工学化工原理浮阀塔设计.docx

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工学化工原理浮阀塔设计

[工学]化工原理浮阀塔设计

[工学]化工原理浮阀塔设计北京理工大学珠海学院课程设计北京理工大学珠海学院课程设计任务书2011～2012学年第一学期学生姓名：

***专业班级：

09化工1班指导教师：

***工作部门：

化工与材料学院一、课程设计题目：

乙醇和正丙醇物系分离系统的设计二、课程设计内容（含技术指标）1.设计条件生产能力：

25000吨/年（每年按300天生产日计算）原料状态：

乙醇含量45%（wt%）；温度：

25℃；压力：

100kPa；泡点进料；分离要求：

塔顶馏出液中乙醇含量99%（wt%）；塔釜乙醇含量2%（wt%）操作压力：

100kPa其它条件：

塔板类型：

浮阀塔板；塔顶采用全凝器；R=1.9Rmin2.具体设计内容和要求

（1）设计工艺方案的选定

（2）精馏塔的工艺计算（3）塔板和塔体的设计（4）水力学验算（5）塔顶全凝器的设计选型（6）塔釜再沸器的设计选型（7）进料泵的选取（8）绘制流程图（9）编写设计说明书（10）答辩年处理量25000吨乙醇-正丙醇连续精馏浮阀塔设计摘要本设计对年处理量为25000吨乙醇-正丙醇的浮阀连续精馏塔进行了设计。

通过查表得各组分物性数据后，再用试差法计算出特定组成的乙醇-正丙醇混合液的泡点温度、密度、表面张力以及粘度；用安托因方程求出相对挥发度；用最小回流比的方法求出精馏塔适宜操作回流比为3.306；通过逐板计算法用Excel快速计算出理论塔板数为18块，并进一步确定精馏塔的实际塔板数为36块；分别对此精馏塔的精馏段及提馏段的塔体工艺尺寸进行了设计，并对设计之后的浮阀板进行了流体力学的验算；绘制出塔板负荷性能图，从而得出精馏段的操作弹性为3.000，提馏段的操作弹性为2.969；并对输送各股物流的管径进行了设计,确定了塔顶全凝器冷却水的用量以及塔底再沸器中加热蒸汽的用量,结果表明，本设计合理。

关键词：

连续精馏浮阀精馏塔精馏塔设计乙醇正丙醇V目录北京理工大学珠海学院课程设计任务书Ⅰ摘要Ⅱ目录Ⅲ1绪论11.1前言11.2设计任务31.3设计方案说明31.3.1设计方案的确定31.3.2塔体工艺尺寸的计算41.3.3塔板工艺尺寸的计算41.3.4简易工艺流程图52精馏塔全塔物料衡算72.1物料衡算72.1.1原料液及塔顶、塔底产品的质量分数及摩尔分数换算72.1.2全塔物料衡算73精馏段和提馏段的工艺条件及有关物性数据的计算93.1操作温度计算93.2平均密度计算103.3混合液体平均表面张力计算133.4混合液体平均粘度计算143.5液体平均相对挥发度计算154理论塔板数的计算174.1最小回流比及操作回流比174.2精馏塔的气液相负荷174.3操作线方程174.4逐板计算法求理论塔板层数184.5全塔效率和实际板层数195塔径计算215.1精馏段、提馏段气液相体积流量计算215.2空塔气速的计算225.3溢流装置245.4塔板分布、浮阀数目与排列256塔板流体力学计算276.1气相通过浮阀塔板的压降276.1.1精馏段浮阀塔板的流体力学验算276.1.2提馏段浮阀塔板的流体力学验算276.2淹塔（液泛）286.2.1精馏段计算286.2.2提馏段计算296.3雾沫夹带296.3.1精馏段计算306.3.2提馏段计算306.4塔板负荷性能图316.4.1雾沫夹带线316.4.2液泛线326.4.3液相负荷上限326.4.4漏液线336.4.5液相负荷下限线337塔附件设计377.1精馏塔塔体工艺尺寸的确定377.1.1筒体工艺尺寸的确定377.1.2封头工艺尺寸的确定[11]377.1.3裙座工艺尺寸的确定377.1.4塔体人孔工艺尺寸的确定377.2接管工艺尺寸的确定387.2.1进料管387.2.2回流管397.2.3塔底出料管397.2.4塔底蒸气出料管397.2.5塔底进气管408塔总体高度的设计418.1塔的顶部空间高度418.2塔的底部空间高度418.3塔总体高度419热量衡算429.1塔顶冷凝器的热量衡算429.1.1冷凝器的热负荷429.1.2冷凝器的选择439.2全塔热量衡算449.2.1比热容449.2.2塔顶上升气体及塔顶、进料、塔底馏出液的热量459.2.3再沸器的热负荷（全塔范围列衡算式）469.2.4加热蒸气的用量469.2.5再沸器的选择469.2.6冷凝水消耗量47结语48参考文献49符号说明50附录52附录1浮阀孔排布图52附录2工艺流程图52后记53致谢541绪论1.1前言工业上，精馏是应用最为广泛的传质分离操作。

精馏装置主要由精馏塔、冷凝器和再沸器等组成。

精馏塔可分为板式塔和填料塔两大类[1]。

板式塔内置一定数量的塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上的液层，进行传质与传热。

在正常操作下，液相为连续相，气相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程[2]。

填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流而上（有时也采用并流向下）流动，汽液两相密切接触进行传质与传热。

在正常操作下，气相为连续相，液相为分散相，气相组成呈连续变化，属微分接触逆流操作过程。

板式塔是与填料塔具有不同特点的气液传质设备。

与填料塔比较，具有效率较稳定，检修清理较易，液气比适应范围较大的优点。

但它也有结构较复杂，压降较大且耐腐性较差的缺点。

板式塔和填料塔的性能比较[3]详见表1-1。

表1-1板式塔和填料塔的性能比较项目板式塔填料塔压力降压力降一般比填料塔大压力降小，较适合要求压力较小的场合空塔气速空塔气速小空塔气速大塔效率效率稳定，大塔效率比小塔有所提高塔径在1400mm以下效率较高，塔径增大，效率常会下降液气比适应范围较大对液体喷淋量有一定要求持液量较大较小材质要求一般用金属材料制作可用非金属耐腐蚀材料安装维修较容易较困难造价直径大时一般比填料塔造价低直径小于800mm，一般比板式塔便宜，直径增大，造价显著增加重量较轻重目前研究最为热门的精馏塔可算是填料塔，也是取得许多成果的领域。

规整填料及各种高效填料开发成功后，在工业上的应用范围逐步扩大，打破了填料只适用于小塔的概念，而且在减压和常压精馏场合呈现出了取代板式塔的趋势，尤其是在老塔的扩充改造中。

板式塔是目前最主要的精馏塔塔型，对它的研究一直长盛不衰。

筛板塔和浮阀塔成功取代泡罩塔是效益巨大的成果，板式塔的设计已达到较高的水平，结果比较可靠。

具有各种特点的新型塔板的开发研究不断展开。

随着筛板塔泡罩塔的不断改进，浮阀塔产生了，它结合了两者的优点有具有自己的特点。

本设计中我们选用浮阀塔，浮阀塔具有结构简单，造价低，制造方便，塔板开孔率大，生产能力大等优点。

但在设计中使用不当，会引起阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降。

由于浮阀塔的上述优点，且加工方便，故有关浮阀塔板的研究开发远较其他形式的塔板广泛，是目前新型塔板研开发的主要方向。

近年来与浮阀塔一直成为化工生中主要的传质设备，为减少对传质的不利影响，可将塔板的液体进入区制突起的斜台状，这样可以降低进口处的速度使塔板上气流分布均匀。

浮阀塔多用不锈钢板或合金。

实际操作表明，浮阀在一定程度的漏夜状态下，使其操作板效率明显下降，其操作的负荷范围较泡罩塔窄，但设计良好的塔其操作弹性仍可达到满意的程度。

本设计是采用浮阀塔板连续精馏分离乙醇和正丙醇的混合溶液，由于浮阀塔的研究比较成熟，因此本设计的结果有较高的可信度。

551.2设计任务1.进料组成：

乙醇45%，正丙醇55%（均为质量分率，下同）；2.产品组成：

馏出液中乙醇含量为99%，釜残液中乙醇含量为2%；3.生产能力：

料液的处理量为25000吨/年；4.生产时间：

每年按300天生产日计算5.操作条件：

（1）常压操作（100kPa）；

（2）泡点进料；（3）间接蒸汽加热，加热蒸汽压力为5kgf/cm2（绝对压力）；（4）冷却水进口温度25℃，出口温度45℃；（5）设备热损失为加热蒸汽供热量的10%；（6）料液可视为理想物系。

（7）适宜回流比1.3设计方案说明1.3.1设计方案的确定1.装置流程的确定精馏有连续精馏和间歇精馏之分，连续精馏属于稳态操作，塔内各项参数不随时间变化，适合原料处理量大且需获得组成一定的产品的混合物的分离；而间歇精馏为非稳态操作。

因此本设计中采用连续精馏。

由于乙醇-正丙醇物系可以采用江河水或循环水作冷却介质，冷却费用较少，所以采用水作冷却介质。

塔顶冷凝器可采用全凝器或分凝器，工业上以全凝器为主，以便准确地控制回流比。

塔顶分凝器对上升蒸汽有一定的增浓作用，若后续装置使用气态物料，宜用分凝器。

由于本设计中塔顶产品为液态，故采用全凝器。

对于小塔，回流冷凝器一般安装在塔顶，冷凝液由重力作用回流入塔[3]，故本设计中将塔顶冷凝器安装在塔顶平台。

由于乙醇-正丙醇物系性质与水相近，故用来将原料液、釜液、产品液分别打入塔内、釜液贮罐、原料贮罐的离心泵可采用清水型离心泵，本设计只是简单根据其流量来选定，所以不是很严谨。

三台离心泵的型号均为：

。

2.操作压力的选择蒸馏过程按操作压力不同，分为常压蒸馏、减压蒸馏和加压蒸馏。

一般除热敏性物系外，凡通过常压蒸馏能够实现分离要求，并能用江河水或循环水将馏出物冷凝下来的物系，都应采用常压蒸馏。

所以本设计中的操作压力采用常压[2]。

3.进料热状况的选择精馏操作有五种进料状况，工业上常采用接近泡点的液体进料和饱和液体进料。

这样，进料温度就不受季节、气温变化和前道工序波动的影响，塔的操作就比较容易控制。

而且，精馏段和提馏段的上升蒸汽量相近，塔径可以相同，设计制造也比较方便。

又因为乙醇-正丙醇为一般物系，所以本设计中采用泡点进料。

4.塔釜料液的加热方式的选择精馏塔通常设置再沸器，采用间接蒸汽加热，以提供足够的能量。

故本设计采用再沸器加热塔釜料液。

5.回流比的选择设备费用和操作费用之和为最低时所对应的回流比为适宜回流比。

要得到经济上合适的回流比,必须进行详尽的经济衡算和最优化设计。

通常在设计过程中只作定性考虑，由此选用的回流比随意性很大,往往选取的不一定是合适的回流比。

因此本设计中使用设计任务书中给出的适宜回流比，这样本设计中所选用的适宜回流比是比较合理的。

1.3.2塔体工艺尺寸的计算因为乙醇-正丙醇可视为理想物系，故塔的平均相对挥发度的确定可运用安托因方程和拉乌尔定律，采用试差法，用Excel快速、准确地计算出特定组成下的相对挥发度，从而可以计算出全塔的平均相对挥发度。

也因为乙醇-正丙醇可视为理想物系，所以可以采用逐板计算法，运用Excel快速地计算出理论塔板数以及进料板的位置。

根据经验公式确定总板效率，从而可求出实际塔板数，并求出塔的有效高度。

依据课程设计任务书的要求，通过相关经验公式计算及图表查取数据，取适宜的塔板间距算出塔径。

之后再根据相关参考书上的经验值选取各物流的适宜流速，计算出各管径的大小。

由于物系不具有腐蚀性且在低的压力下操作，故选用低压流体输送用焊接钢管或普通热轧无缝钢管，查管径规格，选取各管管径。

1.3.3塔板工艺尺寸的计算塔板工艺尺寸的计算包括溢流装置的设计和塔板的设计。

溢流装置包括溢流堰、降液管和受液盘等几部分，其结构和尺寸对塔的性能有着重要的影响。

在计算时，根据经验参数及相关公式计算出堰长，堰高、降液管底隙高度等相关数据，然后根据计算结果选择装置。

再进行塔板设计，计算完后进行核算，如不合理则反复调试至设计合理。

1.3.4简易工艺流程图1.原料液的走向如图1-1所示。

再沸器精馏塔泡点进料全凝器图1-1精馏工艺流程图注：

F为进料液物流，组成为xF；D为塔顶馏出液物流，组成为xD；W为塔底釜液物流，组成为xW。

2.全凝器内物流的走向如图1-2所示。

塔顶蒸汽冷却水冷却水塔顶冷凝液图1-2全凝器物流流程图注：

全凝器内物料走壳程，冷却水走管程；3.再沸器内物流的走向如图1-3所示。

加热蒸汽物料物料加热蒸汽图1-3再沸器物流流程图注：

再沸器内加热蒸汽走壳程，物料走管程；浮阀塔的主要设计如表1-2所示。

表1-2浮阀塔主要设计条件项目工作方式操作压力加料方式适宜回流比冷凝器冷凝介质板式塔离心泵选取连续精馏常压（100kPa）间接蒸汽全凝器自来水浮阀塔2精馏塔全塔物料衡算2.1物料衡算2.1.1原料液及塔顶、塔底产品的质量分数及摩尔分数换算乙醇的摩尔质量正丙醇的摩尔质量F：

进料量（Kmol/s）:

原料组成（摩尔分数，下同）D：

塔顶产品流量（Kmol/s）:

塔顶组成W：

塔底残液流量（Kmol/s）:

塔底组成（质量分数,左同）原料乙醇组成：

塔顶组成：

塔底组成：

2.1.2全塔物料衡算年处理量为25000吨/年，按300天生产日计算，则：

进料量：

=65.88kmol/s总塔物料衡算式：

（2-1）乙醇物料衡算式：

（2-2）即：

联立解得：

D=0.0093kmol/s=33.48kmol/hW=0.0090kmol/s=32.4kmol/s物料衡算结果如表2-1所示表2-1物料衡算表摩尔分数%51.6399.232.59摩尔流量kmol/sF0.0183D0.0093W0.00903精馏段和提馏段的工艺条件及有关物性数据的计算3.1操作温度计算表3-1常压下乙醇-正丙醇气-液平衡组成（摩尔）与温度关系温度t/℃液相组成x气相组成y温度t/℃液相组成x气相组成y97.600084.980.5460.71193.850.1260.24084.130.6000.76092.660.1880.31883.060.6630.79991.600.2100.34980.500.8840.91488.320.3580.55078.381.01.086.250.4610.650利用上表中的数据由插值法可求得、、。

：

，=85.42℃：

，=78.49℃：

，=96.83℃精馏段平均温度：

提馏段平均温度：

计算结果如表2-2所示表3-2进料、塔顶、塔底温度及精馏段和提馏段平均温度表状态温度℃85.4278.4996.8381.9691.133.2平均密度计算已知：

混合液密度：

（为质量分数，为平均相对分子质量）（3-1）混合气密度：

（3-2）塔顶温度：

=78.49℃气相组成:

，=99.43%进料温度：

=85.42℃气相组成:

，=68.99%塔底温度：

=96.83℃气相组成:

，=4.93%

（1）精馏段液相组成:

，=75.43%气相组成:

，=84.21%所以

（2）提馏段液相组成:

，=27.11%气相组成:

，=36.96%所以由下表表3-3不同温度下乙醇和正丙醇的密度温度/℃708090100110乙醇（kg/m³）754.2742.3730.1717.4704.3正丙醇（kg/m³）759.6748.7737.5726.1714.2求得在、、下的乙醇和正丙醇的密度（单位：

kg/m³）=85.42℃,，，，=78.49℃,，,,=96.83℃,,,，所以表3-4精馏段和提馏段中下降及上升气体和液体的平均密度及平均摩尔质量表密度kg/m³741.83734.521.661.83摩尔质量kg/kmol49.4456.2148.2154.833.3混合液体平均表面张力计算非水溶液混合液的表面张力可用下列公式计算（3-3）表3-5不同温度下乙醇和正丙醇的表面张力T/℃6080100乙醇/mN/m20.2518.2816.29水/mN/m21.2719.4017.50由上表求得在、、下的乙醇和正丙醇的表面张力（下列各式中A、B分别指乙醇及正丙醇）乙醇的表面张力：

,,,,,精馏段的平均表面张力为：

提馏段的平均表面张力为：

3.4混合液体平均粘度计算表3-6不同温度下乙醇和正丙醇的粘度温度T/℃6080100乙醇/mPa·s0.6010.4950.361正丙醇/mPa·s0.8990.6190.444利用上表数据由插值法可求得，，,,,3.5液体平均相对挥发度计算由温度-饱和蒸气压关系式（安托因方程[12]）及乌拉尔定律[12]可求得相对挥发度。

乙醇：

（3-4）正丙醇：

（3-5）相对挥发度：

（3-6）求得各条件下的相对挥发度,,,,,,精馏段的平均相对挥发度：

提馏段的平均相对挥发度：

总塔平均相对挥发度：

液体平均表面张力、粘度、相对挥发度的计算结果见表3-7表3-7液体平均表面张力、粘度及相对挥发度计算结果项目符号单位计算数据精馏段提馏段液体平均表面张力mN×m-118.4118.08液体粘度mPa×s0.5110.494相对挥发度/2.11292.05834理论塔板数的计算理论板：

指离开此板的气液两相平衡，而且塔板上液相组成均匀。

理论板的计算方法：

可采用逐板计算法、图解法，在本次实验设计中采用逐板计算法。

4.1最小回流比及操作回流比由最小回流比的公式：