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-水溶液连续浮阀精馏塔设计专业：化学工程与工艺 班级： 121101班 学生姓名： 杨 烜 指导教师： 罗儒显 完成时间：2022年3月14日 44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71.4.1生产能力大71.4.2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92.1设计思路92.2设计流程93设汁任务及操作条件103.1设计题目103.2设计条件104.塔板的设计114.1. 塔板的工艺设计114.1.1精馏塔全

2、塔物料衡算114.1.2 常压下乙醇水气液平衡组成（摩尔）与温度关系124.1.3塔径的初步设计 214.1.4溢流装置23 4.2塔板的流体力学计算26 4.2.1 气相通过浮阀塔板的压降 28 4.2.2 淹塔28 4.2.3 物沫夹带29 4.2.4 塔板负荷性能图30 4.2.5 浮阀塔设计工艺参数335. 塔附件设计355.1接管 355.1.1 进料管 355.1.2回流管 35 5.1.3塔釜出料管 35 5.1.4塔顶蒸汽出料管 35 5.1.5塔釜进气管 35 5.1.6法兰 355.2筒体和封头35 5.2.1筒体 36 5.2.2封头 365.3 除沫器 375.4 裙座

3、 385.5 吊柱385.6 人孔396. 塔总体高度的设计396.1 塔的顶部空间高度 396.2 塔的底部空间高度 397 附属设备设计407.1 冷凝器的选择 407.2 再沸器的选择 40参考文献41感想41 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%，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

4、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，

5、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。 (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

6、 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

7、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

8、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。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

9、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 送入精馏塔，塔顶上升蒸汽采用全凝

10、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,塔釜采用直接蒸汽加热,塔底产品冷却后,送入贮罐(附流程图)。图2-1 流程图3设汁任务及操作条件3.1设计题目：浮阀精馏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×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     

11、;         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：馏出液乙醇浓度94%（质量百分比）        釜液中乙醇浓度0.5% （质量百分比）（5）冷却水温度：进口温度25，出口最高温

12、度45。（6）加热蒸汽压力：4kgf/cm2 （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精馏塔全塔物料衡算 ：原料液流量 （kmol/h） ：原料组成（摩尔分数） ：塔顶产品流量（kmol/h） ：塔顶组成（摩尔分数）：塔底残液流量（kmol/h） ：塔底组成（摩尔分数）原料乙醇组成： 塔顶组成： 塔底组成： 根据已知数据可以计算： 物料衡算式： 联立代入求解：， 4.1.2 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/液相气相温度/液相气相1000

13、082.723.3754.4579.357.3268.4195.51.9017.0082.326.0855.8078.7467.6373.8589.07.2138.9181.532.7359.2678.4174.7278.1586.79.6643.7580.739.6561.2278.1589.4389.4385.312.3847.0479.850.7965.6484.116.6150.8979.751.9865.99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、 精馏段平均温度： 提馏段平均温度：（2） 密度 已知：混合液密度：混合气密度： 精馏段： 已知：液相组

14、成：， %气相组成： ，%所以 表3-2 不同温度下乙醇和水的密度温度/乙水温度/乙水80735971.895720961.8585730968.6100716958.490724965.3求得在下的乙醇和水的平均密度 液相密度： 气相密度：因为 提馏段 已知：液相组成： ， 气相组成：， %所以 同理求得在下的乙醇和水的平均密度 ： 液相密度： 气相密度：（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： 注： ， ， ， , , 上式中下角标，w,o,s分别代表水、有机物及表面部分，xw、xo指主体部分的分子数，Vw、Vo主体部分的分子体积，w、o为纯水、有机物的

15、表面张力，对乙醇q = 2。 精馏段 表3-3 不同温度下的表面张力温度/708090100乙醇表面张力/10-2N/m21817.1516.215.2水表面张力/10-2N/m264.362.660.758.8 乙醇表面张力： ，水的表面张力： ， 因为，所以 联立方程组 ， 代入求得： ，解得，。提馏段 ， 乙醇表面张力： ，水的表面张力： ， 因为，所以 联立方程组 ， 代入求得：解得。（4） 混合物的粘度 .0，查表得： ，查表得：精馏段粘度： 提馏段粘度： （5） 相对挥发度 精馏段挥发度：由得 所以 提馏段挥发度：由得 （6）理论塔板的计算 理论板的计算方法：可采用逐板计算法，图解

16、法，在本次实验设计中采用图解法，详见附图。 根据1.01325×105Pa下，乙醇水的气液平衡组成关系可绘出平衡曲线，即x-y曲线图（见附图），泡点进料， 所以q = 1，即q为一直线，本平衡具有下凹部分，操作线尚未落到平衡线前，已与平衡线相切。 已知，。由乙醇水的气液平衡组成关系可绘出平衡曲线得，所以，操作回流比。精馏段操作线方程：提馏段操作线方程： 在图上作操作线，在平衡线与操作线间画阶梯，过精馏段操作线与q线交点，由此得到理论板NT = 24块(包括再沸器)，加料板为第20块理论板。板效率与踏板结构，操作条件、物质的物理性质及流体力学性质有关，它反应了实际塔板上传质过程进行的程

17、度。板效率奥康奈尔公式计算。 精馏段： 已知： 所以： ,故NP精=48块。提馏段： 已知： 所以： ,故NP提=8块。全塔所需实际塔板数：NP=48+8=56块全塔效率： （7）气液相体积流量计算 已知精馏段： 已知：， ，则有质量流量： 体积流量： 提馏段：因本设计为饱和液体进料，所以 已知： ， ，则有质量流量： 体积流量：， 4.1.3塔径的初步设计 （1）精馏段 由 ，式中C可由Smith关联图查出： 横坐标数值： 取板上层清夜层高度：m 塔板间距：m Smith关联图：图3-2 Smith关联图查图可知=0.076 =1424.89/3600=0.3958m3/s 圆整： 横截面积

18、：，空塔气速：（2）提馏段 横坐标数值： 取板上层清夜层高度： 塔板间距：m查图可知， m3/s 圆整：=0.6m 横截面积：，空塔气速：4.1.4溢流装置 (1) 堰长LW 取 出口堰高：本设计采用平直堰，堰上液高度how按下式计算 ,近似取 精馏段 提馏段 （2） 弓形降液管的宽度和横截面 图3-3 拱形降液管参数图查图得: 则 验算降液管内停留时间： 精馏段： 提馏段： 停留时间5S,故降液管可使用。 (3) 降液管底隙高度 精馏段 取降液管底隙的流速，则 提馏段 取， 取,因为不小于10mm，故满足要求。 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

19、分块式塔板，以便通过人孔装拆塔板。 （2）浮阀数目与排列 精馏段F0=9-12,选用F1型浮阀，其孔径d0=39.0mm。取阀孔动能因子，则孔速 每层塔板上浮阀数目为： 溢流堰前的安全区宽度 ，进口堰后的安全区宽度。 且对于直径小的塔D<1m，因塔板面积小，安全区要相应减少，故取破沫区宽度。 无效区，小塔一般取，大塔一般取，故取。 由于， 计算塔板上的鼓泡区面积，即：,其中 ， 所以： =0.151 浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取同一个横排的孔心距， m按, ，以等腰三角形叉排方式作图，排得阀数27个。 图3-4 塔板阀孔的排按N=27重新核算孔速及阀孔动能因数 阀孔动能因数变化不大

20、，仍在913范围内 塔板开孔率提馏段 取阀孔动能因子，则每层塔板上浮阀数目为：，按， m估算排间距， 取，排得阀数为19块 。 按N=19块重新核算孔速及阀孔动能因数 阀孔动能因数变化不大，仍在913范围内 。 塔板开孔率。4.2 塔板的流体力学计算 4.2.1 气相通过浮阀塔板的压降 可根据计算 (1)精馏段 干板阻力： 因U01U0c1，故：板上充气液层阻力 取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 。(2) 提馏段 干板阻力： 因U01U0c2，故： 板上充气液层阻力 取 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

21、当的液柱高度为 4.2.2 淹塔 为了防止发生淹塔现象，要求控制降液管中清液高度。 （1）精馏段 单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度 液体通过液体降液管的压头损失 板上液层高度 取，已选定HT=0.45m，=0.0646m 则 0.5（0.45+0.0646）=0.257 可见所以符合防止淹塔的要求。 （2）提馏段 单板压降所相当的液柱高度 m 液体通过液体降液管的压头损失 板上液层高度 取=0.5，则0.5（0.45+0.58）=0.515 可见所以符合防止淹塔的要求。 4.2.3 物沫夹带 （1）精馏段 板上液体流经长度： 板上液流面积： 查物性系数，泛点负荷系数图 对于直径小于900m

22、m的塔，F1<65-75%，由以上计算可知，物沫夹带能够满足的要求。 （2）提馏段 取物性系数，泛点负荷系数图 ，由计算可知，符合要求。 4.2.4 塔板负荷性能图 （1） 物沫夹带线 据此可作出负荷性能图中的物沫夹带线，按泛点率65%计算：精馏段 整理得： 由上式知物沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个值算出。提馏段 整理得： 表3-4 各工作段相应的、和、 值精馏段 整理得： 由上式知物沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个值算出 提馏段 整理得：精馏段 (m3/s)0.0020.01 (m3/s)0.46250.3245提馏段 (m3/s)0.0020.01 (m3/s)0.50

23、60.336（2）液泛线 由此确定液泛线，忽略式中 而 精馏段 整理得： 提馏段 整理得：。操作范围内任取若干个值，算出相应得值： 表3-5 各工作段相应的Ls和Vs值精馏段 (m3/s)0.0010.0030.0040.007 (m3/s)0.7O.6430.6140.519提馏段(m3/s)0.0010.0030.0040.007(m3/s)0.9630.9350.9220.88（3）液相负荷上限 液体的最大流量应保证降液管中停留时间不低于35s 液体在降液管内停留时间 以作为液体在降液管内停留时间的下限，则 （3） 漏液线 对于F1型重阀，依作为规定气体最小负荷的标准，则精馏段 提馏段

24、（5） 液相负荷下限 取堰上液层高度作为液相负荷下限条件作出液相负荷下限线，该线为与气相流量无关的竖直线。 取，则=0.000333(m2/s)由以上15作出塔板负荷性能图(除主要图外其余略）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馏段提馏段塔径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lwm0.390.39堰

25、高hwm0.064710.0573板上液层高度m0.070.07降液管底隙高h0m0.010080.03744浮阀数N2719等腰三角形叉排阀孔气速u0m/s12.2617.96同一横排孔心距浮阀动能因子F012.8715.86相邻横排中心距离临界阀孔气速u0cm/s9.7811.72孔心距tm0.0750.071排间距tm0.0700.080单板压降pPPa725.831062.0液体在降液管内停留时间s30.1611.30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、

26、T型进料管。本设计采用直管进料管。管径计算如下： ,取=953kg/m3 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得=747.63kg/m3，采用直管回流管，取 查表选取。5.1.3塔釜出料管 取，其中釜底液密度按饱和水在100°C时密度算为958.4。直管出料， 查表取值。5.1.4塔顶蒸气出料管 塔顶出料按95%乙醇算的密度：1.498kg/m3，取u=30m/s。直管出气，取出口气速 5.1.5塔釜进气管 采用直管，通入塔的水蒸气体积流量取提馏段上升蒸汽的流量V=0.428m3/s,取u=23m/s 查表取值。5.1.6法兰 由于常压操作，所有法兰均采用

27、标准管法兰，平焊法兰，由不同的公称直径，选用相应法兰。 进料管接管法兰：Pg6Dg70HG5010-58 回流管接管法兰：Pg6Dg50HG5010-58 塔釜出料管法兰：Pg6Dg80HG5010-58 塔顶蒸气管法兰：Pg6Dg500HG5010-58 塔釜蒸气进气法兰：Pg6Dg500HG5010-585.2 筒体与封头 5.2.1筒体 壁厚选2mm。5.2.2封头 封头分为椭圆形封头、碟形封头等几种，本设计采用椭圆形封头，由公称直径，查得曲面高度，直边高度，内表面积，容积。 选用封头Dg600×3,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

28、过程中不许出塔气速夹带雾滴的情况下，设置除沫器，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。常用除沫器有折流板式除沫器、丝网除沫器以及程流除沫器。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： 除沫器直径： 选取不锈钢除沫器：类型：标准型，规格：40-100，材料：不锈钢丝（1Gr18Ni9）, 丝网尺寸：圆丝0.235.4 裙座 塔底采用群坐支持，群做的结构性能好，连接外产生的局部阻力小，所以他是塔设备的主要支座形式，为了制作方便，一般采用圆筒形。由于群坐内径>800mm，故群坐壁厚取16mm.基础环内经：Dbi=(600+2&#

29、215;16)-(0.20.4) ×103= 332mm 基础环外经：Dbo=(600+2×16)+(0.20.4) ×103= 962mm 圆整：Dbi=400mm,Dbo=1000mm；基础环厚度，考虑到腐蚀余量取18mm，考虑到再沸器，群坐高度取3m,地脚螺栓直接取M30。5.5 吊柱对于较高的室内无框架的整体塔，在塔顶设置吊柱，对于补充和更换填料、安装和拆卸内件，即又方便的一项设施，一般取15m以上的塔物设吊柱，本设计中塔高度大，因此设吊柱。因为设计塔径D=600mm，可选用吊柱200kg。S=500mm，L=1200mm,H=500mm。材料为A3。5.

30、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制造塔时塔体的弯曲度难于达到要求，一般每隔1020快塔板才设一个人孔 。本塔中共有56快塔板，需设置5个人孔，每个孔直径为300mm。在设置人孔出板间距600mm，群坐上应给开两个人孔，直径为300mm。人孔伸入塔内应与塔内壁修平，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。6. 塔总体高度的设计 6.1 塔的顶部空间高度 塔顶空间距离要大于板间距，为了利于气体夹带的液滴沉降，取塔顶空间HD=1.2m。6.2 塔的底部空间高

31、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5min。 6.3 塔主体高度塔的人孔设在塔操作侧，一般在塔板上方的鼓泡区，每3-8层塔板布置一个人孔，但本设计由于塔径小不能设置人孔故须设手孔每5块塔板一个手孔且进料塔顶塔底各取一个手孔，故手孔数为12。塔体总高度：0.774+1.4+19.485+1.2+0.19=23.0492m7 附属设备设计 7.1 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5001000kcal/(m2h·)。 从乙醇水溶液的相平衡数据查的Xd=0.859时的泡点为78.21°C。t=78.21&#

32、176;C时， 乙醇的比汽化热为：860KJ/kg 摩尔汽化热为：86046=39600KJ/Kmolt=78.21°C时， 水的比汽化热为：2400KJ/Kg 摩尔汽化热为：240018=43200KJ/Kmol组成为Xd=0.859的乙醇水溶液的摩尔汽化热为：=396000.859+432000.141=40107.6KJ/mol进入冷凝器的组成为0.859的蒸汽全部冷凝为泡点液体热负荷为：冷却水温度：25°C-45°C逆流操作： 面积： 因为该精馏塔为直接蒸汽加热，所以可以不用安装再沸器。参考文献1王志魁,刘丽英,刘伟.化工原理.北京:化学工业出版社,201

33、0.5 2马江权,冷一欣.化工原理课程设计.北京:中国石油出版社,2011.13贾绍义,柴诚敬.化工原理课程设计.天津:天津大学出版社,20024方利国,董新法.化工制图Auto CAD实战教程与开发.北京:化学工业出版社,20045陈英兰, 刘玉兰. 常用化工单元设备的设计M. 上海：华东理工大学出版社, 2005 感想工科大学生应具有较高的综合能力，解决实际生产问题的能力，课程设计是一次让我们接触实际生产的良好机会，我们应充分利用这样的时机认真去对待每一项任务，为将来打下一个稳固的基础。而先进的设计思想、科学的设计方法和优秀的设计作品是我们所应坚持的设计方向和追求的目标。 经过两周的学习和研究，作为一个本科生，由于我个人经验的相对匮乏，难免有许多设计不周的地方，如果没有导师的督促指导，以及同组同学们的共同努力，想要完成这个设计是很困难的