塔设计例题汇总.docx

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塔设计例题汇总

1、设计题目：

年产8000吨乙醇板式精馏塔工艺设计

2、已知条件：

A.进料F=6kmol/h  q=0  Xf=0.45    

B.压力：

p顶=4KPa  单板压降≤0.7KPa    

C.采用电加热，塔顶冷凝水采用12℃深井水    

D.要求：

Xd=0.88  Xw=0.01    E.选定R/Rmin=1.6

3、设计要求

（1）物料流程图，塔版图，塔体工艺图

（2）各接口尺寸（3）加热剂及冷却剂用量。

二、设计方案选定

2.1精馏方式：

本设计采用连续精馏方式。

原料液连续加入精馏塔中，并连续收集产物和排出残液。

其优点是集成度高，可控性好，产品质量稳定。

由于所涉浓度范围内乙醇和水的挥发度相差较大，因而无须采用特殊精馏。

2.2操作压力：

本设计选择常压，常压操作对设备要求低，操作费用低，适用于乙醇和水这类非热敏沸点在常温（工业低温段）物系分离。

2.3塔板形式：

根据生产要求，选择结构简单，易于加工，造价低廉的筛板塔，筛板塔处理能力大，塔板效率高，压降教低，在乙醇和水这种黏度不大的分离工艺中有很好表现。

2.4加料方式和加料热状态：

加料方式选择加料泵打入。

由于原料温度稳定，为减少操作成本采用30度原料冷液进料。

2.5由于蒸汽质量不易保证，采用间接，蒸汽加热。

2.6再沸器，冷凝器等附属设备的安排：

塔底设置再沸器，塔顶蒸汽完全冷凝后再冷却至65度回流入塔。

冷凝冷却器安装在较低的框架上，通过回流比控制期分流后，用回流泵打回塔内，馏出产品进入储罐。

塔釜产品接近纯水，一部分用来补充加热蒸汽，其余储槽备稀释其他工段污水排放。

三、总体设计计算

3.1汽液平衡数据（760mmHg）

乙醇%（mol）  温度  液相X气相Y℃

0.00        0.00       100

1.90      17.00        95.5

7.21      38.91        89.0

9.66      43.7586.7

12.38    47.0485.3

16.61    50.8984.1

23.37    54.4582.7

26.08    55.8082.3

32.73    58.2681.5

39.65    61.2280.7

50.79    65.6479.8

51.98    65.9979.7

57.32    68.4179.3

67.63      73.85    78.74

74.72    78.1578.41

89.43    89.4378.15

3.2物料衡算

3.2.1已知：

A.进料：

F=6kmol/h  q=0  Xf=0.45

B.压力：

p顶=4KPa  单板压降≤0.7KPa

C.采用电加热，塔顶冷凝水采用12℃深井水

D.要求：

Xd=0.88    Xw=0.01

E、选定：

R/Rmin=1.6

D=（Xf-Xw）/（Xd-Xw）×F

=（0.45-0.01）/（0.88-0.01）×6=3.03kmol/h

W=F-D=6-3.03=2.97kmol/h

查y-x图得  Xd/（Rmin+1）=0.218

∴Rmin=3.037    ∴R=1.6Rmin=4.859

∵饱和蒸汽进料    ∴q=0

L=RD=4.859×3.03=14.723kmol/h

V=（R+1）D=（4.859+1）×3.03=17.753kmol/h

L'=L+qF=14.723+0×6=14.723kmol/h

V'=V-（1-q）F=17.753-（1-0）×6=11.753kmol/h

1.3操作线及塔板计算

1.精馏段操作线：

Y=R×X/（R+1）+Xd/（R+1）

∴Y=0.829X+0.150

3.2.2.提馏段操作线：

Y=（L'/V'）×X-（W/V'）×Xw        

∴Y=1.253X-0.00025

3.3.理论塔板的计算

利用计算机制图取得理论板数

Nt=29.33块,其中精馏段塔板Nt1=26.85块,第27块为加料板,提馏段Nt2=2.48块。

3.4全塔Et%和Np的计算

3.4.1.精馏段：

t=（t顶+t进）=（79.25+87.32）/2=83.285℃

Xa=0.34    Xb=1-Xa=0.66

Ya=0.59    Yb=1-Ya=0.41

查得液体粘度共线图  μa=0.382cp,μb=0.592cp

αμL=YaXbμL/XaYb=1.454

查得：

Et1%=0.49（αμL）-0.245=0.5471

Np1=Nt1/Et1=49.08

3.4.2.提馏段：

t=（t底+t进）/2=（99.9+87.32）/2=93.61

Xa=0.045  Xb=1-Xa=0.955

Ya=0.27    Yb=1-Ya=0.730

查得液体粘度共线图  μa=0.468cp,  μb=0.532  cp

μL=ΣXiμi=0.045×0.468+0.955×0.532=0.5291

αμL=YaXbμL/XaYb=4.15

查得：

Et2%=0.49（αμL）-0.245=0.346

Np2=Nt2/Et2=7.17

∴Np=Np1+Np2=49.08+7.17=56.25

圆整为57块  其中精馏段49块，提馏段8块。

四、  混合参数计算

4.1混合参数计算

溶质C2H5OH分子量：

Ma=46.07kg/kmol    

溶剂H2O  分子量：

Mb=18.016kg/kmol

ρa=0.789g/ml      ρb=1.000g/ml

4.1.1精馏段：

进料板液体温度：

t进=87.32℃  

塔顶温度：

t顶=79.25℃

tm=（87.32+79.25）/2=83.285℃

Xm=0.34      Ym=0.59

μa=0.382cp    μb=0.592cp

Ml=Xm×Ma+（1-Xm）Mb=0.34×46.07+（1-0.34）×18.016=2**5kg/kmol

Mg=Ym×Ma+（1-Ym）Mb=0.59×46.07+（10.59）

×18.016=34.56kg/kmol

质量分率:

Wa=XmMa/Ml=0.34×46.07/2**5=0.6855

          Wb=1-Wa=1-0.6855=0.3145

1/ρl=Wa/ρa+Wb/ρb=0.6855/0.789+0.3145/1.00

ρl=845.1kg/m3    P=105325Pa

ρv=PMg/RT=105325×34.56/（8314×（273.15+79.25））

∴ρv=1.2424kg/m3

4.1.2提馏段：

t进=87.32℃  t底=99.9℃  tm=93.61℃Xm=0.045

Ym=0.27    Ml=Xm×Ma+（1Xm）Mb

=0.045×46.07+（10.045）×18.016=19.278kg/kmol

Mg=Ym×Ma+（1-Ym）Mb

=0.27×46.07+（1-0.27）×18.016=25.59  kg/kmol

质量分率:

Wa=XmMa/Ml=0.045×46.07/19.278

=0.1275  Wb=1-Wa=1-0.1275=0.8725

1/ρl=Wa/ρa+Wb/ρb=0.1275/0.789+0.8725/1

ρl=1.0341kg/m3  P=105325Pa

ρv=PMg/RT=105325×25.59/（8314×（273.15+93.16））

∴ρv=0.8839kg/m3σa=58.46dyn/cm,

σb=18.4dyn/cm

σ=ΣXσ=0.688×58.46+（1-0.688）×18.4

  =45.96dyn/cm

4.2塔径计算

4.2.1精馏段：

Ls=L×Ml/（3600ρl）=442.03×2**5/（3600×845.1）

=0.004m/s

Vs=V×Mv（3600ρv）=543.39×34.56/（3600×1.1952）

=4.365m/s  tm=83.285℃

此温度下液体的表面张力

σa=18.2dyn/cm        σb=67.3dyn/cm

σ=Xmσa+（1-Xm）σb=0.34×18.2+0.66×67.3=50.606

两相流动参数：

Flv=Ls/Vs×（ρl/ρv）0.5

=0.00013/0.137×（845.1/1.2424）0.5=0.0247

初设  板间距HT=0.5m清液层高度HL=0.06m

∴HT-HL=0.44m

查得：

Cf,20=0.093  

液气气相负荷因子：

Cf=[（σ/20）0.20]×Cf,20=0.112

气体气速：

un,f=Cf[（ρl-ρv）/ρv]0.5

=0.112×[（845.1-1.2424）/1.2424]0.5=2.919m/s

空速：

un=0.7un,f=0.7×2.919=2.0433m/s

初估塔径：

D=（Vs/（0.785un））0.5

=（0.137/（0.785×2.0433））0.5=0.292m

圆整为  D=0.3m

uf=vs/（0.785×D2）=0.137/（0.785×0.32）=1.939m/s

实际泛点百分率：

  uf/un,f=1.939/2.919=0.6643

4.2.2提馏段：

Ls=L’×Ml/（3600ρl）

=14.723×19.278/（3600×1034.1）=0.000076m/s

Vs=V’×Mv（3600ρv）

=11.753×25.59/（3600×0.8839）=0.0945m/s

tm=93.61℃

此温度下液体的表面张力

σa=18.2dyn/cm        σb=67.3dyn/cm

σ=Xmσa+（1-Xm）σb=0.045×18.2+0.955×67.3=65.091

两相流动参数：

Flv=Ls/Vs×（ρl/ρv）0.5

=0.000076/0.0945×（1034.1/0.8839）0.5=0.0275

初设  板间距HT=0.5m清液层高度HL=0.06m

∴HT-HL=0.44m

查得：

Cf,20=0.0947  

液气气相负荷因子：

Cf=[（σ/20）0.20]×Cf,20=0.1199

气体气速：

un,f=Cf[（ρl-ρv）/ρv]0.5

=0.1199×[（1034.1-0.8839）/0.8839]0.5=4.099m/s

空速：

un=0.7un,f=0.7×4.099=2.869m/s

初估塔径：

D=（Vs/（0.785un））0.5

=（0.0945/（0.785×2.869））0.5=0.205m

圆整为  D=0.25m

uf=vs/（0.785×D2）=0.0945/（0.785×0.252）=1.926m/s

实际泛点百分率：

  uf/un,f=1.926/4.099=0.470

4.3  塔板的详细计算

4.3.1.流动型式: