直接蒸汽加热板式精馏塔设计(共16页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上双组分溶液直接蒸汽加热板式精馏塔设计设计任务:规定F、xF、xD、xW,设计出能完成分离任务的板式精馏塔 1. 回流比l 最小回流比设夹紧点在精馏段,其坐标为(xe,ye)则 (1)设夹紧点在提馏段,其坐标为(xe,ye) (2)所需基础数据:气液相平衡数据丙酮-水xi = 0 0.01 0.02 0.05 0.10 0.15 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 0.95 1.0; % 液相丙酮平衡浓度yi = 0 0.253 0.425 0.624 0.755 0.793 0.815 0.830 0.839 0.849 0
2、.859 0.874 0.898 0.935 0.963 1.0; % 汽相丙酮平衡浓度ti= 100 92.7 86.5 75.8 66.5 63.4 62.1 61.0 60.4 60.0 59.7 59.0 58.2 57.5 57.0 56.13 ;%平衡温度甲醇-水xi = 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.15 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 0.95 1.0; % 液相甲醇平衡浓度yi = 0 0.134 0.234 0.304 0.365 0.418 0.517 0.579 0.665 0.729 0.77
3、9 0.825 0.870 0.915 0.958 0.979 1.00; % 汽相甲醇平衡浓度ti= 100 96.4 93.5 91.2 89.3 87.7 84.4 81.7 78.0 75.3 73.1 71.2 69.3 67.6 66.0 65.0 64.5 ;%平衡温度来源:王志魁.化工原理(第三版),北京:化学工业出版社,2004l 确定操作回流比 用Matlab或Excel工具求出N与R间的关系以确定适宜的回流比。(课堂讲解)2 全塔物料衡算与操作方程 (1)全塔物料衡算 (3) (4)其中 (5) (6)联立式(3)、式(4)得: (7)(2) 操作方程精馏段 提馏段 3
4、计算精馏段、提馏段理论板数 理想溶液 图解法或求出相对挥发度用逐板计算法求取。 非理想溶液 相平衡数据为离散数据,用图解法或数值积分法求取4. 全塔组成分布、温度分布及精馏段、提馏段平均温度与组成精馏段平均温度 提馏段平均温度 其中 塔顶第一板温度,由y=xd查t-y数据获得,因塔顶为蒸汽冷凝;加料板温度,由加料板组成xm查t-x数据获得;塔釜温度,由xw查t-x数据获得。5物性参数的计算 塔顶条件下的物性参数(气相密度、液相密度、表面张力及粘度) 进料板组成与温度条件的物性参数 塔釜条件下的物性参数 精馏段平均物性参数 提馏段平均物性参数附: 气相密度用理想气体状态方程计算 液相密度 、为组
5、分A与B的质量分数,、分别为组分A与B的液相密度,水的密度用插值法求,甲醇或丙酮的密度查有机液体相对密度共线图(陈敏恒,化工原理(上册):北京:化学工业出版社,2006) 二元含水混合物的表面张力(含水溶液)(B E Poling, J M Prausnitz, J P OConell著,赵红梅,王凤坤,陈圣坤等译,气液物性估算手册,北京:化学工业出版社,2006,497-498) 醇类,脂肪酸类 q=碳原子数,如乙酸q=2,甲醇q=1;酮类 q=碳原子数-1,例丙酮q=2W、O分别为纯水与纯有机物的表面张力,mN/m。纯有机物的表面张力查有机液体的表面张力共线图。xW、xO分别为水与有机物的
6、液相摩尔分数VW、VO分别为水与有机物的液相摩尔体积,cm3/molT温度,K例估算甲醇-水混合物在303K时的表面张力,甲醇的摩尔分数为0.122,实验数据46.1 mN/m.解:303K时W=71.18 mN/m、O=21.75mN/m,Vw=18 cm3/mol, Vo=41cm3/mol,q=1。( Mo,Mw有机组分与水的分子量,kg/kmol;o,w有机组分与水的密度,kg/m3) (1) (2)联立式(1) (2)得: 水的物性数据查化工原理上册教材附录,采用内差法 甲醇、乙醇、丙酮的物性数据查上册教材附录密度见p272有机液体的相对密度共线图表面张力见p274有机液体表面张力共
7、线图液体粘度见p276液体粘度共线图液体比热容见p278液体比热容共线图气体粘度见见p284气体粘度共线图气体比热容见p286气体比热容共线图液体汽化热见p280液体汽化热共线图6塔效率的计算塔效率:OConnel公式(适用于非碳氢物系如甲醇-水物系,丙酮-水物系)丙酮-水精馏段 式中:精馏段平均温度下的相对挥发度;L精馏段平均温度下的液相粘度, mPa.s以乙醇-水体系为例:精馏段平均温度 82.79,,,查有机液体粘度共线图82.79下醇的粘度为0.433mPa.s,查教材附录水的粘度为0.3439mPa.s。mPa.s 提馏段 式中:提馏段平均温度下的相对挥发度;L提馏段平均温度下的液相
8、粘度, mPa.s7 计算实际塔板数全塔效率:OConnel公式(适用于非碳氢物系)式中:塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度;L塔顶与塔底平均温度下的液相粘度, mPa.s精馏段 式中:精馏段平均温度下的相对挥发度;L精馏段平均温度下的液相粘度, mPa.s 注意:要圆整塔板数 提馏段 式中:提馏段平均温度下的相对挥发度;L提馏段平均温度下的液相粘度, mPa.s 注意:要圆整塔板数全塔所需塔板数:全塔效率: 提醒:全塔效率的工业测定值通常在0.30.7之间8 冷凝器的热负荷冷凝器的热负荷待求量:进料温度tF、塔顶上升蒸汽温度tDV(与xD对应的露点温度)、回流温度tDL(与xD对应的泡点温度)
9、。物性数据: 各组分在平均温度下的液相热容、气相热容或汽化热。 各组分的热容方程常数如 由沃森公式计算汽化热 9 估算塔径(1) 板间距的初选板间距NT的选定很重要。选取时应考虑塔高、塔径、物系性质、分离效率、操作弹性及塔的安装检修等因素。对完成一定生产任务,若采用较大的板间距,能允许较高的空塔气速,对塔板效率、操作弹性及安装检修有利;但板间距增大后,会增加塔身总高度,金属消耗量,塔基、支座等的负荷,从而导致全塔造价增加。反之,采用较小的板间距,只能允许较小的空塔气速,塔径就要增大,但塔高可降低;但是板间距过小,容易产生液泛现象,降低板效率。所以在选取板间距时,要根据各种不同情况予以考虑。如对
10、易发泡的物系,板间距应取大一些,以保证塔的分离效果。板间距与塔径之间的关系,应根据实际情况,结合经济权衡,反复调整,已做出最佳选择。设计时通常根据塔径的大小,由表4-1列出的塔板间距的经验数值选取。表1 塔板间距与塔径的关系塔 径/D,m0.30.50.50.80.81.61.62.42.44.0板间距/HT,mm200300250350300450350600400600化工生产中常用板间距为:200,250,300,350,400,450,500,600,700,800mm。在决定板间距时还应考虑安装、检修的需要。例如在塔体人孔处,应留有足够的工作空间,其值不应小于600mm。(2) 估算
11、塔径 式中:C操作物系的负荷因子; L操作物系的液体表面张力,mN/m;HT板间距;hL板上液层高度。注意:(1) 板上液层高度和塔板间距由设计者选定。对常压塔一般取为0.050.08m,对减压塔一般取为0.0250.03m。(2) 一定要按压力容器标准圆整塔径。目前,塔的直径已标准化。所求得的塔径应圆整到标准值。塔径在1m以下者,标准化先按100mm增值变化;塔径在1m以上者,按200mm增值变化,即1000mm、1200mm、1400mm、1600mm等。圆整时,D1m间隔为100mm,必要时D1m间隔为200mm,必要时D2m可用100mm为间隔。(3)以上计算的塔径只是初估值,要根据流
12、体力学原则进行验算。(3) 因精馏段与提馏段的气液负荷及物性数据不同,故设计中两段的塔径应分别计算,若二者相差不大,应取较大者作为塔径,若二者相差较大,应采用变塔径。注意:(1)圆整后的塔径值可以比计算值小。如D=1.05m,圆整后的D可取1 m,1.2m(2) 精馏段与提馏段的塔径尽可能选取相同值,若需采用异径塔,也应使提馏段塔径大于精馏段。塔径的核算塔径标准化以后,应重新验算雾沫夹带量,必要时在此先进行塔径的调整,然后再决定塔板结构的参数,并进行其它各项计算。当液量很大时,亦宜先按式4-7核查一下液体在降液管中的停留时间。如不符合要求,且难以加大板间距来调整时,也可在此先作塔径的调整。所需
13、物性数据物性数据:气体混合物的密度、液体混合物的密度、液体混合物的表面张力计算式: 气体混合物 液体混合物: wi组分i的质量分数含水溶液的表面张力: 式中:计算精馏段塔径时物性数据的处理:a. 以上方程所用物性数据近似按塔顶第一板处理. 如 b. 以上方程中所用物性数据均取塔顶第一板与加料板物性数据的平均值计算提馏段塔径时物性数据的处理:a. 以上方程所用物性数据近似按加料板处理. b. 以上方程中所用物性数据均取加料板与塔釜物性数据的平均值10 板式塔的塔板工艺尺寸计算注意:精馏段与提馏段应分别设计。精馏段与提馏段的板间距、塔板工艺尺寸既可相同也可不同,关键是塔板的工艺尺寸设计结果要能通过
14、塔板流体力学性能验算。I. 溢流装置的设计为维持塔板上有一定高度的流动液层,必须设置溢流装置。板式塔的溢流装置包括溢流堰、降液管和受液盘等几部分,其结构与尺寸对塔的性能有重要的影响。 降液管的类型与溢流方式降液管的类型:圆形降液管一般用于小直径塔;对于直径较大的塔,常用弓形降液管。溢流方式: U形流、单溢流、双溢流及阶梯式双溢流。根据塔径大小和液体流量选取合适的溢流方式。 溢流装置的设计计算溢流装置的设计包括堰长lW、堰高hW、弓形降液管的宽度Wd、截面积Af,降液管底隙高度h0,进口堰的高度与降液管间的水平距离hl等。a. 溢流堰(出口堰):堰长和堰高溢流堰有平直型与齿形两种,设计中一般采用
15、平直型溢流堰。1)堰长 弓形降液管的弦长。其值据经验定。单溢流: 双溢流:2)堰高 降液管端面高出塔板面的距离hw堰上液层高度太小液体在堰上分布不均匀,影响传质效果,设计时应使hOW6mm,低于此值应采用齿形堰。堰上液层高度太大增大塔板压降及液沫夹带量,hOW6070mm时改用双溢流堰。 式中:hL板上清液层高度, m;hOW堰上液层高度,m对平直堰: 式中:E液流收缩系数,根据设计经验可取1。hw的确定:在工业塔中,hw一般为0.040.05m;减压塔为0.0150.025m;加压塔为0.040.08m,一般不宜超过0.1m。b. 降液管(以弓形降液管为例进行讨论)1)降液管的宽度Wd及截面
16、积Af 校核:原因:为使液体中夹带的气泡得以分离,液体在降液管内应有足够的停留时间,实践证明,液体在降液管内的停留时间不应小于35s,对于高压下操作的塔及易起泡物系,停留时间应更长一些。方法:式中:Lmax液体流量上限,m3/s;HT板间距,m;Af降液管截面积,m2。注意:液相负荷上限与气相流量无关;若校核不能满足要求,应调整降液管尺寸或板间距,直至满足要求为止。2) 降液管底隙高度h0 降液管底隙高度是指降液管下端与塔板间的距离。必须满足,才能保证降液管底端有良好的液封,一般不应低于6mm,即hO也可按下式计算:式中:液体通过底隙时的流速,m/s。根据经验,一般取=0.070.25m/s。
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- 直接 蒸汽 加热 板式 精馏塔 设计 16
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