《[工学]化工原理课程设计副本.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[工学]化工原理课程设计副本.doc（42页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、广州大学生命科学学院化工原理课程设计（甲醇-水二元混合物连续精馏装置的设计）08生物工程（2）班 （指导老师: 刘自力、邹汉波）目录一 设计概述 .5（一）课程设计的目的 .5（二）课程设计的内容 .5（三）精馏操作对塔设备的要求. 5（四）板式塔的类型 .5二 塔的设计和流程工艺的设计 .6（一）塔类型的确定 .6（二）工艺流程的设计 .6（三）设计方案的确定. 7（四）甲醇，水的物性总览 .8三 主要设备的工艺计算 .9（一）塔的物料衡算 .9（二）塔板数的确定. 10（四）全塔效率 .16四 塔的工艺条件和物性计算 .16（一）操作压强 .16（二）操作温度 .17（三）平均摩尔质量 .
2、17（四）平均密度. 18（五）液体表面张力. 19（六）液体粘度 .20五 气液负荷计算. 20（一）精馏段计算. 20（二）提馏段计算. 21五 塔和塔板主要工艺尺寸计算 .21（一）塔径D .21（二）溢流装置. 23（三）塔板设计 .25（四）塔的有效高度 .26（五）塔的总高度H. 27七 筛板流体力学验算. 27（一）气体通过筛板压强降相当的液柱高度.27（二）雾沫夹带量 的验算 .29（三）漏液点气速的验算 .30（四）液泛验算. 30八 塔板负荷性能图.31（一）精馏段计算 .31（二）提溜段计算. 35九 筛板塔的工艺设计计算结果总表. 38十精馏塔的附属设备及接管尺寸. 4
3、0（一）冷凝器计算 .40（二）再沸器计算. 41（三）塔的主要接管尺寸计算 .42参考文献：. 43一 设计概述（一）课程设计的目的1、根据设计任务，查阅资料，选用公式和搜集数据的能力；2、依据综合分析设计任务要求，确定化工工艺流程，进行设备选型；3、培养学生迅速准确进行工程计算的能力；4、培养学生用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。（二）课程设计的内容（1）设计方案的简介（2）主要设备的工艺设计计算（3）典型辅助设备的选型和计算（4）工艺流程简图（5）主体设备工艺条件图完整的化工原理课程设计报告由设计说明书和图纸两部分组成；（三）精馏操作对塔设备的要求 精馏所进行的是气(汽)
4、、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气(汽)、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： () 气(汽)、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。 () 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)、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。 () 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，
5、最终破坏物系的操作。 () 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。 () 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，同时，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。（四）板式塔的类型 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、等多种。其中对主要的板式塔类型进行介绍：泡罩塔是历史悠久的板式塔，长期以来，在蒸馏、吸
6、收等单元操作使用的设备中曾占有主要的地位，泡罩塔具有以下优点：（1）.操作弹性大（2）.无泄漏（3）.液气比范围大4）.不易堵塞泡罩他的不足之处在于结构复杂、造价高、安装维修方便以及气相压力降较大。 浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的，取消了升气管和泡罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在某一数值。浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。但在处理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮阀塔广泛用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中。 浮阀塔之所以这样广泛地被采用，是因为它具有下列特点： () 处理能力大，比同塔径的泡
7、罩塔可增加2040，而接近于筛板塔。 () 操作弹性大，一般约为59，比筛板、泡罩、舌形塔板的操作弹性要大得多。 () 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。 () 压强小，在常压塔中每块板的压强降一般为400660N/m2。 () 液面梯度小。 () 使用周期长。粘度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常操作。() 结构简单，安装容易，制造费为泡罩塔板的6080,为筛板塔的120130。二 塔的设计和流程工艺的设计（一）塔类型的确定本次化工课程设计要设计一个精馏分离甲醇和水的二元混合物的精馏塔，设计任务适合筛板塔的精馏。而筛板塔是在塔板上钻有均匀分布的筛孔，上升空气流经筛板塔分散，鼓泡通过板上液层，
8、形成汽液密切接触的泡沫层。筛板塔具有以下优点：结构简单，制造维修方便，造价低，相同条件下生产能力高于浮阀塔，塔板效率接近于浮阀塔。（二）工艺流程的设计 根据设计任务进行下面的工艺流程设计：水，甲醇混合物进原料预热装置加热到泡点后，送入精馏塔，。塔顶上升蒸汽经全凝器冷凝后，一部分作为回流，其余的产品有冷却器冷去后送至贮槽。塔釜采用间接蒸汽加热向再沸器供热，他地产品经冷却送至贮槽。流程图如下：（三）设计方案的确定本设计采用常压操作，在饱和液体状态下进料，间接蒸汽加热，以常温水作为冷却剂.，在筛板塔上进行甲醇和水的二元混合物的连续精馏。2.1确定操作压力蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行。确定操
9、作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。甲醇和水的二元混合物的操作温度约在64.7和100之间。本实验的物料对操作压力的要求，适合在常压操作。2.2确定进料状态 料状态以进料热状态参数q表示，有五种进料状态； q1.0时，为低于泡点温度的冷液进料； q1.0时，为泡点下饱和液体； q0时，为露点下的饱和蒸气； 1q0时，为介于泡点和露点间的气液混合物； q0时，为高于露点的过热蒸气进料。进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。在实际的生产中进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔的操作比较容易控制
10、，不致受季节气温的影响。此外，在泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便。因而，确定在以饱和液体进料。2.3确定加热方式蒸馏大多采用间接蒸汽加热，设置再沸器，以提供足够的热量；若待分离的物系为某种轻组分和水的混合物，也可采用直接蒸汽加热。直接蒸汽加热的优点是：可以利用压力较低的蒸汽加热；在釜内只须安装鼓泡管，不须安置庞大的传热面。这样，可节省一些操作费用和设备费用。然而，直接蒸汽加热，由于蒸汽的不断通入，对塔底溶液起了稀释作用，在塔底易挥发物损失量相同的情况下，塔底残液中易挥发组分的浓度应较低，因而塔板数稍有增加。所以，本设计采用间接加热方式。2.4确定冷却方式 设备一般
11、采用常温水作为冷却剂。这样，既经济，又取材方便。水的入口温度由气温决定，出口温度由设计者确定。因而，本设计以常温水作为冷却剂。2.5热能的利用采用合适的回流比；使过程处于最佳条件下进行，可使能耗降至最低。与此同时，合理利用精馏过程本身的热能也是节约的重要举措。蒸馏系统的合理设置，。采用中间再沸器和中间冷凝器的流程1，可以提高精馏塔的热力学效率。因为设置中间再沸器，可以利用温度比塔底低的热源，而中间冷凝器则可回收温度比塔顶高的热量。 综合上述，进行方案的设计，因参考一下原则：(1) 满足工艺和操作的要求 所设计出来的流程和设备，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
12、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。因此，在必要的位置上要装置调节阀门，在管路中安装备用支线。计算传热面积和选取操作指标时，也应考虑到生产上的可能波动。再其次，要考虑必需装置的仪表(如温度计、压强计，流量计等)及其装置的位置，以便能通过这些仪表来观测生产过程是否正常，从而帮助找出不正常的原因，以便采取相应措施。 (2) 满足经济上的要求 要节省热能和电能的消耗，减少设备及基建费用。如前所述在蒸馏过程中如能适当地利用塔顶、塔底的废热，就能节约很多生蒸汽和冷却水，也能减少
13、电能消耗。又如冷却水出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量，另方面也影响到所需传热面积的大小，即对操作费和设备费都有影响。同样，回流比的大小对操作费和设备费也有很大影响。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，力求总费用尽可能低一些。而且，应结合具体条件，选择最佳方案。 (3) 保证安全生产 例如酒精属易燃物料，不能让其蒸汽弥漫车间，也不能使用容易发生火花的设备。又如，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。以上三项原则在生产中都是同样重要的。但在化工原理课程设计中，对第一个原则应
14、作较多的考虑，对第二个原则只作定性的考虑，而对第三个原则只要求作一般的考虑。（四）甲醇，水的物性总览查得甲醇，水的物性总览已知甲醇和水的液相密度性质温度()406080100120甲醇,kg/783.5761.1737.4712.0684.7水,kg/992.2983.3971.8958.4943.1液体粘度性质温度()406080100120甲醇（mP.s）0.4390.3440.2770.2280.196水（mP.s）0.5490.4700.3550.2820.237液体表面张力温度406080100120甲醇，mN/m19.6717.3315.0412.8010.63水，mN/m69.6
15、566.2262.5958.8654.84三 主要设备的工艺计算（一）塔的物料衡算3.1.1料液及塔顶产品含甲醇摩尔分数F=0.194+D=0.9653.1.2平均摩尔质量MF=20.328kg/kmolMD=0.96530.04+(1-0.965)18.02=29.58kg/kmol3.1.3物料衡算总物料衡算总物料 F = D+W 易挥发组分 FF = DD + WW单位时间进料：F= =119.567kmol/h塔顶易挥发组分回收率由D= = =99%得D=23.797kmol/h W= F- D=95.77 kmol/h 因此，由FF = DD + WW得 xW=0.0024所以，F=
16、 FF=119.5670.194=23.196 kmol/h D= DD=23.7970.965=22.964 kmol/h W= WW=97.770.00247=0.234 kmol/h（二）塔板数的确定3.2.1理论塔板数的确定根据甲醇-水双组份溶液的汽液相平衡数据（参考化工原理P386） 甲醇-水（1.1.325kpa） 温度/液相中甲醇的摩尔分数汽相中甲醇的摩尔分数1000.000.0096.40.020.13493.50.040.23491.20.060.30489.30.080.36587.70.100.41884.40.150.51781.70.200.579780.300.66
17、575.30.400.72973.10.500.77971.20.600.82569.30.700.87067.60.800.915660.900.958650.950.97964.51.001.00甲醇和水的的t-y-x图甲醇和水的的y-x图3.2.2确定最小回流比Rmin和操作回流比R已知进料状态为饱和液体进料，则q=1，q线方程为x=xF=0.194根据图表法，在origin软件下确定yF值，如下图：所以，yq =0.574.，则，Rmin=1.0293.2.3确定理最少板数Nmin3.2.3.1确定相对挥发度作图法初次估算：由图可知，=0.965，=0.987 ；=0.0024，=0.
18、0134所以，由得，当=0.965，=0.987时，aN=2.754；当=0.0024，=0.0134时，a1=5.646,所以，=3.943计算法确定最终值：用内插法求塔釜，进料板，塔顶的温度塔顶：,由=0.965得=65.79进料板：,由=0.194得=77.48塔底：,由=0.0024得=99.568已知： 3.1 3.2 3.3根据化工原理P366中液体饱和蒸汽压安托因常数，可知道液体ABC温度范围/甲醇7.197361574.99238.86-1691水7.074061657.46227.0210168塔顶饱和蒸汽压和相对挥发度：由得，当=65.79时， =2.02753，则=106
19、.54kpa=塔釜饱和蒸汽压和相对挥发度：由得，当=99.568时，所以，因此:3.2.3.2确定最少理论板数3.2.3.3确定最适回流比最少回流比Rmin的计算：=根据和(N-Nmin)/(N+2)=得，当R=1.2Rmin=2.064时，(R-Rmin)/(R+1)=(2.064-1.72）/(2.064+1)=0.1123(N-Nmin)/(N+2)=所以，N=15.146同样，当比值去不同值时，可得到如下列表比值RminR(R-Rmin)/(R+1)Nmin(N-Nmin)/(N+2)N1.2 1.72 2.064 0.1123 6.01070.5329 15.1481 1.3 1.7
20、2 2.236 0.1595 6.01070.4851 13.5571 1.4 1.72 2.408 0.2019 6.01070.4472 12.4906 1.5 1.72 2.580 0.2402 6.01070.4158 11.7125 1.6 1.72 2.752 0.2751 6.01070.3892 11.1141 1.7 1.72 2.924 0.3068 6.01070.3661 10.6369 1.8 1.72 3.096 0.3359 6.01070.3458 10.2459 1.9 1.72 3.268 0.3627 6.01070.3279 9.9190 2.0 1.7
21、2 3.440 0.3874 6.01070.3119 9.6409 制作R-N曲线，如下：由上图可以知道：R=3.268时，此时，N=9.919010(不包括塔釜)。所以：对应的a=3.793，=0.965，汽液相平衡方程：，精馏段操作方程：q线方程：=0.194所以，提溜段操作线方程：所以，利用逐板计数法，先交替使用相平衡方程(a)与精馏段操作线方程（b）计算如下： = y1=0.965 相平衡 x1=0.879 y2=0.899 操作线 x2=701 y3=0.763 x3=0.459 y4=0.578 x4=0.265 y5=0.429 x5=0.165 xF=0.194 y6=0.3
22、19 x6=0.1099 y7=0.211 x7=0.0659 y8=0.1258 x8=0.0366 y9=0.0687 x9=0.01909 y10=0.03478 x10=0.0094 y11=0.01598 x11=0.0043 y12=0.006 x12=0.0016 xW=0.0024所以，总塔板数为12快，精馏段有4块，进料板为第5块。（四）全塔效率 根据内插法求算相对挥发度时，以求得塔顶和塔底温度，分别如下：=65.79，=99.568，=77.48因而，,查的，在塔内平均温度=82.679，所以，实际塔板数如下：精馏段： 提留段：因此，实际塔板数为N=8+16=24块四 塔的
23、工艺条件和物性计算（一）操作压强4.1.1塔顶压强则进料板压强，塔底操作压强所以精馏段平均操作压强为，提溜段平均操作压强，（二）操作温度已知=65.79，=77.48，=99.568，因此，精馏段操作温度为，提溜段操作温度为（三）平均摩尔质量有上述计算可知：，,所以：塔顶， 进料板： 塔底：所以：精馏段的平均摩尔质量为 提溜段的平均摩尔质量为：（四）平均密度1，液相密度已知甲醇和水的液相密度性质温度()406080100120甲醇,kg/783.5761.1737.4712.0684.7水,kg/992.2983.3971.8958.4943.1并且，=65.79，=77.48，=99.568
24、塔顶：根据比例内插法，求得，而甲醇和水的质量分数为，所以，根据，得，则进料板：根据比例内插法，求得，而进料板甲醇的质量分数为：已知x5=0.165,所以，所以塔釜: 根据比例内插法，求得,当时，所以，则所以，精馏段平均液相密度为 提溜段平均液相密度为2，汽相密度已知，；，精馏段：提溜段：（五）液体表面张力已知：液体表面张力温度406080100120甲醇，mN/m19.6717.3315.0412.8010.63水，mN/m69.6566.2262.5958.8654.84，,=0.165，且=65.79，=77.48，=99.568，所以，根据比例内插法，可求的,，,，。所以：因此，精溜段的
25、表面张力为 提溜段的表面张力为（六）液体粘度已知，液体粘度性质温度()406080100120甲醇（mP.s）0.4390.3440.2770.2280.196水（mP.s）0.5490.4700.3550.2820.237，,=0.165，且=65.79，=77.48，=99.568，所以，根据比例内插法，可求的,， ,。 精馏段平均液相粘度提馏段平均液相粘度五 气液负荷计算已知下列数据：DRFq精馏段22.964 kmol/h3.26827.758kg/kmol1.008kg/m325.308 kg/kmol828.26Kg/ m3提溜段23.196 kmol/h121.014kg/kmo
26、l0.786kg/m319.197kg/kmol928.26Kg/ m3（一）精馏段计算（二）提馏段计算五 塔和塔板主要工艺尺寸计算（一）塔径D6.1.1精馏段的塔径D已知：，参考表4.1板间距和塔径的关系塔径DT，m0.30.50.50.80.81.61.62.42.44.0板间距HT，mm200300250350300450350600400600可以初选板间距=0.40m,取板上液层高度，故，所以，查史密斯关联图可得查的，所以，可以取安全系数为0.7（0.6至0.8），所以空塔气数，所以，精馏段塔径，因此，在1m内进行塔径圆整，圆整为0.8m。所以，空塔截面积为，因此，6.1.2提溜段塔径D初算：已知：，,所以，可以初选板间距=0.40M,取板上液层高度，故，所以，查史密斯关联图可得查的，所以，则，可以取安全系数为0.7（0.6至0.8），所以空塔气速，所以，提馏段塔径，在1m内进行塔径圆整，圆整为0.7m。再算：因而，可以再选板间距=0.35m,取板上液层高度，故，所以，查的，所以，所以，可以取安全系数为0.7（0.6至0.8），所以空塔气速所以，提馏段塔径，在1m内进行塔径圆整，圆整为0.8m。所以，空塔截面积为，因此，（二）溢流装置本设计采用单溢流型，弓形降液管，平直溢流堰（出口堰），凹形受液盘，不设置进口堰的形式。6.2.1堰长单流型塔板堰长一般取为(0.60.
