目錄

一、前言..............................................3

二、設(shè)計(jì)說明書符號(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

一刖百

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，用來制造乙醛、乙醛、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，純化的些元

操作設(shè)備。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

于逐級接觸逆流操作，填料塔屬于微分接觸操作。生產(chǎn)上對塔器在工藝上及結(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年來取得了長足進(jìn)展。由于性能優(yōu)良的新填料相繼問世，特別是規(guī)整填

料和新型塔內(nèi)件的不斷開發(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，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)國家并駕齊驅(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)

乙醉回收目標(biāo)。

二設(shè)計(jì)說明書符號(hào)表

L——液相摩爾流量，kmol/ho

F進(jìn)料量流量，krnol/ho

V——汽相摩爾流量，kmol/ho

D------塔頂產(chǎn)品流量，kmol/ho

V------汽相摩爾流量，kmol/ho

W——塔底殘液流量，kmol/ho

W------質(zhì)量流量，kg/ho

x——液相摩爾分?jǐn)?shù)。

a------質(zhì)量百分比。

A------面積，m2。

cP——比熱容，kJ/kg-Ko

d------管徑，mnio

D------塔徑，mo

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)，

HETP——等板高度，m。

2

K——傳熱系數(shù)，W/(m.℃)0

i------管長，m0

Lh——液體噴淋量，m3/h。

Lh.min----------最小液體噴淋量，nf/h。

M------摩爾質(zhì)量，kg/kmolo

填料層分層數(shù)。

NPT理論塔板數(shù)。

壓強(qiáng),Pa0

AQP壓降,Pa<

&

換熱器的然負(fù)荷，Wo

雷諾數(shù)，無量綱。

溫度，

Atm——對數(shù)平均溫度差，℃。

T——絕對溫度，Ko

u------空塔氣速，m/so

ur------空塔氣體泛速，m/So

U——噴淋密度，m3/(m2h)o

32

Umin----------最小噴淋密度，m/(m-h)o

XD—塔頂產(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)

⑴水和乙醇的物理性質(zhì)

表M

名分子式相對密度沸點(diǎn)比熱容粘度導(dǎo)熱系

稱分子數(shù)力

20℃(1O1.33K(20℃(20℃)(r

質(zhì)量kg/〃/PKg/(kg.℃)mPa.s(20℃)

20℃)co/(m.N/

℃

水H2018.09981004.1831.0050.59972.8

2

乙CJHIO46.078978.32.391.150.17222.8

醇H7

⑵常壓下乙醇和水的氣液平衡數(shù)據(jù)，見表

常壓下乙醇一水系統(tǒng)t-x-y數(shù)據(jù)如表1—6所示。

_________________表1—6乙醇一水系統(tǒng)t—x—y數(shù)據(jù)

乙醇摩爾數(shù)/%乙醇摩爾數(shù)/%

沸點(diǎn)t/℃沸點(diǎn)t/'C

氣相液相氣相液相

99.90.0040.0538227.356.44

99.80.040.5181.333.2458.78

99.70.050.7780.642.0962.22

99.50.121.5780.148.9264.70

99.20.232.9079.8552.6866.28

99.00.313.72579.561.0270.29

98.750.394.5179.265.6472.71

97.650.798.7678.9568.9274.69

95.81.6116.3478.7572.3676.93

91.34.1629.9278.675.9979.26

87.97.4139.1678.479.8281.83

85.212.6447.4978.2783.8784.91

83.7517.4151.6778.285.9786.40

82.325.7555.7478.1589.4189.41

五回收塔的物料衡算

V0

xV

乙醇摩爾質(zhì)量M乙酹=46g/mol水的摩爾質(zhì)量MH2o=l8g/mol

n乙肝m乙梢/M乙醇=100*10.5%*106/46=228260.8696mol

n水二m水/M水=100*106*89.5%/18=4972222.222mol

n總=11乙沖+n水=5200483.092mol

XF=n乙和/n總=0.0459

因?yàn)榕蔹c(diǎn)進(jìn)料，故q=l,所以U=F；又因?yàn)閁=W,所以F二W

W=F=n總/t=5200483.092/(24*3600)=60.191mol/s

由物料衡算得F+Vo=D+W

所以V0=D=V

對組分乙醇進(jìn)行物料衡算得：FXF=DXD+WXW

xw=(FXF-DXD)/W

又因?yàn)镼二DXD/(FXF)得DXD二nFXF

所以xw=(XF-QFXF)AV=(l-n)XF=(1?98%)*0O459=9.18*IO」

由回收塔理論板數(shù)的確定可得：D二V二Vo二32moi/S,XD=0.18

,

故F=W=L=60.191mol/sD=V0=V=32mol/s

五回收塔理論板Nt的確定平衡線y=kx+b

操作線y=Lx/V+c

由于液相中乙醇的濃度又心很小,在3.95*10-2?3.95*104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+0.008o

操作線過點(diǎn)(xw,0)即(3操作KT",0)的直線，其方程y=Fx/Vo-Fx./V0

即為y=60.191/Vox-0.068/Vo

由數(shù)學(xué)方法可知，第n塊理論板上氣相中乙醇濃度為

yn=Kv/L(yn--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=0.0467Vo(yn-.+0.067/V0)>=6.63/V。

因?yàn)椴僮骶€斜率xF/(XF-xw)<F/V0<=0.29/(xF-xw)

即(XF-xw)F/O.29<Vo<=(XF-XW)F/XF

所以22.87mol/s<V0<=60.191mol/s

理論板數(shù)計(jì)算:

例：當(dāng)Vo=16.75mol/s故，yn>=0.0326

yFkxw+b=7.92*10-4+0.005=8.3PIO3

y2=kV/L(y「c)+b

=0.0467Vo3+0.067/V。)=0.0164

y3=kV/L(y2-c)+b

-0.0467Vo(y2+O.067/V。)=0.0197

y4=kV/L(y3-c)+b

=0.0467Vo(y3+O.067/V。)=0.0254

y5=kV/L(y.-c)+b

=0.0467Vo(y,+O.067/Vo)=0.0376

y6=kV/L(y5-c)+b

=0.0467Vo3+0.067/V。)=0.046DO.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

Vo(kmol/h)NT

28.1510

31.907

36.816

43.505

53.174

68.363

95.703

由圖可見，在流量達(dá)到43.50kmol/h后，增加氣量對理論板數(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Vo=43.50

kmol/ho

提循線方程：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=92.1℃

2.平均摩爾質(zhì)量計(jì)算

由XD=yi=0.16,查平衡曲線得x1=0.016

MvD=yiM乙醉+(1-yi)M水=22.48kg/kmol

MLD=X]M乙酹+(1-xi)M水=lg.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/kmol

3.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

Pv=PMv/(RT)=101.3*20.24/[8.314*(92.1+273.15)]=0.675kg/m3

液相平均密度計(jì)算：

由于操作過程中乙醇在液相中濃度很小可近似取Pv=960kg/m3

4.液體平均表面張力計(jì)算

液體平均表面張力依據(jù)=2Xi"計(jì)算

塔頂液相平均表面張力的計(jì)算：

3-

由tD=82.2℃,查手冊得8乙肝1.67*10N/m,8水=61.79*10Wm

6LD二Xi6乙醉+(1-X1)6水=61.07*10'N/m

塔底液相平均表面張力的計(jì)算：

由如二100℃,查手冊得6乙方15.5*10一%/叫6水=58.84*10-3N/m

3LW=XW6乙醇+(1-Xw)5水=58.82*10'N/m

平均表面張力為：

3

5L=(85+8LW)/2=59.94*10N/m

5.液體平均粘度計(jì)算

液相平均粘度計(jì)算，即bgUi='xilogui

塔頂液相平均粘度計(jì)算：

由tD=84.2℃,查手冊得，口乙方0.43mPa?s口水=0.3387mPa,s

logULD=Xilogu乙醉+(l-xi)logu水

解得uu>=0.34mPa?s

塔底液相平均粘度計(jì)算：

由tw=100℃,查手冊得，M乙醇二0.34mPa?su水二0.2838mPa?s

logPLi=xwlogu乙博+(1-xjlogu水

解得uLI=0.28mPa?s

液體平均粘度為：

RL=(uLD+uLW)/2=0.31mPa?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：<o1=LMi=169.63*10*360O18.224=11128.8kg/h

氣相質(zhì)量流量為：3v=VM'=750*1(T'*3600*20.24=5464.8kg/h

5

流動(dòng)參數(shù)為:$=G)L/G)V(PV/PL)°-=11128.8/5464.8*(0.675/960)

05=0.0540

查波紋填料的最大負(fù)荷因子圖得，Csa=0.122

Cs=0.8Cs,max=0.8*0.122=0.0976

=—=—

由Csu[Pv/(PLPv)]0.5得uCs/[Pv/(PLP

v)]°=o.0976/[0.675/(960-0.675)]°=3.679m/s

D=[4Vs/(JIu)]°J[4*5464.8/(0.675*3600)/(3.14*3.679)]°J0.882nl

圓整塔徑，取D=900imn

2.液體噴淋密度的驗(yàn)算

U=Lh/(0.785D0-5)=11128.8/960/(0.785*0.905)=15.56rn7(m2?h)>0.2

m3/(m2?h)

3.填料層高度計(jì)算

對125Y型金屬孔板波紋填料，查手冊得，每米填料理論板數(shù)為1~1.2

塊，取必=1

則HETP=l/nt=lm

填料側(cè)層高度Z=Nt?HETP=3*1=3m

Zz=l.3*3=3.9m

4.填料層的分段

填料層的分段高度h=(15?20)HETP>Z'=3.9m

故該填料層無需分段

5.填料層壓降計(jì)算

對于對125Y型金屬孔板波紋填料，查手冊得，每米填料層壓降為△

p/Z=2.0*104MPa/m

填料層總壓降為：

△p=3.9*2.0*10-4MPa=0.78kPa

八液體分布器及其他設(shè)備簡要設(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40?50噴淋點(diǎn)，設(shè)

計(jì)中取分布點(diǎn)密度為44點(diǎn)/而

布液點(diǎn)數(shù)為n=/(D/2)2*44=3.14*(0.9/2)&45=27.9g28點(diǎn)

由于塔徑D=0.9m<l.2m,故可用如圖管式噴淋器

布液計(jì)算:

由Ls=JI/4d2n<b(2gAH)05取少=0.65，△H=160mm

d=[4Ls/JIn4)/(2gAH)0-5]05

=[4*280*1000/(3600*949*3.14*28*0.65)/(2*9.81*0.16)力。?吐o.0569m

取d=60mm

故液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)出塔電塔內(nèi)操作的沖擊，管徑選取按下述條件：

液體流速：5.=0.T1m/s

蒸汽流速：u0=30"50m/s

8.3.1塔頂蒸汽出口管徑

取u=38m/s

則蒸汽出口管管徑：d=[4D/(JIuPv)產(chǎn)=[4*75/(3.14*38*675)產(chǎn)=

0.061m=70mm

圓整后d=70mm選擇4)70X4的管子

8.3.2進(jìn)料管管徑

取UL=0.7m/s

則進(jìn)料管管徑：d=|4JIULPLB)]°5=[4*169.63/(3.14*0.7*960)]°-5=0.57m=57mm

圓整后d=60mni選擇70X3.5的管子

8.3.3塔釜出料管管徑

取ui=0.7m/s

05

則出料管管徑：d=[4WL/(JiULPLW)]=[4*169.93/(3.14*0.7*960)]°J0.57m=57mm

圓整后d=60mm選擇4)60X3.5的管子

8.3.4塔釜進(jìn)蒸汽管管徑

取u=38m/s

則蒸汽進(jìn)口管管徑：d=[4V/(JIuP

丫)]“5=[4*75/(3.14*38*675)]°電0.061m=61mm

圓整后d=70mm選擇670義4的管子

管道規(guī)格表

塔頂蒸汽出口管進(jìn)料管管徑塔釜出料管塔底蒸汽進(jìn)管

管徑/mm4)70X4(1)60X3.5660X3.54)70X4

8.4其他附件選擇

8.4.1筒體

圓筒計(jì)算厚度，位二「華

2［巾-p

考慮到介質(zhì)對筒壁的腐蝕作用，在設(shè)計(jì)筒體所需厚度時(shí)，還應(yīng)在計(jì)算厚度3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

2[cr]>p

式中圓筒設(shè)計(jì)厚度,mm；圓筒內(nèi)徑,mm；p-容器設(shè)計(jì)壓力，MPa；格焊接頭系

數(shù).

由于p與［5比很小，采用簡寫式:：J”-+C,

2⑸。

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p=0.78+101.325=102.005K4

圓筒內(nèi)徑?=900/7WH

焊接頭系數(shù)。=0.85

0.10x900

則+2=2.46/77/77

3=蒜22x113x0.85

圓整后為4mm,在鋼號(hào)為Q235-B,鋼板標(biāo)準(zhǔn)為GB912的厚度3~4mm范圍內(nèi)。

表8?4?1壓力容器用碳素鋼鋼板的需用壓力

常溫強(qiáng)度指標(biāo)100℃下

使用狀的許用應(yīng)

鋼號(hào)鋼板標(biāo)準(zhǔn)厚度mm6b6s

態(tài)力

MPaMPa

MPa

Q235-BGB912熱軋3~4mm375235113

8.4.2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ho的圓柱形筒節(jié)構(gòu)成。

曲面深度h=225mm

查表，封頭直邊高度為=25〃〃〃

封頭高度：Z封=(/?+Ao)x2=(225+25)x2=5(X)nvn

8.4.3法蘭

由于在常壓下操作,所有法蘭均采用標(biāo)準(zhǔn)管法蘭一平焊法蘭。

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)

公法蘭/mm螺柱

稱連接尺寸法蘭質(zhì)量規(guī)格數(shù)量

直厚度Kg

徑DDiD2D3D4d甲型

DN

mm

900415380350340337182612.52M1616

8.4.4耳式支座

AN型耳式支座參數(shù)如下:

表8.4AN型耳式支座尺寸/mm

支座支座本體適用容器高支座

底板筋板螺栓(孔)

號(hào)允許載荷公稱直徑度質(zhì)量

[Q]/(kN)DNH8螺/kg

6i

libiSihb2d

2紋

220500-1000160125130840100100524M201.5

8.5塔總高度計(jì)算

H=氏+Z+(〃-1)〃/+/=0.7+3.9+0+1.5=6.11。

式中：Hd——塔頂空間高度(不包括封頭)，mo取0.7m。

Hr—液體再分布器的空間高度，m。

Hb-----塔底空間高度，mo取1.5m。

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)算與選擇

塔頂質(zhì)量流量3產(chǎn)DEM乙醉+(1-XD)M

*]=75*[0.16*46+(1-0.16)*18]=1686g/s

查手冊得，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28c的水冷凝，則t2=28℃,t產(chǎn)584.2C

回凝器采用碳鋼材質(zhì)，查手冊得1=28。。，其熱導(dǎo)率入2=51.36W/(m?℃)

1=84.2℃,其熱導(dǎo)率人尸49.40W/(m?℃)

平均熱導(dǎo)率：入■=(入】+入2)/2=50?38平均?℃)

管壁厚b=3mm=3*10、

由Q二(ti-ta)/[b/(入A)]得:

A=bQ/[(t「t2)"=3*1(/3*2840134.44/[(84.2-28)*50.38]=3.01m2

取管內(nèi)徑d尸80mnF0.08m,

由A產(chǎn)(/In(d2/d!)得：

L=AmJIIn(d2/d.)/(JId2-Jld1)=11.87m

取實(shí)際L:12m

全凝器由12根巾80nlm*3mm長為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3k280*1()6/(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

查手冊得t尸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*(98.9-20)=1068789.34J

用溫度為140c的飽和水蒸氣加熱(錯(cuò)流式)

At/=(△t2-△t))/ln(△t2/△tj=[(140-98.9)-(100-20)]/In

[(140-98.9)/(100-20)]=58.4℃

P=(t2-ti)/(7-1))=(98.9-20)/(140-20)=0.6575

R=(T-t2)/(12-tJ=(140-100)