浮阀塔精馏塔

1、化工原理精馏塔设计 学 院： 机 械 工 程 学 院 专 业： 过程装备与控制工程 班 级： 14级03班 学 号： 201402070317 学生姓名： 夏 轲 任课老师： 马 艺 提交日期： 2017年 5 月 16 日 目 录1、 设计方案的拟定 1.1 设计题目 1.2设计内容 1.3设计成果二、精馏塔工艺的设计及计算 2.1塔的物料衡算 2.2塔板数的确定 2.3塔的平均温度 2.4密度 2.5混合物的粘度 2.6相对挥发度 2.7气液相体积流量计算 2.8混合溶液表面张力 2.9全塔效率及实际塔板数三、工艺计算及主体设备的设计 3.1塔径的初步设计 3.2溢流装置 3.2.1堰长

2、3.2.2弓形降液管的宽度和横截面 3.2.3降液管底隙高度h 3.3塔板布置及浮阀数目与排列 3.3.1塔板分布 3.3.2浮阀数目与排列 3.4塔板的流体力学计算 3.4.1相通过浮阀塔板的压降 3.5液泛 3.6物沫夹带 3.7塔板负载性能图 3.7.1物沫夹带图 3.7.2液泛线 3.7.3液相负荷上限 3.7.4漏液线 3.7.5液相负荷下限性四、塔的附属设备选型及校核 4.1接管 4.1.1进料管 4.1.2回流管 4.1.3塔釜出料管 4.1.4塔顶蒸汽出料管 4.1.5塔釜进气管 4.1.6法兰 4.2筒体和封头 4.2.1筒体 4.2.2封头 4.3除沫器 4.4裙座 4.5

3、人孔4.6 塔总体高度的计算 4.6.1塔的顶部空间高度 4.6.2塔的底部空间高度 4.6.3塔立体高度五、塔的各项指标校检 5.1风载荷 5.2风弯矩 5.3离心泵的选型 5.4塔体的强度和稳定性校核 5.5质量载荷 5.6塔底抗压强校核 5.7裙座的强度及稳定性校核 5.8焊缝强度 5.9水压试验时塔的强度和稳定性验算6、 总结7、 主要参考文献项目设计计算结果一、设计方案的拟定1.1 设计题目1.2设计内容1.3设计成果二、精馏塔工艺的设计及计算2.1塔的物料衡算2.2塔板数的确 定2.3塔的平均温度2.4密度2.5混合物的粘度2.6相对挥发度2.7气液相体积流量计算2.8混合溶液表面

4、张力2.9全塔效率及实际塔板数2、 工艺计算及主体设备的设计3.1塔径的初步设计3.2溢流装置3.2.1堰长 3.2.2弓形降液管的宽度和横截面3.2.3降液管底隙高度h3.3塔板布置及浮阀数目与排列3.3.1塔板分布3.3.2浮阀数目与排列3.4塔板的流体力学计算3.4.1相通过浮阀塔板的压降3.5液泛3.6物沫夹带3.7塔板负载性能图3.7.1物沫夹带图3.7.2液泛线3.7.3液相负荷上限3.7.4漏液线3.7.5液相负荷下限性3、 塔的附属设备选型及校核4.1接管4.1.1进料管4.1.2回流管4.1.3塔釜出料管4.1.4塔顶蒸汽出料管4.1.5塔釜进气管4.1.6法兰4.2筒体和封

5、头4.2.1筒体4.2.2封头4.3除沫器4.4裙座4.5人孔4.6 塔总体高度的计算4.6.1塔的顶部空间高度4.6.2塔的底部空间高度4.6.3塔立体高度五、塔的各项指标校检5.1风载荷5.2风弯矩5.3离心泵的选型5.4塔体的强度和稳定性校核5.5质量载荷5.6塔底抗压强校核5.7裙座的强度及稳定性校核5.8焊缝强度5.9水压试验时塔的强度和稳定性验算6、 总结七、主要参考文献 酒精回收利用精馏塔的设计（1） 回收处理料量12000kg/h；（2） 酒精进料10%（V/V）；（3） 成品酒精浓度75%（V/V）；（4） 酒精采用蒸汽加热连续常压精馏回收工艺，塔内件采用板式结构（1） 合理

6、的参数选择和结构设计（2） 工艺计算和压降计算（3） 从JB/T4710的要求，进行塔器结构的设计与强度校核（1） 设计说明书一份（2） 设计图纸包括：塔器的设备总图、零件图若干张1、 料液及塔顶、塔底产品含乙醇摩尔分数 F为原料液流量（kmol/s） D为塔顶产品流量（kmol/s） W为塔底残液流量（kmol/s） 为原料组成（摩尔分数） 为塔顶组成（摩尔分数） 为塔底组成（摩尔分数） 塔底乙醇含量不高于0.2% 将酒精体积比转化成质量比，自取酒精密度789，水密度1000。 进料管乙醇含量 出料管乙醇含量 2、物料衡算 进料量： 物料衡算式： 联立代入求解： 常压下乙醇-水气液平衡组成摩

7、尔与温度的关系点。温度/液相气相1000095.51.9017.0089.07.2138.9186.79.6643.7583.312.3847.0480.116.6450.8982.723.3754.4582.326.0855.8081.532.7359.2680.739.6561.2279.850.7965.6479.751.9265.9979.357.3264.4178.767.6373.8578.4174.7278.1578.1581.4389.4(1) 根据乙醇、水的平衡数据做x-y 图 根据1.01325×pa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

8、进料，所以q=1.即q为一条直线，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，=0.0332，=0.242，所以=1.145，操作回流比R=1.7175. 已知：精馏段操作线方程为： = 提馏段操作线方程为： 在图上做操作线，由此得到理论板=9（包括再沸器），加料板在3块理论板。 利用表中数据由拉格朗日值求得、 精馏段平均温度： 提馏段平均温度： 已知混合液密度：(a为质量分数，为平均相对分子质量) 混合气密度：（1） 精馏段： 液相组成 气相组成 故（2） 提馏段： 液相组成 气相组成 故 各温度下乙醇和水的密度表温度/乙醇密度/水的密度/80735971.885730968

9、.690724965.395720961.85100716958.4 求得 和下的乙醇和水的密度：内差法 =86.905 同理：=96.805，=718.6，=960.6Kg/ 精馏段： 提馏段： =86.905，查表得，=0.3281=0.413 =96.805，查表得，=0.2939=0.366精馏段粘度：=0.336提馏段粘度： =0.295（1）精馏段挥发度：由 得 （2）提馏段挥发度：由得 本设计为饱和液体进料，故q=1 取R=1.5=1.7175 （1）精馏段：L=RD=1.71750.012=0.02061kmol/sV=(R+1)D=(1.7175+1)0.012=0.0326

10、1kmol/s 已知：=20.66kg/kmol =30.13kg/kmol =903.97kg/ =1.02kg/质量流量:=20.660.02061=0.426 =30.130.03261=0.983体积流量: （2）提馏段：饱和液体进料,q=1 已知： 质量流量： 体积流量： 二元有机物水的溶液表面张力可用以下公式计算： 其中： 式中下脚标w，o，s分别代表水，有机物及表面部分，指主体部分的分子数，指主体部分的摩尔体积；，指纯水及有机物的表面张力。对乙醇，q=2.（1） 精馏段：=86.905 不同温度下乙醇和水的表面张力温度/°C708090100乙醇表面张力/mN/1817

11、.1516.215.2水表面张力/mN/64.862.660.758.8乙醇表面张力：水表面张力：=lg 3.4=0.531=-0.901=0.531-0.901=-0.37联立方程得： （2） 提馏段：=96.805乙醇表面张力：水表面张力：=1.34-0.704=0.636联立方程得： 理论塔板数的计算，可采用逐板计算法，图解法，在本次设计中采用图解法。根据1.01325×pa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为一条直线，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，=0.0332，=0.242，所以=1.145，

12、操作回流比R=1.7175. 已知：精馏段操作线方程为：= 提馏段操作线方程为：在图上做操作线，由此得到理论板=9（包括再沸器），加料板在3块理论板。（1） 精馏段： 故精馏板为6块。（2） 提馏段： 故提馏板为19块。 全塔所需实际塔板数；=19+6=25 块 全塔效率： （1）精馏塔： 由，安全系数=0.60.8，式中 查化工原理课程设计图5-1史密斯关联图得：横坐标数值： 根据常用的塔板间距，粗选板间距，对于常压板，板上液高度取0.05m-0.08m,取=0.05m则查图可知 取安全系数为0.7，则 塔截面面积为 实际空塔气速为（2） 提馏段： 按坐标数值 取板间距，则 查图可知 取安全

13、系数为0.7，则 塔截面面积为 实际空塔气速为 因为直径相差不大，取=1.0m因塔径=1.0m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘 取=0.65D=0.65×1.2=0.78m 出口堰高，本设计采用平直堰，堰上液高度；近似取E=1（1） 精馏段： =0.0448m (2) 提馏段： 查化工原理课程设计图5-7弓形降液管的参数可知： 则 验证降液管内停留时间： 精馏段： 提馏段： 故降液管可用(1) 精馏段： 取降液管底隙流速 m/s，则： （2） 提馏段： 取m/s,则 本设计塔径D=1.0m，采用分块式塔板，以便通过人孔装拆塔板。 （1）精馏段 取阀孔动能因子 ，则孔速 每层塔

14、板上浮阀数目为块（采用下型浮阀）通口直径 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： 其中 浮阀排列方式采用等腰三角叉排，取同一个横排的孔心距，取同一个横排的孔距： 则排间距： 塔板开孔率： （2）提馏段： 取阀孔动能因子 ，则孔速 每层塔板上浮阀数目为块（采用下型浮阀） 则排间距： 塔板开孔率： 可根据计算（1） 精馏段： 干板阻力计算 因 气体通过液层的阻力计算 取 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气体通过每层塔板的压降为：（2） 提馏段 干板阻力计算 因 气体通过液层的阻力计算 取 表面张力所造成的阻力 此阻力很小，可

15、忽略不计，因此与气体流经塔板的压降相当的高度为 气体通过每层塔板的压降为： 为了防止发生液泛现象，要求控制降液管中清液高度：即（1） 精馏段： 单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度 液体通过降液管的塔头损失 板上液层高度0.05m.则取=0.5，已选定 m,则=0.5×（0.45+0.0452）=0.2476m 所以符合防液泛的要求。（2） 提馏段：单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度 液体通过降液管的塔头损失 板上液层高度0.05m.则取=0.5，已选定 m,则=0.5×（0.45+0.0308）=0.2404m 所以符合防液泛的要求。（1） 提馏段： 泛点率= 泛点率=

16、板上流体流经长度：板上流经面积：查物料系数K=1.0，泛点负荷性能系数图。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%，由以上可知，物沫夹带能够满足的需求。（2） 提馏段取物料系数K=1.0，泛点负荷性能系数图泛点率=泛点率=由计算知，符合要求。 泛点率=据此可作业负荷性能图中的物沫夹带线，按泛点泛80%计算。（1） 精馏段 得：由上式知物沫夹带线为直线，则在操作范围内作取两个值，算出。2提馏段：得：精馏段0.0020.012.271.97提馏段0.0020.012.181.806 由此确定液泛线，忽略式中而 （1） 精馏段： E=1.02得：（2） 提馏段：得：在

17、操作范围内，任取若干个值，求出相应的值精馏塔0.0010.0020.0030.00351.821.571.090.74提馏塔0.0010.0030.0050.0072.2182.041.971.88 液体的最大流量应保证降液管中停留时间不低于3-5s，液体降液管内停留时间 s。以s作为液体降液管内停留时间的下限，则： 对于 H型重阀，依=5作为规定气 体最小负荷的标准，则（1） 精馏段 （2） 提馏段 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，该线为气相流量无关的竖直线。取E=1.0则由塔板负荷性能图可看出：在任务规定的气液负荷下的操作p处在操作区内的适中位置。塔板的气相负荷上限完

18、全由物沫夹带线控制，操作下限由漏液控制。表示物沫夹带线表示液泛线表示液漏线表示负荷下限表示负荷上限 a表示精馏段 b表示提馏段 进料管的要求很多，有直管进料管、弯管进料管、丁型进料管。本设计采用直管进料管，管径如下： 取=1.6 m/s 查标准系列选取： 采用直管回流管，取取 取 m/s,直管出料取 直管出气，取出口气速：u=20 m/s则取 采用直管，取气速u=23m/s则取 由于常压操作，所有法兰均采用标准管法兰，干焊法兰，由不同的公称直径选用法兰。进料管接管法兰：PN50-2.5RF回流管接管法兰：PN20-2.5RF塔釜出料管法兰：PN100-2.5RF塔顶蒸汽管法兰: PN250-2

19、.5RF 塔釜蒸气进气法兰：PN250-2.5RF 选用碳素钢，因料液无腐蚀性，由公式： 式中： s筒体的壁厚，毫米 P筒体的设计压力，公斤力/ 筒体的内径，毫米。 焊缝系数 C 壁厚附加量 ，毫米 筒体材料的举用应力，公斤力/对此设计精馏塔，温度<100°C，查钢板许用应力值表，知钢板许用应力值为=1140 （公斤力/），P为大气压，C取0.2 考虑到次塔较高，风载荷较大，而塔内径不太大，故适当给塔加厚度，现假设筒体厚度，则假设的塔体有效厚度： mm 式中，C1钢板的厚度负偏差，估算筒体厚度在825mm范围内，取厚度5mm. 封头分为椭圆形封头，蝶形封头等几种，本设计采用椭圆

20、形封头，由公称直径=1000 mm，查得曲面高度=250mm，直边高度=25mm，内表面积=1.16，容积=0.0.151，选用封头1000×5，JB1154-73。 当空塔气速较大，塔顶带液现象严重，以及工艺过程不许出塔气速夹带雾滴的情况下，设置除沫剂，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。常用除沫剂有折流板式除沫剂，丝网除沫器以及程流出沫器。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。 设计气速选取： 系数=0.107除沫器直径：选取不锈钢除沫剂 塔底端用裙座支撑，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

21、式，为了制作方便，一般采用圆筒形。由于裙座内径>800mm，故裙座壁厚取16mm。 基础环内环： 基础环外环： 圆整： 基础环厚度，考虑到腐蚀余量取18 mm，考虑到再沸器，裙裾高度取2 mm，地角螺栓直径取M30. 人孔是安装或检修人员进出塔的唯一通道，人孔的设置应便于进入任何一层塔板，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，本塔中共24块塔板，需设置2个人孔，每个孔直径为450 mm，在设置人孔处，塔间距为800 mm，裙座应开两个人孔，直径为450 mm，人孔深入塔内部应与塔内壁修平，其边缘需倒棱和磨圆，人孔法兰的

22、密封面形及垫片用材，一般与塔的接管法兰相同，本设计也是如此。 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，取除沫器到第一块板间的距离为800 mm，塔顶部空间高度为1200 mm。塔的底部空间高度是指塔底最末一层塔盘到塔底下封头切线的距离，釜液停留时间取5 min。 ，=0.7，塔高31.07 m，取1.7，查得杭州地区=。值如下： 对于m段，查表：=1.0 对于1020m 段，=20-10=10m 查表 ：=1.25 塔体有效直径=，对于斜梯取=200mm，其最大值为计算塔段中有四层平台，每层平台迎风面积为0.5。 mm 为简化计算且偏安全计，各段均取： mm 塔体各断风力：31

23、0m=0.7×1.7×30×2624=6557.4 N1020m=0.7×1.7×30×1.15×10×2624=10678.67N 把截面划分为00截面为裙座基座截面，11截面为裙座人孔处截面，22截 面为裙座塔体焊缝处截面。 11截面弯矩：式中： -塔体22截面到标高10m处的距离 -对应于段的风力11截面弯矩: 22截面弯矩：式中： -裙座底部到标高十米处的距离 -对应于段的风力所以： 进料口离地面高度： mKw 选型：Is80-50-200 塔底危险截面1-1轴向应力计算（裙座塔体焊缝处截面） 塔底危险截面

24、1-1抗压强度及轴向稳定性验算： 塔体和裙裾质量= 人孔、法兰、接管等附件的质量： 内构件质量： 保温层材料质量： 扶梯、平台质量（扶梯单位质量为40kg/m，操作平台共六层，平台宽1.0m，单位质量150kg/，直角360°，平台距塔之间距离1000mm）： 操作时塔内物料质量： 充水质量： 塔体与裙裾的操作质量： 最大操作质量： 最小操作质量： 塔体操作时质量： Kg塔底1-1截面抗压强度及轴向稳定性校核： 该截面上的最大轴向压缩应力发生在空塔时： 式中：=114 Mpa =83.04 Mpa 因此塔底1-1截面满足抗压强度及轴向稳定条件 塔底1-1截面上的抗拉强度校核 塔底1-

25、1截面上的最大拉应力： 综合以上各项计算，在各种不同危险截面情况下塔体壁厚取,可以满足整个塔体的强度、刚度及稳定性要求 设裙座厚度，厚度附加量C=1mm,则裙座有效厚度 裙座底部0-0截面的轴向应力计算 操作时全塔质量引起的压应力为： 风载荷引起的0-0截面弯曲应力： 因此裙座底部0-0截面满足抗压强度及轴向稳定性条件。 裙裾与塔体采用对接焊，焊缝承受的组合拉应力为：（1）水压试验时，塔体1-1截面的强度条件： 式中： 是液注静压力，因塔高29.07m,故取=0.29MP Mpa 因此满足水压试验强度满足要求（2） 水压试验时裙裾底部1-1截面的强度和稳定性验算式中：， 由于 因此满足强度与轴

26、向稳定性要求。 本次课程设计不同于往常的作业，它具有多方案性，由同一思路可地多种结果。其目的是希望我们能够综合运用以前学过的各课程知识，通过认真的设计计算和每项项目的精心校核，提高分析问题、解决问题，理论联系实际，独立思考问题等能力。本次课程设计的结果是全组成员那么多天的兢兢业业，同心协力的结果。不同的分工使得我们遇到不同的困境，然而在小组成员积极的探讨之下，我们解决了一个又一个的问题。这次的课程设计不仅使我们加深了对化工原理课程中的一些精馏知识的理解，懂得了学以致用，同时，在查阅资料的同时也丰富了课外知识，为以后的毕业设计和工作打下了坚实的基础。这次设计让我明白了，一种严谨求实的态度，是做好一切工作的前提，这个过程，也为我以后的日常生活和工作留下了宝贵的经验。在本次设计中我也发现了自己的很多不足之处，知道了自己学习中的薄弱环节在哪里，对知识的掌握还存在盲点，总而言之，本次课程设计让我获益匪浅，我相信在以后的专业设计中我能做的更好。从设计结果看，本设计基本上是可行的，但仍存在一些不足之处,在此我将体会和不足总结如下： 体会：（1）本次设计的是乙醇-水精馏塔，由于该物系