1、 12毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 乙醇水连续浮阀式精馏塔的设计 设计（论文）时间： 2012 年 5 月 1 日 至 2012 年 6 月 20 设计（论文）进行地点： 二教 图书馆 1、设计（论文）内容：本设计文献综述部分首先简单介绍了煤油的性质和换热器的类型、换热器的发展以及换热器设计的主要步骤。 设计主体内容包括换热器类型的确定、物性常数的计算、传热系数的计算、传热面积的计算、换热器工艺尺寸的计算和换热器的核算。 2、设计（论文）的主要技术指标生产能力：年处理乙醇-水混合液 11.0 万吨（开工率 300 天/年）; 原料：乙醇含量为 20%（质量百分比，下同）的常温液体
2、;分离要求：塔顶乙醇含量不低于 95%,塔底乙醇含量不高于 0.2% 3、设计（论文）的基本要求要求设计独立完成，设计内容充实，结构完整，层次清晰，格式规范，设计数据准确，查阅参考文献丰富，设计内容要有创新。 3毕业设计（论文）任务书4、应收集的资料及主要参考文献【1】贾绍义，柴诚敬，化工单元过程及设备设计课程设计，天津，天津大学出版社，2002 年，3871，101133。 【2】陈敏恒，从德滋，方图南，齐鸣斋，化工原理（上册） ，第二版，北京，化学工业出版社，1999 年，310313。【3】陈敏恒，从德滋，方图南，齐鸣斋，化工原理（下册） ，第二版，北京，化学工业出版社，1999 年，4
3、9103。【4】陈常贵，柴诚敬，姚玉英，化工原理（下册） ，天津，天津大学出版社，2002 年，38，90111。【5】唐伦成，化工原理课程设计简明教程，哈尔滨，哈尔滨工程大学出版社，2005 年，3566。【6】图伟萍，陈佩珍，程达芳，化工过程及设备设计，北京，化学工业出版社，2003 年。【7】 刘光启，马连湘，刘杰，化学化工物性数据手册（无机卷） ，北京，化学工业出版社，2002年，127。【8】刘光启，马连湘，刘杰，化学化工物性数据手册（有机卷） ，北京，化学工业出版社，2002年，299324。【9】罗传义，时景荣，VBA 程序设计，吉林，吉林科学技术出版社，2003 年，13915
4、1。5、进度安排及完成情况乙醇水连续浮阀式精馏塔的设计摘 要化工生产常需进行二元液相混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的，精馏是利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和多次部分冷凝达到轻重组分分离目的的方法。精馏操作在化工、石油化工、轻工等工业生产中占有重要的地位。为此，掌握气液相平衡关系，熟悉各种塔型的操作特性，对选择、设计和分析分离过程中的各种参数是非常重要的。 (7)塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备类型之一。本次设计的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的精馏问题进行分析、选取、计算、核算、绘图等，是较完整的精馏设计过程，该设计方法被工程技术
5、人员广泛的采用。本设计书对苯和甲苯的分离设备浮阀精馏塔做了较详细的叙述，主要包括：工艺计算，辅助设备计算。 (4)关键词：乙醇、水、二元精馏、浮阀连续精馏精馏塔、提馏段4AbstractChemical production often require two yuan of liquid mixture separation to achieve the purification or recovery of useful components of the purpose, distillation is the use of liquid mixtures of volatile com
6、ponents in the different degree with the help of repeated many of vaporization and condensation to light hydrocarbon separation method. Distillation in chemical, petrochemical, light industry and other industrial production plays an important role. Therefore, mastering the vapor-liquid phase equilib
7、rium relations, familiar with the various types of towers operating characteristics, to choose, design and analysis in the process of separation of various parameters is very important. Tower equipment is chemical, oil refining production in the most important equipment of one type of. The design of
8、 the floating valve tray in chemical production is mainly of gas-liquid mass transfer equipment. The design for the two yuan of property of the distillation problem analysis, selection, calculation, calculation, drawing, is a complete distillation design process, the design method widely adopted by
9、engineering technical personnel. The design of books on benzene and toluene separation equipment - float valve tower are describe in detail, mainly including: process calculation, calculation of auxiliary equipment, tower equipment drawings.Key words: ethanol, water, two yuan of distillation, float
10、valve continuous distillation distillation tower, the stripping section目录前言 11第一章 精馏塔的相关概述 121.1 精馏原理及其在化工生产上的应用 .121.2 精馏塔对塔设备的要求 121.3 常用板式塔类型及本设计的选型 121.4 本设计所选塔的特性 .12第二章 精馏塔的设计内容 1452.1 塔板的工艺设计 142.1.1 精馏塔全塔物料衡算 .142.1.2 乙醇-水相关计算 .142.1.3 理论塔板的计算 222.1.4 塔径的初步设计 242.1.5 溢流装置 252.1.6 塔板布置及浮阀数目与排
11、列 272.2 塔板的流体力学计算 .292.2.1 气相通过浮阀塔板的压降 .292.2.2 淹塔 .302.2.3 物沫夹带 322.2.4 塔板负荷性能图 332.3 塔附件设计 .382.3.1 接管 .382.3.2 筒体与封头 402.3.3 除沫器 .412.3.4 裙座 .412.3.5 吊柱 422.3.6 人孔 .422.4 塔总体高度的设计 .422.4.1 塔的顶部空间高度 422.4.2 塔的底部空间高度 .422.4.3 塔体高度 432.5 附属设备设计 4362.5.1 冷凝器的选择 432.5.2 再沸器的选择 .44第三章 总结 46谢辞 47参考文献 .4
12、8前言乙醇和水的原料混合物进入原料罐，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
13、断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成乙醇和水的分离。乙醇水混合液经原料预热器加热，进料状况为汽液混合物 q=1 送入精馏塔，塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，一部分入塔回流，其余经塔顶产品冷却器冷却后，送至储罐,塔釜采用直接蒸汽加热,塔底产品冷却后,送入贮罐。7第一章 精馏塔的相关概述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，上述部分气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
14、，塔顶冷凝收集的是纯低沸点组分，纯高沸点组分则留在塔底。1.2 精馏塔对塔设备的要求精馏设备所用的设备及其相互联系，总称为精馏装置，其核心为精馏塔。常用的精馏塔有板式塔和填料塔两类，通称塔设备，和其他传质过程一样，精馏塔对塔设备的要求大致如下： 一：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。 二：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。 三：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。 四：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
15、。 五：结构简单，造价低，安装检修方便。 六：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：筛板塔、泡罩塔、舌型塔、浮阀塔等。而浮阀塔具有很多优点，且加工方便，故有关浮阀塔板的研究开发远较其他形式的塔板广泛，是目前新型塔板研开发的主要方向。近年来与浮阀塔一直成为化工生中主要的传质设备，浮阀塔多用不锈钢板或合金 。实际操作表明，浮阀在一定程度的漏夜状态下，使其操作板效率明显下降，其操作的负荷范围较泡罩塔窄，但设计良好的塔其操作弹性仍可达到满意的程度。 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
16、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。 乙醇与水的分离是正常物系的分离，精馏的意义重大，在化工生产中应用非常广泛，对于提纯物质有非常重要的意义。所以有必要做好本次设计81.4 本设计所选塔的特性浮阀塔的优点是： 1生产能力大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，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。 2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。 3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。 4气体压降及
17、液面落差小，因气液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。 5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作成，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。第二章 精馏塔的设计内容2.1 塔板的工艺设计 2.1.1 精馏塔全塔物料衡算 F：原料液流量（ kmo
18、l/s） xF：原料组成（摩尔分数，下同） D：塔顶产品流量（kmol/s） xD：塔顶组成W：塔底残液流量（ kmol/s） xW：塔底组成 原料乙醇组成： %91.8/046/2Fx塔顶组成： 4./59D塔底组成： 078.1/.46/2.0Wx9进料量： smolF /k2071.360248/.1/.10/0.134 年万 吨物料衡算式： (2-1)WD(2-2)Fxx联立代入求解：D = 0.0208kmol/s， W = 0.1863kmol/s2.1.2 乙醇-水相关计算表 2.1 常压下乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度关系 温度/ 液相 气相 温度/ 液相 气相 温度/ 液
19、相 气相 100 0 0 82.7 23.37 54.45 79.3 57.32 68.4195.5 1.90 17.00 82.3 26.08 55.80 78.74 67.63 73.8589.0 7.21 38.91 81.5 32.73 59.26 78.41 74.72 78.1586.7 9.66 43.75 80.7 39.65 61.22 78.15 89.43 89.4385.3 12.38 47.04 79.8 50.79 65.64 84.1 16.61 50.89 79.7 51.98 65.99 (1)温度 利用表中数据由拉格朗日插值可求得 tF、t D、t WtF
20、： tF = 87.4121.70896.217089FttD ： tD = 78.17435.43.5Dt10tW ： tW = 99.82078.19.051Wt精馏段平均温度： 79.821.4.21 DFtt提馏段平均温度： 6.932WFtt(2)密度已知：混合液密度： （a 为质量分数， 为平均相对分子质量）(2-3)BAL1混合气密度： (2-4)04.2Tpv精馏段： 1 79.81t液相组成 x1： , x1=22.94%3.61气相组成 y1： y1=54.22%45.782945.89.0721y所以 (字体小四)kmolgML /.).0(.61 V 18322提馏段:
21、 1 2 .932t液相组成 x2： , x2=3.44%1.70896.70852x气相组成 y2： y2=23.37%.3.3.192所以 kmolgML /96.18)04.(1804.62 V 577表 2.2 由不同温度下乙醇和水的密度温度/ )/(3mkgc)/(3kgw1180 735 971885 730 968690 724 965395 720 96185100 716 9584求得在 与 下的乙醇和水的密度（单位： ） 。1t2 3mkg , ,79.875809.2.16.805乙3/g21.乙,97.水 3/k.水同理： ， 61.32t 3, /kg1.2m乙3,
22、/g81.962m水在精馏段：液相密度：,01.9743221.732.08469.0/24.1 L 3/06.85kgL汽相密度： 31 /1.9.85.4. mkgV在精馏段：液相密度：,81.96203451.72034.84603./4.012 L 32/6.9mkgL汽相密度： 32 /5.4.5. kgV (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公式：12(2-5)4/104/14/1SWSm注： ， 0VxW00Vx， SSxS00lg( ), B0wq 3/23/2041. WVqTQ, , A02lgSW10S式中，下角标 w、o、s 分别代表水，有机
23、物及表面部分； 、 指主体部分的分子数； 、 指主Wx0 WV0体部分的分子体积； 、 为纯水、有机物的表面张力；对乙醇 q=2W0精馏段 79.821t表 2.3 由不同温度下乙醇和水的表面张力温度/ 乙醇表面张力/（ ）130mN水表面张力/（ ）130mN70 18 64.380 17.15 62.690 16.2 60.7100 15.2 58.8mol/c15.206.8mV3wl/.4.3o乙醇表面张力： ， 乙 醇2.16579.8085.16乙 醇水表面张力： ， 水.098.7.6 07.2水13 46.1)35.0294.15706.(35.429.0)2941VxXxVx
24、( owo2owo2o2w 因为 xD=0.2294, 所以 xW=1-0.2294=0.7706146.0.lg)l(Bow2930.12.07.6235.408.165.2739.841.0VqT.Q 3/2w3/2 704.BA联立方程组 ， sc2wlg1scw代入求得 ， 70.sw740.so， /14/14/1m85.662. 9.25m精馏段 93t2ol/c2.96.38V3w ml/17.5.043o乙醇表面张力： ， 乙 醇2.69.1625839.15乙 醇水表面张力： ， 水8.51307.804.6水72.1).53.2196.0(1.034. )4o2w 14因为
25、 所以034.xD965.034.1xW.78lg)l(Bow2 825.02.1904.62.39.15.2361.94.0Q 3/ .08.4BA 联立方程组 ， sc2wlg1scsw2代入求得 ， , 73.0sw63.0so 03.4/1m(4)混合物的粘度 ，查表得： ，79.82t1sPa349.0水 sPa43.0醇，查表得： ，6.3t2 m28. 水 m81. 醇精馏段粘度：sPa364.0)29.1(34.029.43.01 提馏段粘度： smPa309.)4.1(298.034.81.02 (5) 相对挥发度 15精馏段挥发度：由 ， 得 ，所以 提馏段挥发度：由 ，
26、得 ，所以 56.8034.76.92xyAB (6)气液相体积流量计算 根据 x-y 图得： 713.2089.763.514xyRqDmin 取精馏段： s/kmol086.2.074RDLs/l154)1.()1(V已知： ，kmol/g42.M1Lkol/g8.3M1V，l/06.851Ll/4.1则有质量流量： s/kg1.2086.2L1/497.35.3VM1体积流量： s/m047.26.85L31s 16s/m07.314.9V1s提馏段：因本设计为饱和液体进料，所以 1qs/kol293.071.086.qFL s/ml54.1V 已知： ，kol/g96.8M2Lkol/
27、g54.2MV，l/.32L l/819.02则有质量流量： s/kg571.23.6L2/86.04.5VM2体积流量： s/m193.6.75L32s /58032Vs2.1.3 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，q = 1，即 qPa10325.17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， ,0891.xq,所以 ，操作回流比3025.yq713.2Rmin(2-6)已
28、知：精馏段操作线方程：提馏段操作线方程： 0136.x74.2ym1n在图上作操作线，由点（0.8814, 0.8814）起在平衡线与操作线间画阶梯，过精馏段操作线与 q 线交点，直到阶梯与平衡线交点小于 0.00078 为止，由此得到理论板 NT = 26 块（包括再沸器）加料板为第 24 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。245.0)(9.LET其中： 塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度；L塔顶与塔底平均温度下的液相粘度 smPa精馏段已知： ，98.3sPa364.01L所以：
29、 47.0).(4.E25.T 18,故 块5.147.023ENTP精 2NP精提馏段 已知： ，56.8smPa309.2L所以： 389.).(49.0E245.0T ,故 块1.538.NTP 精 6NP精全塔所需实际塔板数： 块582PP提精全塔效率： %10.4358126NEPT加料板位置在第 53 块塔板。2.1.4 塔径的初步设计(1) 精馏段 由 (2-7) (2-8) 式中 C 可由史密斯关联图查出： 19横坐标数值： 02.)14.685(07.342)(VL/11s 取板间距： ， ，则查图可知 ， m6.1529.4307uVD1s1 横截面积： ，空塔气速：2T8
30、.A s/m54.10.273u21(2) 提馏段 横坐标数值： 064.)819.0236(5.9)(VL/2/12s 取板间距： ， ，则查图可知 ， m38.1.2435uVD2s2 20圆整： ，横截面积： ，空塔气速：m6.1D2 22T m0.6.1785.0A s/m58.10.23u2 2.1.5 溢流装置(1)堰长取 m04.165.D6.0lw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 (2-9)精馏段 m0137.)04.1736(1084.2h3ow58ol提馏段 m0249.)04.15736(1084.2h3ow 51ol(2) 弓形降液管的宽度和横
31、截面 查图得： , ,则: ,0721.ATf4.DWd 2f m14.072.Am1984.064.Wd21验算降液管内停留时间： 精馏段： s27.61047.25.LHA31sTf 提馏段： 94.9.5.32sf 停留时间 。故降液管可使用。 (3) 降液管底隙高度 精馏段 取降液管底隙的流速 ，则 m02.13.472ulLh0w1so提馏段 取 ， 04.13.95ulLh0w1so 因为 不小于 20mm，故 满足要求。 2.1.6 塔板布置及浮阀数目与排列(1)塔板分布 本设计塔径 ，采用分块式塔板，以便通过人孔装拆塔板。 m6.1D(2)浮阀数目与排列 精馏段 22取阀孔动能
32、因子 ，则孔速 每层塔板上浮阀数目为： 型 浮 阀 ）块 （ 采 用 12021s F94.139.785.0ud4VN取边缘区宽度 ，破沫区宽度计算塔板上的鼓泡区面积，即：其中 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： m10375.29NAtta 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 81mm，而应小些，故取 ，按 ， ，以等腰三角形叉排方式作图，排得阀数 288 个。 按 重新核算孔速及阀孔动能因数 23阀孔动能因数变化不大，仍在 913 范围内 塔板开孔率提馏段 取阀孔动能因子 ，则每层塔板上
33、浮阀数目为： 块1926.309.785.1ud4VN02s 按 ，估算排间距， m.19t取 ，排得阀数为 244 块 按 块重新核算孔速及阀孔动能因数 阀孔动能因数变化不大，仍在 913 范围内 塔板开孔率242.2 塔板的流体力学计算 2.2.1 气相通过浮阀塔板的压降可根据 (2-10)计算 (1)精馏段 干板阻力：因 ，故：板上充气液层阻力 取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 25干板阻力：因 ，故：板上充气液层阻力 取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 2.2.2
34、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 （2） 单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度液体通过液体降液管的压头损失 m021.).04172(53.)hlL(153.0h23201wsd 板上液层高度 ,则m.L 15.078.H1d 取 ，已选定26则可见 所以符合防止淹塔的要求。 （2）提馏段 单板压降所相当的液柱高度液体通过液体降液管的压头损失 m02.).041935(.)hlL(153.0h 220ws2d 板上液层高度 ,则m7.L 152.078.H2d 取 ，则 49.)051.4(5.0)h(2wT可见 所以符合防止淹塔的要求。 2.2.3 物沫夹带精馏
35、段 (2-11)(2-12)27板上液体流经长度： m203.1984.26.1ZWDdL 板上液流面积： 2fTb 70A2查物性系数 ，泛点负荷系数图 %19.520712.03.134.64.8507.3 泛 点 率 9.5%78.06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 %86.410712.0.135.0368962.93. 泛 点 率 %.46078. 泛 点 率由计算可知，符合要求。 282.2.4 塔板负荷性能图(1)物沫夹带线 (2-13)据此可作出负荷性能图
36、中的物沫夹带线，按泛点率 80%计算： 精馏段 整理得：由上式知物沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个 值算出提馏段 整理得：表 2.4 相关体积流量与质量流量的取值Ls (m3/s) 0.002 0.0129精馏段 Vs (m3/s) 4.79 4.39Ls (m3/s) 0.002 0.01提馏段 Vs (m3/s) 5.83 5.33(2) 液泛线 由此确定液泛线，忽略式中而精馏段 整理得：提馏段 整理得：30在操作范围内任取若干个 值，算出相应得 值： 表 2.5 相关体积流量与质量流量的取值Ls1 (m3/s) 0.001 0.003 0.004 0.007精馏段 Vs1 (m3/s) 7.15 6.86 6.93 6.23Ls2 (m3/s) 0.001 0.003 0.004 0.007 提馏段 Vs2 (m3/s) 8.07 7.83 7.72 7.42(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 35s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 s/m013.54.1.0HA)L(Tfmaxs (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)液相负荷下限
