乙醇回收塔

1、課程名稱 化工原理課程設(shè)計 設(shè)計題目 乙醇回收塔 學(xué)生姓名 專業(yè) 班級學(xué)號 設(shè)計日期 2012 年 1 月 2 日至 2012 年 1 月 13 日設(shè)計體系： 乙醇水混合物設(shè)計條件:原料處理量：100噸/天 原料濃度：含醇10.5%（w%），其余為水原料溫度：20設(shè)計要求：乙醇回收率98%操作條件：直接蒸汽加熱指導(dǎo)教師 2011年 11月10 日 目錄一、 前言-4二、 設(shè)計說明書符號表-5三、 設(shè)計方案的確定-6四、 物性參數(shù)-6五、 回收塔的物料衡算-8六、 回收塔理論板數(shù)Nt的確定-9七、 回收塔工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)計算-11八、 回收塔主要工藝尺寸計算-13九、 液體分布器及其他設(shè)備

2、簡要設(shè)計-14十、 回收塔的輔助設(shè)備計算-18十一、 設(shè)計計算結(jié)果總表-21十二、參考資料-21一 前言乙醇用途廣泛，是基礎(chǔ)的有機化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料。主要應(yīng)用于精細(xì)化工，塑料等領(lǐng)域，用來制造乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等化工原料，也是制取醫(yī)藥、染料、洗滌劑、涂料的重要原料之一。塔設(shè)備在一定條件下，將能達(dá)到氣液共存狀態(tài)的混合物實現(xiàn)分離,純化的單元操作設(shè)備。廣泛用于煉油，精細(xì)化工，環(huán)境工程，醫(yī)藥工程和輕紡織工程等行業(yè)和部門中。塔設(shè)備與化工工藝密不可分，不管多好的工藝路線，沒有良好的與之匹配的化工設(shè)備，就不會達(dá)到預(yù)期的設(shè)計效果，實現(xiàn)不了預(yù)期的設(shè)計指標(biāo)。因此，塔設(shè)備是工藝過程得以實現(xiàn)的載體，直接影響生產(chǎn)

3、產(chǎn)品的質(zhì)量和效益。板式塔屬于逐級接觸逆流操作，填料塔屬于微分接觸操作。生產(chǎn)上對塔器在工藝上及結(jié)構(gòu)上提出的要求大致有下列幾方面：（1）生產(chǎn)能力大（2）分離效率高（3）操作彈性大（4）氣體阻力?。?）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，其流體力學(xué)和傳質(zhì)模型比較成熟，數(shù)據(jù)可靠。盡管與填料塔相比效率較低、通量較小、壓降較高、持液量較大，但由于結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、適應(yīng)性強、易于放大等特點，因而在70年代以前的很長一段時間內(nèi)，塔板的研究一直處于領(lǐng)先地位。然而

4、，70年代初期出現(xiàn)的世界能源危機迫使填料塔技術(shù)在近20年來取得了長足進(jìn)展。由于性能優(yōu)良的新填料相繼問世，特別是規(guī)整填料和新型塔內(nèi)件的不斷開發(fā)應(yīng)用和基礎(chǔ)理論研究的不斷深入，使填料的放大技術(shù)有了新的突破，改變了以板式塔為主的局面。在我國，隨著石油化工的不斷發(fā)展，傳質(zhì)分離工程學(xué)的研究不斷深入，使填料塔技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)入了一個嶄新的時期，其工業(yè)應(yīng)用與發(fā)達(dá)國家并駕齊驅(qū)，進(jìn)入世界先進(jìn)行列。填料塔由填料，塔內(nèi)件及筒體構(gòu)成。填料塔的發(fā)展史中最主要的就是填料的發(fā)展史。由早期的碎石發(fā)展成為拉西環(huán)，弧鞍形填料等新型填料。與板式塔相比，新型的填料塔性能具有如下優(yōu)點：生產(chǎn)能力大，分離效率高，壓力降小，操作彈性大，持液量小

5、等優(yōu)點。本設(shè)計綜合考慮流程，產(chǎn)量，分離要求，操作控制等因素，采用填料塔實現(xiàn)乙醇回收目標(biāo)。二 設(shè)計說明書符號表L液相摩爾流量，kmol/h。F進(jìn)料量流量，kmol/h。V汽相摩爾流量，kmol/h。D塔頂產(chǎn)品流量，kmol/h。V汽相摩爾流量，kmol/h。W塔底殘液流量，kmol/h。W質(zhì)量流量，kg/h。x液相摩爾分?jǐn)?shù)。a質(zhì)量百分比。A面積，m2。cp比熱容，kJ/kg·K。d管徑，mm。D塔徑，m。di圓筒內(nèi)徑，mm。DN公稱直徑，mm。Hd塔頂空間高度（不包括封頭），m。HETP等板高度，m。K傳熱系數(shù)，W/(m2·)。l管長，m。Lh液體噴淋量，m3/h。Lh,mi

6、n最小液體噴淋量，m3/h。M摩爾質(zhì)量，kg/kmol。n填料層分層數(shù)。NT理論塔板數(shù)。p壓強，Pa。p壓降，Pa。Q換熱器的熱負(fù)荷，W。Re雷諾數(shù)，無量綱。t溫度，。tm對數(shù)平均溫度差，。T絕對溫度，K。u空塔氣速，m/s。uf空塔氣體泛速，m/s。U噴淋密度，m3/(m2·h)。Umin最小噴淋密度，m3/(m2·h)。xD塔頂產(chǎn)品濃度。三 設(shè)計方案的確定本設(shè)計任務(wù)為分離乙醇-水混合物，從而達(dá)到回收乙醇的目的，采用回收塔操作。設(shè)計中采用泡點進(jìn)料，將原料通過預(yù)熱器加熱至泡點后送入回收塔內(nèi)。乙醇常壓下的沸點為78.3，故可采用常壓操作。塔頂上升汽采用全凝器冷凝。因所分離物系

7、的重組分為水，故選用水蒸氣直接蒸汽加熱方法，釜液直接排放。選取125Y型金屬孔板波紋填料。四物性參數(shù)水和乙醇的物理性質(zhì)名稱分子式相對分子質(zhì)量密度20沸點(101.33Kp20)比熱容（20Kg/(kg.）粘度（20）mPa.s導(dǎo)熱系數(shù)（20）/(m.表面張力（20）N/m水H2O18.029981004.1831.0050.59972.8乙醇C2H5OH46.0778978.32.391.150.17222.8常壓下乙醇和水的氣液平衡數(shù)據(jù)，見表常壓下乙醇水系統(tǒng)txy數(shù)據(jù)如表16所示。表16 乙醇水系統(tǒng)txy數(shù)據(jù)沸點t/乙醇摩爾數(shù)/%液相氣相1000095.50.0190.17890.0720.

8、389186.70.09660.437585.30.12380.470484.10.16610.508982.70.23370.544582.30.26080.55881.50.32730.582680.70.39650.612279.80.50790.656479.70.51980.659979.30.57320.684178.740.67630.738578.410.74720.781578.150.89430.8943圖1水-乙醇平衡體系t-x-y圖圖2.x-y平衡圖 圖3局部放大的x-y平衡圖五 回收塔的物料衡算 圖4流程乙醇摩爾質(zhì)量M乙醇=46g/mol 水的摩爾質(zhì)量MH2O=18g

9、/molF = 100噸/天 =198.98kmol/h原料液乙醇的摩爾分率：xF =0.105M平均=0.105*46+(1-0.105)*18=20.94n總=m/M平均=4.78*106n乙醇=0.105*n總=0.5019*106n水=(1-0.105)* n總=4.296*106F = D + W W = F = 198.98kmol/h對組分乙醇進(jìn)行物料衡算得：FxF=DxD+WxW xW = (FxF- DxD)/W又因為= DxD/（ FxF ） 得DxD=FxF所以 xW= （xF-FxF）/W=(1-) xF=(1-98%)*10.5%=2.1*10-3六 回收塔理論板Nt

10、的確定圖5NT確定，氣相組成圖解法圖6局部放大圖進(jìn)氣量變化對應(yīng)y1的不同取值序號V0（kmol/h）F/V'y1153.893.690.38260.233.300.34368.272.910.30478.762.520.26593.072.130.226113.751.740.187146.251.360.148204.750.970.10進(jìn)氣量的變化與理論板數(shù)的關(guān)系V0（kmol/h）NT60.231068.27778.76693.075113.754146.253204.753圖7在流量達(dá)到93.07 kmol/h后，增加氣量對理論板數(shù)影響不大，且進(jìn)氣量越大，塔頂汽相組成越小，塔徑

11、越大，因此選擇理論塔板數(shù)NT = 5，進(jìn)氣量V0 = 93.07kmol/h。提餾線方程：y=2.138x-0.0044897F=W=L=55.27mol/s D= V0=V=26.03mol/s七 回收塔工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)計算1. 操作溫度計算塔頂溫度 tD=92.2 塔底溫度 tW=100平均溫度 t=( tD + tW)/2=96.12.平均摩爾質(zhì)量計算由xD=y1=0.22, 查平衡曲線得 x1=0.027MVD=y1M乙醇+（1-y1）M水=24.16kg/kmolMLD=x1M乙醇+（1-x1）M水=18.756kg/kmol由于塔底xW很小，塔底可看成只有主份水，故MVW=M

12、水=MLW=18kg/kmol全塔平均摩爾質(zhì)量：MV= (MVD+MVW)/2=21.08kg/kmol ML= (MLD+MLW)/2=18.378kg/kmol3.平均密度計算 氣相平均密度計算： 由理想氣體狀態(tài)方程得 v=PMV/(RT)=101.3*21.08/8.314*(96.1+273.15)= 0.696kg/m3 液相平均密度計算： 由于操作過程中乙醇在液相中濃度很小可近似取l=960kg/m34.液體平均表面張力計算 液體平均表面張力依據(jù) l=xii計算 塔頂液相平均表面張力的計算： 由tD=92.2，查手冊得 乙醇=1.61*10-3N/m, 水=61.79*10-3N/

13、m LD=x1乙醇+（1-x1）水=61.16*10-3N/m 塔底液相平均表面張力的計算： 由tW=100, 查手冊得 乙醇=15.5*10-3N/m, 水=58.84*10-3N/m LW=xW乙醇+（1-xW）水=58.74*10-3N/m 平均表面張力為： L=(LD+LW)/2=59.95*10-3N/m5.液體平均粘度計算 液相平均粘度計算，即 L=xii 塔頂液相平均粘度計算： 由tD=92.2, 查手冊得，乙醇=0.358mPa·s 水=0.3387 mPa·s LD=x1乙醇+(1-x1)水 解得LD=0.898 mPa·s 塔底液相平均粘度計算

14、： 由tW=100, 查手冊得，乙醇=0. 3214mPa·s 水=0.2838 mPa·s LW=xW乙醇+(1-xW)水 解得LW=0.28 mPa·s 液體平均粘度為： L=（LD+LW）/2=0.589 mPa·s八 回收塔的塔體主要工藝計算1.塔徑的計算 采用氣相負(fù)荷因子法計算適宜的空塔氣速液相質(zhì)量流量為：L=LML=60.19*10-3*3600*18.1428=3931.25kg/h氣相質(zhì)量流量為：V=VMV=30*10-3*3600*19.204=2074.032kg/h流動參數(shù)為：=L/V(V/L)0.5=0.0489查波紋填料的最大負(fù)

15、荷因子圖得，Csmax=0.25Cs=0.8 Csmax=0.8*0.25=0.2由Cs=uV/(L-V)0.5 得 u=Cs/V/(L-V)0.5=0.0976/0.696/(960-0.696)0.5=7.736m/sD=4Vs/（u）0.5=4*19753.64/(0.696*3600)/(3.14*3.152)0.5=0.385m圓整塔徑，取 D=400mm2.液體噴淋密度的驗算U=Lh/(0.785D0.5)=3931.25/960/(0.785*0.40.5)=8.256m3/(·h)>0.2m3/( ·h)3.填料層高度計算 對125Y型金屬孔板波紋填料

16、，查手冊得，每米填料理論板數(shù)為11.2塊，取nt=1 則 HETP=1/nt=1m 填料側(cè)層高度Z=Nt·HETP=5*1=5m Z´=1.3*3=6.5m4.填料層的分段 填料層的分段高度 h=(1520)HETP> Z´=6.5m 故該填料層無需分段5.填料層壓降計算 對于對125Y型金屬孔板波紋填料，查手冊得，每米填料層壓降為p/Z=2.0*10-4MPa/m 填料層總壓降為: p=6.5*2.0*10-4MPa=1.3kPa九 液體分布器及其他設(shè)備簡要設(shè)計 1液體分布器選擇布液點數(shù)為 n=(D/2)2*40=3.14*(0.4/2)2*40=5點 由

17、于塔徑D=0.4m<1.2m,故可用如圖管式噴淋器 布液計算： 由Ls=/4d2n(2gH)0.5 取=0.65 ， H=160mm d=4Ls/n/(2gH)0.50.5 =4*100*1000/(3600*960*3.14*5*0.65)/(2*9.81*0.16)0.50.5=0.08m 取d=80mm 故液體分布器如下圖所示：2 除沫器選擇氣體從塔頂流出時，總會帶少量液滴出塔。為使氣體夾帶的液滴能重新返回塔內(nèi)，一般在塔內(nèi)液體噴淋裝置上方裝置除沫器。常用的除沫器有折流板式和填料層式。 在此選用絲網(wǎng)膜除沫器9.1 管道設(shè)計與選擇為減少氣液進(jìn)出塔對塔內(nèi)操作的沖擊，管徑選取按下述條件：液

18、體流速：uL = 0.11 m/s蒸汽流速：u0 = 3050m/s9.2 塔頂蒸汽出口管徑取u=38m/s則蒸汽出口管管徑：d=4D/(uV)O.5=4*30/(3.14*38*640)0.5= 0.0396m圓整后d=40mm 選擇40×4的管子9.3進(jìn)料管管徑取uL=0.7m/s則進(jìn)料管管徑： d=4F/(uLLF)0.5=4*60.19/(3.14*0.7*960)0.5=0.0337m圓整后d=38mm 選擇38×3的管子9.4 塔釜出料管管徑取uL=0.7m/s則出料管管徑：d=4WL/(uLLW)0.5= 4*60.19/(3.14*0.7*960)0.5=0

19、.0337m圓整后d=38mm 選擇38×3的管子9.5 塔釜進(jìn)蒸汽管管徑取u=38 m/s則蒸汽進(jìn)口管管徑：d=4V/(uV)O.5=4*30/(3.14*38*675)0.5=0.0396m圓整后d=40mm 選擇40×4的管子管道規(guī)格表塔頂蒸汽出口管進(jìn)料管管徑塔釜出料管塔底蒸汽進(jìn)管管徑/mm40×438×338×340×49.6 其他附件選擇.1筒體圓筒計算厚度，考慮到介質(zhì)對筒壁的腐蝕作用，在設(shè)計筒體所需厚度時，還應(yīng)在計算厚度d的基礎(chǔ)上，增加腐蝕裕度C2。由此得到筒體的設(shè)計厚為 式中 dd-圓筒設(shè)計厚度,mm； Di-圓筒內(nèi)徑,

20、mm； p-容器設(shè)計壓力，MPa；f-焊接頭系數(shù).由于p與t比很小,采用簡寫式:： 設(shè)計溫度為96.1，采用碳素鋼鋼板，查得鋼號為Q235-B，鋼板標(biāo)準(zhǔn)為GB912，在此設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力為113MPa，計算壓力 圓筒內(nèi)徑 焊接頭系數(shù) 則 圓整后為4mm，在鋼號為Q235-B，鋼板標(biāo)準(zhǔn)為GB912的厚度34mm范圍內(nèi)。表壓力容器用碳素鋼鋼板的需用壓力鋼號鋼板標(biāo)準(zhǔn)使用狀態(tài)厚度mm常溫強度指標(biāo)100下的許用應(yīng)力MPabMPasMPaQ235-BGB912熱軋34mm3752351132封頭選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭這種封頭是由半個橢圓球和一段高度為h0的圓柱形筒節(jié)構(gòu)成。曲面深度 h=225mm查表，封頭

21、直邊高度封頭高度： .3法蘭由于在常壓下操作,所有法蘭均采用標(biāo)準(zhǔn)管法蘭平焊法蘭。選擇公稱壓力PN=0.78MPa，公稱直徑為400mm的標(biāo)準(zhǔn)法蘭。填料筒法蘭查表選擇如下參數(shù)：表PN=1.0MPa的甲型平焊法蘭尺寸與質(zhì)量公稱直徑DN/mm法蘭/mm螺柱對接筒體最小厚度/mm連接尺寸法蘭盤厚度高頸尺寸質(zhì)量/kg規(guī)格數(shù)量DD1D2D3D4d甲型平焊Hh12R3004153803503403371826852512221212.5M16164.4 耳式支座AN型耳式支座參數(shù)如下：表 AN型耳式支座尺寸/mm支座號支座本體允許載荷Q/(kN)適用容器公稱直徑DN高度H底板筋板螺栓(孔)支座質(zhì)量/kgl1

22、b11s1l2b22d螺紋2205001000160125130840100100524M201.55塔總高度計算 =0.7+3.9+0+1.5=6.1m式中：Hd塔頂空間高度（不包括封頭），m。取0.7 m。Hf液體再分布器的空間高度，m。Hb塔底空間高度，m。取1.5 m。n填料層分層數(shù)。十 回收塔的輔助設(shè)備計算 1.塔頂全凝器的計算與選擇 塔頂質(zhì)量流量 D=DxDM乙醇+（1-xD）M水=75*0.22*46+(1-0.22)*18=1812g/s查手冊得，乙醇在水中摩爾濃度為0.16時，潛熱為1684.54J/g每秒塔頂組份完全冷凝所放出的熱量：Q=1812*1684.54=30523

23、86.48J用溫度為28的水冷凝，則t2=28, t1=tD=92.2回凝器采用碳鋼材質(zhì)，查手冊得t=28,其熱導(dǎo)率2=51.36W/(m·) t=92.2,其熱導(dǎo)率1=49.40W/(m·)平均熱導(dǎo)率：m=(1+2)/2=50.38 W/(m·)管壁厚b=3mm=3*10-3m由Q=(t1-t2)/b/(mAm) 得:Am=bQ/(t1-t2)=3*10-3*2840134.44/(92.2-28)*50.38=2.631取管內(nèi)徑d1=80mm=0.08m,由Am=（d2L-d1L）/（d2/d1） 得:L=Am（d2/d1）/（d2-d1）=11.87m 取實

24、際L=12m 全凝器由12根 80mm*3mm 長為1m的碳鋼構(gòu)2.進(jìn)料換熱器的計算 進(jìn)料質(zhì)量流量 F=100*106/(24*3600)= 1157.4g/s 進(jìn)料時乙醇的濃度很底，故可將進(jìn)料液看成全為水做近似運算 查手冊得 t1=20時，水的比熱容 Cp=4.18J/(g·) 進(jìn)料加熱到泡點溫度 t2=98.9,每秒所需熱量Q=1157.4*4.18*(98.9-20)=381712.8348J 用溫度為140的飽和水蒸氣加熱（錯流式）tm´=(t2-t1)/(t2/t1)=(140-98.9)-(100-20)/(140-98.9)/(100-20)=58.4 P = (t2-t1)/(T1-t1)=(98.9-20)/(140-20)=0.6575 R = (T1-t2)/(t2-t1)=(140-100)/(98.9-20)=0.507 由P、R查手冊得 t=0.95 tm=ttm´=55.48 查手冊得，熱流體為水蒸氣冷凝，冷流體為水的管殼式換熱器的傳熱系數(shù)K大致范圍為 14204250W/(/),取 k=1500 W/(/) 傳熱面積:A=Q/(kt