甲醇水标准体系浮阀精馏塔的设计.doc

合 肥 学 院Hefei University食品工程原理课程设计题 目： 甲醇-水溶液持续精馏塔设计 系 别： 生物与环境工程系 专 业:_ 食品科学与工程 学 号： 090206 姓 名： 吴启 指引教师： 胡庆国教师 10 月 14 日 目 录第一章 中英文概要51.1塔设备类型51.2板式塔与填料塔比较及选型51.2.1板式塔与填料塔比较 51.2.2塔设备选型 6第二章 概述 62.1 设计根据 72.2 技术来源 82.3 设计内容 8第三章 塔工艺计算93.1工艺过程93.1.1物料衡算93.1.2最小回流比及操作回流比拟定93.1.3精馏段和提馏段操作线拟定113.1.4理论及实际塔板数拟定113.1.5塔构造设计12 3.1.5.1精馏塔塔径计算17 3.1.5.2精馏塔有效高度计算193.2 塔板重要工艺尺寸计算193.2.1溢流装置计算203.2.2降液管20 3.2.2.1降液管高度和截面积20 3.2.2.2降液管底隙高度213.2.3塔板布置21 3.2.3.1塔板分块21 3.2.3.2边沿区宽度拟定22 3.2.3.3开孔区面积计算24 3.2.3.4浮阀塔计算及其排列253.3 流体力学演算 263.3.1气体通过浮塔塔板降263.3.2漏液验算273.3.3液泛验算283.3.4雾沫夹带验算283.3.5液体在降液管内停留时间28第四章 操作性能负荷图304.4.1气相负荷下限线304.4.2过量雾沫夹带线304.4.3液相负荷下限线304.4.4液泛负荷上限线304.4.5液泛线304.4.6操作性能负荷图31第五章 各接管尺寸拟定 315.1进料管315.2回流液325.3塔顶上升蒸汽管325.4塔釜出料管325.5冷凝水管32第六章 辅助设备计算及选型336.1冷凝器热负荷336.2再沸器热负荷 33第七章 成果计算一览表34第八章 工艺流程图35第九章 板式塔构造与附属设备359.1塔体构造 35第十章 泵选用36 心得体会37附录37参照文献39道谢39第一章 中英文概要设计一座持续浮阀塔，通过对原料，产品规定和物性参数拟定及对重要尺寸计算，工艺设计和附属设备成果选型设计，完毕对乙醇-水精馏工艺流程和主题设备设计。一方面依照设计任务，拟定操作条件。例如：操作压力拟定、进料状态等拟定。然后设计工艺流程草图。依照拟定方案，拟定详细参数，即一种完整设计就初步拟定了。最后计算塔工艺尺寸、浮阀流体力学演算、塔板负荷性能，最后依照计算选取适当辅助设备。The design of a continuous distillation valve column，in the material，product requirements and the main physical parameters and to determine the size，process design and selection of equipment and design results，completion of the carbinol-water distillation process and equipment design theme. At first,according to the designing task to determine the conduction of the operation,for example,determine the power on the operation,the state of feeding,the draft of the distillation process.On the basis of the program,determining the specific paramiters,then the whole design can be determined.At last,design the process size of the tower,the loading capability of the tower board,then choose the auxiliary epuipment according to the design.1.1塔设备类型塔设备是化工，石油化工，生物化工，制药等生产过程中广泛应用气液传质设备。依照塔内气液接触构件构造形式，可分为板式塔和填料塔两大类。 板式塔内设立一定数量塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上液层，进行传质与传热。在正常操作下，气相为分散相，液相为持续相，气相构成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。1.2板式塔与填料塔比较及选型1.2.1板式塔与填料塔比较生产能力单位塔截面积上，填料塔生产能力普通均高于板式塔。 分离效率研究表白，在减压，常压和低压操作下，填料塔分离效率明显低于板式塔，在高压操作下，板式塔分离效率略优于填料塔。 压力降普通状况下，板式塔每个理论级压降约在0.41.1kPa，填料塔约为0.010.27kPa，普通，板式塔压降高于填料塔5倍左右。压减少不但能减少操作费用，节约能耗。对于精馏过程，可使塔釜温度减少，有助于热敏性物系分离。 操作弹性填料塔操作弹性取决于塔内件设计，而板式塔操作弹性则受到塔板液泛，液沫夹带及降液管能力限制，普通操作弹性较小。 构造、制造及造价等普通来说，填料塔构造较板式塔简朴，故制造，维修也较为方面，但填料塔造价普通高于板式塔1.2.2塔设备选型工业上，塔设备重要用于蒸馏和吸取传质单元操作过程。老式设计中，蒸馏过程多选用板式塔，而吸取过程多选用填料塔。第二章 概述甲醇在工业，医药，民用等方面，均有很广泛应用，是一种很重要原料。在诸多方面，规定甲醇有不同纯度，有时规定纯度很高，甚至是无水甲醇，这是很有困难，由于甲醇极具挥发性，因此，想得到高纯度甲醇很困难。要想把低纯度甲醇水溶液提高到高纯度，要用持续精馏办法，由于甲醇和水挥发度相差不大。精馏是多数分离过程，即同步进行多次某些汽化和某些冷凝过程，因而可使混合液得到几乎完全分离。化工厂中精馏操作是在直立圆形精馏塔内进行，塔内装有若干层塔板和充填一定高度填料。为实现精馏分离操作，除精馏塔外，还必要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毕精馏操作，还必要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，才干实现整个操作。浮阀塔与20世纪50年代初期在工业上开始推广使用，由于它兼有泡罩塔和筛板塔长处，已成为国内应用最广泛塔形，特别是在石油，化学工业中使用最普遍。浮阀有诸各种形式，但最惯用是F1型和V-4型。F1型浮阀构造简朴，制造以便，节约材料，性能良好，广泛应用在化工及炼油生产中，现已列入部颁原则（JB168-68）内，F1型浮阀又分轻阀和重阀两种，但普通状况下都采用重阀，只有解决量大且规定压强降很低系统中，采用轻阀。浮阀塔具备下列长处：1，生产能力大。2，操作弹性大。3，塔板效率高。4，气体压强降及液面落差较小。5，塔造价低。浮阀塔不适当解决宜结焦或黏度大系统，但对于黏度稍大及有普通聚合现象系统，浮阀塔也能正常操作。2.1 设计根据课程设计方案选定所涉及重要内容有：操作压力，进料状况，加热方式及其热能运用。（1）操作压力精馏可在常压，加压或减压下进行，拟定操作压力重要是依照解决物料性质，技术上可行性和经济上合理性来考虑。普通来说，常压精馏最为简朴经济，若物料无特殊规定，应尽量在常压先操作。加压操作可提高平衡温度，有助于塔顶蒸汽冷凝热运用，或可以使用较便宜冷却剂，减少冷凝，冷却费用。在相似塔径下，恰当提高操作压力还可提高塔解决能力，但增长塔压，也提高了再沸器温度，并且相对挥发度也有所下降。减少操作压力，组分相对挥发度增大，有助于分离。减压操作减少了平衡温度，这样可以使用较低温位加热剂。但减少压力也导致塔径增大和塔顶蒸汽冷凝温度减少，且必要使用抽真空设备，增长了相应设备和操作费用。故咱们采用塔顶压力为常压进行操作。（2）进料状况进料状态有各种，但普通都是将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这样，进料温度就不受季节，气温变化和前道工序波动影响，塔操作就比较容易控制。此外，泡点进料时，精馏段与提馏段塔径相似，设计制造均比较以便。但泡点进料需预热，热耗很大。在本次设计中，咱们选用30C冷夜进料。（3）加热方式精馏塔普通设立再沸器，采用间接蒸汽加热，以提供足够能量，若待分离物系为某种轻组分和水混合物，往往可采用直接蒸汽加热方式，即把蒸汽直接通入塔釜汽化釜液。这样操作费用和设备费用均可减少。但在塔顶轻组分回收率一定期，由于蒸汽冷凝水稀释作用，使残液轻组分浓度减少，所需塔板数略有增长。综合考虑，咱们采用间接蒸汽加热方式（4）热能运用蒸馏过程原理是多次进行某些汽化和冷凝，因而热效率很低，普通进入再沸器能量仅有5%左右被有效运用。塔顶蒸汽冷凝放出热量是大量，但其能位较低，不也许直接用来做塔釜热源，但可用作低温热源，供别处使用。或可采用热泵技术，提高温度后再用于加热釜液。此外，通过蒸馏系统合理设立，也可获得节能效果。例如，可采用设立中间再沸器和中间冷凝器流程。2.2技术来源当前，精馏塔设计办法以严格计算为主，也有某些简化模型，但是严格计算法对于持续精馏塔是最常采用，咱们本次所做计算也采用严格计算法。2.3设计内容食品工程原理课程设计任务书一、设计题目甲醇-水溶液持续精馏塔设计二、设计任务及操作条件1.设计任务生产能力（进料量）17500吨/年操作周期 7920 小时/年进料构成 30% （质量分率，下同）塔顶产品构成 92.5% 塔底产品构成 1.0% 2.操作条件操作压力 塔顶为常压 进料热状态泡点进料加热方式 间接蒸汽 3.填料选取 自选 4.厂址 合肥 三、设计内容1.设计方案选取及流程阐明2.生产条件拟定和阐明3.塔体工艺尺寸设计（1）塔径拟定（2）填料层高度拟定（3）填料层压降计算4.辅助设备选型与计算5.设计成果汇总6.工艺流程图及填料精馏塔主体设备图7.设计评述第三章 塔工艺计算3.1工艺过程3.1.1物料衡算MF=32.04*0.1942+18.015*(1-0.1942)=20.74g/molMD=32.04*0.874=18,015*（1-0.874）=30.27g/mol原料解决量F=17500/(330*24*20.74)=106.54kmol/h=XD*D/(XF*F)=99%则可得：D=23.44kmol/hF=D+W W=F-D=83.1kmol/hXF*F=XD*D+W*Xw Xw=（XF*F-XD*D）/W=(0.1942*106.54-0.874*23.44)/83.1=0.002449F106.54kmol/hXF0.1942D23.44kmol/hXD0.874W83.1kmol/hXw0.0024493.1.2最小回流比及操作回流比拟定1.物系相平衡数据a. 基本物性数据组分分子式分子量沸点熔点水H2O18.015373.15K273.15K甲醇CH3OH32.040337.85K176.15Kb. 常压下甲醇和水气液平衡表(txy)tXytxy1000077.829.0968.0192.95.3128.3476.733.3369.1890.37.6740.0176.235.1369.1888.99.2643.5373.846.2077.5686.612.5748.3172.752.9279.7185.013.1554.5571.359.3781.8383.216.7455.8570.068.4984.9282.318.1857.7568.085.6289.6281.620.8362.7366.987.4191.9480.223.1964.8564.710010078.028.1867.752.拟定回流比依照甲醇水气液平衡构成表和相对挥发度公式 ，。计算得 =4.83，平衡线方程为：y=4.83x/(1+3.83x) xF=（0.3/32.04）/（0.3/32.04+0.7/18.015）=0.1942xD=（0.925/32.04）/(0.925/32.04+0.075/18.015)=0.874泡点进料因此xq=xF=0.1942，带入平衡线方程得yq=0.5379 Rmin=（xD-yq）/（yq-xq）=（0.874-0.5379）/（0.5379-0.1942）=0.9779则R=1.6Rmin=1.6*0.9779=1.56463.1.3精馏段和提馏段操作线拟定精馏段操作线方程：y=x + =0.6101x+0.3408提馏段操作线方程为： =2.3824x-0.0033853.1.4理论及实际塔板数拟定1.理论塔板数作图如下理论塔板数图理论需要10块板也可计算如下：由上而下逐板计算，自X0=0.874开始到X初次低于XF=0.1942时止 操作线上点 平衡线上点 （X0=0.874,Y1=0.874） (X1=0.5895，Y1=0.874) （X1=0.5895,Y2=0.7005） （X2=0.3263,Y2=0.7005） （X2=0.3263,Y3=0.5399） （X3=0.1955,Y1=0.5399） （X3=0.1955,Y4=0.4601） （X4=0.1450,Y4=0.4601）由于X4 时初次浮现 Xi Xq 故第4块理论版为加料版，精馏段共有3块理论板。提馏段理论板数已知X4=0.1450， 由上而下计算，直到X初次越过Xw=0.002449时为止。操作线上点 平衡线上点（X4=0.1450,Y5=0.3421） （X5=0.09719,Y5=0.3421）（X5=0.09719,Y6=0.2282） （X6=0.05768,Y6=0.2282）（ X6=0.05768,Y7=0.1340） （X7=0.03104,Y7=0.1340）（X7=0.03104,Y8=0.07056） （X8=0.01547,Y8=0.07056）（X8=0.01547,Y9=0.03347） （X9=0.007119,Y9=0.03347）（X9=0.007119,Y10=0.01358） （X10=0.002842,Y10=0.01358）（X10=0.002842,Y11=0.003386） （X11=0.0007029,Y11=003386）由于到X11初次浮现X 5s提馏段：0.02778*0.25/0.0008379=8.2886 5s 阐明设计合理3.2.2.2降液管底隙高度h0取液体通过降液管底隙流速u0=0.08m/sh0=Ls/(lw* u0)=0.0002894/(0.462*0.08)=0.00783mhw- h0=0.04512-0.00783=0.03729m=32.79mm6mm 设计合理3.2.3塔板布置3.2.3.1塔板分块由于D较小因此不需采用分块式【8】（惯用化工单元设备设计P111）DN/mmD1/mmAt/ m2Lw/mmWd/mmlw/DAf/ cm2Af/At7006680.384467.689.50.66276.80.07193.2.3.2边沿区宽度拟定 边沿区宽度示意图【9】（惯用化工单元设备设计P105）取安定区宽度Ws=0.07m，边沿区宽度Wc=0.04m弓形降液管宽度Wd=0.0868m采用F1型重阀，孔径0.039mm，质量34g，取阀孔动能因子F0=9.5【10】（惯用化工单元设备设计P107）【11】(惯用化工单元设备设计P107)3.2.3.3开孔区面积计算有效传质区：依照公式：其中：R=0.35-0.04=0.31mx=0.35-0.1568=0.1932m=0.2229m23.2.3.4浮阀塔计算及其排列（1）孔速 uo=9.5/(1.00302)0.5=9.4857 m/s（2）浮阀数：n=0.465/（1/43.140.03929.4857）=41.05=42(个)（3）阀孔排列实际浮阀数如图采用等腰三角形顺排法孔中心距0.075m 5*8=40个气体通过阀孔实际速度u0= VS/（ 1/4 d2 N）=9.7363 m/s实际动能因子F0=uo(V,M) 0