乙醇-水精馏塔课程设计浮阀塔

1、文档来源为:从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持.目录设计任务书 4第一章前言5第二章精储塔过程的确定6第三章精储塔设计物料计算73.1 水和乙醇有关物性数据 73.2 塔的物料衡算 83.3 塔板数的确定8NT 8NT 93.4 塔的工艺条件及物性数据计算1112Pm12tmM精121313L， m1414第四章精储塔设计工艺计算 154.1 塔径 154.2 精微塔的有效高度计算164.3 溢流装置16lW 16hW 16WdAf 16ho171文档来源为:从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持.4.4 塔板布置及浮阀数目排列 174.5 塔板流体力学校核 181

2、8184.6 雾沫夹带184.7 塔板负荷性能图1919202020214.8 塔板负荷性能图22设计计算结果总表23符号说明 24关键词25参考文献 25课程设计心得26附录27附录一、水在不同温度下的黏度27附录二、饱和水蒸气表27附录三、乙醇在不同温度下的密度 27精储塔设计任务书一、设计题目乙醇一水溶液连续精储塔设计二、设计条件(1)处理量：60000 (吨/年)(2)料液浓度：30 (wt%)(3)产品浓度：925 (wt%)(4)易挥发组分：99.9%(5)每年实际生产时间：7200小时/年(6)操作条件：精馏塔塔顶压力常压自选 自选 低压蒸汽进料热状态 回流比 加热蒸汽压力单板压

3、降不大于 0.7kPa乙醇 -水平衡数据自查（ 7）设备类型为浮阀塔三、设计任务1、精馏塔的物料衡算2、塔板数的确定3、精馏塔的工艺条件及有关数据的计算4、精馏塔的塔体工艺尺寸计算5、塔板主要工艺尺寸的计算6、塔板的流体力学验算7、塔板负荷性能图（可以不画）8、精馏塔接管尺寸计算9、绘制工艺流程图10、对设计过程的评述和有关问题的讨论乙醇水溶液连续精馏塔优化设计第一章前 言乙醇在工业、医药、民用等方面，都有很广泛的应用，是很重要的一种原料。在很多方面，要求乙醇有不同的纯度，有时要求纯度很高，甚至是无水乙醇，这是很有困难的，因为乙醇极具挥发性，也极具溶解性，所以，想要得到高纯度的乙醇很困难。要想

4、把低纯度的乙醇水溶液提升到高纯度，要用连续精馏的方法，因为乙醇和水的挥发度相差不大。精馏是多数分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程，因此可使混合液得到几乎完全的分离。化工厂中精馏操作是在直立圆形的精馏塔内进行的，塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填料。为实现精馏分离操作，除精馏塔外，还必须从塔底引入上升蒸汽流和从塔顶引入下降液。可知， 单有精馏塔还不能完成精馏操作，还必须有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还要配原料液预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。浮阀塔与20 世纪 50 年代初期在工业上开始推广使用，由于它兼有泡罩塔和筛板塔的优点，已成为国内应用最广泛的塔型，特别是在石

5、油、化学工业中使用最普遍。 浮阀有很多种形式，但最常用的形式是F1 型和 V-4 型。 F1 型浮阀的结果简单、制造方便、节省材料、性能良好，广泛应用在化工及炼油生产中，现已列入部颁标准 (JB168-68)内,F1型浮阀又分轻阀和重阀两种，但一般情况下都采用重阀，只有处理量大且要求压强降很低的系统中，才用轻阀。浮阀塔具有下列优点：1、生产能力大。2、操作弹性大。3、塔板效率高。4、气体压强降及液面落差较小。5、塔的造 价低。浮阀塔不宜处理易结焦或黏度大的系统， 但对于黏度稍大及有一般聚合现象的 系统，浮阀塔也能正常操作。第二章精微流程的确定乙醇一一水溶液经预热至泡点后，用泵送入精储塔。塔顶上

6、升蒸气采 用全冷凝后，部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜采用 间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。其中工艺流程图见图。其中 精储塔选用F1型重阀浮阀塔。图2-1乙醇-水精储塔工艺流程简图第三章精储塔设计物料计算在常压连续浮阀精储塔中精储乙醇一一水溶液，要求料液浓度为30%,产品浓度为92.5%,易挥发组分回收率99.9%。年生产能力20000吨/年操作条件：间接蒸汽加热塔顶压强：4atm (绝对压强)进料热状况：泡点进料3.1查阅文献，整理有关物性数据水和乙醇的物理性质对密度点比热容黏度热表面分子20 C101.33kPa(20 C)(20 C系数张力质量CKg/

7、(kg. C) mPa.s(20 C) /(m.C)(20 C) N/m水18.029981004.1831.0050.59972.8乙醇46.0778978.32.391.150.17222.8常压下乙醇和水的气液平衡数据，见表吊压卜乙醇一水系统txy数据如表3 1所小。-y数据表3-1乙醇一水系统tx沸点t/c乙醇摩尔数/%沸点t/c乙醇摩尔数/%气相液相气相液相99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.90

8、79.8552.6866.2899.00.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.715文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持.97.650.798.7678.9568.9274.6995.81.6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.9183.7517.4151.6778.285.9786.4082.325.7555.7478.1589.4189.413.

9、2塔的物料衡算30/4630/46 70/18MF=0.144 46 (1 0.144) 18 22.03 kg/kmolMd 0.828 46 (1 0.828) 18 41.18 kg/kmolM w = 0.00039 46 (1 0.00039)18 18.01 kg/kmol总物料衡算D' W' 20000000/ 7200易挥发组分的物料衡算0.925D' 0.001W' 0.3 20000000/7200联立以上二式得3.3塔板数的确定(1)根据乙醇一水气液平衡表(2)求取最小回流比RU和操作回流比R因为乙醇一水不是理想体系，当操作线与 q线的交点

10、尚未落到平衡线上之前， 操作线已经于平衡线相切，如图2-2点g所示，止匕时恒浓区出现在g点附近，对应回 流比为最小回流比。由点(Xd, Xd)向平衡线做切线，切线斜率为Rmin 。0.144XFXd92.5/4692.5/46 7.5/180.828Xw0.1/460.1/46 99.9/180.00039Rmin 17图3-2Rnin=1.58 ,由工艺条件决定 R=1.6Rin故取 R=2.258由于采用泡点进料，所以q=1回收率乙醇的回收率为：水的回收率为：精储段操作线方程为y 0.717x 0.235提储段操作线方程为y' L-x' -W-Xw 2.354x'

11、0.000528L' W L' W采用直角梯级法求理论板层数，如图3-3所示，在塔底或包沸点附近作图时需要 将图局部放大，如图3-4和3-5。图3-3图3-4图3-5图3-6求解结果为：总理论板数 NT=15.7精储段理论板数为12层提储段理论板数为3.7层实际塔板数的确定全塔效率ET0.17 0.6161g根据塔顶、塔底液相组成查图3-6,求得塔平均温度为89.18 C,该温度下的进料液相平均粘度为:0.144m乙醇（1 0.144）实际塔板数精储段塔板数:提储段塔板数:12一 26.09 27Et3.78.04 9Et总塔板数为36层3.4塔的工艺条件及物性数据计算以精储段

12、为例进行计算:塔顶压强p 进料板压强D 4 101.3105.3kPa,取每层塔板压降 P 0.7kPapF 105.327 0.7 124.2kPa精微段平均操作压强105.3 124.2 114.75kPa2根据操作压强，依据安托因方程及泡点方程试差计算得：塔顶tD 78.27C ,进料板 则精微段平均温度 求平均相对挥发度塔顶、进料板、塔底操作温度下纯组分的饱和蒸汽压表3-20PA 101.33塔顶PA 2.24Pb45.27进料板128.9658.682.20塔底223.05101.332.20全塔平均相对挥发度为相平衡方程2.22x1 1.22x(1)塔顶XD Vi 0.828Xd

13、0.684(2)进料板yF 0.402xF 0.233文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持.精微段的平均摩尔质量Mv精41.18 29.26 35.22kg/kmol2(1)液相密度IL，11塔顶:L, M0.9257890.075972.5l,m 800.3kg/m3进料板上由进料板液相组成XA0.2333lf m 863.4 kg/m3故精储段平均液相密度L, M精800.3 863.4831.85kg/m1 * 3(2)气相密度v,mV, M精LsVs114.75 35.22RT 8.314 (273 81.47)LMl精3600 Li55.19 28.14360

14、0 831.851.37 kg/m33 .0.00052m/sVMv精3600 V,m 精第四章77.02 35.223600 1.370.55 m3/s塔和塔板主要工艺尺寸计算4.1塔径0.2气体负荷系数C C20 ,由图4-1史密斯关联图，查得C20,图中的横坐标0.02初取板间距离HT 0.45m,取板上液层高度hL 0.07m故 Ht hL 0.38m0.29 53 0.2查图 4-1 可得0.075,故 C C20 0.0750 9530.065202020可取安全系数0.7,则取标准塔径圆整为0.8m塔截面积为AT d D2 - 0.82 0.503m244实际空塔气速为4.2 精

15、微塔的有效高度计算精储段有效高度为提储段有效高度为在进料板上设一个人孔，高为 0.6m,提储段设三个人 孔，高为0.6m故精储段有效高度为11.7+3.6+0.8 4=19.1m4.3 溢流装置采用单溢流、弓形降液管、平行受液盘及平行溢 流堰，不设进口堰取堰长由JW 06 0.75图弓形降滞管宽度和面而Ls2.5l w3600 0.00052250.66.71m,查图4-1知E为1.02,根据下式计算D 0.8故 hw 0.07 0.0062 0.06938m由 lW 06 0.75查图 4-2 得W 0.17,Af 0.8D 0.8D AT,22故 Wd 0.17D 0.136m Af 0.

16、08- D0.04m2液体在降液管中停留时间Af HT 0.04 0.45八 r 34.6s （ 5s符合要求）Ls 0.00052取液体通过降液管底隙的流速为 0.08m/s则hoLs 0.00052J 0.011m0.6 0.08lw uohw ho 0.06938 0.011 0.05838m ( 0.006m) 符合要求。4.4 塔板布置及浮阀数目排列取阀孔动能因子Fo 9Fo 97.69m/suo1.37V V , m浮阀数 n VS055 60(个)22Zduo 40.039 7.69取无效区宽度 wC=0.06m安定区宽度WS=0.07m开孔去面积 Aa 2 x r2 x2 18

17、0R2sint故22210.1942Aa 2 0.194 0.34 0.1940.34 sin0.248m1800.34浮阀排列方式采用等腰三角形叉排取同一横排的孔心距a 75mm 0.075m估算排间距h A 0.2480.06mn a 60 0.075阀孔数变化不大，仍在912之间。1 093塔板开孔率=一 -093 100% 12.14%09.004.5塔板流体力学校核由下式22(1)干板阻力he 5.34 vUo 5.34 I" 7.690.027m液柱hc2 Lg2 831.85 9.81(2)液层阻力xo取充气系数o 0.5,有(3)液体表面张力所造成的阻力 Xo此项可以

18、忽略不计。故气体流经一层浮阀塔塔板的压力降的液柱高度为：常板压降pp hp Lg 0.062 831.85 9.81 505.95Pa (<0.7KPa,符合设计要求)为了防止淹塔现象发生，要求控制降液管中清液层高度符合下式其中 Hd hp hL hd已知hp 0.062m ,按下式计算文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持.板上层液 hL 0.07m ,得 hd 0.062 0.07 0.0009 0.1329m取 0.5,板间距 ht 0.45m, hw 0.06938m,则有由此可见：h d Ht hw ,符合要求。4.6 雾沫夹带板上液体流经长度板上液流面积

19、水和乙醇可按正常系统取物性系数K 1.0,又由图4-3查的泛点负荷系数VsjV1.36LsZlCf 0.086,所以：Fi -i-L一V 100%KCFAb由两种方法计算出的泛点率都在80%以下，故可知雾沫夹带量能满足 0 0.1kg液/kg汽的要求。4.7 塔板负荷性能图按式Vs,；V1.36LsZlF1' LV 100%作出。对于一定物性及一定的塔结构，式中KCfAV、l、Ab、K、Cf、及Zl均为已知值，相应于 e 0.1的泛点率上限值亦可确定，将各已知数代入上式，便得出Vs Ls,可作出负荷性能图中的雾沫夹带线。Vs ：V1.36LsZl按泛点率=80对算F1 LV 100%

20、80%KCfA将上式整理得 0.04vs 0.71808ls 0.0291024 ys 0.72756 17.9521$ （1）在操作范围内，任取几个 Ls值，依（1）式算出相应的Vs列于表4-4中。 依表中数据在Vs- Ls图中作出雾沫夹带线（i），如图所示。Ls(m3/s)0.0030.00350.0040.0045F建W1)11-产VS(m3/s)0.67370.66470.65580.6468 图 4-4 雾沫夹带线数据由 HT hwhp hL hd hc h1 hhL hd确定液泛线。忽略h项，2/32.84 lh1000 匚L、0及等均为定值,22所以 HT hW5.34 v 00

21、.153 -L + 10 hw2 Lglwhg因物系一定，塔板结构尺寸一定，则 Ht、hw、h0、V、而0与Vs又有如下关系，即式中阀孔数与孔径d。亦为定值。因此，可将上式简化得在造作范围内任取若干个 Ls值，依上式都可算出一个相应的 Vs值列于附表 4-5中。依表中数据作出液泛线(2)。数据取液 停留时间Ls(m3/s)0.0020.0030.0040.0045图 4-5 液泛线Vs(m3/s)0.7390.7270.710.699体在降液管中 5sAf H t 0.04 0.453/则 Ls，max0.0036 m/s5对于F1型重阀，由F 0 U0,； v 5,计算得W J v232.8

22、4 e Ls,min 1000.l w则Vs,min0.785 0.0392 601537 0.306而去堰上液层高度how 0.0062m,根据how计算式how取E为1.02I s,min| w36003how 1000 1 _0A2.84 E 360020.0062 1000 32.84 1.020.00025m3/s4.8塔板负荷性能图图4-4由塔板负荷性能图可以看出(1)在任务规定的气液负荷下的操作点P (0.00052,0.55 )处在适宜操作区内(2)塔板的气相负荷上限完全有雾沫夹带控制，操作下限由漏液控制(3)按照固定气液比，即气相上限Vsmax 0.72 m/s ,气相下限0

23、.720.3062.35Vsmin 0.306 m3/s ，则操作弹性 s,m iin设计计算结果总表项目符号数值单位备注平均压强Pm114.75kPa平均温度tm81.74C气相VS0.55m3/s平均流量故相Ls0.00052m3/s实际塔板数N36块板间距HT0.45m塔径D0.8m空塔气速u1.093m/s塔板液流形式单溢流分块式塔板溢流管型式弓形降液 管堰长l w0.6m溢流装置堰图hw0.06938m溢流堰宽度W0.136m管底与受液ho0.011m盘距离板上清液层局度hi0.07m孔径do39mm孔间距t75mm浮阀数n60个等腰二龟形 叉排开孔回积0.248m孔速Uo7.69m

24、/s塔板压降hp505.95Pa液体在降液管中停留时间t34.6s降液营内清液层图度Hd0.1329m气相最大负荷max0.72m3/s雾沫夹带控 制气相最小负荷min0.306m3/s漏液控制操作弹性2.35开孔率12.14%泛点率62.43%符号说明15文档来源为:从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持.19F原料液流星kmol/hD塔顶产品流量kmol/hW塔底产品流量kmol/hP v混合气体密度kg/m3P s混合液体密度kg/m3黏度Pasa相对挥发度(T表面张力N/m2Nr理论塔板数Nt实际塔板数Er全塔效率C负荷系数Af降液管截面积2 mAb板上液卸积2 mG泛点负

25、荷系数1Ar塔截面积2 mD塔径m与干板压降相当hcm的液柱高度Fo阀孔动能因子hp降液管压降mhL板上液层局度ml w堰长mt孔心距mhow堰上液层局度mu空塔气速m/sN浮阀总数个W无效区宽度mW安定区宽度mW弓形降液管宽度mZl板上液流长度mT降液管中停留时间s连连储残键词keywords续精储 continuous distillation续精储塔 continuous distillationcolumn出 液distillate液 residue储rectification精储段 rectification section 提储段 stripping section 理论板 the

26、oretical stage 实际板 actual stage 操作线 operating line塔板效率plate efficiency总塔效率column efficiency溢流装置overflow device参考文献1 陈英男、 刘玉兰 . 常用华工单元设备的设计M. 上海： 华东理工大学出版社，2005、42 刘雪暖、汤景凝. 化工原理课程设计M. 山东：石油大学出版社，2001、 53 贾绍义、柴诚敬. 化工原理课程设计M. 天津：天津大学出版社，2002、 84 路秀林、王者相. 塔设备 M. 北京：化学工业出版社，2004、 15 王明辉 . 化工单元过程课程设计M. 北京

27、：化学工业出版社，2002、 66 夏清、陈常贵. 化工原理（上册）M. 天津：天津大学出版社，2005、 17 夏清、陈常贵. 化工原理（下册）M. 天津：天津大学出版社，2005、 18 化学工程手册编辑委员会. 化学工程手册气液传质设备M 。北京：化学工业出版社，1989、 79 刘光启、马连湘. 化学化工物性参数手册M. 北京：化学工业出版社，200210 贺匡国 . 化工容器及设备简明设计手册M. 北京：化学工业出版社，2002课程设计心得通过这次课程设计使我充分理解到化工原理课程的重要性和实用性，更特别是对精馏原理及其操作各方面的了解和设计，对实际单元操作设计中所涉及的个方面要注意问题都有所了解。通过这次对精馏塔的设计，不仅让我将所学的知识应用到实际中，而且对知识也是一种巩固和提升充实。虽然很累很辛苦，期间也有许多的困难和障碍，在老师和同学的帮助下，问题得到了解决及时的按要求完成了设计任务，通过这次课程设计， 使我获得了很多重要的知识，同时也提高了自己的实际动手和知