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1、 南京工业大学化工原理课程设计设计题目 甲醇-水二元体系浮阀精馏塔的工艺设计 学生姓名 班级、学号 指导教师姓名 夏毅 王海燕 课程设计时间 年 月 日 年 月 日 课程设计成绩百分制 权重设计说明书、计算书及设计图纸质量，70%独立工作能力、综合能力、设计过程表现、设计答辩及回答问题情况，30%设计最终成绩（五级分制）指导教师签字 课程名称： 化工原理课程设计设计题目： 甲醇-水体系浮阀精馏塔的设计学生姓名： 专业： 化学工程与工艺 班级学号： 设计日期： 2012-12-24至2013-01-06设计任务： 甲醇-水体系设计条件及任务：进料流量：F250kmol/h进料组成：Xf=0.28
2、（摩尔分率）进料热状态：泡点进料要求塔顶产品浓度XD=0.99易挥发组分回收率0.99前 言化学工业中塔设备是化工单元操作中重要的设备之一，化学工业和石油工业中广泛应用的诸如吸收、解吸、精馏、萃取、增湿、减湿等单元操作中，精馏操作是最基本的单元操作之一，它是根据混合液中各组分的挥发能力的差异进行分离的。 塔设备一般分为级间接触式和连续接触式两大类。前者的代表是板式塔，后者的代表则为填料塔。一般，与填料塔相比，板式塔具有效率高、处理量大、重量轻及便于检修等特点，但其结构较复杂，阻力降较大。在各种塔型中，当前应用最广泛的是筛板塔和浮阀塔。浮阀塔的特点：1生产能力大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，其开
3、孔面积大于泡罩塔板，生产能力比泡罩塔板大 20%40%，与筛板塔接近。 2操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此维持正常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔，泡罩塔都大。 3塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故气液接触时间较长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。 4气体压降及液面落差小，因气液流过浮阀塔板时阻力较小，使气体压降及液面落差比泡罩塔小。 5塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的 50%80%，但是比筛板塔高 20%30。 但是，浮阀塔的抗腐蚀性较高（防止浮阀锈死在塔板上），所以一般采用不锈钢作成，致使浮阀造价昂贵，推广受到一定限制。随着科学技术的不断发展
4、，各种新型填料，高效率塔板的不断被研制出来，浮阀塔的推广并不是越来越广。 近几十年来，人们对浮阀塔的研究越来越深入，生产经验越来越丰富，积累的设计数据比较完整，因此设计浮阀塔比较合适。本次设计就是针对甲醇水体系，而进行的常压浮阀精馏塔的设计及其辅助设备的选型。由于此次设计时间紧张，本人水平有限，难免有遗漏谬误之处，恳切希望各位老师指出，以便订正。 2013年1月目 录概述7第一章 总体操作方案的确定1.1操作压强的选择71.2物料的进料热状态71.3回流比的确定81.4塔釜的加热方式81.5回流的方式方法8第二章 精馏的工艺流程图的确定9第三章 理论板数的确定3.1物料衡算93.2物系相平衡数
5、据 103.3确定回流比113.4理论板数NT的计算以及实际板数的确定113.5实际塔板数的确定13第四章 塔体主要工艺尺寸的确定4.1各设计参数144.2精馏段塔径塔板的实际计算204.2.1精馏段汽、液相体积流率4.2.2塔径塔板的计算4.2.3塔板流体力学的验算4.2.4塔板负荷性能图及操作弹性4.3提馏段塔径塔板的实际计算334.3.1精馏段汽、液相体积流率4.3.2塔径塔板的计算4.3.3塔板流体力学的验算4.3.4塔板负荷性能图及操作弹性第五章浮阀塔板工艺设计计算结果45第六章 辅助设备及零件设计1.塔顶全凝器的计算及选型462.塔底再沸器面积的计算及选型513.其他辅助设备计算及
6、选型52第七章 设计感想57第八章 致谢58第九章 参考文献58 概述:塔设备一般分为级间接触式和连续接触式两大类。前者的代表是板式塔，后者的代表则为填料塔。一般，与填料塔相比，板式塔具有效率高、处理量大、重量轻及便于检修等特点，但其结构较复杂，阻力降较大。在各种塔型中，当前应用最广泛的是筛板塔和浮阀塔。浮阀塔的优点：1生产能力大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，其开孔面积大于泡罩塔板，生产能力比泡罩塔板大 20%40%，与筛板塔接近。 2操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此维持正常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔，泡罩塔都大。 3塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故气
7、液接触时间较长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。 4气体压降及液面落差小，因气液流过浮阀塔板时阻力较小，使气体压降及液面落差比泡罩塔小。 5塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的 50%80%，但是比筛板塔高 20%30。 但是，浮阀塔的抗腐蚀性较高（防止浮阀锈死在塔板上），所以一般采用不锈钢作成，致使浮阀造价昂贵，推广受到一定限制。随着科学技术的不断发展，各种新型填料，高效率塔板的不断被研制出来，浮阀塔的推广并不是越来越广。 近几十年来，人们对浮阀塔的研究越来越深入，生产经验越来越丰富，积累的设计数据比较完整，因此设计浮阀塔比较合适。本次的课程设计任务是甲醇和水的体系，要想把低纯度的
8、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。浮阀塔是二十世纪五十年代初开发的一种新塔型。其特点是在筛板塔基础上，在每个筛孔处安置一个可上下移动的阀片。当筛孔气速高时，阀片被顶起、上升
9、，孔速低时，阀片因自重而下降。阀片升降位置随气流量大小作自动调节，从而使进入液层的气速基本稳定。又因气体在阀片下测水平方向进入液层，既减少液沫夹带量，又延长气液接触时间，故收到很好的传质效果。国内常用的浮阀有三种，即图1所示的F1型及图2所示的V-4型与T型。V-4型的特点是阀孔被冲压成向下弯的喷咀形，气体通过阀孔时因流道形状渐变可减小阻力。T型阀则借助固定于塔板的支架限制阀片移动范围。三类浮阀中，F1型浮阀最简单，该类型浮阀已被广泛使用。我国已有部颁标准（JB111868）。F1型阀又分重阀与轻阀两种，重阀用厚度2mm的钢板冲成，阀质量约33g，轻阀用厚度1.5mm的钢板冲成，质量约25g。
10、阀重则阀的惯性大，操作稳定性好，但气体阻力大。一般采用重罚。只有要求压降很小的场合，如真空精馏时才使用轻阀。 图1 浮阀（F1型） 图2 浮阀（a）V-4型，（b）T型一 总体操作方案的确定1.1 操作压强的选择：精馏可以常压，加压或减压条件下进行。确定操作压力时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的。对于沸点低，常压下为气态的物料必须在加压条件下进行操作。在相同条件下适当提高操作压力可以提高塔的处理能力，但是增加了塔压，也提高了再沸器的温度，并且相对挥发度液会下降。对于热敏性和高沸点的物料常用减压蒸馏。降低操作压力，组分的相对挥发度增加，有利于分离。减压操作降低了平
11、衡温度，这样可以使用较低位的加热剂。但是降低压力也导致了塔直径的增加和塔顶冷凝温度的降低，而且必须使用抽真空设备，增加了相应的设备和操作费用。本次任务是甲醇和水体系，甲醇-水这一类的溶液不是热敏性物料，且沸点又不高，所以不需采用减压蒸馏。这类溶液在常压下又是液态，塔顶蒸气又可以用普通冷却水冷凝，因而也不需采用加压蒸馏。所以为了有效降低设备造价和操作费用对这类溶液可采用常压蒸馏。 操作压强:P=1atm=0.1MPa=1.013103KPa1.2 物料的进料热状态：进料热状态有五种。原则上，在供热一定的情况下，热量应尽可能由塔底输入，使产生的气相回流在全塔发挥作用，即宜冷也进料。但为使塔的操作稳
12、定，免受季节气温的影响，常采用泡点进料。这样，塔内精馏段和提留段上升的气体量变化较小，可采用相同的塔径，便于设计和制造。但将原料预热到泡点，就需要增设一个预热器，使设备费用增加。综合考虑各方面因素，决定采用泡点进料，即q=1 。1.3 回流比的确定： 对于一定的分离任务，采用较大的回流比时，操作线的位置远离平衡线向下向对角线靠拢，在平衡线和操作线之间的直角阶梯的跨度增大,每层塔板的分离效率提高了，所以增大回流比所需的理论塔板数减少，反之理论塔板数增加。但是随着回流比的增加，塔釜加热剂的消耗量和塔顶冷凝剂的消耗量液随之增加，操作费用增加，所以操作费用和设备费用总和最小时所对应的回流比为最佳回流比
13、。本次设计任务中，综合考虑各个因素，采用回流比为最小回流比的1.6倍。即：R=1.6 Rmin1.4 塔釜加热方式：塔釜可采用间接蒸汽加热或直接蒸汽加热。直接蒸汽加热的优点是，可利用压强较低的加热蒸汽，并省掉间接加热设备，以节省操作费用和设备费用。但直接蒸汽加热，只适用于釜中残液是水或与水不互溶而易于分离的物料，所以通常情况下，多采用间接蒸汽加热。1.5 回流的方式方法: 液体回流可借助位差采用重力回流或用泵强制回流。采用重力回流可节省一台回流泵，节省设备费用，但用泵强制回流，便于控制回流比。考虑各方面综合因素，采用重力回流。二. 精馏的工艺流程图的确定甲醇水溶液经预热至泡点后，用泵送入精馏塔
14、。塔顶上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。3. 理论板数的确定3.1 物料衡算：= D=FXf/XD=0.992500.28/0.99=70 kmol/hF=D+W W=F- D=250-70=180 kmol/hFXf= DXD+WXw Xw=(FXf-DXD)/W=(2100.20-420.99)/168=0.003893.2 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
15、水的气液平衡表(txy)tXytxy1000077.829.0968.0192.95.3128.3476.733.3369.1890.37.6740.0176.235.1369.1888.99.2643.5373.846.2077.5686.612.5748.3172.752.9279.7185.013.1554.5571.359.3781.8383.216.7455.8570.068.4984.9282.318.1857.7568.085.6289.6281.620.8362.7366.987.4191.9480.223.1964.8564.710010078.028.1867.75 3.3
16、 确定回流比:根据甲醇水气液平衡组成表和相对挥发度公式 ， 求得：算得相对挥发度=4.83平衡线方程为：y=4.83x/(1+3.83x) 因为泡点进料 所以 xe = Xf=0.28 代入上式得 ye = 0.6526 Rmin = =(0.99-0.6526)/(0.6526-0.2)=0.9055 R=1.6 Rmin =1.6*0.9055=1.44883.4理论板数NT的计算以及实际板数的确定1）塔的汽、液相负荷 L=RD=1.448870=101.416 kmol/hV=(R+1)D=(1.4488+1) 70=171.416 kmol/h V=V=171.416 kmol/hL=
17、L+F=101.416 kmol/h+250 kmol/h=351.416kmol/h2）求操作线方程精馏段操作线方程： y=x + =0.5916x+0.4043提馏段操作线方程为: =2.05x-0.01053)逐板计算法求理论板层数 精馏段理论板数： 平衡线方程为：y=4.83x/(1+3.83x) 精馏段操作方程：y=x + =0.5916x+0.0.4043 由上而下逐板计算，自X0=0.99开始到Xi首次超过Xq =0.2时止 操作线上的点 平衡线上的点 （X0=0.99,Y1=0.99） (X1=0.95, Y1=0.99) （X1=0.95,Y2=0.97） （X2=0.87,
18、Y2=0.97） （X2=0.87,Y3=0.92） （X3=0.70,Y1=0.92） （X3=0.70,Y4=0.82） （X4=0.49,Y4=0.82） （X4=0.49,Y5=0.69） （X5=0.32,Y5=0.69） （X5=0.32,Y6=0.59） （X6=0.23,Y6=0.59）因为X6 时首次出现 Xi Xq 故第6块理论版为加料版，精馏段共有5块理论板。提馏段理论板数提馏段操作线方程：y=2.3147x-0.00328已知X6=0.23, 由上而下计算，直到Xi 首次越过Xw=0.00389时为止。操作线上的点 平衡线上的点（X6=0.23,Y7=0.46） （X7
19、=0.15,Y7=0.46）（X7=0.15,Y8=0.34） （X8=0.096,Y8=0.34）（ X8=0.096,Y9=0.19） （X9=0.046,Y9=0.19）（X9=0.046,Y10=0.084） （X10=0.0186,Y10=0.084）（X10=0.0186,Y11=0.028） （X11=0.00593,Y11=0.028）（X11=0.00593,Y12=0.00166） （X12=0.00344,Y12=0.00166）由于到X13首次出现Xi 6 mm 故降液管底隙高度设计合理。d.安定区与边缘区的确定取安定区宽度=0.07m，边缘区宽度取=0.04m 弓形降
20、液管宽度 Wd=0.15me.鼓泡区间阀孔数的确定以及排列采用F1型重阀，孔径为39mm。取阀孔动能因子 FO=9.5孔速 uo=9.5/(1.0456)0.5=9.29054 m/s浮阀数：n=1.297/（1/43.141590.03929.29054）=107.5=108(个)有效传质区：根据公式：其中：R=0.46mx=0.28m=0.4498m2塔板的布置因 D800mm 故塔板采用分块式，查表的塔块分为3块，采用等腰三角形叉排。浮阀塔筛孔直径取 d=39mm,阀孔按等腰三角形排列。 阀孔的排列：第一排阀孔中心距t为75mm，各排阀孔中心线间的距离t可取65mm,80mm,100mm
21、. 经过精确绘图，得知，当t=65mm时，阀孔数N实际=98个按N=85重新核算孔速及阀孔动能因数：孔速u0= VS/（ 1/4 d2 N）=11.079 m/sF0=uo(V,M) 0.5=11.58阀孔动能因数变化不大，仍在912范围内。开孔率空塔气速u= VS / AT = 1.6514 m/s =u / uo =1.6514 / 11.428 =14.45 %5%14.45%15%, 符合要求故：t=75mm , t=65mm, 阀孔数N实际=98个则每层板上的开孔面积AO =A a = 0.449814.45 %=0.065m24）塔板流体力学的验算a.塔板压降气体通过浮阀塔板的压力
22、降(单板压降)干板阻力 : 浮阀由部分全开转为全部全开时的临界速度为U0,cU0,c=（73.1/V,M）（1/1.825）=10.250m/s11.428m/s =5.341.045611.4282/（2807.3679.8）=0.0461m液柱液层阻力充气系数 =0.5,有:h1=h1=0.50.06=0.03m液柱液体表面张力所造成阻力, 此项可以忽略不计。故气体流经一层浮阀塔塔板的压力降的液柱高度为：hp=0.03+0.0461=0.0761m常板压降=0.0761807.3679.81=602.7326Pa 640Pa,符合设计要求。b. 液泛的校核为了防止塔内发生液泛，降液管高度应
23、大于管内泡沫层高度。即：Hd（HT+hW）Hd=hw+how+hd+hp+ hd=0.2(LS/(lwho)2 甲醇-水属于一般物系，取0.5 对于浮阀塔0则Hd=hw+how+hd+hp+=0.04802+0.01198+0.2(0.00095/(0.70.022)2+0.0761=0.07926m（HT+hW）=0.5(0.4+0.04802)=0.224m因0.137965s 符合要求d雾沫夹带泛点率=100%lL=D-2Wd=1-20.15=0.7Ab=AT-2Af=0.7854-20.0707=0.644式中: lL板上液体流经长度，m; Ab板上液流面积，m2 ；CF泛点负荷系数，
24、由图查得泛点负荷系数取0.098 K特性系数，查下表，取1.0.物性系数K系统物性系数K无泡沫，正常系统氟化物（如BF3，氟里昂）中等发泡系统（如油吸收塔、胺及乙二醇再生塔）多泡沫系统（如胺及乙二胺吸收塔）严重发泡系统（如甲乙酮装置）形成稳定泡沫的系统（如碱再生塔）1.00.90.850.730.600.30由上代入数据得：泛点率=75.44% 对于大塔，为避免过量雾沫夹带，应控制泛点率不超过80%。计算出的泛点率在80%以下，故可知雾沫夹带量能够满足ev0.1kg液/kg(干气)的要求。e. 漏液验算 0.5312 m3/sVs=1.2553 m3/s,可见不会产生过量漏液。4) 塔板负荷性能图及操作弹性液相下限线因堰上液层厚度how为最小值时，对应的液相流量为最小。设how,小=0.006m LW=0.7 推出 LS=0.000575 m3/s液相上限线当停留时间取最小时，LS为最大，求出上限液体流量值（常数），在图上，液相负荷上限线为与气体流量无关的竖直线。以作为液体在降液管中停留时间的下限，