化工原理精馏塔课程设计.doc

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1、 课程设计 设计题目：板式设计精馏塔 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导老师： 2011年01月21日设计题目板式精馏塔的设计成绩课程设计主要内容流量的确定、各物理性质的计算、回流比的确定、各种管路的选型、各种强度的校核指导教师评语建议：从学生的工作态度、工作量、设计（论文）的创造性、学术性、实用性及书面表达能力等方面给出评价。签 名： 200 年 月 日设计任务书化工原理课程设计任务书专业 班级 姓名 学号 设计题目：板式精馏塔设计设计时间：2011年1月10日 至 2010年1月21日指导老师： 设计任务：年处理 120000 kg乙醇-水溶液系统1、料液含乙醇28%，馏出液含乙醇不少

2、于94 wt%，残液含乙醇不大于0.05 wt%2、操作条件：（1）泡点进料，回流比R= 1.5 Rmin。（2）塔釜加热蒸汽压力：间接0.2 MPa（表压），直接0.1 MPa（绝压）。（3）塔顶全凝器冷却水进口温度20，出口温度50 。（4）常压操作。年工作日300320 d，每天工作24 h。（5）设备形式（筛板塔、浮阀塔、泡罩塔等）自选。（6）安装地点：合肥任务来源：合肥酒厂设计主要内容：工艺流程的确定，塔和塔板的工艺尺寸计算，塔板的流体力学验算及负荷性能图，辅助设备的计算与选型，主体设备的机械设计。设计报告：1、设计说明书一份。（格式：按照本科毕业设计论文书写格式）2、主体设备总装图

3、一张（1#图纸），带控制点工艺流程图（3#图纸）一张。中文摘要：在化工、石油、医药、食品等生产中，常需将液体混合物分离以达 到提纯或回收有用组分的目的，而蒸馏就是其中一种方法。随着化 学 工业的发展，蒸馏技术、设备及理论也有了很大的发展。蒸馏操作的 理论依据是借混合液中各组分挥发性的差异而达到分离的目的。在操 作中进行多次的气体部分冷凝或液体部分气化称为精馏。习惯上，混 合物中的易挥发组分称为轻组分，难挥发组分成为中组分。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。关键字：精馏，蒸馏，筛板，塔abstract： In the che

4、mical, petroleum, pharmaceutical, food and other production, often need a liquid mixture separation to achieve purification or recycled useful components purpose, and the distillation is one of the methods. Along with the development of chemical industry, distillation technology, equipment and theor

5、y also has greatly developed. The theoretical basis of the distillation operation was borrowed between each composition of volatile differences and to achieve the purpose of separation. In the operation of gas part of multiple condensing or liquid part gasification called distillation. Traditionally

6、, mixture of volatile components called light components, difficult volatile component becomes component. Therefore, grasps the gas-liquid balance relationship, familiar with all kinds of tower operation characteristics of selection, design and analysis of various parameters separation process is ve

7、ry important.keywords：rectification,distillation,sieve plate,pagoda 目录中文摘要.3abstract.4第一章绪论71.1塔板的类型与选择71.1.1泡罩塔板71.1.2筛孔塔板71.1.3浮阀塔81.2塔的选择因素81.2.1与物性有关的因素8第二章流程的确定和说明92.1设计方案的选定92.1.1操作压强的选择92.1.2进料热状态的选择92.1.3加热方式102.2设计方案的确定及流程说明102.3工艺草图10第三章塔板的工艺设计113.1工艺计算：113.1.1塔的物料衡算：113.1.2平均摩尔质量113.1.3物料

8、衡算113.1.4回流比的确定123.1.5各物理性质的计算123.1.6气液相体积流量计算173.1.7理论塔板计算183.2塔和塔板主要工艺尺寸计算183.2.1塔径初步设计183.3溢流装置计算203.3.1堰长203.3.2堰高213.3.3弓形降液管宽度和截面积213.4塔板布置及浮阀数目与排列223.4.1塔板分块223.4.2边缘区宽度确定223.4.3开孔区面积计算223.4.4筛孔计算及其排列223.5筛板流体力学验算233.5.1液柱高度的计算233.5.2液柱落差243.5.3液沫夹带243.5.4漏液253.5.5液泛253.6塔板负荷性能图263.6.1漏液线263.

9、6.2液泛线263.6.3液相负荷下限线273.6.4液相上限线273.6.5液泛线273.7板式塔结构与附属设备的计算323.7.1接管323.7.2简体与封头343.7.3除沫器353.7.4裙座353.7.5吊柱363.7.6人孔363.8塔总体高度的设计363.8.1塔的顶部空间高度363.8.2底部空间高度363.8.3塔立体高度363.9附属设备的设计373.9.1冷凝器的选择373.9.2再沸器的选择373.9.3离心泵选择383.10机械设备设计383.10.1质量载荷383.10.2风载荷和风弯矩393.10.3塔体的强度和稳定性校核403.10.4裙座的强度和稳定性计算41

10、第四章总结444.1设计总结444.2心得体会45附录一：常压下乙醇-水系统t-x-y数据48附录二：乙醇温度组成数据及图51乙醇水浮阀塔精馏工艺设计第一章绪论 塔设备是化工、炼油、石油化工、生物化工和制药等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触部件的结构形式，可分为板式塔和填料塔两类。板式塔内设置一定数量的板塔，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上的液层，进行传质与传热。在正常操作下，气相为分散相，液相为连续相，气相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流向上（有时也采用并流向下）流动，气液两相密切接触进行传质和传热。在正常操作

11、下，气相为连续相，液相为分散相，气相组成呈连续变化，属微分逆流操作过程。1.1塔板的类型与选择 1.1.1泡罩塔板 泡罩塔板是工业上应用最早的塔板，其主要元件为升气管及泡罩。泡罩安装在升气管的顶部，分圆形与条形两种。国内应用较多的是圆形泡罩。泡罩尺寸分为80mm、100mm、150mm三种，可根据塔径的大小来选择，通常塔径小于1000mm，选用80mm的泡罩；塔径大于2000mm，选用150mm的泡罩。 泡罩塔板的优点是操作弹性较大，液气比范围大，不易堵塞，适于处理各种物料。其缺点是结构复杂，造价高；板塔液层厚，塔板压降大，生产能力及塔板效率较低。 1.1.2筛孔塔板筛孔塔板简称筛板，结构特点

12、为塔板上开有许多均匀的小孔。根据孔径的大小，分为小孔径筛板（孔径为38mm）和大孔径筛板（孔径为1025mm）两类。工业上一小孔径筛板为主，大孔径筛板多用于某些特殊场合（如分离粘度大、易结焦的物系）。筛板的优点是结构简单，造价低；板上液面落差小，生产能力较大；气体分散均匀，传质效率较高。其缺点是筛孔易堵塞，不宜处理粘度大的、易结焦的物料。尽管筛板传质效率高，但若操作和设计不当，易产生漏液，湿的操作弹性减小，传质效率下降。 1.1.3浮阀塔 浮阀塔是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的，它吸收了两种塔板的优点。其结构特点是在塔板上开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可以上下浮动的阀片。气流从浮阀周

13、边水平得进入塔板上液层，浮阀可以根据气流流量的大小而上下浮动，自行调节。浮阀的类型很多，国内常用的有F1型V-4型及T型等，其中F1型浮阀应用最为普遍。 浮阀塔板的优点是结构简单、操作方便、造价低；塔板开孔率大，生产能力大；由于阀片随气量变化自由升降，故操作弹性大；因上升气流水平吹入液层，气液接触时间较长，故塔板效率较高，其缺点是处理易结焦、高粘度的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降。 以上介绍的仅是几种较为典型的浮阀形式。由于浮阀生产能力大，操作弹性大及塔板效率高等优点，且加工方便，故有关浮阀塔的研究开发较其他型式的塔板广泛，是目前

14、新型塔板研究开发的主要方向。1.2塔的选择因素 塔的选择因素很多，主要有物料性质、操作条件、塔设备的制造安装和维修等。 1.2.1与物性有关的因素（1） 易起泡的物系在板式塔中有较严重的泡沫夹带现象或引起液泛，故选用填料塔为宜。因为填料不易形成泡沫。（2） 对以腐蚀介质，可选用 精馏的设计包括设计方案的选定、主要工艺计算、绘制负荷性能图等。理论塔板数精馏段24块，提馏段4.2块。本设计选用了筛板塔，筛板塔上有均布的筛孔，上升气流经筛孔分散、鼓泡通过上液层，形成气液密切接触的泡沫层（或喷射的液滴层）。第二章流程的确定和说明 2.1设计方案的选定 工业上对塔设备的主要要求：（1）生产能力大（2）传

15、质、传热效率高（3）气流的摩擦阻力小（4）操作稳定、适应性强、操作弹性大（5）结构简单、材料耗用量少（6）制造安装容易，操作维修方便。此外不易堵塞、耐腐蚀等。 2.1.1操作压强的选择 精馏操作可在常压、减压和加压条件下进行，操作压强常取决于冷凝温度。一般，除热敏性物料外，凡通过常压蒸馏不难实现分离要求，并能用江河水或循环水将馏出物冷凝下来的系统，都应采用常压蒸馏；对热敏性物料或混合液沸点过高的系统则宜采用减压蒸馏；对常压下馏出物冷凝温度过低的系统，需提高塔压或采用深井水、冷冻盐水作为冷凝剂；而常压呈气态的物料必须采用加压蒸馏。 2.1.2进料热状态的选择进料热状态以进料热状态参数q表达，即

16、有五种进料状态，即q1时，为低于泡点温度的进料；q=1时，为泡点下的饱和液体；q=0，为露点下的饱和蒸汽；1q0时，为介于泡点和露点间的气液混合物；q2.4800 (2)提馏段： ，3.3溢流装置计算塔径D=1.8m2.2m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。 3.3.1堰长 3.3.2堰高， 3.3.3弓形降液管宽度和截面积 验算液体在降液管中停留时间：所以此降液管能用。 所以此降液管可用。3.3.4降液管底隙高度 此降液管底隙高度设计合理，选用凹形受液盘。 此降液管底隙高度设计合理。3.4塔板布置及浮阀数目与排列 3.4.1塔板分块，如表：塔板分块数塔径/mm塔板分块数800-120

17、031400-160041800-200052200-24006 3.4.2边缘区宽度确定 3.4.3开孔区面积计算 3.4.4筛孔计算及其排列 精馏段：气孔通过筛孔的气速为: 提馏段：气孔通过筛孔的气速为： 3.5筛板流体力学验算 3.5.1液柱高度的计算 ， 精馏段气体通过每层塔板液柱高度按下式计算：符合要求。提馏段气体通过每层塔板液柱高度按下式计算： 3.5.2液柱落差对于筛板塔，液面落差很小，且本设计塔径D=1800mm2000mm,所以可忽略液面落差的影响。 3.5.3液沫夹带 故在本设计中液沫夹带量在允许范围内。 3.5.4漏液对于筛板塔漏液点气速：本设计无明显漏液。本设计无明显漏

18、液现象。 3.5.5液泛 所以，不会发生液泛现象 所以，不会发生液泛现象3.6塔板负荷性能图 3.6.1漏液线 3.6.2液泛线 由上面两直线作液沫夹带线1、2 3.6.3液相负荷下限线对于平直堰，取液上液层高度how=0.06米作为最小液体负荷标准。 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3。 3.6.4液相上限线以=4s作为液体在降液管中停留时间下限据此可作出与气体流量无关的垂直负荷上限线4. 3.6.5液泛线 由以上精馏段各方程的精馏段负荷性能图如下： VS1/(m3/s) LS1(m3/s)（1）漏液线（2） 液沫线（3）液泛线0.00061.7094.16046.970.001

19、51.7524.02266.8350.0031.8063.8466.6440.00451.853.6976.4660.00451.8893.5656.2880.0081.93453.4046.0430.011.97563.2565.780.0122.0133.1185.4930.0142.0482.9885.1750.0162.08072.8644.8190.0182.11172.7444.4130.022.1412.6293.941（4） 液相负荷下限线（5）液相负荷上限线由以上提馏段各方程的精馏段负荷性能图如下： VS2(m3/s)LS2(m3/s)（1）漏液线 （2） 液沫夹带线（3）液

20、泛线0.00061.9955.2548.0340.00152.0535.0917.8760.0032.1254.8817.6640.00452.1844.7057.4770.0062.2354.5477.3020.0082.2954.3577.0730.012.3494.1826.8550.0142.4443.8646.3960.0182.5283.5755.9270.022.5663.4385.672（4）液相负荷下限线（5）液相负荷上限线由图中可看出：1、在任务规定的气液负荷下的操作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有液沫夹带控制，操作下限由漏液控制；3、 4、精馏段

21、精馏段数据提馏段提馏段数据塔板数51塔板数9塔板间距/ mm450塔板间距/ mm450堰长/ mm1170堰长/ mm1170堰高 /mm47.04堰高 /mm39.86底隙/ mm33.8底隙/ mm65.60.07210.0721塔截面积/2.543塔截面积/2.543降液管面积/0.1834降液管面积/0.1834有效传质面积/1.851有效传质面积/1.851开孔面积/0.1865开孔面积/0.1865阀孔直径/m0.005阀孔直径/m0.005筛孔数n9502筛孔数n9502开孔数0.1008开孔数0.1008孔心距t /m0.015孔心距t /m0.015边缘区宽/m0.08边缘

22、区宽/m0.081.9682.82空塔气数u1.464空塔气数u1.509堰上液头高度/m0.01296堰上液头高度/m0.02014干板阻力/m0.049干板阻力/m0.0333降液管液体停馏时间/s26.06降液管液体停馏时间/s11.949气体通过液层阻力/m0.0342气体通过液层阻力/m0.0354筛孔气数19.95筛孔气数20.56筛孔动能因子1.7205阀孔动能因子1.5049最小气相流量2.105最小气相流量2.548最大气相流量4.352最大气相流量5.93.7板式塔结构与附属设备的计算 3.7.1接管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

23、计选用直管进料管，管径计算如下： 查标准系列选取764mm（内管） 所以取764mm3、塔釜出料管取uw=1.6m/s tw=99.95 查表取764mm4、 塔顶蒸汽出料管:tD=78.12 V=(R+1)D=460.636kmol/h 查表取5309mm5、塔釜进气管取u=23m/s V=460.636kmol/h tw=99.95oC 查表取5309mm6、法兰由于常压操作，所用法兰均采用标准管法兰，干焊法兰，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：Pg6Dg70HG5010-58（3）塔釜出料管法兰：Pg6Dg70HG

24、5010-58（4）塔顶蒸汽管法兰：Pg6Dg500HG5010-58（5）塔釜蒸汽进气法兰：Pg6Dg500HG5010-58 3.7.2简体与封头1、简体对碳素钢：P=101.25kPa Dn=1800mm 查表得=1140公斤力/厘米2, -焊缝系数取0.9由于刚度条件，筒体厚度最小要3mm考虑到此塔较高，风载荷较大，塔内径不太大，故适当的增加壁厚选12mm壁厚选12mm,所用材质为A32、封头 封头分为椭圆形封头、蝶形封头等几种，本设计采用椭圆形封头，由公称直径dg=1800mm,查得曲面高度h1=450mm，直边高度ho=40mm,内表面积F封=3.37m2,容积U封=0.866m3

25、,选用封头Dg18006,JB1154-73。 3.7.3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雾滴的情况下，设置除沫器以减少液体夹带损失，确保气速纯度，保证后续工作的正常操作。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： 选取不锈钢除沫器：类型：标准型 规格：40-100 材料：不锈钢丝网（1Gr18Ni9）丝网尺寸：圆丝0.23 3.7.4裙座 塔顶常用裙座支撑，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撑形式，为了制作方便，一般采用圆筒形，

26、由于裙座内径800mm，故裙座壁厚取16mm。基础环内径：Dbi=(1800+216)-(0.20.4)103=1532mm基础环外径：Dbo=(1800+216)+(0.20.4)103=2132mm圆整：Dbi=1600mm,Dbo=2100mm；基础环壁厚，考虑到腐蚀余量18mm;考虑到再沸器，裙座高度取3m,地脚螺栓取M30. 3.7.5吊柱对于较高的室外无框架是整体塔，在塔顶设计吊柱，对于补充和更换填料、安装和拆卸内件，既经济有方便的一项设施，一般取15m以上的它物设吊柱，本设计中塔高度较大，因此设吊柱。因设计塔径D=1800mm，可选用吊柱500kg,s=1000mm,L=3400

27、mm, H=1000mm,材料为A3 3.7.6人孔 人孔是安装或检修人员进出塔的唯一通道，人孔的设置应便于进入任何一层塔板，由于设置人孔处塔间距离大，且人孔设备过多会使制造时塔体的弯曲度难以达到要求，一般每隔1020块才设一个人孔，本塔中人孔60块板。需设六个人孔，每个孔直径为450mm，在设置人孔处，板间距为600mm,裙座上应开两个人孔，直径为400mm.人孔伸入塔内部应与塔内壁修平，其边缘需倒棱和磨圆，人孔法兰的密封面形及垫片用材，一般与塔的接管法兰相同，本设计也是如此。3.8塔总体高度的设计 3.8.1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

28、到第一块塔板的距离为600mm，塔顶空间高度为1200mm。 3.8.2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min。 3.8.3塔立体高度3.9附属设备的设计 3.9.1冷凝器的选择 有机物蒸汽冷凝器设计选用的总体传热系数一般范围为5001500Kcal/m2h,本设计取K=700kcal/m2h=293.1J/(m2h) 出料液温度：78.21（饱和气）78.16（饱和液）冷却水的温度：2050逆流操作：t1=28.21 t2=58.16 所以选用FLB700-135-16-4型冷凝器。 3.9.2再沸器的选择选用120饱和水蒸气加热，传热

29、系数取K=2926J/(m2h)料液温度：99.95100热流体温度：120120逆流操作：t1=20 t2=20.05 故选 500-350-40-2 型号的再沸器 3.9.3离心泵选择进料口离底距离h=80.45+0.15+1.26+3=8.01m离心泵个参数的确定： 所以选IS80-50-200型离心泵，该型离心泵各参数如下： 塔体结构与辅助设备设计设计结果汇总如下：塔顶空间1.2m塔高33.4m塔底空间1.26m塔径1.8m人孔直径450mm进料管尺寸764人孔处板间距600mm回流管尺寸764塔釜进气管5309釜液出口管尺寸764离心泵的选择IS80-50-200塔顶出口管尺寸5309再沸器的选择 冷凝器的选择FLB700-135-16-43.10机械设备设计 3.10.1质量载荷塔体和裙座质量人孔、法兰、接管等质量：内附件质量：保