化工原理课程设计任务书(doc 60页)

化工原理课程设计任务书(doc60页)化工原理课程设计任务书设计题目：乙醇—水连续精馏塔的设计班级：化工131姓名：学号：指导老师：毛桃嫣名目前言……………………………………………………………………........................4设计任务书……………………………………………………………………………5#设计#简介………………………………………………………………..6概念……………………………………………………………………………….61.1.1塔设备简介……………………………………………………………………...61.1.2板式塔简介……………………………………………………………………...61.2设计方案………………………………………………………………………….71.2.1塔类型的选用…………………………………………………………………...71.2.2操作压力………………………………………………………………………..81.2.3进料状态………………………………………………………………………...81.2.4加热方式………………………………………………………………………..81.2.5回流比…………………………………………………………………………..81.2.6冷却方式………………………………………………………………………..81.2.7工艺流程图……………………………………………………………………..8第二章工艺运算……………………………………………………………………..92.1精馏塔全塔物料衡算…………………………………………………………….92.2常压下乙醇—水气、液平稳组成与温度……………………………………….102.3求最小回流比和操作回流比…………………………………………………...112.4求精馏塔的气、液相负荷………………………………………………………122.5精馏段操作线方程……………………………………………………………...132.6提馏段操作线方程……………………………………………………………...132.7图解法求理论板层数…………………………………………………………...132.8实际塔板数的求取……………………………………………………………...132.9冷凝器热负荷和冷却水消耗量………………………………………………...14第三章要紧工艺尺寸的运算………………………………………………………143.1操作压力………………………………………………………………………..143.2操作温度的运算………………………………………………………………..153.3平均摩尔质量运算……………………………………………………………..153.4密度……………………………………………………………………………..163.5混合液体表面张力……………………………………………………………..173.6混合物的黏度…………………………………………………………………..193.7相对挥发度……………………………………………………………………..203.8塔径运算………………………………………………………………………..203.9溢流装置………………………………………………………………………..223.10弓形降液管的宽度和横截面积………………………………………………233.11降液管底隙高度………………………………………………………………243.12塔板布置及浮阀数目与排列…………………………………………………253.13气体通过复发踏板的压降……………………………………………………283.14淹塔……………………………………………………………………………303.15物沫夹带………………………………………………………………………313.16塔的负荷性能图………………………………………………………………33第四章精馏塔的结构设计…………………………………………………………404.1接管……………………………………………………………………………..404.2筒体与封头……………………………………………………………………..434.3除沫器…………………………………………………………………………..454.4裙座……………………………………………………………………………..464.5人孔……………………………………………………………………………..474.6吊柱……………………………………………………………………………..474.7塔总体高度设计………………………………………………………………..49第五章辅助设备的选型和运算……………………………………………………515.1冷凝器1………………………………………………………………………...515.2冷凝器2………………………………………………………………………...515.3热量衡算………………………………………………………………………..52第六章设计结果一览表……………………………………………………………54参考文献……………………………………………………………………………..57终止语………………………………………………………………………………..58附录…………………………………………………………………………………..59前言课程设计是课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性、学习化工设计差不多知识的初次尝试。通过课程设计，要求学生能综合利用本课程和前修课程的差不多知识，进行融会贯穿的独立摸索，在规定的时刻内完成指定的化工设计任务，从而得到化工工程设计的初步训练。通过课程设计，要求学生了解工程设计的差不多内容，把握化工设计的程序和方法，培养学生分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还能够使学生树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高责任感的工作作风。课程设计是增强工程观念，培养提高学生独立工作能力的有益实践。本设计采纳连续精馏分离乙醇—水二元混合物的方法。连续精馏塔在常压下操作，被分离的乙醇—水二元混合物由连续精馏塔中部进入塔内，以一定的回流比由连续精馏塔的塔顶采出含量合格的乙醇，由塔底采出水。在设计过程中应考虑到设计的精馏塔应具有较大的生产能力，同时满足工艺要求，另外还要节约能源，综合利用余热。经济合理，冷却水进出口温度的高低，一方面阻碍到冷却水用量，另一方面阻碍到所需传热面积的大小。即对操作费用和设备费用均有阻碍，因此，设计是否合理关系到生产过程的经济问题。化工生产中所处理的原料，中间产物，粗产品几乎差不多上由假设干组分组成的混合物，而且其中大部分差不多上均相物质。生产中为了满足储存、运输、加工和使用的需求，经常需要将这些混合物分离为较纯洁或几乎纯态的物质。塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备类型之一。本设计是针对工业生产中的乙醇—水溶液这一二元物质中进行乙醇的提纯精馏方案，依照给出的原料性质及组成、产品性质及组成，对精馏塔进行设计和物料衡算。通过设计核算及试差等运算初步确定精馏塔的进料、塔顶、塔底操作条件及物料组成。同时对精馏的差不多结构包括塔的要紧尺寸进行了运算和选型，对塔顶冷凝器、塔底再沸器、相关管道尺寸及储罐等进行了运算和选型。在运算设计过程中参考了有关的资料。为精馏塔的设计运算提供了技术支持和保证。通过对精馏塔进行设计和物料衡算等方面的运算，进一步加深了对化工原理、石油加工单元过程原理等的明白得深度，开阔了视野，提高了运算、绘图、运算机的使用等方面的知识和能力。设计任务书设计任务：试设计一连续浮阀精馏塔以分离乙醇—水混合物。具体工艺参数如下：1、生产能力：原料处理量105000吨/年乙醇产品。2、原料液中含乙醇24%〔质量〕，其余为水。3、产品要求：馏出液中的乙醇含量为93%〔质量〕。釜液中的乙醇含量不高于1%〔质量〕。设备的年运行时刻平均为300天(7200小时〕。二、设计条件：1、加热方式：直截了当蒸汽加热，蒸汽压力为1.0~2.0kg/cm2。2、操作压力：常压。3、进料状况：冷液进料。4、冷却水进口温度：30℃，出口温度50℃。5、塔板形式：浮阀塔板。三、应完成的工作量：1、确定全套精馏装置的流程，绘制工艺流程示意图，标明所需的设备、管线及有关操纵或观测所需的要紧外表与装置。2、精馏塔的工艺设计，塔的结构尺寸设计。3、辅助装置的设计和选型；估算冷却水用量和冷凝器的换热面积、水蒸气用量。4、编写设计说明书一份。5、绘制精馏塔的装配图一张〔一号图纸〕。1.设计方案简介1.1概念1.1.1塔设备简介具有一定形状〔截面大多是圆形〕、一定容积、内外装置一定附件的容器。塔设备是石油、化工、医药、轻工等生产中的重要设备之一，在塔设备内可进行气液或液液两相间的充分接触，实施相间传质，因此在生产过程中常用塔设备进行精馏、吸取、解吸、气体的增湿及冷却等单元操作过程。一类塔形的化工设备。用以使气体与液体、气体与固体、液体与液体或液体与固体紧密接触，并促进其相互作用，以完成化学工业中热量传递和质量传递过程。所采纳材料必须对被处理的物料具有耐腐蚀性能。并按其所能承担的压力进行设计。依照其结构可分为板式塔和填料塔二类。常用的有泡罩塔、填料塔、筛板塔、淋降板塔、浮阀塔、凯特尔塔、槽形塔〔S型塔〕、舌型塔、穿流栅板塔、转盘塔以及导向筛板塔等。应用于蒸馏、吸取、萃取、吸附等操作。1.1.2板式塔简介板式塔是一类用于气液或液液系统的分级接触传质设备，由圆筒形塔体和按一定间距水平装置在塔内的假设干塔板组成。广泛应用于精馏和吸取，有些类型〔如筛板塔〕也用于萃取，还可作为反应器用于气液相反应过程。操作时〔以气液系统为例〕，液体在重力作用下，自上而下依次流过各层塔板，至塔底排出；气体在压力差推动下，自下而上依次穿过各层塔板，至塔顶排出。每块塔板上保持着一定深度的液层，气体通过塔板分散到液层中去，进行相际接触传质。〔1〕泡罩塔通常用来使蒸气〔或气体〕与液体紧密接触以促进其相互间的传质作用。塔内装有多层水平塔板，板上有假设干个供蒸气〔或气体〕通过的短管，其上各覆盖底缘有齿缝或小槽的泡罩，并装有溢流管。操作时，液体由塔的上部连续进入，经溢流管逐板下降，并在各板上积存液层，形成液封；蒸汽〔或气体〕那么由塔底进入，经由泡罩底缘上的齿缝或小槽分散成为小气泡，与液体充分接触，并穿过液层而达液面，然后升入上一层塔板。短管装在塔内的，称内溢流式；也有装在塔外的，称外溢流式。泡罩塔广泛用于精馏和气体吸取。泡罩塔板是工业上应用最早的塔板，它要紧由升气管及泡罩构成。泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种，往常者使用较广。泡罩有f80、f100、f150mm三种尺寸，可依照塔径的大小选择。泡罩的下部周边开有专门多齿缝，齿缝一样为三角形、矩形或梯形。泡罩在塔板上为正三角形排列。操作时，液体横向流过塔板，靠溢流堰保持板上有一定厚度的液层，齿缝浸没于液层之中而形成液封。升气管的顶部应高于泡罩齿缝的上沿，以防止液体从中漏下。上升气体通过齿缝进入液层时，被分散成许多细小的气泡或流股，在板上形成鼓泡层，为气液两相的传热和传质提供大量的界面。泡罩塔板的优点是操作弹性较大，塔板不易堵塞；缺点是结构复杂、造价高，板上液层厚，塔板压降大，生产能力及板效率较低。泡罩塔板已逐步被筛板、浮阀塔板所取代，在新建塔设备中已专门少采纳。〔2〕浮阀塔浮阀塔是开发的一种新塔型，广泛应用于精馏、吸取和解吸等过程，其特点是在每个筛孔处安装一个可上下移动的阀片。当筛孔气速高时，阀片被顶起上升，空速低时，阀片因自身重而下降。阀片升降位置随气流量大小自动调剂，从而使进入液层的气速差不多稳固。又因气体在阀片下侧水平方向进入液层，既减少液沫夹带量，又延长气液接触时刻。浮阀塔，一种板式塔，用于气液传质过程中。浮阀的阀片能够浮动，随着气体负荷的变化而调剂其开启度，因此，浮阀塔的操作弹性大，专门是在低负荷时，仍能保持正常操作。浮阀塔由于气液接触状态良好，雾沫夹带量小(因气体水平吹出之故)，塔板效率较高，生产能力较大。塔结构简单，制造费用廉价，并能适应常用的物料状况，是化工、炼油行业中使用最广泛的塔型之一。在分离稳固同位素时采纳在克服泡罩塔缺陷的基础上进展起鼓泡式接触装置。浮阀塔有活动泡罩、圆盘浮阀、重盘浮阀和条形浮阀四种形式。浮阀要紧有V型和T型两种，特点是：生产能力比泡罩塔约大20%～40%；气体两个极限负荷比为5～6，操作弹性大；板效率比泡罩塔高10%～15%；雾沫夹带少，液面梯度小；结构难于泡罩塔与筛板塔之间；对物料的适应性较好等，通量大、放大效应小，常用于初浓段的重水生产过程。〔3〕筛板塔扎板塔的一种，内装假设干层水平塔板，板上有许多小孔，形状如筛；并装有溢流管或没有溢流管。操作时，液体由塔顶进入，经溢流管〔一部分经筛孔〕逐板下降，并在板上积存液层。气体〔或蒸气〕由塔底进入，经筛孔上升穿过液层，鼓泡而出，因而两相能够充分接触，并相互作用。泡沫式接触气液传质过程的一种形式，性能优于泡罩塔。为克服筛板安装水平要求过高的困难，进展了环流筛板；克服筛板在低负荷下显现漏液现象，设计了板下带盘的筛板；减轻筛板上雾沫夹带缩短板间距，制造出板上带挡的的筛板和突孔式筛板和用斜的增泡台代替进口堰，塔板上开设气体导向缝的林德筛板。筛板塔普遍用作H2S-H2O双温交换过程的冷、热塔。应用于蒸馏、吸取和除尘等。在工业上实际应用的筛板塔中，两相接触不是泡沫状态确实是喷射状态，专门少采纳鼓泡接触状态的。1.2设计方案1.2.1塔类型的选用本次设计方案的任务是设计一种精馏塔，来实现分离乙醇—水混合物。应老师的要求，此次设计选用浮阀塔。浮阀塔是开发的一种新塔型，广泛应用于精馏、吸取和解吸等过程。其要紧特点是在塔板的开孔上装有可浮动的浮阀，气流从浮阀周边以稳固的速度水平地进入塔板上液层进行两相接触，浮阀可依照气体流量的大小而上下浮动，自行调剂开度。1.2.2操作压力精馏可在常压、加压或减压下进行，用哪种方式是通过处理的物料的性质及技术上的可行性和经济上的和理性来综合考虑确定的。本次设计方案采纳的操作压力是：常压。1.2.3进料状态进入精馏塔的原料液可能有5种热状况，由于不同的进料状态，上升到精馏段的蒸汽量和下降到提馏段的液体量会发生变化。本次设计方案采纳的进料状态是：冷液进料。1.2.4加热方式直截了当蒸汽加热可利用压力较低的蒸汽加热，而且能节约费用。本次设计方案选用的是：直截了当蒸汽加热，蒸汽压力为1.0~2.0kg/cm2。1.2.5回流比回流比的上限为全回流时的回流比，下限确实是最小回流比。在实际生产中，全回流情形下，尽管所需的理论板数为最少，然而得不到产品，假设在最小回流比下工作，所需的理论板数那么是无限大。因此，我们应通过经济衡算来在两个极值之间选择一个适宜的回流比来进行操作。1.2.6冷却方式本次设计采纳常温水进行冷却，冷却水进口温度：30℃，出口温度自定。1.2.7工艺流程图2.工艺运算：原料处理量105000吨/年乙醇产品；原料液中含乙醇有24%〔质量〕，其余为水；设备的年运行时刻平均为7200h；馏出液中的乙醇含量为93%〔质量〕；釜液中的乙醇含量不高于1%〔质量〕；回流比R自选；进料状况：冷液进料q﹥1；操作压力：常压(101.3KPa)；加热方式：直截了当蒸汽加热，蒸汽压力为1.0~2.0kg/cm2；冷却水进口温度：30℃，出口温度自定。2.1精馏塔全塔物料衡算F：原料液流量〔kmol/s〕XF：原料组成〔mol%〕D：塔顶产品流量〔kmol/s〕XD：塔顶组成〔mol%〕W：塔底产品流量〔kmol/s〕XW：塔底组成〔mol%〕原料乙醇组成：XF==11%塔顶组成：XD==84%塔底组成：XW==0.394%进料量：F=105000吨/年==0.1922〔kmol/s〕=691.92〔kmol/h〕物料衡算式：F=D+WFXF=DXD+WXW联立代入求解：D=0.0244〔kmol/s〕=87.84〔kmol/h〕W=0.1678〔kmol/s〕=604.08〔kmol/h〕2.2常压下乙醇—水气、液平稳组成与温度关系〔如下图〕温度/℃液相气相温度/℃液相气相温度/℃液相气相1000082.723.3754.4579.357.3268.4195.51.91782.326.0855.878.7467.6373.85897.2138.9181.532.7359.2678.4174.7278.1586.79.6643.7580.739.6561.2278.1589.4389.4385.312.3847.0479.850.7965.64　　　84.116.6150.8979.751.9865.99　　　温度利用图表中的数据由拉格朗日插值可求得tFtDtW①tF:=tF=85.44℃②tD:=tD=78.25℃③tW:=tW=99.07℃④精馏段平均温度：===81.85℃⑤提馏段平均温度：===92.26℃2.3求最小回流比和操作回流比a.最小回流比采纳作图法求最小回流比。因为是冷液体进料，指定原料液温度为30℃，由平稳数据使用插值法可得原料液的泡点温度是85.44℃。由表查得乙醇的汽化热为825.941kJ/㎏,水的汽化热是357.810kJ/㎏。故原料液的汽化热是进料温度为30℃，泡点温度是85.44℃，故平均温度为由附录查得57.72℃时，乙醇的比热容为2.853kJ/kg·K,水的比热容为4.185kJ/kg·K，故原料液的平均比热容为那么进料热状况为那么q线方程为：乙醇和水的汽化热和热容表温度乙醇水汽化热热容汽化热热容kJ/kgkJ/kg.KkJ/kgkJ/kg.K0985.292.2304.21210969.662.342.044.19120953.212.3883.94.18330936.032.46125.694.17440918.122.55167.514.17450899.312.65209.34.17460879.772.76251.124.17870859.322.88292.994.18780838.053.01334.944.19590815.793.14376.984.208100792.523.29419.14.2200.100.200.300.400.50.60.70.80.91.00.100.200.300.400.500.600.700.800.901.0故最小回流比为：=1.54b.实际回流比在实际操作中，常取最小回流比的〔1.1～2.0〕倍作为实际回流比，在本设计系统中，当回流比最小时，塔板数为无穷大，故设备费为无穷大。当R稍大于时，塔板数便从无穷多锐减到某一值，塔的设备费随之锐减。当R连续增加时，塔板数因此仍随之减少，但已较缓慢。另一方面，由于R的增加，上升蒸汽量随之增加，从而使塔径、蒸馏釜、冷凝器等尺寸相应增大，故R增加到某一数值以后，设备费又回升。取R=1.7=1.7*1.54=2.6182.4求精馏塔的气、液相负荷由于进料方式为冷液进料进料，故：2.5精馏段操作线方程为2.6提馏段操作线方程为2.7图解法求理论板层数采纳如图解法求理论板层数00.100.200.300.400.50.60.70.80.91.00.100.200.300.400.500.600.700.800.901.0求解结果为：总理论板层数NT=19，其中NT，精=15，NT，提=4，进料板位置NF=162.8实际塔板数的求取(1)精馏段α=3.44，μ=0.3738〔mpa*s〕精馏段实际板层数N精=15/0.4607=32，同理：提馏段实际板层数N提=4/0.39=10总实际板数NP=N精+N提=32+10=42实际进料板为第33块板。全塔效率：2.9全冷凝器热负荷和冷却水消耗量因塔顶溜出液几乎为纯乙醇，故其焓可按纯乙醇进行运算，tD=78.25℃,=841.71kJ/mol冷凝器的热负荷设冷却水进、出冷凝器温度为30℃和50℃冷却水消耗量为：3.要紧工艺尺寸的运算3.1操作压力塔顶操作压力(常压)每层塔板压降进料板压力塔底压力精馏段平均压力提馏段平均压力3.2操作温度的运算①进料板温度：=85.44℃②塔顶温度：③塔釜温度：④精馏段平均温度：⑤提馏段平均温度：⑥全塔平均温度：平均摩尔质量运算①塔顶的液相组成塔顶的气相组成那么=0.84*46+〔1-0.84〕*18=41.52kg/kmol②进料板液相组成进料板气相组成那么③塔底液相组成塔底气相组成那么④精馏段的平均摩尔质量⑤提馏段的平均摩尔质量密度混合液密度：=混合气密度：精馏段：=81.85℃液相组成：=27.47%气相组成：=56.61%因此=46*0.2747+18*〔1-0.2747〕=25.69〔kg/kmol〕=46*0.5661+18*〔1-0.5661〕=33.85〔kg/kmol〕提馏段：=92.26℃液相组成：=4.55%气相组成：=27.92%因此=46*0.0455+18*〔1-0.0455〕=19.27〔kg/kmol〕=46*0.2792+18*〔1-0.2792〕=25.49〔kg/kmol〕不同温度下乙醇和水的密度温度/℃温度/℃80735971.895720961.8585730968.6100716958.490724965.3　　　求得在与下的乙醇和水的密度。=81.85℃，，=733.82〔kg/〕，=970.62〔kg/〕同理：=92.26℃，=722.19〔kg/〕=964.04〔kg/〕在精馏段：液相密度：==796.60〔kg/〕气相密度：〔kg/〕在提馏段：液相密度：==908.18〔kg/〕气相密度：=25.49*=0.851〔kg/〕3.5混合液体表面张力下式中表w、o、s分别代表水、有机物及表面部分，、指主体部分的分子数，、为主体部分的分子体积，、为纯水、有机物的表面张力，对乙醇q=2。①精馏段=81.85℃乙醇和水不同温度下的表面张力温度/℃708090100乙醇表面张力/mN/m1817.1516.215.2水表面张力/mN/m64.362.660.758.8〔〕=〔〕乙醇表面张力：，=17.260水表面张力：，=62.249因为=0.2747，因此=1-0.2747=0.7253B=㏒〔〕=㏒0.90=-0.046Q=0.441*=0.441*〔〕*〔〕=-0.987A=B+Q=-0.046-0.987=-1.03联立方程组A=㏒，代入求得：=0.262，=0.738=0.262*62.249+0.738*17.26=2.24,=25.18②提馏段=92.26℃〔〕54.05〔〕乙醇表面张力：，解得=15.974水表面张力：，解得=60.2718.84因为=0.0455，因此=1-0.0455=0.9545B=㏒〔〕=㏒8.84=0.95Q=0.441*)=-0.790A=B+Q=0.95-0.790=0.160联立方程组A=㏒〔〕，代入求得：=0.679，=0.321=41.21混合物的黏度=81.85℃，查表得μ=0.3491〔mpa*s〕，=0.4389〔mpa*s〕=92.26℃，查表得=0.3091〔mpa*s〕，=0.385〔mpa*s〕精馏段黏度：μ=x+μ〔1-x〕=0.4389*0.2747+0.3491*〔1-0.2747〕=0.3738〔mpa*s〕提馏段黏度：μ=x+〔1-x〕=0.385*0.0455+0.3091*〔1-0.0455〕=0.3126〔mpa*s〕3.7相对挥发度①精馏段挥发度：由x=0.2747，=0.5661得=0.7253，=0.4339因此提馏段挥发度：x=0.0455，=0.2792得=0.9545，=0.72083.8塔径运算可依据流量公式：式中——塔径，m——气体体积流量，m3/s——空塔气速，m/s。表观空塔气相速度〔按全塔截面计〕按下式进行运算：安全系数＝〔0.6～0.8〕。安全系数的选取与分离物系的发泡程度紧密相关。关于不发泡的物系，可取较高的安全系数，关于直径较小及减压操作的以及严峻起泡的物系，应取较低的安全系数。其中，其中〔为液相密度，为气相密度，kg/m3C为负荷因子，为极限空塔气速，m/s〕。C值可由Smith关联图查得：在关联图中，横坐标为；参数反映了液滴沉降空间高度对负荷因子的阻碍〔为板间距，为板上液层高度〕图4-1-Smith关联图精馏段由u=(0.6-0.8)*,,式中C可由史密斯关联图查出；横坐标数值：取板间距：HT=0.45m，=0.07m，那么HT-=0.38〔m〕查图可知,=0.079*=2.069〔m/s〕〔m/s〕横截面积：，空塔气速提馏段横坐标数值：0.045HT=0.45m，=0.07m，那么HT-=0.38〔m〕查图可知,=0.092*=3.00〔m/s〕〔m/s〕圆整：，横截面积：空塔气速3.9溢流装置溢流装置包括降液管、溢流堰、受液盘等几个部分，它们差不多上液体的通道，其结构和尺寸对塔的性能有着专门重要的阻碍，因此它的设计就显得极为重要。堰长依照液体负荷和溢流型式而定。对单溢流，一样取为〔0.6～0.8〕D,其中D为塔径。板上液层高度为堰高与堰上液层高度之和，即：=+式中——板上液层高度，m——堰高，m——堰上液层高度，m。堰高那么由板上液层高度及堰上液层高度而定。堰长=0.65D=0.651.8=1.17出口堰高：本次设计采纳平直堰，堰上液高度按下式运算：m，近似取E=1精馏段=9.76*10^-3-=0.07-9.76*10^-3=0.060〔m〕提馏段=0.0226〔m〕-=0.07-0.0226=0.0474〔m〕3.10弓形降液管的宽度和横截面积弓形降液管的宽度及截面积可依照堰长与塔径之比查图来求算。实际上，在塔径D和板间距一定的条件下，确定了溢流堰长，就已固定了弓形降液管的尺寸。降液管的截面积应保证液体在降液管内有足够的停留时刻，使溢流液体中夹带的气泡能来得及分离。为此液体在降液管内的停留时刻不应小于3～5s，关于高压下操作的塔及易起泡沫的系统，停留时刻应更长些。因此，在求得降液管截面积之后，应按下式验算降液管内液体的停留时刻，即：D=1800mm，，查得：0.124，0.0721那么验算降液管内停留时刻：精馏段：θ=提馏段：θ=停留时刻>5，故降液管可用。3.11降液管底隙高度h0降液管下端与受液盘之间的距离称为底隙，以表示。降液管中的液体是经底隙和堰长构成的长方形截面流至下块塔板的，为减小液体阻力和考虑到固体杂质可能在底隙处沉积，因此不可过小。但假设过大，气体又可能通过底隙窜入降液管，故一样底隙应小于溢流堰高，以保证形成一定的液封，一样不应低于6mm，即。按下式运算：〔1.9〕式中，——液体通过降液管底隙时的流速，m/s。依照体会，一样取。降液管底隙高度一样不宜小于20～25mm。为简便起见，有时运用式子=-0.006来确定精馏段：取降液管底隙的流速那么提馏段：取降液管底隙的流速那么因为不小于20mm，故满足要求。3.12塔板布置及浮阀数目与排列〔1〕塔板分布本设计塔径D=1.8m，采纳分块式塔板，以便通过人孔装拆塔板。〔2〕浮阀数目与排列①精馏段：取浮阀动能因子=12，那么孔速为：=10.34〔m/s〕每层塔板上浮阀数目为： 〔采纳F1型浮阀〕取边缘区宽度为0.06m，安定区宽度可取为0.10m鼓泡区为气液接触有效区，其面积〔单流型〕按下式运算：其中：=0.84〔m〕=0.577〔m〕因此，求得浮阀个数后，应在草图上进行试排列。阀孔一样按正三角形排列，常用的中心距有75、100、125、150〔mm〕等几种，它又分顺排和叉排两种，通常认为错排时的接触情形较好，采纳较多。关于大塔，当采纳分块式结构时，不便于错排，但本课程设计的塔径为1.8m，相对较小，因此选用错排。选用阀孔也可按等腰三角形排列，现在多固定底边尺寸B，例如B为70、75、80、90、100、110〔mm〕等。假如塔内气相流量变化范畴较大，可采纳—排轻浮阀一排重浮阀相间排列，以提高塔的操作弹性。关于整块式塔板，多采纳正三角形错排，孔心距t为75～125mm。关于分块式塔板，宜采纳等腰三角形错排，此经常把同一横排的阀孔中心距，定为75mm，而相邻两排间的阀孔中心距可取为65mm，80mm，100mm等几种尺寸。故在本次课程设计中，采纳等腰三角形叉排。浮阀排列采纳等腰三角形叉排，取同一个横排的孔心距，那么可按下式估算间距，即：排间距：由于塔径较大，必须采纳分块式塔板，而各分块的支撑与衔接也要占去一部分鼓泡区面积，因此，排间距应比运算的要小一些，故取为：。按,，用AutoCAD画图，得阀数249个。按N=重新核算孔速及阀孔动能因数：10.68m/s阀孔动能因数变化不大，仍在9-13范畴内。塔板开孔率=②提馏段取浮阀动能因子=12，那么孔速为：=13.01〔m/s〕每层塔板上浮阀数目为： 〔采纳F1型浮阀〕按，取，排得阀数为246块。按N=重新核算孔速及阀孔动能因数：14.03m/s阀孔动能因数变化不大，仍在9-13范畴内。塔板开孔率=3.13气体通过浮阀塔板的压降气体通过每层浮阀塔板的压降应为：其中为气体通过一层浮阀塔板的压强降，Pa；为气体通过干板阻力所产生的压强降，Pa；为气体克服板上充气液层的静压强所产生的压强降，Pa；为气体克服液体表面张力所产生的压强，Pa。适应上，常把这些压强降折合成塔内液体的液柱高度表示，故上式又可写成式中，是与相当的液柱高度，=，m是与相当的液柱高度，=，m是与相当的液柱高度，=，m是与相当的液柱高度，=，m①精馏段(1)干板阻力气体通过浮阀塔板的干板阻力，在浮阀全部开启前后有着不同的规律。板上所有浮阀刚好全部开启时，气体通过阀孔的速度称为临界速度，以表示。因，故：=5.34*=0.03〔m〕(2)板上充气液层阻力一样用下面的体会公式运算=式中，—板上液层高度，m；—反映板上液层充气程度的因数，称为充气因数，无量纲，液相为水时，=0.5;为油时，=0.2～0.35;为碳氢化合物时，=0.4～0.5。取=0.5，液面表面张力所造成的阻力：此阻力专门小，可忽略不计，因此与气体流经塔板的压降相当的高度为：提馏段因，故：=5.34*=0.05〔m〕取=0.5，3.14淹塔为了防止发生淹塔现象，要求操纵降液管中清液高度，即精馏段单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度：=0.065〔m〕液体通过液体降液管的压头缺失：=0.153()=0.153*=0.001〔m〕③板上液层高度那么因为＝0.5，因此＝0.5*〔0.45+0.06〕=0.255〔m〕可见，因此符合防止液泛的要求。提馏段①单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度：=0.085〔m〕②液体通过液体降液管的压头缺失：=0.153()=0.153*=0.001〔m〕③板上液层高度那么因为＝0.5，因此＝0.5*〔0.45+0.0474〕=0.249〔m〕可见，因此符合防止液泛的要求。3.15物沫夹带通常用操作时的空塔气速与发生液泛时的空塔气速的比值作为估算雾沫夹带量的指标。此比值称为泛点百分数，或称泛点率。在以下泛点率数值范畴内，一样可保证雾沫夹带量达到规定的指标，即＜0.1kg液/kg气：大塔泛点率＜80％直径0.9m以下的塔泛点率＜70％减压塔泛点率＜75％泛点率可按下面的体会公式运算,即：泛点率〔a〕或泛点率〔b〕式中，—分别为塔内气、液负荷，；，—分别为塔内气、液密度，kg/；—板上液体流径长度，m，对单溢流塔板，=，其中为塔径，为弓形降液管宽度；—板上液流面积，，对单溢流塔板，，其中为塔截面积，为弓形降液管截面积；—泛点负荷系数，可依照气相密度及板间距查图而得K—物性系数，其值见表表6-1物性系数参考表系统物性系数系统物性系数无泡沫，正常系统1.0多泡沫系统〔如胺〕0.73氟化物〔如氟里昂〕0.9严峻起泡系统0.6中等起泡系统〔如油吸取塔、乙二醇再生塔〕0.85形成稳固泡沫的系统〔如碱再生塔〕0.3一样按式〔a〕和式〔b〕分别运算泛点率，而取其中大者为验算的依据。假设上二式之一算得的泛点率不在规定的范畴以内，那么应适当调整有关参数，如板间距、塔径等，并重新运算。精馏段板上流体流径长度：板上液流面积：2.54-2*0.183=2.174〔〕查物性系数K=1.0，泛点负荷系数图〔如以下图〕查得泛点率=泛点率=依照上两式运算出泛点率都在80％以下，故可知物沫夹带能够满足的要求。〔2〕提馏段查表可知：K=1.0，泛点率=泛点率=依照上两式运算出泛点率都在80％以下，故可知物沫夹带能够满足的要求。3.16塔的负荷性能图〔1〕物沫夹带线泛点率，取=0.1kg液/kg气为物沫夹带底限，即泛点率为80%关于一定的物系及一定的塔板结构，式中均为值，相应于=0.1的泛点率上限值亦可确定，将各数代入上式，便得出的关系式，据此可作出负荷性能图中的物沫夹带线。精馏段：整理得：0.182616=0.0382+1.84144，即=4.78-48.21由上式知物沫夹带线为直线，那么在操作范畴内任取两个值求出②提馏段整理得：0.17392=0.0306+1.84144，即=5.68-60.18运算出的、、、见下表。精馏段LS(m3/s)0.0020.01Vs(m3/s)4.684.3提馏段L'S(m3/s)0.0020.01V's(m3/s)5.565.01液泛线因为＝＝，由此确定液泛线，忽略式中项。因为，，其中将上式分别代入，得到：因物系一定塔板结构尺寸一定，那么及等均为定值，而与又有如下关系，即式中阀孔数N与孔径亦为定值。因此，可将式简化为与的关系式精馏段整理得：提馏段整理得：在操作范畴内任取假设干个，算出相应的值见下表。精馏段LS1(m3/s)0.0010.0030.0040.007Vs1(m3/s)5.89　5.58　5.41　4.7　提馏段L'S1(m3/s)0.0010.0030.0040.007V's1(m3/s)9.68　9.39　9.26　8.90　(3)液相负荷上限线关系式液体的最大流量应保证在降液管中液体的停留时刻不小于3～5。液体在降液管内停留时刻：求出上限液体流量值〔常数〕，在图上，液相负荷上限线为与气体流量无关的竖直线。以作为液体在降液管内停留时刻的下限那么：〔4〕漏液线关于F1型重阀，依作为规定气体最小负荷的，那么精馏段：提馏段：〔5〕液相负荷下限取堰上液层高度m作为液相负荷下限条件，先运算出的下限值，依次作出液相负荷下限线，该线为与气相流量无关的竖直线。取E=1.0，那么：依照上述关系式：关于精馏段：〔1〕物沫夹带线：=4.78-48.21〔2〕降液管液泛线：〔3〕液相负荷上限线〔4〕漏液线：〔5〕液相负荷下限线：，作出精馏段塔板负荷性能图：(1)—雾沫夹带线；(2)—降液管液泛线；(3)—液相负荷上限线(4)—漏液线；(5)—液相负荷下限线依照上述关系式：关于提馏段：〔1〕物沫夹带线：=5.68-60.18〔2〕降液管液泛线：〔3〕液相负荷上限线〔4〕漏液线：〔5〕液相负荷下限线：，作出提馏段的塔板负荷性能图：(1)—雾沫夹带线；(2)—降液管液泛线；(3)—液相负荷上限线(4)—漏液线；(5)—液相负荷下限线由塔板负荷性能图能够看出：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；塔板的气相负荷上限完全由物沫夹带操纵，操作下限有漏液操纵；按固定的液气比，由图可查出塔板的气相负荷上限，气相负荷下限。因此：精馏段操作弹性=4.68/1.380=3.43；提馏段操作弹性=5.60/2.045=2.76。浮阀塔工艺设计运算结果见下表：项目符号单位运算数据备注精馏段提馏段塔径Dm1.81.8板间距HTm0.450.45塔板类型　　单溢流弓形降液管分块式塔板空塔气速um/s1.442.08堰长lwm1.171.17　堰高hwm0.060.0474　板上液层高度　m0.070.07　降液管底隙高h0m0.0220.078　浮阀数N　249　316　等腰三角形叉排阀孔气速u0m/s10.3413.01同一横排孔心距浮阀动能因子F0　9.5512.94相邻横排中心距离临界阀孔气速u0cm/s9.6811.47　孔心距tm0.0750.075　排间距t'm0.065　0.065　　单板压降△PpPa507.43　756.51　　降液管内清液层高度Hdm0.136　0.156　　泛点率　%44.8276.9　气相负荷上限〔Vs〕maxm3/s　4.68　5.60物沫夹带操纵气相负荷下限〔Vs〕minm3/s　1.40　2.03漏液操纵操作弹性　　　3.43　2.76　　4.精馏塔的结构设计塔板按结构特点，大致可分为整块式和分块式两类塔板。塔径为300~800mm时，一样采纳整块式，800mm以上用分块式，本设计塔径=1800mm故采纳分块式塔板，塔板分块数为5，支承圈宽度50mm，支承板采纳不锈钢宽度50mm，厚度8m。表4-1塔径/mm800-12001400-16001800-20002200-2400分块数3456表4-2塔径/mm支承圈宽度不同腐蚀裕度下支承圈厚度03＞3-5800-120040810141400-180050810142000-340060810143600-600070101214表4-3塔径/mm800-14001600-20002200-30003200-46004800-6400支承板宽度4050607080厚度碳钢810101214不锈钢68810124.1接管〔1〕塔进料管进料管道结构类型专门多，有直观进料管、弯管进料管、T形进料管。本设计采纳直管进料管。管径运算如下：，取，由℃查得：=968.31kg/，=729.47kg/又因为=,那么：kg/查阅参考书常用管道举荐的尺寸选取φ76*4mm。〔2〕塔顶回流管采纳直管回流管，取，查表取φ57*3.5mm。〔3〕塔底出料管，取又0.053m=53mm查表取φ76*4mm。塔顶蒸汽出料管直管出气，取出口气速u=20m/s，查表取φ456*12mm。塔釜进气口采纳直管，取出口气速u=20m/s，查表取φ610*14mm。塔顶出料管取查管子规格表得塔顶出料管采纳的热轧无缝钢管管结构选型结果接管结构外径/mm接管壁厚/mm塔底蒸汽接管61014塔顶蒸汽出口管45612塔顶回流管573.5塔顶出料管573.5塔进料管764塔底出料管764(6)法兰由于常压操作，所有法兰均采纳标准管法兰，平焊法兰，由不同的公称直径，选用相应的法兰。进料管接管法兰：PN6DN80HG5010回流管接管法兰：PN6DN50HG5010塔釜出料管法兰：PN6DN80HG5010塔顶蒸汽管法兰：PN6DN500HG5010塔釜蒸汽进气法兰：PN6DN600HG5010塔顶出料管法兰：PN6DN50HG5010精馏塔各接管法兰的尺寸接管公称法兰外径法兰螺栓孔中心圆直径〔mm〕螺栓孔直径〔mm〕螺栓孔数量螺纹法兰法兰质量〔kg〕直径〔DN〕〔mm〕内径Th厚度　　〔mm〕　〔mm〕进料管6516078130144M12161.67塔顶蒸汽管4505954625502216M203017.59回流管5014059110144M12161.35塔釜出料管6516078130144M12161.67塔釜进气管600755616.57052620M243626.57塔顶出料管5014059110144M12161.354.2筒体与封头(1)筒体精馏塔可视为内压容器。其各种设计参数如下：a.设计压力该精馏塔在常压下操作，设计压力取为0.5MPab.设计温度该精馏塔塔底采纳加热介质为蒸汽，温度不超过150℃,因此设计温度定为150℃。c.许用应力该精馏塔筒体采纳钢板卷焊而成，材料选择Q235-B，依照GB-3274，查得：d.焊缝系数按照GB150规定，焊缝系数要紧考虑焊缝形式与对焊缝进行无损检验长度两个因素，本设计采纳全焊透对接焊，对焊缝作局部无损探伤，那么=0.85筒体的设计参数设计压力/MPa设计温度/℃许用应力/MPa焊缝系数0.51501130.85壁厚的确定：运算厚度由运算厚度查得，钢板负偏差=0.8mm该系统中乙醇和水对筒体腐蚀较小，腐蚀裕量取2mm那么筒体的设计厚度4.69+2=6.69mm那么筒体的名义厚度4.69+0.8+2+△=8mm那么筒体的有效厚度=(2)封头封头分为椭圆型封头、碟形封头等几种，本设计采纳椭圆型封头，材料选用Q235-B,除封头的拼接焊缝需100%探伤外，其余均为对接焊缝局部探伤。那么=0.85由运算厚度查得，钢板负偏差=0.8mm该系统中乙醇和水对筒体腐蚀较小，腐蚀裕量取2mm那么封头的名义厚度4.69+0.8+2+△=8mm那么筒体的有效厚度=以内径为公称直径DN=1800mm，选用封头为DN1800依照查得封头曲面高度=475mm，直边高度=25mm。内表面积A=3.6535，容积V=0.82704.3除沫器当空塔气速较大，塔顶带液现象严峻，以及工艺过程中不许出塔气体夹带雾滴的情形下，设置除沫器能够减少液体夹带缺失，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﹑丝网除沫器以及旋流板除沫器。本设计采纳丝网除沫器，其具有比表面积大﹑重量轻﹑间隙率大及使用方便等优点。专门是它具有除沫率高，压力降小的特点，从而成为一种广泛使用的除沫装置。网丝的选择包括材料选择和丝径选择。材料选择应考虑到介质的腐蚀和操作温度。因丝网的丝径专门细，极易被腐蚀破坏。因此丝网大多采纳耐腐蚀的金属，合成纤维材料制造。丝网除沫器包括固定式丝网除沫器和抽屉式丝网除沫器。其中固定式丝网除沫器分上装式丝网除沫器和下装式丝网除沫器，抽屉式丝网除沫器是由网块，导轨，封板，法兰，法兰盖等组成，能够拆卸。本设计采纳丝网除沫器，其具有比表面积大、质量轻、间隙大及使用方便等优点。①精馏段：设计气速选取：，系数0.107除沫器直径：②提馏段，系数0.107除沫器直径：取除沫器直径为500mm，高度为160mm。本设计选用SP型不锈钢标准型除沫器，丝网尺寸为0.1×0.4mm,材料：不锈钢扁丝〔1Cr18Ni9Ti〕。4.4裙座为了制作方便，一样采纳圆筒形。由于塔径较大，因此座圈与塔体间采取对接焊缝。由于裙座对整个塔器而言是个至关重要的元件，支撑整个塔器，如它破坏将直截了当阻碍塔器的正常使用，同时裙座所耗费材料对整个塔而言不多，因此裙座材料选为Q235-B。裙座结构要紧有座圈，基础环，螺栓座及人孔。座圈是裙式支座的差不多构件，通常为一用钢板卷制的圆筒，其上端与塔的底封头相焊，下端焊在基础环上。座圈承担着塔的各种外载荷，并把它全部传给基础环。基础环的作用是承担塔的全部载荷。螺栓座的作用是用来安装地脚螺栓。为了便于检修和安装，在裙座上应开设2个不带盖板的长圆形检查孔。检查孔的高度取为500mm，直径为400mm。由于裙座内径>800mm，故裙座壁厚取16mm。裙座筒体的内径：裙座筒体的外径：基础环内径：基础环外径：圆整得：,；基础环厚度，考虑到腐蚀余量取18mm；4.5人孔人孔是安装或检修人员进出塔体的唯独通道，人孔的设置应便于工作人员进入任何一层塔板。另外，为了检查塔设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件，压力容器也需开设人孔。但由于设置人孔处的的塔板间距要增大，且人孔设置过多会使制造时塔体的弯曲度难以达到要求，因此一样板式塔每隔10～20层塔板或5～10m塔段，才设置一个人孔。人孔一样设置在气液进出口等需经常修理清理的部位，另外在塔顶和塔釜，也各设置一个人孔。在本设计中，共有42块塔板，共设置7个人孔，塔顶和塔釜各设置一个人孔，在进料处设置一个人孔，剩余4个看具体情形安排。4.6吊柱为方便室外较高的整体塔装填，补充和更换填料，安装和拆卸塔内件，塔顶需设置吊柱。本设计中塔高度大，因此设吊柱。吊柱设置方位应使吊柱中心线与人孔中心线间有合适的夹角，使人能站在平台上操纵手柄，让通过吊钩的垂直线能够转到人孔邻近，以便从人孔装入或取出塔的内件。吊柱的安装高度是由人孔的高度，平台高度和所吊装的塔内件尺寸决定的。选用吊柱时，依据的差不多参数是臂长S〔mm〕和设计载荷G〔kg〕。臂长S〔mm〕可由塔的直径及吊柱在塔壁上的安装位置确定，其方位第一取决于人孔的方位。在本课程设计中，取悬臂长度S为塔的中心线与人孔伸出塔体的筒体长度之和，即S=600+200=800mm，设计载荷G〔kg〕应取起吊重量的2.2倍左右，吊柱的立柱用无缝钢管，其他零件采纳Q235-A。，吊柱与塔体连接的衬板选用与塔体相同的材料，即选用Q235-B。在本设计中，塔径D=1800mm，选用吊柱起吊重量G=500kg的吊柱，500是指吊柱起吊时的质量，查得臂长S=1000mm，高度L=3400mm，上下支座高度差H=1000mm。吊柱的结构型式1.下支座；2.防雨罩；3.挡销；4.上支座；5.止动插销；6.手把；7.吊杆；8.耳环；9.吊钩；10.封板4.7塔总体高度设计〔1〕板间距HT板间距HT的选定专门重要，它与塔高、塔径、物系性质、分离效率、塔的操作弹性，以及塔的安装、检修等都有关。塔间距与塔径之间的关系，应通过流体力学验算，权衡经济效益，反复调整。HT的大小与液气和雾沫夹带有紧密关系。板间距大，可承诺气流速度较高，塔径可小些;反之，所需的塔径就要增大。一样来说，取较大的板间距对提高操作弹性有力，安装检修方便，但会增加塔的造价。因此HT应适当选择。其选择可参照表塔间距与塔径的关系。塔间距与塔径的关系塔径D/m0.3～0.50.5～1.60.8～1.61.6～2.42.4～4.0板间距HT/m200～300250～350300～450350～600400～600本设计取HT＝450mm。因此依照上表能够明白原设计值相符。〔2〕开人孔处板间距H’T凡是人孔处板间距应等于或大于600mm，人孔直径一样为450~550mm。本设计人孔直径取450mm。本设计取＝800mm。〔3〕进料段高度HF进料段空间高度HF取决于进料口的结构型式和物料状况，一样HF比HT大，有时要大一倍，为了防止进料直冲塔板，常在进料口处考虑安装冲突实施，如防冲板，入口堰，缓冲管等，HF应保证这些实施的安装。本设计取HF＝1200mm〔4〕塔顶空间高度HD塔顶空间高度HD指塔顶第一层塔板到塔顶封头的底边处的距离，其作用是安装塔板和开人孔的需要，也是气体中的液滴自由沉降，减少塔顶出口气体中液滴夹带，必要时还安装破沫装置。塔顶空间高度HD一样取1.0～1.5m，塔径大时可适当增大。本设计取HD＝1200mm〔5〕塔底空间高度HB塔的底部空间高度是指塔底最底层