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2007级化学工程与工艺专业《化工原理》课程设计说明书
题目：浮阀式连续精馏塔及其主要附属设备设计
姓名：何滔滔
班级学号：0708102-08
指导老师：王锋
同组学生姓名：孙威、李湘、牟立梁
完成时间：2018年5月7日
《化工原理》课程设计评分细则
说明：评定成绩分为优秀(90-100>,良好(80-89>，中等(70-79>，及格(60-69>和不及格(<60>
目录
设计任务书----------------------------------------------------------(3>
主要设备设计计算和说明----------------------------------------(5>
课程设计的目的--------------------------------------------------------(5>
课程设计题目描述和要求--------------------------------------------(5>
课程设计报告内容-----------------------------------------------------(5> 3.1流程示意图------------------------------------------------------------(5> 3.2流程和方案的说明及论证------------------------------------------(6> 3.2.1流程的说明----------------------------------------------------------(6> 3.2.2方案的说明和论证-------------------------------------------------(6> 3.2.3设计方案的确定----------------------------------------------------(7>
精馏塔的工艺计算------------------------------------------------------(8> 4.1精馏塔的物料衡算----------------------------------------------------(8> 4.2分段物料衡算 --------------------------------------------------------(8>
4.3理论塔板数N T的计算-----------------------------------------------(9> 4.4实际塔板数的计算------------------------------------------------(10> 4.5工艺条件及物性数据计算----------------------------------------(10> 4.
5.1操作压强P m-------------------------------------------------------(10> 4.5.2 操作温度t m------------------------------------------------------(11>
4.5.3平均摩尔质量M m-------------------------------------------------(11>
4.5.4平均密度ρm------------------------------------------------------(11> 4.5.4.1 液相密度ρlm-------------------------------------------------(11> 4.5.4.2 气相密度ρm-------------------------------------------------(12> 4.6 液体表面张力σm-------------------------------------------------(12> 4.7精馏段气液负荷计算---------------------------------------------(12> 4.8 塔和塔板主要工艺尺寸计算-----------------------------------(12> 4.8.1塔径--------------------------------------------------------------- (12> 4.8.2溢流装置<设有进口堰）-------------------------------------(14> 4.8.3 降液管的宽度W d与降液管的面积A f----------------------(14> 4.8.4降液管底隙高度h0---------------------------------------------(15> 4.8.5塔板布置及浮阀数目与排列---------------------------------(16> 4.9 塔板流体力学计算-----------------------------------------------(17> 4.9.1气体通过塔板的压强降相当的液柱高度------------------(17> 4.9.2 淹塔--------------------------------------------------------------(17> 4.9.3雾沫夹带---------------------------------------------------------(18> 4.10塔板负荷性能图--------------------------------------------------(18> 4.11 辅助设备--冷凝器的选取--------------------------------------(21>
工艺设计计算结果汇总表--------------------------------------(21>参考文献-----------------------------------------------------------(24>后记-----------------------------------------------------------------(25>
一、设计任务书
1 设计题目浮阀式连续精馏塔及其主要附属设备设计
2 工艺条件
生产能力:90000吨/年<料液）
年工作日：300天
原料组成：40%苯，60%甲苯<质量分率，下同）
产品组成：馏出液 97%苯，釜液 2%苯
操作压强：塔顶压强为常压
进料温度：泡点
进料状况：泡点
加热方式：间接蒸汽加热
回流比：自选
3 设计内容
(1>确定精馏装置流程，绘出流程示意图。
(2>工艺参数的确定
基础数据的查找及估算，工艺过程的物料衡算及热量衡算，理论塔板数，塔板效率，实际塔板数等。
(3>主要设备的工艺尺寸计算
板间距，塔径，塔高，溢流装置，塔盘布置等。
(4> 流体力学计算
流体力学验算，操作符合性能图及操作弹性等。
(5> 主要附属设备设计计算及选型
塔顶全凝器设计计算：热负荷，载热体用量，选型及流体力学计算。
料液泵设计计算。流程计算及选型。
4 设计结果总汇
5 主要符号说明
6 参考文献
二、主要设备设计计算和说明
1.课程设计的目的
化工原理课程设计是以个综合性和实践性较强的教案环节,也是培养学生独立工作的有益实践,更是理论联系实际的有效手段.通过课程设计达到如下目的:
⑴巩固化工原理课程学习的有关内容，并使它扩大化和系统化。
⑵培养学生计算技能及应用所学理论知识部分分析问题和解决问题的能力；
⑶熟悉化工工艺设计的基本步骤和方法；
⑷学习绘制简单的工艺流程图和主体设备工艺尺寸图；
⑸训练查阅参考资料及使用图表、手册的能力；
⑹通过对“适宜条件”的选择及对自己设计成果的评价，初步建立正确的设计思想，培养从工程技术观点出发考虑和处理工程实际问题的能力；
⑺学会编写设计说明书。
2.课程设计题目描述和要求
本设计采用连续操作方式。设计一板式塔，板空上安装浮阀，具体工艺参数如下：
生产能力:90000吨/年<料液）
年工作日：300天
原料组成：40%苯，60%甲苯<质量分率，下同）
产品组成：馏出液 97%苯，釜液 2%苯
操作压强：塔顶压强为常压
进料温度：泡点
进料状况：泡点
加热方式：间接蒸汽加热
回流比：R=2
3.课程设计报告内容
3.1流程示意图
冷凝塔→塔顶产品冷却器→苯的储罐→苯
↓↑回流
原料→原料罐→原料预热器→精馏塔
↓
塔釜
3.2 流程和方案的说明及论证
3.2.1流程的说明
首先，苯和甲苯的原料混合进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过进入原料预热器，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。因为被加热到了泡点，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，部分进入到塔顶产品冷凝器中，停留一定的时间然后进入苯的储罐，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。塔里的混合物不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，完成苯和甲苯的分离。
3.2.2方案的说明和论证
浮阀塔之所以广泛应用,是由于它具有下列特点:
⑴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。
⑵操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此位置正常的操作而允许符合波动范围比筛板塔、泡罩塔都大。
⑶塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故汽液接触时间较长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。
⑷气体压降及液面落差小，因汽液流过浮阀塔板时阻力较小，是气体压降及液
面落差比泡罩塔小。
⑸塔的造价低，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％。
浮阀塔盘的操作原理和发展
浮阀塔的塔板上，按一定中心距开阀孔，阀孔里装有可以升降的阀片，阀孔的排列方式，应使绝大部分液体内有气泡透过，并使相邻两阀容易吹开，鼓泡均匀。为此常采用对液流方向成错排的三角形的排列方式。蒸汽自阀孔上升，顶开阀片，穿过环形缝隙，以水平方向吹入液层，形成泡沫，浮阀能随着气速的增减在相当宽的气速范围内自由升降，以保持稳定的操作。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。
3.2.3设计方案的确定
⑴操作压力：
精馏操作可在常压，加压，减压下进行。应该根据处理物料的性能和设计总原则来确定操作压力。例如对于热敏感物料，可采用减压操作。本次设计苯和甲苯为一般物料，因此，采用常压操作。
⑵进料状况
进料状况有五种：过冷液，饱和液，汽液混合物，饱和气，过热气。但在实际操作中一般将物料预热到泡点或近泡点，才送入塔内。这样塔的操作比较容易控制。不受季节气温的影响，此外泡点进料精馏段与提馏段的塔径相同，在设计和制造上也较方便。本次设计采用泡点进料，即q=1。
⑶加热方式
精馏釜的加热方式一般采用间接加热方式。
⑷冷却方式
塔顶的冷却方式通常用水冷却，应尽量使用循环水。如果要求的冷却温度较低，可考虑用冷却盐水来冷却。
⑸热能利用
精馏过程的特性是重复进行气化和冷凝。因此，热效率很低，可采用一些改进措施来提高热效率。因此，根据上述设计方案的讨论及设计任务书的要求，本设计采用常压操作，泡点进料，直接蒸汽加热以及水冷的冷却方式，适当考虑热能利用。
六、精馏塔的工艺计算
4.1 精馏塔的物料衡算
根据工艺的操作条件可知：
料液流量 F=152.6Kmol/h
=
料液含苯摩尔分数X
f
=0.9744
塔顶产品含苯摩尔分数为 x
D
=0.0235
塔底产品含苯摩尔分数为X
W
由公式：
F=D+W
代入数值解方程组得：
塔顶产品(馏出液>流量 D=60.86 Kmol/h；
塔底产品(釜液>流量 W=81.7Kmol/h
4.2分段物料衡算
lgPa*=安托尼方程
安托尼方程
泡点方程
根据x
从《化工原理》书中查出相应的温度
a
根据以上三个方程，运用试差法可求出 Pa*,Pb*
=0.395 时，假设t=92℃ Pa*=144.544P，Pb*=57.809P, 当 x
a
=0.98 时，假设t=80.1℃ Pa*=100.432P，Pb*=38.904P, 当 x
a
当 x
=0.02 时，假设t=108℃ Pa*=222.331P，Pb*=93.973P,
a
t=99.0℃是进料口的温度，
t=81.9℃是塔顶蒸汽需被冷凝到的温度，
t=108℃是釜液需被加热的温度。
根据衡摩尔流假设，全塔的流率一致，相对挥发度也一致。
所以平衡方程为 最小回流比 Rmin 为 ＝2.00 所以 R=1.45R min 所以精馏段液相摩尔流量 L(Kmol/h>＝RD＝260.86=121.7kmol/h 精馏段气相摩尔流量 V(Kmol/h>＝(R+1>D＝360.86=202.4 kmol/h 所以，精馏段操作线方程 +0.325 =0.667x n 因为泡点进料，所以进料热状态 q=1 所以，提馏段液相摩尔流量 L'(kmol/h>＝L+qF 提馏段气相摩尔流量 V'(kmol/h>＝V-(1-q>F 所以，提馏段操作线方程 4.3 理论塔板数N T的计算 （1）由精馏段和提馏段操作线方程按常规作图1<见下页） 图 1 理论塔板数 图解得N T =<15.5-1）层，其中精馏段理论板数为7层，提留段理论板数为7.5层 第8层为加料板。 4.4实际塔板数的计算 可查得：苯在泡点时的黏度μ a (mPa.s>＝0.267， 甲苯在泡点是的黏度μ b (mPa.s>＝0.275， 所以：平均黏度μ av (mPa.s>＝μ a ×x f +μ b ×(1-x f >＝0.45×0.267+(1-0.45> ×0.275=0.271 所以：总板效率 E T =0.17-0.616lg0.271＝0.52 实际精馏段塔板数为 Ne 1 =7/0.52=13.4 (14块> 实际提馏段塔板数为 Ne 2 =7.5/0.52=14.9 (15块> 实际板数 N e =14+15=29 4.5工艺条件及物性数据计算 4.5.1操作压强P m 塔顶压强PD=4+101.3=105.3kpa,取每层塔板的压强降为△p=0.5kpa,则进料压强PF=105.3+14×0.5=112.3KPa 平均操作压强Pm=108.8kpa 4.5.2 操作温度tm 根据操作压强，依下式试差计算操作温度： P=P0 AxA +P0 BxB 试差计算结果t D =81.90C,进料板t F =99.00C,则精馏段平均温度 4.5.3平均摩尔质量M m 塔顶 x D =y1=0.974 x 1 =0.939 M VDm =0.974*78.11+(1-0.974>*92.13=78.47kg/kmol M LDm =0.936P78.11+(1-0.939>*92.13=78. 97kg/kmol 进料板 y F =0.638 x F =0.419 M VFm =o.638*78.11+(1-0.638>*92.13=83.19kg/kmol M LFm =0.419*78.11+(1-0.419>*92.13=86.26kg/mol 则精馏段平均摩尔质量: 4.5.4平均密度ρ m 4.5.4.1液相密度ρ lm 依下式 1/ρ lm =a A /ρ LA +a B /ρ LB ( a为质量分数） 塔顶 ρLmD=813.01kg/m3 进料板，由加料板液相组成，x A =0.419 ρLmF=792.17 精馏段平均液相密度 4.5.4.2 气相密度ρ mV 4.6 液体表面张力σm 精馏段平均表面张力为： 4.7精馏段气液负荷计算 V= L=RD=2*60.86=121.72kmol/h Lh=12.528m3/h 4.8 塔和塔板主要工艺尺寸计算 4.8.1 塔径D 表 1 塔径与塔板距关系表 据上表可知：初选板间距HT=0.50m，取板上液层高度hL=0.08m 故 HT－hL=0.50－0.08=0.42m 查下图 2 得C20=0.072 图 2 史密斯关联图 取安全系数为0.7，则 所以塔径取1.4m，空塔气速为1.014m/s 4.8.2 溢流装置l W 取堰长l W 为0.7D，即 l W =0.7*1.4=0.98m 4.8.3 出口堰高h W h w =h L -h OW 由l w /D=0.7/1.4=0.5,L h /lW2.5=12.528/0.72.5=30.56m,查下图 3得，E=1.076 图 3 液流收缩系数计算图 则 4.8.3 降液管的宽度W d 与降液管的面积A f 由l w /D=0.7/1.4=0.5，查下图 3 得，W d /D=0.067,A f /A T =0.033, 图 3 弓形降液管的宽度与面积 则 计算液体在降液管中停留时间以检验液管面积，即 <大与5s符合要求）4.8.4降液管底隙高度h 取液体通过降液管底隙的流速u 0=0.08m/s,计算降液管底隙高度h 即 4.8.5塔板布置及浮阀数目与排列 本设计塔径，采用分块式塔板，以便通过人孔装拆塔板。 以精馏段为例<提留段略） 取阀孔动能因子，则孔速为： 每层塔板上浮阀数目为： 块<采用型浮阀） 取边缘区宽度，破沫区宽度 计算塔板上的鼓泡区面积，即： (2-63> 其中 (2-64> 取孔心距t=75mm,t==0.77mm 取排心距及t、=75mm采用等腰三角形叉排，绘制排列图的浮阀数N=177功能因数： ， 在适宜范围内 塔板开孔率 4.9 塔板流体力学计算<以精馏段为例，提留段略） 4.9.1气体通过塔板的压强降相当的液柱高度 可根据计算 <1）干板阻力 因为，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： 4.9.2 淹塔 为了防止发生淹塔现象，要求控制降液管中清液高度，即 (1>单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度： (2>液体通过降液管的压头损失： (3>板上液层高度：，则 取，已选定， 则。可见，所以符 合防止淹塔的要求。
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