【正文】 體量變化較小，可采用相同的塔徑，便于設(shè)計(jì)和制造。原則上，在供熱一定的情況下，熱量應(yīng)盡可能由塔底輸入，使產(chǎn)生的氣相回流在全塔 發(fā)揮作用，即宜冷也進(jìn)料。所以為了有效降低設(shè)備造價(jià)和操作費(fèi)用對這類溶液可采用常壓蒸餾。 本次任務(wù)是甲醇和水體系， 甲醇 水這一類的溶液不是熱敏性物料，且沸點(diǎn)又不高，所以不需采用減壓蒸餾。減壓操作降低了平衡溫度，這樣可以使用較低位的加熱劑。對于熱敏性和高沸點(diǎn)的物料常用減壓蒸餾。 對于沸點(diǎn)低，常壓下為氣態(tài)的物料必須在加壓條件下進(jìn)行操作。 7 圖 1 浮閥（ F1 型） 圖 2 浮閥（ a） V4 型， （ b） T型 一． 總體操作方案的確定 操作壓強(qiáng)的選擇 ： 精餾可以常壓，加壓或減壓條件下進(jìn)行。一般采用重罰。F1型閥又分重閥與輕閥兩種，重閥用厚度 2mm 的鋼板沖成，閥質(zhì)量約 33g，輕閥用厚度 的鋼板沖成，質(zhì)量約 25g。三類浮閥中，F(xiàn)1型浮閥最簡單，該類型浮閥已被廣泛使用。V4型的特點(diǎn) 是閥孔被沖壓成向下彎的噴咀形，氣體通過閥孔時(shí)因流道形狀漸變可減小阻力。又因氣體在閥片下測水平方向進(jìn)入液層，既減少液沫夾帶量，又延長氣液接觸時(shí)間，故收到很好的傳質(zhì)效果。當(dāng)篩孔氣速高時(shí)，閥片被頂起、上升，孔速低時(shí)，閥片因自重而下降。 浮閥 塔是二十世紀(jì)五十年代初開發(fā)的一種新塔型。為實(shí)現(xiàn)精餾分離操作，除精餾塔外，還必須從塔底引入上升蒸汽流和從塔頂引入下降液。精餾是多數(shù)分離過程，即同時(shí)進(jìn)行多次部分汽化和部分冷凝的過程，因此可使混合液得到幾乎完全的分離。 近幾十年來，人們 對浮閥塔的研究越來越深入，生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)越來越豐富，積累的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)比較完整，因此設(shè)計(jì)浮閥塔比較合適。 但是，浮閥塔的抗腐蝕性較高（防止浮閥銹死在塔板上），所以一般采用不銹鋼作成，致使浮閥造價(jià)昂貴，推廣受到一定限制。 4．氣體壓降及液面落差小，因氣液流過浮閥塔板時(shí)阻力較小，使氣體壓降及液面落差比泡罩塔小。 2．操作彈性大，由于閥片可以自由升降以適應(yīng)氣量的變化，因此維持正常操作而允許的負(fù)荷波動范圍比篩板塔，泡罩塔都大。在各種塔型中，當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的是篩板塔和浮閥塔。前者的代表是板式塔，后者的代表則為填料塔。 由于此次設(shè)計(jì)時(shí)間緊張，本人水平有限，難免有遺漏謬誤之處，懇切希望各位老師指出，以便訂正。 近幾十年來，人們對浮閥塔的研 究越來越深入，生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)越來越豐富，積累的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)比較完整，因此設(shè)計(jì)浮閥塔比較合適。 但是，浮閥塔的抗腐蝕性較高（防止浮閥銹死在塔板上），所以一般采用不銹鋼作成，致使浮閥造價(jià)昂貴，推廣受到一定限制。 4．氣體壓降及液面落差小，因氣液流過浮閥塔板時(shí)阻力較小，使氣體壓降及液面落差比泡罩塔小。 2．操作彈性大，由于閥片可以自由升降以適應(yīng)氣量的變化，因此維持正常操作而允許的負(fù)荷波動范圍比篩板塔，泡罩塔都大。在各種塔型中，當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的是篩板塔和浮閥塔。前者的代表是板式塔，后者的代表則為填料塔。 1 南京工業(yè)大學(xué) 《化工原理》 課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目 甲 醇 水二元體系浮閥精餾塔的工藝設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 班級、學(xué)號 指導(dǎo)教師姓名 夏毅 王海燕 課 程設(shè)計(jì)時(shí)間 年 月 日 年 月 日 課程設(shè)計(jì)成績 百分制 權(quán)重 設(shè)計(jì)說明書、計(jì)算書及設(shè)計(jì)圖紙質(zhì)量， 70% 獨(dú)立工作能力、綜合能力、設(shè)計(jì)過程表現(xiàn)、設(shè)計(jì)答辯及回答問題情況，30% 設(shè)計(jì)最終成績（五級分制） 指導(dǎo)教師簽字 2 課程名稱： 化工原理課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 甲醇 水體系浮閥 精餾塔的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 專業(yè)： 化學(xué)工程與工藝 班級學(xué)號： 設(shè)計(jì)日期： 20201224 至 20200106 設(shè)計(jì)任務(wù)： 甲醇 水體系 設(shè)計(jì)條件及任務(wù)： 進(jìn)料流量： F＝ 250kmol/h 進(jìn)料組成： Xf=（摩爾分率） 進(jìn)料熱狀態(tài)：泡點(diǎn)進(jìn)料 要求塔頂產(chǎn)品濃度 XD= 易揮發(fā)組分回收率η≥ 3 前 言 化學(xué)工業(yè)中塔設(shè)備是化工單元操作中重要的設(shè)備之一，化學(xué)工業(yè)和石油工業(yè)中廣泛應(yīng)用的諸如吸收、解吸、精餾、萃取、增濕、減濕等單元操作中，精餾操作是最基本的單元操作之一，它是根據(jù)混合液中各組分的揮發(fā)能力的差異進(jìn)行分離的。 塔設(shè)備一般分為 級間接觸式和連續(xù)接觸式兩大類。一般，與填料塔相比，板式塔具有效率高、處理量大、重量輕及便于檢修等特點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，阻力降較大。 浮閥塔的特點(diǎn)： 1．生產(chǎn)能力大，由于塔板上浮閥安排比較緊湊，其開孔面積大于泡罩塔板，生產(chǎn)能力比泡罩塔板大 20%～ 40%，與篩板塔接近。 3．塔板效率高，由于上升氣體從水平 方向吹入液層，故氣液接觸時(shí)間較長，而霧沫夾帶量小，塔板效率高。 5．塔的造價(jià)較低，浮閥塔的造價(jià)是同等生產(chǎn)能力的泡罩塔的 50%～ 80%，但是比篩板塔高 20%～ 30。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新型填料，高效率塔板的不斷被研制出來，浮閥塔的推廣并不是越來越廣。 本次設(shè)計(jì)就是針對 甲醇 —— 水 體系，而進(jìn)行的常壓浮閥精餾塔的設(shè)計(jì)及其輔助設(shè)備的選型。 2020 年 1 月 4 目 錄 概述 ????????????????????? ???????? ?? 7 第一章 總體操作方案的確定 ◆ 操作壓強(qiáng)的選擇 ?????????? ??????? ??? ??? 7 ◆ 物料的進(jìn)料熱狀態(tài) ??????? ??????? ??? ??? ?? 7 ◆ 回流比的確定 ????????? ??????? ????? ??? 8 ◆ 塔釜的加熱方式 ???????? ??????? ????? ??? 8 ◆ 回流的方式方法 ??????? ???????? ?????? ?? 8 第二章 精餾的工藝流程圖的 確定 ??? ???????? ???? ??? ? 9 第三章 理論板數(shù)的確定 ◆ 物料衡算 ????????? ??????? ?????? ??? ? 9 ◆ 物系相平衡數(shù)據(jù) ?????? ?????? ?????? ??? ? 10 ◆ 確定回流比 ?? ???? ??????? ??????????? ? 11 ◆ 理論板數(shù) NT的計(jì)算以及實(shí)際板數(shù)的確定 ?? ? ???????? ? ? 11 ◆ 實(shí)際塔板數(shù)的確定 ????????? ?????????? ? ?? 13 第四章 塔體主要工藝尺寸的確定 ◆ 各設(shè)計(jì)參數(shù) ????????? ?? ????? ????? ??? ? 14 ◆ 精餾段塔徑塔板的實(shí)際計(jì)算 ??? ??????? ???? ??? ? 20 精餾段汽、液相體積流率 塔徑塔板的計(jì)算 塔板流體力學(xué)的驗(yàn)算 塔板負(fù)荷性能圖及操作彈性 ◆ 提餾段塔徑塔板的實(shí)際計(jì)算 ????? ??????? ??? ?? ? 33 精餾段汽、液相體積流率 塔徑塔板的計(jì)算 塔板流體力學(xué)的驗(yàn)算 塔板負(fù)荷性能圖及操作彈性 第五章 浮閥塔板工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果 ?????? ??????? ???? ? 45 第六章 輔助設(shè)備及零件設(shè)計(jì) ◆ ??????? ???????? ??? ?? 46 ◆ ??????? ???????? ? ?? 51 ◆ ????????? ???????? ? ?? 52 第七章 設(shè)計(jì)感想 ??????????? ?? ??????? ? ?? ??? 57 第八章 致謝 ??????????????? ??????? ? ??? ?? 58 第九章 參考文獻(xiàn) ????????????? ??????? ?? ??? ? 58 5 概述 : 塔 設(shè)備一般分為級間接觸式和連續(xù)接觸式兩大類。一般，與填料塔相比，板式塔具有效率高、處理量大、重量輕及便于檢修等特點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，阻力降較大。 浮閥塔的優(yōu)點(diǎn)： 1．生產(chǎn)能力大，由于塔板上浮閥安排比較緊湊，其開孔面積大于泡罩塔板，生產(chǎn)能力比泡罩塔板大 20%～ 40%，與篩板塔接近。 3．塔板效率高，由于上 升氣體從水平方向吹入液層，故氣液接觸時(shí)間較長，而霧沫夾帶量小，塔板效率高。 5．塔的造價(jià)較低，浮閥塔的造價(jià)是同等生產(chǎn)能力的泡罩塔的 50%～ 80%，但是比篩板塔高 20%～ 30。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新型填料，高效率塔板的不斷被研制出來，浮閥塔的推廣并不是越來越廣。 6 本次的課程設(shè)計(jì)任務(wù)是甲醇和水的體系， 要想把低純度的甲醇水溶液提升到高純度，要用連續(xù)精餾的方法，因?yàn)榧状己退膿]發(fā)度相差不大?；S中精餾操作是在直立圓形的精餾塔內(nèi)進(jìn)行的，塔內(nèi)裝有若干層塔板或充填一定高度的填料。可知，單有精餾塔還不能完成精餾操作 ，還必須有塔底再沸器和塔頂冷凝器，有時(shí)還要配原料液預(yù)熱器、回流液泵等附屬設(shè)備，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)操作。其特點(diǎn)是在篩板塔基礎(chǔ)上，在每個(gè)篩孔處安置一個(gè)可上下移動的閥片。閥片升降位置隨氣流量大小作自動調(diào)節(jié)，從而使進(jìn)入液層的氣速基本穩(wěn)定。 國內(nèi) 常用的浮閥有三種，即圖 1所示的 F1型及圖 2所示的 V4 型與 T型。 T 型閥則借助固定于塔板的支架限制閥片移動范圍。我國已有部頒標(biāo)準(zhǔn)（ JB1118— 68）。閥重則閥的慣性大，操作穩(wěn)定性好，但氣體阻力大。只有要求壓降很小的場合，如真空精餾時(shí)才使用輕閥。確定操作壓力時(shí)主要是根據(jù)處理物料的性質(zhì)，技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性來考慮的。在相同條件下適當(dāng)提高操作壓力可以提高塔的處理能力，但是增加了塔 壓，也提高了再沸器的溫度， 并且相對揮發(fā)度液會下降。降低操作壓力，組分的相對揮發(fā)度增加，有利于分離。但是降低壓力也導(dǎo)致了塔直 徑的增加和塔頂冷凝溫度的降低，而且必須使用抽真空設(shè)備，增加了相應(yīng)的設(shè)備和操作費(fèi)用。這類溶液在常壓下又是液態(tài)，塔頂蒸氣又可以用普通冷卻水冷凝，因而也不需采用加壓蒸餾。 ∴ 操作壓強(qiáng) :P=1atm==103KPa 物料的進(jìn)料熱狀態(tài) ： 8 進(jìn)料熱狀態(tài)有五種。但為使塔的操作穩(wěn)定，免受季節(jié)氣溫的影響，常采用泡點(diǎn)進(jìn)料。但將原料預(yù)熱到泡點(diǎn)，就需要增設(shè)一個(gè)預(yù)熱器，使設(shè)備費(fèi)用增加。 回流比的確定： 對于一定的分離任務(wù)，采用較大的回流比時(shí)，操作線的位置遠(yuǎn)離平衡線向下向?qū)蔷€靠攏，在平衡線和操作線之間的直角階梯的跨度增大 ,每層塔板的分 離效率提高了，所以增大回流比所需的理論塔板數(shù)減少，反之理論塔板數(shù)增加。本次設(shè)計(jì)任務(wù)中，綜合考慮各個(gè)因素，采用回流比為最小回流比的 。直接蒸汽加熱的優(yōu)點(diǎn)是，可利用壓強(qiáng)較低的加熱蒸汽，并省掉間接加熱設(shè)備，以節(jié)省操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用。 回流的 方式方法 : 9 液體回流可借助位差采用重力回流或用泵強(qiáng)制回流?？紤]各方面綜合因素，采用重力回流。塔頂上升蒸氣采用全冷凝后，部分回流，其余作為塔頂產(chǎn)品經(jīng)冷卻器冷卻后送至貯槽。 3. 理論板數(shù)的確定 物料衡算： ∵ η= DXDFXf ∴ D=ηFX f/XD=2 50 8/=70 kmol/h ∵ F=D+W ∴ W=F D=25070=180 kmol/h 10 ∵ FXf= DXD+WXw ∴ Xw=(FXfDXD)/W=(210 42)/ 168= 物系相平衡數(shù)據(jù) a. 基本物性數(shù)據(jù) 組分 分子式 分子量 沸點(diǎn) 熔點(diǎn) 水 H2O 甲醇 CH3OH b. 常