乙醇水连续精馏浮阀塔的设计课程.docx

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乙醇水连续精馏浮阀塔的设计课程

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乙醇-水连续精馏浮阀塔的设计课程

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课程设计

设计题目乙醇-水连续精馏浮阀塔的设计

学生姓名

学号

专业班级

指导教师

2014年1月11日

.乙醇——水浮连续精馏阀塔工艺设计

TOC\o"1-3"\h\z\uHYPERLINK\l"_Toc283455732"化工原理课程设计任务书PAGEREF_Toc283455732\h3

HYPERLINK\l"_Toc283455733"摘要PAGEREF_Toc283455733\h4

HYPERLINK\l"_Toc283455734"一、设计任务及方案简介PAGEREF_Toc283455734\h10

HYPERLINK\l"_Toc283455735"1.1设计任务PAGEREF_Toc283455735\h10

HYPERLINK\l"_Toc283455736"1.2设计方案论证及确定PAGEREF_Toc283455736\h10

HYPERLINK\l"_Toc283455737"二、工艺流程草图及说明PAGEREF_Toc283455737\h12

HYPERLINK\l"_Toc283455738"2.1.1工艺草图PAGEREF_Toc283455738\h12

HYPERLINK\l"_Toc283455739"2.2工艺流程说明PAGEREF_Toc283455739\h12

HYPERLINK\l"_Toc283455740"三、精馏塔工艺的设计及计算PAGEREF_Toc283455740\h13

HYPERLINK\l"_Toc283455741"3.1塔的物料衡算：

PAGEREF_Toc283455741\h13

HYPERLINK\l"_Toc283455742"3.1.1液料及塔顶，塔底产品含乙醇摩尔分数PAGEREF_Toc283455742\h13

HYPERLINK\l"_Toc283455743"3.1.2平均摩尔质量PAGEREF_Toc283455743\h13

HYPERLINK\l"_Toc283455744"3.1.3物料衡算PAGEREF_Toc283455744\h13

HYPERLINK\l"_Toc283455745"3.2塔板数的确定：

PAGEREF_Toc283455745\h14

HYPERLINK\l"_Toc283455746"3.2.1理论塔板数的求取PAGEREF_Toc283455746\h15

HYPERLINK\l"_Toc283455747"3.2.2．求最小回流比及操作回流比RPAGEREF_Toc283455747\h16

HYPERLINK\l"_Toc283455748"3.2.3求理论塔板数PAGEREF_Toc283455748\h16

HYPERLINK\l"_Toc283455749"3.3塔的平均温度:

PAGEREF_Toc283455749\h17

HYPERLINK\l"_Toc283455750"3.4密度PAGEREF_Toc283455750\h17

HYPERLINK\l"_Toc283455751"3.4.1精馏段PAGEREF_Toc283455751\h17

HYPERLINK\l"_Toc283455752"3.4.2提馏段PAGEREF_Toc283455752\h18

HYPERLINK\l"_Toc283455753"3.4.3不同温度下乙醇和水的密度PAGEREF_Toc283455753\h18

HYPERLINK\l"_Toc283455754"3.5混合物的粘度PAGEREF_Toc283455754\h19

HYPERLINK\l"_Toc283455755"3.6相对挥发度PAGEREF_Toc283455755\h19

HYPERLINK\l"_Toc283455756"3.6.1精馏段挥发度PAGEREF_Toc283455756\h19

HYPERLINK\l"_Toc283455757"3.6.2提馏段挥发度PAGEREF_Toc283455757\h19

HYPERLINK\l"_Toc283455758"3.7气液相体积流量计算PAGEREF_Toc283455758\h20

HYPERLINK\l"_Toc283455759"3.7.1精馏段PAGEREF_Toc283455759\h20

HYPERLINK\l"_Toc283455760"3.7.2提馏段PAGEREF_Toc283455760\h20

HYPERLINK\l"_Toc283455761"3.8混合溶液表面张力PAGEREF_Toc283455761\h20

vHYPERLINK\l"_Toc283455762"3.8.1精馏段PAGEREF_Toc283455762\h21

HYPERLINK\l"_Toc283455763"3.8.2提馏段PAGEREF_Toc283455763\h22

HYPERLINK\l"_Toc283455764"3.9全塔效率及实际塔板数PAGEREF_Toc283455764\h22

HYPERLINK\l"_Toc283455765"四、工艺计算及主体设备的设计PAGEREF_Toc283455765\h23

HYPERLINK\l"_Toc283455766"4.1管径的初步设计PAGEREF_Toc283455766\h23

HYPERLINK\l"_Toc283455767"4.1.1精馏段PAGEREF_Toc283455767\h24

HYPERLINK\l"_Toc283455768"4.1.2提馏段PAGEREF_Toc283455768\h25

HYPERLINK\l"_Toc283455769"4.2溢流装置PAGEREF_Toc283455769\h25

HYPERLINK\l"_Toc283455770"4.2.1堰长PAGEREF_Toc283455770\h25

HYPERLINK\l"_Toc283455771"4.2.2方形降液管的宽度和横截面PAGEREF_Toc283455771\h26

HYPERLINK\l"_Toc283455772"4.2.3降液管底隙高度PAGEREF_Toc283455772\h26

HYPERLINK\l"_Toc283455773"4.3塔板分布及浮阀数目及排列PAGEREF_Toc283455773\h26

HYPERLINK\l"_Toc283455774"4.3.1塔板分布PAGEREF_Toc283455774\h26

HYPERLINK\l"_Toc283455775"4.3.2浮阀数目与排列PAGEREF_Toc283455775\h26

HYPERLINK\l"_Toc283455776"4.4塔板的流体力学计算PAGEREF_Toc283455776\h29

HYPERLINK\l"_Toc283455777"4.4.1气相通过浮阀塔板的压降PAGEREF_Toc283455777\h29

HYPERLINK\l"_Toc283455778"4.5淹塔PAGEREF_Toc283455778\h30

HYPERLINK\l"_Toc283455779"4.5.1精馏度PAGEREF_Toc283455779\h30

HYPERLINK\l"_Toc283455780"4.5.2提馏段PAGEREF_Toc283455780\h30

HYPERLINK\l"_Toc283455781"4.6物沫夹带PAGEREF_Toc283455781\h31

HYPERLINK\l"_Toc283455782"4.6.1精馏段PAGEREF_Toc283455782\h31

HYPERLINK\l"_Toc283455783"4.6.2提馏段PAGEREF_Toc283455783\h31

HYPERLINK\l"_Toc283455784"4.7塔板负荷性能图PAGEREF_Toc283455784\h32

HYPERLINK\l"_Toc283455785"4.7.1物沫夹带线PAGEREF_Toc283455785\h32

HYPERLINK\l"_Toc283455786"4.7.2液泛线PAGEREF_Toc283455786\h32

HYPERLINK\l"_Toc283455787"4.8液相负荷上限PAGEREF_Toc283455787\h33

HYPERLINK\l"_Toc283455788"4.9液漏线PAGEREF_Toc283455788\h33

HYPERLINK\l"_Toc283455789"4.10液相负荷下限性PAGEREF_Toc283455789\h34

HYPERLINK\l"_Toc283455790"五、塔的附属设备选型及校核PAGEREF_Toc283455790\h35

HYPERLINK\l"_Toc283455791"5.1接管PAGEREF_Toc283455791\h35

HYPERLINK\l"_Toc283455792"5.1.1进料管PAGEREF_Toc283455792\h35

HYPERLINK\l"_Toc283455793"5.1.2回流管PAGEREF_Toc283455793\h36

HYPERLINK\l"_Toc283455794"5.1.3塔釜出料管PAGEREF_Toc283455794\h36

HYPERLINK\l"_Toc283455795"5.1.4塔顶蒸汽出料管PAGEREF_Toc283455795\h37

HYPERLINK\l"_Toc283455796"5.1.5塔釜进气管PAGEREF_Toc283455796\h37

HYPERLINK\l"_Toc283455797"5.1.6法兰PAGEREF_Toc283455797\h37

HYPERLINK\l"_Toc283455798"5.2筒体与封头PAGEREF_Toc283455798\h38

HYPERLINK\l"_Toc283455799"5.2.1筒体PAGEREF_Toc283455799\h38

HYPERLINK\l"_Toc283455800"5.2.2封头PAGEREF_Toc283455800\h39

HYPERLINK\l"_Toc283455801"5.3除沫器PAGEREF_Toc283455801\h39

HYPERLINK\l"_Toc283455802"5.4裙座PAGEREF_Toc283455802\h39

HYPERLINK\l"_Toc283455803"5.5吊柱PAGEREF_Toc283455803\h40

HYPERLINK\l"_Toc283455804"5.6人孔PAGEREF_Toc283455804\h40

HYPERLINK\l"_Toc283455805"5.7塔总体高度的计算PAGEREF_Toc283455805\h40

HYPERLINK\l"_Toc283455806"5.7.1塔的顶部空间高度PAGEREF_Toc283455806\h40

HYPERLINK\l"_Toc283455807"5.7.2塔的底部空间高度PAGEREF_Toc283455807\h40

HYPERLINK\l"_Toc283455808"5.7.3塔立体高度PAGEREF_Toc283455808\h40

HYPERLINK\l"_Toc283455809"5.8附属设备设计PAGEREF_Toc283455809\h41

HYPERLINK\l"_Toc283455810"5.8.1冷凝器的选择PAGEREF_Toc283455810\h41

HYPERLINK\l"_Toc283455811"5.8.2再沸器的选择PAGEREF_Toc283455811\h41

HYPERLINK\l"_Toc283455812"六、塔的各项指标校验PAGEREF_Toc283455812\h42

HYPERLINK\l"_Toc283455813"6.1风载荷及风弯矩PAGEREF_Toc283455813\h42

HYPERLINK\l"_Toc283455814"6.1.1风载荷PAGEREF_Toc283455814\h42

HYPERLINK\l"_Toc283455817"6.2风弯矩PAGEREF_Toc283455817\h42

HYPERLINK\l"_Toc283455818"6.3离心泵选型PAGEREF_Toc283455818\h43

HYPERLINK\l"_Toc283455819"6.4塔体的强度和稳定性校核PAGEREF_Toc283455819\h44

HYPERLINK\l"_Toc283455820"6.4.1塔底危险截面1-1轴向应力计算PAGEREF_Toc283455820\h44

HYPERLINK\l"_Toc283455821"6.5质量载荷PAGEREF_Toc283455821\h44

HYPERLINK\l"_Toc283455822"6.6塔底抗压强度校核PAGEREF_Toc283455822\h45

HYPERLINK\l"_Toc283455823"6.6.1塔底1-1截面抗压强度及轴向稳定性校核PAGEREF_Toc283455823\h45

HYPERLINK\l"_Toc283455824"6.7裙座的强度及稳定性校核PAGEREF_Toc283455824\h45

HYPERLINK\l"_Toc283455825"裙座底部0-0截面的轴向应力计算PAGEREF_Toc283455825\h45

HYPERLINK\l"_Toc283455826"6.8焊缝强度PAGEREF_Toc283455826\h46

HYPERLINK\l"_Toc283455827"6.9.1水压试验时，塔体1-1截面的强度条件PAGEREF_Toc283455827\h46

HYPERLINK\l"_Toc283455828"6.9.2水压试验时裙裾底部1-1截面的强度和稳定性验算PAGEREF_Toc283455828\h47

HYPERLINK\l"_Toc283455829"七、设计结果概要及汇总PAGEREF_Toc283455829\h47

HYPERLINK\l"_Toc283455830"7.1全塔工艺设计结果总汇PAGEREF_Toc283455830\h47

HYPERLINK\l"_Toc283455831"7.2主要符号说明PAGEREF_Toc283455831\h50

HYPERLINK\l"_Toc283455832"八、总结PAGEREF_Toc283455832\h52

HYPERLINK\l"_Toc283455833"8.1总结PAGEREF_Toc283455833\h52

HYPERLINK\l"_Toc283455834"8.2心得PAGEREF_Toc283455834\h53

HYPERLINK\l"_Toc283455835"九、主要参考文献PAGEREF_Toc283455835\h54

绪论

本设计书介绍的是浮阀塔精馏的设计，其中包括设计方案的确定、塔主要设备的工艺设计计算、辅助设备的选型、工艺流程图及草图及说明、设计结果概要及一览表等几大内容。

本设计主要用于分离酒精和水的混合物，利用浮阀塔将其进行精馏分离。

精馏所进行的是精馏所进行的是气、液两相之间的传质，而作为气、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。

在本设计过程中，严格按照常用数据算图，化工设备常用材料性能以及化工图例国标规定进行设计，同时查阅了大量的有关资料。

每一步的计算都严格按照《化工原理课程设计》一书中的公式进行计算，并经过核对与验算，总体来说有一定的合理性。

一、设计方案论证及确定

1.1.1生产时日及处理量的选择：

设计要求塔年处理11.5万吨乙醇—水溶液系统，年工作日300d，每天工作24h。

1.1.2选择用板式塔不用填料塔的原因：

因为精馏塔精馏塔对塔设备的要求大致如下：

（1）生产能力大：

即单位塔截面大的气液相流率，不会产生液泛等不正常流动。

（2）效率高：

气液两相在塔内保持充分的密切接触，具有较高的塔板效率或传质效率。

（3）流体阻力小：

流体通过塔设备时阻力降小，可以节省动力费用，在减压操作是时，易于达到所要求的真空度。

（4）有一定的操作弹性：

当气液相流率有一定波动时，两相均能维持正常的流动，而且不会使效率发生较大的变化。

（5）结构简单，造价低，安装检修方便。

（6）能满足某些工艺的特性：

腐蚀性，热敏性，起泡性等。

故选用板式塔。

1.1.3板式精馏塔选择浮阀塔的原因：

（1）生产能力大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，其开孔面积大于泡罩塔板，生产能力比泡罩塔板大20%～40%，与筛板塔接近。

（2）操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此维持正常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔，泡罩塔都大。

（3）塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故气液接触时间较长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。

（4）气体压降及液面落差小，因气液流过浮阀塔板时阻力较小，使气体压降及液面落差比泡罩塔小。

（5）塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的50%～80%，但是比筛板塔高20%～30。

1.1.4选择泡点进料的原因：

在供热量一定的情况下，热量应尽可能从塔底输入，使产生的气相回流在全塔发挥作用。

为使塔的操作稳定，免受季节气温影响，精、提馏段采用相同塔径以便于制造，则常采用泡点进料。

1.1.5操作压力的选择：

常压操作可减少因加压或减压操作所增加的增、减压设备费用和操作费用，提高经济效益,在条件允许下常采用常压操作，因此本精馏设计选择在常压下操作。

1.1.6加热方式的选择：

采用间接蒸汽加热，设置再沸器。

1.2.7回流比的选择：

主要从经济观点出发，力求使设备费用和操作费用之和最低，该设计选择为。

二、工艺流程草图及说明

2.1.1工艺草图

2.1工艺流程草图

图2-1工艺流程简图

2.2工艺流程说明

一整套精馏装置应该包括精馏塔、原料预热器、再沸器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。

热量自塔釜输入，物料在塔内经多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。

乙醇—水混合液原料经预热器加热到泡点温度后送入精馏塔进料板，在进料板上与自塔上部下降的的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底。

在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。

操作时，连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品，部分液体气化，产生上升蒸汽，一起通过各层塔板。

塔顶蒸汽进入冷凝器中被冷凝，并将部分冷凝液送回塔顶作为回流液，其余部分经冷凝器冷凝后送出作为塔顶产品，经冷凝器冷却后送入贮槽。

塔釜采用再沸器加热。

塔底产品经冷却后送入贮槽。

三、精馏塔工艺的设计及计算

3.1塔的物料衡算：

3.1.1液料及塔顶，塔底产品含乙醇摩尔分数

==0.8597

==0.000391

3.1.2平均摩尔质量

=0.11546.07+（1-0.115）18.02=21.25Kg/Kmol

=0.859746.07+（1-0.8597）18.02=42.13Kg/Kmol

=0.00039146.07+（1-0.000391）18.02=18.03Kg/Kmol

3.1.3物料衡算

总物料衡算+==370000/24=15416.67Kg/h

易挥发组份物料衡算0.94+0.001=0.25

联立以上式，得：

=58137.56Kg/h=58137.56/21.25=2735.89Kmol/h

=15416.67Kg/hD=15416.67/42.12=366.02Kmol/h

=42720.89Kg/hW=42720.89/18.03=2369.43Kmol/h

3.2塔板数的确定：

表3-1不同温度下乙醇和水的汽液平衡组成如下表所示

3.2.1理论塔板数的求取

3.2.1.1根据乙醇、水的平衡数据作x-y图及t-x-y图。

3.2.2．求最小回流比及操作回流比R。

因泡点进料，根据1.01325×105Pa下乙醇——水的气液平衡组成可绘出平衡曲线，即x-y曲线图。

已知乙醇——水为非理想物系，其平衡曲线有下凹部分，当操作线与q线的交点尚未落到平衡线上之前，操作线已经与平衡线相切，对应的回流比为最小的回流比。

最小回流比的求法是由点（0.8597，0.8597）向平衡线的下凹部分作切线，该线与q线的交点坐标为（xq=0.1153，yq=0.355）。

见图

取操作回流比R=1.45=3.054

图3-1乙醇、水的t-x-y图

3.2.3求理论塔板数。

依图3-2。