年产10万吨环氧丙烷浮阀精馏塔设计

IV湘潭大学化工学院专业课程设计任务书设计题目：年产10万吨环氧丙烷浮阀精馏塔设计姓名：专业：化学工程与工艺指导教师：系主任：一、主要内容及基本要求（一）设计任务：1、生产能力：年产环氧丙烷（PO）100000吨2、质量标准：纯环氧丙烷含量98.79％（质量分数，下同）（二）设计条件（均为质量组成）：1、料液组成：环氧丙烷：90.45％，甲醇：9.55％；2、料液温度：泡点；3、加热蒸汽：0.4Mpa（表）饱和蒸气；（三）工艺要求：1、操作方式：常压，连续；2、年生产时间：8000小时；3、环氧丙烷回收率：99％；4、泡点回流；（四）设计要求1、精馏塔的物料衡算、（热量衡算）；2、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；3、精馏塔的塔体工艺尺寸计算；4、浮阀塔的结构设计；5、塔板流体力学验算、塔板负荷性能图；6、（确定精馏塔冷凝器和再沸器的换热面积，并选型；）7、确定料液泵、回流泵和产品泵的型号、接管尺寸；8、编写设计说明书，绘制工艺流程图与主体设备装配图，要求见院有关要求。二、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1文献、资料的调研和搜集20**.10.01~20**.10.152设计方案的制定及分析20**.10.16~20**.10.313设计计算20**.11.01~20**.11.154完成初稿20**.11.16~20**.11.305初稿修改，绘图20**.12.01~20**.12.106整理出正式的设计材料20**.12.11~20**.12.20三、应收集的资料及主要参考文献1.化工原理（第二版）[M].天津：天津大学出版，2021.2.化工过程设计[M].北京：化学工业出版社，20213.换热器设计手册[S].北京：化学工业出版社，2021.4.化工设计[M].广州：华南理工大学出版社，2021.5.化工原理课程设计[M].北京：化学工业出版社，2021.6.石油化工设计手册[S].北京：化学工业出版社，2021.7.化工工程设计概论[M].北京：中国石化出版社，2021.8.化学工程手册[M].北京：化学工业出版社.1996.目录摘要 IV绪论 V第一章流程及流程说明 1第二章精馏塔的工艺设计 22.1产品的浓度 22.2最小回流比确定 22.3物料衡算 22.4实际板数的计算 3第三章精馏塔主要工艺尺寸的设计计算 43.1物性数据的计算 43.2精馏塔主要工艺尺寸的计算 5第四章能量衡算 第五章塔附加组件的确定 155.1料液泵的确定 155.2智能选泵结果 165.3泵选型一览表 16课程设计心得体会 18主要符号说明 19摘要在此筛板精馏塔分离环氧丙烷-甲醇的设计中，给定的条件为：进料量为塔顶组成为：进料馏出液组成为：塔釜组成:加料热状态:q=1塔顶操作压强:(表压)首先利用AspenPlusV7.2，根据精馏塔的物料衡算，求得D和W，并通过优化确定最小回流比；再根据软件内置算法，求得精馏塔理论板数。最后，根据相对挥发度以及奥康奈尔公式求的板效率，继而求得实际板数，确定加料位置。然后进行精馏段和提馏段的设计工艺计算，求得各工艺尺寸，确定精馏塔设备结构。继而对浮阀的流体力学进行验算，检验是否符合精馏塔设备的要求，作出塔板负荷性能图，对精馏塔的工艺条件进行适当的调整，使其处于最佳的工作状态。第二步进行塔顶泵的设计计算。关键词：环氧丙烷-甲醇精馏负荷性能图精馏塔设备结构塔附属设备下图为连续精馏过程简图：回流 出料进料 塔底

绪论在本设计中我们使用浮阀塔，浮阀塔的突出优点是浮阀塔有处理能力大、操作弹性大、塔板液面易于控制、结构简单安装方便，易于调整、雾沫夹带量小。浮阀与泡罩板的差别在于取消了泡罩与升气管，而直接在板上开很多带浮阀的孔。操作时气体以高速通过小孔上升，液体则通过降液管流到下一层板，而浮阀能很好地控制气速，给塔以很大的操作弹性。并且分散成泡的气体使板上液层成为强烈湍动的泡沫层，有利于气液相充分接触。相同条件下，浮阀塔生产能力比泡罩塔高10%—15%，板效率亦约高10%—15%，适用于加压及常压下的气液传质过程；塔板效率较高，但稍低于浮阀塔。具有较高的操作弹性，但稍低于泡罩塔。其缺点是费用较高，安装较困难。第一章流程及流程说明本设计任务为分离环氧丙烷—甲醇混合物。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入精馏塔内。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，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.9倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。任务书上规定的生产任务长期固定，适宜采用连续精流流程。贮罐中的原料液用机泵加入精馏塔；塔釜再沸器用低压蒸汽作为热源加热料液；精馏塔塔顶设有全凝器，冷凝液部分利用重力泡点回流；部分连续采出到产品罐。具体流程如下图所示： 环氧丙烷回流环氧丙烷 环氧丙烷产品与甲醇混合物甲醇

第二章精馏塔的工艺设计根据AspenPlusV7.2模拟的结果可得环氧丙烷精制塔各塔板参数，各塔板参数详见表2-1。本设计的主要物料为含有部分甲醇的环氧丙烷，具有物料洁净、腐蚀性小，粘度小，且无悬浮物，整套装置产量及气液相负荷较大的特点。由软件模拟的结果可知：2.1产品的浓度2.1.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率环氧丙烷的摩尔质量=44kg/mol，甲醇的摩尔质量=32kg/mol产品中环氧丙烷的质量分数=0.9879进料中苯的质量分数=0.8999塔釜中苯的质量分数=0.0**12.1.2原料液及塔顶、塔底的平均摩尔质量kg/molkg/molkg/mol2.2最小回流比确定最小回流比为0.46，则实际回流比为:0.461.9=0.8742.3物料衡算总物料衡算：，272.72=环氧丙烷物料衡算：，272.70.8999=0.9879+0.0**1联立得：，2.4实际板数的计算=0.6620=0.5189=0.4490则三段的实际塔板数为=127220所以，总板数104，实际加料版位置为第**块与第85块.

第三章精馏塔主要工艺尺寸的设计计算3.1物性数据的计算由Aspen模拟可得下列参数的结果：3.1.1操作温度34.4℃，59.1℃，34.3℃，65.8℃3.1.2平均摩尔质量的计算（1）塔顶平均摩尔质量计算==0.984，=0.9599=+（1-）=0.984×44+（1-0.984）×32=43.81kg/Kmol=+（1-）=0.9599×44+（1-0.9599）×32=43.52kg/Kmol（2）进料板平均摩尔质量计算=0.763，=0.562=+（1-）=0.763×44+（1-0.748）×32=41.64kg/Kmol=+（1-）=0.562×44+（1-0.562）×32=38.74kg/Kmol（3）精馏段平均摩尔质量计算=（+）/2=（43.81+41.64）/2=42.73kg/Kmol=（+）/2=（43.52+38.74）/2=41.**kg/Kmol（4）塔底平均摩尔质量计算=0.035，=0..91=+（1-）=0.035×44+（1-0.035）×32=32.42kg/Kmol=+（1-）=0.091×44+（1-0.091）×32=33.09kg/Kmol（5）提馏段平均摩尔质量计算=（+）/2=（42.73+32.42）/2=37.58kg/Kmol=（+）/2=（41.**+33.09）/2=37.11kg/Kmol3.1.3液相平均密度（1）塔顶液相平均密度：810.07kg/m3（2）进料板液相平均密度:810.86kg/m3（3）精馏段液相平均密度:810.465kg/m3（4）塔底液相平均密度:751.03kg/m3（5）提馏段液相平均密度:780.75kg/m33.1.4液体平均表面张力（1）塔顶液相平均表面张力：21.66mN/m（2）进料板液相平均表面张力:22.17mN/m（3）精馏段液相平均表面张力:21.92mN/m（4）塔底液相平均表面张力:23.54mN/m（5）提馏段液相平均表面张力:22.86mN/m3.1.5液体平均粘度（1）塔顶液相平均粘度：0.2740cP（2）进料板液相平均粘度:0.2704cP（3）精馏段液相平均粘度:0.2722cP（4）塔底液相平均粘度:0.3492cP（5）提馏段液相平均粘度:0.3098cP3.2精馏塔主要工艺尺寸的计算3.2.1塔径D的计算因精馏段气相流量较大，故以精馏段数据确定全塔塔径更为安全可靠，本设计以精馏段数据为设计依据。设板间距=0.45m，板上清液层高度为=0.06m计算两相流动参数=0.0346由（）及FLV查Smith关联图得=0.0795m/s，故=0.0808液泛气速=1.5321m/s对于一般液体，泛点率为0.6～0.8，此处泛点率取0.8，则表观空塔气速=1.2257m/s故塔径2.**m，圆整为2.2m。3.2.2塔高的计算实际塔板数的确定：由于本塔三段的相对挥发度相差比较大，则分三段计算实际塔板数。由关联图联立方程得总板数104釜液高度的计算：3.79取釜液停留时间t=10min，则1.24m塔顶空间高度取1.2m塔板间距：每隔10块塔板开一人孔，共需人孔9个（不包括塔顶和塔底的）,开设人孔处的塔板间距改为0.60m，进料口处离上板高度为0.60m.塔筒体高度的计算：其中：——塔高（不包括裙座），m——塔顶空间，m——塔板间距，m——开有人孔的塔板间距，m——进料段高度，m——塔底空间，m——实际塔板数——人孔数目则H=1.2+（104-2-9）×0.45+9×0.6+0.6+1.24=50.3m裙座高度为2.0+1.5D/2=3.65m封头高度取0.6m塔的总高为：Z=50.3+3.65+0.6=54.6m3.2.3塔板结构设计由于液体流量为31.45m3/h，塔径为2.2m溢流堰尺寸堰长lw溢流堰选择平直堰，取堰长lw=0.65D=1.43m堰高hw堰上液层高度近似取E=1，则可由列线图查出值。因31.45m3/h,lw=1.43,由该图查得=0.024m堰高hw由选取清液层高度hL确定hw=hL-how=0.06-0.024=0.036m降液管底隙高度ho选取凹形受液盘，考虑降液管阻力和液封，即一般ho<how，因此可选取底隙高度ho=30mm降液管宽度Wd和面积Af查降液管宽度与面积图，lw/D=0.65,得：Af/AT=0.07Wd/D=0.14由以上设计结果得弓形降所占面积Af=3.79×0.07=0.27m降液管宽度Wd=0.31m液体在降液管中的停留时间，即=14s>3～5s故降液管尺寸满足要求。3.2.4塔板布置及浮阀数目排列取阀孔动能因子Fo=10，求得孔速：uo=m/s求每层板上的浮阀数：采用F1型浮阀，取孔直径do=40mm，则浮阀数573取塔板边缘区宽度Wc=0.04m，溢流堰前的安定区宽度Ws=0.08m对单流型塔板，开孔区面积如下，即：Aa=其中：X=0.71m;R=1.06m;则鼓泡区面积Aa=2.80m浮阀排列方式采用等腰三角形叉排。三角形的底边固定为75mm，则估算三角形的高h（排间距），65mm3.2.5塔板流体力学校核（1）压降气相通过浮阀塔的压强降hp=hc+h1+h干板阻力6.74m/s因uo小于uoc，故0.034m液柱板上充气液层阻力：本设备分离环氧丙烷和甲醇等的混合物，取充气系数β=0.5，则h1=β（hw+how）=0.03m液柱液体表面引力的阻力h=2.84×10-4m液柱此阻力很小，可以忽略不计。因此，与气体流经一层浮阀塔板的压强降所相应的液柱高度为：hp=0.034+0.03=0.064m则单板压降0.064×810.46×9.81=508.84Pa（2）液泛为防止液泛现象的发生，要求控制降液管中清液层的高度，即要求<，而，hp为气体通过塔板的压强降所相当的液柱高度，前已算出hp=0.064m液柱液体通过降液管的压头损失因不设进口堰，则==0.0635m液柱板上清液层高度hL=0.06m则Hd=0.064+0.0635+0.06=0.1875m取=0.6，又已选定HT=0.45m，hw=0.036m，则=0.6×（0.45+0.036）=0.2916m可见<，符合防止淹塔要求。雾沫夹带按下列式计算泛点率，即F=其中Z=D-2Wd=1.580mAb=AT-2Af=3.25mCF=0.05代入数据得F==19.99%泛点率在80%以下，故可知雾沫夹带量能满足<0.1Kg（液）/Kg（气）的要求。3.2.6塔板的负荷曲线计算（1）过量雾沫夹带线（气相负荷上限线）由泛点率整理得出过量雾沫夹带线0.18889VS+0.09445LS=0.8500则VS=4.052-0.519LS液泛线由式==确定液泛线。忽略式中的，将式，，，F=代入上式得：=++因物系一定，塔板结构尺寸一定，则、、、、及等均为定值，而uo与VS有如下关系，即其中阀孔数N与孔径d0亦为定值，因此可将上式简化成VS与LS的关系如下：，即液相负荷上限线降液管的最大流量应保证在降液管中的停留时间不低于3～5s，以5秒作为液体在降液管中停留时间的下限，则0.0243m3/s漏液线对于F1型重阀，依式计算，则又知，以=5作为规定气体最小负荷标准，则==0.240m3/s液相负荷下限线取堰上液层高度how=0.006m作为液体负荷下限条件，依how的计算式计算出LS的下限值，该线为与气量流量无关的竖直线，将所求值代入上式可得严重漏液线曲线为取E=1，则=0.001220m3/s操作线操作线斜率为（7）负荷性能图根据上述六个方程，可以利用Excel办公软件做出该塔的负荷性能图，如下所示：图3-1PO精馏塔负荷性能图从图中可以看出，设计点位于正常操作区的内部，表明该塔板对气液负荷的波动有较好的适应能力。在给定的气液负荷比条件下，塔板的气液相负荷的上、下限分别由降液管液泛和严重漏液所限制。由图查得上限为3.6m3/s,下限为0.4m3/s，得该塔的操作弹性==12.3。可见，设计比较合理、适宜。

第四章能量衡算系统的能量衡算能量守恒为理论基础，研究某一系统内各类型的能量的变化，即：输入系统的能量=输出系统的能量+系统积累的能量。本设计借助于计算机辅助模拟的流程设计文件（ASPENPLUSV7.2），因而计算基准温度及热力学数据直接采用软件内嵌的物性数据库对各工段进行热量进行衡算。该塔的热负荷如下表所示：表1-2热负荷表CondenserReboilerHeatDuty-18.8009911.0404197Q=-7.7605703GJ/hr流股焓变计算结果如下表所示：表1-3流股焓变计算表InputStreamOutputStreamSteamIDS40S41S42S43Temperature℃38.552164030.8440965.82728Pressurebar0.99999970.99999970.99999971.001VaporFraction0.9768728000MassFlowkg/hr14640.1965.37273**335.81**69.752EnthalpyGJ/hr-30.19878-1.032837-28.27518-10.717,GJ/hr-31.23162,GJ/hr-38.99218热量平衡计算结果如下表所示：表1-4热量平衡计算一览表Q/（GJ/hr）/（GJ/hr）/（GJ/hr）Error-7.7605703-31.23162-38.992180.00001034.1.1塔板主要工艺尺寸及水力学核算结果所设计的单溢流浮阀塔的主要设计结果如表3-2所示：表3-2环氧丙烷精馏塔结果汇总结构及尺寸操作性能塔内径D（m）2.2空塔气速u（m/s）1.2257板间距HT（m）0.45泛点率u/uf0.08液流型式单流型动能因子F010降液管截面积与塔截面积比Af/AT0.07孔口流速U0（m/s）6.67出口堰堰长lw(m)1.43鼓泡区面积Aa（m2）2.80弓形降液管宽度Wd（m）0.31塔板横截面积AT（m2）3.79出口堰堰高（mm）0.036孔心距（mm）75降液管底隙（mm）0.030堰上液层高度how（mm）24边缘区宽度（mm）0.04单板压降（Pa）508.84破沫区宽度（mm）0.08降液管清液层高度Hd（mm）187.5板厚度b（mm）5进口堰与降液管水平距离h1（mm）30浮阀个数573降液管液体停留时间（s）14浮阀直径（mm）40釜液高度为（m）1.24

第五章塔附加组件的确定5.1料液泵的确定进料为甲醇和环氧丙烷，腐蚀性不强，对泵的选用无特殊要求物性参数：密度=1043kg/m3，黏度0.9570cP为确定进料泵所需的扬程H，对原料泵内的液面与混合器进口处的管截面建立机械能衡算式其中，为两截面处位头差，为两截面处静压头之差，为两截面处动静压头之差，为直管阻力，为管件、阀门局部阻力，为流体流经设备的阻力。取流速为1.8m/s，则管径为：m/s选用规格为Φ80×4的无缝钢管。雷诺数为取无缝钢管的绝对粗糙度为=0.15mm，相对粗糙度为查莫狄图得摩擦系数为。取两截面处位头差10m，由进料管与反应器内压力可知=29.35m泵进口与出口速度相等，则取直管长度为100m，则直管阻力=5.11m设进料管上有4个截止阀、4个闸阀、1个止回阀、4个弯头，故=12.56m流体流经设备的阻力=0，将上述结果相加，得泵的扬程为H=57m,考虑汽蚀余量后：实际扬程为59m，流量为32.40m3/h=9L/s。5.2智能选泵结果根据扬程和流量，利用智能选泵软件（化学工业出版社）进行选型，经过对比后选择泵的型号IS80-50-250B，功率为15kW，效率60-47%。图4-1软件使用界面图5.3泵选型一览表按照原料泵的计算方法与智能选泵软件，选出产品泵与回流泵的型号，如表4-1所示。表4-1泵的选型一览表名称类型型号流量扬程(m)主要介质电机功率/kw效率/%进料泵清水离心泵IS65-40-250B1855环氧丙烷甲醇1160-47回流泵清水离心泵IS80-65-160B4820环氧丙烷460-67产品输送泵化工离心泵IH80-65-1253212环氧丙烷7.551-43

课程设计心得体会通过本次课程设计，不仅使我加深了对化工原理课程中的一些精馏知识的理解，也让我懂得了学以致用，同时，在查阅资料的同时也丰富了我的课外知识，为以后的毕业设计和工作打下了坚实的基础。在设计的过程中，我遇到了很多困难，感谢老师的帮助与指导，还有同学们的支持使我尽快找到了解决难题的办法。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。

主要符号说明A组分A的量 KmolB 组分B的量 KmolD 塔顶产品流率 Kmol/s总板效率 X 液相组分中摩尔分率 y 气相组分中摩尔分率 α 相对挥发度 μ 粘度 PasF 原料进量或流率 Kmol/sK 相平衡常数 L 下降液体流率 Kmol/sN 理论塔板数 P 系统的总压 Paq 进料中液相所占分率 r 汽化潜热 KJ/Kmolt 温度 KV 上升蒸气流率 Kmol/sW 蒸馏釜的液体量 Kmolhc 与干板压强降相当的液柱高度 mhd 液体流出降液管的压头损失 mhL 板上液层高度 mWc 边缘区高度 mWd 弓形降压管宽度 mWs 泡沫区宽度 mZ 塔的有效段高度 mε0 板上液层无孔系数 θ 液体在降液管内停留时间 sρL 液体密度 Kg/m3ρV气体密度 Kg/m3AT 基截面积 m2C 气相负荷参数 C20 液体表面张力为20dny.cm-1时的气相负荷参数 Cf 泛点负荷系数 d0 筛板直径 mσ 液体表面张力 dyn/cmWd` 降液管宽度 mρ 密度 Kg/m3Aa 基板鼓泡区面积 m2Af 总降压管截面积 m2符号 意义 SID 塔径 mEV 霧沫夹带量 Kg液/Kg气F0 筛孔动能因数 H0 降液管底隙高度 mhp 与单板压降相当的液层高度 mhw 出口堰高 mhσ 与克服表面张力压强降相当的液柱高度 mhd 降液管压强降相当液柱高度 mHT 板间距 mLW 堰长 mLh 塔内液体流量 m3/hLs 塔内液体流量 m3/sN 一层塔板上的筛孔总数 T 孔心距 mU 空塔气速 m/sU0 筛板气速 m/sVh 塔内气体流量 m3/h

论大学生写作能力写作能力是对自己所积累的信息进行选择、提取、加工、改造并将之形成为书面文字的能力。积累是写作的基础，积累越厚实，写作就越有基础，文章就能根深叶茂开奇葩。没有积累，胸无点墨，怎么也不会写出作文来的。写作能力是每个大学生必须具备的能力。从目前高校整体情况上看，大学生的写作能力较为欠缺。一、大学生应用文写作能力的定义那么，大学生的写作能力究竟是指什么呢？叶圣陶先生曾经说过，“大学毕业生不一定能写小说诗歌，但是一定要写工作和生活中实用的文章，而且非写得既通顺又扎实不可。”对于大学生的写作能力应包含什么，可能有多种理解，但从叶圣陶先生的谈话中，我认为：大学生写作能力应包括应用写作能力和文学写作能力，而前者是必须的，后者是“不一定”要具备，能具备则更好。众所周知，对于大学生来说，是要写毕业论文的，我认为写作论文的能力可以包含在应用写作能力之中。大学生写作能力的体现，也往往是在撰写毕业论文中集中体现出来的。本科毕业论文无论是对于学生个人还是对于院系和学校来说，都是十分重要的。如何提高本科毕业论文的质量和水平，就成为教育行政部门和高校都很重视的一个重要课题。如何提高大学生的写作能力的问题必须得到社会的广泛关注，并且提出对策去实施解决。二、造成大学生应用文写作困境的原因：（一）大学写作课开设结构不合理。就目前中国多数高校的学科设置来看，除了中文专业会系统开设写作的系列课程外，其他专业的学生都只开设了普及性的《大学语文》课。学生写作能力的提高是一项艰巨复杂的任务，而我们的课程设置仅把这一任务交给了大学语文教师，可大学语文教师既要在有限课时时间内普及相关经典名著知识，又要适度提高学生的鉴赏能力，且要教会学生写作规律并提高写作能力，任务之重实难完成。（二）对实用写作的普遍性不重视。“大学语文”教育已经被严重地“边缘化”。目前对中国语文的态度淡漠，而是呈现出全民学英语的大好势头。中小学如此，大学更是如此。对我们的母语中国语文，在大学反而被漠视，没有相关的课程的设置，没有系统的学习实践训练。这其实是国人的一种偏见。应用写作有它自身的规律和方法。一个人学问很大，会写小说、诗歌、戏剧等，但如果不晓得应用文写作的特点和方法，他就写不好应用文。（三）部分大学生学习态度不端正。很多非中文专业的大学生对写作的学习和训练都只是集中在《大学语文》这一门课上，大部分学生只愿意被动地接受大学语文老师所讲授的文学经典故事，而对于需要学生动手动脑去写的作文，却是尽可能应付差事，这样势必不能让大学生的写作水平有所提高。（四）教师的实践性教学不强。学生写作能力的提高是一项艰巨复杂的任务，但在教学中有不少教师