工學化工原理浮閥塔設計

1、工學化工原理浮閥塔設計工學化工原理浮閥塔設計 北京理工大學珠海學院 課 程設計 北京理工大學珠海學院課程設計任務書20112012學年第一學期學生姓名：*專業(yè)班級：09化工1班指導教師：*工作部門：化工與材料學院 一、課程設計題目：乙醇和正丙醇物系分離系統(tǒng)的設計二、課程設計內(nèi)容（含技術指標）1.設計條件 生產(chǎn)能力：25000噸/年（每年按300天生產(chǎn)日計算）原料狀態(tài)：乙醇含量45% （wt%）;溫度：25C；壓力：100kPa；泡點進料；分離要求：塔頂儲由液中乙醇含量 99% （wt% ）;塔釜乙醇含量2% （wt% ） 操作壓力：100kPa其它條件：塔板類型：浮閥塔板；塔頂采用全凝器；R=

2、1.9Rmin 2.具體設計內(nèi)容和要求（1）設計工藝方案的選定（2）精微塔的工藝計算（3）塔板和塔體的設計（4）水力學驗算（5）塔頂全凝器的設計選型（6）塔釜再沸器的設計選型（7）進料泵的選取 （8）繪制流程圖（9）編寫設計說明書 （10）答辯 年處理量25000噸乙醇-正丙醇連續(xù)精微浮閥塔設計摘要本設計對年處理量為25000噸乙醇-正丙醇的浮閥連續(xù)精微塔進行了設計。通過查表得各組分物性數(shù)據(jù)后，再用試差法計算由特定組 成的乙醇-正丙醇混合液的泡點溫度、密度、表面張力以及粘度；用安托因方程求生相對揮發(fā)度；用最小回流比的方法 求生精微塔適宜操作回流比為3.306;通過逐板計算法用Excel快速計算

3、由理論塔板數(shù)為18塊，并進一步確定精微塔的實際塔板數(shù)為 36塊；分別對此精微塔的精儲段及提福段 的塔體工藝尺寸進行了設計，并對設計之后的浮閥板進行了 流體力學的驗算；繪制由塔板負荷性能圖，從而得由精微段 的操作彈性為3.000,提微段的操作彈性為2.969;并對輸送各股物流的管徑進行了設計，確定了塔頂全凝器冷卻水的用量以及塔底再沸器中加熱蒸汽的用量，結果表明，本設計合理。關鍵詞：連續(xù)精微浮閥精儲塔精儲塔設計乙醇正丙醇V目錄 北京理工大學珠海學院課程設計任務書I摘要n目錄出1緒論1 1.1前言1 1.2設計任務3 1.3設計方案說明3 1.3.1 設計方案的確定3 1.3.2塔體工藝尺寸的計算

4、4 1.3.3塔板工 藝尺寸的計算4 1.3.4簡易工藝流程圖5 2精微塔全塔物料 衡算7 2.1物料衡算7 2.1.1原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的質(zhì)量分數(shù)及摩爾分數(shù)換算7 2.1.2全塔物料衡算7 3精微段和提福段的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)的計算9 3.1操作溫度計算93.2平均密度計算10 3.3混合液體平均表面張力計算13 3.4混合液體平均粘度計算14 3.5液體平均相對揮發(fā)度計算15 4理論塔板數(shù)的計算17 4.1最小回流比及操作回流比17 4.2精福塔的氣液相負荷17 4.3操作線方程17 4.4逐板計算法求理 論塔板層數(shù)18 4.5全塔效率和實際板層數(shù)19 5塔徑計算215.1精微段、

5、提儲段氣液相體積流量計算21 5.2空塔氣速的計算22 5.3溢流裝置24 5.4塔板分布、浮閥數(shù)目與排列 25 6 塔板流體力學計算27 6.1氣相通過浮閥塔板的壓降 27 6.1.1 精微段浮閥塔板的流體力學驗算27 6.1.2提微段浮閥塔板的流體力學驗算27 6.2淹塔（液泛）28 6.2.1精微段計算28 6.2.2 提微段計算29 6.3霧沫夾帶29 6.3.1精微段計算30 6.3.2提 微段計算30 6.4塔板負荷性能圖31 6.4.1霧沫夾帶線31 6.4.2 液泛線32 6.4.3液相負荷上限32 6.4.4漏液線33 6.4.5液相 負荷下限線33 7塔附件設計37 7.1

6、精微塔塔體工藝尺寸的 確定37 7.1.1筒體工藝尺寸的確定37 7.1.2封頭工藝尺寸的確定1137 7.1.3裙座工藝尺寸的確定37 7.1.4塔體人孔工藝尺寸的確定37 7.2接管工藝尺寸的確定38 7.2.1進料管387.2.2回流管39 7.2.3塔底由料管39 7.2.4塔底蒸氣由料管 39 7.2.5塔底進氣管40 8塔總體高度的設計 41 8.1塔的頂部空 間高度41 8.2塔的底部空間高度 41 8.3塔總體高度41 9熱 量衡算42 9.1塔頂冷凝器的熱量衡算 42 9.1.1冷凝器的熱負 荷42 9.1.2冷凝器的選擇43 9.2全塔熱量衡算44 9.2.1比熱 容44

7、9.2.2塔頂上升氣體及塔頂、進料、塔底儲由液的熱量 45 9.2.3再沸器的熱負荷（全塔范圍列衡算式）46 9.2.4加熱蒸 氣的用量46 9.2.5再沸器的選擇46 9.2.6冷凝水消耗量47結 語48參考文獻49符號說明50附錄52附錄1浮閥孔排布 圖52附錄2工藝流程圖52后記53致明f 54 1緒論1.1 前言 工業(yè)上，精儲是應用最為廣泛的傳質(zhì)分離操作。精微裝置主要由精微塔、冷凝器和再沸器等組成。精儲塔可分為板式塔和填料塔兩大類1 o板式塔內(nèi)置一定數(shù)量的塔板，氣體以豉泡或噴射形式穿過板上的液層，進行傳質(zhì)與傳熱。在正常操作下，液相為連續(xù)相，氣相組成呈階梯變化，屬逐級接觸逆流操作過程2

8、o填料塔內(nèi)裝有一定高度的填料層，液體自塔頂沿填料表 面下流，氣體逆流而上（有時也采用并流向下）流動，汽液 兩相密切接觸進行傳質(zhì)與傳熱。在正常操作下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相，氣相組成 呈連續(xù)變化，屬微分接觸逆流操作過程。板式塔是與填料塔具有不同特點的氣液傳質(zhì)設備。與填料塔比較，具有效率較穩(wěn)定，檢修清理較易，液氣比適應范圍較大的優(yōu)點。但它也有結構較復雜，壓降較大且耐腐性較差的缺點。板式塔和填料塔的性能比較 3詳見表1-1 o表1-1板式塔和填料塔的性能比較項目板式塔填料塔 壓力降 壓力降一般比填料塔大壓力降小，較適合要求壓力較小的場合 空塔氣速 空塔氣速小 空塔氣速大 塔效 率 效率穩(wěn)定，大塔

9、效率比小塔有所提高塔徑在1400mm以下效率較高，塔徑增大，效率常會下降液氣比 適應范圍較大對液體噴淋量有一定要求持液量較大較小材質(zhì)要求一般用金屬材料制作 可用非金屬耐腐蝕材料安裝維修較容易 較困難 造價 直徑大時一般比填料塔造價低直徑小于800mm , 一般比板式塔便宜，直徑增大，造價顯著增加 重 量 較輕 重 目前研究最為熱門的精儲塔可算是填料塔，也 是取得許多成果的領域。規(guī)整填料及各種高效填料開發(fā)成功后，在工業(yè)上的應用范 圍逐步擴大，打破了填料只適用于小塔的概念，而且在減壓 和常壓精微場合呈現(xiàn)由了取代板式塔的趨勢，尤其是在老塔 的擴充改造中。板式塔是目前最主要的精微塔塔型，對它的研究一直

10、長 盛不衰。篩板塔和浮閥塔成功取代泡罩塔是效益巨大的成果，板式 塔的設計已達到較高的水平，結果比較可靠。具有各種特點的新型塔板的開發(fā)研究不斷展開。隨著篩板塔泡罩塔的不斷改進，浮閥塔產(chǎn)生了，它結合了兩者的優(yōu)點有具有自己的特點。本設計中我們選用浮閥塔， 浮閥塔具有結構簡單，造價低， 制造方便，塔板開孔率大，生產(chǎn)能力大等優(yōu)點。但在設計中使用不當，會引起閥片脫落或卡死等現(xiàn)象，使 塔板效率和操作彈性下降。由于浮閥塔的上述優(yōu)點，且加工方便，故有關浮閥塔板的 研究開發(fā)遠較其他形式的塔板廣泛，是目前新型塔板研開發(fā) 的主要方向。近年來與浮閥塔一直成為化工生中主要的傳質(zhì)設備，為減 少對傳質(zhì)的不利影響，可將塔板的液

11、體進入?yún)^(qū)制突起的斜臺 狀，這樣可以降低進口 處的速度使塔板上氣流分布均勻。浮閥塔多用不銹鋼板或合金。實際操作表明，浮閥在一定程度的漏夜狀態(tài)下，使其操作 板效率明顯下降，其操作的負荷范圍較泡罩塔窄，但設計良 好的塔具操作彈性仍可達到滿意的程度。本設計是采用浮閥塔板連續(xù)精微分離乙醇和正丙醇的混 合溶液，由于浮閥塔的研究比較成熟，因此本設計的結果有 較高的可信度。55 1.2設計任務1.進料組成：乙醇45%,正丙醇55% （均為質(zhì)量分率，下同）；2.產(chǎn)品組 成：儲由液中乙醇含量為 99%,釜殘液甲乙醇含量為 2%; 3.生 產(chǎn)能力：料液的處理量為 25000噸/年；4.生產(chǎn)時間：每年按300天生產(chǎn)日

12、計算 5.操作條件：(1)常壓操作(100kPa); (2)泡點進料；(3)間接蒸汽加熱， 加熱蒸汽壓力為 5kgf/cm2 (絕對壓力)；(4)冷卻水進口溫 度25C,由口溫度 45C； (5)設備熱損失為加熱蒸汽供熱 量的10%; (6)料液可視為理想物系。(7)適宜回流比1.3設計方案說明1.3.1設計方案的確定1.裝置流程的確定 精微有連續(xù)精儲和間歇精儲之分，連續(xù) 精微屬于穩(wěn)態(tài)操作，塔內(nèi)各項參數(shù)不隨時間變化，適合原料 處理量大且需獲得組成一定的產(chǎn)品的混合物的分離；而間歇 精微為非穩(wěn)態(tài)操作。因此本設計中采用連續(xù)精微。由于乙醇-正丙醇物系可以采用江河水或循環(huán)水作冷卻介 質(zhì)，冷卻費用較少，所

13、以采用水作冷卻介質(zhì)。塔頂冷凝器可采用全凝器或分凝器，工業(yè)上以全凝器為 主，以便準確地控制回流比。塔頂分凝器對上升蒸汽有一定的增濃作用，若后續(xù)裝置使 用氣態(tài)物料，宜用分凝器。由于本設計中塔頂產(chǎn)品為液態(tài)，故采用全凝器。對于小塔，回流冷凝器一般安裝在塔頂，冷凝液由重力作用回流入塔3,故本設計中將塔頂冷凝器安裝在塔頂平臺。由于乙醇-正丙醇物系性質(zhì)與水相近，故用來將原料液、 釜液、產(chǎn)品液分別打入塔內(nèi)、釜液貯罐、原料貯罐的離心泵 可采用清水型離心泵，本設計只是簡單根據(jù)其流量來選定， 所以不是很嚴謹。三臺離心泵的型號均為：O2,操作壓力的選擇 蒸播過程按操作壓力不同， 分為常壓 蒸儲、減壓蒸儲和加壓蒸儲。一

14、般除熱敏性物系外，凡通過常壓蒸儲能夠?qū)崿F(xiàn)分離要 求，并能用江河水或循環(huán)水將儲生物冷凝下來的物系，都應 采用常壓蒸儲。所以本設計中的操作壓力采用常壓 2 o3,進料熱狀況的選擇精微操作有五種進料狀況，工業(yè)上 常采用接近泡點的液體進料和飽和液體進料。這樣，進料溫度就不受季節(jié)、氣溫變化和前道工序波動的 影響，塔的操作就比較容易控制。而且，精微段和提微段的上升蒸汽量相近，塔徑可以相同，設計制造也比較方便。又因為乙醇-正丙醇為一般物系，所以本設計中采用泡點進 料。4 .塔釜料液的加熱方式的選擇精微塔通常設置再沸器, 采用間接蒸汽加熱，以提供足夠的能量。故本設計采用再沸器加熱塔釜料液。5 .回流比的選擇

15、設備費用和操作費用之和為最低時所 對應的回流比為適宜回流比。要得到經(jīng)濟上合適的回流比，必須進行詳盡的經(jīng)濟衡算和 最優(yōu)化設計。通常在設計過程中只作定性考慮，由此選用的回流比隨意 性很大，往往選取的不一定是合適的回流比。因此本設計中使用設計任務書中給由的適宜回流比，這樣 本設計中所選用的適宜回流比是比較合理的。1.3.2 塔體工藝尺寸的計算 因為乙醇-正丙醇可視為理想 物系，故塔的平均相對揮發(fā)度的確定可運用安托因方程和拉 烏爾定律，采用試差法，用 Excel快速、準確地計算由特定 組成下的相對揮發(fā)度，從而可以計算由全塔的平均相對揮發(fā) 度。也因為乙醇-正丙醇可視為理想物系， 所以可以采用逐板計 算法

16、，運用Excel快速地計算由理論塔板數(shù)以及進料板的位 置。根據(jù)經(jīng)驗公式確定總板效率，從而可求由實際塔板數(shù)，并 求生塔的有效高度。依據(jù)課程設計任務書的要求，通過相關經(jīng)驗公式計算及 圖表查取數(shù)據(jù)，取適宜的塔板間距算由塔徑。之后再根據(jù)相關參考書上的經(jīng)驗值選取各物流的適宜流速，計算由各管徑的大小。由于物系不具有腐蝕性且在低的壓力下操作，故選用低壓 流體輸送用焊接鋼管或普通熱軋無縫鋼管，查管徑規(guī)格，選 取各管管徑。1.3.3 塔板工藝尺寸的計算 塔板工藝尺寸的計算包括溢流裝置的設計和塔板的設計。溢流裝置包括溢流堰、降液管和受液盤等幾部分，其結構和尺寸對塔的性能有著重要的影響。在計算時，根據(jù)經(jīng)驗參數(shù)及相關

17、公式計算由堰長，堰高、 降液管底隙高度等相關數(shù)據(jù)，然后根據(jù)計算結果選擇裝置。再進行塔板設計，計算完后進行核算，如不合理則反復調(diào) 試至設計合理。1.3.4 簡易工藝流程圖1.原料液的走向如圖1-1所示。再沸器精微塔泡點進料全凝器圖1-1精微工藝流程 圖注：F為進料液物流，組成為 xF ; D為塔頂儲由液物流，組成 為xD ; W為塔底釜液物流，組成為 xW o2.全凝器內(nèi)物流的走向如圖1-2所示。塔頂蒸汽冷卻水冷卻水塔頂冷凝液圖1-2全凝器物 流流程圖注：全凝器內(nèi)物料走殼程，冷卻水走管程；3.再沸器內(nèi)物流的走向如圖1-3所示。加熱蒸汽物料物料加熱蒸汽圖1-3再沸器物流流程 圖注：再沸器內(nèi)加熱蒸汽

18、走殼程，物料走管程；浮閥塔的主要設計如表1-2所不。表1-2浮閥塔主要設計條件項目工作方式操作壓力 加料 方式 適宜 回流比 冷凝器 冷凝 介質(zhì) 板式塔 離 心泵選取連續(xù)精微常壓（100kPa）間接蒸汽全凝器 自來水 浮閥塔2精微塔全塔物料衡算2.1物料衡算2.1.1原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的質(zhì)量分數(shù)及摩爾分數(shù)換算乙醇的摩爾質(zhì)量正丙醇的摩爾質(zhì)量 F: 進料量（Kmol/s ）:原料組成（摩爾分數(shù)，下同） D: 塔頂產(chǎn)品流量（Kmol/s）:塔頂組成 W:塔底殘液流量（Kmol/s ）:塔底組成（質(zhì)量分數(shù)，左同）原料 乙醇組成：塔頂組成：塔底組成：2.1.2全塔物料衡算 年處理量為25000噸/年

19、，按300天生 產(chǎn)日計算，則：進料量：=65.88kmol/s總塔物料衡算式：（2-1）乙醇物料衡算式:(2-2)即：聯(lián)立解得：D=0.0093kmol/s=33.48kmol/hW=0.0090kmol/s=32.4kmol/s物料衡算結果如表2-1所示表2-1物料衡算表摩爾分數(shù) % 51.63 99.23 2.59 摩爾流量 kmol/s F 0.0183 D 0.0093 W 0.0090 3精微段和提儲段的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)的計算3.1操作溫度計算 表3-1常壓下乙醇-正丙醇氣-液平衡組 成(摩爾)與溫度關系 溫度t/ C液相組成x氣相組成y 溫度t/C 液相組成 x氣相組成 y

20、97.60 0 0 84.98 0.5460.711 93.85 0.126 0.240 84.13 0.600 0.760 92.66 0.188 0.318 83.06 0.663 0.799 91.60 0.210 0.349 80.50 0.884 0.914 88.32 0.358 0.550 78.38 1.0 1.0 86.25 0.461 0.650 利用上表中的數(shù) 據(jù)由插值法可求得、。:,=85.42 C :,=78.49 C :,=96.83 C精微段平均溫度：提微段平均溫度：計算結果如表2-2所示 表3-2進料、塔頂、塔底溫度及精 微段和提儲段平均溫度表狀態(tài) 溫度 C 8

21、5.42 78.49 96.8381.96 91.13 3.2平均密度計算 已知： 混合液密度：（為質(zhì)量分數(shù)，為平均相對分子質(zhì)量）（3-1）混合氣密度:（3-2） 塔頂溫度：=78.49 C氣相組成：，=99.43%進料溫度：=85.42 C氣相組成：，=68.99%塔底溫度：=96.83 C氣相組成：，=4.93% （1）精微段 液相組成：， =75.43%氣相組成：，=84.21%所以（2）提微段 液相組成：， =27.11%氣相組成：，=36.96%所以 由下表 表3-3不同溫度 下乙醇和正丙醇的密度溫度/C 70 80 90 100 110乙醇（kg/m3） 754.2 742.3 730.1 717.4 704.3 正丙醇（kg/m3） 759.6 748.7 737.5 726.1 714.2求得在、下的乙醇和正丙醇的密度（單位：kg/m3） =85.42 C , , , , =78.49 C , , , , =96.83 C , 所以 表3-4精微段和提福段中下降及上升氣體和液體的平均密度及平均摩爾質(zhì)量表密度 kg/m3 741.83 734.52 1.661.83 摩爾質(zhì)量 kg/kmol 49.44