化工原理課程設(shè)計(jì)---乙醇精餾塔（浮閥塔）設(shè)計(jì)

1、 化工原理課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目 乙醇精餾塔（浮閥塔）設(shè)計(jì) 學(xué) 號(hào) 姓 名 專 業(yè) 化學(xué)工程與工藝 指導(dǎo)教師 時(shí) 間 2011年9月16日25日 前 言在煉油、石油化工、精細(xì)化工、食品、醫(yī)藥及環(huán)保部門，塔設(shè)備屬于使用量大，應(yīng)用面廣的重要單元設(shè)備，而精餾操作則是工業(yè)中分離液體混合物的最常用手段。其操作原理是利用液體混合物中各組分的揮發(fā)度的不同，在氣液兩相相互接觸時(shí)，易揮發(fā)的組分向氣相傳遞，難揮發(fā)的組分向液相傳遞，使混合物達(dá)到一定程度的分離。塔設(shè)備的基本功能是提供氣液兩相以充分的接觸機(jī)會(huì)，使物質(zhì)和熱量的傳遞能有效的進(jìn)行；在氣液接觸之后，還應(yīng)使氣、液兩相能及時(shí)分開，盡量減少相互夾帶。常用的精餾塔按其結(jié)構(gòu)形

2、式分為板式塔和填料塔兩大類，板式塔內(nèi)裝有若干層塔板，液體依靠重力自上而下流過每層塔板，氣體依靠壓強(qiáng)差的推力，自下而上穿過各層塔板上的液層而流向塔頂，氣液兩相在內(nèi)進(jìn)行逐級(jí)接觸。填料塔內(nèi)裝有各種形式的填料，氣液兩相沿塔做連續(xù)逆流接觸，其傳質(zhì)和傳熱的場所為填料的潤濕表面。板式塔具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、壓降很低、操作彈性大、持液量小等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，也有投資費(fèi)用較高、填料易堵塞等缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)參考了部分化工原理課程設(shè)計(jì)書上的內(nèi)容，還得到了老師和同學(xué)的幫助，在此表示感謝。由于本人能力有限，經(jīng)驗(yàn)不足，設(shè)計(jì)中難免會(huì)出現(xiàn)一些錯(cuò)誤，懇請(qǐng)大家批評(píng)指正。2011年9月24日目 錄緒 論 0一、 設(shè)計(jì)任務(wù)書 1二、 塔板的

3、工藝設(shè)計(jì) 2（一） 精餾塔全塔物料衡算 2（二） 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)計(jì)算 3（三） 理論塔板的計(jì)算 8（四） 塔徑的初步設(shè)計(jì) 9（五） 溢流裝置 11（六） 塔板布置及浮閥數(shù)目與排列 12三、 塔板的流體力學(xué)計(jì)算 14（一） 氣相通過浮閥塔板的壓降 14（二） 淹塔 15（四） 塔板負(fù)荷性能圖 16四、 浮閥塔工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總表 20五、 塔附件設(shè)計(jì) 21（一） 接管 21（二） 筒體和封頭 22（三） 除沫器 23（四） 裙座 23（五） 吊柱 24（六） 手孔 24六、 塔總體高度的設(shè)計(jì) 24七、 附屬設(shè)備設(shè)計(jì) 25（一） 冷凝器的選擇 25（二） 再沸器的選擇 25參考資

4、料 26緒 論本裝置連續(xù)精餾流程裝置，原料液經(jīng)預(yù)熱器加熱到指定溫度后，送入精餾塔的進(jìn)料板，在進(jìn)料板上自塔上部下降的液體與上升的蒸汽相互接觸，進(jìn)行熱和質(zhì)的傳遞過程。操作時(shí)，連續(xù)把從塔釜取出部分液體作為塔底產(chǎn)品，部分液化氣化，產(chǎn)生上升蒸汽，并將部分冷凝液用泵送回塔頂作為回流液體，其余部分經(jīng)冷凝器后被送出作為塔頂產(chǎn)品。一、 設(shè)計(jì)任務(wù)書一 設(shè)計(jì)題目分離乙醇-水混合液的板式精餾塔（浮閥塔）設(shè)計(jì)二 設(shè)計(jì)任務(wù)與條件 進(jìn)料乙醇31%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），出料乙醇93.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），釜?dú)堃阂掖?lt;0.01（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 塔頂壓力1atm, 單板壓降75mmH2O液柱三 操作流程的確定和說明操作壓力：由于乙醇水體系

5、對(duì)溫度的依賴性不強(qiáng)，常壓下為液態(tài)，為降低塔的操作費(fèi)用，操作壓力選為常壓。塔型選擇：根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，若按年開動(dòng)設(shè)備6000小時(shí)計(jì)算，產(chǎn)品流量為128.21kmol/h，由于產(chǎn)品粘度較小，流量較大，為減少造價(jià)，降低生產(chǎn)過程中壓降和塔板液面落差的影響，提高生產(chǎn)效率，選用浮閥塔。進(jìn)料狀態(tài)：雖然進(jìn)料方式有多種，但是飽和液體進(jìn)料時(shí)進(jìn)料溫度不受季節(jié)、氣溫變化和前段工序波動(dòng)的影響，塔的操作比較容易控制；此外，飽和液體進(jìn)料時(shí)精餾段和提餾段的塔徑相同，無論是設(shè)計(jì)計(jì)算還是實(shí)際加工制造這樣的精餾塔都比較容易，為此，本次設(shè)計(jì)中采取飽和液體進(jìn)料。加熱方式：精餾塔的設(shè)計(jì)中多在塔底加一個(gè)再沸器以采用間接蒸汽加熱以保證塔內(nèi)有足夠

6、的熱量供應(yīng)；由于乙醇水體系中，乙醇是輕組分，水由塔底排出，且水的比熱較大，故可采用直接水蒸氣加熱，這時(shí)只需在塔底安裝一個(gè)再沸器，并且可以利用壓力較低的蒸汽進(jìn)行加熱，無論是設(shè)備費(fèi)用還是操作費(fèi)用都可以降低。二、 塔板的工藝設(shè)計(jì) （一） 精餾塔全塔物料衡算F：原料液流量（kmol/h） xF：原料組成（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）D：塔頂產(chǎn)品流量（kmol/h） xD：塔頂組成W：塔底產(chǎn)品流量（kmol/h） xW：塔底組成1. 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率乙醇的摩爾質(zhì)量 水的摩爾質(zhì)量 原料乙醇組成：塔頂組成： 塔底組成： 2. 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量3. 物料衡算 物料衡算式為：聯(lián)立方程組解

7、得：（二） 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)計(jì)算溫度/oC液相氣相溫度/oC液相氣相溫度/oC液相氣相10000354.45 55.80 59.26 61.22 65.64 65.99 常壓下乙醇-水氣液平衡組成(摩爾)與溫度關(guān)系 (1) 精餾段：液相組成：氣相組成：所以 (2) 提餾段：91.83 液相組成： 氣相組成： 所以 （3）求在和下的乙醇和水的密度不同溫度下乙醇和水的密度溫度/oC溫度/oC80859073573072495100720716 ， （4）在精餾段： 液相密度：氣相密度：在提餾段： 液相密度：氣相密度： 二元有機(jī)物-水溶液表面張力可用下列各式計(jì)算 公式：注： 式中，下角

8、標(biāo)W、O、S分別代表水、有機(jī)物及表面部分，Vw、Vo指主體部分的分子體積，、為純水、有機(jī)物的表面張力，對(duì)乙醇q=2。（1） 精餾段：不同溫度下的乙醇表面張力和水表面張力溫度/oC708090100乙醇表面張力/10-2N/m218水表面張力/10-2N/m2 乙醇表面張力：，水的表面張力： 聯(lián)立方程 和 (2) 提餾段： 乙醇表面張力：水的表面張力： 聯(lián)立方程 和 查表得：， 查表得： 精餾段粘度： 提餾段粘度：（1） 精餾段揮發(fā)度：由得所以 （2） 提餾段揮發(fā)度：由得所以 （1）精餾段： (2) 提餾段： （三） 理論塔板的計(jì)算理論板：指離開這種板的氣液兩相互成平衡，而且塔板上液相組成均勻。

9、理論板的計(jì)算方法：可采用逐板計(jì)算法，圖解法，在本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)中采用圖解法。 105精餾線操作方程：提餾線操作方程：（間接蒸汽加熱）在圖上作操作線，由點(diǎn)（0.8407，0.8407）起在平衡線和操作線間畫階梯，過精餾段操作線與q線交點(diǎn)，直到階梯與平衡線交點(diǎn)小于0.0039為止，由此得到理論版NT =29塊（包括再沸器），加料板為第26塊理論板。板效率與塔板結(jié)構(gòu)、操作條件、物質(zhì)的物理性質(zhì)及流體的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，它反映了實(shí)際塔板上傳質(zhì)過程進(jìn)行的程度。板效率可用奧康奈爾公式計(jì)算。（1） 精餾段已知：所以 （2） 提餾段已知： 所以 全踏所需實(shí)際塔板數(shù)：全塔效率：加料板位置在第54塊塔板。（四） 塔徑的初步

10、設(shè)計(jì)塔的橫截面應(yīng)滿足汽液接觸部分的面積、溢流部分的面積和塔板支承、固定等結(jié)構(gòu)處理所需面積的要求。在塔板設(shè)計(jì)中起主導(dǎo)作用，往往是氣液接觸部分的面積，應(yīng)保證有適宜的氣體速度。計(jì)算塔徑的方法有兩類：一類是根據(jù)適宜的空塔氣速，求出塔截面積，即可求出塔徑。另一類計(jì)算方法則是先確定適宜的孔流氣速，算出一個(gè)孔（閥孔或篩孔）允許通過的氣量，定出每塊塔板所需孔數(shù)，再根據(jù)孔的排列及塔板各區(qū)域的相互比例，最后算出塔的橫截面積和塔徑。由于精餾段、提餾段的汽液流量不同，故兩段中的氣體速度和塔徑也可能不同。在初算塔徑中，精餾段的塔徑可按塔頂?shù)谝粔K板上物料的有關(guān)物理參數(shù)計(jì)算，提餾段的塔徑可按釜中物料的有關(guān)物理參數(shù)計(jì)算。也可

11、分別按精餾段、提餾段的平均物理參數(shù)計(jì)算。目前，塔的直徑已標(biāo)準(zhǔn)化。所求得的塔徑必須圓整到標(biāo)準(zhǔn)值。塔徑在1米以下者，標(biāo)準(zhǔn)化先按100mm增值變化；塔徑在1米以上者，按200mm增值變化，即1000mm、1200mm、1400mm、1600mm、1800mm 塔徑標(biāo)準(zhǔn)化以后，應(yīng)重新驗(yàn)算霧沫夾帶量，必要時(shí)在此先進(jìn)行塔徑的調(diào)整，然后再?zèng)Q定塔板結(jié)構(gòu)的參數(shù)，并進(jìn)行其它各項(xiàng)計(jì)算。當(dāng)液量很大時(shí)，亦宜先核查一下液體在降液管中的停留時(shí)間。如不符合要求，且難以加大板間距來調(diào)整時(shí)，也可在此先作塔徑的調(diào)整。圖4-1 史密斯關(guān)聯(lián)圖圖中 HT塔板間距，m； hL板上液層高度，m；V ,L分別為塔內(nèi)氣、液兩相體積流量，m3/s

12、； V，L 分別為塔內(nèi)氣、液相的密度，kg/m3 。1. 精餾段查圖可知：C20=0.075， 2. 提餾段 查圖可知：C2080（五） 溢流裝置1、 堰長出口堰高：本設(shè)計(jì)采用平直堰，堰上液高度hOW按下式計(jì)算 (近似取E=1) 2、 弓形降液管的寬度和橫截面3. 降液管底隙高度因?yàn)閔O不小于20mm,所以hO滿足要求。（六） 塔板布置及浮閥數(shù)目與排列1 塔板分布本設(shè)計(jì)塔板直徑D=,采用分塊式塔板，以便通過人孔裝拆塔板。2. 浮閥數(shù)目與排列浮閥排列方式采用等腰三角形叉排，取同一個(gè)橫排的孔心距t=75 mm，則排間距：考慮到塔的直徑較大，必須采用分塊式塔板，而各分塊的支撐和銜接也要占去一部分鼓泡

13、區(qū)面積，因而排間距不宜采用76mm，而應(yīng)小一些，故取土=65mm,按t=75mm, =65mm，以等腰三角形交叉作圖,排得閥數(shù)228個(gè)。按N=228重新核算閥孔氣速及閥孔功能因數(shù)：閥孔動(dòng)能因數(shù)變化不大，仍在9-12范圍內(nèi)。按孔心距為t=75mm，則排間距：取=65mm，排得浮閥數(shù)為228塊。按N=228重新核算孔速即閥孔功能因數(shù)：閥孔動(dòng)能因數(shù)變化不大，仍在9-12范圍內(nèi)。三、 塔板的流體力學(xué)計(jì)算（一） 氣相通過浮閥塔板的壓降可根據(jù)計(jì)算。 （二） 淹塔為了防止淹塔現(xiàn)象的發(fā)生，要求控制降液管中清液高度，。（三） 霧沫夾帶驗(yàn)算 （四） 塔板負(fù)荷性能圖由此可知，霧沫夾帶線為直線，則在操作范圍內(nèi)任取兩個(gè)

14、Ls值，依次算出相應(yīng)的Vs值。據(jù)此可做出霧沫夾帶線(1)(1)精餾段與提餾段霧沫夾帶線的與關(guān)系精餾段（m3/s）（m3/s）提餾段（m3/s）（m3/s） 在操作范圍內(nèi)，任意取若干個(gè)LS值，算出相應(yīng)的VS值，據(jù)此可做出液泛線(2)(2)精餾段與提餾段液泛線的與關(guān)系精餾段（m3/s）（m3/s）提餾段（m3/s）（m3/s）3. 液體負(fù)荷上限線液體的最大流量應(yīng)保證降液管中停留時(shí)間不低于35s。液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間以作為液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間的下限，則在Vs-Ls圖上液相負(fù)荷上限線為與氣體流量Vs無關(guān)的豎直線(3)。4 漏液線對(duì)于F1型重閥，依動(dòng)能因數(shù)作為規(guī)定氣體的最小負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)，則 5 .液相

15、負(fù)荷下限線取堰上液層高度作為液相負(fù)荷下限條件作出液相負(fù)荷下限線,該線為與氣相流量無關(guān)的豎直線(5)。代入的計(jì)算式： 取E1.0，則6 操作性能負(fù)荷圖由以上15作出塔板負(fù)荷性能圖如下。 項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算數(shù)據(jù)備 注精餾段提餾段塔徑板間距塔板型式單溢流弓形降液管分塊式塔板空塔氣速1. 32溢流堰長度溢流堰高度板上液層高度降液管底隙高度浮閥數(shù)個(gè)228228等腰三角形叉排閥孔氣速閥孔動(dòng)能因數(shù)臨界閥孔氣速孔心距排間距單板壓降液體在降液管內(nèi)的停留時(shí)間降液管內(nèi)的清液高度泛點(diǎn)率%氣相負(fù)荷上限霧沫夾帶控制氣相負(fù)荷下限漏液控制操作彈性四、 浮閥塔工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總表五、 塔附件設(shè)計(jì)塔的外殼多用鋼板焊接，如外殼采用

16、鑄鐵鑄造，則往往以每層塔板為一節(jié)，然后用法蘭連接。 板式塔除內(nèi)部裝有塔板、降液管及各種物料的進(jìn)出口之外，還有很多附屬裝置，如除沫器、人（手）孔、基座，有時(shí)外部還有扶梯或平臺(tái)。此外，在塔體上有時(shí)還焊有保溫材料的支承圈。為了檢修方便，有時(shí)在塔頂裝有可轉(zhuǎn)動(dòng)的吊柱。如圖4-1為一板式塔的總體結(jié)構(gòu)簡圖。一般說來，各層塔板的結(jié)構(gòu)是相同的，只有最高一層，最低一層和進(jìn)料層的結(jié)構(gòu)有所不同。最高一層塔板與塔頂?shù)木嚯x常大于一般塔板間距，以便能良好的除沫。最低一層塔板到塔底的距離較大，以便有較大的塔底空間貯液，保證液體能有1015min的停留時(shí)間，使塔底液體不致流空。塔底大多是直接通入由塔外再沸器來的蒸氣，塔底與再沸

17、器間有管路連接，有時(shí)則再塔底釜中設(shè)置列管或蛇管換熱器，將釜中液體加熱汽化。若是直接蒸汽加熱，則在釜的下部裝一鼓泡管，直接接入加熱蒸汽。另外，進(jìn)料板的板間距也比一般間距大。 （一） 接管 1. 進(jìn)料管 進(jìn)料管的結(jié)構(gòu)種類很多，有直管進(jìn)料管，彎管進(jìn)料管，T型進(jìn)料管。本設(shè)計(jì)采用直管進(jìn)料管，管徑計(jì)算如下： 取， ， 查標(biāo)準(zhǔn)系列選取。2. 回流管采用直管回流管，取， 查表取。3. 塔釜出料管取，查表取。4塔頂蒸汽出料管 直管出氣，取出口氣速，查表取。 采用直管，取氣速，查表取。6法蘭由于常壓操作，所有法蘭均采用標(biāo)準(zhǔn)管法蘭，平焊法蘭，由不同的公稱直徑，選用相應(yīng)的法蘭。(1)進(jìn)料管接管法蘭：Pg6Dg 70H

18、G5010-58(2)回流管接管法蘭：Pg6Dg 50HG5010-58(3)塔釜出料管法蘭：Pg6Dg 70HG5010-58(4)塔頂蒸汽管法蘭：Pg6Dg 400HG5010-58(5)塔釜蒸汽進(jìn)氣法蘭：Pg6Dg 400HG5010-58（二） 筒體和封頭1. 筒體 因此筒體的壁厚取6mm，材質(zhì)為A3.2. 封頭封頭分為橢圓形封頭、蝶形封頭等幾種，本設(shè)計(jì)采用橢圓形封頭，由公稱直徑Dg=1600 mm,查得曲面高度h1=400 mm,直邊高度h0=40 mm,內(nèi)表面積F封=m2容積V封=0.617m3.。選用封頭（三） 除沫器當(dāng)空塔氣速較大，塔頂帶夜現(xiàn)象嚴(yán)重，以及工藝過程中不許出塔氣速夾

19、帶霧低的情況下，設(shè)置除沫器，以液體夾帶損失，確保氣體純度，保證后續(xù)設(shè)備的正常操作。常用除沫器有折流板式除沫器、絲網(wǎng)除沫器以及程流除沫器。本設(shè)計(jì)采用絲網(wǎng)除沫器，其具有比表面積大、重量輕、空隙大及使用方便等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)氣速選?。?系數(shù) 除沫器直徑：選取不銹鋼除沫器：類型：標(biāo)準(zhǔn)型，規(guī)格：40-100， 材料：不銹鋼絲網(wǎng)(1Gr18Ni19),絲網(wǎng)尺寸：圓絲。（四） 裙座 塔底常用裙座支撐，裙座的結(jié)構(gòu)性能好，鏈接處產(chǎn)生的局部阻力小，所以它是塔設(shè)備的主要支座形式，為了制作方便，一般采用圓筒形。由于裙座內(nèi)徑>800mm,故裙座壁厚取16mm。 基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)徑： 基礎(chǔ)環(huán)外經(jīng)： 圓整：1400 mm，1900 mm;基礎(chǔ)環(huán)厚度，考慮到腐蝕余量取18 mm；考慮到再沸器，裙座高度取3m，地角螺栓直徑取M30.（五） 吊柱 對(duì)于較高的室外無框架的整體塔，在塔頂設(shè)置吊柱，對(duì)于補(bǔ)充和更換填料、安裝和拆卸內(nèi)件，既經(jīng)濟(jì)又方便的一項(xiàng)實(shí)施，一般取15m以上的塔物設(shè)吊柱，本設(shè)計(jì)中塔高度較大，因此設(shè)吊柱。本設(shè)計(jì)塔經(jīng)D=1600mm，可選用吊柱500kg。S=1000mm，L=4250mm,H=1250mm。材料為A3。（六） 人孔 人孔是安裝或檢修人員進(jìn)出塔的唯一通道，人孔的設(shè)置應(yīng)變于進(jìn)入任何一層塔板，由于設(shè)置人空處塔間距離大，且人孔設(shè)備過多會(huì)使制造時(shí)塔體的彎曲度難以達(dá)