浮阀塔的设计方案(优秀)解析

滨州学院课程设计任务书一、课题名称甲醇——水分离过程板式精馏塔设计二、课题条件（原始数据）原料：甲醇、水溶液处理量：3200Kg/h原料组成：33%（甲醇的质量分率）料液初温：20℃操作压力、回流比、单板压降：自选进料状态：冷液体进料塔顶产品浓度：98%（质量分率）塔底釜液含甲醇含量不高于1%（质量分率）塔顶：全凝器塔釜：饱和蒸汽间接加热塔板形式：筛板生产时间：300天/年，每天24h运行冷却水温度：20℃设备形式：筛板塔厂址：滨州市三、设计内容1、设计方案的选定2、精馏塔的物料衡算3、塔板数的确定4、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算（加热物料进出口温度、密度、粘度、比热、导热系数）5、精馏塔塔体工艺尺寸的计算6、塔板主要工艺尺寸的计算滨州学院化工原理课程设计说明书7、塔板的流体力学验算8、塔板负荷性能图（精馏段）9、换热器设计10、馏塔接管尺寸计算11、制生产工艺流程图（带控制点、机绘，A2图纸）12、绘制板式精馏塔的总装置图（包括部分构件）（手绘，A1图纸）13、撰写课程设计说明书一份设计说明书的基本内容⑴课程设计任务书⑵课程设计成绩评定表⑶中英文摘要⑷目录⑸设计计算与说明⑹设计结果汇总⑺小结⑻参考文献14、有关物性数据可查相关手册15、注意事项⑴写出详细计算步骤，并注明选用数据的来源⑵每项设计结束后列出计算结果明细表⑶设计最终需装订成册上交四、进度计划（列出完成项目设计内容、绘图等具体起始日期）1、设计动员，下达设计任务书0.5天2、收集资料，阅读教材，拟定设计进度1-2天3、初步确定设计方案及设计计算内容5-6天4、绘制总装置图2-3天5、整理设计资料，撰写设计说明书2天6、设计小结及答辩1天目录摘要 (1)绪论 (2)第一章设计方案的选择和论证 (3)1.1设计思路 (3)1.2设计方案的确定 (3)1.3设计步骤 (4)第二章塔的工艺设计 (4)2.1基础物性数据 (4)2.2精馏塔的物料衡算 (6)2.2.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 (6)2.2.2进料热状况q的确定 (6)2.2.3操作回流比R的确定 (7)2.2.4求精馏塔的气液相负荷 (7)2.2.5操作线方程 (7)2.2.6用图解法求理论塔板数 (8)2.2.7实际板数的求取 (8)2.3 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 (9)2.3.1进料温度的计算 (9)2.3.2 操作压强 (9)2.3.3平均摩尔质量的计算 (10)2.3.4平均密度计算 (10)2.3.5液体平均表面张力计算 (11)2.3.6液体平均粘度计算 (12)2.4 精馏塔工艺尺寸的计算 (12)2.4.1塔径的计算 (12)2.4.2精馏塔有效高度的计算 (14)2.5 塔板主要工艺尺寸的计算 (15)2.5.1溢流装置计算 (15)2.6浮阀数目、浮阀排列及塔板布置 (16)2.7塔板流体力学验算 (17)2.7.1计算气相通过浮阀塔板的静压头降 (17)2.7.2淹塔 (17)2.8精馏段塔板负荷性能图 (19)2.8.1雾沫夹带线 (19)2.8.2液泛线 (19)2.8.3液相负荷上限线 (20)2.8.4气体负荷下限线（漏液线） (20)2.8.5液相负荷下限线 (20)2.9小结 (21)第三章辅助设备的计算 (21)3.1精馏塔的附属设备 (21)3.1.1再沸器（蒸馏釜） (22)3.1.2塔顶回流全凝器 (23)3.1.3原料贮罐 (24)3.1.4泵的计算及选型 (24)第四章塔附件设计 (24)4.1接管 (24)4.1.1进料 (24)4.1.2回流管 (25)4.1.3塔底出料管 (25)4.1.4塔顶蒸气出料管 (25)4.1.5塔底进气管 (25)4.2除沫器 (25)4.3裙座 (26)4.4人孔 (26)4.5塔总体高度的设计 (26)4.5.1塔的顶部空间高度 (26)4.5.2塔的底部空间高度 (26)4.5.3塔立体高度 (26)设计结果汇总 (28)致谢 (29)主要符号说明 (30)附录 (33)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。

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人员广泛的采用。

本设计书对甲醇和水的分离设备─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,塔设备等的附图。

采用浮阀精馏塔，塔径0.8米，按逐板计算理论板数为25。

算得全塔效率为0.46。

塔顶使用全凝器，部分回流。

精馏段实际板数为14，提馏段实际板数为11。

实际加料位置在第15块板(从上往下数)，操作弹性为3.19通过板压降、漏液、液泛、雾沫夹带的流体力学验算，均在安全操作范围内。

塔的附属设备中，所有管线均采用无缝钢管。

再沸器采用卧式浮头式换热器。

用160℃饱和蒸汽加热，用20℃循水作冷凝剂。

饱和蒸汽走管程，釜液走壳程。

关键词：甲醇--水、精馏、图解法求理论塔板数、负荷性能图绪论化工生产中常需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的。

互溶液体混合物的分离有多种方法，蒸馏及精馏是其中最常用的一种。

蒸馏是分离均相混合物的单元操作之一，精馏是最常用的蒸馏方式，是组成化工生产过程的主要单元操作。

为实现高纯度的分离已成为蒸馏方法能否广泛应用的核心问题，为此而提出了精馏过程。

精馏的核心是回流，精馏操作的实质是塔底供热产生蒸汽回流，塔顶冷凝造成液体回流。

我们工科大学生应具有较高的综合能力、解决实际生产问题的能力和创新的能力。

课程设计是一次让我们接触并了解实际生产的大好机会，我们应充分利用这样的机会去认真去对待。

而新颖的设计思想、科学的设计方法和优秀的设计作品是我们所应坚持努力的方向和追求的目标。

浮阀塔盘自20世纪50年代初期开发以来，由于制造方便及其性能上的优点，很多场合已取代了泡罩塔盘。

这类塔盘的塔盘板开有阀孔，安置了能在适当范围内上下浮动的阀片，其形状有圆形、条形及方形等。

由于浮阀与塔盘板之间的流通面积能随气体负荷的变动而自动调节，因而在较宽的气体负荷范围内，均能保持稳定操作。

气体在塔盘板上以水平方向吹出，气液接触时间长，雾沫夹带量少，液面落差也较小。

与泡罩塔盘相比，处理能力较大，压力降较低，而塔板效率较高，缺点是阀孔易磨损，阀片易脱落。

操作气速不可能会很高，因为会产生严重的雾沫夹带，这就限制了生产能力的进一步提高。

具有代表性的浮阀塔有F1型（V1型）浮阀塔板、重盘式浮阀塔、盘式浮阀、条形浮阀及锥心形浮阀等。

第一章设计方案的选择和论证1.1设计思路在本次设计中，我们进行的是甲醇和水二元物系的精馏分离，简单蒸馏和平衡蒸馏只能达到组分的部分增浓，如何利用两组分的挥发度的差异实现高纯度分离，是精馏塔的基本原理。

实际上，蒸馏装置包括精馏塔、原料预热器、蒸馏釜、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。

蒸馏过程按操作方式不同，分为连续蒸馏和间歇蒸馏，我们这次所用的就是浮阀式连续精馏塔。

蒸馏是物料在塔内的多次部分汽化与多次部分冷凝所实现分离的。

热量自塔釜输入，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。

在此过程中，热能利用率很低，有时后可以考虑将余热再利用，在此就不叙述。

要保持塔的稳定性，流程中除用泵直接送入塔原料。

塔顶冷凝器可采用全凝器、分凝器-全能器连种不同的设置。

在这里准备用全凝器，因为可以准确的控制回流比。

此次设计是在常压下操作。

因为这次设计采用间接加热，所以需要再沸器。

回流比是精馏操作的重要工艺条件。

选择的原则是使设备和操作费用之和最低。

在设计时要根据实际需要选定回流比。

在此使用浮阀塔，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，其突出优点是可以根据气体的流量自行调节开度，这样就可以避免过多的漏液。

另外还具有结构简单，造价低，制造方便，塔板开孔率大，生产能力大等优点。

浮阀塔一直成为化工生中主要的传质设备，其多用不锈钢板或合金。

近年来所研究开发出的新型浮阀进一步加强了流体的导向作用和气体的分散作用，使气液两相的流动接触更加有效，可显著提高操作弹性和效率。

从甲醇—水的相关物性中可看出它们可近似地看作理想物系。

而且浮阀与塔盘板之间的流通面积能随气体负荷的变动而自动调节，因而在较宽的气体负荷范围内，均能保持稳定操作。

气体在塔盘板上以水平方向吹出，气液接触时间长，雾沫夹带量少，液面落差也较小。

1.2设计方案的确定总的原则是尽可能多地采用先进的技术，使生产达到技术先进、经济合理的要求，符合优质、高产、安全、低能耗的原则，具体考虑以下几点。

⑴满足工艺和操作的要求所设计出来的流程和设备能保证得到质量稳定的产品。

由于工业上原料的浓度、温度经常有变化，因此设计的流程与设备需要一定的操作弹性，可方便地进行流量和传热量的调节。

设置必需的仪表并安装在适宜部位，以便能通过这些仪表来观测和控制生产过程。

⑵满足经济上的要求要节省热能和电能的消耗，减少设备与基建的费用，如合理利用塔顶和塔底的废热，既可节省蒸汽和冷却介质的消耗，也能节省电的消耗。

回流比对操作费用和设备费用均有很大的影响，因此必须选择合适的回流比。

冷却水的节省也对操作费用和设备费用有影响，减少冷却水用量，操作费用下降，但所需传热设备面积增加，设备费用增加。

因此，设计时应全面考虑，力求总费用尽可能低一些。

⑶ 保证生产安全生产中应防止物料的泄露，生产和使用易燃物料车间的电器均应为防爆产品。

塔体大都安装在室外，为能抵抗大自然的破坏，塔设备应具有一定刚度和强度。

1.3设计步骤本次设计主要是针对甲醇和水二元液体混合物系的分离，由于分离要求非常高，因此选用精馏操作来实现该任务。

根据对工业生产中各种常见板式塔的特点进行分析和设计任务的要求，本设计选用浮阀精馏塔。

一般的精馏装置包括精馏塔、再沸器、冷凝器、釜液冷却器、产品冷却器等设备。

精馏的原理是多次部分汽化与多次部分冷凝，因此在设计和操作过程中，充分考虑热量的利用是经济生产的关键。

一般情况下，热量自塔釜输入，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。

在此过程中，热能利用率很低，如何选用高效节能、投资低的节能工艺是设计的关键。

具体设计步骤如图所示：第二章 塔的工艺设计2.1基础物性数据（1）常压下，甲醇—水的汽液平衡数据温度液相中甲醇的摩尔分数x气相中甲醇的摩尔分数y温度液相中甲醇的摩尔分数x气相中甲醇的摩尔分数y100 0.0 0.0 75.3 0.40 0.729 96.4 0.02 0.134 73.1 0.50 0.779 93.5 0.04 0.234 71.2 0.60 0.825 91.2 0.06 0.304 69.3 0.70 0.870 89.3 0..08 0.365 67.6 0.80 0.915 87.7 0.10 0.418 66.0 0.90 0.958 84.4 0.150.51765.00.950.97981.7 0.20 0.579 64.5 1.0 1.0 78.0 0.30 0.665（2）常压下，甲醇—水的比热容数据温度/℃60 70 80 90 100 甲醇/ kJ/（kg ℃） 2.68 2.71 2.79 2.85 2.90 水/ kJ/（kg ℃） 4.187 4.178 4.195 4.208 4.220(3)饱和蒸汽压Po Antoine方程B lgP A-C tA B C甲醇7.20587 1582.271 239.726水17.4285 3816.44 227.02（4）甲醇-水的液相密度温度℃60 70 80 90 100甲醇3/kg m755 745 730 725 710水3/kg m983.2 977.8 971.8 965.3 958.4 （5）液体表面张力温度℃60 70 80 90 100甲醇/mN m19 18.2 17.2 16.2 15.1水/mN m66.2 64.3 62.6 60.7 58.8 （6）液体表面粘度温度℃60 70 80 90 100甲醇mPa s0.36 0.32 0.28 0.24 0.20水mPa s0.46 0.4061 0.3565 0.3165 0.2838 （7）液体的汽化热温度℃60 70 80 90 100 甲醇/kJ kg1130 1120 1115 1070 1020 水/kJ kg2358.6 2334.0 2308.8 2283.2 22572.2精馏塔的物料衡算2.2.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数（1）甲醇的摩尔质量：32.04A M =/kg kmol 水的摩尔质量：B M =18.02/kg kmol 0.33/32.0421.69%0.33/32.040.67/18.02F x ==+0.98/32.0496.5%0.98/32.040.02/18.020.01/32.040.56%0.01/32.040.99/18.02D W x x ==+==+ (2) 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量：0.216932.04(10.2169)18.0287.3021.0366/0.974478(10.9744)9278.36/D M kg kmolM kg kmol=⨯+-⨯==⨯+-⨯=F (3) 物料衡算 原料处理量 ： 332001042.544/360021.0366F kmol s ⨯==⨯总物料衡算：F D W =+即 42.2544D W += …………………………………………（1） 易挥发组分物料衡算：F D W Fx Dx Wx =+即 0.9650.05642.25440.2169D W ⨯+⨯=⨯ ……………………（2） 解得： D=9.31/kmol s W=32.94/kmol s2.2.2进料热状况q 的确定由文献[]2中甲醇——水混合液t-x-y 图可知，进料组成0.2169F x =时，溶液的泡点为82℃，平均温度=8220512+=℃ 由文献[]3液体的比热容查得： 51℃水的比热容为4.175kJ/（kg •℃）甲醇用内插法求的：20℃ 2.48kJ/（kg •℃） 57.65℃ 2.65kJ/（kg •℃）11512060512.48 2.65P P C C --=--1P C =2.61kJ/（kg •℃）故原料液的平均比热容为4.17532.040.2169 2.6118.02(10.2169)77.0534p C =⨯⨯+⨯⨯-= kJ/（kg •℃）用内插法计算操作条件下，甲醇和水的汽化热 由表7可知：设甲醇和水的汽化热分别为X ，YkJ/kg 对于甲醇：355.15353.2363.2355.1534.7533.94X X--=--解得：甲醇的汽化热为1079.9kJ/kg 同理：水的汽化热为2303.2kJ/kg所以:1079.932.040.21692303.218.02(10.2169)40006.25841m γ=⨯⨯+⨯⨯-= kJ/kg 所以:77.4063(8220)40006.2581 1.11941440006.2581p C t q γγ∆+⨯-+===所以q 线方程为：9.3707 1.9373q x =-2.2.3操作回流比R 的确定在图上可知：q x=0.26qy =0.631min 0.9650.6310.910.6310.26D q q qx y R y x --===--min (1.5~2.0)R R =min1.5R R =所以，min 1.5 1.50.91 1.365R R ==⨯=2.2.4求精馏塔的气液相负荷1.3659.3112.7082/L R D mol s =⨯=⨯= (1)(1.3651)9.3122.0182/V R D mol s =+=+⨯= '12.7082 1.36542.254470.3855/L L qF mol s =+=+⨯= '(1)22.0182(1.3651)42.254437.411/V V q F mol s =+-=+-⨯=2.2.5操作线方程精馏段操作线方程为：1 1.3650.96511 1.36511.3651D n n n x R y x x R R +=-=+++++1 1.87990.4080n n y x +=+提馏段操作线方程为：1'70.385532.940.0056 1.87990.0049''37.41137.4411w n n n n Wx L y x x x V V +=-=-⨯=-2.2.6用图解法求理论塔板数所以总理论板数为=T N 11块（包括再沸器），第7块板上进料。