乙醇回收塔设计例子

目录一、前言---------------------------------------------------------------------3二、设计说明书符号表---------------------------------------------------4三、设计方案的确定------------------------------------------------------5四、回收塔的物料衡算---------------------------------------------------5五、回收塔理论板数Nt的确定----------------------------------------6六、回收塔工艺条件及有关物性数据计算---------------------------8七、回收塔主要工艺尺寸计算-----------------------------------------10八、液体分布器及其他设备简要设计--------------------------------11九、回收塔的辅助设备计算--------------------------------------------15十、设计计算结果总表--------------------------------------------------18十一、物性参数十二、参考资料-------------------------------------------------------------18一前言乙醇用途广泛，是基础的有机化工原料和优质燃料。主要应用于精细化工，塑料等领域，用来制造乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等化工原料，也是制取医药、染料、洗涤剂、涂料的重要原料之一。塔设备在一定条件下，将能达到气液共存状态的混合物实现分离,纯化的单元操作设备。广泛用于炼油，精细化工，环境工程，医药工程和轻纺织工程等行业和部门中。塔设备与化工工艺密不可分，不管多好的工艺路线，没有良好的与之匹配的化工设备，就不会达到预期的设计效果，实现不了预期的设计指标。因此，塔设备是工艺过程得以实现的载体，直接影响生产产品的质量和效益。板式塔属于逐级接触逆流操作，填料塔属于微分接触操作。生产上对塔器在工艺上及结构上提出的要求大致有下列几方面：（1）生产能力大（2）分离效率高（3）操作弹性大（4）气体阻力小（5）结构简单、设备取材面广等。塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节，选择时应考虑物料的性质、操作的条件、塔设备的性能以及塔设备的制造、安装、运转和维修等方面的因素。板式塔的研究起步较早，其流体力学和传质模型比较成熟，数据可靠。尽管与填料塔相比效率较低、通量较小、压降较高、持液量较大，但由于结构简单、造价较低、适应性强、易于放大等特点，因而在70年代以前的很长一段时间内，塔板的研究一直处于领先地位。然而，70年代初期出现的世界能源危机迫使填料塔技术在近20年来取得了长足进展。由于性能优良的新填料相继问世，特别是规整填料和新型塔内件的不断开发应用和基础理论研究的不断深入，使填料的放大技术有了新的突破，改变了以板式塔为主的局面。在我国，随着石油化工的不断发展，传质分离工程学的研究不断深入，使填料塔技术及其应用进入了一个崭新的时期，其工业应用与发达国家并驾齐驱，进入世界先进行列。填料塔由填料，塔内件及筒体构成。填料塔的发展史中最主要的就是填料的发展史。由早期的碎石发展成为拉西环，弧鞍形填料等新型填料。与板式塔相比，新型的填料塔性能具有如下优点：生产能力大，分离效率高，压力降小，操作弹性大，持液量小等优点。本设计综合考虑流程，产量，分离要求，操作控制等因素，采用填料塔实现乙醇回收目标。二设计说明书符号表L——液相摩尔流量，kmol/h。F——进料量流量，kmol/h。V——汽相摩尔流量，kmol/h。D——塔顶产品流量，kmol/h。V——汽相摩尔流量，kmol/h。W——塔底残液流量，kmol/h。W——质量流量，kg/h。x——液相摩尔分数。a——质量百分比。A——面积，m2。cp——比热容，kJ/kg·K。d——管径，mm。D——塔径，m。di——圆筒内径，mm。DN——公称直径，mm。Hd——塔顶空间高度（不包括封头），m。HETP——等板高度，m。K——传热系数，W/(m2·℃)。l——管长，m。Lh——液体喷淋量，m3/h。Lh,min——最小液体喷淋量，m3/h。M——摩尔质量，kg/kmol。n——填料层分层数。NT——理论塔板数。p——压强，Pa。Δp——压降，Pa。Q——换热器的热负荷，W。Re——雷诺数，无量纲。t——温度，℃。Δtm——对数平均温度差，℃。T——绝对温度，K。u——空塔气速，m/s。uf——空塔气体泛速，m/s。U——喷淋密度，m3/(m2·h)。Umin——最小喷淋密度，m3/(m2·h)。xD——塔顶产品浓度。三设计方案的确定本设计任务为分离乙醇-水混合物，从而达到回收乙醇的目的，采用回收塔操作。设计中采用泡点进料，将原料通过预热器加热至泡点后送入回收塔内。乙醇常压下的沸点为78.3℃，故可采用常压操作。塔顶上升汽采用全凝器冷凝。因所分离物系的重组分为水，故选用水蒸气直接蒸汽加热方法，釜液直接排放。选取125Y型金属孔板波纹填料。四．物性参数⑴水和乙醇的物理性质名称分子式相对分子质量密度20℃3/kgm沸点(101.33Kp20℃)比热容（20℃Kg/(kg.℃）粘度（20℃）mPa.s导热系数（20℃）/(m.℃表面张力（20℃）N/m水H2O18.029981004.1831.0050.59972.8乙醇C2H5OH46.0778978.32.391.150.17222.8⑵常压下乙醇和水的气液平衡数据，见表常压下乙醇—水系统t—x—y数据如表1—6所示。表1—6乙醇—水系统t—x—y数据沸点t/℃乙醇摩尔数/%沸点t/℃乙醇摩尔数/%气相液相气相液相99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.9079.8552.6866.2899.00.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568.9274.6995.81.6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.9183.7517.4151.6778.285.9786.4082.325.7555.7478.1589.4189.41五回收塔的物料衡算乙醇摩尔质量M乙醇=46g/mol水的摩尔质量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*89.5%/18=4972222.222moln总=n乙醇+n水=5200483.092molxF=n乙醇/n总=0.0459因为泡点进料，故q=1,所以L’=F；又因为L’=W,所以F=WW=F=n总/t=5200483.092/(24*3600)=60.191mol/s由物料衡算得F+V0=D+W所以V0=D=V对组分乙醇进行物料衡算得：FxF=DxD+WxWxW=(FxF-DxD)/W又因为η=DxD/（FxF）得DxD=ηFxF所以xW=（xF-ηFxF）/W=(1-η)xF=(1-98%)*0.0459=9.18*10-4由回收塔理论板数的确定可得：D=V=V0=32mol/s,xD=0.18故F=W=L’=60.191mol/sD=V0=V=32mol/s五回收塔理论板Nt的确定VoV0由于液相中乙醇的浓度变化很小，在3.95*10-2～3.95*10-4之间，此时气液平衡曲线近似为一条直线，该直线方程为y=7.96x+0.008。操作线过点（xw,0）即（3.95*10-4，0）的直线，其方程y=Fx/V0-FxW/V0即为y=60.191/V0x-0.068/V0由数学方法可知，第n块理论板上气相中乙醇浓度为yn=Kv/L(yn-1-c)+b,共有n块理论板。当操作线为y=60.191x/V-0.068/V,平衡线为y=7.96x+0.008，若共有n块理论板，则yn=0.0467V0(yn-1+0.067/V0)＞＝6.63/V0因为操作线斜率xF/(xF-xW)＜F/V0＜＝0.29/(xF-xW)yn=kV(yn-1-c)/L+by2=kV(y1-c)/L+by1=kxW+b平衡线y=kx+b操作线y=Lx/V+cq=1xWxFxDyx即(xF-xW)F/0.29＜V0＜＝(xF-xW)F/xF所以22.87mol/s＜V0＜＝60.191mol/s理论板数计算：例：当V0=16.75mol/s故，yn＞＝0.0326y1=kxW+b=7.92*10-4+0.005=8.31*10-3y2=kV/L(y1-c)+b=0.0467V0(y1+0.067/V0)=0.0164y3=kV/L(y2-c)+b=0.0467V0(y2+0.067/V0)=0.0197y4=kV/L(y3-c)+b=0.0467V0(y3+0.067/V0)=0.0254y5=kV/L(y4-c)+b=0.0467V0(y1+0.067/V0)=0.0376y6=kV/L(y5-c)+b=0.0467V0(y1+0.067/V0)=0.04610.0326故此时理论板数为6进气量的变化与理论板数的关系V0（kmol/h）NT28.151031.90736.81643.50553.17468.36395.703由图可见，在流量达到43.50kmol/h后，增加气量对理论板数影响不大，且进气量越大，塔顶汽相组成越小，塔径越大，因此选择理论塔板数NT=6，进气量V0=43.50kmol/h。提馏线方程：y=2.897x-0.0044898六回收塔工艺条件及有关物性数据计算1.操作温度计算塔顶温度tD=84.2℃塔底温度tW=100℃平均温度t=(tD+tW)/2=92.1℃2.平均摩尔质量计算由xD=y1=0.16,查平衡曲线得x1=0.016MVD=y1M乙醇+（1-y1）M水=22.48kg/kmolMLD=x1M乙醇+（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全塔平均摩尔质量：MV=(MVD+MVW)/2=20.24kg/kmolML=(MLD+MLW)/2=18.224kg/kmol3.平均密度计算气相平均密度计算：由理想气体状态方程得ρv=PMV/(RT)=101.3*20.24/[8.314*(92.1+273.15)]=0.675kg/m3液相平均密度计算：由于操作过程中乙醇在液相中浓度很小可近似取ρV=960kg/m34.液体平均表面张力计算液体平均表面张力依据δl=Σxiδi计算塔顶液相平均表面张力的计算：由tD=82.2℃，查手册得δ乙醇=1.67*10-3N/m,δ水=61.79*10-3N/mδLD=x1δ乙醇+（1-x1）δ水=61.07*10-3N/m塔底液相平均表面张力的计算：由tW=100℃,查手册得δ乙醇=15.5*10-3N/m,δ水=58.84*10-3N/mδLW=xWδ乙醇+（1-xW）δ水=58.82*10-3N/m平均表面张力为：δL=(δLD+δLW)/2=59.94*10-3N/m5.液体平均粘度计算液相平均粘度计算，即㏒μL=Σxi㏒μi塔顶液相平均粘度计算：由tD=84.2℃,查手册得，μ乙醇=0.43mPa·sμ水=0.3387mPa·s㏒μLD=x