最新《甲醇水体系浮阀精馏塔的设计》.docx
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最新《甲醇水体系浮阀精馏塔的设计》
南京工业大学
《化工原理》专业课程设计
设计题目甲醇-水体系浮阀精馏塔的设计
学生姓名高辰珏班级、学号化工081004
指导教师姓名冯晖
课程设计时间2010年12月14日-2010年12月30日
课程设计成绩
设计说明书、计算书及设计图纸质量，70%
独立工作能力、综合能力及设计过程表现，30%
设计最终成绩（五级分制）
指导教师签字
化学化工学院
课程名称：
化工原理课程设计
设计题目：
甲醇-水体系浮法精馏塔的设计
学生姓名：
高辰珏专业：
化学工程与工艺
班级学号：
化工081004
设计日期：
2010-12-14至2010-12-30
设计任务：
乙醇-水体系
设计条件及任务：
进料流量：
F＝210kmol/h
进料组成：
Xf=0.20（摩尔分率）
进料热状态：
泡点进料
要求塔顶产品浓度XD=0.99
易挥发组分回收率η≥0.99
前言
化学工业中塔设备是化工单元操作中重要的设备之一，化学工业和石油工业中广泛应用的诸如吸收、解吸、精馏、萃取、增湿、减湿等单元操作中，精馏操作是最基本的单元操作之一，它是根据混合液中各组分的挥发能力的差异进行分离的。
塔设备一般分为级间接触式和连续接触式两大类。
前者的代表是板式塔，后者的代表则为填料塔。
一般，与填料塔相比，板式塔具有效率高、处理量大、重量轻及便于检修等特点，但其结构较复杂，阻力降较大。
在各种塔型中，当前应用最广泛的是筛板塔和浮阀塔。
浮阀塔的特点：
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。
但是，浮阀塔的抗腐蚀性较高（防止浮阀锈死在塔板上），所以一般采用不锈钢作成，致使浮阀造价昂贵，推广受到一定限制。
随着科学技术的不断发展，各种新型填料，高效率塔板的不断被研制出来，浮阀塔的推广并不是越来越广。
近几十年来，人们对浮阀塔的研究越来越深入，生产经验越来越丰富，积累的设计数据比较完整，因此设计浮阀塔比较合适。
本次设计就是针对甲醇——水体系，而进行的常压浮阀精馏塔的设计及其辅助设备的选型。
由于此次设计时间紧张，本人水平有限，难免有遗漏谬误之处，恳切希望各位老师指出，以便订正。
2010年12月
概述………………………………………………………7
第一章总体操作方案的确定
◆1.1操作压强的选择…………………………………9
◆1.2物料的进料热状态………………………………9
◆1.3回流比的确定……………………………………10
◆1.4塔釜的加热方式…………………………………10
◆1.5回流的方式方法…………………………………10
第二章精馏的工艺流程图的确定……………………11
第三章理论板数的确定
◆3.1物料衡算…………………………………………12
◆3.2物系相平衡数据…………………………………12
◆3.3确定回流比…………………………………….....13
◆3.4理论板数NT的计算以及实际板数的确定………13
第四章塔体主要工艺尺寸的确定
◆4.1各设计参数………………………………………16
◆4.2精馏段塔径塔板的实际计算…………………….22
4.2.1精馏段汽、液相体积流率
4.2.2塔径塔板的计算
4.2.3塔板流体力学的验算
4.2.4塔板负荷性能图及操作弹性
◆4.3提馏段塔径塔板的实际计算……………………….35
4.3.1精馏段汽、液相体积流率
4.3.2塔径塔板的计算
4.3.3塔板流体力学的验算
4.3.4塔板负荷性能图及操作弹性
第五章浮阀塔板工艺设计计算结果…………………………47
第六章辅助设备及零件设计
◆5.1塔顶全凝器的计算及选型…………………………49
◆5.2塔底再沸器面积的计算及选型……………………53
◆5.3其他辅助设备计算及选型………………………….54
第七章设计感想………………………………………….60
第八章致谢………………………………………………61
第九章参考文献…………………………………………61
概述:
塔设备一般分为级间接触式和连续接触式两大类。
前者的代表是板式塔，后者的代表则为填料塔。
一般，与填料塔相比，板式塔具有效率高、处理量大、重量轻及便于检修等特点，但其结构较复杂，阻力降较大。
在各种塔型中，当前应用最广泛的是筛板塔和浮阀塔。
浮阀塔的优点：
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。
但是，浮阀塔的抗腐蚀性较高（防止浮阀锈死在塔板上），所以一般采用不锈钢作成，致使浮阀造价昂贵，推广受到一定限制。
随着科学技术的不断发展，各种新型填料，高效率塔板的不断被研制出来，浮阀塔的推广并不是越来越广。
近几十年来，人们对浮阀塔的研究越来越深入，生产经验越来越丰富，积累的设计数据比较完整，因此设计浮阀塔比较合适。
本次的课程设计任务是甲醇和水的体系，要想把低纯度的甲醇水溶液提升到高纯度，要用连续精馏的方法，因为甲醇和水的挥发度相差不大。
精馏是多数分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程，因此可使混合液得到几乎完全的分离。
化工厂中精馏操作是在直立圆形的精馏塔内进行的，塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填料。
为实现精馏分离操作，除精馏塔外，还必须从塔底引入上升蒸汽流和从塔顶引入下降液。
可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，还必须有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还要配原料液预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。
浮阀塔是二十世纪五十年代初开发的一种新塔型。
其特点是在筛板塔基础上，在每个筛孔处安置一个可上下移动的阀片。
当筛孔气速高时，阀片被顶起、上升，孔速低时，阀片因自重而下降。
阀片升降位置随气流量大小作自动调节，从而使进入液层的气速基本稳定。
又因气体在阀片下测水平方向进入液层，既减少液沫夹带量，又延长气液接触时间，故收到很好的传质效果。
国内常用的浮阀有三种，即图1所示的F1型及图2所示的V-4型与T型。
V-4型的特点是阀孔被冲压成向下弯的喷咀形，气体通过阀孔时因流道形状渐变可减小阻力。
T型阀则借助固定于塔板的支架限制阀片移动范围。
三类浮阀中，F1型浮阀最简单，该类型浮阀已被广泛使用。
我国已有部颁标准（JB1118—68）。
F1型阀又分重阀与轻阀两种，重阀用厚度2mm的钢板冲成，阀质量约33g，轻阀用厚度1.5mm的钢板冲成，质量约25g。
阀重则阀的惯性大，操作稳定性好，但气体阻力大。
一般采用重罚。
只有要求压降很小的场合，如真空精馏时才使用轻阀。
图1浮阀（F1型）图2浮阀（a）V-4型，（b）T型
一．总体操作方案的确定
1.1操作压强的选择：
精馏可以常压，加压或减压条件下进行。
确定操作压力时主要是根据处理物料的性质，技术上的可行性和经济上的合理性来考虑的。
对于沸点低，常压下为气态的物料必须在加压条件下进行操作。
在相同条件下适当提高操作压力可以提高塔的处理能力，但是增加了塔压，也提高了再沸器的温度，并且相对挥发度液会下降。
对于热敏性和高沸点的物料常用减压蒸馏。
降低操作压力，组分的相对挥发度增加，有利于分离。
减压操作降低了平衡温度，这样可以使用较低位的加热剂。
但是降低压力也导致了塔直径的增加和塔顶冷凝温度的降低，而且必须使用抽真空设备，增加了相应的设备和操作费用。
本次任务是甲醇和水体系，甲醇-水这一类的溶液不是热敏性物料，且沸点又不高，所以不需采用减压蒸馏。
这类溶液在常压下又是液态，塔顶蒸气又可以用普通冷却水冷凝，因而也不需采用加压蒸馏。
所以为了有效降低设备造价和操作费用对这类溶液可采用常压蒸馏。
∴操作压强:
P=1atm=0.1MPa=1.013×103KPa
1.2物料的进料热状态：
进料热状态有五种。
原则上，在供热一定的情况下，热量应尽可能由塔底输入，使产生的气相回流在全塔发挥作用，即宜冷也进料。
但为使塔的操作稳定，免受季节气温的影响，常采用泡点进料。
这样，塔内精馏段和提留段上升的气体量变化较小，可采用相同的塔径，便于设计和制造。
但将原料预热到泡点，就需要增设一个预热器，使设备费用增加。
综合考虑各方面因素，决定采用泡点进料，即q=1。
1.3回流比的确定：
对于一定的分离任务，采用较大的回流比时，操作线的位置远离平衡线向下向对角线靠拢，在平衡线和操作线之间的直角阶梯的跨度增大,每层塔板的分离效率提高了，所以增大回流比所需的理论塔板数减少，反之理论塔板数增加。
但是随着回流比的增加，塔釜加热剂的消耗量和塔顶冷凝剂的消耗量液随之增加，操作费用增加，所以操作费用和设备费用总和最小时所对应的回流比为最佳回流比。
本次设计任务中，综合考虑各个因素，采用回流比为最小回流比的1.6倍。
即：
R=1.6Rmin
1.4塔釜加热方式：
塔釜可采用间接蒸汽加热或直接蒸汽加热。
直接蒸汽加热的优点是，可利用压强较低的加热蒸汽，并省掉间接加热设备，以节省操作费用和设备费用。
但直接蒸汽加热，只适用于釜中残液是水或与水不互溶而易于分离的物料，所以通常情况下，多采用间接蒸汽加热。
1.5回流的方式方法:
液体回流可借助位差采用重力回流或用泵强制回流。
采用重力回流可节省一台回流泵，节省设备费用，但用泵强制回流，便于控制
回流比。
考虑各方面综合因素，采用重力回流。
二.精馏的工艺流程图的确定
甲醇—水溶液经预热至泡点后，用泵送入精馏塔。
塔顶上升蒸气采用全冷凝后，部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。
塔釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。
3.理论板数的确定
3.1物料衡算：
∵η=∴D=ηFXf/XD=0.99×210×0.20/0.99=42kmol/h
∵F=D+W∴W=F-D=210-42=168kmol/h
∵FXf=DXD+WXw
∴Xw=（FXf-DXD）/W=（210×0.20-42×0.99）/168=0.0025
3.2物系相平衡数据
a.基本物性数据
组分
分子式
分子量
沸点
熔点
水
H2O
18.015
373.15K
273.15K
甲醇
CH3OH
32.040
337.85K
176.15K
b.常压下甲醇和水的气液平衡表（t—x—y）
t
X
y
t
x
y
100
0
0
77.8
29.09
68.01
92.9
5.31
28.34
76.7
33.33
69.18
90.3
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