化工原理課程設計單國慶

1、合 肥 學 院Hefei University化工原理課程設計題 目:甲醇水精餾分離板式塔設計系 別: 化學與材料工程系 專 業(yè):_ 化學工程與工藝 學 號: 0903022038 姓 名: 單國慶 指導教師: 朱德春 2012年 2月 14日 化工原理課程設計任務書一、設計題目甲醇-水精餾分離板式塔設計二、設計任務及操作條件1.設計任務生產(chǎn)能力（進料量） 30000 噸/年操作周期 7200 小時/年進料組成 10% （質(zhì)量分率，下同）塔頂產(chǎn)品組成 42% 塔底產(chǎn)品組成 0.9% 2.操作條件操作壓力 塔頂為常壓 進料熱狀態(tài) 泡點進料(q=1) 加熱蒸汽 低壓蒸汽 3.設備型式 篩板塔板 4

2、.廠址 安 徽 地 區(qū) 三、設計內(nèi)容1.設計方案的選擇及流程說明2.塔的工藝計算3.主要設備工藝尺寸設計（1）塔徑、塔高及塔板結(jié)構(gòu)尺寸的確定（2）塔板的流體力學校核（3）塔板的負荷性能圖（4）總塔高、總壓降及接管尺寸的確定4.輔助設備選型與計算5.設計結(jié)果匯總6.設計評述7.工藝流程圖及精餾工藝條件圖主要符號說明：31 / 33文檔可自由編輯打印英文字母塔板開孔區(qū)面積，m2；降液管截面積，m2；篩孔總面積，m2；塔截面積，m2；計算時的負荷系數(shù),；負荷因子, ；篩孔直徑,m；塔徑,m；液沫夾帶量，kg液/kg氣；全塔效率；氣相動能因子,； 重力加速度,9.81；降液管底隙高度,m；干板阻力，m

3、；氣體通過每層塔板的液柱高m；塔板上鼓泡層高度,m；液體表面張力的阻力，m；氣體通過液層的阻力，m；溢流堰高度,m；板上液層高度,m；降液管內(nèi)的清液高度，m；板間距,m；人孔間距，m；塔底空間,m；塔頂空間,m；穩(wěn)定系數(shù)，無因次；溢流堰長度,m；液體體積流量,；篩孔數(shù)目；理論塔板數(shù)；實際塔板數(shù)；操作壓力,pa； 壓力降,pa；篩孔的中心距,m；空塔氣速, ；泛點氣速,；通過有效傳質(zhì)區(qū)的氣速,；氣體通過篩孔的速度,；漏液點氣速,；氣體體積流量,；安定區(qū)寬度,m；邊緣區(qū)寬度,m；液相摩爾分數(shù)；氣相摩爾分數(shù)；塔高,m；希臘字母揮發(fā)度；充氣系數(shù)，無因次；篩板厚度,m；液體在降液管內(nèi)停留時間,s；黏度,

4、；密度, ；表面張力,；開孔率或孔流系數(shù)，無因次；下標最大的；最小的；液相的；氣相的目 錄1 引言61.1 設計依據(jù)61.2 設計任務及要求62 計算過程72.1 塔型選擇72.2 操作條件的確定72.2.1 操作壓力72.2.2 進料狀態(tài)82.2.3 加熱方式82.2.4 熱能利用82.3 有關(guān)的工藝計算82.3.1 塔頂產(chǎn)品產(chǎn)量、釜殘液量及加熱蒸汽量102.3.2 全凝器冷凝介質(zhì)的消耗量102.3.3 熱能利用102.3.4 預熱器消耗量112.3.5 理論塔板數(shù)的確定112.3.6 操作壓力122.3.7 全塔效率的估算122.3.8 實際塔板數(shù)NP132.4 精餾塔具體尺寸132.4.

5、1 液相平均密度142.4.2 氣相的平均密度142.4.3 液相表面張力152.4.4 汽、液相負荷（體積流量）152.4.5 精餾塔塔體工藝尺寸162.5 塔板主要工藝尺寸的計算172.5.1 溢流裝置172.5.2 塔板布置202.6 篩板的流體力學驗算212.6.1 塔板壓降212.6.2 液面落差222.6.3 液沫夾帶量222.6.4 漏液222.6.5 液泛232.7 塔板負荷性能圖232.7.1 漏液線232.7.2 液沫夾帶線232.7.3 液相負荷下限線242.7.4 液相負荷上限線242.7.5 液泛線252.8 各接管尺寸的確定262.8.1 進料管262.8.2釜殘液

6、出料管272.8.3塔頂上升蒸汽管272.8.4水蒸汽進口管282.8.5離心泵的選擇283 設計結(jié)果匯總284 結(jié)論301 引言甲醇水工業(yè)上最常見的溶劑，也是非常重要的化工原料之一，是無色、無毒、無致癌性、污染性和腐蝕性小的液體混合物。因其良好的理化性能，而被廣泛地應用于化工、日化、醫(yī)藥等行業(yè)。近些年來，由于燃料價格的上漲，甲醇燃料越來越有取代傳統(tǒng)燃料的趨勢，且已在鄭州、濟南等地的公交、出租車行業(yè)內(nèi)被采用。山東業(yè)已推出了推廣燃料甲醇的法規(guī)。長期以來，甲醇多以蒸餾法生產(chǎn)，但是由于甲醇水體系有共沸現(xiàn)象，普通的精餾對于得到高純度的甲醇來說產(chǎn)量不好。但是由于常用的多為其水溶液，因此，研究和改進甲醇水

7、體系的精餾設備是非常重要的。塔設備是最常采用的精餾裝置，無論是填料塔還是板式塔都在化工生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應用，在此我們作板式塔的設計以熟悉單元操作設備的設計流程和應注意的事項是非常必要的。 1.1 設計依據(jù) 本設計依據(jù)于教科書的設計實例，對所提出的題目進行分析并做出理論計算。流程簡介本設計任務為甲醇的精餾。對于二元混合物的分離，應采用連續(xù)精餾流程。設計中采用泡點進料，將原料液通過預熱器加熱至泡點后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷凝器冷卻后送至儲罐。該物系屬易揮發(fā)物系，最小回流比較小，塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。1

8、.2 設計任務及要求原料：甲醇水溶液，年產(chǎn)量30000噸 甲醇含量：10%(質(zhì)量分數(shù))，原料液溫度：20設計要求：塔頂?shù)募状己坎恍∮?2%(質(zhì)量分數(shù)) 塔底的甲醇含量不大于0.9%(質(zhì)量分數(shù))附： 汽液平衡數(shù)據(jù)表1 甲醇-水溶液的平衡數(shù)據(jù)xyxyxy0.000.0000.150.5170.700.8700.020.1340.200.5790.800.9150.040.2340.300.6650.900.9580.060.3040.400.7290.950.9790.080.3650.500.7791.001.0000.100.4180.600.825 由上表可畫出如下圖：圖1 甲醇水相平衡圖

9、2 計算過程2.1 塔型選擇根據(jù)生產(chǎn)任務，若每年按操作周期7200小時計算，處理量為由于產(chǎn)品粘度較小，流量較大，為減少造價，降低生產(chǎn)過程中壓降和塔板液面落差的影響，提高生產(chǎn)效率，選用篩板塔。篩板塔也是傳質(zhì)過程常用的塔設備，它的主要優(yōu)點有： 結(jié)構(gòu)比浮閥塔更簡單，易于加工，造價約為泡罩塔的60，為浮閥塔的80左右。 處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加1015。 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。 壓降較低，每板壓力比泡罩塔約低30左右。 篩板塔的缺點是： 塔板安裝的水平度要求較高，否則氣液接觸不勻。 操作彈性較小(約23)。 小孔篩板容易堵塞。2.2 操作條件的確定2.2.1 操作壓力 由于甲醇水體

10、系對溫度的依賴性不強，常壓下為液態(tài)，為降低塔的操作費用，操作壓力選為常壓。其中塔頂壓力為塔底壓力2.2.2 進料狀態(tài)雖然進料方式有多種，但是飽和液體進料時(q=1)進料溫度不受季節(jié)、氣溫變化和前段工序波動的影響，塔的操作比較容易控制。此外，無論是設計計算還是實際加工制造這樣的提餾塔都比較容易，為此，本次設計中采取飽和液體進料。2.2.3 加熱方式本設計任務為甲醇的精餾。對于二元混合物的分離，應采用連續(xù)精餾流程。設計中采用泡點進料，將原料液通過預熱器加熱至泡點后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷凝器冷卻后送至儲罐。該物系屬易揮發(fā)物系，最小回

11、流比較小，塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。2.2.4 熱能利用精餾過程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。因此熱效率較低，通常進入再沸器的能量只有5%左右可以被有效利用。雖然塔頂蒸汽冷凝可以放出大量熱量，但是由于其位能較低，不可能直接用作為塔底的熱源。為此，我們擬采用塔釜殘液對原料液進行加熱。2.3 有關(guān)的工藝計算由于精餾過程的計算均以摩爾分數(shù)為準，需先把設計要求中的質(zhì)量分數(shù)轉(zhuǎn)化為摩爾分數(shù)。甲醇的摩爾質(zhì)量為：32.04kg/kmol水的摩爾質(zhì)量為： 18.01kg/kmol原料液的摩爾組成：原料液的平均摩爾質(zhì)量：20下，原料液中表2 甲醇水體系得分汽-液平衡及沸點（101.3k

12、Pa壓力下）甲醇在液相中含量%甲醇在汽相中含量%沸點t/00.00100.01052.091.82064.886.33071.482.24074.779.05077.176.46079.474.27082.272.08085.969.79091.367.2100100.0864.6原料液溫度 餾出液溫度 釜殘液溫度 結(jié)果見下表：表3 原料液、餾出液與釜殘液的流量與溫度名稱原料液餾出液釜殘液10420.9(摩爾分數(shù))0.05880.28930.005摩爾質(zhì)量18.8422.0718.08沸點溫度/91.878.4899.532.3.1 塔頂產(chǎn)品產(chǎn)量、釜殘液量及加熱蒸汽量每年按操作周期7200小時

13、計算，進料量為：由總物料衡算：以及: 容易得出： 2.3.2 全凝器冷凝介質(zhì)的消耗量甲醇的氣化熱r=1101kJ/kg餾出液中含42%的甲醇KJ/h平均溫度下的比熱，于是冷凝水用量可求：2.3.3 熱能利用以釜殘液對預熱原料液，則將原料加熱至泡點所需的熱量可記為：其中在進出預熱器的平均溫度以及的情況下可以查得比熱，所以 釜殘液放出的熱量若將釜殘液溫度降至那么平均溫度其比熱為，因此可知，于是理論上不可以用釜殘液加熱原料液至泡點，于是我們可以在進料前加一個預熱器，以供不足的能量。2.3.4 預熱器消耗量取低壓水蒸氣為加熱介質(zhì)其進出預熱器的溫度分別為100和20則平均溫度下的比熱，于是冷凝水用量可求

14、：2.3.5 理論塔板數(shù)的確定(1)求精餾塔的氣、液相負荷采用泡點進料，進料溫度為20，將摩爾分數(shù)轉(zhuǎn)化為質(zhì)量分數(shù)為：0.0588，查表得原料液的r=1046.4kJ/kg ，cp=4.338kJ/(kg·K)所以操作線方程為： (a)(2)采用逐板法求理論板層數(shù)由 得 （b）將 代入得相平衡方程 （c）聯(lián)立（a）、（b）、（c）式，可自上而下逐板計算所需理論板數(shù)。因塔頂為全凝則由（c）式求得第一塊板下降液體組成利用（a）式計算第二塊板上升蒸汽組成為交替使用式（a）和式（c）直到，然后改用提餾段操作線方程，直到為止，計算結(jié)果見表3。表3 板號組成123456y0.28930.12719

15、0.241060.19820.138480.06075x0.138130.127020.111110.088690.0595180.024834xF理論塔板數(shù)為： （不包括再沸器）2.3.6 操作壓力設每層塔壓降 =0.7Kpa塔頂壓力P0=101.3Kpa P1=101.3+0.7=102.0Kpa P2=102.7Kpa P3=103.4Kpa P4=104.1Kpa P5=104.8Kpa P6=105.5KPa 則回收塔平均壓力 2.3.7 全塔效率的估算用奧康奈爾法()對全塔效率進行估算：由相平衡方程式可得根據(jù)甲醇水體系的相平衡數(shù)據(jù)可以查得： (塔頂?shù)谝粔K板) (加料板) (塔釜)因

16、此可以求得：由相平衡方程式可得因此可以求得： =0.98同理可求得：= 6.60 =7.19全塔的相對平均揮發(fā)度：全塔的平均溫度：在溫度下查得因為所以，同理可求得 全塔液體的平均粘度：全塔效率2.3.8 實際塔板數(shù)NP(塊)即提餾段的實際塔板數(shù)為11塊。 2.4 精餾塔具體尺寸整理精餾塔的已知數(shù)據(jù)列于表4由表中數(shù)據(jù)可知：表4 精餾塔的已知數(shù)據(jù)位置塔釜塔頂質(zhì)量分數(shù)摩爾分數(shù)摩爾質(zhì)量/溫度/99.5378.482.4.1 液相平均密度液相平均摩爾質(zhì)量 液相平均溫度：在平均溫度89.28下查得： 進料：塔頂：塔底：液相平均密度為 2.4.2 氣相的平均密度A、進料板平均摩爾質(zhì)量由B、塔頂平均摩爾質(zhì)量由

17、,得C、塔釜平均摩爾質(zhì)量由氣相平均摩爾質(zhì)量 氣相平均密度2.4.3 液相表面張力A、塔頂液相表面張力由查表得故B、塔底液相表面張力由 及得C、塔進料液相表面張力由查表得故所以液相平均表面張力2.4.4 汽、液相負荷（體積流量）液相平均密度 則液相負荷為：氣相平均密度 則汽相負荷為：表5 精餾塔的汽液相負荷名稱液相汽相平均摩爾質(zhì)量/18.4221.25平均密度/體積流量/2.4.5 精餾塔塔體工藝尺寸A、塔徑的計算塔的氣、液相體積流率為則液氣動能參數(shù)為：取板間距HT=0.40m，板上清液層高度hL=0.05m，則HT-hL=0.35m圖3 史密斯關(guān)聯(lián)圖由史密斯關(guān)聯(lián)圖查得：C20=0.052氣體負

18、荷因子= 取安全系數(shù)為0.8，則空塔氣速為 u=0.8umax=0.8×2.25=1.80m/s按標準塔徑圓整后為D=1.0m塔截面積為At=3.14×1×1=0.785 m2實際空塔氣速為U實際=1.909/0.785=2.432m/s (安全系數(shù)在充許的范圍內(nèi)，符全設計要求)B、塔高的計算塔的高度可以由下式計算：已知實際塔板數(shù)為N=11塊，板間距,取一個人孔取人孔兩板之間的間距，則塔頂空間，塔底空間，那么，全塔高進料板空間高度： 2.5 塔板主要工藝尺寸的計算2.5.1 溢流裝置由于塔徑D=800mm，可選用單溢弓型降液管，采用凹型受液盤。A、堰長取 B、溢流

19、堰高度由，選用平直堰，堰上液層高度由弗蘭西斯（Francis）公式計算，即 圖4 液流收縮系數(shù)計算圖由液流收縮系數(shù)計算圖，近似取E=1，則取板上清液層高度hL=0.06 m故 C、弓形降液管寬度和截面積由查弓形降液管參數(shù)圖得圖5 弓形降液管參數(shù)圖弓形溢流管寬度弓形降液管面積驗算：液體在提餾段降液管內(nèi)的停留時間其中HT即為板間距0.60m，Ln即為每小時的液相體積流量驗證結(jié)果為降液管設計符合要求D、降液管底隙高度取 （一般）則故降液管底隙高度設計合理。選用凹形受液盤，深度。2.5.2 塔板布置A、塔板的分塊 因D800mm，故塔板采用分塊式。表6 塔板分塊數(shù)塔徑，mm80012001400160

20、01800200022002400塔板分塊數(shù)3456由上表查得，塔板分為3塊。B、邊緣區(qū)寬度確定取Ws=Ws= 65mm , Wc=35mmC、開孔區(qū)面積計算開孔區(qū)面積Aa按下面式子計算，則有其中 x=D/2(WdWs)=0.5-（0.146+0.065）=0.289mr= D/2Wc=0.5-0.035=0.465m并由Wd/D=0.146， 推出Wd=0.146m D、篩孔計算及其排列甲醇水體系無腐蝕性，可選用碳鋼板，取篩孔直徑。篩孔按正三角形 ，取孔中心距t為 篩孔的數(shù)目n為n=1158×103Aa/t2=9512個開孔率為=0.907（do/t）2=10.07%氣體通過閥孔的

21、氣速為2.6 篩板的流體力學驗算2.6.1 塔板壓降A、干板阻力計算干板阻力 由 查干篩孔的流量系數(shù)圖得 圖6 干篩孔的流量系數(shù)圖故 B、氣體通過液層的阻力計算氣體通過液層的阻力， 氣相動能因子 查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖得 圖7 充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖故 液柱C、液體表面張力的阻力液體表面張力所產(chǎn)生的阻力，液柱氣體通過每層塔板的液柱高度液柱氣體通過每層塔板的壓降為（設計允許值）2.6.2 液面落差對于篩板塔，落面落差很小，且本例塔徑和液流量不大，故可忽略液面落差的影響。2.6.3 液沫夾帶量液沫夾帶量 故kg液/kg氣<0.1 kg液/kg氣故在本設計中液沫夾帶量在允許范圍內(nèi)。2.6.4 漏液對篩板塔，

22、漏液點氣速可由計算，即實際孔速穩(wěn)定系數(shù)為 故在本設計中無明顯漏液。2.6.5 液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高應服從的關(guān)系。甲醇水物系屬一般物系，取，則而 板上不設進口堰，可由式計故在本設計中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象。2.7 塔板負荷性能圖2.7.1 漏液線由 整理得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依上式計算出值，計算結(jié)果列于表7表70.00050.00100.00250.00400.3610.3720.3950.413由上表數(shù)據(jù)即可作出漏液線1.2.7.2 液沫夾帶線以為限，求關(guān)系如下：由 故 整理得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依上式計算出值，計算結(jié)果列于表8。表80.00050.00100.00

23、200.002251.0851.0470.986970.9608由上表數(shù)據(jù)即可作出液沫夾帶線2.2.7.3 液相負荷下限線對于平直堰，取堰上液層高度作為最小液體負荷標準。由m取E=1，則據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負荷下限線3.2.7.4 液相負荷上限線以作為液體在降液管中停留時間的下限，由式故 據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負荷上限線4.2.7.5 液泛線 式中 將有關(guān)的數(shù)據(jù)代入，得在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依上式計算出值，計算結(jié)果列于表9。表90.00050.00050.00250.00400.00050.00600.00711.2141.1811.0941.0011.2140.

24、8500.746由上表數(shù)據(jù)即可作出液泛線5.根據(jù)以上各方程，可作出篩板塔的負荷性能圖，如下圖所示。054231CB圖8 塔板的負荷性能圖A在負荷性能圖上，作出操作點A，連接OA,即作出操作線并相交于B、C。由圖可看出，該篩板的操作上限為霧沫夾帶控制，下限為漏液控制。由上圖查得 故操作彈性為2.8 各接管尺寸的確定2.8.1 進料管 在原料溫度下查得則原料液密度為：進料體積流量取適宜的輸送速度，故經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管(YB231-64)，規(guī)格：實際管內(nèi)流速：2.8.2釜殘液出料管在下查得 則釜殘液密度為 釜殘液的體積流量：取適宜的輸送速度，則經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管(YB231-64)，規(guī)格：實

25、際管內(nèi)流速： 2.8.3塔頂上升蒸汽管塔頂上升蒸汽塔頂上升蒸汽的體積流量：取適宜速度，那么經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管(YB231-64)，規(guī)格：實際管內(nèi)流速： 2.8.4水蒸汽進口管通入塔的水蒸氣密度通入塔的水蒸氣體積流量：取適宜速度，那么經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管(YB231-64)，規(guī)格：實際管內(nèi)流速：2.8.5離心泵的選擇根據(jù)年處理量及塔高，選用IS125-100-200型號的離心泵，其性能如下表所示表10 離心泵性能表型號轉(zhuǎn)速 （轉(zhuǎn)/分鐘）流量(m3/h）揚程(m)效率(%)軸功率(kW)必需的汽蝕余量(m3)質(zhì)量比(泵/底座)(kg)IS125-100-20014506014.7623.832.5108/663 設計結(jié)果匯總表11 設計計算結(jié)果項目數(shù)值與