化工原理课程设计乙醇水二元体系浮阀精馏塔的工艺设计

1、 南京工业大学 化工原理专业课程设计设计题目乙醇-水二元体系浮阀精馏塔的工艺设计 学生姓名 班级、学号 指导教师姓名 金志强 、景文珩 课程设计时间2012 年12月24日-2013 年01月06日 课程设计成绩设计说明书、计算书及设计图纸质量，70%独立工作能力、综合能力及设计过程表现，30%设计最终成绩（五级分制） 指导教师签字 化学化工学院课程名称： 化工原理课程设计设计题目：乙醇-水二元体系浮阀精馏塔的工艺设计学生姓名： 专业：化学工程与工艺 班级学号： 化工 设计日期： 2012-12-24至2013-01-07设计任务： 乙醇-水体系设计条件：1. 进料量：F=230 kmol/h

2、2. 进料组成：=0.17 （摩尔分率）3. 进料热状态：泡点进料4. 常压，塔釜间接蒸汽加热5. 塔顶冷凝水温度t=25，6. 塔釜加热蒸汽温度T=139设计要求： 1产品浓度： 94 （mass %） 2易挥发组分回收率： 99% 目录一 概述.8二 工艺设计1 总体设计方案1.1 操作压强的选择.81.2 物料的进料热状态.81.3 塔釜的加热方式.91.4 回流方式选定101.5 回流比的确定102 精馏的工艺流程图103 精馏塔塔板数的确定3.1 物料衡算.113.2 物系相平衡数据.113.3 回流比确定.143.4 逐板法计算理论塔板数.153.5 实际塔板数的确定.174 塔体

3、主要工艺尺寸的确定 4.1 精馏段塔径塔板的设计计算 精馏段塔塔径塔板的设计参数.1 操作压力.19 4.1.1.2 温度.19 4.1.1.3 平均摩尔质量.19 4.1.1.4 平均密度.20 4.1.1.5 液体表面张力.21 4.1.1.6 液体的粘度.21 4.1.1.7 液负荷计算23 塔板参数计算和选择 .1 塔径的计算24 .2 溢流装置的确定25 4.1.2.3 安定区与边缘区的确定28 4.1.2.4 鼓泡区阀孔数的确定及排列28 4.1.2.5 开孔率计算304.1.3 塔盘流体力学验算4.1.2.1 塔板压降314.1.2.2 降液管停留时间314.1.2.3 雾沫夹带

4、32 负荷性能图4.1.4.1 液相下限线.34.2 液相上限线.34.3 漏液线.34.4 过量雾沫夹带线.354.1.4.5 液泛线.364.1.4.6 性能负荷图384.2 提馏段塔径塔板的设计计算 精馏段塔塔径塔板的设计参数.1 操作压力.39 .2 温度.39 .3 平均摩尔质量.39 .4 平均密度.40 .5 液体表面力.41 .6 液体的粘度.42 4.2.1.7 液负荷计算 4.2.2 塔板参数计算和选择 .1 塔径的计算.44 .2 溢流装置的确定.45 .3 安定区与边缘区的确定.46 .4 鼓泡区阀孔数的确定及排列.46 .5 开孔率计算.48 塔盘流体力学验算.1 塔

5、板压降.48.2 降液管停留时间.48.3 雾沫夹带.50 负荷性能图.1 液相下限线.51.2 液相上限线.51.3 漏液线.52.4 过量雾沫夹带线.52.5 液泛线.53.6 性能负荷图.555 辅助设备的设计5.1 塔顶全凝器的计算及选型.565.2 塔底再沸器面积的计算及选型.605.3 其他辅助设备的计算及选型 接管.1 进料管.60.2 回流管.61.2 塔釜出料管.61.3 再沸器蒸汽进口管.61.4 冷凝水管.62 预热器. 泵.5 冷凝水泵.62 进料泵.636 计算结果汇总657 致谢667 参考文献69三 附录：1精馏段塔板布置图702提馏段塔板布置图711 概述：塔设

6、备一般分为级间接触式和连续接触式两大类。前者的代表是板式塔，后者的代表则为填料塔。一般，与填料塔相比，板式塔具有效率高、处理量大、重量轻及便于检修等特点，但其结构较复杂，阻力降较大。在各种塔型中，当前应用最广泛的是筛板塔和浮阀塔。浮阀塔的优点：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

7、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。 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。 二工艺设计1. 总体设计方案 1.1 操作压强的选择 精馏可以常压，加压或减压条件下进行。确定操作压力时主要是根据处理物料的性质，技术上的可行性和经济上的合理性来考虑的。对于沸点低，常压下为气态的物料必须在加压条件下进行操作。在相同条件

8、下适当提高操作压力可以提高塔的处理能力，但是增加了塔压，也提高了再沸器的温度，并且相对挥发度液会下降。对于热敏性和高沸点的物料常用减压蒸馏。降低操作压力，组分的相对挥发度增加，有利于分离。减压操作降低了平衡温度，这样可以使用较低位的加热剂。但是降低压力也导致了塔直径的增加和塔顶冷凝温度的降低，而且必须使用抽真空设备，增加了相应的设备和操作费用。一般来说，常压蒸馏最为简单经济，若物料无特殊要求，应尽量在常压下操作。对于乙醇水体系，在常压下已经是液态，且乙醇水不是热敏性材料，在常压下也可成功分离，所以选用常压精馏。因为高压或者真空操作会引起操作上的其他问题以及设备费用的增加，尤其是真空操作不仅需要

9、增加真空设备的投资和操作费用，而且由于真空下气体体积增大，需要的塔径增加，因此塔设备费用增加。因此，本设计选择常压操作条件。1.2 物料的进料热状态采用泡点进料的方式，进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中。这样一来，进料温度就不受季节、气温变化和前道工序波动的影响，塔的操作就比较容易控制。 1.3 塔釜的加热方式精馏段通常设置再沸器，采用间接蒸汽加热，以提供足够的热量。若待分离的物系为某种组分和水的混合物，往往可以采用直接蒸汽加热的方式。但当在塔顶轻组分回收率一定时，由于蒸汽冷凝水的稀释作用，可使得釜残液中的轻组分浓度降低，所需的理论塔板数略有增加，且物系在操作温度下黏

10、度不大有利于间接蒸汽加热。因此，本设计选用间接蒸汽加热的方式提供热量 1.4 回流方式选定 重力回流1.5 回流比的确定对于一定的分离任务，采用较大的回流比时，操作线的位置远离平衡线向下向对角线靠拢，在平衡线和操作线之间的直角阶梯的跨度增大,每层塔板的分离效率提高了，所以增大回流比所需的理论塔板数减少，反之理论塔板数增加。但是随着回流比的增加，塔釜加热剂的消耗量和塔顶冷凝剂的消耗量液随之增加，操作费用增加，所以操作费用和设备费用总和最小时所对应的回流比为最佳回流比。本次设计任务中，综合考虑各个因素，采用回流比为最小回流比的1.6倍。2 精馏的工艺流程图乙醇-水精馏体系冷夜进料3 精馏塔塔板数的

11、确定 3.1 物料衡算已知条件：F=230 kmol/h 所以 3.2 物系相平衡数据 1) 基本物性数据组分分子式分子量沸点熔点水18.0153373.15K273.15k乙醇46.068351.6K158.8K2）乙醇-水汽液平衡组成 汽液平衡数据（760mm Hg）乙醇摩尔分数/温度/乙醇摩尔分数/温度/液相中气相中液相中气相中0.000.0010032.7358.2681.51.9017.0095.539.6561.2280.77.2138.9189.050.7965.6479.89.6643.7586.751.9865.9979.712.3847.0485.357.3268.4179

12、.316.6150.8984.167.6373.8578.7423.3754.4582.774.7278.1578.4126.0855.8082.389.4389.4378.15根据汽液平衡表,由内插法求得()/(1.90-0)=(95.5-)/(95.5-100)塔釜温度(89.43-86)/()=(78.15-)/(78.15-78.41)塔顶温度78.211(23.37-17)/()=(82.7-)/(82.7-84.1)进料温度84.019 3） 乙醇-水各温度下的粘度(内插法求得)温度塔釜温度定性温度进料温度塔顶温度99.52688.8784.01978.211乙醇pa.s3.628

13、4.1114.3624.693水pa.s2.8523.2073.394 3.6464）乙醇-水各温度下的表面张力(内插法求得)温度塔釜温度进料温度塔顶温度99.52684.01978.211乙醇N/m0.01525 0.016770.01730水N/m0.058930.06182 0.06288 5） 乙醇-水在各温度下的密度(内插法求得)温度塔釜温度进料温度塔顶温度99.52684.01978.211乙醇716.664737.991747.968水958.73 969.19 972.876）乙醇和水在各温度下的汽化潜热（内插法求的）温度塔釜温度进料温度塔顶温度99.52684.01978.2

14、11乙醇kJ/mol36.5638.1938.78水kJ/mol40.6641.38 41.643.3 回流比确定乙醇-水摩尔分数/%温度X/100Y/100Y-XYX-XY液相X气相Y1.91795.50.0190.170.166770.0157710.5751437.2138.71890.07210.38710.359190.044198.12829519.6643.7586.70.09660.43750.3952380.0543387.27375212.3847.0485.30.12380.47040.4121640.0655646.28639916.6150.8984.10.16610

15、.50890.4243720.0815725.202437323.3754.4582.70.23370.54450.417250.106453.91967126.0855.882.30.26080.5580.4124740.1152743.578213932.7358.2681.50.32730.58260.3919150.1366152.86875539.6561.2280.70.39650.61220.3694630.1537632.40281150.7965.6479.80.50790.65640.3230140.1745141.850932551.8965.9979.70.51890.

16、65990.3174780.1764781.798966957.3268.4179.30.57320.68410.2919740.1810741.612457267.6373.8578.740.67630.73850.2390520.1768521.351705674.7278.1578.410.74720.78150.1975630.1632631.210090289.4389.4378.150.89430.89430.0945280.0945281q=1，所以q线方程为 平衡线方程为联立q线方程与平衡线方程得： 3.4 逐板法计算理论塔板数精馏段： 精馏段操作线方程为:提馏段：提馏段方程：

17、平衡线方程为：由上而下逐板计算，自X0=0.86开始到Xi首次超过X=0.17时止 操作线上的点 平衡线上的点 1 （X0=0.86,Y1=0.86） (X1=0.66906,Y1=0.86) 2 （X1=0.66906,Y2=0.7105） （X2=04469 ,Y2=0.7105） 3 （X2=0.4469,Y3=0.5370） （X3=0.2763,Y3=0.5370） 4 （X3=0.2763,Y4=0.4038） （X4=0.1823,Y4=0.4038）5 （X4=0.1823,Y5=0.3303） （X5=0.1397,Y5=0.3303）因为X5 时首次出现 Xi Xq 故第5

18、块理论版为加料版，精馏段共有5块理论板。提馏段理论板数提馏段操作线方程：y=1.900x-0.0018已知X5=0.1397, 由上而下计算，直到Xi 首次越过Xw=0.002时为止。操作线上的点 平衡线上的点6（X5=0.1397,Y6=0.2636） （X6=0.1054,Y6=0.2636）7（X6=0.1054,Y7=0.1984） （X7=0.0753,Y7=0.1984）8（X7=0.0753,Y8=0.1413） （X8=0.05139,Y8=0.1413）9（X8=0.05139,Y9=0.09585） （X9=0.03371,Y9=0.09585）10（X9=0.03371,

19、Y10=0.06226） （X10=0.06226,Y10=0.02138）11（X10=0.02138,Y11=0.03883） （X11=0.01312,Y11=0.03883）12（X11=0.01312,Y12=0.02313） （X12=0.007732,Y12=0.02313）13（X12=0.007732,Y13=0.01289） （X13=0.004280,Y13=0.01289）14（X13=0.004280,Y14=0.006332） （X14=0.002093,Y14=0.006332）15（X14=0.002093,Y15=0.002176） （X15=0.000717

20、3,Y15=0.002176）由于到X15首次出现Xi 6 mm 故降液管底隙高度设计合理。 .3 安定区与边缘区的确定 1) 入口安定区 塔板上液流的上游部位有狭长的不开孔区，叫入口安定区，其宽度为。此区域不开孔是为了防止因这部位液层较厚而造成倾向性液封，同时也防止气泡窜入降液管。一般取=（50100）mm,精馏段取=70mm。2） 出口安定区 在塔板上液流的下游靠近溢流堰部位也有狭长的不开孔区，叫出口安定区，其宽度与入口安定区相同，亦为。这部分不开孔是为了减小因流进降液管的液体中含气泡太多而增加液相在降液管内排气的困难。精馏段取=70mm。3） 边缘固定区 在塔板边缘有宽度为WC的区域不开

21、孔，这部分用于塔板固定。一般=（2550）mm。精馏段取=40mm。 .4 鼓泡区阀孔数的确定及排列塔径D/mm800-12001400-16001800-20002200-2400塔板分块数 3 4 5 6D精=1200mm 所以查表得：塔板分块数（精馏）=3工艺要求：孔径取阀孔动能因子 =10孔速浮阀孔数 取无效区宽度 =0.04m 安定区宽度 =0.07m 弓形降液管宽度 开孔区面积 =0.7294m2其中 R=0.56x=0.35m浮阀排列方式采用等腰三角形叉排图如下：经过精确绘图，得知，当t=65mm,t=75mm时，阀孔数N实际=117个按N=118重新核算孔速及阀孔动能因数：孔速

22、u0= VS/（ 1/4 d2 N）=10.46 m/sF0=uo(V,M) 0.5=11.63阀孔动能因数变化不大，仍在912范围内。 .5 开孔率的计算 开孔率 (5%14%,符合要求)故：t=85mm 阀孔数N实际=117个则每层板上的开孔面积AO =A a = 0.729412.46 %=0.09089m2 塔盘流体力学验算 a.塔板压降校核.1干板压强降浮阀由部分全开转为全部全开时的临界速度为U0,cU0,c=（73.1/V,M）（1/1.825）=9.2m/s液层阻力 取0.45 液体表面张力数值很小，设计时可以忽略不计气体通过每层塔板的压降P为.2 降液管停留时间a. 液体在降液

23、管内停留时间故降液管设计合理b. 液泛的校核为了防止塔内发生液泛，降液管高度应大于管内泡沫层高度。即：Hd（HT+hW）Hd=hw+how+hd+hp+hd=0.2(LS/(lwho)2 乙醇-水属于一般物系，取0.4对于浮阀塔0Hd=hw+how+hd+hp+=0.055+0.2(0.001636/(0.840.022)2+0.06085=0.1174m（HT+hW）=0.4(0.4+0.04428)=0.1777m因0.1174m0.1777m， 故本设计中不会出现液泛 .3 雾沫夹带综合考虑生产能力和塔板效率，一般应使雾沫夹带量eV限制在10%以下，校核方法常为：控制泛点百分率F1的数值

24、。所谓泛点率指设计负荷与泛点负荷之比的百分数。其经验值为大塔F180%-82%CF泛点负荷因素由 查表得 K=1.0Ab=AT-2Af=1.13097-20.1018=0.9274 故本设计中的雾沫夹带量在允许范围之内。对于大塔，为避免过量雾沫夹带，应控制泛点率不超过80%。计算出的泛点率在80%以下，故可知雾沫夹带量能够满足ev0.1kg液/kg(干气)的要求。e. 漏液验算0.697m3/s34.2 提馏段塔径塔板的设计计算 提馏段塔径塔板的设计计算(1) 提馏段塔塔径塔板的设计参数(2) 塔板参数计算和选择.1 操作压力塔顶压强，p0.64kPa 取每层踏板压强p=0.64kPa，则进料

25、板的压力为： kPa塔底压力为： kPa，故提馏段平均操作压力为：p提 kPa4.2.1.2温度塔顶温度=78.211 进料温度=84.019 塔釜温度=99.526提馏段的平均温度：塔平均温度为：4.2.1.3摩尔质量计算1）提馏塔的汽、液相负荷:L=L+Fq=160.56+2301=390.56kmol/hV=V-（1-q）F=205.56kmol/h2）加料板平均分子量：XF=0.17 , yF=0.3836MVFM=0.383646.068+(1-0.3836)18.0153=28.776g/molMLFM=0.1746.068+(1-0.17)18.0153=22.784g/mol3

26、）塔底平均分子量：xw=0.002, yw=0.00605MVWM=0.0060546.068+(1-0.00605)18.0153=18.185g/molMLWM=0.00246.068+(1-0.002)18.0153=18.071g/mol提馏段平均摩尔质量：MVm=(MVDm+MVFm)/2=(28.776+18.185)/2=23.48g/molMLm=(MLDm+MLFm)/2 =(22.784+18.071)/2=20.43g/mol4.2.1.4平均密度1）气相密度3） 液相密度乙醇-水在各温度下的密度(内插法求得)温度塔釜温度进料温度塔顶温度99.52684.01978.21

27、11乙醇716.664737.991747.968水958.73 969.19 972.87xF=0.17XD=0.86XW=0.002.5液体表面张力 乙醇-水各温度下的表面张力(内插法求得)温度塔釜温度进料温度塔顶温度99.52684.01978.211乙醇N/m0.01525 0.016770.01730水N/m0.058930.06182 0.06288TF=84.019 99.526 提馏段液相平均表面张力：4.2.1.6液体的粘度 乙醇-水各温度下的粘度(内插法求得)温度塔釜温度定性温度进料温度塔顶温度99.52688.8784.01978.211乙醇pa.s3.6284.1114

28、.3624.693水pa.s2.8523.2073.394 3.6461) tF=84.019 0.4362mpa.s 0.3394mpa.s 2) tw=99.5260.3628mpa.s 0.2852mpa.s提馏段液相平均粘度：4.1.1.7液负荷计算. 塔径塔板工艺尺寸的确定 .1塔径的计算欲求塔径应先求出u，而u安全系数umax 式中： 功能参数：取塔板间距，板上液层高度，那么分离空间:从史密斯关联图查得：取安全系数=0.7则所以圆整取m塔截面积： m2空塔气速：4.2.2.2 溢流装置的确定 选用单溢流、弓形降液管、平行受液盘及平行溢流堰，不设进口堰。单溢流又称直径流，液体自液盘横

29、向流过塔板至溢流堰，流体流径较大，塔板效率高，塔板结构简单，加工方便，直径小于2.2m的塔中广泛使用。工业中应用最广的降液管是弓形降液管。2) 溢流堰长根据塔径=1.1m溢流堰长 2)出口堰高选用平直堰，堰上液层高度3）弓形降液管宽度和面积查图知 停留时间 故降液管尺寸可用。4) 降液管底隙高度降液管底隙高度是指降液管下端与塔板间的距离，以h0表示。降液管底隙高度应低于出口堰高度hw，(hw-ho)不应低于6mm才能保证降液管底端有良好的液封. 工程上ho一般取20-25mm。本次设计中取22mm。hw-ho=46- 22 =24 mm 6 mm 故降液管底隙高度设计合理。4.2.2.3 安定

30、区与边缘区的确定 1) 入口安定区 塔板上液流的上游部位有狭长的不开孔区，叫入口安定区，其宽度为。此区域不开孔是为了防止因这部位液层较厚而造成倾向性液封，同时也防止气泡窜入降液管。一般取=（50100）mm提镏段取=70mm。2） 出口安定区 在塔板上液流的下游靠近溢流堰部位也有狭长的不开孔区，叫出口安定区，其宽度与入口安定区相同，亦为。这部分不开孔是为了减小因流进降液管的液体中含气泡太多而增加液相在降液管内排气的困难。提镏段取=70mm。3） 边缘固定区 在塔板边缘有宽度为WC的区域不开孔，这部分用于塔板固定。一般=（2550）mm。提镏段取=40mm。 .4 鼓泡区阀孔数的确定及排列塔径D/mm800-12001400-16001800-20002200-2400塔板分块数 3 4 5 6D提=1100mm所以查表得： =塔板分块数（提馏）=3工艺要求：孔径取阀孔动能因子 孔速浮阀