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1、河 西 学 院Hexi University化工原理课程设计题 目: 乙醇-水混合液浮阀精馏塔设计 学 院: 化学化工学院 专 业: 化学工程与工艺 学 号: 2014210035 姓 名: 张苗 指导教师: 魏玉娟 2016 年 11 月 29日 化工原理课程设计任务书一、设计题目乙醇水混合液筛板(浮阀)精馏塔设计二、设计任务及操作条件1.设计任务生产能力 100000 吨/年，（进料量） t/h操作周期 小时/年（年工作330天检修一月）进料组成 30% （乙醇质量分率，下同）塔顶产品组成 94%（乙醇）塔底产品组成 0.5%（乙醇）单板压降 700Pa 2.操作条件操作压力 塔顶4kPa
2、 (表压) 进料热状态 自选 （料液初温20） 加热蒸汽 0.25MPa (表压) 3.设备型式 筛板或浮阀塔板 4.厂址 山东地区 三、设计内容1.设计方案的选择及流程说明2.塔的工艺计算3.主要设备工艺尺寸设计（1）塔径、塔高及塔板结构尺寸的确定（2）塔板的流体力学校核（3）塔板的负荷性能图（4）总塔高、总压降及接管尺寸的确定4.辅助设备选型与计算5.设计结果汇总6.绘制生产工艺流程图及精馏塔设计条件图7.设计评述河西学院化学化工学院课程设计目 录摘要：11前言11.1 精馏原理及其在化工生产上的应用11.2 精馏塔对设备的要求11.3 常用板式塔类型及本设计的选型21.4 本设计所选塔的
3、特性21.5 流程的确定和说明22塔的工艺设计32.1 精馏塔全塔物料衡算32.2 温度的计算32.3 密度的计算42.4 液体的平均表面张力的计算62.5 混合物黏度的计算72.6 相对挥发度82.7 气、液相体积流量计算82.8 理论板数NT的计算以及实际板数的确定102.9 塔经的初步设计122.10溢流装置132.10.1 堰长132.10.2 溢流堰高度：132.10.3弓形降液管的宽度和横截面142.10.4降液管底隙高度：142.11塔板布置及浮阀数目与排列142.11.1塔板分布142.11.2浮阀数目与排列153塔板的流体力学计算173.1气相通过浮阀塔板压降173.2淹塔1
4、73.3 物沫夹带线193.4 塔板的负荷性能图203.4.1 物沫夹带线203.4.2液泛线203.4.3 液相负荷上限213.4.4 漏液线213.4.5 液相负荷下限214浮阀塔工艺设计计算结果235 塔附件设计245.1 接管245.1.1进料管245.1.2回流管245.1.3塔釜出料管255.1.4塔顶蒸气出料管255.1.5塔釜进气管255.1.6法兰4255.2 筒体与封头255.2.1筒体255.3 除沫器265.4 裙座265.5吊柱265.6 人孔265.7塔高计算275.8冷凝器的选择275.8.1热负荷275.8.2 冷却水的用量275.8.3平均温差275.8.4换
5、热系数285.8.5换热面积285.9 再沸器的选择285.9.1热负荷285.9.2加热蒸气用量285.9.3平均温差285.9.4换热系数285.9.5换热面积286 总结29参考文献:29致 谢30III河西学院化学化工学院课程设计乙醇-水溶液浮阀精馏塔设计张苗摘要：本设计是以乙醇-水的物系为设计物系，以浮阀塔为精馏设备分离乙醇和水。浮阀塔是化工生产中主要的气液传质设备。此设计针对二元物系乙醇-水的精馏问题展开。通过图解法得出理论板数为11块，回流比为3.78，算出塔板效率42.3%，实际板数为26块，进料位置为第11块，在浮阀塔主要工艺尺寸的设计计算中得出：塔径2米，总塔高19.9米，
6、每层浮阀数目为300个。通过浮阀塔的流体力学验算，证明各指标数据均符合标准。同时还对精馏塔的辅助设备进行了选型计算。本次设计过程正常，操作合适。关键词：乙醇 水 连续精馏 浮阀塔1前言1.1 精馏原理及其在化工生产上的应用实际生产中，在精馏柱及精馏塔中精馏时，汽化和部分冷凝是同时进行的。对理想液态混合物精馏时，最后得到的馏出液(气相冷却而成)是沸点低的B物质，而残液是沸点高的A物质，精馏是多次简单蒸馏的组合。精馏塔底部是加热区，温度最高；塔顶温度最低。精馏结果，塔顶冷凝收集的是纯的低沸点组分，纯高沸点组分则留在塔底。1.2 精馏塔对设备的要求精馏设备及其所用的设备之间相互联系，总称为精馏装置，
7、其核心为精馏塔。常用的精馏塔有板式塔和浮阀塔两类，通称为塔设备，和其他传质过程一样，精馏塔对塔设备的要求大致如下： 生产能力大：即单位塔截面大的气液相流率，不会产生液泛等不正常流动。 效率高：气液两相在塔内保持充分的密切接触，具有较高的塔板效率或传质效率。 流体阻力小：流体通过塔设备时阻力降小，可以节省动力费用，在减压操作是时，易于达到所要求的真空度。 有一定的操作弹性：当气液相流率有一定波动时，两相均能维持正常的流动，而且不会使效率发生较大的变化。 结构简单，造价低，安装检修方便。 能满足某些工艺的特性：腐蚀性，热敏性，起泡性等。1.3 常用板式塔类型及本设计的选型 常用板式塔类型有很多，如
8、：筛板塔、泡罩塔、舌型塔、浮阀塔等。 浮阀塔塔板是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的，它吸收了两者的优点。所以在此我们使用浮阀塔，浮阀塔的突出优点是结构简单，造价低，制造方便；塔板开孔率大，生产能力大等。1.4 本设计所选塔的特性浮阀塔的优点是： 生产能力大，由于塔板上浮阀的安排比较紧凑，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。 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。 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。 气体压降及液面落差小，因气液
9、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。 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制成，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。1.5 流程的确定和说明本设计任务为分离乙醇-水溶液的混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。乙醇和水的原料混合物进入原料
10、罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入乙醇的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断
11、有新鲜原料的加入。最终，完成乙醇和水的分离。2塔的工艺设计2.1 精馏塔全塔物料衡算F:进料量 ：进料组成 D:塔顶产品流量 塔顶组成 W：塔底残液流量 ：塔底组成 乙醇的摩尔质量 M乙=46 水的摩尔质量 M水=18 =14.36% =85.98% =0.19% 进料量F=0.1752总物料衡算 F=D+W 0.1752=D+W 易挥发组分物料衡算 F=D+W 0.175214.36=85.98D+0.19W 联立求解得 D=0.0289 W=0.14362.2 温度的计算表1 常压下乙醇水气液平衡与温度的关系5温度T液相中乙醇的摩尔分数%气相中乙醇的摩尔分数%温度T液相中乙醇的摩尔分数%气
12、相中乙醇的摩尔分数%10095.589.086.785.384.182.782.301.907.219.6612.3816.6123.3726.08017.0038.9143.7547.0450.8954.4555.8081.580.779.879.779.378.7478.4178.1532.7339.6550.7951.9857.3267.6374.7289.4359.2661.2265.6465.9968.4173.8578.1589.43利用上表1中的数据由拉格朗日插值可求得 得 得 ： 得 精馏段平均温度：=提馏段平均温度：=2.3 密度的计算已知：混合液密度(为质量分率，为平均相对分子质量），不同温度下醇和水的密度见下表混合气密度：精馏段=81.47液相组成：, 气相组成， 所以 =460.3299+18(10.3299)=27.24 =460.5933+18(10.5933)=34.61提馏段液相组成： 气相组成： 所以 =460.0464+18(10.0464)=19.30 =460.283218(1-0.2832)=25.93表2同温度下乙醇和水的密度3温度/温度/75740974.890724965.380735971.895720961.8585730968.6100716958.4求得在与下的乙醇和水的密度 ， ) ) )精馏
