化工原理課程設計年產(chǎn)3.3萬噸乙醇浮閥精餾塔設計

1、 內(nèi)蒙古科技大學課程設計說明書前言化工生產(chǎn)常需進行液體混合物的分離以達到提純或回收有用組分的目的，精餾是利用液體混合物中各組分揮發(fā)度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝達到輕重組分分離的方法。本次課程設計為年產(chǎn)3.3萬噸乙醇浮閥精餾塔設計，塔設備是化工、煉油生產(chǎn)中最重要的設備之一。它可使氣(或汽)液或液液兩相之間進行緊密接觸，達到相際傳質(zhì)及傳熱的目的。乙醇水是工業(yè)上最常見的溶劑，也是非常重要的化工原料之一，是無色、無毒、無致癌性、污染性和腐蝕性小的液體混合物。因其良好的理化性能，而被廣泛地應用于化工、日化、醫(yī)藥等行業(yè)。近些年來，由于燃料價格的上漲，乙醇燃料越來越有取代傳統(tǒng)燃料的趨勢，且已很多城

2、市的公交、出租車行業(yè)內(nèi)被用作燃料。板式精餾塔也是很早出現(xiàn)的一種板式塔，20世紀50年代起對板式精餾塔進行了大量工業(yè)規(guī)模的研究，逐步掌握了篩板塔的性能，并形成了較完善的設計方法。與泡罩塔相比，板式精餾塔具有下列優(yōu)點：生產(chǎn)能力（20%40%）塔板效率（10%50%）而且結構簡單，塔盤造價減少40%左右，安裝，維修都較容易?；ぴ碚n程設計是培養(yǎng)學生化工設計能力的重要教學環(huán)節(jié)，通過課程設計使我們初步掌握化工設計的基礎知識、設計原則及方法；學會各種手冊的使用方法及物理性質(zhì)、化學性質(zhì)的查找方法和技巧；掌握各種結果的校核，能畫出工藝流程、塔板結構等圖形。在設計過程中不僅要考慮理論上的可行性，還要考慮生產(chǎn)上

3、的安全性、經(jīng)濟合理性。在設計過程中應考慮到設計的業(yè)精餾塔具有較大的生產(chǎn)能力滿足工藝要求，另外還要有一定的潛力。節(jié)省能源，綜合利用余熱。經(jīng)濟合理，冷卻水進出口溫度的高低，一方面影響到冷卻水用量。另一方面影響到所需傳熱面積的大小。即對操作費用和設備費用均有影響，因此設計是否合理的利用熱能r等直接關系到生產(chǎn)過程的經(jīng)濟問題。本課程設計的主要內(nèi)容是過程的物料衡算，工藝計算，結構設計和校核。2010年7月6日前言1第一章 ：設計方案的確定31.1 塔型選擇31.2.設計依據(jù)41.2.1塔板類型：41.2.2操作壓力：41.2.3進料狀態(tài)：31.2.4加熱方式：31.2.5熱能利用方式：51.2.6回流方式

4、：5第二章 浮閥精餾塔工藝計算32.1工藝計算物料性質(zhì)32.2 精餾塔的物料衡算62.2.1 全塔物料衡算62.3 操作線方程確定32.3.1 精餾段操作線方程32.4 理論塔板數(shù)的確定（圖解法）32.5 實際塔板數(shù)確定112.5.1 計算塔板總效率112.6、塔及塔板主要工藝尺寸的計算132.6.1 設計中所用參數(shù)的確定132.6.2 初選塔板間距172.6.3 塔徑的計算（以精餾段數(shù)據(jù)為準)172.6.4 塔徑的圓整192.6.5 溢流裝置與流體流型32.6.6塔板設計 24第三章板式塔的結構與附屬設備33.1 塔體結構33.1.1 塔頂空間33.1.2 塔底空間33.1.3 人孔33.1

5、.4 塔高33.2 塔板結構3參考文獻：3設計結果統(tǒng)計：34致 謝3第1章 ：設計方案的確定1.1 塔型選擇根據(jù)生產(chǎn)任務，若按年工作日330天，每天開動設備24小時計算，產(chǎn)品流量為由于產(chǎn)品粘度較小，流量較大，為減少造價，降低生產(chǎn)過程中壓降和塔板液面落差的影響，提高生產(chǎn)效率。故選用浮閥塔。 1.2.設計依據(jù)1.2.1塔板類型：浮閥塔兼有泡罩塔和篩板塔的優(yōu)點，而且操作彈性大，操作靈活，板間壓降小，液面落差小, 浮閥的運動具有去污作用，不容易積垢堵塞，操作周期長，結構簡單，容易安裝，操作費用較小，其制造費用僅為泡罩塔的60%80%；又由于f1型浮閥塔結構簡單，制造方便，節(jié)省材料，性能良好；另外輕閥壓

6、降雖小，但操作穩(wěn)定性差，低氣速時易漏液。綜上所述，選擇f1型重閥浮閥塔。1.2.2操作壓力： 對于乙醇水體系，在常壓下已經(jīng)是液態(tài)，且乙醇水不是熱敏性材料，在常壓下也可成功分離，所以選用常壓精餾。因為高壓或者真空操作會引起操作上的其他問題以及設備費用的增加，尤其是真空操作不僅需要增加真空設備的投資和操作費用，而且由于真空下氣體體積增大，需要的塔徑增加，因此塔設備費用增加。綜上所述，選擇常壓操作。1.2.3進料狀態(tài)： 進料狀態(tài)有五種，如果選擇泡點進料，即q=1時，操作比較容易控制，且不受季節(jié)氣溫的影響，此外，泡點進料時精餾段和提餾段的塔徑相同，設計和制造時比較方便。故本設計選用泡點進料。1.2.4

7、加熱方式： 蒸餾釜的加熱方式通常采用間接蒸汽加熱，設置再沸器。直接蒸汽加熱只能用于塔底產(chǎn)物基本是水，由于蒸汽的不斷通入，對塔底溶液起了稀釋作用，在塔底易揮發(fā)物損失量相同的情況下，塔底殘液中易揮發(fā)組分的濃度應較低，因而塔板數(shù)稍有增加，成本增加。故采用間接加熱。1.2.5熱能利用方式： 精餾過程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。因此熱效率較低，通常進入再沸器的能量只有5%左右可以被有效利用。雖然塔頂蒸汽冷凝可以放出大量熱量，但是由于其位能較低，不可能直接用作為塔底的熱源。為此，我們擬采用塔釜殘液對原料液進行加熱。1.2.6回流方式： 泡點回流易于控制,設計和控制時比較方便,而且可以節(jié)約能源。第二

8、章 浮閥精餾塔工藝計算2.1工藝計算物料性質(zhì) 1、文獻，整理有關物性數(shù)據(jù)（1） 水和乙醇的物理性質(zhì)物質(zhì) 性質(zhì) 分子式摩爾質(zhì)量（）乙醇c2h50h46.07水h2018.01表2.1、設計參數(shù)物性表2.2 精餾塔的物料衡算2.2.1 全塔物料衡算設備處理能力為3.3萬噸/年，每年按330天計算，每天24小時連續(xù)運轉(zhuǎn)。單位轉(zhuǎn)換為：故原料液流量以（）為單位：進料液組成： 出料液組成：釜殘液組成塔頂?shù)钠骄栙|(zhì)量：原料液處理量： 故,由全塔物料衡算知：代入數(shù)據(jù)為：解得： , , .全塔物料衡算數(shù)據(jù)如下：f414.71kmol/h0.2069d101.84kmol/h0.8182w372.87kmol/

9、h0.007923表2-2全塔物料衡算數(shù)據(jù)2.3 操作線方程確定2.3.1 精餾段操作線方程2.3.1.1 最小回流比rmin及操作回流比r的確定1、確定最小回流比rmin由氣液平衡相圖可知： 由公式，知:2、選擇適當回流比r（1）、塔頂揮發(fā)度的確定ad:求解塔頂相對揮發(fā)度因為,則查氣液平衡相圖，查得根據(jù)公式：代入數(shù)據(jù) 得：（2）、塔底揮發(fā)度的確定aw:由 查氣液平衡相圖，查得 根據(jù)公式：代入數(shù)據(jù) 得：（3）、全塔平均相對揮發(fā)度am全塔平均相對揮發(fā)度采用公式計算，得：2.3.1.2計算最小理論板數(shù)由公式：代入數(shù)據(jù)，得：圖解法確定實際操作回流比隨機選取r=(1.1-2.0)rmin,即r1=1.

10、1rmin、r2=1.2rmin、r3=1.3rmin、r4=1.4rmin、r5=1.5rmin、r6=1.6rmin、r7=1.7rmin、r8=1.8rmin 、r9=1.9rmin。、r10=2.0rmin；當r1=1.1rmin()2-1吉利蘭圖查吉利蘭圖，得:得： 同理,求得 r2=1.878、n2=10.1563r3=2.0345、n3=9.2212,r4=2.191、n4=8.6091,r5=2.3475、n5=8.0614,r6=2.504、n6=7.5583,r7=2.6605、n7=7.25,r8=2.817、n8=7.117,r9=2.974、n9=6.9764,r10

11、=3.13、n10=6.7089;做n-r圖找到最佳回流比，如圖估算實際回流比為：1 .精餾段操作線方程的確定精餾段操作線方程： 因 代入數(shù)據(jù)得： 故，精餾段操作線方程為：2 提餾段操作線方程的確定 本設計為泡點進料，故進料熱狀況參數(shù) 且， 由已知得： 因 提餾段操作線方程為 將以上數(shù)據(jù)代入上式得提餾端操作線方程為：2.4 理論塔板數(shù)的確定（圖解法）參見附圖1，可知理論塔板數(shù)為12（含再沸器）！,第10塊板為進料板。2.5 實際塔板數(shù)確定2.5.1 計算塔板總效率1、操作平均溫度下的粘度根據(jù)乙醇-水體系的相平衡數(shù)據(jù)可以查得： 塔頂： 塔底: 塔頂和塔底的算術平均溫度：由化工原理上冊（天津大學出

12、版社，夏青 陳常貴）書中附錄7查得，在87.83下，根據(jù)公式：得：2、求算全塔操作溫度tm下的相對揮發(fā)度由于，查氣液平衡相圖，得：根據(jù)公式：得：3、利用奧康奈爾關聯(lián)式計算塔板總效率根據(jù)公式：得：4、計算實際塔板數(shù)根據(jù)公式：得： 則實際塔板數(shù)為29塊。2.6、塔及塔板主要工藝尺寸的計算2.6.1 設計中所用參數(shù)的確定2.6.1.1 定性溫度的確定定性溫度分為精餾段定性溫度和提留段定性溫度兩個參數(shù) 已知： 又由由化工原理上冊（天津大學出版社，夏青 陳常貴） 得進料液溫度： 則：精餾段平均溫度提餾段平均溫度2.6.1.2精餾段參數(shù)（1）平均組成精餾段平均溫度，參考氣液平衡相圖可確定精餾段的平均氣液相

13、組成，（2）精餾段氣液相體積流率及密度的確定 即： 即：（3）精餾段液液相體積流率及密度的確定已知，查表知,則：并且：得：精餾段液液相體積流率為：即： （4） 精餾段液體表面張力的確定 塔頂溫度td=78.27c，由化工原理上冊（天津大學出版社，夏青 陳常貴）書中附錄7查得 2.6.1.3提餾段參數(shù) （1）平均組成，參考氣液平衡相圖可確定提餾段的平均氣液相組成：，(2) 提餾段氣液相體積流率及密度的確定 即： 即：得：精餾段液液相體積流率為即： （4） 精餾段液體表面張力的確定 進料 查得， 2.6.1.3提餾段參數(shù) （1）平均組成，參考氣液平衡相圖可確定提餾段的平均氣液相組成：，(2) 提餾

14、段氣液相體積流率及密度的確定 即： 即：(3) 提餾段液液相體積流率及密度的確定已知，查表知,則：并且：得：提餾段液液相體積流率為即：2.6.2 初選塔板間距塔板間距ht的選定很重要，它的塔高、塔徑、物系性質(zhì)、分離效率、塔的操作彈性、以及塔的安裝、檢修都有關塔徑dr，m0.3-0.50.5-0.80.8-1.61.6-2.02.0-4.0板間距ht,mm200-300250-350300-450450-600400-600表2-3塔徑與塔間距的關系初步選定 。2.6.3 塔徑的計算（以精餾段數(shù)據(jù)為準)2.6.3.1 計算負荷系數(shù)c選定，且知，故： 查史密斯關聯(lián)圖， 2-4 smith關聯(lián)圖可知

15、：又知，,從而，算出：2.6.3.2 計算計算空塔氣速u因為：即，得到：選擇2.6.3.3 計算塔徑d 故，第一部選定的塔板間距在范圍之內(nèi)，可用。2.6.4 塔徑的圓整選用直徑為1600mm的標準塔徑。2.6.4.1 計算空塔氣速2.6.4.2 校核安全系數(shù) ,故，圓整后的塔徑可用。重新選用1600mm作為標準塔徑進行上述步驟結果得安全，可以使用。2.6.5 溢流裝置與流體流型板式塔的溢流裝置包括溢流堰，降液管及受液盤，本設計采用單流型具有弓形降液管塔板的溢流裝置，單流型，液體流徑較長，板面利用好，塔板結構簡單，直徑是在2.2m以下的塔徑普遍采用此型。而方形降液管能充分利用塔內(nèi)空間，提供較大降

16、液面積及兩相分離空間。降液管有圓形和弓形兩種。2.6.5.1 溢流堰設計計算為維持培板上有一定高度的流動液層，必須設置溢流裝置。溢流裝置的設計包括堰長lw、堰高hw、堰上液層高度how、截面積ar、降液管底隙高度h0、弓形降液管寬度wd、降液管中清液層高度hd、進口堰的高度hw與降液管間的水平地離h1等。溢流堰 為維持塔板上一定高度的均勻流動液層，一般采用平直流堰（出口堰）。（1）堰長lw堰長lw=（0.60.8）d，且：所以：，堰長初步設計合理。（2） 堰上液層高采用平直堰，堰上液層高度高可按計算。取 2-5 液流收縮系數(shù)計算圖 （3）堰高hw前面步驟中已選取，故，根據(jù)公式：得到：2降液管a

17、、降液管寬度wd和面積af弓形降液管的寬度與截面積可根據(jù)堰長與塔徑的比值查圖得到。2-6弓形降液管參數(shù)圖 通過塔徑d可計算得到塔截面積綜合以上步驟，得：b、液體在降液管中的停留時間根據(jù)公式：得：c、降液管底隙高度降液管底隙高度即降液管下端與塔板間的距離，以表示。為保證良好的液封，又不致使液流阻力太大，一般取為：=2、受液盤及進口堰本設計采用凹形受液盤。不設置進口堰。2.6.6塔板設計2.6.6.1 塔板布置塔板因為d=1600mm,故塔板采用分塊式，查表得，塔板分為4塊。 塔板分塊數(shù)塔徑/mm8001200140016001800200022002400塔板分塊數(shù)3456表2-4塔徑與板數(shù)的關

18、系塔板的板面一般分四部分，即：無效區(qū)（邊緣區(qū)）、安定區(qū)、開孔區(qū)（鼓泡區(qū)）、溢流區(qū)。（1）無效區(qū) 在靠近塔壁的塔板部分需要留出圈邊緣區(qū)域或供支撐塔板的邊梁之用，稱之為無效區(qū)。其寬度:（2）安定區(qū) 開孔區(qū)與溢流區(qū)之間的不開孔區(qū)域為安定區(qū)，其作用為使自降液管流出液體在塔板上均勻分布并防止液體夾帶泡沫進入降液管。其寬度為：（3）溢流區(qū)溢流區(qū)面積 （4）開孔區(qū) 為布置篩孔，浮閥等部件的有交叉?zhèn)髻|(zhì)區(qū)，亦稱鼓泡區(qū)。塔板上的鼓泡面積為：其中：得：2.6.6.2 浮閥塔的開孔率和閥孔排列1、閥孔孔徑 選用f1型浮閥的孔徑為39mm.2、浮閥數(shù)目每層塔板上浮閥數(shù)：浮閥全開時的閥孔氣速，閥孔臨界氣速 氣閥臨界動能因

19、素取閥孔動能因子則： 在常壓操作條件時， 且： 代入，得浮閥數(shù)目為：3、浮閥塔板的開孔率4、閥孔的排列 浮閥排列方式采用等腰三角形叉排，取同一排的孔心距t=75mm=0.075m，通過下式，計算h： 選用h=65mm。按t=75mm，h=65mm，以等腰三角形叉排方式作圖，排得閥數(shù)188個5、核算閥孔動能因素及開孔率按n=104重新核算孔速及閥孔動能因數(shù)：; 閥孔動能因數(shù)f0，符合要求 塔板開孔率 ,在之間，符合要求.2.6.6.3 浮閥塔板的液體力學校驗1、氣體通過浮閥塔板的壓強降a、干板壓降hc 因為：則，可知：，閥全開。根據(jù)公式，干板壓力為：b、板上充氣液層阻力計算板上充氣液層阻力一般以

20、經(jīng)驗公式計算 充氣因數(shù)因本設計液相為水，故取充氣系數(shù)則：c、液體表面張力所造成的阻力此阻力很小忽略不計。因此，氣體通過浮閥塔板的壓強降為： 得：液泛為了使液體能由上層塔板穩(wěn)定的流入下層塔板，降液管必須維持一定高度的液柱。降液管內(nèi)的清液及高度hd用來克服相鄰兩塔板的壓強降。板上液層阻力和液體流過降液管的阻力。a、計算與流體流過降液管的壓強降相當?shù)囊褐叨扔捎诎迳喜辉O置進口堰，故：流體流過降液管的壓強降相當?shù)囊褐叨葘⑺愕玫臄?shù)據(jù)代入公式，得：為防止液泛發(fā)生，應保證降液管中當量清液層高度不超過上層塔板的出口堰，為此應使：選用，并且，可見,符合防止淹塔的要求。2、 霧沫夾帶 通常，用操作時的空塔氣速與

21、發(fā)生液泛時的空塔氣速的比值作為估算霧沫夾帶的指標，此比值稱為泛點率在下列泛點率數(shù)值范圍內(nèi)，一般可保證霧沫夾帶達到規(guī)定指標，即ev0.1 kg（液）/kg（氣）。大塔 泛點率80%直徑0.9 m以下的塔 泛點率70%減壓塔 泛點率75% 板上液體流經(jīng)長度板上液體面積 物性系數(shù)k為常數(shù) 乙醇和水按正常系統(tǒng)取物性系數(shù)k=1.0，由泛點負荷系數(shù)圖:查得則：故泛點率65.58%泛點率在80以下，故知霧沫夾帶量能達到規(guī)定指標。4、漏液取閥孔動能因數(shù)作為控制漏液流量的操作下限。此時漏液量接近10%2.6.6.4 塔板復合性能圖當塔板的各項結構參數(shù)均已確定后，應將極限條件下的關系標繪在直角坐標系中，從而得到塔

22、板的適宜氣液相操作范圍，此即塔板的負荷性能圖。負荷性能圖由以下五條線組成。1、霧沫夾帶上限線當氣相負荷超過此線時，霧沫夾帶量將過大，使效率嚴重下降，塔板適宜操作區(qū)應在霧沫夾帶線以下。對常壓，塔徑大于900mm的大塔，泛點率=80%為其霧沫夾帶上限，則：則據(jù)：代入數(shù)據(jù)，得霧沫夾帶上限線：2液泛線 指降液管內(nèi)泡沫層允許達到最大值時的關系塔板的適宜操作區(qū)操作區(qū)應在此線以下，否則將會發(fā)生液泛，使塔不能正常工作。時， 即：(ht+hw)= 由上式確定液泛線，忽略h項，液泛線方程為：其中：則：3液相負荷上限線當降液管尺寸一定時，若液體流量超過某一限度使液體在降液管的停留時間過短，則其中氣泡來不及釋放就被帶

23、入下一層塔板，造成氣相返混，降低塔板效率。以作為液體在降液管中停留時間的下限，則：4漏液線氣相負荷下限線對于f1型重閥，當f=5-6時，泄漏量接近10%為確定氣相負荷下限的依據(jù)，依據(jù) 計算：5液相負荷下限線為保證板上液流分布均勻，提高氣液接觸效果，取堰上液層上高度how=0.006m作為液相負荷下限條件由于，可以推出：精餾段操作性能符合圖 在塔德操作液氣比下，作出操作線op操作線op與負荷性能圖交點的氣相負荷與之比，稱作操作彈性。 由 則： 2.6.6.5 板式塔的結構 1、塔體結構（1） 塔頂空間：h（2） 塔底空間：h第三章板式塔的結構與附屬設備3.1 塔體結構板式塔內(nèi)裝有塔板、降液管、各

24、物料的進出口管及人孔（手孔）、基座、除沫器等附屬設備。3.1.1 塔頂空間塔頂空間指最上層與塔頂?shù)目臻g距離。此不段要高于板間距，或根據(jù)除沫器要求高度決定。3.1.2 塔底空間塔底空間是指塔內(nèi)最下層板到塔底間距。塔徑為1.6米，為大塔，取2.5m3.1.3 人孔每隔6到8層設一人孔，直徑為450mm，伸出塔體的筒長為200mm，設6個人孔3.1.4 塔高h=(n-1)+式中h塔高，m；n實際塔板數(shù)；進料板數(shù)；人孔數(shù)；進板處間距, m；塔頂空間, m；塔底空間, m 故:h=18.25m3.2 塔板結構由于直徑為1.2m,故塔板分3塊塔徑800-12001400-16001800-20002200-2400塔板分塊數(shù)3456表2.5 塔板分塊數(shù)參考文獻：參考文獻：1化工原理課程設計 化工原理教研室室選編2 譚蔚，聶清德化工設備設計基礎天津大學出版社2008. 3 陳國桓化工機械基礎化學工業(yè)出版社2006.14 夏清陳常貴化工原理（上）天津大學出版社2006.35 夏清陳