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1、-甲醇-水体系浮阀精馏塔的设计0902062010-第 25 页合 肥 学 院Hefei University食品工程原理课程设计题 目: 甲醇-水溶液连续精馏塔设计 系 别: 生物与环境工程系 专 业:_ 食品科学与工程 学 号: 0902062010 姓 名: 吴启 指导教师: 胡庆国老师 2011年 10 月 14 日 目 录第一章 中英文概要51.1塔设备的类型51.2板式塔与填料塔的比较及选型51.2.1板式塔与填料塔的比较 51.2.2塔设备的选型 6第二章 概述 62.1 设计依据 72.2 技术来源 82.3 设计内容 8第三章 塔的工艺计算93.1工艺过程93.1.1物料衡算
2、93.1.2最小回流比及操作回流比的确定93.1.3精馏段和提馏段操作线的确定113.1.4理论及实际塔板数的确定113.1.5塔的结构设计12 3.1.5.1精馏塔塔径的计算17 3.1.5.2精馏塔有效高度的计算193.2 塔板主要工艺尺寸的计算193.2.1溢流装置计算203.2.2降液管20 3.2.2.1降液管高度和截面积20 3.2.2.2降液管底隙高度213.2.3塔板布置21 3.2.3.1塔板的分块21 3.2.3.2边缘区宽度确定22 3.2.3.3开孔区面积计算24 3.2.3.4浮阀塔计算及其排列253.3 流体力学演算 263.3.1气体通过浮塔塔板降263.3.2漏
3、液验算273.3.3液泛验算283.3.4雾沫夹带验算283.3.5液体在降液管内的停留时间28第四章 操作性能负荷图304.4.1气相负荷下限线304.4.2过量雾沫夹带线304.4.3液相负荷下限线304.4.4液泛负荷上限线304.4.5液泛线304.4.6操作性能负荷图31第五章 各接管尺寸的确定 315.1进料管315.2回流液325.3塔顶上升蒸汽管325.4塔釜出料管325.5冷凝水管32第六章 辅助设备的计算及选型336.1冷凝器的热负荷336.2再沸器的热负荷 33第七章 结果计算一览表34第八章 工艺流程图35第九章 板式塔的结构与附属设备359.1塔体结构 35第十章 泵
4、的选用36 心得体会37附录37参考文献39致谢39第一章 中英文概要设计一座连续浮阀塔，通过对原料，产品的要求和物性参数的确定及对主要尺寸的计算，工艺设计和附属设备结果选型设计，完成对乙醇-水精馏工艺流程和主题设备设计。首先根据设计任务，确定操作条件。比如：操作压力的确定、进料状态等的确定。然后设计工艺流程草图。根据确定的方案，确定具体的参数，即一个完整的设计就初步的确定了。最后计算塔的工艺尺寸、浮阀的流体力学演算、塔板的负荷性能，最后根据计算选择合适的辅助设备。The design of a continuous distillation valve column, in the mate
5、rial, product requirements and the main physical parameters and to determine the size, process design and selection of equipment and design results, completion of the carbinol-water distillation process and equipment design theme. At first,according to the designing task to determine the conduction
6、of the operation,for example,determine the power on the operation,the state of feeding,the draft of the distillation process.On the basis of the program,determining the specific paramiters,then the whole design can be determined.At last,design the process size of the tower,the loading capability of
7、the tower board,then choose the auxiliary epuipment according to the design.1.1塔设备的类型塔设备是化工，石油化工，生物化工，制药等生产过程中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触构件的结构形式，可分为板式塔和填料塔两大类。 板式塔内设置一定数量的塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上的液层，进行传质与传热。在正常操作下，气相为分散相，液相为连续相，气相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。1.2板式塔与填料塔的比较及选型1.2.1板式塔与填料塔的比较生产能力单位塔截面积上，填料塔的生产能力一般均高于板式塔。 分离效
8、率研究表明，在减压，常压和低压操作下，填料塔的分离效率明显低于板式塔，在高压操作下，板式塔的分离效率略优于填料塔的。 压力降一般情况下，板式塔的每个理论级压降约在0.41.1kPa，填料塔约为0.010.27kPa，通常，板式塔的压降高于填料塔5倍左右。压降低不仅能降低操作费用，节约能耗。对于精馏过程，可使塔釜温度降低，有利于热敏性物系的分离。 操作弹性填料塔的操作弹性取决于塔内件的设计，而板式塔的操作弹性则受到塔板液泛，液沫夹带及降液管能力的限制，一般操作弹性较小。 结构、制造及造价等一般来说，填料塔的结构较板式塔简单，故制造，维修也较为方面，但填料塔的造价通常高于板式塔1.2.2塔设备的选
9、型工业上，塔设备主要用于蒸馏和吸收传质单元操作过程。传统的设计中，蒸馏过程多选用板式塔，而吸收过程多选用填料塔。第二章 概述甲醇在工业，医药，民用等方面，都有很广泛的应用，是一种很重要的原料。在很多方面，要求甲醇有不同的纯度，有时要求纯度很高，甚至是无水甲醇，这是很有困难的，因为甲醇极具挥发性，所以，想得到高纯度的甲醇很困难。要想把低纯度的甲醇水溶液提升到高纯度，要用连续精馏的方法，因为甲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，塔内装有若干层塔板和充填一定高度的填料。为实现
10、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形，特别是在石油，化学工业中使用最普遍。浮阀有很多种形式，但最常用的是F1型和V-4型。F1型浮阀的结构简单，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
11、系统中，采用轻阀。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。浮阀塔不宜处理宜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。2.1 设计依据课程设计方案选定所涉及的主要内容有：操作压力，进料状况，加热方式及其热能的利用。（1）操作压力精馏可在常压，加压或减压下进行，确定操作压力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。一般来说，常压精馏最为简单经济，若物料无特殊要求，应尽量在常压先操作。加压操作可提高平衡温度，有利于塔顶蒸汽冷凝热的利用，或可以使用较便宜的冷却剂，减少冷凝
12、，冷却费用。在相同的塔径下，适当提高操作压力还可提高塔的处理能力，但增加塔压，也提高了再沸器的温度，并且相对挥发度也有所下降。降低操作压力，组分的相对挥发度增大，有利于分离。减压操作降低了平衡温度，这样可以使用较低温位的加热剂。但降低压力也导致塔径增大和塔顶蒸汽冷凝温度降低，且必须使用抽真空的设备，增加了相应的设备和操作费用。故我们采用塔顶压力为常压进行操作。（2）进料状况进料状态有多种，但一般都是将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这样，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。此外，泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，设计制造均比较方便。但泡点进料需预热
13、，热耗很大。在此次设计中，我们选用30C冷夜进料。（3）加热方式精馏塔通常设置再沸器，采用间接蒸汽加热，以提供足够的能量，若待分离的物系为某种轻组分和水的混合物，往往可采用直接蒸汽加热方式，即把蒸汽直接通入塔釜汽化釜液。这样操作费用和设备费用均可降低。但在塔顶轻组分回收率一定时，由于蒸汽冷凝水的稀释作用，使残液轻组分浓度降低，所需塔板数略有增加。综合考虑，我们采用间接蒸汽加热的方式（4）热能的利用蒸馏过程的原理是多次进行部分汽化和冷凝，因此热效率很低，通常进入再沸器的能量仅有5%左右被有效利用。塔顶蒸汽冷凝放出的热量是大量的，但其能位较低，不可能直接用来做塔釜的热源，但可用作低温热源，供别处使
14、用。或可采用热泵技术，提高温度后再用于加热釜液。此外，通过蒸馏系统的合理设置，也可取得节能的效果。例如，可采用设置中间再沸器和中间冷凝器的流程。2.2技术来源目前，精馏塔的设计方法以严格计算为主，也有一些简化的模型，但是严格计算法对于连续精馏塔是最常采用的，我们此次所做的计算也采用严格计算法。2.3设计内容食品工程原理课程设计任务书一、设计题目甲醇-水溶液连续精馏塔设计二、设计任务及操作条件1.设计任务生产能力（进料量）17500吨/年操作周期 7920 小时/年进料组成 30% （质量分率，下同）塔顶产品组成 92.5% 塔底产品组成 1.0% 2.操作条件操作压力 塔顶为常压 进料热状态泡
15、点进料加热方式 间接蒸汽 3.填料的选择 自选 4.厂址 合肥 三、设计内容1.设计方案的选择及流程说明2.生产条件确定和说明3.塔体工艺尺寸设计（1）塔径的确定（2）填料层高度的确定（3）填料层压降的计算4.辅助设备选型与计算5.设计结果汇总6.工艺流程图及填料精馏塔主体设备图7.设计评述第三章 塔的工艺计算3.1工艺过程3.1.1物料衡算MF=32.04*0.1942+18.015*(1-0.1942)=20.74g/molMD=32.04*0.874=18,015*（1-0.874）=30.27g/mol原料处理量F=17500/(330*24*20.74)=106.54kmol/h=X
16、D*D/(XF*F)=99%则可得：D=23.44kmol/hF=D+W W=F-D=83.1kmol/hXF*F=XD*D+W*Xw Xw=（XF*F-XD*D）/W=(0.1942*106.54-0.874*23.44)/83.1=0.002449F106.54kmol/hXF0.1942D23.44kmol/hXD0.874W83.1kmol/hXw0.0024493.1.2最小回流比及操作回流比的确定1.物系相平衡数据a. 基本物性数据组分分子式分子量沸点熔点水H2O18.015373.15K273.15K甲醇CH3OH32.040337.85K176.15Kb. 常压下甲醇和水的气液
17、平衡表(txy)tXytxy1000077.829.0968.0192.95.3128.3476.733.3369.1890.37.6740.0176.235.1369.1888.99.2643.5373.846.2077.5686.612.5748.3172.752.9279.7185.013.1554.5571.359.3781.8383.216.7455.8570.068.4984.9282.318.1857.7568.085.6289.6281.620.8362.7366.987.4191.9480.223.1964.8564.710010078.028.1867.752.确定回流比根
18、据甲醇水气液平衡组成表和相对挥发度公式 ，。计算得 =4.83，平衡线方程为：y=4.83x/(1+3.83x) xF=（0.3/32.04）/（0.3/32.04+0.7/18.015）=0.1942xD=（0.925/32.04）/(0.925/32.04+0.075/18.015)=0.874泡点进料所以xq=xF=0.1942，带入平衡线方程得yq=0.5379 Rmin=（xD-yq）/（yq-xq）=（0.874-0.5379）/（0.5379-0.1942）=0.9779则R=1.6Rmin=1.6*0.9779=1.56463.1.3精馏段和提馏段操作线的确定精馏段操作线方程：
19、y=x + =0.6101x+0.3408提馏段操作线方程为: =2.3824x-0.0033853.1.4理论及实际塔板数的确定1.理论塔板数作图如下理论塔板数图理论需要10块板也可计算如下：由上而下逐板计算，自X0=0.874开始到X首次低于XF=0.1942时止 操作线上的点 平衡线上的点 （X0=0.874,Y1=0.874） (X1=0.5895, Y1=0.874) （X1=0.5895,Y2=0.7005） （X2=0.3263,Y2=0.7005） （X2=0.3263,Y3=0.5399） （X3=0.1955,Y1=0.5399） （X3=0.1955,Y4=0.4601）
20、 （X4=0.1450,Y4=0.4601）因为X4 时首次出现 Xi Xq 故第4块理论版为加料版，精馏段共有3块理论板。提馏段理论板数已知X4=0.1450， 由上而下计算，直到X首次越过Xw=0.002449时为止。操作线上的点 平衡线上的点（X4=0.1450,Y5=0.3421） （X5=0.09719,Y5=0.3421）（X5=0.09719,Y6=0.2282） （X6=0.05768,Y6=0.2282）（ X6=0.05768,Y7=0.1340） （X7=0.03104,Y7=0.1340）（X7=0.03104,Y8=0.07056） （X8=0.01547,Y8=0.
21、07056）（X8=0.01547,Y9=0.03347） （X9=0.007119,Y9=0.03347）（X9=0.007119,Y10=0.01358） （X10=0.002842,Y10=0.01358）（X10=0.002842,Y11=0.003386） （X11=0.0007029,Y11=003386）由于到X11首次出现X 5s提馏段：0.02778*0.25/0.0008379=8.2886 5s 说明设计合理3.2.2.2降液管底隙高度h0取液体通过降液管底隙的流速u0=0.08m/sh0=Ls/(lw* u0)=0.0002894/(0.462*0.08)=0.0078
22、3mhw- h0=0.04512-0.00783=0.03729m=32.79mm6mm 设计合理3.2.3塔板布置3.2.3.1塔板的分块由于D较小所以不需采用分块式【8】（常用化工单元设备的设计P111）DN/mmD1/mmAt/ m2Lw/mmWd/mmlw/DAf/ cm2Af/At7006680.384467.689.50.66276.80.07193.2.3.2边缘区宽度确定边缘区宽度示意图【9】（常用化工单元设备的设计P105）取安定区宽度Ws=0.07m，边缘区宽度Wc=0.04m弓形降液管宽度Wd=0.0868m采用F1型重阀，孔径0.039mm，质量34g，取阀孔动能因子F
23、0=9.5【10】（常用化工单元设备的设计P107）【11】(常用化工单元设备的设计P107)3.2.3.3开孔区面积计算有效传质区：根据公式：其中：R=0.35-0.04=0.31mx=0.35-0.1568=0.1932m=0.2229m23.2.3.4浮阀塔计算及其排列（1）孔速 uo=9.5/(1.00302)0.5=9.4857 m/s（2）浮阀数：n=0.465/（1/43.140.03929.4857）=41.05=42(个)（3）阀孔排列实际浮阀数如图采用等腰三角形顺排法孔中心距0.075m 5*8=40个气体通过阀孔的实际速度u0= VS/（ 1/4 d2 N）=9.7363 m/s实际动能因子F0=uo(V,M) 0.5=9.751阀孔动能因数变化不大，仍在912范围内。（4）开孔率=u/u0=1.2089/9.7363*100%=12.42%3.3流体力学演算3.3.1.气体通过浮阀