精馏塔设计Word文件下载.docx
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0.0104
摩尔分率:
=000409
0.0104(1-0.0104)•
+、物料衡算
全塔物料横算式:
mB=mo+mw
mF3f=ibd3o+niw3w
并已知mr=,代入数据得
83OO=niD+mW
联立,解方程得
mi)=kgh-1f
mw=kgh-1J
、摩尔流量
原料液的平均摩尔质量
Mf乙心+M水(1-心)
=46.07x0.124+1&
02x(l-0.124)=21.498Rg•kmol
原料液的摩尔流量
mF
a?
7
丽T痂.082關川
全塔物料衡算式:
F二D+W
Fxf=Dxd+Wxw代入数据:
二D+W
XXX解方程得
D二kniolh-1
W=kmolh-1
、体积流■
(1)、进料体积流量
由于采用饱和溶液(泡点)进料,须查0产%时,气液混合物的泡点,即当液相组成为时的沸点。
查表:
"
,用内插法查适当0F=%时,饱和溶液进料时进料温度°
C
查表叫用内插法查适当tF=°
C时,水的密度p:
}=kg・m-3
查表叫当tF二°
C时,乙醇的相对密度为,因此乙醇的密度°
乙=735kg・mJ
进料时混合物的密度
P乙P氷
=0.265_(1-0.265)=891°
69呛曲735*967.137
进料体积流量
Pf
='
=9.294mU=0.00258/»
3-5_,=2.58x10_3/n3-5_,
893.069
(2)、镭出液体积流量
由于釆用饱和溶液(泡点)进料,须查cd二%时,气液混合物的泡点,即当
液相组成为时的沸点。
查图巴用内插法查适当0D二时,饱和溶液进料时进料温度tD二°
查图叫用内插法查适当to=°
C时,水的密度P•产kg・m-3
查图叫当tD二°
C时,乙醇的相对密度为,因此乙醇的密度p/=741kg-m-3
时混合物的密度
=1
P,)—%|(1_丽
Q乙Q水
_1
=0.907~~(1-0.907)741+972.674
=kg•m'
3
Pd
=n?
•su=XIO1!
!
?
•s"
2356.882
==•11
757.786
(3)、釜液体积流量
由于采用饱和溶液(泡点)进料,须查32%时,气液混合物的泡点,即当液相组成为时的沸点。
查图巴用内插法查适当0』时,饱和溶液进料时进料温度tw=°
查图叫用内插法查适当t\\=°
c时,水的密度°
水二kg・1十
查图叫当t\、=°
C时,乙醇的相对密度为,因此乙醇的密度。
乙=722kg-nr3
f—°
(1-%)
"
T
P乙Q水
=0.0104(1-0.0104)
722958.409
=kg•m'
5943.118
955.156
釜液
、结果汇总表
质量分率/%
摩尔分率/%
进料液
溜岀液
表2
质量流S/kg*h-1
摩尔流呈/mol・h-1
体积流童/m3・h-1体积流呈m3・s-1
8300
X10-3
f留岀液
X10-4
4、塔板数的肯定
、理论塔板数的肯定
、最小回流比Rmin
以(XD,XD)做直线与气液相平衡线相切,此直线即为最小回流比时的精憾段操作线,如附图2:
由图读取操作线截距一仓一=
Rmin+1
由此计算出最小回流比Rmin二
、求最小理论塔板数如in
当全回流时,yn+「Xn,全塔无精镭段,提留段之分,操作线与相平衡线最远,达到分离要求所需要的塔板数最小,即Nmin.o要求Nmin,先肯定全回流状态下的平均相对挥发度山图解法得(紂图3)
/(0.0136-XM.)/(0.0136-0.00409)lt
Nmin二6=6=6.758块
(0.0136一0.00105)(0.0136-0.00105)
故去掉塔釜后"
min==块(不包括再沸器)
、选取适宜回流比
由《化工原理下册》吉利兰夫关联式
Y=X
X=R-心⑷
/?
+1
N+l
通常情形下,适宜的回流比取为最小回流比的倍,
在R=~7)Rmin范围内取12个回流比,别离利用吉利兰夫关联式求出与其对应的N值并在直角坐标图上画出N-R曲线,肯定适合的回流比R
例如:
取R二
二x数据整理:
表1
KRXYN
由附图4能够看出在(〜)Rmin时,曲线开始变平缓,取为最佳回流比的范围,即附图4的阴影部份,取R=;
N=
操作线方程
由回流比R=2且D=kmol•h"
D
mD=2356.882kg•/?
%=3.110m3•沪
L=RD=2.525x59.250=149.606kmol•『
mL=RmD=2.525x2356.882=5951.127kg•0
Vl=RVd=2.525x3.110=7.853m3A-'
=2.181xl0_3m3
由于是泡点进料,则q=l
因此L+F=LZ
V’=V=L+D
代入数据,得Lz=+=kmol-h^
V=V'
=+=kmolh~}
9
XifiL+mF=mL
f
叫=叫=f1lL+叫
代入数据得“'
=5951.127+8300=14251.127kg•沪
/«
,'
=mv=5951」27+2356.882=8303.009kg
Vl'
=Vl+VF
=+=・irl=xio~
数据整理:
表格2
质量流量/
摩尔流呈/
体积流呈/
体积流呈Vl
精翔段下降液体呈
精翔段上升蒸汽呈
提溜段下降液体呈
提溜段上升蒸汽呈
精tg段操作线方程
R=XD二
因此精憎段操作线方程为
儿亠=0・716耳+0.225
提溜段操作线方程
Lw
刃加_77二:
w
xw=0.00409
Lf=535.688灯加/・/厂】W=326.S32kmoh
因此提溜段操作线方程为
y=2.565a:
-0.00640m+1加
q线方程
由于采用泡点进料,则q=l
q线方程y-土
g_lg_l
可得x=xF=0.124
用逐板计算出理论塔板数
illyi=xo=
查表引查,用内插法查得与yl二时,成相平衡的液相组分心代心二入精憎段操作线方程,y„+i=+
y?
=x由xi,yi可求得相对挥发度a1
=1.209
(0.7921-0,759
1-0.7920.759
111Y2=,查得X2=
儿=0.716x0.722+0.225=0.742
C(2二
由刃=,査得X3=
y4=0.716x0.682+0.225=0.713
a3=
由y4=,查得X4=
y5=0.716x0.634+0.225=0.679
a4=
由y5=,査得X5二
y6=0.716x0.564+0.225=0.628
illy6=628,查得X6=
y7=0.716x0.438+0.225=0.539
a()=
由y7=,查得x?
=0.216
=0.716x0.216+0.225=0.380
illys=t查得公=0.0684
as=
xs=0.0684vxF=0.124<
%7=0.216
因此,精憾段理论板数亍加般=7.623块
乙+1=2565%-0.0064
将忑=0.0684代入提憎段操作线方程:
儿=2.565x0.0684+0.0064=0.182
illY9=t查得X9=
yio=x由yio=,查得xio=
yn=x由yii=,查得xn=<
xw=
因此全塔理论板数为10+()-()()512-°
-()04()9=10.290块(包括塔底再沸器)0.00512-0.00157
^^019^1-0.00409851
1-0.01950.00409
提溜段理论板数为()二块
理论塔板数总汇:
表格3
板数Xy
1
2
4
5
8
10
、总板效率n的估量
V平均挥发度
山于乙醇■水物系为非理想物系,a随x的转变不可忽略,将前面所算
出的a值,以相近为原则。
将前所算出的a数据分为N组并求平均值
由匸虫=丄旦得x中一X”xn-l_xn
坷一x中_X|—%2
X中—X10.29X1O—X]029
0.759-0.722
代入数据:
0.759-xd
x中_0.004090.00512-0.00409
求得:
X中二
由x中=0.0246内插法查得yl|t=0.216
因此平均相对挥发度a」Jqa屮a”='
J&
G中0o.29
=3J1.209x10.924x4.851=4.00141
、加料摩尔组成的液体平均摩尔粘度uav
以塔顶温度与塔底温度的平均值作为定性温度
7仙+99.987®
265"
c
查表⑤,用内插法得/=89.265°
CH寸“氏=0.3187〃沪“・s查图叫用内插法得/=89.265°
C时“厶=0.393mPa•s以加料摩尔组成为准的液体平均摩尔粘度
=工易M=心“乙+(1-心)“水
=0.124x0.393+(1-0.124)x0.3187
=0.328mPa-s
v估计总板效率T]
E可用奥康乃尔关联图的回归方程
E=0.563-0.276loga/.i+0.0815(log页“)2
=0.563-0.276lg(4.00141x0.328)+0.0815[lg(4.00141x0.328)]2
=0.532=53.2%
此总板效率为:
/]=\AE
=1.1x0.532=0.585=58.5%
实际板数的肯定
精镭段理论板数块,故实际板数为
:
取实际板数为14块,
=2^=13.031块
0.585
故为实际加料板为15层
提憎段理论塔板数N2二块,故实际板数为
1.667
~0.585
=2.850块
取实际板数为3块
因此全塔实际板数为18块(不包括塔底再沸器).
五、塔板结构的工艺设计
在本设计中采用精镭段和提溜段塔径相同,故设计时的塔顶第一块板为设汁基准、初选塔板间距HT
板间距对塔的液沫夹带量和液泛汽速有影响,在必然的气液负荷及塔径条件下,适当增加板间距能够减少液沫夹带量,且不易发生液泛,从而提高了操作负荷的上下限,可是,板间距与塔径直接相关,其值不宜过大。
现取H讦450mm
v塔径初算
液泛气速W
第一板气液组分XL
0.759x46.07
0.759x46.07+(1-0.759)x18.02
=0.890
儿=0.747
0.792x46.07
0.792x46.07+(1-0.792)x18.02
=0.906
查图⑷查,用内插法查得,第一快板的温度为匸°
查表②查,用内插法查得=°
C时,。
水二・m」
查图力查,=°
C时,o乙舲二mN-nr1
混合物的表面张力:
b=%%+(lf)b水
=0.759x17.4+(1-0.759)x62.838=2&
35mN・m
查图叫当3GF时,气体密度PG=kg-m-3
查表巴t=°
C时,p乙壽=741kg•m'
C时,p水=kg•m'
r_1
“_ayI(1_込)
PjP*
=0.890.(1-0.890)=760'
934k^m741+972.640
液体体积流量
Pl
5951.127
760.934
=7.821
VL=2.172xIO'
3n?
・/
气体体积流量
Pg
二竺鯉=5892mW
1.41VG=1.637m3-5_,汽液流动参数:
7.821
5892
查图:
暮气体负荷参数C20=
取液泛分率为,得出塔的有效截面积为
—=0.969m
0.8uf0.8x2.113
取Ad/A=,则塔的总截面积为
A=2^=1.0533^
1-0.08
SxL0533
\龙
=1.758m
大于lm按200mm递增圆整,
圆整后塔径D=1200mm
实际操作气速
4x5892
^xl.22x3600
=1・447〃7・$t
.塔径的核算
1447
液泛分率:
-=-—=0.685
iiF2.113
查图叫得液沫分率尸U设计哈理,塔径D=1200mm
、塔板上溢流型式的肯定
溢流型塔板,流体流动须要克服板上汽液接触元件所引发的阻力,形成液面落差,于是气体较多地从塔板上底液位处通过,影响汽体均匀散布降低板效率,但是筛板塔形成的液面落差小,这一因素影响不大,按照《筛板式精憎塔的设汁》表二板上溢流形式与塔径塔体负荷关系中查得塔径与液体流量和溢流形式的关系进行综合考虑选择单流型。
、塔板布置
设讣降液管形式的弓形降液管,把堰与壁之间的全数截面区域作为降液面积,
弓形降液板,塔板面积利用率高。
如下图所示:
、筛孔孔径
孔径的大小直接影响塔板操作性能。
在开孔率、空塔气速和液流量相同的条件下增大孔径,虽可减小板压降,不易阻塞,但漏液量增大,操件弹性降低。
一般工业上常常利用的孔径常常取3〜8mm,通常用d°
=4~6mm的孔径。
孔径过小加丄制造困难,而且易堵,结合本设计d0=5mm为宜。
%筛孔中心距to和开孔率
开孔一般采用正三角形排列,筛孔中心距to—般为(〜5)do,to>
do过小,
易彼此干扰,过大则鼓泡不均匀,都会影响传质效率,实际设计时,如宜可能
“0
取3〜4范围内。
本设计取仏二为宜
久=0.906彳冯
=X(—)2=3」5
所以开孔率抄为%,小于10%,大于5%,符合要求
、筛板厚度tp
在塔板结构强度、刚度许可的条件下,应尽可能选用较薄的板材制作筛板,这不仅能够降低干板圧降,而且能够改善气液接触状态。
筛孔用冲压加工制造的筛板,其厚度的选取范圉为tp=(〜)do,本设计釆用(尸为宜
tp=do=X5=
、溢流堰长L
溢流堰具有维持塔板上必然的液层高度和促使液流均匀散布的作用,常常利用的溢流堰长为Lw=(〜)D
由于溢流堰太长则堰上溢流强度低,且塔板构件的安装误差,液体越堰时散布不均;
堰长不够则堰上液流强度高,堰上液头大,影响塔板操作的稳固性,也无益于液流中的气液分离。
本设计Lw二为宜。
Lw=X1200=816mm
堰上溢流强度Li:
=竺1=9.585m2•h,60m2hJ0.816
符合要求
、堰板高度h
⑴堰上液头%
弗兰西斯经验式
2/3
hoW=0・0028&
Fw为弓形堰板校正系数,可山附图"
查横坐标
=9.438
V/_6.549
Lw25-0.86425
且午=0.72查得%=1.025
(7Q9「V
how=0.0028x1.03525x-一=0.013079引?
=13.0793/m/h
10.816;
(2)堰板高度一般为hw=hL-hOw,hL为清液层高度,取皿=50〜100mm
本设计取hL=60mm,hw=60-how==所求堰拓为,在25〜75mm范围内,符合要求。
、降液管下沿与塔板板间距匕
在肯定降液管下沿与塔板板间距D的大小时,应使液体通过此截面的流速
Wb<
m・s“,从而保证液流通过此截面的压力降在13〜25mm液柱
Wb—般取〜m・s=本设计取Wb二
可计算:
0.816x0.11x3600
=0.0242m=24.2mm
山于ta的要求大于20〜25mm,且要求ta比hw低6〜12mm以上,以保证液封,所以t尸符合要求。
、安宁区宽度Ws和边缘区宽度Wc
(1)、塔板入口安宇区是为避免气体短路进入降液管即避免因降液管流出液流冲击而漏液;
出口安宇区则为使液体在进入降液管前,有一按时刻脱除其中所含的气体。
取Ws=80mm.
(2)、边缘区留岀必然的宽度Wc,为固定塔板用,其值大小与塔径相应,
取Wc=35mm
5.五、塔板各部份面积和对应气速计算
降液管面积Ad
按几何关系先计算降液管宽度1竹
1.2
T
=0.160
再计算溢流堰❻所对应的圆心角6
2W
0=4arcfg
£
42x0.160。
一
=4xarcts,=85.652°
60.816
rd)1
A.=
“4360
龙xl,85.652°
0.816人「“门nnonz.
=・一xVl.2'
-0.816"
=0.0896nr
43604
塔板工作面积Aa
指板上开孔区域的面积
人严2£
尸^7+盒宀csin*
其中兀=#_(巴+WJ
=耳—(0」60+0.080)=0.360/»
r=—-Wc
=12-0.035=0.565
=2十咖应E市+歸。
.565—csin总
=0.755nr
塔有效截面积An
指塔板之上可供气体通过的面积,乂称净截面积。
其值为塔截面积扣除降
心=A_Ad
液管截面积,
即:
2
=-xl.2--0.0896=1.130-0.0896=1.0414〃?
4
筛孔总面积
按开孔率(P。
的概念
”二sin60。
=0.0906丄=0.0914
A)=0()人
=0.0914x0.755=0.0690/;
/2
空塔气速
对应气速:
u=-^
A
1.673t
==1.447加・s
表观气速
1.130匕.
==2.168/7?
・s
0.755
有效截面气幽〃=—
1.673,°
_!
==1.572/?
1.0414
筛孔气速如二比
A)1・673rcrcu-I
==23.725%・s
0.0690
综上数据汇总表
表格4
塔截面
降液管
工作区
有效截面
筛孔
A/m3
6.塔板流体力学校核
、板上溢流强度检查
平直堰板设计,可釆用弗兰西斯公式计算堰上液头高度hk。
how宜在45mm左右,上限不宜超过60mm,过大需改用双流型或多流型。
为维持液流均匀,以往曾规定当平直堰水平误差超过3mm时,h。
、、•的下限为6mm,再小则该用齿形堰。
但随塔径的增加要求堰的水平误差不超过3mm是困难的,因此乂规定毗的下限为13mm,再小就要改用齿形堰。
综上所述,本设计的h°
w为,采用平直堰板。
、气体通过塔板的压力降AHt
气体通过塔板的压力降是塔板的重要流体力学特性,它是山两个方面引发的,一是气体通过塔板各部件(如孔件)时克服的各类阻力,二是气体通过泡沫层克服的静压力。
NH{=ho+he
(1)气体通过筛孔的压力降(干板压力降)h。
查图-
横坐标=)=1.667可查孔留系数C()=0.800fn3
1f23.725?
1.41nnQQnA
2x9.81I0.800丿760.934
(2)气体通过泡沫层的压丈降化
he=0(饥+仏)
查图他,
11横坐椒匕XV=2.168x1.42=2.574
查图得充气系数Z7=0.577
he=0.577x(0.0469+0.01
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