乙醇回收塔設(shè)計(jì)例子

1、目 錄一、 前言-3二、 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)符號(hào)表-4三、 設(shè)計(jì)方案的確定-5四、 回收塔的物料衡算-5五、 回收塔理論板數(shù)Nt的確定-6六、 回收塔工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)計(jì)算-8七、 回收塔主要工藝尺寸計(jì)算-10八、 液體分布器及其他設(shè)備簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)-11九、 回收塔的輔助設(shè)備計(jì)算-15十、 設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果總表-18十一、 物性參數(shù)十二、參考資料-18一 前言乙醇用途廣泛，是基礎(chǔ)的有機(jī)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(lái)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(shí)現(xiàn)分離,純化的單元操作設(shè)備。

2、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(méi)有良好的與之匹配的化工設(shè)備，就不會(huì)達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果，實(shí)現(xiàn)不了預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)。因此，塔設(shè)備是工藝過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)的載體，直接影響生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量和效益。板式塔屬于逐級(jí)接觸逆流操作，填料塔屬于微分接觸操作。生產(chǎn)上對(duì)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(jiǎn)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(jì)的首要環(huán)節(jié)，選擇時(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)和維修等方面的

3、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(jiǎn)單、造價(jià)較低、適應(yīng)性強(qiáng)、易于放大等特點(diǎn)，因而在70年代以前的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，塔板的研究一直處于領(lǐng)先地位。然而，70年代初期出現(xiàn)的世界能源危機(jī)迫使填料塔技術(shù)在近20年來(lái)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。由于性能優(yōu)良的新填料相繼問(wèn)世，特別是規(guī)整填料和新型塔內(nèi)件的不斷開(kāi)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(guó)，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(gè)嶄新的時(shí)期，其工業(yè)應(yīng)用與發(fā)達(dá)國(guó)家并駕

4、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(diǎn)：生產(chǎn)能力大，分離效率高，壓力降小，操作彈性大，持液量小等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)乙醇回收目標(biāo)。二 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)符號(hào)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。c

5、p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(zhǎng)，m。Lh液體噴淋量，m3/h。Lh,min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(qiáng)，Pa。p壓降，Pa。Q換熱器的熱負(fù)荷，W。Re雷諾數(shù)，無(wú)量綱。t溫度，。tm對(duì)數(shù)平均溫度差，。T絕對(duì)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

6、產(chǎn)品濃度。三 設(shè)計(jì)方案的確定本設(shè)計(jì)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(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料通過(guò)預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送入回收塔內(nèi)。乙醇常壓下的沸點(diǎn)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(duì)分子質(zhì)量密度20沸點(diǎn)(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C2H5O

7、H46.0778978.32.391.150.17222.8常壓下乙醇和水的氣液平衡數(shù)據(jù)，見(jiàn)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(diǎn)t/乙醇摩爾數(shù)/%沸點(diǎn)t/乙醇摩爾數(shù)/%氣相液相氣相液相99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.9079.8552.6866.2899.00.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.65

8、0.798.7678.9568.9274.6995.81.6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.9183.7517.4151.6778.285.9786.4082.325.7555.7478.1589.4189.41五 回收塔的物料衡算 乙醇摩爾質(zhì)量M乙醇=46g/mol 水的摩爾質(zhì)量MH2O=18g/moln乙醇=m乙醇/M乙醇=100*10.5%*106/46=228260.8696moln水=m水/M水=100*106*8

9、9.5%/18=4972222.222moln總=n乙醇+n水=5200483.092molxF=n乙醇/n總=0.0459因?yàn)榕蔹c(diǎn)進(jìn)料，故q=1,所以L=F；又因?yàn)長(zhǎng)=W, 所以F=WW=F=n總/t=5200483.092/(24*3600)=60.191mol/s由物料衡算得 F+V0=D+W所以 V0=D=V對(duì)組分乙醇進(jìn)行物料衡算得：FxF=DxD+WxW xW = (FxF- DxD)/W又因?yàn)? DxD/（ FxF ） 得DxD=FxF所以 xW= （xF-FxF）/W=(1-) xF=(1-98%)*0.0459=9.18*10-4由回收塔理論板數(shù)的確定 可得： D=V= V0=

10、32mol/s, xD=0.18故F=W=L=60.191mol/s D= V0=V=32mol/s操作線y=Lx/V+c平衡線y=kx+b五 回收塔理論板Nt的確定yq=1y1=kxW+by2=kV(y1-c)/L+byn=kV(yn-1-c)/L+bxxDxFxWVoV0 由于液相中乙醇的濃度變化很小，在3.95*10-23.95*10-4之間，此時(shí)氣液平衡曲線近似為一條直線，該直線方程為y=7.96x+0.008。 操作線過(guò)點(diǎn)（xw,0）即（3.95*10-4，0）的直線，其方程y=Fx/V0-FxW/V0 即為y=60.191/ V0x-0.068/ V0由數(shù)學(xué)方法可知，第n塊理論板上

11、氣相中乙醇濃度為yn=Kv/L(yn-1-c)+b,共有n塊理論板。當(dāng)操作線為y=60.191x/ V-0.068/ V,平衡線為y=7.96x+0.008，若共有n塊理論板，則yn=0.0467 V0(yn-1+0.067/ V0)6.63/ V0因?yàn)椴僮骶€斜率xF/( xF- xW)F/ V00.29/( xF- xW)即( xF- xW)F/0.29V0( xF- xW)F/xF 所以22.87mol/sV060.191 mol/s理論板數(shù)計(jì)算： 例：當(dāng)V0=16.75 mol/s 故，yn0.0326 y1=k xW+b=7.92*10-4+0.005=8.31*10-3 y2=k V

12、/L(y1-c)+b=0.0467 V0(y1+0.067/ V0)=0.0164 y3=k V/L(y2-c)+b=0.0467 V0(y2+0.067/ V0)=0.0197 y4=k V/L(y3-c)+b=0.0467 V0(y3+0.067/ V0)=0.0254 y5=k V/L(y4-c)+b=0.0467 V0(y1+0.067/ V0)=0.0376 y6=k V/L(y5-c)+b=0.0467 V0(y1+0.067/ V0)=0.0461>0.0326故此時(shí)理論板數(shù)為6進(jìn)氣量的變化與理論板數(shù)的關(guān)系V0（kmol/h）NT28.15 1031.90 736.81 6

13、43.50 553.17 468.36 395.70 3由圖可見(jiàn)，在流量達(dá)到43.50 kmol/h后，增加氣量對(duì)理論板數(shù)影響不大，且進(jìn)氣量越大，塔頂汽相組成越小，塔徑越大，因此選擇理論塔板數(shù)NT = 6，進(jìn)氣量V0 = 43.50 kmol/h。提餾線方程：y=2.897x-0.0044898六 回收塔工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)計(jì)算1. 操作溫度計(jì)算塔頂溫度 tD=84.2 塔底溫度 tW=100平均溫度 t=( tD + tW)/2=92.12.平均摩爾質(zhì)量計(jì)算由xD=y1=0.16, 查平衡曲線得 x1=0.016MVD=y1M乙醇+（1-y1）M水=22.48kg/kmolMLD=x1M乙

14、醇+（1-x1）M水=18.448kg/kmol由于塔底xW很小，塔底可看成只有主份水，故MVW=M水=MLW=18kg/kmol全塔平均摩爾質(zhì)量：MV= (MVD+MVW)/2=20.24kg/kmol ML= (MLD+MLW)/2=18.224kg/kmol3.平均密度計(jì)算 氣相平均密度計(jì)算： 由理想氣體狀態(tài)方程得 v=PMV/(RT)=101.3*20.24/8.314*(92.1+273.15)=0.675kg/m3 液相平均密度計(jì)算： 由于操作過(guò)程中乙醇在液相中濃度很小可近似取V=960kg/m34.液體平均表面張力計(jì)算 液體平均表面張力依據(jù) l=xii計(jì)算 塔頂液相平均表面張力的

15、計(jì)算： 由tD=82.2，查手冊(cè)得 乙醇=1.67*10-3N/m, 水=61.79*10-3N/m LD=x1乙醇+（1-x1）水=61.07*10-3N/m 塔底液相平均表面張力的計(jì)算： 由tW=100, 查手冊(cè)得 乙醇=15.5*10-3N/m, 水=58.84*10-3N/m LW=xW乙醇+（1-xW）水=58.82*10-3N/m 平均表面張力為： L=(LD+LW)/2=59.94*10-3N/m5.液體平均粘度計(jì)算 液相平均粘度計(jì)算，即 L=xii 塔頂液相平均粘度計(jì)算： 由tD=84.2, 查手冊(cè)得，乙醇=0.43mPa·s 水=0.3387 mPa·s

16、LD=x1乙醇+(1-x1)水 解得LD=0.34 mPa·s 塔底液相平均粘度計(jì)算： 由tW=100, 查手冊(cè)得，乙醇=0.34mPa·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=0.31 mPa·s七 回收塔的塔體主要工藝計(jì)算 1.塔徑的計(jì)算 采用氣相負(fù)荷因子法計(jì)算適宜的空塔氣速液相質(zhì)量流量為：L=LML=169.63*10-3*3600*18.224=11128.8kg/h氣相質(zhì)量流量為：V=VMV=750*10-3*3600*20.24=54

17、64.8kg/h流動(dòng)參數(shù)為：=L/V(V/L)0.5=11128.8/5464.8*（0.675/960）0.5=0.0540查波紋填料的最大負(fù)荷因子圖得，Csmax=0.122Cs=0.8 Csmax=0.8*0.122=0.0976由Cs=uV/(L-V)0.5 得 u=Cs/V/(L-V)0.5=0.0976/0.675/(960-0.675)0.5=3.679m/sD=4Vs/（u）0.5=4*5464.8/(0.675*3600)/(3.14*3.679)0.5=0.882m圓整塔徑，取 D=900mm2.液體噴淋密度的驗(yàn)算U=Lh/(0.785D0.5)=11128.8/960/(

18、0.785*0.90.5)=15.56m3/(·h)>0.2m3/( ·h)3.填料層高度計(jì)算 對(duì)125Y型金屬孔板波紋填料，查手冊(cè)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=3*1=3m Z´=1.3*3=3.9m4.填料層的分段 填料層的分段高度 h=(1520)HETP> Z´=3.9m 故該填料層無(wú)需分段5.填料層壓降計(jì)算 對(duì)于對(duì)125Y型金屬孔板波紋填料，查手冊(cè)得，每米填料層壓降為p/Z=2.0*10-4MPa/m 填料層總壓降為: p=3.9*2.0*10-

19、4MPa=0.78kPa八 液體分布器及其他設(shè)備簡(jiǎn)要設(shè)計(jì) 8.1 液體分布器選擇由于塔徑D=0.9m>0.75m,每平方米塔截面上應(yīng)有4050噴淋點(diǎn)，設(shè)計(jì)中取分布點(diǎn)密度為44點(diǎn)/布液點(diǎn)數(shù)為 n=(D/2)2*44=3.14*(0.9/2)2*45=27.928點(diǎn) 由于塔徑D=0.9m<1.2m,故可用如圖管式噴淋器 布液計(jì)算： 由Ls=/4d2n(2gH)0.5 取=0.65 ， H=160mm d=4Ls/n/(2gH)0.50.5 =4*280*1000/(3600*949*3.14*28*0.65)/(2*9.81*0.16)0.50.5=0.0569m 取d=60mm 故液

20、體分布器如下圖所示：8.2 除沫器選擇氣體從塔頂流出時(shí)，總會(huì)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8.3 管道設(shè)計(jì)與選擇為減少氣液進(jìn)出塔對(duì)塔內(nèi)操作的沖擊，管徑選取按下述條件：液體流速：uL = 0.11 m/s蒸汽流速：u0 = 3050m/s8.3.1 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*75/(3.14*38*675)0.5= 0.061m=70mm圓整后d=70mm 選擇70×4的管子8.3.2進(jìn)料管管徑取uL=0.7m/s則進(jìn)料

21、管管徑： d=4uLLF)0.5=4*169.63/(3.14*0.7*960)0.5=0.57m=57mm圓整后d=60mm 選擇70×3.5的管子8.3.3 塔釜出料管管徑取uL=0.7m/s則出料管管徑：d=4WL/(uLLW)0.5= 4*169.93/(3.14*0.7*960)0.5=0.57m=57mm圓整后d=60mm 選擇60×3.5的管子8.3.4 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*75/(3.14*38*675)0.5=0.061m=61mm圓整后d=70mm 選擇70×4的管子管道規(guī)格表塔頂蒸

22、汽出口管進(jìn)料管管徑塔釜出料管塔底蒸汽進(jìn)管管徑/mm70×460×3.560×3.570×48.4 其他附件選擇8.4.1筒體圓筒計(jì)算厚度，考慮到介質(zhì)對(duì)筒壁的腐蝕作用，在設(shè)計(jì)筒體所需厚度時(shí)，還應(yīng)在計(jì)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(jì)厚為 式中 dd-圓筒設(shè)計(jì)厚度,mm； Di-圓筒內(nèi)徑,mm； p-容器設(shè)計(jì)壓力，MPa；f-焊接頭系數(shù).由于p與t比很小,采用簡(jiǎn)寫(xiě)式:： 設(shè)計(jì)溫度為92.1，采用碳素鋼鋼板，查得鋼號(hào)為Q235-B，鋼板標(biāo)準(zhǔn)為GB912，在此設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力為113MPa，計(jì)算壓力 圓筒內(nèi)徑 焊接頭系數(shù) 則 圓整后為4m

23、m，在鋼號(hào)為Q235-B，鋼板標(biāo)準(zhǔn)為GB912的厚度34mm范圍內(nèi)。表8-4-1 壓力容器用碳素鋼鋼板的需用壓力鋼號(hào)鋼板標(biāo)準(zhǔn)使用狀態(tài)厚度mm常溫強(qiáng)度指標(biāo)100下的許用應(yīng)力MPabMPasMPaQ235-BGB912熱軋34mm3752351138.4.2封頭選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭這種封頭是由半個(gè)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，封頭直邊高度封頭高度： 8.4.3 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。查表，由公稱壓力PN=0.78MPa，選擇如下參數(shù)：表8-4-3 法蘭參數(shù)公稱直徑DNmm法蘭/mm螺柱連接尺寸法蘭厚度質(zhì)量Kg規(guī)格數(shù)量DD1D2

24、D3D4d甲型900415380350340337182612.52M16168.4.4 耳式支座AN型耳式支座參數(shù)如下：表8.4 AN型耳式支座尺寸/mm支座號(hào)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/kgl1b11s1l2b22d螺紋2205001000160125130840100100524M201.58.5塔總高度計(jì)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)。九 回收塔的輔助設(shè)備計(jì)算 1.塔頂全凝器的計(jì)算與選

25、擇 塔頂質(zhì)量流量 D=DxDM乙醇+（1-xD）M水=75*0.16*46+(1-0.16)*18=1686g/s查手冊(cè)得，乙醇在水中摩爾濃度為0.16時(shí)，潛熱為1684.54J/g每秒塔頂組份完全冷凝所放出的熱量：Q=1686*1684.54=2840134.44J用溫度為28的水冷凝，則t2=28, t1=tD=84.2回凝器采用碳鋼材質(zhì)，查手冊(cè)得t=28,其熱導(dǎo)率2=51.36W/(m·) t=84.2,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

26、) 得:Am=bQ/(t1-t2)=3*10-3*2840134.44/(84.2-28)*50.38=3.01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(shí)際L=12m 全凝器由12根 80mm*3mm 長(zhǎng)為1m的碳鋼構(gòu)2.進(jìn)料換熱器的計(jì)算 進(jìn)料質(zhì)量流量 F=280*106/(24*3600)=3240.7g/s 進(jìn)料時(shí)乙醇的濃度很底，故可將進(jìn)料液看成全為水做近似運(yùn)算 查手冊(cè)得 t1=20時(shí)，水的比熱容 Cp=4.18J/(g·) 進(jìn)料加熱到泡點(diǎn)溫度 t2=98.9,每秒所需熱量Q=3240.7*4.18*(98.9-