課程設計--年處理量23000噸二元精餾浮閥塔設計

1、<p>　　化工原理課程設計說明書</p><p>　　題目：年處理量23000噸二元精餾浮閥塔設計</p><p>　　學生姓名 </p><p>　　學 號 </p><p>　　指導教師

2、</p><p>　　院 系 石油化工學院 </p><p>　　專業(yè)班級 能源化學工程1402班 </p><p>　　設計時間 2016.12.5-2016.12.16 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本次化工

3、原理課程設計，設計出了無水乙醇分離設備板式精餾塔。綜合工藝方便，經濟及安全多方面考慮，本設計采用了浮閥式塔板對無水乙醇溶液進行分離提純。按照逐板法計算理論塔板數為6塊，其中精餾段塔板數為4塊，提餾段塔板數為2塊。根據經驗式算得全塔效率為39%，塔頂使用全凝器，泡點回流。精餾段實際板數為10塊，提餾段實際板數為2塊，實際加料板位置在第11塊板。由精餾段的工藝計算得到塔徑0.6m,塔高10.5m。塔的附屬設備中，所有管線均采用無縫鋼管，預熱

4、器采用管殼式換熱器。</p><p>　　關鍵詞:乙醇；浮閥塔；塔板數</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The principles of chemical engineering course design, design of absolute ethyl alcohol separation eq

5、uipment - continuous floating valve type distillation tower. According to the theory of plate by plate method, the number of tower plates is 6, the number of distillation column is 4, and the number of column plate is 2.

6、 According to the experience is regarded as the column efficiency was 39%, the top using fullcondensate bubble point back. The actual plate number is 10, the actual plate number is</p><p>　　Key words:absolut

7、e ethyl alcohol;float valvetower</p><p><b>　　設計任務書</b></p><p><b>　　1.設計題目：</b></p><p>　　試設計精餾板式塔，用于分離乙醇，原料處理量為23000噸混合物料，進料組成輕組分摩爾分數為0.14，溜出液組成為0.94，釜液組成為0.0

8、4，加料熱狀況q=1，塔頂設全凝器，泡點回流，回流比為（1.1～2.0）Rmin</p><p><b>　　2.工藝設計條件</b></p><p>　?。?）操作平均平均壓力：常壓</p><p>　　（2）每年年產時間為300天，每天24小時。</p><p>　?。?）選用浮閥板式塔</p><

9、;p><b>　　3 設計任務</b></p><p>　　完成精餾板式塔物料衡算，能量衡算，浮閥塔的設計計算及附屬設備的選型，繪制帶控制點的工藝流程圖和精餾塔的設備條件圖，編設計說明書，具體如下： </p><p>　?。?）設計方案的確定和說明 </p><p>　?。?）精餾塔的物料衡算</p><

10、;p>　?。?）精餾塔的能量衡算</p><p>　?。?）浮閥塔附屬結構設計</p><p>　?。?）浮閥塔輔助裝置設計</p><p>　?。?）繪制生產工藝流程圖（A4圖紙）</p><p>　?。?）繪制浮閥塔設計條件圖（A1圖）</p><p><b>　　4 設計要求</b>&

11、lt;/p><p>　　(1) 要求借助乙醇生產的有關資料，熟悉生產過程，了解過程組成及分離原理。</p><p>　　(2) 與設計計算的有關參數要充分、可靠、計算結果準確。</p><p>　　(3) 設計說明書內容應全面，主要包括：①課題名稱、任務；②設計簡介扼要敘述設計內容與要求、設計原理方法，要求文字簡煉，層次清楚；③設計方案的確定與設計，包括方案的選擇說明，

12、方案的實體設計，如工藝流程度，設備圖；④參考文獻，設計所參閱的資料均應標明資料的名稱、作者、期，頁、版本等。</p><p>　　(4) 設計必須獨立完成，要求方案正確，論據充分，闡述清楚，文字簡潔，書寫工整。</p><p>　　(5) 工藝流程圖應按化工設計中的有關規(guī)定繪制。設備圖應按化工工藝制圖的有關規(guī)定繪制。(繪制中，可參閱化工設計與化工工藝設備圖繪制有關資料)</p>

13、<p><b>　　5 設計時間：</b></p><p>　　2016年12月5日——2016年12月16日</p><p>　　設計學生：楊帥寧 指導老師：朱鋆珊</p><p><b>　　1 概述</b></p><p>　　化工生產中常需

14、進行液體混合物的分離以達到或提純有用組分的目的。互溶液體混合物的分離有多種方法。蒸餾.或精餾是其中最常用的一種，蒸餾是分離均相混合物的單元操作之一，，精餾操作的實質是塔底供熱產生蒸汽回流，塔頂冷凝造成液體回流。</p><p>　　氣體在塔盤板上以水平方向吹出，氣液接觸時間長，霧沫夾帶量少，液面落差也較小。與泡罩塔板相比，處理能力較大，壓力降較低，而塔板效率較高，缺點是閥孔易磨損，閥片易脫落，操作氣速不可能會很高

15、，因為會產生嚴重的霧沫夾帶，這就限制了生產能力的進一步提高。</p><p>　　具有代表性的浮閥塔有F1型（V1型）浮閥塔板，重盤式浮閥塔，盤式浮閥，條形浮閥及錐心形浮閥等。</p><p><b>　　2 設計方案的確定</b></p><p><b>　　2.1 選擇塔型</b></p><p&g

16、t;　　精餾塔屬氣—液傳質設備。氣—液傳質設備主要分為板式塔和填料塔兩大類。該塔設計生產時日要求較大，由板式塔與填料塔比較[1]知：浮閥塔主要優(yōu)點效率高，操作彈性大，處理能力好，霧沫夾帶小，接觸時間長，傳質效果好，因此本設計采用浮閥塔比較合適。</p><p><b>　　2.2 操作壓力</b></p><p>　　常壓操作可減少因加壓或減壓操作所增加的增、減壓設備

17、費用和操作費用，提高經濟效益, 在條件允許下常采用常壓操作，因此本精餾設計選擇在常壓下操作。</p><p><b>　　2.3 加熱方式</b></p><p>　　在本物系中，水為難揮發(fā)液體，選用直接蒸汽加熱，可節(jié)省再沸器。</p><p><b>　　2.4 操作條件</b></p><p>

18、　?、俨僮髌骄鶋毫Γ撼?lt;/p><p>　?、诿磕臧?00天計，每天24小時連續(xù)運行</p><p><b>　　2.5 工藝流程</b></p><p>　　原料槽中的原料液先由離心泵送到預熱器預熱，再進精餾塔，精餾塔塔頂蒸汽經全凝器冷凝，泡點回流，塔頂產品輸送進乙醇貯存罐，而再沸器則加熱釜液，塔釜產品流入釜液貯存罐。</p>

19、<p>　　3 浮閥式精餾塔的工藝設計</p><p>　　3.1 精餾塔的物料衡算</p><p>　　已知:年處理量為23000噸，進料液含乙醇0.1，餾出液組成為0.94，塔底殘液的乙醇含量為0.04</p><p>　　進料乙醇的摩爾組成：==0.0599 </p><p>　　塔頂乙醇的摩爾分數：==0.8597<

20、/p><p>　　塔底殘液乙醇的摩爾分數：</p><p>　　年生產量：F==162.3456 kmol/h</p><p>　　全塔物料衡算：F=D+W =+</p><p>　　D=8.4473 kmol/h W=153.8983 kmol/h</p><p>　　3.1.1 最小回流比的計算</p>

21、;<p>　　利用插圖法得：點A(14，17)，點B(86，53)</p><p>　　=5.45，因為泡點進料，所以q=1,==0.0599</p><p><b>　　===0.2578</b></p><p><b>　　===3.041</b></p><p>　　R=1.6=

22、1.63.041=4.8656</p><p>　　氣液體積流量的計算：</p><p>　　精餾段：下降液體量：</p><p><b>　　上升蒸汽量:</b></p><p>　　提餾段：下降液體量：</p><p><b>　　上升蒸汽量:</b></p>

23、<p><b>　　精餾段操作方程：</b></p><p><b>　　提餾段操作方程：</b></p><p><b>　　相平衡方程： </b></p><p>　　3.1.2 物性參數的計算</p><p><b>　　（1） 溫度的計算<

24、;/b></p><p>　　利用表1中數據值插法確定進料溫度、塔頂溫度、塔底溫度。</p><p><b>　　進料溫度： = </b></p><p><b>　　塔頂溫度: </b></p><p>　　塔底溫度: </p><p><b&

25、gt;　　精餾段平均溫度:</b></p><p><b>　　提餾段平均溫度:</b></p><p>　　表1常壓下乙醇的汽液平衡數據</p><p><b>　　（2） 密度的計算</b></p><p><b>　　塔頂溫度:</b></p>

26、<p><b>　　汽相組成: </b></p><p><b>　　進料溫度:</b></p><p><b>　　汽相組成: </b></p><p><b>　　塔底溫度:</b></p><p><b>　　汽相組成:

27、 </b></p><p>　　精餾段平均液相組成: </p><p>　　精餾段平均汽相組成: </p><p>　　精餾段液相平均分子量:</p><p><b>　　kg/kmol</b></p><p>　　精餾段汽相平均分子量:</p>&l

28、t;p>　　提餾段平均液相組成: </p><p>　　提餾段平均汽相組成: </p><p>　　提餾段液相平均分子量: </p><p>　　提餾段汽相平均分子量:</p><p>　　表2不同溫度下乙醇和水的密度</p><p><b>　　(進料乙醇的密度）</b></p&

29、gt;<p>　　（進料中水的密度） （料液的密度）</p><p>　?。锍鲆褐幸掖嫉拿芏龋?lt;/p><p>　?。锍鲆褐兴拿芏龋?lt;/p><p><b>　?。锍鲆旱拿芏龋?lt;/b></p><p><b>　　(殘液乙醇的密度)</b></p&g

30、t;<p><b>　?。堃褐兴拿芏龋?lt;/b></p><p><b>　　(殘液的密度)</b></p><p>　　(3) 混合液體張力的計算</p><p><b>　　對于乙醇q=2</b></p><p>　　乙醇的表面張力： <

31、/p><p>　　水的表面張力： </p><p><b>　　塔頂的表面張力：</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=-0.4193</b>&l

32、t;/p><p>　　A=B+Q=-2.6573-0.4193=-3.0766</p><p><b>　　聯立方程組得：</b></p><p><b>　　,</b></p><p><b>　　代入得：, </b></p><p>　　利用同樣的方

33、法可計算出原料及塔底的表面張力</p><p><b>　　原料液表面張力：</b></p><p><b>　　塔底液表面張力：</b></p><p><b>　　精餾段表面張力：</b></p><p>　　提餾段的表面張力： </p><p>

34、　　表3 乙醇和水的黏度</p><p>　　(4) 混合物的黏度</p><p><b>　　精餾段的黏度:</b></p><p><b>　　精餾段的黏度:</b></p><p><b>　?。?） 相對揮發(fā)度</b></p><p><b

35、>　　由， 得</b></p><p><b>　　由， 得</b></p><p><b>　　由， 得</b></p><p>　　精餾段的平均相對揮發(fā)度:</p><p>　　提餾段的平均相對揮發(fā)度:</p><p>　　(6) 理論塔板數及實際塔板數

36、的計算</p><p><b>　　①理論塔板數的計算</b></p><p><b>　　, </b></p><p>　　由耳波和馬多克思圖查得：</p><p><b>　　實際塔板數：</b></p><p><b>　　精餾板實際塔板

37、數：</b></p><p>　　提餾板實際塔板數：12-10=2塊 (第11塊為進料板)</p><p>　　3.2 浮閥塔的熱量衡算</p><p>　　3.2.1 加熱介質的選擇：</p><p>　　本設計選用300kpa的飽和水蒸氣作為加熱介質。</p><p>　　3.2.2 冷卻劑的選擇:&

38、lt;/p><p>　　常用的冷卻劑是水和空氣。</p><p>　　3.2.3 比熱容及汽化潛熱的計算</p><p>　?。?）塔底溫度下的比熱容：查化工原理數據手冊得，</p><p>　　(2)進料溫度下的比熱容</p><p>　　(3)塔底溫度下的比熱容</p><p>　　表4乙醇和水

39、的汽化潛熱</p><p>　　(4)塔頂溫度下的汽化潛熱</p><p>　　3.2.4 熱量衡算</p><p>　?。?）0℃時塔頂上升的熱量Qv，塔頂以0℃為基準</p><p>　　(2)回流液的熱量:</p><p>　?。?）塔頂溜出液的熱量:</p><p><b>　

40、　(4)進料熱量:</b></p><p>　　(5)塔底殘夜熱量: </p><p>　　(6)冷凝器消耗熱量 </p><p>　　(7)再沸器提供熱量 塔釜熱損失為10%,則</p><p><b>　　計算得：</b></p><p>　　表5熱量衡算計算結果</p&g

41、t;<p>　　3.2.5 塔經的初步設計</p><p>　　1.氣液相體積流量的計算</p><p>　?。?）精餾段：=0.0114kmol/s</p><p>　　kmol/h=0.0138kmol/s </p><p><b>　　已知： </b></p><p><

42、;b>　　液相質量流量：</b></p><p><b>　　汽相質量流量：</b></p><p><b>　　液相體積流量： </b></p><p><b>　　汽相體積流量：</b></p><p><b>　　(2)提餾段：</b&g

43、t;</p><p><b>　　已知： </b></p><p><b>　　液相質量流量：</b></p><p><b>　　汽相質量流量：</b></p><p><b>　　液相體積流量：</b></p><p><

44、;b>　　汽相體積流量： </b></p><p>　　2.塔經的計算與選擇</p><p>　　（1）精餾段：μ=（安全系數） 安全系數=0.6~0.8</p><p><b>　　橫坐標數值： </b></p><p><b>　　取板間距：</b></p>

45、<p><b>　　圖1史密斯關聯圖</b></p><p><b>　　查圖可知：</b></p><p><b>　　塔徑：</b></p><p><b>　　塔徑圓整: </b></p><p><b>　　塔徑橫截面積： &

46、lt;/b></p><p><b>　　空塔氣速: </b></p><p><b>　　(2)提餾段 </b></p><p><b>　　橫坐標數值：</b></p><p><b>　　取板間距：</b></p><p&

47、gt;<b>　　查圖可知：</b></p><p><b>　　塔徑：</b></p><p>　　塔徑圓整: 0.6 m</p><p><b>　　塔徑面積: </b></p><p><b>　　空塔氣速： </b></p><

48、p>　　4 精餾塔附屬結構設計</p><p><b>　　4.1 溢流裝置</b></p><p><b>　　4.1.1 堰長</b></p><p>　　取lw=0.65D=0.39 m</p><p>　　出口堰長：本設計采用平之堰，堰上高度按下式計算</p><p

49、><b>　?。?）精餾段</b></p><p><b>　　m</b></p><p>　　溢流堰高：=0.06295 m</p><p><b>　　(2)提餾段</b></p><p>　　溢流堰高：=0.0563 m</p><p>　　

50、4.1.2 弓形降液管的寬度和橫截面</p><p>　　降液管的型式：選弓形降液管</p><p>　　圖2 雙流型塔板某些參數推薦表</p><p><b>　　查圖得： </b></p><p>　　驗算降液管內停留時間</p><p><b>　　精餾段: </b>

51、;</p><p><b>　　提餾段 </b></p><p><b>　　降液管底隙高度</b></p><p>　?。?）精餾段 取降液管低隙的流速</p><p><b>　　取 </b></p><p>　　（2）提餾段 取降液管低隙的流速&

52、lt;/p><p><b>　　取 </b></p><p>　　4.1.3 塔板分布、浮閥數目與排列</p><p><b>　　1.浮閥數目與排列</b></p><p><b>　?。?）精餾段</b></p><p><b>　　閥孔動能因

53、子:</b></p><p><b>　　孔速: </b></p><p>　　每層塔板上浮閥數目為:</p><p>　　取邊緣區(qū)寬度 ，破沫區(qū)寬度 </p><p>　　計算塔板上的鼓泡區(qū)面積：</p><p><b>　　其中 </b></p&

54、gt;<p><b>　　計算得:</b></p><p>　　浮閥排列方式用等邊三角形叉排，取同一個橫排的孔心距t=75mm</p><p>　　則排間距 </p><p>　　閥孔動能因子變化不大,仍在913范圍內</p><p><b>　　塔板開孔率=</b><

55、;/p><p><b>　　（2）提餾段</b></p><p><b>　　閥孔動能因子:</b></p><p><b>　　則孔速:</b></p><p>　　每層塔板上浮閥數目:</p><p>　　浮閥排列方式用等邊三角形叉排，取同一個橫排的孔心

56、距t=75mm</p><p>　　排列間距 </p><p>　　閥孔動能因子變化不大，仍在913范圍內</p><p><b>　　塔板開孔率=</b></p><p>　　4.2塔板的流體力學計算</p><p>　　4.2.1 氣相通過浮閥塔板的壓降</p>&l

57、t;p><b>　?。?）精餾段</b></p><p><b>　　干板阻力 </b></p><p><b>　　因，故</b></p><p><b>　　板上充氣液層阻力取</b></p><p><b>　　則 </b&g

58、t;</p><p>　　液體表面張力所造成的阻力，此阻力很小，可忽略不計</p><p>　　與氣體流經塔板的壓降相當的液柱高度為：</p><p><b>　　（2）提餾段</b></p><p><b>　　干板阻力 </b></p><p><b>　　因

59、，則</b></p><p>　　板上充氣液層阻力取，</p><p><b>　　則</b></p><p>　　體表面張力所造成的阻力,此阻力很小，可忽略不計</p><p>　　與氣體流經塔板的壓降相當的液柱高度為:</p><p><b>　　4.2.2 淹塔<

60、/b></p><p><b>　?。?）精餾段</b></p><p>　　單層氣體通過塔板的壓降相當的液柱高度：</p><p>　　液體通過塔板的壓降相當的液注高度：</p><p>　　板上液層高度: </p><p><b>　　取，已選定 ， <

61、/b></p><p><b>　　則 </b></p><p>　　可見，所以符合防止淹塔要求。</p><p><b>　?。?）提餾段</b></p><p>　　單層氣體通過塔板的壓降相當的液柱高度：</p><p>　　液體通過塔板的壓降相當的液注高度：&l

62、t;/p><p>　　板上液層高度: </p><p><b>　　取，已選定 ， </b></p><p><b>　　則 </b></p><p>　　可見，所以符合防止淹塔要求。</p><p>　　4.2.3 霧沫夾帶</p><p

63、><b>　　（1）精餾段</b></p><p><b>　　泛點率=</b></p><p>　　板上液體流經的長度 </p><p>　　板上液流面積 </p><p>　　取物性參數K=1.0, 泛點負荷系數</p><p><b>　　泛

64、點率=</b></p><p><b>　?。?）提餾段 </b></p><p><b>　　泛點率=</b></p><p>　　板上液體流經的長度 </p><p>　　板上液流面積 </p><p>　　取K=1 泛點負荷系數</p&g

65、t;<p><b>　　泛點率=</b></p><p><b>　　（1） 精餾段</b></p><p>　　泛點率=0.8= </p><p><b>　?。?）提餾段</b></p><p>　　泛點率=0.8= </p><

66、;p>　　由上式知霧沫夾帶線為直線，則在操作范圍內任取兩值值，計算出</p><p><b>　　計算結果見下表：</b></p><p>　　表6霧沫夾帶線計算結果</p><p><b>　　4.2.4液泛線</b></p><p>　　，由此確定液泛線，忽略式中。</p>

67、<p><b>　　而 </b></p><p><b>　　精餾段</b></p><p><b>　　代入數據整理得：</b></p><p><b>　?。?）提餾段</b></p><p><b>　　代入數據整理得：</

68、b></p><p>　　在操作范圍內，任取若干個值，算出相應的值</p><p><b>　　表7液泛線計算結果</b></p><p>　　4.2.5 液相負荷上限</p><p>　　液體降液管內停留時間3~5s</p><p>　　以作為液體在降液管內停留時間的下限，則</p&

69、gt;<p><b>　　4.2.6 漏液線</b></p><p>　　對于型重閥，依作為規(guī)定氣體最小負荷標準，則</p><p><b>　?。?）精餾段 </b></p><p><b>　?。?）提餾段 </b></p><p>　　4.2.7 液相負

70、荷下限</p><p>　　取堰上液層高度作為液相負荷下限條件，作出液相負荷下限線，該線為與氣相流量無關的豎直線。。</p><p>　　取E=1.0，則計算得</p><p>　　由以上做出塔板負荷性圖</p><p><b>　　圖3塔板負荷性能圖</b></p><p><b>　

71、　氣相負荷原理：</b></p><p>　　精餾段操作彈性：3.42 提餾段操作彈性：4.01</p><p><b>　　5 輔助設備的計算</b></p><p>　　5.1 塔總體高度的計算</p><p>　　5.1.1 塔頂封頭</p><p>　　本設計采用橢圓形封頭

72、由公稱直徑DN=600mm ， 直邊高度</p><p>　　h=40mm 內表面積A=4.5873m容積V=1.1729m封頭高度</p><p>　　1.塔頂空間 塔頂空間取1.2 m</p><p><b>　　2.塔底空間</b></p><p><b>　　5.1.2 裙座</b><

73、/p><p>　　取進料板間距裙座內徑>800mm,裙座壁厚取16mm</p><p><b>　　基礎環(huán)內徑:</b></p><p><b>　　基礎環(huán)外徑：</b></p><p><b>　　圓整后</b></p><p>　　考慮到再沸器，取

74、裙座高</p><p><b>　　5.2 塔接管</b></p><p><b>　　5.2.1 進料管</b></p><p><b>　　取</b></p><p><b>　　, </b></p><p><b&

75、gt;　　5.2.2 回流管</b></p><p>　　采用直管回流管，取m/s</p><p>　　5.2.3 塔頂出料管</p><p>　　采用直管出料，取m/s</p><p>　　5.2.4塔頂蒸汽出料管</p><p><b>　　取</b></p><

76、;p>　　5.2.5塔底蒸汽進氣管</p><p>　　采用直管進氣 取 </p><p><b>　　5.3 塔接管</b></p><p>　　5.3.1 冷凝器的選擇</p><p>　　取安全系數1.04，則所需傳熱面積</p><p>　　5.3.2 再沸器的選擇</p

77、><p>　　逆流操作： </p><p>　　根據全塔物料衡算得：</p><p><b>　　傳熱面積： </b></p><p>　　取安全系數1.04，則所需傳熱面積：</p><p>　　選擇BES 1000-1.6-311-6/19 6Ⅱ 浮頭式換熱器</p>

78、<p>　　表8浮閥塔工藝設計計算結果</p><p><b>　　6.課程設計心得</b></p><p>　　兩周的課程設計結束了，在這次的課程設計中不僅檢驗了我所學習的知識，在設計過程中，與同學分工設計。這次設計，綜合運用本專業(yè)所學課程的理論和生產實際知識進行一次精餾塔設計工作的實際訓練從而培養(yǎng)和提高學生獨立工作能力，鞏固與擴充了精餾塔設計等課程所學

79、的內容，掌握精餾塔設計的方法和步驟怎樣確定工藝方案，了解了精餾塔的基本結構，提高了計算能力，繪圖能力，熟悉了規(guī)范和標準。</p><p><b>　　7.致謝</b></p><p>　　經過兩周的實訓我首先在此感謝我們的xx老師，老師嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣，這次課程設計的每個實驗細節(jié)和每個數據，都離不開老師您的細心指導。幫助我能夠很順利的

80、完成了這次課程設計。由于自己的設計能力有限，在設計過程中難免出現錯誤，懇請xx老師多指教,我樂意接受老師的批評與指正，在老師的精心指導下我有質的提高。十分感謝老師對我的指導。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]王志魁編,《化工原理》[M],第四版,北京:化學工業(yè)出版社.</p><p>　　[2]張受謙,《

81、化工手冊》（上卷）[M].濟南:山東科學技術出版社,1986.</p><p>　　[3]張受謙，《化工原理》（下卷）[M]，濟南:山東科學技術出版社,1984.</p><p>　　[4]馬曉訊,夏素蘭,曾慶榮,《化工原理[M]》化學工業(yè)出版社.</p><p>　　[5]《 AutoCAD 2006培訓教程》 [M],北京：電子工業(yè)出版社,2003.</p