浮阀乙醇水精馏塔论文(直接)打印学士学位论文.doc

武汉工业学院毕业设计说明书
5.1全塔物料衡算
F：进料量 （Kmol/s） ：原料组成（摩尔分数，下同）
D：塔顶产品流量（Kmol/s） ：塔顶组成
W：塔低残液流量（Kmol/s） ：塔底组成
原料乙醇组成：==14.36%
塔顶组成：==85.98%
塔底组成：==0.078%
5.1.1 最小回流比及操作回流比的确定
由于是泡点进料，xe=xf=0.1436，过点e(0.1436,0)作直线x=0.1436交平衡线于点，由点可读得ye=0.5，因此：
Rmin(1)=(xD-yf)/(yf-xF)=(0.8598-0.5)/(0.5-0.1436)=1.009
又过点a(0.8598,0.8598)作平衡线的切线，切点为，读得其坐标为g(0.5，0.1435)因此：
Rmin(2)=1.009
所以， Rmin(1)= Rmin(2)=1.009
可取操作回流比：
R=1.98 Rmin=2
5.1.2 塔顶产品产量、釜残液量及加热蒸汽量的计算
进料量：
F=1500kg/h=1500* =78.26kmol/h=0.0217
由全塔的物料衡算方程可写出：
(蒸汽)
D=12.976 kmol/h =0.0036

W=104.21 kmol/h =0.0289
(泡点)
V0=38.928 kmol/h =0.0108
5.2常压下乙醇-水气体平衡组成(摩尔)与温度的关系
常压下乙醇-水气体平衡组成(摩尔)与温度的关系见表5.1。
表5.1 常压下乙醇-水气体平衡组成(摩尔)与温度的关系
温度/℃
液相
气相
温度/℃
液相
气相
温度/℃
液相
气相
100
0
0
82.7
23.37
54.45
79.3
57.32
68.41
95.5
1.90
17.00
82.3
26.08
55.80
78.74
67.63
73.85
89.0
7.21
38.91
81.5
32.73
59.26
78.41
74.72
78.15
86.7
9.66
43.75
80.7
39.65
61.22
78.15
89.43
89.43
85.3
12.38
47.04
79.8
50.79
65.64

84.1
16.61
50.89
79.7
51.98
65.99

5.2.1 确定温度
利用表5.1中数据由插值法求得tf 、tD、tw
tf:：, tf =82.29℃
tD：， tD=78.21℃
tw： ， tw=99.82℃
精馏段的平均温度：℃
提馏段的平均温度：℃
5.2.2确定密度
已知:混合物密度:(为质量分数,为平均相对分子质量)
混合气密度:
塔顶温度: tD=78.21℃
气相组成yD：， yD=89.267%
进料温度: tf =82.29℃
气相组成yf：， yf=53.03%
塔底组成: tw=99.82℃
气相组成yW：， yW=0.68%
（1）精馏段
液相组成: , 50.17%
气相组成:, 71.15%
所以 32.05kg/kmol
37.92 kg/kmol
（2）提馏段
液相组成: ，7.22
气相组成: ，26.86%
所以：20.02 kg/kmol
25.52 kg/kmol
表5.2不同温度下乙醇和水的密度表

温度/℃
ρ乙
ρ水
温度/℃
ρ乙
ρ水
80
735
971.8
95
720
961.85
85
730
968.6
100
716
958.4
90
724
965.3

由表5.2求得在tf 、tD、tw下的乙醇和水的密度（单位：）
tf =82.29℃时： ， =733.25
， =970.39
， =884.57
tD=78.21℃时： ， =738.15
， =973.08
， =749.00
tW=99.82℃时： , =712.22
, =958.82
, =957.87
所以：
=816.785
=921.22
kg/kmol
kg/kmol
kg/kmol
32.045kg/kmol
20.02kg/kmol
43.00kg/kmol
32.85kg/kmol
18.19kg/kmol
37.975kg/kmol
25.52kg/kmol
1.127
1.49

1.31
0.86
5.2.3混合液体表面张力
二元有机物-水溶液表面张力可用下列公式计算：

式中： ；；； ；
； ；； ；

式中下角标，w,o,s分别代表水、有机物及表面部分，xw、xo指主体部分的分子数，Vw、Vo主体部分的分子体积，δw、δo为纯水、有机物的表面张力，对乙醇q = 2。

表5.3 不同温度下乙醇和水的表面张力
温度/℃
70
80
90
100
乙醇表面张力/10-2N/m2
18
17.15
16.2
15.2
水表面张力/10-2N/m2
64.3
62.6
60.7
58.8
由表5.3求得在tf 、tD、tw的乙醇和水的表面张力（单位：N/m）
乙醇的表面张力： ，
同理：
同理水的表面张力： ，，
塔顶表面张力：

联立方程组： ，
代入求得： ，
，
原料表面张力：

联立方程组： ，
同理代入求得：,

同理塔底表面张力：

联立方程组： ,
代入求得：

提馏段的平均表面张力为：
精馏段的平均表面张力为：
5.2.4混合物的粘度
℃，查表得:，
℃，查表得:，
精馏段粘度：
0.3975
提馏段粘度：
0.3174
5.2.5相对挥发度
由得
6.73
由得
1.356
由得
8.77
精馏段的平均相对挥发度：4.043
提馏段的平均相对挥发度： 7.75
5.2.6气液相体积计算
根据x-y图查图计算。或由解析法计算求得：Rmin= 1.009，取R=1.98 Rmin=2
（1）精馏段
L=RD=2*0.0036=0.0072kmol/s
V=(R+1)D=(2+1)*0.00360.0108kmol/s
已知：，
，
，
则质量流量：0.23kg/s

体积流量：

（2）提馏段：因为设计为泡点进料，所以q=1。
0.0289 kmol/s
0.0108 kmol/s
同理则质量流量：
0.579 kg/s
0.276 kg/s

体积流量：

5.3理论塔板层数的确定
5.3.1理论板
（1）精馏段操作线方程：
yn+1= xn+xD=0.667 xn+0.2866

图5.1 精馏段操作线示意图
（2）提馏段操作线方程：
ym+1= Wxm/ V0-Wxw/ V0=2.677 xm-0.0021
线方程： x= 0.1436

图5.2 泡点进料线及提馏段操作线示意图
在相图中分别画出上述直线（如图5.3所示），利用图解法可以求出NT=19块(含塔釜)，其中，精馏段14块，提馏段5块，加料板为第14块理论板。

图5.3 理论塔板层数确定示意图
5.3.2 塔效率和实际塔板
——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：
=0.43，30块
（2）精馏段
已知： ，
所以：
=0.39， 12块
全塔所需实际塔板数：
30+12 = 42块
全塔效率： =42.86%
加料板位置在第37块塔板。
5.4塔径的初步计算
（1）精馏段
由，安全系数=0.0～0.8，，式中C可由史密斯关联图查出。

取板间距：，，
则：，,
，

圆整：，横截面积：
空塔气速：
（2）提馏段
横坐标数值
取板间距： , 。则
查图可知：,，
，

圆整：，横截面积：
空气气速：
5.5溢流装置
5.5.1确定堰长
取
出口堰高：本设计采用平直堰，堰上液高度按下式计算：

近似取
精馏段：

提馏段：

5.5.2 确定方形降液管的宽度和横截面
查图得：,,
则： ,
验算降液管内停留时间：
精馏段：
提馏段：
因为停留时间，故降液管可使用。
5.5.3确定降液管底隙高度
精馏段：
取降液管底隙的流速：
则
取。
提馏段：
取，
取
5.6塔板分布、浮阀数目与排列的确定
（1）塔板分布
本设计塔径D=0.6m，采用分块式塔板，以便通过人孔装拆塔板。
（2）浮阀数目与排列
1）精馏段：
取阀孔动能因子，则孔速为：

每层塔板上浮阀数目为：
个
取边缘区宽度，破沫区宽度。m
计算塔板上的鼓泡区面积，即

其中 ： m
m
所以：

浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取同一个横排的孔心距。
则排间距：
考虑到塔的直径较大，必须采用分块式塔板，而各分块的支撑与衔接也要占去一部分鼓泡区面积，因此排间距不宜采用82mm，而应小些，故取，按，，以等腰三角形叉排方式作图，排得阀数26个。
按重新核算孔速及阀孔动能因子：
m/s

可见，阀孔动能因数变化不大，仍在9~13范围内。
塔板开孔率=
2）提馏段
取阀孔动能因子，则孔速m/s
每层塔板上浮阀数目为：
个
按t=70mm,估算排间距
取排得阀数为24个。
按N=24重新核算孔速及阀孔动能因子：

可见，阀孔动能因子变化不大，仍在9~13范围内
塔板开孔率
5.7塔板的流体力学计算
5.7.1气相通过浮阀塔板的压降
可根据计算。
（1）精馏段
1）干板阻力

因，故：

2）板上充气液层阻力
取
3）液体表面张力所造成的阻力
此阻力很小，可忽略不计，因此与气体流经塔板的压降相当的高度为：

（2）提馏段
1）干板阻力：
因，故：
2）板上充气液层阻力
取
3）液体表面张力所造成的阻力
此阻力很小，可忽略不计，因此与单板的压降相当的液柱高度为

5.7.2淹塔
为了防止发生淹塔现象，要求控制降液管中清液高度：

（1）精馏段
1）单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度
2）液体通过液体降液管的压头损失

3）板上液层高度
，则m
取已选定m，
则m
可见，所以符合防止淹塔的要求。
（2）提馏段
1）单板压降所相当的液柱高度
2）液体通过液体降液管的压头损失：

3）板上液层高度
,则
取，则
可见，所以符合防止淹塔的要求。
5.7.3物沫夹带
（1）精馏段

板上液体流经长度：
板上液流面积：
查物性系数，泛点负荷系数图
泛点率=
对于大塔，为了避免过量物沫夹带，应控制泛点率不超过80%，由以上计算可知，物沫夹带能够满足的要求。
（2）提馏段
取物性系数，泛点负荷系数图
泛点率=

由计算可知，符合要求。
5.7.4塔板负荷性能图
5.7.4.1物沫夹带线

据此可作出负荷性能图中的物沫夹带线，按泛点率80%计算：
（1）精馏段
0.8=
整理得： ，即
由上式知物沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个值算出
（2）提馏段

整理得： 即：
在操作范围内，任取若干个值，三出相应的值。
计算如表5.4所示：
表5.4 精馏段与提馏段物沫夹带线计算结果表
精馏段
Ls (m3/s)
0.002
0.01
Vs (m3/s)
0.4755
0.3775
提馏段
(m3/s)

0.002
0.01
(m3/s)
0.613
0.450
5.7.4.2泛液线

由此确定液泛线，忽略式中

而
（1）精馏段

整理：
（2）提馏段

整理得：
在操作范围内任取若干个值，算出相应得值：
表5.5 精馏段与提馏段泛液线计算结果表

精馏段
Ls1 (m3/s)
0.0001
0.0003
0.0006
0.0009
Vs1 (m3/s)
0.5766
0.0.5619
0.5300
0.4815
提馏段
Ls2 (m3/s)
0.0001
0.0003
0.0006
0.0009
Vs2 (m3/s)
0.7178
0.7057
0.6876
0.6667

5.7.4.3液相负荷上限
液体的最大流量应保证降液管中停留时间不低于3~5s，液体降液管内停留时间：
以作为液体在降液管内停留时间的下限，则：

5.7.4.4漏液线
对于F1型重阀，依作为规定气体最小负荷的标准，则：

精馏段：
提馏段：
5.7.4.5液相负荷下限
取堰上液层高度作为液相负荷下限条件作出液相负荷下限线，该线为与气相流量无关的竖直线。

取，则
由以上1~5作出塔板负荷性能图5.4。

图5.4 塔板负荷性能图
由图5.4可以看出：
1）在任务规定的气液负荷下的操作点p（设计点）处在适宜操作区内的适中位置；
2）塔板的气相负荷上限完全由物沫夹带控制，操作下限由漏液控制；
3）按固定的液气比，由图可查出塔板的气相负荷上限0.49（0.61） , 气相负荷下限 0.14（0.16） 。
所以：精馏段操作弹性=；提馏段操作弹性= 。
浮阀精馏塔工艺设计计算结果见表5.6
表5.6 浮阀精馏塔工艺设计计算结果

项目
符号
单位
计算数据
备注
精馏段
提馏段
塔径
D
m
0.6
0.6

板间距

m
0.45
0.45

塔板类型

单溢流弓形降液管
分块式塔板
空塔气速
u
m/s
1.08
1.13

堰长

m
0.39
0.39

堰高
hw
m
0.065
0.061

板上液层高度

m
0.07
0.07

降液管底隙高
h0
m
0.005
0.01

浮阀数
N

26
24
等腰三角形叉排
阀孔气速
u0
m/s
10.48
12.94

浮阀动能因子
F0

11.43
10.36

临界阀孔气速
u0c
m/s
9.06
11.43

孔心距
t
m
0.070
0.070
同一横排孔心距 
排间距
t′
m
0.082
0.097
相邻横排中心距离 
单板压降

Pa
664.37
704.18

液体在降液管内停留时间
θ
s
32.14
14.52

降液管内清液层高度

m
0.156
0.1507

泛点率

%
50.41
40.67

气相负荷上限
(Vs)max
m3/s

物沫夹带控制
气相负荷下限
(Vs)min
m3/s

漏液控制
操作弹性

6精馏塔的结构设计与强度校核
6.1塔的结构设计
6.1.1塔盘设计
该塔直径有0.6m，可采用单溢流型分块式塔板。一共分为两块。这种型式便于安装、检修、清洗。安装时可通过人孔送入塔内，装在焊于塔体内壁的塔盘支承件上。
6.1.2筒体和封头的设计
（1）选材
因为工况属于常压，常温且介质腐蚀性极小，是易然介质的传质设备。属于Ⅰ类设备，故可选用普通碳素钢Q235。
（2）按设计压力计算筒体和封头
对于筒体：

式中：P为设计压力取0.1Mpa
在120℃下的许用应力，查知=124.46 Mpa
=1 ,
故计算厚度：

=

考虑到钢板负偏差，取名义厚度4mm。
对于封头，采用标准椭圆封头，厚度与塔体相同，均等于4mm。
6.2塔的强度校核
6.2.1各种载荷的计算
6.2.1.1设备自身重量载荷的计算
1）塔体重：

2）内构件重量： N
3） 保温层的重量
取保温层厚0.05m,查知=2940N/m,则

4） 物料重量
塔盘充液时，查知q=70kg/,且塔釜储液为0.213，料液密度为597kg/。

5） 附件重量：估计取=800N
6） 充水重量：

由以上可知

正常操作时：
=
水压试验时：
=
设备安装时：
=7861+0.214836.5+6381.9+800
=18010.2N
6.2.1.2风载荷的计算
（1）风载荷的计算
全塔共高13.15m，分为两段计算，
在第一段塔时，有 ：

式中：为空气动力系数，对于圆筒形设备取0.7
为地区基本风压值，在本地区=300Pa
风压高度变化系数，查知在此=0.74
为塔的计算段高，在此=10m
为有效直径：

为风振系数，=1+，m为脉动系数，当计算段中心高度<20m时，m=0.35，其值取决于塔体的自振周期，所以在此需先计算塔体的自振周期T，，式中=
所以
由T=0.173s知=0.6，所以=1+0.60.35=1.21
综上所叙，风载：

同理可算得：
（2）风弯矩
0-0截面的风弯矩

= N S
1-1截面的风弯矩

=11217.4N M
2-2截面的风弯矩 图6.1 截面示意图

（3）地震载荷的计算
0-0截面的弯矩：

式中：为设备结构影响系数，圆筒形取0.5
为地震影响系数
地震烈度为t度，查表24-5[3]知=0.23，在由T=0.173s，知 ，H为塔高
为总重
下面计算， 因为 ，
所以可以求出裙座的体积V

=0.022
裙座的重量：

总重：
=1694.2+154071.06
=155765.26

又因为，所以须考虑高振的影响
即验算时取
1-1截面的地震弯矩：

验算
（4） 计算各种载荷产生的轴向力
设计压力产生的轴向拉应力：

操作重量产生的轴向压应力

最大弯矩产生的轴向应力：
对于0-0截面：，
所以=53416.7
从而可以求得
K
同理可得：
对于1-1截面：
K
对于2-2截面：
K
6.2.2按组合轴向应力验算筒体和裙座的壁厚
6.2.2.1按组合轴向拉应力验算筒体壁厚
强度条件为：

又因为：

所以符合要求，合格。
6.2.2.2按组合轴向压应力来计算
对于0-0截面，强度条件与稳定条件为：
中较小者

所以符合要求，合格。
对于1-1截面，条件为：
中较小者

所以符合要求，合格。
对于2-2截面，条件为
中较小者

所以符合要求，合格。
6.2.2.3水压试验时的验算
（1）拉压力：
强度条件：

代入得：

而
所以，符合要求。
（2）压应力：
强度条件： 中较小者
因为 =

所以，符合要求。
（3）验算吊装应力
强度条件： 中较小者

所以，符合要求。

7塔附件设计
7.1 接管选择
（1）进料管
进料管的结构类型很多，有直管进料管、弯管进料管、T型进料管。本设计采用直管进料管。管径计算如下：

取，

查标准系列选取
（2）回流管
采用直管回流管，取，则

查表取
（3）塔釜出料管
取，直管出料，

查表取
（4）塔顶蒸气出料管
直管出气，取出口气速，则

查表取
（5）塔釜进气管
采用直管，取气速,则

查表取
（6）法兰
由于常压操作，所有法兰均采用标准管法兰，平焊法兰，由不同的公称直径，选用相应法兰。
①进料管接管法兰：Pg6Dg70HG5010-58
②回流管接管法兰：Pg6Dg50HG5010-58
③塔釜出料管法兰：Pg6Dg80HG5010-58
④塔顶蒸气管法兰：Pg6Dg500HG5010-58
⑤塔釜蒸气进气法兰：Pg6Dg500HG5010-58
7.2除沫器
当空塔气速较大，塔顶带液现象严重，以及工艺过程中不许出塔气速夹带雾滴的情况下，设置除沫器，以减少液体夹带损失，确保气体纯度，保证后续设备的正常操作。常用除沫器有折流板式除沫器、丝网除沫器以及程流除沫器。本设计采用丝网除沫器，其具有比表面积大、重量轻、空隙大及使用方便等优点。
设计气速选取：

除沫器直径：

选取不锈钢除沫器：类型：标准型，规格：40-100，材料：不锈钢丝（1Gr18Ni9）, 丝网尺寸：圆丝。
7.3裙座
塔底采用裙座支撑，裙座的结构性能好，连接处产生的局部阻力小，所以它是塔设备的主要支座形式，为了制作方便，一般采用圆筒形。由于裙座内径>400mm，故裙座壁厚取8mm。
基础环内径：
基础环外径：
圆整：；基础环厚度，考虑到腐蚀余量取18mm；考虑到再沸器，裙座高度取2m地角螺栓直径取M30。
7.4吊柱
对于较高的室内无框架的整体塔，在塔顶设置吊柱，对于补充和更换填料、安装和拆卸内件，即经济又方便的一项设施，一般取15m以上的塔物设吊柱，本设计中塔高度大，因此设吊柱。因设计塔径，可选用吊柱200kg。， ， 。材料为A3。
8塔总体高度的设计
（1）塔的顶部空间高度
塔的顶部空间高度是指塔顶第一层塔盘到塔顶封头的直线距离，取除沫器到第一块板的距离为600mm，塔顶部空间高度为1200mm。
（2）塔的底部空间高度
塔的底部空间高度是指塔底最末一层塔盘到塔底下封头切线的距离，釜液停留时间取5min。

（3）塔体高度

9附属设备设计
9.1冷凝器的选择
有机物蒸气冷凝器设计选用的总体传热系数一般范围为：
本设计取：
出料液温度：78.173℃（饱和气）78.173℃（饱和液）
冷却水：进水温度℃，出水温度℃
逆流操作：

传热面积：
选取设备型号：G500I—16—40
9.2再沸器的选择
选用120℃饱和水蒸气加热，传热系数取：
料液温度：99.815℃100℃，热流体温度：120℃120℃
逆流操作：

换热面积：
设备型号：G·CH800—6—70

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