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1、长春理工大学毕业设计分离乙醇-水混合液(20万吨/年)的浮阀精馏塔设计第一章 绪论1.1概述塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。它可使气（或汽）液或液液两相之间进行紧密接触，达到.相际传质及传热的目的。可在塔设备中完成的常见的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的冷却与回收、气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。在化工厂、石油化工厂、炼油厂等中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有重大的影响。据有关资料报道，塔设备的投资费用占整个工艺设备投资用的较大比例；它所耗用的钢材重
2、量在各类工艺设备中也属较多。因此，塔设备的设计和研究，受到化工、炼油等行业的极大重视。塔设备经过长期发展，形成了形式繁多的结构，以满足各方面的特殊需要。为了便于研究和比较，人们从不同的角度对塔设备进行分类。例如：按操作压力分为加压塔、常压塔和减压塔；按单元操作分为精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔和干燥塔；按形成相际接触界面的方式分为具有固定相界面的塔和流动过程中形成相界面的塔；也有按塔釜形式分类的。但是长期以来，最常用的分类是按塔的内件结构分为板式塔和填料塔两大类，还有几种装有机械运动构件的塔。在板式塔中，塔内装有一定数量的塔盘，气体以鼓泡或喷射的形式穿过塔盘上的液层使两相密切接触，进行
3、传质。两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化。在填料塔中，塔内装填一定段数和一定高度的填料层，液体沿填料表面呈膜状向下流动，作为连续相的气体自下而上流动，与液体逆流传质。两相的组分浓度沿塔高呈连续变化。随着塔设备技术的发展，各工业国家还陆续制订了多种气液接触元件及有关塔盘制造、安装、验收的标准、规范和技术条件等，以保证塔设备运行的质量和缩短其制造、安装周期，进而减少设备的投资费用。当然，盲目地套用标准或是忽视标准等的修订工作，也会对技术的发展起到阻碍作用。目前，我国常用的板式塔型仍为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔和舌形塔等，填料种类除拉西环、鲍尔环外，阶梯环以及波纹填料、金属丝网填料等规整填料也常采用。近年
4、来，参考国外塔设备技术的发展动向，加强了对筛板塔的科研工作，提出了斜孔塔和浮动喷射塔等新塔型。对多降液管塔盘、导向筛板、网孔塔盘等，也都做了较多的研究，并推广应用于生产。其他如大孔径筛板、双孔径筛板、穿流式可调开孔率筛板、浮阀-筛板复合塔盘等多种塔型的试验工作也在进行，有些以取得了一定的成果或用于生产。乙醇-水是工业上最常见的溶剂，也是非常重要的化工原料之一，是无色、无毒、无致癌性、污染性和腐蚀性小的液体混合物。因其良好的理化性能，而被广泛地应用于化工、日化、医药等行业。近些年来，由于燃料价格的上涨，乙醇燃料越来越有取代传统燃料的趋势，且已在郑州、济南等地的公交、出租车行业内被采用。山东业已推
5、出了推广燃料乙醇的法规。长期以来，乙醇多以蒸馏法生产，但是由于乙醇-水体系有共沸现象，普通的精馏对于得到高纯度的乙醇来说产量不好。但是由于常用的多为其水溶液，因此，研究和改进乙醇-水体系的精馏设备是非常重要的。1.2毕业设计任务题目名称：分离乙醇-水混合液(20万吨/年)的浮阀精馏塔设计题目内容：设计一座浮阀精馏塔，满足下列条件。(1)生产能力：年处理乙醇-水混合液20万吨(开工率300天/年)；(2)原料：乙醇含量为30%(质量百分比)的常温液体；(3)分离要求：塔顶乙醇含量不低于90%，塔底乙醇含量不高于0.5%；(4)建厂地址：长春。题目要求：(1)对浮阀精馏塔(20万吨/年)进行工艺计
6、算、强度计算、结构设计等；(2)结构设计满足给定的工艺要求，严格按照塔设备及压力容器的相关设计标准和规范进行设计；(3)采用计算机绘图，图纸总量不少于3张0#图；(4)编写设计计算说明书，内容不少于35页，书写格式严格按学校有关规定。(5)科技文献翻译(英译汉，不少于2万英文字符)。1.3研究路线塔设备的设计一般包括两个部分：工艺设计和机械设计。工艺设计中要初步确定各阶段混合物的物理特性，由计算得出的具体数据再进行塔段的最基本设计，主要是与塔板有关的各种计算，在工艺设计的最后还要进行塔的附属设备设计。进入塔设备的机械设计部分后，塔的结构形式渐渐明朗化。机械部分要解决的问题，除了确定塔设备的各细
7、节结构外，更重要的就是要做各种校核工作，以保证设计完成的塔设备不仅能够正常运转，而且必须符合国家安全生产的标准。其校核内容主要包括：质量载荷、地震载荷、风载荷等，还包括强度及稳定性校核。在完成设计部分的任务后，就进入画图阶段。图纸包括一张装配图和若干零件图，均采用计算机绘图，并严格按照设计尺寸进行绘制。第二章 塔板的工艺设计2.1精馏塔全塔物料恒算F：原料液流量（）：原料组成（摩尔分数，下同）D：塔顶产品流量（）：塔顶组成W：塔底残液流量（）：塔底组成原料乙醇组成：= (2-1)塔顶组成：= (2-2)塔底组成：= (2-3)进料量：F (2-4)物料恒算式为： (2-5) (2-6)联立代入
8、求解：2.2乙醇-水气液平衡的物理性质表2-1 乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度的关系温度/液相气相1000095051.9017.0089.07.2138.9186.79.6643.7585.312.3847.0484.116.6150.8982.723.3754.4582.326.0855.8081.532.7359.2680.739.6561.2279.850.7965.479.751.9865.9979.357.3268.4178.7467.6373.8578.4174.7278.1578.1589.4389.432.2.1温度利用表中数据由拉格郎日插值可求得、： (2-7)： (2
9、-8)： (2-9)1.精馏段平均温度： (2-10)2.提馏段平均温度： (2-11)2.2.2密度已知：混合液密度： (2-12)其中：为品质分率，为平均相对分子质量混合气密度： (2-13)1.精馏段：液相组成： (2-14)气相组成： (2-15)所以 (2-16) (2-17)2.提馏段：液相组成： (2-18)气相组成： (2-19)所以 (2-20) (2-21)表2-2 不同温度下乙醇和水的密度温度/80735971.885730968.690724965.395720961.85100716958.4求得在与下的乙醇和水的密度， (2-22) (2-23)同理：，在精馏段：
10、(2-24)气相密度： (2-25)在提馏段：液相密度 (2-26)气相密度： (2-27)2.2.3混合液体表面张力二元有机物-水溶液表面张力可用下列各式计算公式： (2-28)注：，式中下脚标，w、o、s分别代表水、有机物及表面部分，、指主体部分的分子数，、指主体部分的分子体积，、为纯水、有机物的表面张力，对乙醇。1.精馏段表2-3不同温度下的表面张力温度708090100乙醇表面张力/N/1817.1516.215.2水表面张力/N/64.362.660.758.8 (2-29) (2-30)乙醇表面张力： (2-31)水表面张力： (2-32) (2-33)因为，所以 (2-34) (
11、2-35) (2-36)联立方程组，代入求得：，2.提馏段：，乙醇表面张力：解得：水表面张力：解得：因为，所以 联立方程组 ，代入求解得：，2.2.4混合物的粘度，计算得：，计算得：，精馏段黏度： (2-37)提馏段粘度： (2-38)2.2.5相对挥发度1.精馏段挥发度：由，得，所以 (2-39)2.提馏段挥发度：由，得，所以 (2-40)2.2.6气液相体积流量计算根据x-y图得： (2-41)取 (2-42)1.精馏段： (2-43) (2-44)已知：， ，则由质量流量：体积流量： (2-45) (2-46)2.提馏段：因本设计为饱和液体进料，所以已知：， ，则有质量流量：体积流量：2
12、.3理论塔板的计算理论板：指离开这种板的气液两相互成平衡，而且塔板上液相组成均匀。理论板的计算方法：可采用逐板计算法，图解法，在本次实验设计中采用图解法。根据下，乙醇-水的气液平衡组成关系可绘出平衡曲线即x-y曲线图，泡点进料，所以，即为一直线，本平衡具有下凹部分，操作线尚未落到平衡线前，已与平衡线相切：，所以，。已知：精馏段操作线方程：提馏段操作线方程：在图上做操作线，由点起在平衡线与操作线间画阶梯，过精馏段操作线与线交点，直到阶梯与平衡线交点小于为止，由此得到理论板32块（包括再沸器），加料板为第27块理论板。板效率与塔板结构、操作条件、物质的物理性质及流体力学性质有关，它反映了实际塔板上传质过程进行的程度。板效率可用奥康奈尔公式计算。注：塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度塔顶与塔底平均温度下的液相粘度1.精馏段已知：，所以： (2-47)，故块 (2-48)2.提馏段已知：，所以：故13块。全塔所需实际塔板数：块全塔效率：加料板位置在第69块塔板。2.4塔径的初步设计1.精馏段由， (2-49) (2-50)式中可由史密斯关联图查出：横坐标数值： (2-51)取板间距：，则查图可知： (2-52) (2-53)
