乙醇-水溶液连续浮阀精馏塔设计-1-副本

1、五邑大学化工设计乙醇-水溶液连续浮阀精储塔设计专 业：化学工程与工艺班 级：121101班学生姓名：杨 短指导教师：罗儒显完成时间：2018年10月26日目录1. 前言 51.1 精馏原理及其在化工生产上的应用 51.2 精馏塔对塔设备的要求 51.3 常用板式塔类型及本设计的选型 61.4 本设计所选塔的特性 61.4.1 生产能力大 61.4.2 操作弹性大 71.4.3 塔板效率高 71.4.4 气体压降及液面落差小 71.4.5 的造价较低 72设计题目 82.1 设计思路 82.2 设计流程 83设汁任务及操作条件 101.1 设计题目 101.2 设计条件 104. 塔板的设计 1

2、04.1 . 塔板的工艺设计 104.1.1 精馏塔全塔物料衡算 104.1.2 常压下乙醇水气液平衡组成（摩尔）与温度关系 114.1.3 塔径的初步设计 214.1.4 溢流装置 224.2 塔板的流体力学计算 264.2.1 气相通过浮阀塔板的压降 274.2.2 淹塔 274.2.3 物沫夹带 294.2.4 塔板负荷性能图 304.2.5 浮阀塔设计工艺参数 335. 塔附件设计 345.1 接管 345.1.1 进料管 345.1.2 回流管 365.1.3 塔釜出料管 355.1.4 塔顶蒸汽出料管 355.1.5 塔釜进气管 355.1.6 法兰 355.2 筒体和封头 355

3、.2.1 筒体 365.2.2 封头 365.3 除沫器 365.4 裙座 375.5 吊柱 375.6 人孔 386. 塔总体高度的设计 386.1 塔的顶部空间高度 386.2 塔的底部空间高度 387. 附属设备设计 397.1 冷凝器的选择 397.2 再沸器的选择 40参考文献 40感想 4130摘要本设计是以乙醇水物系为设计物系， 以浮阀塔为精馏设备分离乙醇和水。 浮阀塔是化工生产中主要的气液传质设备， 此设计针对二元物系乙醇水的精馏问题进行分析，选取，计算，核算，绘图等，是较完整的精馏设计过程。通过画图计算得出理论板数为 24 块，回流比为 3.52, 算出塔效率为41.07%，

4、实际板数为56块，进料位置为第 49块，在板式塔主要工艺尺寸的设计计算中得出塔径为 0.6m， 有效塔高19.454m， 浮阀数（精馏段每块27，提馏段每块19） 。通过浮阀塔的流体力学验算，证明各指标数据均符合标准。本次设计过程正常，操作合适。关键词：乙醇、水、浮阀连续精馏精馏塔1. 前言1.1 精馏原理及其在化工生产上的应用实际生产中， 在精馏柱及精馏塔中精馏时， 上述部分气化和部分冷凝是同时进行的。对理想液态混合物精馏时，最后得到的馏液( 气相冷却而成) 是沸点低的 b 物质，而残液是沸点高的a 物质，精馏是多次简单蒸馏的组合。精馏塔底部是加热区，温度最高；塔顶温度最低。精馏结果， 塔顶

5、冷凝收集的是纯低沸点组分，纯高沸点组分则留在塔底。1.2 精馏塔对塔设备的要求精馏设备所用的设备及其相互联系，总称为精馏装置，其核心为精馏塔。常用的精馏塔有板式塔和填料塔两类，通称塔设备，和其他传质过程一样，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

6、。(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。1.3 常用板式塔类型及本设计的选型常用板式塔类型有很多，如：筛板塔、泡罩塔、舌型塔、浮阀塔等。而浮阀塔具有很多优点，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， 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。浮阀塔塔板是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的， 它吸收了两者的优

7、点。 所以在此我们使用浮阀塔， 浮阀塔的突出优点是结构简单，造价低，制造方便；塔板开孔率大，生产能力大等。乙醇与水的分离是正常物系的分离， 精馏的意义重大， 在化工生产中应用非常广泛， 对于提纯物质有非常重要的意义。 所以有必要做好本次设计1.4 本设计所选塔的特性1.4.1 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。1.4.2 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。1.4.3 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

8、率高。1.4.4 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。1.4.5 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。2设计题目乙醇水连续精馏塔的设计2.1 设计思路首先，乙醇和水的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中

9、。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了， 气相混合物在精馏塔中上升， 而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入乙醇的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成乙醇和水的分离。2.2 设计流程乙醇水混合液经原料预热器加热，进料状况为汽液混合物

10、q=1 送入精馏塔，塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，一部分入塔回。乙醇水混合液经原料预热器加热， 进料状况为汽液混合物 q=1 送入精储塔，塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，一部分入塔回流，其余经塔顶产品冷却器冷却后，送至储罐，塔釜采用直才!蒸汽加热，塔底产品冷却后，送入贮罐（附流程图）承建控制l1-1妒中/码.两三相王1 i1”怕去1,城0 -co0*黑计汉明：为二匕祝青建内住*jtt号勃甘也，刎退华瓠国修序送卜瓜力就盘位一收区j力离澧相电4图2-1流程图3 .设汁任务及操作条件3.1 设计题目：浮阀精储塔连续回收乙醇与水混合物中的乙醇3.2 设计条件:(1)处理量：乙醇与水混合物(1000+学号x

11、60) kg/h(2)进料浓度：质量百分比30% 学号1-10号学生25% 学号11-20号学生20% 学号21-30号学生15% 学号31-40号学生(3)进料状态：泡点进料(4)分离要求：储出液乙醇浓度a 94% (质量百分比)釜液中乙醇浓度w 0.5% (质量百分比)(5)冷却水温度：进口温度w 25c,出口最高温度45co(6)加热蒸汽压力：4kgf/cm 2 (绝对压力)(7)操作压力：常压(8)加热方式：直接蒸汽加热4 .塔板的设计4.1 塔板的工艺设计4.1.1 精储塔全塔物料衡算x :原料液流量 （kmol/h ）d :塔顶产品流量（kmol/h ）w :塔底残液流量（kmol

12、/h ）xf：原料组成（摩尔分数）xd :塔顶组成（摩尔分数）xw ：塔底组成（摩尔分数）原料乙醇组成:xfwum乙醇wf/ m 乙醇(1 wf)/m 水15%/4615%/46 +(1 15%)/18=6.4593%塔顶组成:xdwd/m乙醇wd/m乙醇十（1-wd）/m水94%/4694%/46 (1-94%)/18= 85.98%塔底组成:w/m乙醇ww/m 乙醇 +(1 wv)/m 水0.5%/460.5%/46 (1 -0.5%)/18= 0.1962%根据已知数据可以计算:mf =0.064593461-0.06459318= 19.8086 kg / kmolmd =0.8597

13、56461-0.85975618= 42.0732 kg / kmolmw = 0.001962461-0.00196218= 18.0549 kg / kmol100032 6019 .8086=147 .41 km ol /h物料衡算式:i f = d wf x f = d x d w x联立代入求解：w = 10 .763 kmol/h , w = 136 .647 kmol/h4.1.2 常压下乙醇水气液平衡组成（摩尔）与温度关系表3-1乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度关系温度 液相 气相温度/ c 液相 气相温度/ c 液相 气相 / c1000082.723.3754.4579.

14、357.3268.4195.51.9017.0082.326.0855.8078.7467.6373.8589.07.2138.9181.532.7359.2678.4174.7278.1586.79.6643.7580.739.6561.2278.1589.4389.4385.312.3847.0479.850.7965.6484.116.6150.8979.751.9865.99乙醉水飞液平衡图图3-1乙醇-水气液平衡图(1)温度利用表中数据由拉格朗日插值可求得tf、td、tw95.5-89.01.9-7.21tf-95.56.4593 -1.9tf =89.92 c78.15 -78.4

15、1 _ td -78.1589.43 一74.7285.9756 一 89.43td =78.21 c100-95.50-1.9tw -1000.1962 -0tw =99.53 c精储段平均温度：t1 = tftd = 89.92 +78.21 = 84.065 c 22提储段平均温度：t2型=292 +99.53 = 94.725 c22密度已知：混合液密度：1=2 . lb互一可可混合气密度：一t0 pm- v22.4tpo已知a为质量分率，而为平均相对分子质量。to = 273.15k,p0 = 101.325kp,p =101.325kpo精储段：已知：t1 =84.065 c液相组

16、成 x1：84.1-82.7 : 84.065-827 ,% =16.779 %16.61 - 23.37x1-23.3784.1-82.784.065-82.7气相组成 y1 : = , y1 =50.979 %50.89-54.45y1 - 54.45所以 ml1 =46父0.16779+18 父(1-0.16779) = 22.69812kg / kmolmv1 =46黑0.50979+18 父(1-0.50979) = 32.27412kg/kmol表3-2不同温度下乙醇和水的密度温度/ cp乙p水温度/ cp乙p水80735971.895720961.8585730968.61007

17、16958.490724965.3求得在tl下的乙醇和水的平均密度t1 =84.065 c85-80730-73584.065-80不乙-735，石乙=730.935kg / m385-80968.6-971.884.065-80 三水-971.83尸水=969.1984kg/m3液相密度心：146x1 /46x1 18(1-x1) 1-46x1 /46x1 18(1-x1)pli。乙。水3：li -871.37kg/m气相密度：因为to p m22 .4tp 0：vi32.274 273.1522.4 357.1531.1035kg /m提储段已知：t2 =94.725 c液相组成 *295

18、.5-89.094.725-89.0 x2 =2.5331%1.9-7.21 x2 -7.21气相组成 y2：圻5-89.0 = 94.725-89.0 ,y2 =19.6123%17.00-38.91y2 -38.91所以ml2 = 460.025331 + 18x (1-0.025331) = 18.7093kg/kmolmv2 =46x0.196123 + 18黑(1-0.196123 = 23.4914kg/ kmol同理求得在工？ =94.725 c下的乙醇和水的平均密度：p乙=720.22kg/m3,p = 962.0398kg/m3液相密度pl2：146x2/46x218cl-x

19、2) 1-46x2/46x2 18(1-x2)&2 =p；+p7k% = 942.3348kg/m3气相密度: ,30.779kg/m23.49 273.1522.4 273.15 94.71(3)混合液体表面张力二元有机物-水溶液表面张力可用下列各式计算公式：二一二1/4+ p1/4so oxwvwxovoxwvw xovoxwvwxovo注:sw =xswvw/vso =xsovo/vsq wb=lg(一)o ，2/3人,/ ,q、l。ovo、，2/3q =o.441mj) i o o-5s,故降液管可使用 (3)降液管底隙高度精储段取降液管底隙的流速u= 0.07m/s,则h0 =lsi

20、wu 00.990980.39 3600 0.07= 0.01008m提储段取 u 0 = 0.07m/sh0 =ls2f wu 03.680.39 3600 0.07= 0.03744 m取，因为h0不小于10mm故h0满足要求。4.1.5塔板布置及浮阀数目与排列(1)塔板分布本设计塔径d=0.6m,采用分块式塔板，以便通过人孔装拆塔板(2)浮阀数目与排列精储段fo=9-12,选用fi型浮阀,其孔径d0=39.0mm取阀孔动能因子f0 =12,则孔速 u01 =f0= = ； 12=11.4234m/sv11.1035每层塔板上浮阀数目为：n= :1424.89一3600二项2 ,0.785

21、 0.0392 11.423d0u0i4溢流堰前的安全区宽度 ws =70 .100mm，进口堰后的安全区宽度ws =50 - 100mm。且对于直彳5小的塔d u0c1,故：hc1 = 5.34 x 1.1035父12= 0.052 871.37 9.8板上充气液层阻力取；0 =0.5,hl1 = 0hl =0.5 0.07 =0.035液体表面张力所造成的阻力此阻力很小，可忽略不计，因此与气体流经塔板的压降相当的 高度为hd1 =0.05 0.035 = 0.085m p ipp1 =hp1pl1g = 0.085m9.8父871.37 = 725.83pa。(2)提储段干板阻力：u0c2

22、 = 10825：z3! =1.825 73.1 =12.04m/sv pv1 0.77922因 u)1u0c2,故：hc2=5.34x v2u02 = 5.34m 0.779父17.96 = 0.0727m2：l2 g2 942.3 9.8板上充气液层阻力取；0 =0.5,hl1 =的=0.5 0.07 =0.035液体表面张力所造成的阻力此阻力很小，可忽略不计，因此与单板的压降相当的液柱高度为hd2 =0.0727 0.035 = 0.1077m p 4pp2 =hp2712g =0.1077 942.3 9.8 = 994.56pa4.2.2 淹塔为了防止发生淹塔现象，要求控制降液管中清

23、液高度。hd 三 ht hw 0.45m即hd =hpl hd(1)精储段单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度hp1 = 0.085mp液体通过液体降液管的压头损失h01 =hw -0.006 = 0.0646-0.006 = 0.05864i2 75 10 4hd1 =0.153 黑s-)2 =0.153 x丫 =1.45m10-4mlwh010.39 0.0586板上液层高度hd1 -0.085 1.45 10-4 0.07-0.155m取4 =0.5,已选定 hr=0.45m, hw1=0.0646m贝伊(ht +hw)产 0.5 (0.45+0.0646 ) =0.257可见hdi 4

24、(ht +hw)i所以符合防止淹塔的要求。(2)提储段单板压降所相当的液柱高度hp2 = 0.1077m ph02 =hw -0.006 = 0.058-0.006 = 0.052 m液体通过液体降液管的压头损失ls2 2/ 1.02 10 与、2与hd2 =0.153()2= 0.153()2 =2.5410 mlwh020.39 0.052取 0=0.5,则由板上液层高度 hd2 =0.1077 2.54 10 0.07 = 0.18024m(ht +hw)2 =0.5 (0.45+0.58 ) =0.515可见hd2+ hw)2所以符合防止淹塔的要求。4.2.3物沫夹带(1)精储段泛点率

25、vsi -1v1-1.36ls1zll l l1 一 卜 vi,100%kcf4泛点率vs1 -v1100%0.78kcfab板上液体流经长度:查物性系数k=1.0,泛点负荷系数图cf =0.1120.396泛点率=1.1035871.37-1.10351.36 0.0002752 0.4512 100% ;1.0 0.112 0.242852.5%zl =d-2wd =0.6-2 0.0744 = 0.4512m板上液流面积：ab =at -2af =0.2826-2 0.02 = 0.2428m21.1035 0.396 .泛点率 二 871.37-1.1035 100% =57.1%0.

26、78 1.0 0.112 0.2826对于直彳5小于900mm的塔，fk65-75%,由以上计算可知，物沫 夹带能够满足ev 6/号图3-5塔板负荷性能图由塔板负荷性能图可以看出：在任务规定的气、液负荷下的操作点p （设计点）处在适宜的位置;塔板的气相负荷上限完全由物沫夹带来控制，操作下限由漏液控制；4.2.5浮阀塔设计工艺参数表3-6浮阀塔工艺设计计算结果项目符号单位计算数据备注精储段提储段塔径dm0.60.6板间距htm0.450.45塔板类型单溢流弓形降液管分块式塔板空塔气速um/s1.401.442堰长l wm0.390.39堰图hwm0.064710.0573板上液层局度m0.070

27、.07降液管底隙高hom0.010080.03744浮阀数n2719等腰三用形叉排阀孔气速uom/s12.2617.96同一横排孔心距浮阀动能因子fo12.8715.86相邻横排中心距 离临界阀孔气速uocm/s9.7811.72孔心距tm0.0750.071排间距t,m0.0700.080单板压降a pppa725.831062.0液体在降液管内停留时 问9s30.1611.30降液管内清液层高度hdm0.150.1525泛点率%57.1053.205.塔附件设计5.1接管5.1.1进料管进料管的结构类型很多，有直管进料管、弯管进料管、t型进料管。本设计采用直管进料管。管径计算如下:3=i.6m/s =953kg/mvs”147.41 22.23,0.0009539m / s953 3600=0.02756m = 27.56mmd _ 4 0.0009539=3.14 1.6查标准系列选取5.1.2回流管塔顶温度取乙醇沸点值即78.3 0c得p=747.63kg/m3,采用直管回流管，取 ur =1.6m/s_ 1 4m 10.763m42.0732 ,3.14 1.6 747.63 3600=0.011574m = 11.574mm查表选取。5.1.3 塔釜出料管取uw=1.6m/s,其中釜底液密度按饱和水在100