精餾塔的設(shè)計(jì)(畢業(yè)設(shè)計(jì))

1、精儲塔的設(shè)計(jì)（畢業(yè)設(shè)計(jì)）精微塔的設(shè)計(jì)（畢業(yè)設(shè)計(jì)）精微塔尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算 初儲塔 的主要任務(wù)是分離乙酸和水、醋酸乙烯，釜液回收的乙酸作 為氣體分離塔吸收液及物料，塔頂醋酸乙烯和水經(jīng)冷卻后進(jìn) 行相分離。塔頂溫度為102 C,塔釜溫度為117C,操作壓力4kPa。由于浮閥塔塔板需按一定的中心距開閥孔，閥孔上覆以 可以升降的閥片，具結(jié)構(gòu)比泡罩塔簡單，而且生產(chǎn)能力大， 效率高，彈性大。所以該初儲塔設(shè)計(jì)為浮閥塔，浮閥選用F1型重閥。在工藝過程中，對初儲塔的處理量要求較大，塔內(nèi)液體流 量大，所以塔板的液流形式選擇雙流型，以便減少液面落差，改善氣液分布狀況。4.2.1操作理論板數(shù)和操作回流比初儲塔精儲過程計(jì)算采用

2、簡捷計(jì)算法。（1）最少理論板數(shù) Nm系統(tǒng)最少理論板數(shù)，即所涉及蒸儲系統(tǒng)（包括塔頂全凝器和塔釜再沸器）在全回流下所需要 的全部理論板數(shù)，一般按 Fenske方程20求取。Nm=lgxD,lxD,h x xW,hxW,llg a aV 49） 式中 xD,l , xD,h 輕、重關(guān)鍵組分在塔頂儲生物（液相或氣相）中的 摩爾分?jǐn)?shù)；xW,l, xW,h輕、重關(guān)鍵組分在塔釜液相中a av輕、重關(guān)鍵組分在塔內(nèi)的平均相對揮的摩爾分?jǐn)?shù)；發(fā)度；Nm 系統(tǒng)最少平衡級（理論板）數(shù)。塔頂和塔釜的相對揮發(fā)度分別為aD=1.7& aW=1.84則精微段的平均相對揮發(fā)度：aav=aDa W=1.78X 1.84=1

3、.81 式（49）得最少理論板數(shù)： Nm =lg0.77140.001 0.99990.00011g1.81=27 初儲塔塔頂有 全凝器與塔釜有再沸器，塔的最少理論板數(shù) Nm應(yīng)較Nm小, 則最少理論板數(shù)：Nm=Nm -1=27-1=26。（2）最小回流比 最小回流比，即在給定條件下以無窮多的塔板滿足分離要求時，所需回流比Rm,可用Underwood法計(jì)算。此法需先求由一個 Underwood參數(shù) Ri=1c aixF,i-0a=1q （410） 求生 9代入式（411）即 得最小回流比。Rm=i=1ca ixD,i -師1 （411） 式中 xF,i 進(jìn)料（包 括氣、液兩相）中 i組分的摩爾分

4、數(shù)；c組分個數(shù)；a i i-組分的相對揮發(fā)度； -Underwood參數(shù)；xD,i 塔頂儲生物中i組分的摩爾分?jǐn)?shù)。q=每千摩爾進(jìn)料轉(zhuǎn)化為飽和蒸氣所需的熱量進(jìn)料的千摩 爾汽化潛熱進(jìn)料狀態(tài)為泡點(diǎn)液體進(jìn)料，即 q=1 o取塔頂與塔釜溫度的加權(quán)平均值為進(jìn)料板溫度（即計(jì)算溫tva=DtD+WtWF=981.18 X 102+867.02 1171848.20=109.04 在 進(jìn)料板溫度109.04 C下，取組分 B (H2O)為基準(zhǔn)組分，則 各組分的相對揮發(fā)度分別為a AB=2.1, a BB=1, a CB=0.93所 以f 0 =i=1c a ixF,i- 0o+q1=2.1 0.12072.1-

5、 9 +1 X 0.40961 +0.93 X 0.46960-93=0 禾用 試 差法解得 9 =0.9658, 并代入式 (4 11 ) 得 Rm=2.1 X0.22742.1-0.9658+1 0.77141-0.9658+0.93 0.0010.93 -0.9658-1=21.95 (3)操作回流比 R和操作理論板數(shù) N0操 作回流比與操作理論板數(shù)的選用取決于操作費(fèi)用與基建投 資的權(quán)衡。一般按R/Rm=1.21.5的關(guān)系求生 R,再根據(jù)Gilliland關(guān) 聯(lián)20求生N0o取 R/Rm=1.2,得 R=26.34,貝U有： R-RmR+1=26.34-21.9526.34+1=0.16

6、 查 Gilliland 圖 得N0-NmN0+1=N0-26N0+1=0.48 解得操作理論板數(shù) N0=51。4.2.2實(shí)際塔板數(shù)(1)進(jìn)料板位置的確定對于泡點(diǎn)進(jìn)料，可用Kirkbride提由的經(jīng)驗(yàn)式進(jìn)行計(jì)算。lgnm=0.206lgWD XxF,hxF,lxW,lxD,h2(412) 式中xF,l, xF,h輕、重關(guān)鍵組分在進(jìn)料液相中的摩爾分?jǐn)?shù)； n精儲段理論塔板數(shù)；m提微段理論塔板數(shù)(包括塔釜)O將代入數(shù)據(jù)到式 (412 ) 可得lgnm=0.2061g867.02981.18 0.46960.40960.00010.0012=-0.4108 解得 n/m=0.39 ,且 N0=n+m=

7、51 ,可得 n=15, m=36 (包括 塔釜)。所以，精微段理論板數(shù)為15,提微段理論塔板數(shù)為 35o(2)實(shí)際塔板數(shù)全塔效率E的定義：E二在指定回流比與分離要求下所需理論板數(shù)在相同條件下所需的實(shí)際板數(shù)可用Drickamer-Bradford法20計(jì)算全塔效率，其關(guān)聯(lián)式：E=0.17 0.6161g va (413)進(jìn)料狀態(tài)下各組分的粘度分另I為以 A,F=0.178cP,以 B,F=0.259cP 以 C,F=0.406cP 貝U進(jìn)料液體的平均摩爾黏度：以 av=xi 以 i=0.1207 X 0.178+0.4096 X 0.259+0.4696 X 0.406=0.318 由式(41

8、3)可得 E=0.17 0.6161g0.318=0.48 精微段實(shí)際塔板數(shù)為N1=15/0.48=32 ,提微段實(shí)際塔板數(shù)為N2=35/0.48=73 ,所以初儲塔實(shí)際塔板總數(shù)為N=32+73=105。取塔板間距HT=0.6m ,精儲段和提儲段的有效高度分別為：Z1=N1HT=32X 0.6=19.2m Z2=75 X0.6=45m 所以初儲塔的有效高度：Z=Z1+Z2=19.2+45=64.2m 4.2.3初儲塔尺寸計(jì)算在不同溫度下，初儲塔內(nèi)液體在塔不同位置各組分的密度及表面張力數(shù)據(jù)如表4 2所示。表4-2物性數(shù)據(jù)表組分進(jìn)料位置塔頂密度 p(kg/m3 ) 表面張力 ° (mN/

9、m ) 密度 p (kg/m3 ) 表面張力 °(mN/m) A (VAc) 817 13.20 825 14.30 B (H2O) 95157.80 958.4 60.10 C ( HVc ) 943 18.03 957.8 19.26 進(jìn)料位置 液體密度：p F,L=10.1207817+0.4096951+0.4696943=929kg/m3 同理可得，精微塔塔頂混合液體密度p D,L=924.6kg/m3,則精微段液體的平均密度：p L=(929+924.6)/2=926.8kg/m3 根據(jù) p =pM/(ZRT礙：p F,V=1.78kg/m3 p D,V=1.28kg/m

10、3,則精微段氣體的平均密 度：p V=(1.78+1.28)/2=1.53kg/m3進(jìn)料位置液體表面張力：(yF=xi(yi=13.20 X 1207+57.80 X 0.4096+18.03 X 0.4696=33.74mN/m同理可得，塔頂液體的表面張力> D=49.62mN/m,則精微段液體的平均表面張力：。=。F+。D/2=33.74+49.62/2=41.68mN/mM頂產(chǎn)品的質(zhì)量流 口 小：D=981.18 X86.091 僅2274+18.02 0.7714+60.05 0.001)=32906.59kg/h本設(shè)計(jì)因?yàn)樘幚砹枯^大，一個初儲塔難以滿足生產(chǎn)需求，所以改用四個相同

11、的初儲塔并聯(lián)處理。由于R=L/D ,則塔頂與全凝器之間物流的質(zhì)量流量：L=RD/4=26.34 M2906.59/4=216689.90kg/h V=(R+1)D/4=(26.34+1) 32906.59/4=224916.54kg/h 塔頂與全 凝器之間物流的體積流量：LS=L/ p D,L=216689.90/924.6=233.80m3/h=0.065m3/sVS=V/ p D,V=224916.54/1.28=147004.27m3/h=40.83m3/s (1) 塔徑的設(shè)計(jì)計(jì)算 精儲塔的空塔氣速 u應(yīng)比uf小，對于一般 液體，u可取為(0.70.8)uf ,而液泛氣速可根據(jù)式(414

12、) 計(jì)算。uf=Cpl-pVp V0.5(414)式中 uf 液泛氣速，m/s； C氣體負(fù)荷因子。已知塔板間距 HT=0.6m ,取板上液層高度 hL=0.075m , 貝U HT hL=0.525m。采用(414)計(jì)算液泛氣速，要先從史密斯關(guān)聯(lián)圖21中讀生C20以求得Co為 此， 首 先 算 由 FP=LSVSp Lp V0.5=233.80147004.2792681.530.5=0.04 從 史 密斯關(guān)聯(lián)圖中讀生 FP=0.04及HT hL=0.525m時，C20=0.13。所以 C=C20(y 200.2=0.1341.68200.2=0.15 由式(414)得 uf=0.15926.

13、8-1.531.530.5=3.69m/s 液泛分率為 0.8 時，氣速 u =0.8uf=0.8 369=2.952m/s ,因此所需氣體流通截面積：A =VSu =40.832.952=13.83m2 對于 雙流型 一般取lw/D=0.50.7,因液體流量較大取堰長lw=0.7D ,查圖14得降液管截面積與塔板總面積之比Af /AT =0.085 ,則氣體流通截面積與塔板總面積之比：A AT =AT -Af AT =1-Af AT =1-0.085=0.915 于是得 AT =13.83/0.915=15.12m2 ,則初福塔塔徑：D=4AT 兀 0.5=4 X 15.123.1.5=4.

14、39m 圓整后取塔徑 D=5m , 于是有：初福塔橫截面積：AT=u D2/4=0.785 X 52=19.625m2體流通截面積：A=0.915 X19.625=17.957m2 (2)筒體及封頭壁厚 該初微塔 為常壓精微，取設(shè)計(jì)壓力為0.1MPa,所用材料為 0Cr18Ni10Ti ,標(biāo)準(zhǔn)為 GB 4237。貝U壁厚8 =pcDi2(pC=0.1 50002 X137>0.85-0.1=2.15mm圓整后取初儲塔壁厚為5mm。根據(jù)JB/T 473795,選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭作為初儲塔封 頭，即 Di/2hi=2 , K=1。封頭所用材料為 0Cr18Ni10Ti ,厚度可取筒體壁厚 8

15、 =5mm Di=D=5000mm , hi=D/4=1250mm ;封頭的直邊高度取 h2=50mm。(3)支座初儲塔的支座選用圓筒形裙座，材質(zhì)為16MnR,裙座與塔體的鏈接采用對接式焊接，裙座筒體內(nèi)徑 為5000mm ,厚度為30mm。地腳螺栓的結(jié)構(gòu)選擇外螺栓型結(jié)構(gòu)形式，螺栓選用M80X 6,個數(shù)為30個裙座上開設(shè) 2個長圓形人孔，曲邊半徑 r0=250mm ,高G=700mm。在裙座上設(shè)置6個直徑為100mm的排氣孔。4.2.4接管與管法蘭 塔頂氣體的體積流量：VD=VS=40.83m3/s初儲塔進(jìn)料液體、塔釜液體的平均摩爾質(zhì)量：MF=0.1207X86.091+0.4096 1)8.0

16、2+0.4696 60.05=45.97kg/kmol MW=0.0001X 18.02+0.9999 60.05=60.05kg/kmol 已知進(jìn)料液體、塔釜液體的密度：p F,L=929kg/m3 p W,L=10.0001951+0.9999943=943kg/m3 所 以，進(jìn)料液體和塔釜液體的體積流量：VF=FX MF4X 3600 X p F,L=1848.20 X 45.974 X 3600 X 929=0.00632 m3/s VW=867.02X60.054 3600 X943=0.00383m3/s 分另取進(jìn)料管液體速度、塔頂由料管氣體速度和塔釜由料管液體速度為uF=1m/s

17、, uD=30m/s , uW=1m/s,則進(jìn)料管、塔頂和塔釜接管直徑：dF=4VFu uF0.5=4 X 0.006323.14 X 10.5=0.0898mdD=4X40.833.14 300.5=1.3167mdW=4X 0.003833.14便.5=0.0699m 圓整后取進(jìn)料、塔頂由料和塔釜由料接管的公稱直徑分別為100mm , 1400mm ,100mm。進(jìn)料接管和塔頂由料接管選用相同的標(biāo)準(zhǔn)法蘭。根據(jù)HG 20592 200922,選用的標(biāo)準(zhǔn)法蘭尺寸分別列于 表43中。表4-3初儲塔接管法蘭尺寸 名稱 進(jìn)料與塔釜由料 塔 頂由料 選型 突面(RF)帶頸平焊法蘭 突面(RF)帶頸對

18、焊法蘭 法蘭材料(鍛件) 12CrMo1 (JB/T 4726) 12CrMo1(JB/T 4726) 接管公稱直徑/mm 100 1400接管外徑 A/mm 114.3 A1=1422法蘭外徑 D/mm 210 1675 螺栓孔中心圓直徑 K/mm 170 1590 螺孔直徑L/mm 18 42 螺孔數(shù)n 4 36螺栓規(guī) 格 M16 M39X 3法蘭內(nèi)徑 B/mm 116 1398法蘭高度 H/mm 40 145 法蘭標(biāo)準(zhǔn)件編號 HG205922009SORFA6_10 HG20592 2009WNRFA 10_26 墊片選型 突面(RF 型)非 金屬平墊片 突面(RF型)非金屬平墊片墊片內(nèi)

19、徑D1/mm115 1422 墊片外徑 D2/mm 152 1548 墊片厚度 T/mm 1.5 3 墊 片標(biāo)準(zhǔn) 件編號HG20606 2009RF6_10HG20606 2009RF -10_26螺栓選型 六角螺栓 六角螺栓 螺栓標(biāo)準(zhǔn) GB5728 A 級 GB5785A 級螺栓材料 A4-50(GB/T 5782) A4-50 (GB/T 5782) 螺母選型 I 型六角螺 母I型六角螺母 螺母材料 A4-50 ( GB/T 6170) A4-70 ( GB/T 6171)4.2.5 溢流裝置 堰長 lw=0.7D=0.7 5=3.5m 根據(jù) lw/D=0.7 ,查圖14得雙溢流型塔板弓形

20、溢流堰寬度與塔徑之比 Wd/D=0.14 ,貝U Wd=0.14D=0.14X 5=0.7m。降液管截面積：Af=19.625 16.878=1.668m2可由液體在降液管中的停留時 間 9 >(3- 5)s驗(yàn)算降液管設(shè)計(jì)的合理性，即 9 =3600AfHTLS=3600 X 1.668 X 0.6223.80=16.10s>5以降液 管的設(shè)計(jì)合理。初福塔的堰型選用平直堰。已知 hL=0.075m ,由 LS/lw2.5=233.80/3.52.5=10.20 ,查圖 14得液流收縮系數(shù) E=1.026 ,則平直堰堰上液流高度：h0w=2.841000ELSlw23=2.84100

21、0 K026233.803.523=0.048m 則由口堰高度：hw=hL h0w=0.075 0.048=0.027m 為保證液封和防止堵塞，降液管底隙高度h0應(yīng)小于hw,取底隙內(nèi)液體流速為 u0 =0.75m/s,則降液管底隙高度：h0=LSlwu0 =0.0653.5 075=0.025m4.2.6 塔板布置對于雙流型塔板，取安定區(qū)寬度Ws=0.1m,塔板邊緣寬度 Wc=0.06m,中間降液管寬度 Wd =0.2m ;已知 Wd=0.7m ,則 xs=0.5D-Wd+Ws=0.5 X5-0.7+0.1=1.7mxd=0.5Wd+Ws=0.5X0.2+0.1=0.2m r=0.5D-Wc=

22、0.5 5-0.06=2.44m 豉泡 區(qū)為氣液接觸有效區(qū)，豉泡面積：Aa=2xsr2-xs2+r2sin-1xsr-2xdr2-xd2+r2sin-1xdr =21.722.442-1.722+2.442 sin-11.722.44 -20.43 2<442-0.432+2.442 siX10.432.44 =13.18m2 本設(shè)計(jì)選 用F1型重閥（33g）,孔徑d=0.039m。浮閥排列形式采用正三角形叉排因?yàn)椴媾艜r，相鄰兩閥中吹由的氣流對液層的攪拌作用顯著，豉泡均勻，液面梯度小，霧沫夾帶量也較小。閥孔動能因數(shù)可取 F0=81114,取F0=11,貝U閥孔氣速:u0=F0/ p V0

23、.5=11/1.530.5=8.89m/s浮閥數(shù)：nf=4VS 兀 d2u0=4 X 40.833.14 X 0.0392 X 8.89=3847L間距 t=0.075m,浮閥排列形式按正三角形叉排，浮閥在塔板的豉泡區(qū)的排布數(shù)量：n=2Aa3t2=2 X13.183 0.0752=2706塔的開孔率 小依閥孔數(shù)而定，一般在常、減壓塔中為塔板總面積的10%15%左右。浮閥塔的開孔率：3=0.785d2nfAT=0.785 X 0.0392 X 270619.625=0做塔的開孔率3=16.5%僅稍大于15%,故浮閥的排布依然合理。根據(jù)浮閥在塔板上排布數(shù)計(jì)算得實(shí)際閥孔氣速為：u=4VSu d2n=4X40.833.14 X 0203706=12.65m/s 4.2.7 流體力學(xué)驗(yàn)算 （1）塔板壓力降hp氣體通過干塔板的壓力降：hpd=5.34u2 p V2gp L=5.34 X 12.652 X 1.532 X 9.81 X 926.8=0.072m液柱 氣體通過液層壓力降：hpL=0.5hw+h0w=0.5 >0.0