塔 顶的液相黏度为 0.353mPa·S,同理求得塔底液相*均温度为 99.6℃时,塔底的 液相黏度为 0.320mPa·s 则有 ?m ? 0.3365mPa ? s

3.2.2 全塔的相对挥发度
由表 1-2 可求得全塔的*均相对挥发度 ?m ? 6.595

3.2.3 全塔的效率 ET 和实际塔板数
全塔效率可用奥尔康公式: ET ? 0.49(? ? m) ?0.245 计算

6

所以全板 ET ? 0.49 ? (6.595 ? 0.3365)?0.245 ? 0.4030 由于选用浮阀塔板,板效率相对提高 ET ' ? 1.15 ? 0.4030 ? 0.4635 全塔实际板层数 Np ?
NT 6 ? ? 12.94 ? 13快(不包括再沸器) ET ' 0.4635

4

回收塔的工艺条件及物性数据的计算

4.1 操作压力
塔顶操作压力为: 每层塔板压降为: 进*逖沽Γ 全塔*均压力

PD ? 101.3kPa
?P ? 0.7kPa

PF ? PD =101.3kPa P m ? (101.3 ? 109.8) / 2 ? 105.6kPa

塔底是低压蒸汽压力,可取 P W ? 100 ? 0.7 ?14 ? 109.8kPa

4.2 操作温度
塔顶温度 塔底温度 全塔*均温度

tD ? 80.2?C

tW ? 99.6?C
tm ? (80.2 ? 99.6) / 2 ? 89.9?C

4.3 *均摩尔质量
塔顶*均摩尔质量计算:由 y1 ? xD ? 0.24 , x1 ? 0.04570

MVDm ? 0.24 ? 32.04 ? (1 ? 0.24) ?18.02 ? 21.38kg / kmol M LDm ? 0.04570 ? 32.04 ? (1 ? 0.04570) ?18.02 ? 18.66kg / kmol
塔底*均摩尔质量计算:
M VWm ? 0.01053 ? 32.04 ? ?1 ? 0.01053? ? 18.02 ? 18.17kg / kmol M LWm ? 0.00161? 32.04 ? ?1 ? 0.00161? ? 18.02 ? 18.04kg / kmol

全塔*均摩尔质量:

MVm ? (21.38 ? 18.17) / 2 ? 19.78kg / kmol M Lm ? (18.66 ? 18.04) / 2 ? 18.35kg / kmol
7

4.4 *均密度 4.4.1 气相*均密度
由理想气体状态方程计算,即

?V ?

Pm MVm 105.6 ?19.78 ? ? 0.6920kg / m3 RTm 8.314 ? (89.9 ? 273.15)

4.4.2 液相*均密度
液相*均密度依下式计算,即

1

?V
塔顶液相*均密度的计算

??

ai

?i

由 tD ? 80.2?C ,由表 3-4,通过内插法得

?A ? 737.4kg / m3
aA ?

?B ? 971.8kg / m3
0.24 ? 32.04 ? 0.3596 0.24 ? 32.04 ? 0.76 ?18.02

? LD ?

1 ? 872.11kg / m3 0.3596 / 737.4 ? (1 ? 0.3596) / 971.8

塔底液相*均密度的计算: 由 tW ? 99.6?C ,由表 3-4,通过内插法得:

? A ? 712.00kg / m3
塔底液相的质量分率:
aA ?

?B ? 958.40kg / m3

0.00161? 32.04 ? 0.00286 0.00161? 32.04 ? (1 ? 0.00161) ?18.02

? LW ?

1 ? 957.45kg / m3 0.00286 / 712.00 ? (1 ? 0.00286) / 958.4

全塔液相*均密度为:

?L ? (872.11 ? 957.22) / 2 ? 914.78kg / m3

4.5 液体*均表面张力
液相*均表面张力依下式计算,即
8

? Lm ? ? xi? i
塔顶液相*均表面张力的计算 由 tD ? 80.2?C ,由表 3-4,通过内插法得

? A ? 15.04mN / m
塔底液相*均表面张力为

? B ? 62.6mN / m

? LDm ? 0.24 ?15.04 ? 0.76 ? 62.6 ? 51.19mN / m
由 tW ? 99.6?C ,由表 3-4,通过内插法得

? A ? 12.80mN / m
全塔液相*均表面张力为

? B ? 58.80mN / m

? LFm ? 0.00161?12.80 ? (1 ? 0.00161) ? 58.8 ? 58.73mN / m
? Lm ? (51.19 ? 58.73) / 2 ? 54.96mN / m

4.6 液体*均黏度
计算详见 3.2.1。全塔液相*均黏度 ?m ? 0.3365

5

回收塔塔体工艺尺寸计算

5.1 塔径的计算
全塔的气、液相体积流率为:
Vs ? Ls ? V ' MVm 91.53 ?19.78 ? ? 0.7267m3 / s 3600?V 3600 ? 0.6920

L ' M Lm 326.22 ?18.35 ? ? 0.001818m3 / s 3600 ? L 3600 ? 914.78



um a x? C

? L ? ?V ?V

式中的 C 由式 C ? C20 (

? Lm
20

)0.2 计算,其中 C20 由史密

斯关联图查取,图的横坐标为 : 取板间距 HT ? 0.40m ,板上液层高度 hL ? 0.07m ,则

HT ? hL ? 0.40 ? 0.07 ? 0.33m
Ls Vs ? ?L ? ? ? ? ?v ?
1/2

0.001818 ? 3600 ? 914.78 ? ? ? ? 0.7267 ? 3600 ? 0.6920 ?
9

1/2

? 0.0910

查史密斯关联图[3]得 C20 =0.062

? 54.96 ? C ? 0.062 ? ? ? ? 20 ?
umax ? 0.0759
取安全系数为 0.6,则空塔气速为

0.2

? 0.0759

914.78 ? 0.692 ? 2.762 0.692

u ? 0.6umax ? 0.6 ? 2.821 ? 1.657m / s
D?
按标准塔径圆整后为 塔截面积为
AT ?

4VS 4 ? 0.7267 ? ? 0.7474m ?u 3.14 ?1.657

D=0.8m

?
4

D2 ?

?
4

? 0.82 ? 0.5024m 2

实际空塔气速为:

u?Vs ? ? 1.387m / s AT 0.5024

0.7267

5.2 回收塔有效高度计算
全塔有效高度为

Z? (Np ?1 )HT ? (13 ?1) ? 0.4 ? 4.8m

6

塔板主要工艺尺寸计算

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 ? 0.65D ? 0.65 ? 0.8 ? 0.52m

10

6.1.2 溢流堰高度 hW
由 hW ? hL ? hOW 选用*直堰,堰上液层高度 hOW 由式 hOW *似取 E=1,则
2.84 ? Ls ? ? E? ? 1000 ? lw ?
2 3

2.84 ? 0.001818 ? 3600 ? hOW ? ?1? ? ? 1000 0.52 ? ? 取板上清液层高度 hL ? 70mm


2/3

? 0.0154m

hW ? 0 . 0 ? 7

0.0? 154

0 m .0546

6.1.3 弓形降液管宽度 Wd 和截面积 A f

lW ?0.65 D

查弓形降液管的参数图[1],得

Af AT


? 0.066

Wd ?0.123 D

Af ? 0 . 0 6 A 6 T ?

0 .? 0 6 6 0? . 5 0 2 4m2 0 . 0 3 3 2

Wd ? 0.123D ? 0.124 ? 0.8 ? 0.0984m
依式 ? ?
3600 A f H T Ls

验算液体在降液管中停留时间,即
3600 A f H T Ls

??

?

3600 ? 0.0332 ? 0.40 ? 7.19s ? 5s 0.001818 ? 3600

故降液管设计合理。

6.1.4 降液管底隙高度 h0
h0 ? Ls ' 3600lW u0



' u0 ?0.08 m / s

11



h0 ?

0 . 0 0 1 8?1 8 3 6 0 0 ?0.043 m7 3 6 0? 0 0 .?5 2 0 . 0 8

hW ? h0 ? 0.0546 ? 0.0437 ? 0.0109m ? 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 塔板布置及浮阀数目与排列
取阀孔动能因数 F0=12,则孔速 u0 ? 求取每层塔板上的浮阀数,即 N ?

F0

?v

?

12 ? 14.425(m / s) 0.692

?
4

VS d u
2 0 0

?

?
4

0.7276 ? 0.039 ?14.425
2

? 43

取边缘区宽度 WC =0.06m,泡沫区宽度 WS =0.07m,计算鼓泡区面积,即

? x ? ? Aa ? 2 ? ? x R 2 ? x2 ? R 2 Sin ?1 ( ) ? 0 180 R ? ?
R? x? D 0.8 ? WC ? ? 0.06 ? 0.34(m) 2 2

D 0.8 ? (Wd ? WS ) ? ? (0.0984 ? 0.07) ? 0.232( m) 2 2

? ? 0.232 ? 0.342 ? 0.2322 ? ? 0.342 ? Sin?1 ( ) ? ? 0.2889(m2 ) Aa ? 2 ? 0 180 0.34 ? ? 0.232

?

开孔所占面积: Ao ? n

?

? 43 ? ? 0.0392 ? 0.0513(m 2 ) d o 4 4
2

2

3.14

do A ? 0.907( d o ) 2 估算孔心距: o ? 2 4 Aa t sin 60 t
t ? 0.907 / ( Aa / A0 )d0 ? 0.907 ? 0.2889 / 0.0513 ? 0.039 ? 0.0881(m)
浮阀排列方式采用等腰三角形叉排,取同一横排的孔心距 t=75mm=0.075m, 则可按下式估算排间距 t/,即
t'? Aa 0.2889 ? ? 0.0896(m) Nt 43 ? 0.075

?

考虑到塔的直径不太大,可采用整块式塔板,按 t=75mm=0.075m,以等腰三 角形叉排方式作图(如图 6-1) ,得阀数 N=45 个。

12

图 6-2

图 6-1

按 N=45 重新核算孔速及阀孔动能因数:

u0 ?

?
4

VS d N
2 0

?

?
4

0.7276 ? 0.039 ? 45
2

? 13.54(m / s)

F0 ? u0 ?V ? 13.54 ? 0.692 ? 11.26
阀孔动能因数变化不大,仍在 9-12 范围内。 塔板开孔率:

u 1.387 ? ? 10.24% u0 13.54

6.3 浮阀的型号与选型
选用 F1Z-3A 型浮阀,其主要参数如表 6-1:

13

表 6-1 阀片厚度 (mm) 2 阀重(g) 32.8 塔板厚(mm) 3 H(mm) 11.5 L(mm) 15.5 阀孔直径 d 0 (mm) 39

7

塔板流体力学验算

7.1 塔板压降
可根据此式计算塔板压降,即 hp ? hc ? h1 ? h?

7.1.1 干板阻力 hc
先计算临界孔速,即
? 73.1 ? u0c = ? ? ? ?V ?
1/1.825

? 73.1 ? =? ? ? 0.692 ?

1/1.825

= 12.851(m /s)

因 u0 ? u0c , 则 hc 可按下式计算,即

hc ? 19.9

0.175 u0

?L

? 19.9 ?

13.540.175 ? 0.0343(m) 914.78

7.1.2 板上充气液层阻力 h1
本设计分离甲醇和水的混合液,即液相为水,可取充气系数 ? 0 ? 0.5 , 则 hl ? ? 0hL ? 0.5 ? 0.07 ? 0.035(m)

7.1.3 液体表面张力阻力 h?
因本方案设计采用浮阀塔,其 h? 很小,可忽略不计。因此,气体流经一层浮阀 塔板的压降相当的液体高度为: hp ? hc ? hl ? 0.0343 ? 0.035 ? 0.0693(m) 单板压降:
14

?Pp ? hp ?L g ? 0.0693? 914.78? 9.81 ? 621.70Pa ? 0.7kPa (设计允许值)

7.2 淹塔
为防止淹塔现象的发生, 要求控*狄汗苤星逡翰愀叨 H d ? ? ( HT ? hw ) 。H d 可用下式子计算,即

H d ? hp ? hL ? hd
(1) 与气体通过塔板的压降相当的液体高度 h p =0.0693m。 (2) 液体通过降液管的压头损失 hd ,因不设进口堰,故可按下式计算,即
? L ? ? 0.001818 ? hd ? 0.153 ? ? S ? ? 0.153 ? ? ? ? 0.000888(m) l h 0.546 ? 0.0437 ? ? W 0 ? ?
2 2

(3) 板上液层高度,取 hL=0.07m 因此 Hd ? hp ? hL ? hd ? 0.0693 ? 0.07 ? 0.000888 ? 0.140(m) 取 ? =0.5,板间距 HT ? 0.40m ,溢流堰高度 hw ? 0.0546(m) 则 ? ( HT ? hw ) ? 0.5 ? (0.4 ? 0.0546) ? 0.2273(m) 可见 H d ? ? ( HT ? hw ) ,符合防止淹塔的要求。

7.3 液沫夹带
计算泛点率 F1: 板上液体流经长度 板上液流面积

ZL ? D ? 2Wd ? 0.8 ? 2 ? 0.0984 ? 0.6032(m)

Ab ? AT ? 2 Af ? 0.5024 ? 2 ? 0.0332 ? 0.436(m2 )

甲醇和水可按正常系统按表取物性系数 K=1.0,又由泛电负荷图查的得泛点负荷 系数 CF ? 0.084 。 则 F1 可计算得:

VS F1 ?

? L ? ?V

?V

? 1.36 LS Z L ?100%

KCF Ab

0.7276 ? ?

0.692 ? 1.36 ? 0.001818 ? 0.6032 914.78 ? 0.692 ?100% ? 57.37% 1? 0.086 ? 0.436
15

又按下式计算泛点率,得

0.692 ? L ? ?V 914.78 ? 0.692 ?100% ? 59.40% % F1 ? ?100% ? 0.78KCF AT 0.78 ?1.0 ? 0.086 ? 0.5024 VS 0.7276
计算出的泛点率都在 80%以下,故可知雾沫夹带量能够满足 eV<0.1kg 液/kg 气的 要求。

?V

8

塔板负荷性能图

8.1 雾沫夹带线
VS
由 F1 ?

?V ? L ? ?V

? 1.36LS Z L ? 100% ,对于一定的物系及一定的塔板结构,

KC F Ab

式中 ?v、?L、Ab、K、CF、 及 Z L 均为以知值,响应于 eV =0.1 的泛点率上限值亦 可确定,将各已知数代入上式,便得出 VS 将泛点率=80%计算如下:
VS ? 0.692 ? 1.36 ? LS ? 0.6032 914.78 ? 0.6692 ? 0.8 1? 0.086 ? 0.436

VL 的关系式,据此作出雾沫夹带线。

整理得 0.7338 VS +21.88 LS =0.8 雾沫夹带线为直线, 则在操作范围内任取两个 LS 图, 依上式算出相应的 V S 值 列于表 5 中。
表 8-1 雾沫夹带线数据:

LS / (10 m / s)
0.4 2.8

?3

3

VS /( m 3 /s)
1.0778 1.0067

8.2 液泛线
由 ? ( H T ? hw ) = h p ? hl ? hd = hc ? h1 ? h? ? hL ? hd 确定液泛线。 忽略式中 h? 项,得到:

16

2 ? ? LS ? ?V u 0 2.84 ? 3600LS ? ? ? 0.153? ? ( 1 ? ? ) h ? E? ? ( H T ? hw )=5.34 0 W ?l h ? ? l ? L 2g 1000 ? ? W 0? ? W ? 2

? ? ? ?

2/3

? ? ? ?

物系一定,塔板结构尺寸一定,则 H T 、 hw 、 h0 、 lW 、 ?V 、 ? L 、 ? 0 及

? 等均为定值,而 u0 与 VS 又有如下关系,即 u0=
式中阀孔数 N 与孔径
0.69 ?2 0.2273 ? 5.34 ?

?
4

VS d 02 N

d0 =0.039m 亦 为 定 值 , ? 0 =0.5,E=1 。 因 此 ,
2 ) 45 ? ? 0.153 ?

Vs ( 3.14 29 ?0 . 0 3 ? 4 914.78 ? 2 ? 9.81

2 2/3 ? 2.84 ? 3600 Ls ? ? ? ? ? (1 ? 0.5) 0.0546 ? ? 1 ? ? ? ? 1000 ? 0.52 ? ? ? ? 0.52 ? 0.0437 ? ? ? Ls

/3 可将上式简化,得 VS2 =2.0387-4154.42 L2 -21.697 L2 S S

在操作范围内任取若干个 LS 值,依式算出相应的 VS 值列于表 6 中。
表 8-2 液泛线数据

LS / (10 m / s)
0.4 1.0 1.5 3.0

?3

3

VS /( m 3 /s)
1.9202 1.8176 1.7450 1.5500

8.3 液相负荷上限线
液体的最大流量应保证在降液管中提留时间不低于 3 5s ,依式知液体在降液管 内停留时间

??

3600 Af HT LS

? 3 5(s)

求出上限液体流量 LS 值(常数) ,在 VS

LS 图上,液相负荷上限线为与气体流量

VS 无关的竖直线。
以 ? ? 5s 作为液体在降液管中停留时间的下线,则
( Ls )max ? Af H T 5 ? 0.0332 ? 0.4 ? 0.00266(m3 / s) 5

17

8.4 漏液线
对于 F1 型重阀,依 F0=u0

? V =5 计算,则 u0=
VS =

5

?V

。又知 VS =

?
4

d 02 Nu 0 ,即

?
4

2 d0 N

5

?V

式中 d0 、N、 ?V 均为已知数,故可由此式求出气相负荷 VS 的下限值,据此作出 与液相流量无关的水*漏液线。 以 F0 =5 作为规定气体最小负荷的标准,则

(Vs )min ?
=

?
4

2 d0 Nu0 ?

?
4

2 d0 N

5

?V

?
4

? 0.0392 ? 45 ?

5 ? 0.3229(m3 / s) 0.692

8.5 液相负荷下限线
取堰上液层高度 w h0 w ? 0.006m 作为液相负荷下限条件,依下列 h0 的计算式
2.84 ? 3600 ? LS ?min ? h0 ? E? ? 1000 ? lW ?
2/3

计算出 LS 的下限值,依此作出液相负荷下限线,该线为与气相流量无关的竖直 直线。
2.84 ? 3600 ? LS ?min ? E? ? 1000 ? lW ?
2/3

? 0.006

取 E=1,则

( Ls )min

? 0.006 ?1000 ? ?? ? ? 2.84 ?1 ?

3/2

lW 0.52 ? 0.006 ?1000 ? ?? ? 0.0004436(m3 / s) ? ? 3600 ? 2.84 ?1 ? 3600

3/2

18

2.0 1.8 1.6 1.4

VS/(m /h)

1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 1
-3 3

3

2

3

LS/(10 m /s)
图 8-1 负荷性能图

由塔板负荷性能图可以看出: ① 在任务规定的气液负荷下的操作点 A(设计点) ,处在适宜操作区域的适中位 置。 ② 塔板的气相负荷上限完全由雾沫夹带控制。 按照固定的气液比, 由图 2 查出塔板的气相负荷上限 (VS )max ? 1.0236(m3 / s) , 气 相负荷下限 (VS )min ? 0.3229(m3 / s) ,所以:操作弹性= 将计算结果结果汇总表 8-3 中。
表 8-3

1.0236 ? 3.17 0.3229

项目
塔径 D/m 板间距 H T 塔板型式 空塔气速 u/(m/s) 堰长 lW /m 堰高 hw /m 板上液层高度 hL /m 降液管底隙高度 h0/m 浮阀数 N/个 浮孔气速 u0 /(m/s) 浮孔动能因数 F0

数值及说明 0.8 0.4
单溢流弓形降液管

备注

整体式

1.387 0.52 0.0546 0.07 0.0437 45 13.54 11.26
19

等腰三角形叉排

临界阀孔气速 u0 c /(m/s) 孔心距 t/m 单板压降 ?P / Pa 液体在降液管内停留时间

12.58 0.075 621.7 7.19 0.14 59.4 1.0236 0.3229 3.17
雾沫夹带控制 漏液控制

? /s
降液管内清夜层高度 Hd /m 泛点率 /% 气相负荷上限 (VS) max 气相负荷下限 (VS) min 操作弹性

9

精馏塔塔高的计算和设计

9.1 塔顶空间高度
取塔顶空间高度 H D ? 1.0m ? 1000mm

9.2 塔底空间高度
取釜液停留时间 t ? 5 min ?

1 h ,已知塔底釜液流出 12

W ' ? W ? MW ? 234.69 ?18.04 ? 4233.81kg / h
塔底空间高度 Hz ?

? ? 2 HT ? LW ? 4
4233.81? 957.45 ? 1 12
2

W ?t

?

?
4

? 0.4 ? 2.28(m)

? 0.5

取一位小数 Hz ? 2.3m ? 2300mm

20

9.3 手孔尺寸
设计手孔数S=2,分别设计在第4块板与第5块板之间、第8块与第9块板之间(从塔顶向 塔底数,下同)。手孔直径设计为250mm,人孔处的板间距 HT ' ? 500mm

9.4 塔总高度
塔总高度(不包含裙座与封头)
' H ? H D ? H Z ? ( N ? 1 ? S ) HT ? SHT , 其中N为实际塔板数,N ? 13

? H ? 1000 ? 2300 ? 10 ? 400 ? 2 ? 500 ? 8300mm ? 8.3m

9.5 支座高度
本设计采用圆柱形裙座式支座,高度取 H裙座 =1.2m

10

接管尺寸设计

10.1 塔顶蒸汽管 dv
dv ? VS ,其中uV 为蒸汽速度,取uV ? 16m / s,VS ? 0.7267m3 / s

uV 4 ? d v ? 0.241m ? 241mm
根据GB/T17395-2008,选用规格为 ? 273 ?11.5mm ,则 dv ? 250mm 此时核算

?

uV ?

4Vs ? 15.0m / s ? dV 2

(在15~20 m/s内,合格)

则,此管选用全*面板式*焊管法兰,其参数(查HG/T20593-97)如表8,PN 0.25Mpa 表10-1 公称 直径 DN (mm 管子外 径A (mm) 连接尺寸(mm) 法兰 外径 D 螺栓 孔中 心圆 螺栓 孔直 径L 螺 栓 孔 螺纹 Th 法兰厚度 法兰内径 法兰理 论质量 (kg)

C(mm) B(mm)

21



直径 K

数 量n 18 12 M16 24 276 8.96

250

273

375

335

10.2 输料管 d F
设料液由泵输送,取进料速度 u F ? 1.6m / s

F ' ? M F ? F ? 18.74 ? 296.45 ? 5555.473kg / h
则 dF ?

4F ' 4 ? 5555.47 ? ? 0.0354m ? 35.4mm 3600? uF ? F 3600 ? ? ?1.6 ? 983.05
4F / 4 ? 5555.47 ? ? 1.95m / s 3600? d F ?F 3600 ? ? ? 0.0322 ? 983.05

根据GB/T17395-2008,选用规格为 ? 42 ? 5.0mm ,则 d F ? 32mm 核算速度: uF ?

(在1.5~2.5 m/s内,合格) 则,此管选用的全*面板式*焊管法兰参数(查HG/T20593-97)如表10,PN 0.25Mpa 表10-2 连接尺寸(mm) 公称直 径DN (mm) 管子外 径A (mm) 螺栓 法兰 外径 D 孔中 心圆 直径 K 32 42 120 90 14 4 M12 16 39 1.19 螺栓 孔直 径L 螺栓 孔数 量n 螺纹 Th 法兰厚 度C (mm)

法兰内径B (mm)

法兰理论 质量 (kg)

10.3 塔釜出液管 dW
取塔釜液流出速度 uW ? 0.8m / s ,

W ' = M LWm ?W ? 18.04 ? 234.68 ? 4233.63kg / h



dW ?

4W ' 4 ? 4233.63 ? ? 0.0442m ? 44.2mm 3600? uW ? LWm 3600 ? ? ? 0.8 ? 957.45

根据GB/T17395-2008,选用规格为 ? 48 ? 4mm mm,则 dW ? 40mm 此时核算

uW ? 0.978m / s (在0.5~1.0 m/s内,合格)
则,此管选用全*面板式*焊管法兰,其参数(查HG/T20593-97)如表11, PN 0.25Mpa 表10-3
22

连接尺寸(mm) 公称直 径DN (mm) 管子外 径A (mm) 法兰 外径D 螺栓 孔中 心圆 直径K 40 48 130 100 螺栓 孔直 径L 14 螺栓 孔数 量n 4 法兰厚 螺纹 Th 度C (mm) 法兰内 径B (mm) 法兰理 论质量 (kg)

M12

16

49.5

1.38

10.4 蒸汽喷出器管 dp
本方案采用401.3Kpa(绝压)水蒸气为热源,其温度ts=143.5℃, 再沸器内将釜液由99.6℃加热到温度为100℃的蒸汽, 其吸收的热量:

V 'm = MVwm ?V ? 18.17 ? 91.53 ? 1663.1kg / h
Q吸 =V 'm q水 / 3600 ? 1663.1? 2256 / 3600 ? 1042.2kW Q放 =Q吸 =M1r ? 1042.2kW
由化工原理附录九中内插法得:压力为401.3Kpa(绝压)的饱和水蒸气,其汽化潜热为 r=2138.16KJ/Kg,密度为2.1683Kg/m 。 故 M1 ?
3

1042.2 ? 0.4874 Kg / s 2138.16

其体积流量 V1 ?

M1

?

?

0.4874 ? 0.2248m3 / s 2.1683

取管内蒸汽速度为 u p ? 20m / s , 则由 V1 ? u p ?

4V1 4 ? 0.2248 ? ? 0.120m=120mm 4 ?u ? ? 20 根据GB/T17395-2008,选用规格为 ?133 ? 4 mm,则 d p ? 125mm 此时核算
d p 2 得 dp ?

?

u p ? 18.33m / s (在15~20m/s内,合格)
则,此管选用全*面板式*焊管法兰,其参数(查HG/T20593-97)如表12,PN 0.25Mpa 表10-4 连接尺寸(mm) 公称直 径DN (mm) 管子外 径A (mm) 法兰 外径D 螺栓 孔中 心圆 直径K 125 133 240 200 螺栓 孔直 径L 18 螺栓 孔数 量n 8 法兰厚 螺纹 Th 度C (mm) 法兰内 径B (mm) 法兰理 论质量 (kg)

M16

20

135

4.53

23

10.5 饱和蒸汽管 db
由前面计算可得其体积流量 V1 ?

M1

?

?

0.4874 ? 0.2248m3 / s 2.1683

取管内蒸汽速度为 ud ? 40m / s 则由 V1 ? u ?

4V1 4 ? 0.2248 ? ? 0.085m ? 85mm 4 ?u ? ? 40 根据GB/T17395-2008,选用规格为 ?89 ? 4.5 mm,则 db1 ? 80mm 此时核算
d b 2 得 db ?

?

ud ? 44.75m / s (在40~60m/s内,合格)
则,此管选用全*面板式*焊管法兰,其参数(查HG/T20593-97)如表14,PN 0.25Mpa 表14 连接尺寸(mm) 公称直 径DN (mm) 管子外 径A (mm) 法兰 外径D 螺栓 孔中 心圆 直径K 80 89 190 150 螺栓 孔直 径L 18 螺栓 孔数 量n 4 法兰厚 螺纹 Th 度C (mm) 法兰内 径B (mm) 法兰理 论质量 (kg)

M16

18

91

2.94

11 辅助设备计算与选型
11.1 再沸器
采用401.3Kpa(绝压)水蒸气为热源,其温度ts=143.5℃,再沸器内将釜液由99.6℃加 热到温度为100℃的蒸汽,选取传热系数k=2500w/(m /K), 温差 ?tm ?
2

(143.5 ? 99.6) ? (143.5 ?100) ? 43.7?C 143.5 ? 99.6 ln( ) 143.5 ? 100
水汽化潜热r水 ? 2256kJ / kg

釜液可视为纯水,水的沸点为100℃,与釜液温度相*,故可用纯水沸点下的汽化潜热代替 釜液的汽化潜热。 传热量Q =V 'm q水 / 3600 ? 1663.1? 2256 / 3600 ? 1042.2W

传热面积A ?

Q 1042.2 ?1000 ? ? 9.54m 2 k ?tm 2500 ? 43.7

24

11.2 料液预热器
采用塔釜液为热源,其温度ts=143.5℃,假设原料液为5℃(合肥地区冬季),将原料 液由5℃加热至35℃,采取逆流换热,则: 温差 ?tm ?

(99.6 ? 5) ? (99.6 ? 35) ? 78.65?C 99.6 ? 5 ln( ) 99.6 ? 35

取传热系数 k ? 1160W / (m2 K ),

查表3-4得:甲醇的定压热容CP, A ? 101.18J / (mol K ), 水的定压热容CP,B ? 76.04J / (mol K )
Q? F (77.6 ? 25) 3600 0.052 ?101.18 ? (1 ? 0.52) ? 76.04 ? ? 296.45 ? (35-5) 3600 ? 191.1kW Q 191.1?1000 ? ? 2.095m 2 k ?tm 1160 ? 78.65 xF CP , A ? (1 ? xF )CP , B

换热面积A ?

11.3 塔顶冷凝器
取江河水冷凝剂,逆流冷却,传热系数k= 600W/(m k)
2 [5]

;由安托尼方程计算得塔顶

蒸汽温度为80.2℃;则回流冷凝器内热蒸汽由80.2℃降至30℃,而冷却水则由25℃升高至 40℃。 温差: ?tm ?

(80.2 ? 5) ? (80.2 ? 35) ? 58.93?C 80.2 ? 5 ln( ) 80.2 ? 35

查表3-4得:甲醇的汽化潜热rD, A ? 1070kJ / kg, 水的定压热容rD,B ? 2307kJ / kg
蒸汽的流量 mV ? VM D / 3600 ? 91.53? 21.38 / 3600 ? 0.544Kg/s

传热量Q ? (r D, A 0.24+rD,B (1-0.24))mV ? (1070 ? 0.24 ? 2307 ? (1 ? 0.24)) ? 0.554 ? 1113.6kW
传热面积 A ?
Q 1113.6 ?1000 ? ? 31.49m2 k?t m 600 ? 58.93

25

12
Aa Af A0 AT C0 C Cs d0 D eV ET F F0 hW h1 hc hd hf h1 hL h0 hOW
希腊字母

主要符号及说明
塔板开孔区面积,m2 降液管截面积,m2 浮阀总面积,m 塔截面积,m2 流量系数,无因次 计算时的负荷系数, 气相负荷因子,m/s 浮阀孔直径,m 塔径,m 液沫夹带量,kg(液)/kg(气) 总板效率,无因次 阀孔动能因子, kg1/2/(s*m1/2) 出口堰高度,m 进口堰与降液间的水*距 离,m 与干板压降相当的液柱高 度,m 液柱 与液体流过降液管相当的液 柱高度,m 塔板上鼓泡高度,m 与板上液层阻力相当的液柱 高度,m 液柱 板上清液层高度,m 降液管的底隙高度,m 堰上液层高度,m Wd Ws Z 弓形降液管宽度,m 破沫区宽度,m 板式塔的有效高度,m Vs Wc u'0 液体通过降液管底隙的速度, m/s 气体体积流量,m3/s 边缘无效区宽度,m
2
/ hw

英文字母 进口堰高度,m 与克服表面张力的压降相当 的液柱高度,m 液柱 Hd HP HT lW Ls N 降液管内清液层高度,m 人孔处塔板间距,m 塔板间距,m 堰长,m 液体体积流量,m3/s 浮阀数目 理论板层数 操作压力,Pa 压力降,Pa 气体通过每层塔板的压降, Pa 浮阀的中心距,m 空塔气速,m/s 气体通过阀孔的速度,m/s 临界阀孔气速,m/s

h0

NT
P ΔP t u u0

气相动能因子, kg1/2/(s*m1/2) Δ Pp

uoc

?

充气系数,无因次

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θ μ ρ б ?

液体在降液管内停留时间,s 粘度,mPa/s 密度,kg/m3 表面张力,N/m 开孔率,无因次

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参考文献

[1] 申迎华,赫小刚.化工原理课程设计[M].化学工业出版社,2009.5 [2] 刘光启,马连湘,刘杰.化学化工物性手册[M].化学工业出版社,2002.3 [3] 柴诚敬等.化学原理(下)[M].化学工业出版社,2010.6 [4] 熊洁雨.化工制图[M].化学工业出版社,2007.2 [5] 马江权,冷一欣等.化工原理课程设计[M].化学工业出版社,2002.3

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