浮阀塔设计-过程装备设计-课程设计

1 引言

精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业得到广泛应用。精馏过程在能量计的驱动下，使气，液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各相分挥发度的不同，使挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移。实现原料混合物中各组成分离该过程是同时进行传质传热的过程。本次设计任务为设计一定处理量的精馏塔，实现苯—甲苯的分离。化工厂中精馏操作是在直立圆形的精馏塔内进行的，塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填料。为实现精馏分离操作，除精馏塔外，还必须从塔底引入上升蒸汽流和从塔顶引入下降液。可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，还必须有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还要配原料液预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。

浮阀塔与20世纪50年代初期在工业上开始推广使用，由于它兼有泡罩塔和筛板塔的优点，已成为国内应用最广泛的塔型，特别是在石油、化学工业中使用最普遍。浮阀有很多种形式，但最常用的形式是F1型和V-4型。F1型浮阀的结果简单、制造方便、节省材料、性能良好，广泛应用在化工及炼油生产中。

1.1 精馏塔对塔设备的要求

1.生产能力大：即单位塔截面大的气液相流率，不会产生液泛等不正常流

动。

2.效率高：气液两相在塔内保持充分的密切接触，具有较高的塔板效率或传质效率。

3.流体阻力小：流体通过塔设备时阻力降小，可以节省动力费用，在减压操作是时，易于达到所要求的真空度。

4.有一定的操作弹性：当气液相流率有一定波动时，两相均能维持正常的流动，而且不会使效率发生较大的变化。

5.结构简单，造价低，安装检修方便。

6.能满足某些工艺的特性：腐蚀性，热敏性，起泡性等。

1.2 浮阀塔的优点

1．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。

2．操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此维持正常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔，泡罩塔都大。

3．塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故气液接触时间较长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。

4．气体压降及液面落差小，因气液流过浮阀塔板时阻力较小，使气体压降及液面落差比泡罩塔小。

5．塔的造价较低，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。

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，高效率塔板的不断被研制出来，浮阀塔的推广并不是越来越广。

1.3 浮阀塔的结构与功能

浮阀塔结构简单，有两种结构型式，即条状浮阀和盘式浮阀，它们的操作和性能基本是一致的，只是结构上有区别，其中以盘式浮阀应用最为普遍。盘式浮阀塔板结构，是在带降液装置的塔板上开有许多升气孔，每个孔的上方装有可浮动的盘式阀片。为了控制阀片的浮动范围，在阀片的上方有一个十字型或依靠阀片的三条支腿。前者称十字架型，后者称V型。目前因V型结构简单，因而被广泛使用，当上升蒸汽量变化时，阀片随之升降，使阀片的开度不同，所以塔的工作弹性较大。

塔内的溶液以两种物质状态运动着，气态穿过塔板升气孔上升，液态横过塔板进入降液管流至下层塔板上，气液两相在每层塔板上接触，进行传热传质，使得乙醇由液态→气态→液态，逐层上升，最后在塔顶部得到浓缩的乙醇，如果使这分子运动速度提高，即强化这一过程，塔的效率就高。气液两相接触有一界面，界面越大即传热传质过程便得到强化，效率就高。过去用筛板塔、泡罩塔，气体在液体中几乎是垂直上升，鼓泡而出。阀片使上升气体呈水平方向喷射而出，而且采用的汽速较泡罩塔高得多，使气体高度分散，气泡很小，因此气液接触面大。在气体负荷较大时产生雾沫夹带也小，在液流量小时也不会发生不与液层接触而垂直上升的不良现象，随着气体上升量的变化，相应的变化浮阀的流量面积，维持着较高的速，因此气-液始终接触良好。

1.4 浮阀塔的设计原则

浮阀精馏塔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。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，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。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。

2 设计计算

2.1 设计方案的确定

本设计任务为分离苯一甲苯混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送人精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。

2.2 精馏塔的物料衡算

苯的摩尔质量M A=78.11 kg/kmol

甲苯的摩尔质量M B=92.13 kg/kmol

进料组成x F=30%=0.3

x D=93%=0.93

x W=(0.1/78.11)÷(0.1/78.11+0.99/92.13=0.012

原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量、

M F=0.3×78.11+（1-0.3）×92.13=87.924kg/kmol

M D=0.93×78.11+（1-0.93）×92.13=79.091 kg/kmol

M W =0.012×78.11+（1-0.012）×92.13=91.962kg/kmol

2.2.1 全塔物料衡算

原料处理量F=20000000/(7200×86.83)kmol/h=31.99kmol/h

总物料衡算31.99=D+W

苯物料衡算31.99×0.3=0.93D+0.012W

联立解得 D=10.036 kmol/h

W=21.954kmol/h

2.2.2 分段物料衡算

lg Pa o =6.02232-1206.350/(t+220.237) 安托尼方程

lg Pb o =6.07826-1343.943/(t+219.377) 安托尼方程

x a=(P 总- Pb o)/( Pa o - Pb o) 泡点方程

根据x a从《化工原理》P204表6—1查出相应的温度

根据以上三个方程，运用试差法可求出Pa o,Pb o

当x a=0.3 时，t=102℃，Pa o =189.9533kPa，Pb o =78.783kPa

当x a=0.93 时，t=85℃，Pa o =100.432 kPa，Pb o =38.904 kPa

当x a=0.012时，t=105℃，Pa o =222.331 kPa，Pb o =93.973 kPa t=102℃，既是进料口的温度

t=85℃是塔顶蒸汽需被冷凝到的温度

t=105℃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。

α= Pa o / Pb o =189.9533kPa/ 78.783kPa =2.411

所以平衡方程为y=αx/[1+(α－1)x]=2.411x/（1+1.411x）

最小回流比Rmin 为

Rmin=[x D/x F-α(1-x D)/(1-x F)]/( α-1)＝2.113

所以R=1.5Rmin＝3.170

所以精馏段液相质量流量L＝RD＝3.170×10.036=31.814 kmol/h