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1、惠州学院 课 程 设 计课程设计名称 化工原理课程设计 课程设计题目 乙醇-水混合液浮阀式精馏塔设计 姓 名 廖银波 学 号 070602211 专 业 化学工程与工艺 班 级 07化工（2） 指导教师 金真 提交日期 2010-12-30 任务书（一） 设计题目：乙醇-水混合液浮阀式精馏塔设计 年处理量120000吨料液初温：25料液浓度：50%(质量分率)塔顶产品浓度大于：95% (质量分率)塔底釜液含量小于 0.3% 至1%(质量分率)每天实际生产天数：310天冷却水温度：25设备型式：浮阀塔（F1型）（二） 操作条件（1） 操作压力：常压（2） 进料热状态：自选（3） 回流比：自选（4
2、） 塔底加热：间接蒸汽加热（5） 单板压降0.7 KPa（三） 设计内容 1设计说明书的内容（1） 精馏塔的物料衡算；（2） 塔板数的确定；（3） 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；（4） 精馏塔的塔体工艺尺寸计算；（5） 塔板主要工艺尺寸的计算；（6） 塔板的流体力学验算；（7） 塔板的负荷性能图；（8） 塔顶全凝器设计计算：热负荷， 载热体用量， 选型（9） 精馏塔接管尺寸计算；（10） 对设计过程的评述和有关问题的讨论。 2、设计图纸要求：（1）确定精馏装置流程，会出流程示意图； （2）绘制精馏塔装置图（3）相关图表（四） 参考资料1. 性数据的计算与图表2. 化工工艺设计手册3.
3、化工过程及设备设计4. 化学工程手册5. 化工原理 目 录任务书2目 录3前 言51设计简介52设备选型53工艺流程确定74. 设计方案8一设备工艺条件的计算101. 精馏塔物料衡算101.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率101.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量101.3物料衡算102. 物性参数122.1平均摩尔质量122.2密度132.3混合物粘度142.4表面张力142.5相对挥发度143. 理论塔板数的确定153.1回流比153.2操作线方程153.3理论塔板数的确定164. 塔结构的计算184.1塔径的计算185. 塔主要工艺尺寸的计算205.1溢流装置的计算205.2塔板的
4、布置22二塔板的流体力学计算241塔板压降242液泛计算263漏液274液沫夹带量的计算275板负荷性能图295.1雾沫夹带线295.2液泛线305.3液相负荷上限315.4漏液线315.5液相负荷下限线31三塔附件及塔高的计算331进料管332回流管333.塔釜出料管334.塔顶蒸气出料管335.塔釜进气管346.冷凝器的选择347再沸器的选择348塔高35四.主设备图36五流程图38六计算结果总汇39七符号说明40八参考文献41 前 言1设计简介（1）设计内容蒸馏是工业上应用最广的液体混合物分离操作，广泛用于石油、化工、轻工、食品、冶金等部门。精馏操作按不同方法进行分类。根据操作方式，可分
5、为连续精馏和间歇精馏。本设计主要研究连续精馏。塔设备是炼油、石油化工、精细化工、生物化工、食品、医药及环保部门等生产过程中广泛采用的气液传质设备。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，液体横向流过塔板，而气体垂直穿过液层，气液两相成错流流动，进行传质与传热，但对整个板来说，两相基本上成逆流流动。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。填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流向上（有时也采用并流向下）流动，汽液两相密切接触进行传质与传热。在正常
6、操作条件下，气相为连续相，液相为分散相，气相组成呈连续变化，属微分接触逆流操作。板式塔的空塔速度较高，因而生产能力较高，本设计目的是分离乙醇-水混合液，处理量大；尽管塔板的流动阻力大，塔板效率不及高效填料塔高，但板式塔的效率稳定，造价低，检修、清理方便，故选板式塔。 （2）设计任务 年产量：120000吨，液料初温25C，液料浓度为50%，塔顶产品浓度为95%，塔底釜液含苯量小于1%，每年实际生产310天，冷却水温为252设备选型板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如S
7、型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛。塔板是板式塔的主要构件，分为错流式塔板和逆流式塔板两类，工业应用以错流式塔板为主，常用的错流式塔板主要有下列几种。（1） 泡罩塔板泡罩塔板是工业上应用最早的塔板，其主要元件为升气管及泡罩。泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种，国内应用较多的是圆形泡罩。泡罩尺寸分为80mm、100mm、150mm三种，可根据塔径的大小选择。通常塔径小于1000mm，选用80mm的泡罩；塔径大于2000mm的，150mm选用的泡罩。泡罩塔板
8、的主要优点是操作弹性较大，液气比范围大，不易堵塞，适于处理各种物料，操作稳定可靠。其缺点是结构复杂，造价高；板上液层厚，塔板压降大，生产能力及板效率低。近年来，泡罩塔板已逐渐被筛板、浮阀塔板所取代。在设计中除特殊需要（如分离粘度大、易结焦等物系）外一般不宜选用。（2）筛孔塔板筛孔塔板简称筛板，机构特点为塔板上开有许多均匀的小孔。根据孔径的大小，分为小孔径筛板（孔径为38mm）和打孔筛板（孔径为1025mm）两类。工业应用以小孔径筛板为主，大孔径筛板多用于某些特殊场合（如分离粘度大、易结焦等物系）。筛板的优点是结构简单，造价低；板上液面落差小，气体压降低，生产能力较大；气体分散均匀，传质效率高，
9、但若设计和操作不当，易产生漏液，使得操作弹性减小，传质效率下降，故过去工业上应用较为谨慎。近年来，由于设计和控制水平的不断提高，可是筛板的操作非常精确，弥补了上述不足，故应用日趋广泛。在确保精确设计和采用先进控制手段的前提下，设计中可大胆选用。（3） 浮阀塔板 浮阀塔板是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的，它吸收了两种塔板的优点。其结构特点是在塔板上开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可以上下浮动的阀片。气流从浮阀周边水平地进入塔板上液层，浮阀可根据气流流量的大小而上下浮动，自行调节。浮阀的类型很多，国内常用的有F1型、V4型及T型等，其中以F1行浮阀应用最为普遍。对比其他塔板，具有以下优点：
10、（1）生产能力大。由于浮阀塔板具有较大的开孔率，故生产能力比泡罩塔的答20%40%，而与筛板塔相近。（2）操作弹性大。由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，故维持正常操作所容许的负荷波动范围比泡罩塔和筛板塔的都宽。（3）塔板效率高。因上升气体以水平方向吹入液层，故气液接触时间较长而雾沫夹带量小，板效率较高。（4）塔板压降及液面落差较小。因为汽液流过浮阀塔板时所遇到的阻力较小，故气体的压降及板上的液面落差都比泡罩塔板的小。（5）塔的造价低。因构造简单，易于制造，浮阀塔的造价一般为泡罩塔的60%80%，而为筛板塔的120%130%。3工艺流程确定（1）加料方式加料方式有两种：高位槽加料和泵直接加料
11、。采用高位槽加料，通过控制液位高度，可以得到稳定的流量和流速。通过重力加料，可以节省一笔动力费。担由于多了高位槽，建设费用相应增加；采用泵加料，受泵的影响，流量不太稳定，流速也忽大忽小，从而影响了传质效率，但结构简单、安装方便；如采用自动控制泵来控制泵的流量和流速，其控制原理复杂，且设备操作费用高。本设计才用泵加料。（2）进料热状况 进料状况一般有冷液进料，泡点进料。对于冷液进料，当组成一定时，流量一定，对分离有利，省加热费用。但冷液进料受环境影响较大。采用泡点进料，不仅对稳定塔操作较为方便，且不易受环境温度影响。综合考虑，本设计采用泡点进料。泡点进料时，基于恒摩尔流假定，精馏段和提镏段上升蒸
12、气的摩尔流量相等，故精馏段和提镏段塔径基本相等，制造上较为方便。（3）塔顶冷凝方式塔顶冷凝采用全凝器，用水冷凝。乙醇和水不反应，且容易冷凝，故使用全凝器。塔顶出来的气体温度不高，冷凝后回流液和产品温度不高无需进一步冷却。本设计冷凝器选用重力回流直立或管壳式冷凝器原理。因本设计冷凝与被冷凝流体温差不大，所以选用管壳式冷凝器，被冷凝气体走管间，以便于即使排出冷凝液。（4）回流方式回流方式可分为重力回流和强制回流。对于小塔径，回流冷凝器一般安装在塔顶。其优点是回流冷凝器无需支撑结构，其缺点是回流冷凝器回流控制比较难。如果需要较高的塔处理量或塔板较多时，回流冷凝器不适合于塔顶安装。且塔顶冷凝器不易安装
13、、检修和清理。在这种情况下，可采用强制回流，塔顶上升蒸气采用冷凝冷却器以冷回流流入塔中。由于本设计是小型塔，故采用重力回流。（5）加热方式加热方式分为直接蒸气和间接蒸气加热。直接蒸气加热是用蒸气直接由塔底进入塔内。由于重组分是水，故省略加热装置。但在一定的回流比条件下，塔底蒸气对回流液有稀释作用，使理论塔板数增加，费用增加。间接蒸气加热通过加热器使釜液部分汽化。上升蒸气与回流下来的冷液进行传质。其优点是使釜液部分汽化，维持原来的浓度，以减少理论塔板数，缺点是增加加热装置。本设计采用间接蒸气加热。（6）操作压力精馏操作按操作压力可分为常压，加压和减压操作。精馏操作中压力影响非常大。当压力增大时，
14、混合液的相对挥发度将减小，对分离不利；当压力减小时，相对挥发度将增大，对分离有利。但当压力不太低时，对设备的要求较高，设备费用增加。因此在设计时一般采用常压蒸馏。当常压下无法完成操作时，则采用加压或减压蒸馏。对苯-甲苯系统在常压下挥发度相差较大，容易分离，故本设计采用常压蒸馏。4. 设计方案本设计任务为分离乙醇-水的混合物，应采用连续精馏流程，在常压下进行精馏，泡点进料，通过泵将原料液通过原料预热器加热至泡点后送入精馏塔内，塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝器在泡点下一部份回流至塔内，其余部分经冷却器冷却后送至储罐，操作回流比取最小回流比的1.5倍，塔釜采用间接蒸汽加热，塔顶产品经冷却后送至储罐。以下是浮阀精馏塔工艺简图一设备工艺条件的计算1. 精馏塔物料衡算1.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率乙醇的摩尔质量 水的摩尔质量 MB=18.02kg/kmol1.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量1.3物料衡算原料处理量 F=(1200001000)/(3102425.87)=632.46kmol
