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1、吉林化工学院吉林化工学院课课 程程 设设 计计设计题目：甲醇水浮阀精馏塔设计设计者姓名： 庆玉指导教师： 刘保雷生物制药系 生物制药专业生药 1201 班 27 号说明书 39 页 图纸 2 张设计时间：2014 年 11 月 24 日至 2014 年 12 月 14 日完成时间：2014 年 12 月 12 日于吉林目录目录课程设计任务书课程设计任务书1绪论绪论2摘要摘要4第一章第一章 总体操作方案的确定总体操作方案的确定51.1 操作压强 5 1.2 物料的进料热状态：5 1.3 塔釜加热方式：6 1.4 回流的方式方法:.6第二章第二章 精馏的工艺流程图的确定精馏的工艺流程图的确定7第三
2、章第三章 全塔物料衡算全塔物料衡算831 物料衡算：.8第四章第四章 物性参数的计算物性参数的计算84.1 温度的确定84.2 密度的计算9 4.3 混合液体表面张力的计算：.12 4.4 混合物的粘度 .15 4.5 相对挥发度 .16第五章第五章 塔板数的确定塔板数的确定175.1 理论塔板数的求 17TN5.2 精馏段理论板数：.17 5.3 提馏段理论板数： .17 5.4 实际塔板数确定：.18第六章第六章 塔径的初步设计塔径的初步设计196.1 汽液相体积流量的计算：.19 6.2 塔径的计算.20 6.3 溢流装置计算.21 6.4 弓形降液管宽度和截面积 Af21W d 6.5
3、 降液管底隙高度.22 6.6 塔板布置.22 6.7 开孔区面积计算.226.8 筛孔计算及其排列.23第七章第七章 精馏塔的流体力学验算精馏塔的流体力学验算247.1 塔板压降.24 7.2 淹塔.24 7.3 雾沫夹带.25 7.4 塔顶负荷性能图.26 7.4.1 雾沫夹带线.26 7.4.2 液泛线.26 7.4.3 液相负荷上限线.26 7.4.5 液相负荷下线.27第八章第八章 塔总高度计算塔总高度计算298.1 塔顶封头.29 8.2 塔顶空间.29 8.3 塔底空间.29 8.4 人孔.29 8.5 进料板间距.29 8.6 裙座.29第九章第九章 塔的接管塔的接管309.1
4、 进料管.30 9.2 回流管.30 9.3 塔顶蒸汽出料管.30 9.4 塔底蒸汽出料管.30第十章第十章 热量衡算热量衡算3110.1 比热容及汽化热的计算31 10.2 热量衡算32第十一章第十一章 塔的附属设备计算塔的附属设备计算3311.1 冷凝器33 11.2 再沸器33第十二章第十二章 浮阀塔板工艺设计计算结果浮阀塔板工艺设计计算结果34第十二章第十二章 设计感想设计感想36主要符号说明主要符号说明36参考文献参考文献391课程设计任务书课程设计任务书课程名称： 化工原理课程设计设计题目： 甲醇-水浮法精馏塔的设计学生姓名： 郭庆 专 业： 生物制药班 级： 生药 1201设计日
5、期： 2014-11-14 至 2014-12-12设计任务： 甲醇-水体系设计条件及任务：进料流量：F100kmol/h进料组成：Xf=0.45（摩尔分率）进料热状态：泡点进料要求塔顶产品浓度 XD=0.9807要求塔底釜液浓度 XW=0.0207塔顶压力：P=100kp a单板压降：不大于 0.7kp a2绪论绪论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
6、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
7、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。塔设备一般分为级间接触式和
8、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。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。 3本次的课程设计任务是甲醇和水的体系，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
9、，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。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
10、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。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4摘要在这次课程设计任务中。主要是将所学的精馏部分知识应用到工程设计实 际中去。本设计采用了筛板塔对甲醇-水进行分离提纯，塔板为不锈钢材料。 通过对精馏塔的物料衡算可知：实际塔板数为 25 块，其中精馏段有 18 块， 提馏段 7 块，塔径为 1
11、.0m，塔板间距 0.40m，塔的实际高度为 16.59m。最小回 流比 0.6699.，实际回流比选 1.34。经过力学核算得：精馏段操作弹性为，精 馏段操作弹性为。经计算条件符合，精馏塔设计成功。关键词：实际塔板数、塔径、塔板间距、最小回流比、操作弹性。5第一章第一章 总体操作方案的确定总体操作方案的确定1.1 操作压强精馏可以常压，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
12、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=1.013103KPa1.21.2 物料的进料热状态：物料的进料热
13、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。但为使塔的操作稳定，免受季节气温的影6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
14、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。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 2 倍。即：R=2 Rmin1.31.3 塔釜加热方式：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。1.41.4 回流的方式方法回流的方式方法: : 液体回流可借助位差采用重力回流或用泵强制回流
15、。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7回流比。考虑各方面综合因素，采用重力回流。第二章第二章 精馏的工艺流程图的确定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。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。8第三章第三章 全塔物料衡算全塔物料衡算3 31 1 物料衡算物料衡算：WDFxxxWDFWDF 联立两式得:D = 44.72 kmol/hW = 55.28 kmol/h第四章第四章 物性参数的计算物性参数的计算4.14.1 温度的确定温度的确定常压下甲醇和水的气液平衡表(txy)TXYTxy1000077.829.0968.0192.95.3128.3476.733.3369.1890.37.6740.0176.235.1369.1888.99.2643.5373.846.2077.5686.612.5748.3172.752.9279.7185.013.1554.5571.359.3781.8383.216.7455.8570.068.4984.92982.318.1857.7568.085.6289.6281.620.8362.7366.987.4191.9480.223.1964.8564.710010078
