化工原理课程设计甲醇水混合液筛板精馏塔设计.doc

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1、攀枝花学院生物与化学工程学院化工原理课程设计设计题目：甲醇水混合液筛板精馏塔设计 姓名： 学号： 年级：2012级 指导老师： 设计时间：二O一四年十二月设计任务书一、设计条件年处理量：104500吨料液初温：20料液浓度： 34.5% （甲醇质量分率）塔顶产品浓度：98%（甲醇质量分率）塔底釜液含甲醇量不高于1%(以质量计)每年实际生产天数：330天（一年中有一个月检修）精馏塔塔顶压强：4KPa（表压）单板压降不超过0.7KPa冷却水温度：20饱和水蒸汽压力：0.25MPa(表压)设备型式：筛板塔建厂地区压力：1atm二、设计任务完成精馏塔工艺设计，精馏设备设计，有关附属设备的设计和选用，绘

2、制精馏工艺流程图，设备结构图，编制设计说明书。目 录第一章 综述1.1精馏原理及其在工业生产中的应用1.2精馏操作对塔设备的要求（生产能力、效率、流动阻力、操作弹性、结构、造价和工艺特性）1.3常用板式塔类型及本设计的选型 1.4本设计所选塔的特性第二章 工艺条件的确定和说明2.1确定操作压力2.2确定进料状态2.3确定加热剂和加热方式 第三章 流程的确定和说明（附流程简图）3.1流程的说明 3.2设置各设备的原因（精馏设备、物料的储存和输送、必要的检测手段、操作中的调节和重要参数的控制、热能利用）第四章 精馏塔的设计计算4.1物料衡算 4.2回流比的确定 4.3塔板数的确定4.4工艺条件及物

3、性数据计算 4.5汽液负荷计算 （将结果进行列表）4.6精馏塔工艺尺寸计算（塔高、塔径、溢流装置、塔板布置及筛孔数目与排列）4.7塔板流动性能校核（液沫夹带量校核、塔板阻力校核、降液管液泛校核、液体在降液管中停留时间校核以及严重漏液校核） 4.8塔板负荷性能图第五章 精馏塔附属设备设计5.1主要工艺接管尺寸的计算和选取（进料管、回流管、釜液出口管、塔顶蒸汽管、塔底蒸汽管、人孔等）5.2塔顶冷凝器/冷却器设计，热负荷、 冷却剂及其进、出口温度5.3塔底再沸器设计5.4原料预热器设计（2-3选一项设计）5.5泵的设计第六章 主要计算结果列表6.1塔板主要结构参数表6.2塔板主要流动性能参数表第七章

4、 设计结果的讨论和说明第八章 参考文献第九章 课程设计总结第一章 综述1.1精馏原理及其在工业生产中的应用 （1）精馏原理：液体混合物经多次部分汽化和冷凝后，便可得到几乎完全的分离。精馏利用混合物中各组分挥发度的不同将混合物进行分离。在精馏塔中，塔釜产生的蒸汽沿塔逐渐上升，来自塔顶冷凝器的回流液从塔顶逐渐下降，汽液两相在塔内实现多次接触，进行传质、传热，轻组分上升，重组分下降，使混合液达到一定程度的分离。如果离开某一块塔板（或某一段填料）的汽相和液相的组成达到平衡，则该板（或该填料段）称为一块理论板或一个理论级。然而，在实际操作的塔板上或一段填料层中，由于汽液两相接触时间有限，汽液相达不到平衡

5、状态，即一块实际操作的塔板（或一段填料层）的分离效果常常达不到一块理论板或一个理论级的作用。要想达到一定的分离要求，实际操作的塔板数总要比所需的理论板数多，或所需的填料层高度比理论上的高。 （2）在工业生产中的应用：在整个国民经济生产中，板式塔占有相当大的比重，工业上应用最多、使用经验较为丰富的有筛板塔、浮阀塔、泡罩塔和舌型塔。板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。目前从国内外实际使用情

6、况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛。1.2精馏操作对塔设备的要求（生产能力、效率、流动阻力、操作弹性、结构、造价和工艺特性） 精馏所进行的是气、液两相之间的传质，而作为气、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求： （1）生产能力： 气、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。 （2）效率：在条件允许下，保证拥有最高效率。 （3）流动阻力：流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操

7、作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。 （4）操作弹性：操作稳定，弹性大，即当塔设备的气、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。 （5）结构：结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。 （6）造价：制造价格便宜，容易接受。 （7）工艺特性：耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修，塔内的滞留量要小。实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。1.3常用板式塔类型及

8、本设计的选型 气-液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，板式塔为逐级接触型气-液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气-液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。根据指导老师的要求及各种塔板的比较，本设计选择的是筛板塔。1.4本设计所选塔的特性（1）筛板塔的优点：结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60，为浮阀塔的80左右；处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加1015； 塔板效率高，比泡罩塔高15左右；压降较低，每板压力比泡罩塔约低30左右；板上液面落差也比较小。（2）筛板塔的缺点： 塔板安

9、装的水平度要求较高，否则气液接触不匀；操作弹性较小(约23)；小孔筛板容易堵塞。第二章 工艺条件的确定和说明2.1确定操作压力精馏操作可在常压、减压和加压下进行。应该根据处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性原则。对热敏物料，一般采用减压操作，可使相对挥发度增大，利于分离，但压力减小，导致塔径增加，要使用抽空设备。对于物性无特殊要求的采用常压操作。塔顶压力 单板压降 进料板压力 塔底压力 精馏段平均压力 提留段平均压力 2.2确定进料状态进料热状态以进料热状态参数q表达，即 在实际生产中，加入精馏塔中的原料液可能有5种热状况：q1时，为低于泡点温度的冷液进料；q=1时，为泡点下的饱

10、和液体；0q1时，为温度介于泡点与露点间的气液混合物；q=0时，为露点下的饱和蒸气；q5s，故，降液管尺寸合理。（5）严重漏液校核筛板塔,漏液点气速精馏段提馏段实际孔速:精馏段,提馏段，稳定系数:精馏段提馏段均大于1.5小于2,所以，设计无明显漏液符合要求。4.8塔板负荷性能图（1）漏液线由得精馏段：= 即提馏段： 即 漏液线计算结果精馏段2.02492.02522.02552.0258提馏段2.25672.25712.25752.2579（2）液沫夹带线以kg液/kg气为限求-关系： 由 精馏段： 整理得 提馏段： 整理得表3-2 液沫夹带线计算结果精馏段7.02027.01937.0181

11、7.0172提馏段8.38808.38698.38568.3845（3）液相负荷下限线 对于平流堰，取堰上液层高度how=0.005m作为最小液体负荷标准，由式计算： 精馏段： 提馏段：（4）液相负荷上限线以=40s作为液体在降液管中停留的下限 精馏段： 提镏段：（5）液泛线Hd=() 由， 得 其中带入数据 精馏段 提馏段 所以精馏段 提馏段表3-3 液泛线计算结果精馏段8.9618.8218.6388.481提馏段11.05610.88910.67010.482（6）操作弹性由以上各线的方程式，可画出图塔的操作性能负荷图。根据生产任务规定的气液负荷，可知操作点在正常的操作范围内，作出操作线

12、图图3-1精馏段负荷性能图由图， 故精馏段操作弹性为/=1.81图3-2提馏段负荷性能图 由图， 故提馏段操作弹性为/=2.02精馏段提馏段操作弹性均大于1小于5,符合要求。第五章 精馏塔附属设备设计5.1主要工艺接管尺寸的计算和选取（进料管、回流管、釜液出口管、塔顶蒸汽管、塔底蒸汽管、人孔等）（1）进料管采用直管进料，管径为 查的选取25mm3mm 规格的热轧无缝钢管。（2）回流管直管回流，取 查的选取25mm3mm规格的热轧无缝钢管。（3）釜液出口管采用直管进气，取 查的选取20mm3mm 规格的热轧无缝钢管。（4）塔顶蒸汽管采用直管出料，取则 查的选取219mm10mm规格的热轧无缝钢管

13、。（5）塔底蒸汽管则有 查的选取219mm8mm规格的热轧无缝钢管。（6）人孔 对于D100mm的板式塔，需设置3个人孔，每个人孔直径450mm，在设置人孔处板间距=600mm （7）裙座 本设计采用圆筒形裙座，由于裙座内径800mm，故裙座厚度取16mm，取裙座高=3m（8）塔顶封头本设计采用椭圆型封头，由公称直径DN=2000mm，=200mm，=40mm，内表面积A=0.7943，容积=0.0871。则封头高度5.2塔顶冷凝器/冷却器设计，热负荷、 冷却剂及其进出、口温度查化工原理书（上册）附录4知：甲醇汽化热r=1101KJ/Kg塔顶冷凝器的热负荷：Qc=(R+1)Dr =(2.392

14、+1)(14532/3600)1101 = 4813.47kg/s冷凝塔顶产品由温度65.3冷却到温度40采用冷凝水由20到40查化工原理书（上册）附录7知：20水的比热容Cpc=4.183KJ/(Kg) 冷却水消耗量： Tm=(T1T2)/ln(T1/T2) =22.55选择K=800w/( m2K) 则有：A= Qc /(KTm)= 94.24m2 取安全系数为0.7 实际面积A=94.24/0.7=134.63m2选择冷凝器的系列：采用冷凝管的直径为：252.5mm名称公称直径Dg/mm公称压力Pg/MPa管程数N管子根数n规格6001.6254名称中心排管数管程流通面积/m2计算换热面

15、积/m2换热管长度/mm规格0.0399117.0860005.3塔底再沸器设计（方法类似5.2）5.4原料预热器设计原料加热：采用压强为270.25kPa的水蒸汽加热，温度为130，加热温度至130流体形式采用逆流加热则Qm,h=1045001000/(33024)=13194.44 kj/(kgK)同时有p,h,甲醇=2.48 kj/(kgK) Cp,h,水=4.183 kj/(kgK)质量分数 xF=0.229根据上式可知：Cp c=2.480.229+4.183（1-0.229）=3.793kj/(kgK)设加热原料温度由20到80.4 则有：= Qm,hcp,cT =13194.44

16、3.793（80.4-20） =3.023106 kj/h选择传热系数K=800 w/(m2K)则传热面积由下列公式计算：A=/（KTm） 其中 Tm=(T1T2)/ln(T1/T2)=76.49 K 故有：A=/（KTm）= 27.20 m2取安全系数为0.7 则A实际=27.20/0.7=38.86m2选择固定管板式换热器系列，规格为：采用加热管的直径为：252.5mm名称公称直径Dg/mm公称压力Pg/MPa管程数N管子根数n规格5001.6152名称中心排管数管程流通面积/m2计算换热面积/m2换热管长度/mm规格-0.011933.8730005.5泵的设计在进料口加料时，本设计采用

17、换热器加热原料进料口高度为：H=3+1.45+110.45 =9.4m进料密度：进料密度=甲醇密度0.229+水密度（1-0.229）=732.00.229+968.5（1-0.229）=914.34 kg/m3由Qm,v=Qm,h/进料密度=13194.44 (kg/h)/914.34 (kg/m3)=14.43m3/h则液体在泵里的流速为U=Qm,v/(R2进料口) =0.110m/sRe=du/=(0.150.11904.75)/(0.610-3) =24880.634000所以液体在管中的流动形式为湍流。选择泵的型号为：IS50-32-160，流量为12.5 m3/h，扬程为32m。第

18、六章 主要计算结果列表6.1塔板主要结构参数表塔板主要结构参数表全塔理论板数N11精馏段理论板数N6提馏段理论板数N5全塔实际板数N25精馏段实际板数N14提馏段实际板数N11塔高Z10.8m塔径D2m塔板间距HT450mm塔截面积AT3.142m2堰长lW1.4m堰上液层高度hOW0.0112m堰高hW0.0488m弓形降液管的宽度Wd0.32m弓形降液管的截面积Af0.289m2降液管底隙高度0.027m安定区宽度WS0.090m边缘区宽度WC0.035m开孔区面积Aa2.126m2筛孔的孔径5mm孔心距t15.0mm塔板上的筛孔数n10942孔6.2塔板主要流动性能参数表塔板主要流动性能

19、参数表塔顶压力P顶105.325KPa单板效率P0.7KPa进料板压力PF115.125KPa塔底压力PW122.825KPa精馏段平均压力Pn110.225KPa提馏段平均压力Pm118.975KPa进料状态参数q1进料组成xF0.229塔顶组成xD0.965塔底组成xW0.0056原料液的平均摩尔质量MF21.206Kg/Kmol原料液流量F622Kmol/h气相产品流量D145Kmol/h液相产品流量W477Kmol/h最小回流比Rmin1.495最佳回流比R2.392塔顶温度tD65.3oC塔底温度tW99.3oC进料温度tF80.4oC精馏段平均温度72.85oC提馏段平均温度89.

20、85oC精馏段平均液相组成0.597精馏段平均气相组成0.8118提馏段平均液相组成0.1173提馏段平均气相组成0.3379精馏段液相平均摩尔质量26.358Kg/Kmol精馏段气相平均摩尔质量29.3652Kg/Kmol提馏段液相平均摩尔质量19.6422Kg/Kmol提馏段气相平均摩尔质量22.7306Kg/Kmol精馏段平均粘度精0.339mPas提馏段平均粘度提0.314mPas精馏段平均液相密度精835Kg/m3提馏段平均液相密度提937Kg/m3精馏段平均气相密度精气1.097Kg/m3提馏段平均气相密度提气0.838Kg/m3精馏段平均表面张力精36.19提馏段平均表面张力提5

21、5.44精馏段液相流量Ls10.949m3/h精馏段气相流量Vs13165.889m3/h提馏段液相流量Ls20.3097m3/h提馏段气相流量Vs13341.072m3/h第七章 设计结果的讨论和说明甲醇最早是用木材干馏得到的，因此又叫木醇，是一种易燃的液体，沸点65，能溶于水，毒性很强，误饮能使人眼睛失明，甚至致死。由于甲醇和水不能形成恒沸点的混合物，因此可直接用常压蒸馏法把大部分的水除去，再用金属镁处理，就得无水甲醇。甲醇在工业上主要用来制备甲醛，以及作为油漆的溶剂和甲基化剂等。本设计进行甲醇和水的分离，采用直径为2.0m的精馏塔，选取效率较高、塔板结构简单、加工方便的单溢流方式。该设计

22、的优点： （1）操作、调节、检修方便；（2）制造、安装较容易；（3）处理能力大，效率较高，压强较低；（4）操作弹性较大。该设计的缺点：（1）设计中所查阅的书籍包含的内容有所不全，且参考数据不都是最新发布的参考数据；（2）设备的计算及选型都存在一定的问题。第八章 参考文献1 刘光启,马连湘,刘杰主编.化学化工物性数据手册.无机卷.有机卷.北京.化学工业出版社.2002.03.2夏清,贾绍义编.化工原理（上,下册）.天津.天津大学出版社.2013.03.3陈新志,蔡振云,胡望明,钱超编.化工热力学.北京.化学工业出版社.2013.11.4陈声宗编.化工设计.北京.化学工业出版社.2004.04.5

23、娄爱娟,吴志泉,吴叙美编.化工设计.上海.华东理工大学出版社.2002.08.6徐秀娟,郑宏勤编.化工制图.北京.北京理工大学出版社.2010.01.7厉玉鸣编.化工仪表及自动化.北京.化学工业出版社.2014.01.8赵军,张有枕,段成红编.化工设备机械基础.北京.化学工业出版社.2014.01.9李平,钱可强,蒋丹编.化工工程制图.北京.清华大学出版社.2014.01.10王卫东编.化工原理课程设计.北京.化学工业出版社.2011.09.第九章 课程设计总结在2014年12月份，通过自主学习、自助探究的形式，我花了两周左右时间进行的化工原理课程设计，即将告一段落，在这段时间里，我收获颇多。

24、首先，设计中我学会了离开老师进行自主学习，翻阅了多本指导书及参考书。设计刚开始时，感觉一头懵了，真的是完全没有方向，但随着设计的不断推进，目录的具体内容慢慢呈现在自己的眼前，方向明确的同时自信心也占据自己的大脑，直至用了两周的时间慢慢的把这份设计做出来，这次的设计让我从中获得了一些自信，觉得专业还是学了不少东西的，至少学会了一种研究的方法，将来工作中或学习遇到了什么困难或从未接触过的领域，我也不再会感到畏惧。因为我已经有了一定的自主研究的能力，我能通过自学慢慢的将问题化解。第二，对化工设计有了比较深刻、比较全面的认识，在两学期的化工原理课程学习中总是只针对局部进行了计算，而对参数之间的相互关联

25、缺乏认识。平常的学习总会有题设的条件或不需参阅数据，但在设计中用到了大量的物性数据，必须自己去查取获得。我既学会了在参考书籍上查取相关数据，又学会了在互联网上查取这些数据，当然必须是权威可信的数据才可采用。第三，本设计间接的帮助我深入了解和熟悉了WORD、EXCEL等基本办公软件的操作。平时虽然经常使用电脑，但多是进行些上网聊天、看视频等娱乐活动，除了学习和工作中少量征用外，真正对办公软件却触碰得很少。虽然，以前有系统的学过，但隔的时间也比较久了，大多都淡忘了。所以，谢谢这次设计帮我回味了一下这些基本办公软件。第四，本设计教会了我做任何事情都必须耐心和细心，这样才会收获很大并且能少犯错误。设计很多地方都是需要先假设数据，再验算，不符合时再调整数据重新进行验算，而且很多地方我都不得不重复的算上好几遍，以防出错，大量繁琐的计算要求我必须克服毛躁的毛病，静下心慢慢计算，因为每个计算都必须准确到位，才能更快更好的完成设计任务。总之，通过本次设计，我受益匪浅。不仅深入的认识了自己所学的知识，而且还培养了我其他方面的能力。