1、南华大学机械学院毕业设计第 i 页年处 理 量 9 万吨苯 甲 苯 精 馏 浮 阀 塔 设 计摘要：在化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门，塔设备是一种重要的单元操作设备。它可以实现气（汽）-液相或液-液相之间的充分接触，从而达到相际间进行传质及传热的目的。苯和甲苯都是化工生产中的重要原料。因此，将苯和甲苯从其混合物中分离出来意义重大。设计一座连续浮阀塔，通过对原料，产品的要求和物性参数的确定及对主要尺寸的计算，工艺设计和附属设备结果选型设计，完成对苯-甲苯精馏工艺流程和主体设备设计关键词：精馏塔；浮阀塔；苯；甲苯南华大学机械学院毕业设计第 ii 页Abstract: The tower
2、 equipment is an important unit operation equipment in industry sectors,for instrance, chemical industry, refinery, medicine, food , environmental protection,and so on.It can realize the steam between the liquid phase or the fluid - liquid phase contect deeply, thus achieveing the border carries on
3、the mass transfer and the heat transfer goal.The distillation is the separation of liquid mixtures most commonly used as an. unit operation in chemical industry, oil refining, petrochemical and other industries. The design mission is to produce an important chemical raw material from a mixture of be
4、nzene and toluene, it will be a great significance if the material can be separated from its mixture of benzene and toluen. The design of a continuous distillation valve column, in the material, product requirements and the main physical parameters and to determine the size, process design and selec
5、tion of equipment and design results, completion of the benzene-toluene distillation process and equipment design themeKeywords : rectification column； valve tower； Benzene；Toluene南华大学机械学院毕业设计第 iii 页目录绪论 .10.1 设计题目 .10.2 精馏及精馏流程 .10.3 精馏的分类 .10.4 精馏操作的特点 .20.5 塔板的类型与选择 .2一、设计方案的选择和论证 .31.1 设计流程 .31.
6、2 设计思路 .3二、浮阀塔结构设计 .62.1 基础物性数据 .62.1.1 原料液及塔顶，塔底产品的摩尔分率 .62.1.2 原料液及塔顶，塔底产品的平均摩尔分率 .72.2 塔板数的确定 .72.2.1 理论层数 NT 的求取 .72.2.2 实际板数 Np 的求取 .102.3.1 操作压力的计算 .10南华大学机械学院毕业设计第 iv 页2.3.2 操作温度的计算 .102.3.3 平均摩尔质量的计算 .102.3.4 平均密度的计算 .112.4 精馏塔的工艺尺寸的计算 .122.4.1 塔径的计算 .122.4.2 精馏塔有效高度的计算 .132.5 塔板主要工艺尺寸的计算 .1
7、32.5.1 降液管的选择与计算 .132.5.2 溢流堰的选择与计算 .142.5.3 受液盘和底隙 .152.5.4 塔盘及其布置 .15三、塔板流动性能校核 .183.1 液沫夹带量校核 .183.2 塔板阻力 hf 的计算 .183.3 降液管液泛校核 .193.4 液体在降液管内的停留时间 .193.5 严重漏夜校核 .193.6 塔板负荷性能图 .203.6.1 过量液沫夹带线关系式 .203.6.2 液相下限线关系式 .203.6.3 严重漏夜线关系式 .203.6.4 液相上限线关系式 .21南华大学机械学院毕业设计第 v 页3.6.5 降液管液泛线关系式 .21四、浮阀塔载荷
8、分析及强度校核 .234.1 筒体和封头厚度计算 .234.2 载荷分析 .244.2.1 塔设备质量载荷计算 .244.2.2 自振周期的计算 .274.2.3 地震载荷与地震弯矩的计算 .274.2.4 风载荷与风弯矩的计算 .294.2.5 最大弯矩 .334.3 强度校核 .344.3.1 圆筒轴向力校核和圆筒稳定性校核 .344.3.2 塔设备压力试验时的应力校核 .354.3.3 裙座轴向应力校核 .364.3.4 基础环和地脚螺栓设计及校核 .384.3.5 筋板设计及校核 .404.3.6 盖板设计及校核 .414.3.7 裙座与塔壳的对接焊缝 .424.3.8 接管的计算与选
9、择 .434.4 开孔及开孔补强设计 .444.4.1 补强结构 .444.4.2 开孔补强设计准则 .454.4.3 允许不另行补强的最大开孔直径 .45南华大学机械学院毕业设计第 vi 页4.4.4 等面积补强计算 .46五、英文文献翻译 .53主要符号说明 .96参考文献 .98结束语 .99南华大学机械学院毕业设计第 1 页 共 99 页绪论0.1 设计题目苯甲苯连续精馏塔的工艺设计（浮阀塔）0.2 精馏及精馏流程精馏是多级分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程。因此可是混合物得到几乎完全的分离。精馏可视为由多次蒸馏演变而来的。精馏操作广泛用于分离纯化各种混合物，是化工、医药
10、、食品等工业中尤为常见的单元操作。化工成产中，精馏主要用于以下几种目的:获得馏出液塔顶的产品；将溶液多级分离后，收集馏出液，用于获得甲苯，氯苯等；脱出杂质获得纯净的溶剂或半成品，如酒精提纯，进行精馏操作的设备叫做精馏塔。精馏过程中采用连续精馏流程，原料液经预热器加热到指定温度后，送入精馏塔的进料板，在进料板上与自塔顶上部下降的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底再沸器中。在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。操作时，连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品，部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中被全部冷凝，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，
11、其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品。根据精馏原理可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，必须同时拥有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还有配原料液，预热器、回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。0.3 精馏的分类按操作方式可分为:间歇式和连续式，工业上大多数精馏过程都是采用连续稳定的操作过程。化工中的精馏操作大多数是分离多组分溶液。多组分精馏的特点：能保证产品质量，满足工艺要求，生产能力大；流程短，设备投资费用少；南华大学机械学院毕业设计第 2 页 共 99 页耗能量低，收率高，操作费用低；操作管理方便。0.4 精馏操作的特点从上述对精馏过程的简单介绍可知，常见的精馏塔的两端分别为汽化成分的冷凝和液体
12、的沸腾的传热过程，精馏塔也就是一种换热器。但和一般的传热过程相比，精馏操作又有如下特点：（1)沸点升高 精馏的溶液中含有沸点不同的溶剂，在相同的压力下溶液的蒸汽压较同温度下纯溶剂的汽化压低，使溶液的沸点高于醇溶液的沸点，这种现象称为沸点的升高。在加热汽化温度一定的情况下，汽化溶液时的传热温差必定小于加热纯溶剂的纯温差，而且溶液的浓度越高，这种影响也越显著。（2)物料的工艺特性 精馏溶液本身具有某些特性，如某些物料在加入到溶液中时可与溶液中的某一组分或几组分形成恒沸液等。如何利用物料的特性和工艺要求，选择适宜的精流流程和设备是精馏操作彼此需要知道和必须考虑的问题。（3)节约能源精馏汽化的溶剂量较
13、大，需要消耗较大的加热蒸汽。如何充分利用热量提高加热蒸汽的利用率是精馏操作需要考虑的另一个问题。0.5 塔板的类型与选择塔板是板式塔的主要构件，分为错流式塔板和逆流式塔板两类 ，工业应用以错流式 塔板为主，常用的错流式塔板有：泡罩塔板、筛孔塔板和浮阀塔板。我们应用的是浮阀塔板，因为它是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的，它吸收了两种塔板的优点。它具有结构简单，制造方便，造价低；塔板开孔率大，生产能力大；由于阀片可随气量变化自由升降，故操作弹性大，因上升气流水平吹入液层，气液接触时间较长，故塔板效率较高。南华大学机械学院毕业设计第 3 页 共 99 页一、设计方案的选择和论证1.1 设计流程
14、本设计任务为分离苯 _甲苯混合物。对于二元混合物的分离，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入精馏塔内。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，其余部分经产品冷凝器冷却后送至储罐。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。连续精馏塔流程流程图 连续精馏流程附图图 1-1 流程图1.2 设计思路在本次设计中，我们进行的是苯和甲苯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
15、包括精馏塔、原料预热器、蒸南华大学机械学院毕业设计第 4 页 共 99 页馏釜、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外也可以采用高位槽。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。塔板工艺计算流体力学验算塔负荷性能图全塔热量衡算
