乙醇-水混合液的浮阀精馏塔设计

1、化工原理课程设计任务书一、设计题目：分离乙醇-水混合液的浮阀精馏塔二、原始数据及条件生产能力：年处理乙醇-水混合液8万吨（开工率300天/年）原 料：乙醇含量为35%（质量百分比）的常温液体分离要求：塔顶乙醇含量不低于93.5%（质量分数） 塔顶乙醇含量不高于0.11%（质量分数）塔操作条件：平均操作压力：1atm进料热状况：饱和液体进料回流比：自选单板压降：<=0.7kpa塔板类型：筛板或浮阀塔工作日：每年300天，每天24小时连续运行目 录绪论 1设计方案简介 2塔板的工艺设计 3一、精馏塔全塔物料衡算 3二、常压下乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度关系 3三、理论塔板的计算 9四、

2、塔经的初步计算 10五、溢流装置 11六、塔板布置及浮阀数目与排列 12塔板的流体力学计算 14一、气相通过浮阀塔板的压降 14二、淹塔 15三、液沫夹带 16四、塔板负荷性能图 17附件设计 21塔总体高度的设计 23塔附属设备设计 24设计体会 25参考书目 26主要符号说明 27结束语 2931绪 论塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触部件的形式，可以分为填料塔和板式塔。板式塔属于逐级接触逆流操作，填料塔属于微分接触操作。工业上对塔设备的主要要求：（1）生产能力大（2）分离效率高（3）操作弹性大（4）气体阻力小结构简单、设备取材面广等。 塔型的合理

3、选择是做好塔设备设计的首要环节，选择时应考虑物料的性质、操作的条件、塔设备的性能以及塔设备的制造、安装、运转和维修等方面的因素。板式塔的研究起步较早，具有结构简单、造价较低、适应性强、易于放大等特点。精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业中得到广泛应用。精馏过程在能量剂驱动下（有时加质量剂），使气液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各组分的挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移，实现原料混合液中各组分的分离。根据生产上的不同要求，精馏操作可以是连续的或间歇的，有些特殊的物系还可采用衡沸精馏或萃取精馏等

4、特殊方法进行分离。本设计的题目是乙醇-水连续精馏浮阀塔的设计，即需设计一个精馏塔用来分离易挥发的乙醇和不易挥发的水，采用连续操作方式，需设计一板式塔将其分离。设计方案简介本次课程设计的任务是设计分离乙醇-水的精馏塔，塔型选为浮阀塔，因为筛板塔与浮阀塔相比，浮阀塔有降液槽和溢流堰，气体顶开浮阀上升与塔盘上液体接触，传质在塔盘上进行，液体通过降液槽下降，其操作弹性较大。本设计任务为分混合物，进料为饱和液体进料，操作压力是一个大气压。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送人精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其

5、余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.5倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。塔板的工艺设计一、精馏塔全塔物料衡算F：原料液流量(kmol/h) xF：原料组成（摩尔分数，下同）D：塔顶产品流量(kmol/h) xD：塔顶组成W：塔底残液流量(kmol/h) xW：塔底组成原料乙醇组成： 塔顶组成： 塔底组成： 进料平均分子量：=46×0.132+18×0.86=21.7kg/kmol进料量： kmol/h物料衡算式为： （1）联立代入求解：D=94.245 kmol/h W=385.956 kmo

6、l/h二、常压下乙醇-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1000082.723.3754.4579.357.3268.4195.51.9017.0082.326.0855.8078.7467.6373.8589.07.2138.9181.532.7359.2678.4174.7278.1586.79.6643.7580.739.6561.2278.1589.4389.4385.312.3847.0479.850.7965.6484.116.6150.8979.751.9865.991.温度tF：，tF=85.07tD：，tD=78.21tW：，tW=99

7、.82精馏段平均温度：提馏段平均温度：2.密度已知：混合液密度 （2） 混合气密度（a为质量分率，为平均分子量） （3）塔顶温度：tD=78.21气相组成yD： yD=83.4%进料温度：tF=85.07气相组成yF： yF=47.78%塔底温度：tW=99.82气相组成yW： yW=0.68%（1）精馏段：液相组成x1：，x1=31.57%气相组成y1：，y1=58.65%所以 kg/kmol kg/kmol（2）提馏段：液相组成x2：，x2=4.396%气相组成y2：，y2=27.30%所以 kg/kmol kg/kmol由不同温度下乙醇和水的密度温度/C/（kg·m-3）W/（

8、kg·m-3）温度/C/（kg·m-3）W/（kg·m-3）80735971.895720961.8585730968.6100716958.490724965.3求得在与下乙醇和水的密度， kg/m³ ， kg/m³同理：， kg/m³， kg/m³在精馏段 液相密度： kg/m³气相密度： kg/m³在提馏段 液相密度： kg/m³气相密度： kg/m³3.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： （4）注： （5） （6） （7） （8） （9） （10）

9、 （11） （12） （13）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，、指主体部分的分子体积，、为水、有机物的表面张力，对乙醇q=2。由不同温度下乙醇和水的表面张力（单位：10-3N·m-1）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精馏段： cm3/mol cm3/mol乙醇表面张力：，水表面张力：，因为 ， 所以 联立方程组 代入解得： ， 提馏段： cm3/mol cm3/mol乙醇表面张力：， 水表面张力：， ，因为 ， 所以 联立方程

10、组 代入解得： ， 4.混合物的粘度乙醇（纯物质）粘度： 查表得：A=686.64 B=300.88， 乙醇： mPa·s查表得：水 mPa·s ， 乙醇： mPa·s查表得：水 mPa·s互溶混合物粘度：精馏段粘度 mPa·s提馏段粘度 mPa·s5.相对挥发度精馏段的平均相对挥发度：由，得，所以 （14）提馏段的平均相对挥发度：由，得，所以 （15）6.气液相体积流量计算乙醇水气液平衡曲xwxDxF根据x-y图得： 所以 取（1）精馏段： （16） （17）已知： kg/kmol， kg/kmol kg/m³， kg/m

11、³质量流量： kg/s （18） kg/s （19）体积流量： m³/s （20） m³/s （21）（2）提馏段：因本设计为饱和液体进料，所以q=1 kmol/s （22） kmol/s （23）已知： kg/kmol， kg/kmol kg/m³， kg/m³质量流量： kg/s （24） kg/s （25）体积流量： m³/s （26） m³/s （27）三、理论塔板的计算理论板：指离开这种板的气液两相互成平衡，而且塔板上液相组成均匀。理论板的计算方法：可采用逐板计算法、图解法，本次实验采用图解法。根据1.103

12、15;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，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。，操作回流比已知：精馏段操作线方程：精馏段操作线方程：理论板层数的图解法（1）精馏段局部图（2）提馏段局部图在图上作操作线，由点（0.86，0.86）起在平衡线与操作线间画阶梯，过精馏段操作线与q线交点，直到阶梯与平衡线交点小于0.00078为止，由此得到理论板NT=18块（包括再沸器），加料板为第15块理论板。板效率与塔板结构、操作条件、物质的物理性质及流体性质有关，它反映了实际塔板上传质过程进行的程度。板效率可用奥康奈尔

13、公式计算。 （29）注：塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度塔顶与塔底平均温度下的液体粘度mPa·s（1）精馏段已知：，mPa·s所以： 故块（2）提馏段已知：，14 mPa·s所以： 故块全塔所需实际塔板数：块全塔效率加料板位置在第31块板。四、塔经的初步计算1.精馏段由=（安全系数）×，安全系数=0.6-0.8，式中C可由史密斯关联图查出： （30）横坐标数值：取板间距： m， m，则 m查图可知： m/s m/s m 圆整： m横截面积： m2空塔气速： m/s2.提馏段横坐标数值：取板间距： m， m，则 m查图可知： m/s m/s m 圆整： m

14、横截面积： m2空塔气速： m/s五、溢流装置1.堰长取 m出口堰高：本设计采用平直堰，堰上液高度按下式计算 近似取E=1 （30）（1）精馏段 m m（2）提馏段 m m2.弓形降液管宽度和横截面积查图得：，则 m2， m验算降液管内停留时间：精馏段： s （31）提馏段： s （32）停留时间>5s，故降液管可用。3.降液管底隙高度（1）精馏段取降液管底隙的流速 m/s，则 m（2）提馏段取降液管底隙的流速 m/s，则 m因为不小于20mm，故满足要求。六、塔板布置及浮阀数目与排列1.塔板分布本设计塔经D=2m，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（1）精馏段取

15、阀孔动能因子，则孔速为 m/s（33）每层塔板上浮阀数目为 个 （34）取边缘区宽度 m，破沫区宽度 m计算塔板上的鼓泡区面积，即 （35）其中 m （36） m （37）所以 m2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t=75mm则排间距： m=99mm （38）考虑到塔的直径较大，必须采用分块式塔板，二各分块的支撑与衔接也要占去一部分鼓泡区面积，因此排间距不宜采用99mm，而应小些。故取mm=0.065m，按t=75mm，mm，以等腰三角形叉排作图，排的浮阀数300个。按N=300重新核算孔速及阀孔动能因子： m/s，阀孔动能因子变化不大，仍在9-13范围内，塔板开孔率= （

16、39）（1）提馏段取阀孔动能因子，则 m/s （40）每层塔板上浮阀数目为个 （41）按t=75mm，估算排间距：m=113mm （42）取mm，以等腰三角形叉排作图，排的浮阀数254个。按N=254重新核算孔速及阀孔动能因子： m/s，阀孔动能因子变化不大，仍在9-13范围内，塔板开孔率= （43）塔板的流体力学计算一、气相通过浮阀塔板的压降可根据计算 （44）1.精馏段 干板阻力 m/s （45）因故 （46） 板上气液层阻力取， （47） 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 （48） （49）2.提留段 干板阻力 m/s （50）因，故

17、（51） 板上充气液层阻力。取， （52） 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： （53） 二、淹塔为防止发生淹塔现象，要求控制降液管中清液高度 （54）1、精馏段 单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度 液体通过降液管的压头损失： （55） 板上液层高度：，则，（56）取，已选定， 则可见，所以符合防止淹塔的要求2、提留段 单板压降所相当的液柱高度 液体通过降液管的压头损失 （57） 板上液层高度：，则（58）取，则 （59）可见，所以符合防止淹塔的要求三、液沫夹带1、精馏段泛点率= （60）泛点率= （61）板上液体流经长度： 板上液流面积： 查

18、物性系数 K=1.0，泛点负荷系数图泛点率=泛点率=对于大塔，为了避免过量物沫夹带，应控制泛点率不超过80%，由以上计算可知，无沫夹带能够满足的要求。提留段取物性系数K=1.0，泛点负荷系数图泛点率=泛点率=由计算可知符合要求。四、塔板负荷性能图1、物沫夹带线泛点率= （62）据此可作出负荷性能图中的物沫夹带线，按泛点率80%计算 精馏段整理得： （63）由上可知物沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个值，算出 提留段整理得： （64）2、液泛线 （65）由此确定液泛线，忽略式中的，（66）而 （67） 精馏段0.52=2.67 提留段0.251=5.34整理得： （68）3、液相负荷上限液体

19、的最大流量应保证降液管中停留时间不低于35s液体降液管内停留时间 （70）以Q=5s作为液体在降液管内停留时间的下限，则 m3/s （71）4、漏液线对于型重阀，依作为规定气体最小负荷的标准，则（72） 精馏段 m3/s 提留段 m3/s5、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E=1.0 （73）则 m3/s由以上15作出塔板负荷性能图。可以看出 在任务规定的气液负荷下的操作点p（设计点）处在适宜操作区内的位置； 塔板的气相负荷上限完全由物沫夹带控制操作下限由漏液控制； 按固定的液气比，由图可查出塔板的气相负荷上限 m3/s，气相

20、负荷下限m3/s所以精馏段操做弹性=，提馏段操做弹性=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留段塔经Dm22板间距m0.450.45塔板类型单溢流弓形降液管分块式塔板空塔气速m/s1.321.36堰长m1.31.3堰高m0.05370.0516板上液层高度m0.070.07降液管底隙高m0.030.0358浮阀数N300254等腰三角形叉排阀孔气速m/s11.0413.43浮阀动能因子12.112.44临界阀孔气速m/s9.511.42孔心距tm0.0750.075同一横排孔心距排间距m0.0650.08相邻横排中心距离单板压降Pa670.85666.03液体在降液管内停留时间

21、s20.5517.04降液管内清液层高度m0.2520.251泛点率%61.4144.06气相负荷上限m³/s4.924.84物沫夹带控制气相负荷下限m³/s1.661.72漏液控制操作弹性2.962.81附件设计一、接管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，本设计采用直管进料管。管径计算：,取=1.6m/s，kg/m3 （74） m3/s 查表取2、回流管采用直管回流管，取 m/s （75） m3/s查表取3、塔釜出料管取m/s，直管出料，m3/s 查表取4、塔顶蒸汽出料管取直管出气，取出口管速 ，则查表取5、法兰由于常压操作，所有法兰均采用标准管法兰

22、，由不同的公称直径选用相应的法兰 进料管法兰： 回流管法兰： 塔釜出料管法兰： 塔顶蒸汽管法兰： 塔釜蒸汽进气法兰： 二、简体与封头1、简体 （76）壁厚选6mm，所用材质为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， 三、除沫器当空塔气速较大，塔顶带液现象严重，以及工艺过程中不许出现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。设计全速，选取

23、，系数=0.107 （77）m/s除沫器直径选取不锈钢除沫器：类型：标准型，规格：10-100，材料：不锈钢丝网（）四、裙座塔底常用裙座的结构性能好，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。由于群座内径>800mm,故群座壁厚取16mm。基础环内经： 基础环外经： 圆整：=1800mm，=2400mm.基础环厚度，考虑到腐蚀余量，腐蚀余量取18mm，考虑到再沸器，群座高度取2.5m，地角螺栓直径取M30.五、吊柱对于较高的室外无框架的整体塔，在塔顶设置吊柱，对于补充和更换填料、安装和拆卸内件，既经济又方便的一项措施，一般取15m以上的塔物设吊柱

24、，本设计中高度大，因此设吊柱。因设计塔径D=2000mm，可选用吊柱600kg，s=1000mm，l=3500mm，H=1000mm，材料为。六、人孔人孔是安装和检修人员进出塔的惟一通道，人空的设置应便于人进入任一层塔板，由于设置人孔处塔间距离大，且人孔设备过多会使制造时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，本塔总共37块板，需设置3个人孔，每个孔直径为450mm，在设置人孔处，板间距为600mm，裙座上应开设2个人孔，直径450mm，人孔慎入塔内部应与他内壁修平，其边缘需倒装和磨圆，人孔法兰的密封形状及垫片用材，一般与塔的接管法兰相同，本设计也是如此。塔总体高度的设

25、计一、塔的顶部空间高度是指塔顶第一层塔盘到塔顶封头的直线距离，取除沫器到第一板的间距为600mm，顶部空间高度为1200mm二、塔的底部空间高度是指塔底最末一层塔盘到塔底封头的直线距离，釜液停留时间取5s。 （78） （79）塔立体高度 （80） （81）塔附属设备设计一、确定冷凝器和再沸器的热负荷， （82） （83）上两式中的，分别为塔顶塔底混合物的汽化潜热，为塔底混合物流率，物质时的气化潜热KJ/mol时的气化潜热KJ/mol乙醇4021939113.430.8490.00043水43193.9440725.20.1510.99957 kJ/h kJ/h kJ/hkJ/h二、冷凝器的选择

26、有机物蒸汽冷凝器的设计选用的总体传热系数一般范围为5001500kcal/(h)本设计取 K=700 kcal/(h)=2926J/(h) 出料液温度：78.237（饱和气）78.273（饱和液）冷却水温度：2035逆流操作：=58.273，=43.237传热面积： （84）再沸器的选择选用120饱和水蒸汽加热，传热系数取K=2926 J/(h)料液温度：99.898100，热流体温度120120逆流操作：=20，=20.102传热面积： （85）设计体会对于设计过程我们通过查阅各种文献得到数据，公式最后汇总，通过给出的任务进行计算，使我们的自学能力，汇总能力都得到了提高。对于最后部分塔附属高

27、度的计算还不甚了解，很不熟练，有待提高。通过本次课程设计不仅增强了自己的自学能力更促进了对化工原理知识的进一步了解，同时通过同学之间，同学和老师之间的相互交流使我的设计更加完善。在良好的互动环境下我们大家都很努力认真，不仅是为了取得成绩，更是为了能在知识上，在能力上都有所提高。特别使对一些参考文献的使用，和对图表的查询都有了实质性的操作。动手能力也有了显著提高，使我们大家都很高兴。虽然我们做设计的时间较以前的学哥学姐时间短，但我们相信我们的收获不比他们少。当然我知道自己的设计也许还存在着这样或那样的不足，但我知道这是我努力的结果。我感谢能有这次让我努力并增长知识的机会，缺点和不足一定会尽力改正

28、。也真心地希望还有这样可以促进我们学习和进步的机会。1、通过本次课程设计，使我对从浮阀塔设计方案到浮阀塔设计的基本过程的设计方法、步骤、思路有一定的了解与认识。它相当于实际浮阀塔设计工作的模拟。在课程设计过程中，基本能按照规定的程序进行，先针对浮阀塔的特点收集、调查有关资料，然后进入草案阶段，其间与指导教师进行几次方案的讨论、修改、再讨论，逐步了解了设计浮阀塔的基本顺序，最后定案。设计方案确定后，又在老师指导下进行初步详细设计，并计算物料守衡，塔高等；最后进行塔附件设计。2、此次课程设计基本能按照设计任务书、指导书、技术条件的要求进行。同学之间相互联系，讨论，整体设计基本满足使用要求，但是在设

29、计指导过程中也发现一些问题。理论的数据计算不难，困难就在于实际选材，附件选择等实际问题。这些方面都应在以后的学习中得以加强与改进。以上是本次课程设计的指导过程中的心得与体会以及对课程设计完成情况的总结，希望在以后的学习当中能扬长避短，以取得更好的教学效果。参考书目教材：1.化工原理（上、下册）谭天恩 窦梅 周明华 编著。化学工业出版社（第三版） 2009年4月第21次印刷2.化工原理王志魁 编著 化学工业出版社（第二版） 2002年2月第9次印刷主要参考文献：1.化工原理（新版）上、下册 姚玉英主编 天津大学出版社1999年8月第1版2.化工原理上、下册 蒋维钧主编 清华大学出版社 2003年

30、2月第二版3.化工原理课程设计指导 任晓光主编 化学工业出版社2009年1月4.化工原理课程设计 王国胜主编 大连理工大学出版社 2005年2月5.化工容器及设备简明设计手册 贺匡国主编 化学工业出版社 2002年8月6.化学工程手册.北京:化学业出版社,19917.化工单元过程及设备课程教材 匡国柱，史启才主编 化学工业出版社，2005.1主要符号说明F：原料液流量(kmol/h) ：原料组成（摩尔分数）：进料温度（）D：塔顶产品流量(kmol/h) ：塔顶组成（摩尔分数）：塔顶温度（）W：塔底残液流量(kmol/h) ：塔底组成（摩尔分数）：塔底温度（）：密度（kg/m³）：平均摩尔质量（kg/kmol）：表面张力（N/m2）：粘度（mPa·s）R：回流比：相对挥发度：塔板效率：浮阀数：理论板数（块）：实际板数（块）：流速（m/s）：阀孔气速（m/s）：临界阀孔气速（m/s）:液体质量流量（kg/s）:气体质量流量（kg/s）：液体体积流量（m³/s）：气体体积流量（m³