化工原理课程设计乙醇水浮阀塔精馏工艺设计

1、 课 程 设 计 设计题目 乙醇-水浮阀塔精馏工艺设计学生姓名 学 号 专业班级 高分子08-4班 指导教师 设计题目乙醇水浮阀塔精馏工艺设计成绩课程设计主要内容级jjjj指导教师评语建议：从学生的工作态度、工作量、设计（论文）的创造性、学术性、实用性及书面表达能力等方面给出评价。签 名： 200 年 月 日化工原理课程设计任务书专业 高分子 班级 08-4 姓名 严泽武 学号 20083116 设计题目：板式精馏塔设计设计时间：2011年1月10日 至 2010年1月21日指导老师：姚运金老师。 设计任务：年处理 1.15万 吨乙醇-水溶液系统1. 料液含乙醇 27.2wt% ，馏出液含乙醇

2、不少于94 wt%，残液含乙醇不大于0.05 wt%2. 操作条件：（1） 泡点进料，回流比R= 1.5 Rmin。（2） 塔釜加热蒸汽压力：间接0.2 MPa（表压），直接0.1 MPa（绝压）。（3） 塔顶全凝器冷却水进口温度20，出口温度50 。（4） 常压操作。年工作日300320 d，每天工作24 h。（5） 设备形式（筛板塔、浮阀塔、泡罩塔等）自选。（6） 安装地点：合肥任务来源：合肥酒厂设计主要内容：工艺流程的确定，塔和塔板的工艺尺寸计算，塔板的流体力学验算及负荷性能图，辅助设备的计算与选型，主体设备的机械设计。关键词： 浮阀塔 乙醇 设计摘要：本设计是以浮阀塔为精馏设备分离乙醇

3、水混合溶液。先找出乙醇和水的有关数据，以此利用Autocad作图求出最小回流比2.223和理论塔板数25.7块，然后对塔和塔板的工艺尺寸进行计算，确定了塔高为32.07m，塔径1.8m。对塔的流体力学进行验证后，符合浮阀塔的操作性能。经过对塔设备的强度计算，壁厚12mm，满足设计要求。关键词： 浮阀塔 乙醇 设计 英文摘要Abstract: In this design,the float vavle tower was used to distill and separate the ehanolwater solution. Firstly, the essential data of w

4、ater and ehanol was found, and the minimum reflux ratio 2.223 and the theoretical plate number 25.7 was obtained through the diagram drawed by the software Autocad. After calculating the size of the tower and plate ,the diameter of the tower and the height of the tower was determined,and the result

5、was 1.8 m and 32.07 m, respectively. At last, according to the liquid mechanic calculation of the tower , it was suitable to the capable of operating of this floating valve tower. By calculating the intensity of the tower,the thickness of the tower was got,and the thickness should meet the indensity

6、 requirement.Keywords: float vavle tower ehanol design 目 录 化工原理课程设计任务书3摘要4一、设计任务及方案简介101.1 设计任务101.2 设计方案论证及确定10二、工艺流程草图及说明122.1.1 工艺草图122.2 工艺流程说明12三、精馏塔工艺的设计及计算133.1 塔的物料衡算：133.1.1 液料及塔顶，塔底产品含乙醇摩尔分数13平均摩尔质量133.1.3 物料衡算133.2 塔板数的确定：143.2.1 理论塔板数的求取15求最小回流比及操作回流比R163.2.3 求理论塔板数163.3 塔的平均温度:173.4 密度1

7、73.4.1 精馏段173.4.2 提馏段183.4.3 不同温度下乙醇和水的密度183.5 混合物的粘度193.6 相对挥发度193.6.1 精馏段挥发度193.6.2 提馏段挥发度193.7 气液相体积流量计算203.7.1 精馏段203.7.2 提馏段203.8 混合溶液表面张力20v3.8.1 精馏段213.8.2 提馏段223.9 全塔效率及实际塔板数22四、工艺计算及主体设备的设计234.1 管径的初步设计23精馏段244.1.2 提馏段254.2 溢流装置254.2.1 堰长254.2.2 方形降液管的宽度和横截面264.2.3 降液管底隙高度264.3 塔板分布及浮阀数目及排列

8、264.3.1 塔板分布264.3.2 浮阀数目与排列264.4 塔板的流体力学计算29 气相通过浮阀塔板的压降294.5 淹塔304.5.1 精馏度304.5.2 提馏段304.6 物沫夹带314.6.1 精馏段314.6.2 提馏段314.7塔板负荷性能图324.7.1 物沫夹带线324.7.2 液泛线324.8 液相负荷上限334.9 液漏线334.10 液相负荷下限性34五、塔的附属设备选型及校核355.1 接管35 进料管355.1.2 回流管365.1.3 塔釜出料管365.1.4 塔顶蒸汽出料管375.1.5 塔釜进气管375.1.6 法兰375.2 筒体与封头385.2.1 筒

9、体385.2.2 封头395.3 除沫器395.4 裙座395.5吊柱405.6人孔405.7 塔总体高度的计算405.7.1 塔的顶部空间高度405.7.2 塔的底部空间高度405.7.3 塔立体高度405.8 附属设备设计415.8.1 冷凝器的选择415.8.2 再沸器的选择41六、 塔的各项指标校验426.1 风载荷及风弯矩426.1.1 风载荷426.2 风弯矩426.3 离心泵选型436.4 塔体的强度和稳定性校核446.4.1 塔底危险截面1-1轴向应力计算446.5 质量载荷446.6 塔底抗压强度校核456.6.1 塔底1-1截面抗压强度及轴向稳定性校核456.7 裙座的强度

10、及稳定性校核45裙座底部0-0截面的轴向应力计算456.8 焊缝强度466.9.1 水压试验时，塔体1-1截面的强度条件46水压试验时裙裾底部1-1截面的强度和稳定性验算47七、设计结果概要及汇总477.1 全塔工艺设计结果总汇477.2 主要符号说明50八、总结528.1 总结528.2 心得53九、主要参考文献54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

11、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。由于本组所有成员能力水平有限，设计书中难免会存在不完善的地方，在此，诚恳地希望老师批评改正，让我们能更进一步的努力。一、设计任务及方案简介1.1 设计任务1.2 设计方案论证及确定 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。1.2.2 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

12、：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。 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

13、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。 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。1.2.5 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

14、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。 回流比的选择：。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

15、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3.1.2平均摩尔质量3.1.3 物料衡算3.2 塔板数的确定： 理论塔板数的求取3.3 塔的平均温度: 温度/°C乙醇密度Kg/m3水的密度Kg/m380735971.885730968.690724965.3957

16、20961.85100716958.43.5 混合物的粘度3.7 气液相体积流量计算3.8 混合溶液表面张力温度/°C708090100乙醇表面张力/1817.1516.215.2水表面张力/m64.862.660.758.83.9 全塔效率及实际塔板数 四、工艺计算及主体设备的设计4.1 管径的初步设计4.2 溢流装置4.2.1 堰长 4.2.2 方形降液管的宽度和横截面4.2.3 降液管底隙高度4.3 塔板分布及浮阀数目及排列 4.3.1 塔板分布 4.3.2 浮阀数目与排列4.4 塔板的流体力学计算 气相通过浮阀塔板的压降4.5 淹塔 4.5.1 精馏度4.5.2 提馏段4.6

17、 物沫夹带 4.6.1 精馏段4.6.2 提馏段4.7塔板负荷性能图 4.7.1 物沫夹带线4.7.2 液泛线4.8 液相负荷上限4.9 液漏线4.10 液相负荷下限性图 4-4 提馏段负荷性能图五、塔的附属设备选型及校核： 5.1 接管 进料管 进料管的要求很多，有直管进料管、弯管进料管、丁型进料管。本设计采用直管进料管，管径如下： 取=1.6 m/s ，=85.18°C 由，当=85.18°C时： Kg/ Kg/ 故：=889.36 Kg/ m查标准系列选取：5.1.2 回流管 采用直管回流管，取 m/s，t=172.69°F，查t-x-x图得，°C

18、，（为全凝器冷凝后的温度） 由差值法： 故： ， mm查表取：5.1.3 塔釜出料管取 m/s,直管出料°C，故可先选取°F的数据， ， 故： 故： m查表取5.1.4 塔顶蒸汽出料管直管出气，取出口气速：u=20 m/s，则°C m=492 mm 查表取5.1.5 塔釜进气管采用直管，取气速u=23m/s，t=99.95°C Kmol/s m=472 mm 查表取5.1.6 法兰 由于常压操作，所有法兰均采用标准管法兰，干焊法兰，由不同的公称直径选用法兰。1） 进料管接管法兰：2） 回流管接管法兰：3） 塔釜出料管法兰：4） 塔顶蒸汽管法兰: 5） 塔

19、釜蒸气进气法兰：5.2 筒体与封头 5.2.1 筒体选用碳素钢，因料液无腐蚀性，由公式： 式中： s筒体的壁厚，毫米 P筒体的设计压力，公斤力/ 筒体的内径，毫米。 焊缝系数 C 壁厚附加量 ，毫米 筒体材料的举用应力，公斤力/对此设计精馏塔，温度<100°C，查钢板许用应力值表，知钢板许用应力值为=1140 （公斤力/），P为大气压，C取0.2 考虑到次塔较高，风载荷较大，而塔内径不太大，故适当给塔加厚度，现假设筒体厚度，则假设的塔体有效厚度： mm式中，C1钢板的厚度负偏差，估算筒体厚度在825mm范围内，查表得，。 5.2.2 封头 封头分为椭圆形封头，蝶形封头等几种，本

20、设计采用圆形封头，由公称直径=1800 mm，查得曲面高度=450mm，直边高度=40mm，内表面积=3.73，容积=0.866，选用封头18006，JB1154-73。5.3 除沫器 当空塔气速较大，塔顶带液现象严重，以及工艺过程不许出塔气速夹带雾滴的情况下，设置除沫剂，以减少液体夹带损失，确保气体纯度，保证后续设备的正常操作。常用除沫剂有折流板式除沫剂，丝网除沫器以及程流出沫器。本设计采用丝网除沫器，其具有比表面积大、重量轻，空隙大及使用方便等优点。 设计气速选取： 系数=0.107 m/s 除沫器直径D= m 选取不锈钢除沫剂：类型：标准型，规格：40100，材料：不锈钢丝网（）5.4

21、裙座 塔底端用裙座支撑，裙座的结构性能好，连接处产生的局部阻力小，所以它是塔设备的主要支座形式，为了制作方便，一般采用圆筒形。由于裙座内径>800mm，故裙座壁厚取16mm。 基础环内径： mm 基础环外径： mm 圆整：=1600 mm，=2100 mm；基础环厚度，考虑到腐蚀余量取18 mm，考虑到再沸器，裙裾高度取3 mm，地角螺栓直径取M30.5.5吊柱 对于较高的室外无框架的整体塔，在塔顶设置吊柱，对于补充和更新填料、安装和卸载内件，既经济又方便的一项措施，一般取15 mm以上的塔物设吊柱，本设计中塔高度大，因此设吊柱。因设计塔径D=1800 mm，可选用吊柱500 Kg，s=

22、1000mm，L=3400 mm，H=1000 mm。填料为。5.6人孔 人孔是安装或检修人员进出塔的唯一通道，人孔的设置应便于进入任何一层塔板，由于设置人孔处塔间距离大，且人孔设备过多会使塔体的弯曲度难以达到要求，一般每隔10-20块塔板才设一个人孔，本塔中共57块塔板，需设置6个人孔，每个孔直径为450 mm，在设置人孔处，塔间距为600 mm，裙座应开两个人孔，直径为450 mm，人孔深入塔内部应与塔内壁修平，其边缘需倒棱和磨圆，人孔法兰的密封面形及垫片用材，一般与塔的接管法兰相同，本设计也是如此。5.7 塔总体高度的计算 5.7.1 塔的顶部空间高度塔的顶部空间高度是指塔顶第一层塔盘到

23、塔顶封头的直线距离，取除沫器到第一块板间的距离为600 mm，塔顶部空间高度为1200 mm。 5.7.2 塔的底部空间高度 塔的底部空间高度是指塔底最末一层塔盘到塔底下封头切线的距离，釜液停留时间取5 min。 m 5.7.3 塔立体高度 m m5.8 附属设备设计 5.8.1 冷凝器的选择 有机物蒸气冷凝器设计选用的总体传热系数一般范围为： 。本设计取 K=700 =2926 出料液温度：78.21°C（饱和气）78.16°C（饱和液） 冷却水温度：20°C 50°C 逆流操作： °C °C °C 传热面积： 设备型号：

24、 5.8.2 再沸器的选择 选用120°C的饱和水蒸气加热，传热系数取K=2931 K。料液温度：99.95°C100°C，热流温度120°C120°C。 逆流操作： °C °C °C换热面积： 设备型号： 六、 塔的各项指标校验6.1 风载荷及风弯矩 6.1.1 风载荷，=0.7，塔高31.07 m，取1.7，查得合肥地区=。 值如下： 对于m段，查表：=1.0 对于1020m 段，=20-10=10m 查表 ：=1.25 对于2030m 段，=30-20=10m 查表： =1.42 对于3032.07m段， =

25、32.07-30=2.07m 查表： =1.56 塔体有效直径=，对于斜梯取=200mm，其最大值为计算塔段中有四层平台，每层平台迎风面积为0.5。 mm为简化计算且偏安全计，各段均取： mm塔体各断风力：310m： =0.7×1.7×30×2624=6557.4 N1020m： =0.7×1.7×30×1.15×10×2624=10678.67N 2030m： =0.7×1.75×300×1.33×10×2624=13302.07N3032.07m=0.7

26、5;1.75×300×1.48×10×2624=3024.99N 6.2 风弯矩把截面划分为00截面为裙座基座截面，11截面为裙座人孔处截面，22截 面为裙座塔体焊缝处截面。 11截面弯矩： 式中： -塔体22截面到标高10m处的距离 -对应于段的风力11截面弯矩: 22截面弯矩：式中： -裙座底部到标高十米处的距离-对应于段的风力所以：6.3 离心泵选型 进料口离地面高度： m， Kw 选型：Is80-50-2006.4 塔体的强度和稳定性校核6.4.1 塔底危险截面1-1轴向应力计算（裙座塔体焊缝处截面） 塔底危险截面1-1抗压强度及轴向稳定性验算：

27、 6.5 质量载荷塔体和裙裾质量= 人孔、法兰、接管等附件的质量： 内构件质量： 保温层材料质量： 扶梯、平台质量（扶梯单位质量为40kg/m，操作平台共六层，平台宽1.0m，单位质量150kg/，直角360°，平台距塔之间距离1000mm）： 操作时塔内物料质量： 充水质量： 塔体与裙裾的操作质量： 最大操作质量： 最小操作质量： 塔体操作时质量： Kg 6.6 塔底抗压强度校核6.6.1 塔底1-1截面抗压强度及轴向稳定性校核：该截面上的最大轴向压缩应力发生在空塔时： 式中：=114 Mpa =83.04 Mpa因此塔底1-1截面满足抗压强度及轴向稳定条件 塔底1-1截面上的抗拉

28、强度校核塔底1-1截面上的最大拉应力： 综合以上各项计算，在各种不同危险截面情况下塔体壁厚取,可以满 足整个塔体的强度、刚度及稳定性要求。6.7 裙座的强度及稳定性校核 设裙座厚度，厚度附加量C=1mm,则裙座有效厚度 裙座底部0-0截面的轴向应力计算 操作时全塔质量引起的压应力为： 风载荷引起的0-0截面弯曲应力： 因此裙座底部0-0截面满足抗压强度及轴向稳定性条件。6.8 焊缝强度 裙裾与塔体采用对接焊，焊缝承受的组合拉应力为： 6.9 水压试验时塔的强度和稳定性验算6.9.1 水压试验时，塔体1-1截面的强度条件 式中： 是液注静压力，因塔高29.07m,故取=0.29MP Mpa 因此

29、满足水压试验强度满足要求。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 式中：， 由于 因此满足强度与轴向稳定性要求。七、设计结果概要及汇总7.1 全塔工艺设计结果总汇0.86表 72 塔的总体计算及设计结果总表4.846操作弹性3.07883.891实际塔板数4710全塔效率45.09%液相负荷上限Ls.max0.016液相负荷下限Ls.min0.001塔高 m32.071.29塔顶部空间高度 m1.2人孔数8裙座高度 m3人孔直径 m0.45人孔高度 m0.6项目选取型号进料管764回流管764塔釜出料管764塔顶蒸汽出料管5309塔釜进气管53010筒体材质A3封头dg180

30、06JB1154-73除沫器40-100法兰Pg6Dg70HG5010-58Pg6Dg70HG5010-58Pg6Dg50HG5010-58Pg6Dg500HG5010-658Pg6Dg70HG5010-58冷凝器FLA700-135-16-4再沸器 离心泵Is80-50-2007.2 主要符号说明 主要符号说明符号意义单位Aa基板鼓泡区面积m2Ad降液管截面积m2Af总降压管截面积m2An塔板上方气体通道截面积m2Ao浮阀塔板阀孔总截面积m2AT塔截面积m2C计算液泛速度的负荷因子-C20液体表面张力为20mN/m时的负荷因子-Co孔流系数-D塔径mD塔顶产品流率Kmol/sdo阀孔直径mE

31、液流收缩系数-ET塔板效率-eV单位质量气体夹带的液沫质量-F进料摩尔质量kmol/hFLV两相流动参数-Fo气体的阀孔动能因子kg0.5/(s·m0.5)G质量流量kg/hg重力加速度m/s2h0降液管底隙高度mhc与干板压强降相当的液柱高度mhd降液管压强降相当液柱高度mhL板上液层高度mhp与单板压降相当的液层高度mHT板间距mhoW堰上方液头高度mhW出口堰高m与克服表面张力压强降相当的液柱高度mL下降液体流率Kmol/sLh塔内液体流量m3/hLs塔内液体流量m3/slW堰长mk塔板的稳定性系数-M摩尔质量kg/kmolQ热流量Wn浮阀个数-Np实际塔板数-NT理论塔板数-

32、P系统的总压Paq进料中液相所占分率-R回流比-r摩尔汽化潜热kJ/kmolT温度Ku空塔气速m/sV上升蒸气流率Kmol/sVh塔内气体流量m3/hVs塔内气体流量m3/sW蒸馏釜的液体量KmolWc塔板边缘区宽度mWd降液管宽度m Wd降液管宽度mWs塔板上入口安定区宽度m Ws塔板上出口安定区宽度mx液相组分中摩尔分率-y气相组分中摩尔分率-Z塔的有效段高度m液面落差m相对挥发度-0板上液层无孔系数-粘度mN/m塔板开孔率-密度Kg/m3L液体密度Kg/m3V气体密度Kg/m3液体表面张力dyn/cm液体在降液管内停留时间s八、总结在本次设计中我也发现了自己的很多不足之处，知道了自己学习

33、中的薄弱环节在哪里，对知识的掌握还存在盲点，总而言之，本次课程设计让我获益匪浅，我相信在以后的专业设计中我能做的更好。从设计结果看，本设计基本上是可行的，但仍存在一些不足之处,在此我将体会和不足总结如下： 体会：（1）本次设计的是乙醇-水精馏塔，由于该物系非理想物系，所以不能用逐板法求取理论板数，因此本设计选用图解法。设计中很多数据都是由x-y图或t-x-y图读出。（2）在物性计算中，一定注意要取平均值，而不能直接应用某个温度下的物性。（3）对塔板流体力学的验算是一项繁冗而耗时的工作，因此要认真对待，仔细计算，尽力将错误减小到最低值。（4）塔的辅助设备设计主要是设计各换热器。在这里主要应抓住热量衡算这一点，求出Q值后即可求出换热面积，就能选型了。（5）从设计总体看，各设计过程和结果是相互关联，相互影响的。对某一设计值若取的不好，就很有可能影响到后边乃至全设计的结果。因此，在作设计时一定要统筹全局，不能顾此失彼。不足：（1）本设计中对一些数据的选取均选了经验值或参考值，这使计算不够精确。实际工作中应尽量查取精确值。（