甲醇水分离板式精馏塔设计.doc

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1、目录设计任务书31概述41.1设计方案的选择41.2设计流程说明52塔的工艺计算62.1物性参数62.2回收塔的物料衡算72.2.1 原料液及塔顶和塔底产品的组成72.2.2 物料衡算72.3物料的进料热状况82.4理论板层数的求取92.4.1 求操作线方程92.4.2 求相对挥发度92.4.3 逐板法求理论板层数102.5 实际板层数的求取112.5.1 塔板效率的估算112.5.2 实际塔板数的计算123主要设备工艺尺寸设计123.1 各设计参数123.1.1 操作压力的计算123.1.2 操作温度的计算123.1.3平均摩尔质量计算123.1.4气相平均密度计算133.1.5液相平均密度

2、计算133.1.6液相平均表面张力计算143.1.7液体平均黏度143.2塔体工艺尺寸计算143.2.1塔径的计算143.2.2塔有效高度的计算163.3塔板主要工艺尺寸的计算163.3.1溢流装置的计算163.3.2塔板布置173.4塔板的流体力学验算183.4.1塔板压降183.4.2液面落差193.4.3液沫夹带193.4.4漏液193.4.5液泛203.5塔板负荷性能图203.5.1漏液线203.5.2液沫夹带线213.5.3液相负荷下限线213.5.4液相负荷上限线223.5.5液泛线223.6接管尺寸的确定233.6.1蒸汽管243.6.2进料管243.6.3塔底出料管244辅助设

3、备选型与计算254.1原料储罐与产品储罐255设计结果汇总266设计评述（结论）27主要符号说明（附录）28参考文献30致谢30附图30设计任务书一、 设计题目： 甲醇水分离板式精馏塔设计二、设计任务及操作条件1、 设计任务：生产能力（进料量） 36000 吨年操作周期 7200 小时年进料组成 10 （质量分率，下同）塔顶产品组成 43 塔底产品组成 0.8% 2、 操作条件操作压力 塔顶为常压 进料热状态 自 选 加热蒸汽： 低压蒸汽 3、 设备型式 筛板、浮阀塔板 4、 厂 址 安 徽 地 区 三、设计内容：1、设计方案的选择及流程说明2、塔的工艺计算3、主要设备工艺尺寸设计 （1）塔径

4、、塔高及塔板结构尺寸的确定 （2）塔板的流体力学校核 （3）塔板的负荷性能图 （4）总塔高、总压降及接管尺寸的确定4、辅助设备选型与计算5、设计结果汇总6、设计评述7、工艺流程图及精馏塔工艺条件图1 概述甲醇是最简单的饱和醇，也是重要的化学工业基础原料和清洁液体燃料，它广泛用于有机合成、医药、农药、涂料、染料、汽车和国防等工业中。在生产应用中需要高纯度的甲醇溶液，但因为甲醇极具挥发性，也极具溶解性，所以，想要得到高纯度的甲醇很困难。甲醇制取和提纯的方法有很多种, 最早由木材和木质素干馏制得，故俗称木醇。现代工业获取甲醇一般采用蒸馏，根据甲醇的高挥发性，如果想获得高纯度的甲醇则采取连续精馏的方法

5、。回流精馏塔供汽液两相接触进行相际传质，位于塔顶的冷凝器使蒸气得到部分冷凝,部分凝液作为液返回塔顶,其余馏出液是塔顶产品。位于塔底的再沸器使液体部分汽化，蒸气沿塔上升，余下的液体作为塔底产品。进料加在塔的中部,进料中的液体和上塔段来的液体一起沿塔下降，进料中的蒸气和下塔段来的蒸气一起沿塔上升。在整个精馏塔中，汽液两相逆流接触，进行相际传质。液相中的易挥发组分进入汽相，汽相中的难挥发组分转入液相。对不形成恒沸物的物系，只要设计和操作得当，馏出液将是高纯度的易挥发组分，塔底产物将是高纯度的难挥发组分。连续精馏装置是典型的精馏设备，包括精馏塔、冷凝器、再沸器、回流泵及其他辅助设备安装组合。在甲醇的生

6、产和提纯的过程中，应考虑废气、废料的排放对环境的污染。国家为管理化工行业生产的污染物排放，硬性规定了污染物允许排放量。当工厂的污染物排放量达到了国家规定的污染物允许排放量，工厂必须在相关部门监督之下停止生产。污染物允许排放量是环境主管部门根据技术、经济、环境、管理等因素，对污染源某种污染物在一定时间内规定的污染物排放量。1.1 设计方案的选择本次课程设计的任务是分离甲醇和水的混合物。对于二元混合物的分离，应采用常压下的连续精馏装置。设计中采用冷液进料。确定设计方案总的原则是在可能的条件下，尽量采用科学技术上的最新成就，使生产达到技术上最先进、经济上最合理的要求，符合优质、高产、安全、低消耗的原

7、则。必须具体考虑如下几点：(1)满足工艺和操作的要求。首先必须保证产品达到任务规定的要求，而且质量要稳定。这就要求各流体流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定，从而需要采取相应的措施。其次所定的设计方案需要有一定的操作弹性，各处流量应能在一定范围内进行调节，必要时传热量也可进行调整。(2)满足经济的要求。要节省热能和电能的消耗，减少设备及基建费用。回流比的大小对操作费和设备费也有很大影响。降低生产成本是各部门的经常性任务，因此在设计时，是否合理利用热能，采用哪种加热方式，以及回流比和其他操作参数是否选得合适等，均要作全面考虑。(3)满足安全生产的要求。甲醇属易燃有毒物料，不能让其蒸汽弥漫车间

8、，也不能使用容易发生火花的设备。塔是指定在常压下操作的，塔内压力过大或塔骤冷而产生真空，都会使塔受到破坏，因而需要安全装置。1.2 设计流程说明原料由泵进入预热器进行预热使其达到设定的温度然后从塔顶进入精馏塔，塔底通加热蒸汽直接加热，塔顶上升蒸汽由全凝器冷凝。该物系属易挥发物系，最小回流比较小，塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。图1 板式精馏塔提馏段示意图本设计按以下几个阶段进行： 设计方案确定和说明。根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、主要设备型式及其材质的选取等进行论述。 蒸馏塔的工艺计算，确定塔高和塔径。 塔板设计：计算塔板各主要工艺尺寸，进行流体力学校核计算。接管尺

9、寸、泵等，并画出塔的操作性能图。 管路及附属设备的计算与选型，如再沸器、冷凝器。 抄写说明书。 绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图。2 塔的工艺计算2.1 物性参数表1 水的物性参数压强p10-5Pa温度t密度kg/m3比热容cp10-3J/kgK黏度105Pas表面张力103N/m1.010999.94.212178.7875.6110999.74.191130.5374.1420998.24.183100.4272.6730995.74.17480.1271.2040992.24.17465.3269.6350988.14.17454.9367.6760983.24.17846.986

10、6.2070977.84.16740.6064.3380971.84.19535.5062.5790965.34.20831.4860.71100958.44.22028.2458.84表2 甲醇的物性参数压强p10-5Pa温度t密度kg/m3比热容cp10-3J/kgK黏度103Pas表面张力103N/m1.0108092.3660.82524.50108012.4580.70023.29207922.5120.60022.07307822.5500.52420.87407722.5720.47019.67507642.6180.40018.50607542.6750.51017.33707

11、462.7300.31916.19807362.7700.27815.04907252.8310.24513.921007142.8920.22512.802.2 回收塔的物料衡算2.2.1 原料液及塔顶和塔底产品的组成甲醇的摩尔质量水的摩尔质量平均摩尔质量为：2.2.2 物料衡算总物料衡算 易挥发组分物料衡算 联立解得上式可得 2.3 物料的进料热状况因为是冷液进料，需具体算出的值。需要用到的相图数据如下表所示：表3 水甲醇体系平衡数据表XYt/XYt/xYt/0.0000.000100.0 0.1500.51784.4 0.7000.87069.3 0.0200.13496.4 0.200

12、0.57981.7 0.8000.91567.5 0.0400.23093.5 0.3000.66578.0 0.9000.95866.0 0.0600.30491.2 0.4000.72975.3 0.9500.97965.0 0.0800.36589.3 0.5000.77973.1 1.0001.00064.5 0.1000.41887.7 0.6000.82571.2 可得t-x-y平衡图：图2 水-甲醇平衡体系t-x-y图由图再结合产品组成可得 由 ，可查表1得：则 又 从而算得 2.4 理论板层数的求取 2.4.1 求操作线方程 2.4.2 求相对挥发度由，再根据上表3可得下表：表

13、4 水-甲醇体系相对挥发度与温度的对应值温度相对挥发度96.47.58293.57.33292.17.09091.26.84389.36.61087.76.46484.46.06681.75.50180.15.209从而得： 2.4.3 逐板法求理论板层数重复算下去直至可得如下数据：板号YX10.4300.104320.3530.077730.2570.050840.1620.028950.08290.0137660.02870.00454从上表可知理论板层数为：块画图法亦求的理论塔板数为6块2.5 实际板层数的求取2.5.1 塔板效率的估算全塔效率可用奥尔康公式： 计算由塔顶和塔釜的平均温度

14、为： 利用内插法可求得： 代入数据得：2.5.2 实际塔板数的计算由逐板计数法求得理论塔板数为：块实际塔板数为：（全塔板数圆整）3 主要设备工艺尺寸设计3.1 各设计参数3.1.1 操作压力的计算塔顶操作压力 每层塔板压降 塔底压力 平均操作压力 3.1.2 操作温度的计算塔顶温度和塔底温度 平均操作温度 3.1.3 平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算：塔底平均摩尔质量计算：平均摩尔质量为：3.1.4 气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即：3.1.5 液相平均密度计算塔顶液相平均密度计算： , 查手册再利用内插法得： 塔底液相平均密度计算： ，查手册再利用内插法得： 液体平均密度为:3

15、.1.6 液相平均表面张力计算塔顶液相平均表面张力计算： ,， 查手册再利用内插法得： 塔底液相平均表面张力计算： 查手册再利用内插法得：液相平均表面张力为：3.1.7 液体平均黏度塔顶物料黏度计算： ,，查手册再利用内插法得： 塔底物料黏度计算： 查手册再利用内插法得： 液相平均黏度为：3.2 塔体工艺尺寸计算3.2.1 塔径的计算回收塔的气、液相体积流率为: 取板间距，一般常压塔板上液层高度取为图3 查史密斯关联图可查得：由于取安全系数为0.75，则空塔气速为：按标准塔径圆整后为： 塔截面积为： 实际空塔气速为： 3.2.2 塔有效高度的计算回收塔的有效高度为3.3 塔板主要工艺尺寸的计算

16、3.3.1 溢流装置的计算因塔径，可选用单溢流弓形降夜管，采用凹形受液盘。各项计算如下所示：(1)堰长取(2)溢流堰高度由选用平直堰，堰上液层高度由式近似取E=1，则取板上清液层高度故 (3)弓形降夜管宽度和截面积 由，查图知 所以依式验算液体在降液管中停留时间，即 故降液管设计合理。(4)降液管底隙高度，取 图4 弓形降液管的参数则故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度3.3.2 塔板布置(1)塔板的分块因，故塔板采用整块式。(2)边缘区宽度确定取，(3)开孔区面积计算开孔区面积按式计算其中 故(4)筛孔计算及排列本设计所处理的物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取利孔直径，筛孔按正三角形排

17、列。取孔中心距t为：筛孔数目n为：个开孔率为：气体通过阀孔的气速为：3.4 塔板的流体力学验算3.4.1 塔板压降(1)干板阻力计算干板阻力由式计算由，查干筛孔得流量系数图得，故 液柱(2)气体通过液层的阻力计算气体通过液层的阻力由式计算查充气系数关联图，得0.55液柱(3)液体表面张力的阻力计算液体表面张力的阻力可按式计算，即液柱气体通过没层塔板的液柱高度可按下式计算，即液柱气体通过每层塔板的压降为：（设计允许值）3.4.2 液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本设计的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。3.4.3 液沫夹带液沫夹带量由下式计算，即故故在本设计中液沫夹带量在允许范围内

18、。3.4.4 漏液对筛板塔，漏液点气速可由下式计算，即 实际孔速稳定系数为：故在本设计中无明显液漏。3.4.5 液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高度应服从下式的关系，即甲醇水物系属一般物系，取，则液柱而 板上不设进口堰，可由下式计算，即液柱液柱由上知：故在本设计中不会发生液泛现象。3.5 塔板负荷性能图3.5.1 漏液线由得 = 整理得3.5.2 液沫夹带线以 =0.1kg液/kg气为限，求关系如下由故整理得 =在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值。由上表数据即可作出液沫夹带线（2）3.5.3 液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度=0.005m作为最小液体负荷标准。由式得，取E=1

19、，则据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线（3）3.5.4 液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留时间的下限，由 得据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线（4）3.5.5 液泛线令 由 联立得 忽略，将与，与，与的关系式代入上式，并整理得式中 将有关的数据代入，得故在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值,作出液泛线（5）根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图所示图5 负荷性能图在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线，由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为液漏控制，由上图查得 故操作弹性为3.6 接管尺寸的确定3.6.1 蒸汽管经圆整选取热轧无缝钢管

20、(YB231-64)，规格3.6.2 进料管经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规格3.6.3 塔底出料管时查表：取经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规格 4 辅助设备选型与计算4.1 原料储罐与产品储罐原料储罐：设计原料的储存时间为3天，设其安全系数为0.8，则有，原料液的储存罐的选择规格为：名称规格标准序号公称体积/m3计算体积/m3内径/mm总高/h材料总重/kgHG215021-92-217600600950010338Q235AF21804产品储罐：设计产品的储存时间为3天，设其安全系数为0.8，则有，选择设备：采用立式圆筒形固定顶储罐系列（HG-21502.1-9

21、2）产品储罐的选择规格为规格名称标准序号公称体积m3计算体积m3内径/mm总高/mm材料总重/kgHG215021-92-20830033075008305Q235AF127605 设计结果汇总项 目符 号 单 位 计 算 数 据提馏段各段平均压强108.05各段平均温度 85.75平均流量气相 0.588液相0.00158 实际塔板数块15 板间距 m0.45 塔的有效高度Zm6.3 塔径 Dm0.5 空塔气速um/s2.995 塔板溢流型式双溢流弓形降液管 整块式塔板溢流装置溢流管型式弓型溢流堰高度mm63.33 堰长m0.40上清液层高度 m0.08管底与受液盘距离mm19.75 孔径m

22、m5 孔中心距 tmm15孔数或阀数N个1009开孔面积0.1966筛孔或阀孔气速m/s29.61塔板压降900降液管截面积0.0304液体在降液管停留时间s7.604降液管宽度mm112液相最大负荷0.00346气相最大负荷1.070686液相平均密度886.35气相平均密度0.667液体平均黏度0.336液体平均表面张力N/m0050895气相最小负荷0.1865618操作弹性5.71886 设计评述（结论）化工原理课程设计是在化工原理这门课程的学习中，非常重要的一个环节。它使我们通过接触和自己动手设计区深刻了解化工单元操作的类型、原理和设计方法。通过这次的化工原理课程设计，使本小组各个成

23、员加深了对经验公式的记忆，掌握了连续精馏装置的构造和工作原理。两周的化工原理课程设计圆满结束了，临近期末考试安排课程设计应该说是比较紧张了，因为要一边复习，一边准备做课程设计，对于系统的将课本中精馏操作应用一遍，是很有难度的，小组人员一边忙着复习功课，一边忙着查资料，设计当中许多问题都呈现在我们面前，怎么解决？于是小组同学从图书馆借来课程设计材料，才解决了一部分问题，当然，这其中也借鉴了网上一些化工原理设计资源，毕竟这是我的“处女作”。我们小组的课程设计题目是甲醇和水的板式精馏塔设计，在课程设计初期，本小组成员都化工原理课本里蒸馏这一章节进行了认真的复习。尤其对于精馏的相关知识点，在学习完课本

24、里的知识点之后，小组成员分工合作，陈峰在网络上搜寻相关知识内容和最新的相关科研成果，桂文振则在图书馆中查阅关于精馏方面的书籍，摘抄适用的知识点，并在组长刘克峰的带领下对知识点进行讨论汇总，并确定设计思路。本次设计针对二元物系的精馏问题进行分析、计算、核算、绘图，是较完整的精馏设计过程。精馏设计包括设计方案的选取，主要设备的工艺设计计算物料衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算、辅助设备的选型、工艺流程图的制作、主要设备的工艺条件图等内容。通过对精馏塔的运算，可以得出精馏塔的各种设计如塔的工艺流程、生产操作条件、物性参数及接管尺寸是合理的，以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能

25、的提高。主要符号说明（附录）英文字母 分别是气相最大负荷和气相最小负荷， 希腊字母 参考文献【1】柴诚敬 化工原理（上）M. 北京：高等教育出版社，2006【2】柴诚敬 化工原理（下）M. 北京：高等教育出版社，2006【3】夏清、陈常贵.化工原理（下）M.天津：天津大学出版社，2005【4】夏清、陈常贵.化工原理（下）M.天津：天津大学出版社，2005【5】匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.北京：化学工业出版社，2005【6】柴诚敬，刘国维，李阿娜. 化工原理课程设计. 天津：天津科学技术出版社，1995【7】刁玉玮，马源，喻健良等.化工设备机械基础. 大连：大连理工大学出版社，2009致谢本次课程设计为时两周，到现在为止已经算完满结束了。这次课程设计也预示着我们化工原理课程的结束。通过这次课程设计使我们对化工设计的基础知识、设计原则及方法又有了更深入的了解，同时我们也掌握了各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形，让我们对自己专业有了更加深刻的了解，这对我们的继续学习是一个很好的指导方向。最后，我还要感谢我的指导老师朱德春老师对我们的教导与帮助，感谢和我一个小组的同学们，他们让我认识到团队的力量是巨大的，是我们的共同努力出色完成了这次的课程设计。 附图（见下页）指导教师评语：成绩评定： 指导教师： 年 月 日