浮阀精馏塔设计-

1、课程设计题目浮阀精馏塔连续回收乙醇与水混合物中的乙醇设计 姓 名： 黄同月 学 号：3212003902（30号） 班 级： 121103班 指导老师： 罗儒显 完成时间：2014年9月18日目录一.板式精馏塔工艺设计内容及任务31.1设计背景31.2设计目的41.3设计题目41.4设计的要求41.5设计条件及操作条件41.6 浮阀塔及筛板塔的特性51.6.1 浮阀塔的特性1.6.2筛板塔的特性二. 精馏塔工艺的设计6 2.1精馏塔全塔物料衡算6 2.2 理论塔板的计算 72.2.1最小回流比及操作回流比2.2.2精馏段操作曲线2.2.3提馏段操作曲线2.2.4作直角阶梯图求理论塔板2.3实际

2、塔板数计算92.4常用数据一览表9三.精馏塔尺寸计算93.1塔径的初步设计 103.1.1塔径3.1.2总塔高3.2塔板主要工艺尺寸133.2.1溢流装置3.2.2降液管宽度Wd与降液管面积Af3.2.3降液管底隙高度h03.2.4筛板的布置3.2.5开孔区面积3.3浮阀数目及排列163.3.1浮阀数目N3.3.2阀孔排列3.4各接管尺寸的确定173.4.1进料管3.4.2塔釜残夜出料管3.4.3回流管3.4.4塔顶上升蒸汽管3.4.5水蒸气进口管3.5精馏塔主要附属设备 193.5.1冷凝器3.5.2再沸器3.5.3除沫器3.5.4法兰3.5.5视镜3.5.6塔体壁厚3.5.7筒体与封头四.

3、流体力学验算 214.1气体通过浮阀塔版的压力降（单板压降）214.1.1干板阻力hc4.1.2板上充气液阻力h14.1.3由表面张力引起的阻力4.2漏液验算214.3液泛验算214.4雾沫夹带验算22五.操作性能负荷图225.1气相负荷下限线（又称漏液线），记为线1245.2过量雾沫夹带线（又称为气相负荷上限线），记为线2245.3液相负荷下限线，记为线3245.4液相负荷上限线，记为线4255.5液泛线，记为线525六.浮阀塔板工艺设计结果一览表26七.参考文献27八.设计心得28一.板式精馏塔工艺设计内容及任务 1.1设计背景随着世界石油资源的减少,作为生物燃料的无水乙醇在今后的 动力燃

4、料中可能占一席之地，而无水乙醇与汽油混合(俗称汽油醇) 可作为内燃机的燃料就成为很多公司的首选。因此，公司要求把 20%（）的乙醇水混合物原材料，提炼成含乙醇94（）的产品成为了常规项目。经过查找相关的资料，最终选用精馏法来提炼该原材料，选用浮阀精馏塔装置，能完成此项目的要求，所以设计以下设计任务书。 1.2设计目的 通过化工原理理论课的学习，我们已经掌握了不少理论知识和生产实际知识，对于一个未来工程技术人员来说，如何运用所学知识去分析和解决实际问题是至关重要的。本次设计除了完成某公司的达标任务外，也锻炼了我们的实际操作能力。1.3设计题目浮阀精馏塔连续回收乙醇与水混合物中的乙醇设计1.4设计

5、的要求（1） 生产能力大。（2） 操作弹性大，分离效率高。（3） 流体流动阻力小，操作费用低。（4） 结构简单，造价低，制造、安装、维修方便。1.5设计条件及操作条件 （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     &#

6、160;          20%  学号21-30号学生                15%  学号31-48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

7、水温度：进口温度25，出口最高温度45。（6）加热蒸汽压力：4kgf/cm2=0.4MPa （绝对压力）（7）操作压力：常压（8）加热方式：直接蒸汽加热 （9）塔板形式：浮阀塔 （10）精馏方式：连续精馏方式 (11）加料方式：加料泵加入塔内 （12）再沸器、冷凝器等附属设备安排：塔顶设冷凝冷却器，将 塔顶蒸汽完全冷凝后 一部分泡点回流入塔。冷凝器安装在 塔的顶部，通过回流比控制器分流后回流液直接流 入塔内， 馏出产品经再次冷却进入产品储罐。 1.6 浮阀塔及筛板塔的特性1.6.1 浮阀塔的特性（1） 处理量大，比同塔径的泡罩塔可增加20%-40%，而接近于筛板塔。（2） 操作弹性大

8、，一般约为5-9。（3） 塔板效率高，比泡罩塔高15%左右。（4） 压强小，在常压塔中每块板的压强降一般为30-50N/m2。（5） 液面梯度小。（6） 使用周期长，粘度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常操作。（7） 结构简单，安装容易，其制造费约为泡罩塔的60%-80%，但为筛板塔的120%-130%。1.6.2 筛板塔的特性（1） 结构简单，易于加工，造价低。（2） 处理量大，板效率高。（3） 压降低。（4） 操作弹性较小。（5） 安装水平度要求较高。（6） 筛孔易堵。二.塔板工艺的设计 2.1.精馏塔全塔物料衡算 F：原料液流量（kmol/h） ：原料组成（摩尔分数，下同） ：塔顶产品

9、流量（kmol/h） ：塔顶组成：塔底残液流量（kmol/h） ：塔底组成 WF:进料的浓度：20%（质量分数）原料乙醇组成： 塔顶组成： 塔底组成： 根据已知数据可计算平均摩尔质量： 每小时处理摩尔质量： (1)总物料衡算式： F+S=D+W (2)1、易挥发组分物料衡算： (3)其中xS为蒸汽中挥发组分的含量，因为易挥发组分是乙醇，所以xS=0。因为缺少已知条件，所以按照常规塔（间接加热方式）的计算方法来估算进料液及塔顶、塔底产品的 流量（老师要求的）。 2、因为该塔是泡点进料，所以 q = 1, V=V(V为提馏段上升蒸汽量，V 为精馏段上升蒸汽量)，所以：S=V=V=(R+1)D所以（

10、2）式变为：F+2.8421D=W（4）联立（1）（3）（4）三个式子可得：F=136.6200kmol/h D=13.7568kmol/h W=175.7182kmol/h又因为：L=RD=2.8421*13.7568=39.0982kmol/h验证：W=L+qF=L+F=39.0982+136.6200=175.7182kmol/h V=RD+D=2.8421*13.7568+13.7568=52.8550kmol/h S=V=V=52.8550kmol/h2.2.理论塔板数的计算（NT） 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

11、，图解法，在本次实验设计中采用图解法。2.2.1最小回流比及操作回流比根据1.01325×105Pa下，乙醇-水汽液平衡图如附图1所示。 由于是泡点进料，xq=xf=0.0891,过点e（0.0891.，0.0891），因为是泡点进料，所以q值为1,故作垂直线x=0.0891 交平衡线于点d，由点d可读出yq=0.4235，因此：又过点a（0.8598，0.8598）作平衡线的切线，切点记为g,读取g点的坐标为(xq´=0.7058,yq´=0.7590),因此： 所以Rmin=Rmin(2)=1.8947,可取操作回流比R=1.5Rmin=2.8421。2.2.

12、2精馏段操作曲线 已知R=2.8421，xD=0.8598.所以精馏段操作线方程为： 该操作曲线过D点（0.8598,0.8598），在乙醇-水汽液平衡图中作精馏段曲线交q线于f（0.0891,0.2905）点。2.2.3提馏段操作曲线 提馏段操作曲线：过点W（0.001962，0）与上述f（0.0891,0.2905）点连线，得到的直线Wf即为提馏段操作曲线，直线Wf的方程即为提馏段操作线方程，方程式如下：2.2.4直接蒸汽加热因为是直接蒸汽加热，故最后一个梯阶必须跨过X轴上的xb点为止，xb点为提馏段操作线与X轴的交点。xb点的坐标计算如下：L=RD=2.8421*13.7568=39.0

13、982kmol/hW=L=L+F=39.0982+136.6200=175.7182kmol/h因为：，所以所以b点坐标为（0.001962,0）2.2.5作直角阶梯图求理论塔板数 由乙醇-水汽液平衡线、q线、精馏段操作曲线、提馏段操作曲线和xb值，做出理论塔板数的阶梯图，如附图一。 图中 ，由图解法可以得知：总理论塔板数为25，第块板为进料板21，精馏段理论塔板数为20，提馏段理论塔板数为5。间接蒸汽加热时理论塔板数为24，直接蒸汽加热时总理论塔板数为25。2.3.实际塔板数的计算（N实） 已知总塔板效率E0=0.56，总理论塔板数为 25，得实际塔板数N实，即 取整数所以N实 = 43（不

14、包括蒸馏釜）。实际进料板位置： 取整数，所以N进= 38 。 2.4 常用数据一览表 表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 1000082.723.3754.4579.357.3268.4195.51.9017.0082.326.0855.8078.7467.6373.8589.07.2138.9181.532.7359.2678.4174.7278.1586.79.6643.7580.739.6561.2278.1589.4389.4385.312.3847.0479.850.7965.64   8

15、4.116.6150.8979.751.9865.99    表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    表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 三.精馏塔尺寸计算3.1塔径的初步设计 3.1.1塔径由于精馏段和提馏段的上升蒸汽量相差不大，为了便于制造，设计取两段的塔径相等

16、。所以该精馏塔的塔径计算如下：（全塔径的计算方法按精馏段的塔径计算方法）塔的平均蒸汽流量： 塔的平均液相流量（液体流率） 塔的汽相平均密度：（用内插法求的） 塔的液相平均密度：（用内插法求的）塔径可由此公式求解：由于适宜的空塔气速 ，因此要先算出最大允许气速umas.取塔板间距HT=0.35m,板上液层高度HL=0.05m，那么分离空间： 功能参数：.图二. 不同分离空间下负荷系数与动能参数的关系（Smith)图由史密斯关联图查得：C20=0.064，由于,故需求出液体表面张力。TC：液体的临界温度，KXi：任一组分的摩尔分率Tic:乙醇的临界温度为243K，水的临界温度为342.2K：液体的

17、表面张力，dym/m2液体的临界温度：（取xi=0.86）X1=0.86时，查表得=22 dym/cm，T1=25，T2=78.3，所以：即：所以：又所以：因为适宜的空塔气速 ，取安全系数为0.7，即：塔径为： 所以标准塔径圆整为D= 0.750 m,因为已知初选定精馏段的塔径等于提馏段塔径，所以全塔径为0.750米。 塔的横截面积为：3.1.2总塔高精馏塔的高度可由以下式子计算：1.已知实际塔板数为N=43块，板间距HT=0.35m，由于原料仅是乙醇和水（较清洁原料），所以无需经常清洗，一般在塔板上方的鼓泡区，每3-8层塔板布置一个人孔。因此可取每隔8块塔板设置一个人孔，则人孔的数目S为：2

18、.设塔底储蓄液停留时间为5 min，那么储蓄液高度为：（AT为塔截面积）一般塔底液面至最下层塔板间要有12米的距离，为蒸汽空间，故取塔底空间HW=2.5m3.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。4.进料板空间高度HF=0.5m, 取人孔两板间的间距为：hT=0.6m，那么精馏塔高度为：5.取裙坐高度为Hq=1.4m。6.由以上数据并查表，得出封头的高度应取H封=0.2m故整个精馏塔装置高度为：（因为裙座已经包含了一个底部封头，所以在计算时，只计算一个封头。）3.2塔板主要工艺尺寸3.2.1溢流装置因为塔径取0.750m，小于2m,所以本精馏塔采用单溢

19、流、弓形降液管、平型受液盘、及平型溢流堰，不设进流堰。各尺寸计算如下：精馏段：1、取溢流堰长为0.6D，即 。2、出口堰高Hw： 3、采用平直堰 由， 图三. 液流收缩系数图由查图收缩系数E=1。所以，堰上液层高度：故：提馏段：1、溢流堰长为0.6D，因为精馏塔和提馏段的塔径相同，所以溢流堰长=0.45m、出口堰高H´W=0.041354m，符合要求（0.1-How>Hw>0.05-How)。3.2.2降液管宽度Wd与降液管面积Af图四 弓形降液管参数图因为，查手册上图四得,，故：停留时间：所以，符合设计要求。3.2.3降液管底隙高度h0 降液管底端与塔板之间的距离h,若

20、过大，则不易形成液封，若过小，液体在降液管出口阻力过大，易液泛，一般不宜小于20-25mm,以免因堵塞而造成液泛。 取液体通过降液管底隙时的流速为u0=0.07m/s ，故根据公式可求出降液管底隙高度H0为：3.2.4筛板的布置塔板上在靠近塔壁的部分，应留出一圈边缘区，供塔板安装之用，通常边缘区宽度Wc为50-70mm.塔板上液体的入口和出口需设安定区，以避免大量含有气泡的液体进入降液管而造成液泛。一般，安定区的宽度Ws可取50-100mm。边缘区和安定区中的塔板不能开孔。因此，取边缘区宽度WC=0.05 m,安定区宽度WS=0.06 m.3.2.5开孔区面积其中：(Wd-降液管宽， Ws为安

21、定区宽， Wc-为边缘区宽）所以：开孔区面积3.3浮阀数目及排列 采用F1型重阀，重量为33g，孔径为d0=39.0mm，当板上所有浮阀刚刚全开时，Fo数值常为9-12之间。3.3.1浮阀数目N（V-为上升气体流量，m3/s ,do-阀孔直径，m)气体通过阀孔时的速度为：，取动能因数F=11，故：因此： 开孔区的开孔率，即：一般要求开孔率达到10%14%，而=10.55%，符合要求。3.3.2阀孔排列孔间距为：其中，采取正三角形排列，排列见附图：3.4各接管尺寸的确定3.4.1进料管25时，用内插法查表求得进料体积流量：取适宜的输送流速uF=1.5m/s，故：经圆整选取热轧无缝钢管（GB816

22、3-87）,规格：。实际管内流速为：3.4.2塔釜残夜出料管塔釜残液体积流量,取适宜的输送速度uW=1.5m/s，故：经圆整选取热轧无缝钢管（GB8163-87）,规格：。实际管内流速为：3.4.3回流管回流液体积流量V回=m3/s取适宜的输送速度u回=1.5m/s，故：经圆整选取热轧无缝钢管（GB8163-87）,规格：。实际管内流速为：3.4.4塔顶上升蒸汽管回流液体积流量V升= =m3/h=m3/s取适宜的输送速度u升=12m/s (常压操作条件下管内蒸汽流速一般取1220m/s)，故：经圆整选取热轧无缝钢管（GB8163-87）,规格：。实际管内流速为：3.4.5水蒸气进口管在绝对压力

23、为4kgf/cm2时，进料体积流量：取适宜的输送流速u汽进=15m/s，故：经圆整选取热轧无缝钢管（GB8163-87）,规格：。实际管内流速为：3.5精馏塔主要附属设备3.5.1冷凝器 （1）选取强制循环式冷凝器，冷凝器安装在塔下的适当位置，用泵向塔顶送回流冷凝水，在冷凝器与泵之间设回流罐，这样可以减少台架，便于维修、安装、减少成本。 （2） 冷凝器的传热面积和冷却水的消耗量：记热流体为78.3的94%的乙醇蒸汽，已知要求冷却水进入温度为25，冷却水流出温度为45，因为Q热=Q冷 ，且，已知r热=600KJ/Kg， qm热=0.5507Kg/s ，所以：传热面积：设热流体流出温度为45，因为

24、所以：。即：所以传热面积为15.4981m2 。3.5.2再沸器因为该精馏塔为直接蒸汽加热，所以可以不用安装再沸器。3.5.3除沫器除沫器用于分离塔顶出口气体中所夹带的液滴，可降低有价值产品的损失，本文选用了应用最广的丝网除沫器。除沫器DK的直径由气体量和气速决定：3.5.4法兰 由于常压操作，所有法兰均采用标准管法兰，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：Pg6Dg50

25、0HG5010-583.5.5视镜在塔上部与塔下部适中位置各开一个12cm的孔，各安装一个视镜。3.5.6塔体壁厚 本精馏塔的操作压力虽为常压，但是为满足制造时的焊接工艺，所以选用应用较广的塔体材料：一般碳钢，壁厚为0.04m。3.5.7筒体与封头（1）筒体壁厚选2mm（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。 本文选用封头H封=0.2m ,Dg600×3,JB1154-73。四.流体力学验算4.1气体通过浮阀塔版的压力降（单板压降）4.1.1干板阻力hc浮阀由部分全开转为全部全开时的临界速度为uoc,即

26、因为 ，所以：阀全开后（u0>uoc)的液柱高度4.1.2板上充气液阻力h1取板上充气程度因数，那么：4.1.3由表面张力引起的阻力由于表面张力导致的阻力一般都很小，所以在此忽略。所以：一般来说，常压和加压塔中每层浮阀塔板的压强降为265-530Pa,因此符合要求。4.2漏液验算动能因数F0=5，相应的气相最小负荷VSmin为：，其中。所以：可见不会产生过来的漏液现象。4.3液泛验算溢流管内的清液层高度 ,其中，。所以：为了防止液泛，一般要求 ，取校正系数，则可见：，所以不会发生液泛。4.4雾沫夹带验算 泛点率=图五物性系数k图六.泛点负荷系数图查得物性系数K=1.0，泛点负荷系数CF=

27、0.097。已知Vs=V=0.4180m3/s,Ls=L=0.0006640m3/s,所以：液泛点=55.27<82%为避免过量雾沫夹带，应控制泛点不超过82%，可见，两种计算方法，雾沫夹带在允许的范围内。五.操作性能负荷图5.1气相负荷下限线（又称漏液线），记为线1对于F1重阀，取阀孔动能因数F0 = 5作为控制漏液量的操作下限，气相负荷下限线方程可写成为：式中：d0阀孔孔径，d0=0.039m；N：浮阀数；v：气相密度，/m3；VS：气相体积流量，m3/s。 故：5.2过量雾沫夹带线（又称为气相负荷上限线），记为线2按泛点率=80%计算，故整理得：VS和LS分别取值获得一条

28、直线，数据如下：LS，m3/s0.000350.00085VS, m3/s0.65320.64465.3液相负荷下限线，记为线3液相负荷下限线方程为：式中：LS液相流量，m3/s；lw 溢流堰长，m；E流量收缩系数，可取E=1计算。所以：LS=0.0004095 m3/s 。5.4液相负荷上限线，记为线4其液相负荷上限线方程为：式中：Af降液管截面积，m2；HT板间距，m；LS液相流量，m3/s。所以：LS=0.002319 m3/s。5.5液泛线，记为线5令：，由： ； ； ； 。联立得：忽略h，将h0W与Ls；hd与Ls；hc与Vs的关系式代入上式，并整理得其中，a，b，c，d为由系统物性

29、和塔板结构尺寸所决定的常数，分别为： ； ； 式中：Vs、Ls分别为气、液相流量，m3/s；V、L分别为气、液相密度，kg/m3； N阀孔数； HT板间距，m； hW液流堰高度，m； lW液流堰长度，m； h0降液管底隙高度，m；校正系数，一般取=0.5；0充气因数，一般取0=0.5； E流量收缩因数，可取E=1。求得a=0.3636;b=0.1323;c=2469;d=1.6320,故方程如下：LS，m3/s0.000350.000550.000650.00085VS, m3/s0.71580.70730.70340.6960根据以上求得的气相负荷下限线、过量雾沫夹带线、液相负荷下限线、液相

30、负荷上限线及液泛线5线，可以作出性能负荷图，见附图。 在操作性能负荷图中，气相负荷下限线、过量雾沫夹带线、液相负荷下限线、液相负荷上限线及液泛线五条曲线所围成的区域（深色区域），就是该精馏塔工作时的适宜操作区。在此操作区域内，塔板上流体力学情况正常。由操作性能负荷图可以得知：1、该精馏塔所预设的气液负荷设计点P（0.0006640，0.4180）正好落在该区域的适中位置，连接OP直线，即可得出操作线，2、 该塔板的操作上线完全由液返线控制，下线由气相负荷下限线控制。3、 由上图可以查得：VS,mas=0.630 m3/s ; VS,min=0.1916 m3/s故操作弹性K为：K = VS,m

31、as/ VS,min=0.630/0.1916=3.288,所以该精馏塔装置具有较好的操作弹性。六.浮阀塔版工艺设计结果一览表表4 浮阀塔工艺设计计算结果 项目符号单位计算数据精馏段提馏段各段平均压强PKpa常压（101.325Kpa)各段平均温度t61.6556.67平均流量气相Vm3/s0.4180液相Lm3/s0.0006640实际塔板数N块376板间距HTm0.35塔径Dm0.75塔的有效高度H总m21.40空塔气速um/s1.0137塔板液流形式单流型单流型溢流装置溢流管型式弓形弓形堰长lwm0.45溢流堰宽度Wdm0.45管底与受液板距离h0m0.02108板上液体高度Hlm0.07孔径d0m0.039孔中心距tm0.08821孔数n个39开孔面积Aam20.04659孔气速u0m/s9.0206塔板压降hpKpa0.50704液体在降液管停留时间t0s17.4631降液管内液体高度Hdm0.07液泛点%52.1155.27负荷上限液泛线控制液泛线控制负荷下限漏液线控制漏液线控制气相最大负荷VS,masm3/s0.630