化工原理課程設(shè)計(jì)77007

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)1、 設(shè)計(jì)題目: 甲醇-水溶液連續(xù)精溜塔2、 設(shè)計(jì)條件:處理量：t/a(15000)料液組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：（40%）塔頂產(chǎn)品組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：（99.5%）塔頂易揮發(fā)組分回收率：（99%）每年實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間：330天/年,每天24小時(shí)連續(xù)工作連續(xù)操作、中間加料、泡點(diǎn)回流操作壓力：常壓進(jìn)料狀況：泡點(diǎn)進(jìn)料塔釜間接蒸汽加熱，加熱蒸汽壓力為0.3Mpa塔頂冷凝水用冷卻水的進(jìn)出口溫度差20403、 設(shè)計(jì)要求:(1)、 精溜塔裝置流程設(shè)計(jì)與論證(2)、 浮閥塔內(nèi)精溜過(guò)程的工藝計(jì)算(3)、 浮閥塔主要工藝尺寸的確定(4)、塔盤(pán)設(shè)計(jì)(5)、 流體力學(xué)條件校核、作負(fù)荷性能圖目錄一、.精餾塔工藝設(shè)計(jì)計(jì)

2、算61.1 設(shè)計(jì)方案的確定61.2 精餾塔物料衡算61.3 塔板數(shù)的確定71.4 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算101.4.1用內(nèi)差法求塔頂、塔釜、進(jìn)料板的溫度101.4.2實(shí)際板層數(shù)的求取101.4.3平均摩爾質(zhì)量計(jì)算111.4.4平均密度計(jì)算121.4.5液體平均粘度計(jì)算14二、. 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算152.1 塔徑的計(jì)算152.2 精餾塔有效高度的計(jì)算17三、塔板主要工藝尺寸的計(jì)算183.3.1溢流裝置計(jì)算183.3.2 塔板布置193.3.3 浮閥計(jì)算及其排列203.3.4 浮閥塔的流體力學(xué)性能驗(yàn)算213.3.5液泛及液沫夾帶22四塔板的負(fù)荷性能圖23五塔的附屬設(shè)備的計(jì)算3

3、2摘要及關(guān)鍵詞Abstract and Keywords摘要化工生產(chǎn)中所處理的原料中間產(chǎn)品幾乎都是由若干組分組成的混合物，其中大部分是均相混合物。生產(chǎn)中為滿足要求需將混合物分離成較純的物質(zhì)。float valve tower(column) 以浮閥作為塔盤(pán)上氣液接觸元件的一種板式塔。塔盤(pán)主要由塔板、溢流堰、受液盤(pán)及降液管組成。塔板上裝有一定數(shù)量的浮閥，按等腰三角形或正方形排列，浮閥用支腿在塔盤(pán)上定位并予以導(dǎo)向。浮閥蓋在閥孔上，氣體依靠壓力使浮閥升起并鼓泡而穿過(guò)液層，進(jìn)行氣液兩相傳。浮閥塔板在蒸氣負(fù)荷、操作彈性、效率和造價(jià)等方面都比較優(yōu)越。浮閥塔是最早應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的設(shè)備之一，五十年代之后通過(guò)大

4、量的工業(yè)實(shí)踐逐步改進(jìn)了設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)近年來(lái)與浮閥塔一起成為化工生中主要的傳質(zhì)設(shè)備為減少對(duì)傳質(zhì)的不利影響可將塔板的液體進(jìn)入?yún)^(qū)制成突起的斜臺(tái)狀這樣可以降低進(jìn)口處的速度使塔板上氣流分布均勻。浮閥塔多用不銹鋼板或合金制成，使用碳剛的比率較少。實(shí)際操作表明，篩板塔在一定程度的漏夜?fàn)顟B(tài)下操作使其板效率明顯下降其操作的負(fù)荷范圍較袍罩塔窄，但良好的塔其操作彈性仍可達(dá)到2-3。蒸餾是分離均相混合物的單元操作，精餾是最常用的蒸餾方式，是組成化工生產(chǎn)過(guò)程的主要單元操作。精餾是典型的化工操作設(shè)備之一。進(jìn)行此次課程設(shè)計(jì)的目的是為了培養(yǎng)綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),來(lái)解決實(shí)際化工問(wèn)題的能力,做到能獨(dú)立進(jìn)行化工設(shè)計(jì)初步訓(xùn)練，為以后從事

5、設(shè)計(jì)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。關(guān)鍵字：精餾 浮閥 溢流一、.精餾塔工藝設(shè)計(jì)計(jì)算一. 設(shè)計(jì)計(jì)算1.1設(shè)計(jì)方案的確定及概述本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離甲醇水混合物。對(duì)于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。精餾是指由不同揮發(fā)度的組分所組成的混合液，在精餾塔中同時(shí)多次地進(jìn)行部分氣化和部分冷凝，使其分離成幾乎純態(tài)組分的過(guò)程。塔頂蒸汽冷凝回流和塔釜溶液再汽化是精餾高成婚度分離的充分必要條件?！?】設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過(guò)預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升的蒸汽采用全冷凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲(chǔ)罐。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，故采用最小回流比的2倍。塔釜

6、采用直接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲(chǔ)罐。1.2精餾塔物料衡算1.2.1原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率甲醇的摩爾質(zhì)量 MA=32 kg/kmol水的摩爾質(zhì)量 MB=18 kg/kmol用公式x=求出：原料液的摩爾分率：xF=0.273 同理：xD=0.99 1.2.2原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量MF=0.273×32 +(1-0.273)×18 =21.82kg/kmolMD=0.99×32+(1-0.99)×18=31.86kg/kmol1.2.3物料衡算原料處理量 F=86.8kmol/h總物料衡算 F=D+W甲醇的物料衡算FxF=DxD

7、+Wxw100%=0.99聯(lián)立求解 D=23.6kmol/hW=63.2kmol/hx=0.0038故塔釜的摩爾分率MW=0.0038×32+(1-0.0038)×18=18.05kg/kmol 1.3塔板數(shù)的確定1.3.1理論板層數(shù)NT的求取甲醇水屬理想物系，可采用圖解法求理論板數(shù)1.3.1.1由手冊(cè)查得甲醇水物系的氣液平衡數(shù)據(jù)，繪出xy圖，xyxyxy0.000.0000.150.5170.700.8700.020.1340.200.5790.800.9150.040.2340.300.6650.900.9580.060.3040.400.7290.950.9790.0

8、80.3650.500.7791.001.0000.100.4180.600.825圖 1 圖解法求理論板層數(shù)1.3.1.2求最小回流比及操作回流比。采用圖解法求最小回流比。在圖中對(duì)角線上e(0.273,0.273)作垂線ef即為進(jìn)料線（q線），該線與平衡線的交點(diǎn)坐標(biāo)為q（0.273,0.645）故最小回流比為Xd=0.27Rmin=0.927取R2Rmin2×0.9271.8541.3.1.3求精餾塔的氣、液相負(fù)荷L=RD=1.854×23.6=43.8kmol/hV=(R+1)D=2.854×23.6=67.4kmol/hL=L+F =130.6kmol/hV

9、= V =67.4kmol/h1.3.1.4求操作線方程精餾段操作線方程為精餾段操作線方程為yn+1=+ yn+1=0.65xn+0.347（1）【1】提餾段操作線方程yn+1=xnxW yn+1=1.94xn0.938（2）【1】1.3.1.5圖解法求理論板層數(shù)采用圖解法求理論板層數(shù)，如圖1所示。求解結(jié)果為求解結(jié)果為總理論板層數(shù) NT=13 進(jìn)料板位置 NF=91.4精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算1.4.1用內(nèi)差法求塔頂、塔釜、進(jìn)料板的溫度塔頂溫度【2】求tD=65同理求得tW=99.5 tF=78.5當(dāng)tD=65時(shí)查得x=0.95,y=0.979 a=2.45當(dāng)tW=99.5時(shí)x=0

10、.02,y=0.134故aw=7.58a=4.31由tD=65，查手冊(cè)得D=0.3255 mP·s 當(dāng)tw=99.5,uw=0.29 mP·s mP·sU=0.314 mP·s1.4.2實(shí)際板層數(shù)的求取1.4.2.1全塔效率的計(jì)算ET=0.49(L)-0.245×100%=45.52%【3】1.4.2.2實(shí)際板層數(shù)的求取精餾段實(shí)際板層數(shù) N精=9/0.4552=19.820提餾段實(shí)際板層數(shù) N提=4/0.4552=8.891.4.3平均摩爾質(zhì)量計(jì)算塔頂平均摩爾質(zhì)量計(jì)算由xD=y1=0.99,查平衡曲線（圖 1），得x1=0.976MVDm=0.

11、99×32+(1-0.99)×18 =31.86kg/kmolMLVm=0.976×32+(1-0.976)×18=31.66kg/kmol進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量計(jì)算由圖解理論板（見(jiàn)圖1），得yF=0.568查平衡曲線（見(jiàn)圖1），得xF=0.19MVFm=0.568×32+(1-0.568)×18=25.96kg/kmolMLFm=0.19×32+(1-0.19)×18=20.66 kg/kmol塔底平均摩爾質(zhì)量計(jì)算MVWm=0.0073×32+(1-0.0073)×18=18.1 kg/kmolM

12、LWm=0.00104×32 +(1-0.00104)×18=18 kg/kmol精餾段平均摩爾質(zhì)量MVm=(31.66+25.96)/2=28.81 kg/kmolMLm=(31.86+20.66)/2=26.26kg/kmol提餾段平均摩爾質(zhì)量MVm=(25.96kg/kmol+18.1 kg/kmol)/2=22.03kg/kmolMLm=(20.66kg/kmol+18 kg/kmol)/2=19.33 kg/kmol1.4.4平均密度計(jì)算1.4.4.1氣相平均密度計(jì)算由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，在常壓下操作即=分別求出塔頂，塔底，進(jìn)料板的密度并求出精餾段，提餾段氣相的

13、平均密度精餾段：Vm=1.021kg/m3提餾段： Vm=0.746kg/m31.4.4.2液相平均密度計(jì)算液相平均密度依下式計(jì)算.即1/Lm=i/i塔頂液相平均密度的計(jì)算由tD=65.查手冊(cè)得A=755.3kg/m3 B=980.5kg/m3LDm= =754.67kg/m3進(jìn)料板液相平均密度的計(jì)算由tF=78.5，查手冊(cè)得用內(nèi)插法求得A= 722.5kg/m3 B=972.9kg/m3進(jìn)料板液相質(zhì)量分率A=0.29代入公式得LFm=885.1kg/m3塔釡平均密度計(jì)算由tw=99.5100，視同純水LWM=B =958.4 kg/m3精餾段液相平均密度為L(zhǎng)m=（754.67+885.1）/

14、2=819.9kg/m3提餾段液相平均密度為L(zhǎng)m=（885.1kg/m+958.4 kg/m3）=921.8 kg/m31.4.4.3液相平均表面張力計(jì)算液相平均表面張力依下式計(jì)算，即Lm=xii塔頂液相平均表面張力的計(jì)算由tD=65，查手冊(cè)得A=16.76mN/m B=65.27 mN/mLDm=0.99×16.76+0.01×65.27=17.25 mN/m進(jìn)料板液相平均表面張力的計(jì)算由tF=78.5,查手冊(cè)得A=17mN/m B=62.9mN/mLFm=0.19×17+(1-0.19)×62.9=54.18mN/m塔釡板液相平均表面張力的計(jì)算由tW

15、=99.5,查手冊(cè)得A=14.8 mN/m B= 58.86 mN/mLWm=0.00104×14.8 mN/m +（1-0.00104）×58.86 mN/m=58.81 mN/m精餾段液相平均表面力為L(zhǎng)m=(17.2554.18)/2=35.71mN/m提餾段液相平均表面張力為L(zhǎng)m=（58.81+54.18）/2=56.5 mN/m1.4.5液體平均粘度計(jì)算液相平均粘度依下式計(jì)算，即lgLm=xilgi塔頂液相平均粘度的計(jì)算由tD=65，查手冊(cè)得A=0.3255 mP·s B=0.4355 mP·slgLDm=0.99lg(0.3255)0.01lg

16、(0.4355)解出 LDm 0.3264 mP·s進(jìn)料板液相平均粘度的計(jì)算由tF=78.5,查手冊(cè)得A=0.45 mPs B=0.360 mP·slgLFm=0.19lg(0.45)0.81lg(0.36)解出 LFm=0.3756 mP·s塔釜液相平均粘度由tW=99.5查手冊(cè)得A=0.29 mP·s B=0.28 mP·slgLWm=0.00104 lg(0.29)+(1-0.00104)lg(0.28)解出 LWm=0.28 mP·s精餾段液相平均粘度Lm=(0.32640.3756)/2=0.351 mP·s提餾段

17、液相平均粘度Lm=（0.3756+0.28）/2=0.3278 mP·s二精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算【3】2.1塔徑的計(jì)算精餾段的氣、液相體積流率為Vs=0.5082m3/sLs=0.00039m3/s由 umax=C式中C由式C=C20（）0.2計(jì)算，其中的C20由圖查取，圖的橫坐標(biāo)為（）（）0.50.022取塔板間距HT=0.46m,板上液層高度hL=0.06m,則 HThL0.460.06 0.40 m查圖得 C20=0.055C=C20（）=0.062umax=0.062=1.756m/s取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為u=0.7umax=0.7×2.421=1.23

18、m/sD精=0.725m提餾段的氣、液相體積流率為=0.000761m3/s=0.553m3/s由 umax=C式中C由式C=C20（）0.2計(jì)算，其中的C20由圖查取，圖的橫坐標(biāo)為（）（）0.50.048取塔板間距HT=0.46m,板上液層高度hL=0.06m,則 HThL0.460.06 0.40 m查圖得 C20=0.063C=C20（）=0.078umax=0.078=2.74m/s取安全系數(shù)為0.7，則空塔氣速為u=0.7umax=0.7×2.74=1.92m/sDT =0.757 m按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為 D=0.8m塔截面積為AT=D2=0.502實(shí)際空塔氣速為u=1.01

19、m/s2.2精餾塔有效高度的計(jì)算精餾段有效高度為Z精=（N精-1）HT =(20-1)×0.46=8.74m提餾段有效高度為Z提=（N提-1）HT =(9-1)×0.46=3.68m在進(jìn)料板上方開(kāi)一人孔，其高度為0.8m。故精餾塔的有效高度為Z=Z精+Z提+0.8=8.74+3.68+0.8=14.02m三塔板主要工藝尺寸的計(jì)算【3】3.1溢流裝置計(jì)算因塔徑D=0.9m，可選用單溢流弓形降液管，采用凹行受液盤(pán)。各項(xiàng)計(jì)算如下：3.1.1堰長(zhǎng) Lw取 Lw=0.7D=0.7×0.8=0.56m3.1.2 溢流堰高度hW由 hW=hL - hOW 選用平直堰，堰上液層高

20、度hOW由式hOW=計(jì)算近似取E=1,則hOW=0.0039m取板上清夜高度 hL=0.060m故 hW=0.06-0.0063=0.0561m3.1.3弓形降液管寬度Wd和截面積 Af由=0.7m查圖，得=0.087m =0.143m故 Af=0.087×0.636=0.0553Wd=0.143D=0.143×0.8=0.1144m依式驗(yàn)算液體在降液管中停留時(shí)間，即Q=62.23s5s故降液管設(shè)計(jì)合理。3.1.4降液管底隙高度ho取 0=0.08m/s則 =0.0087mhW-ho=0.054-0.01161=0.0474m0.006m故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。選用凹形受

21、液盤(pán)，深度=50mm。3.2塔板布置3.2.1塔板的分塊因D<800mm，故塔板采用整塊式。3.2.2邊緣區(qū)寬度確定取Ws=Ws=0.08m,Wc=0.050m。3.2.3開(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算開(kāi)孔區(qū)面積Aa按式計(jì)算其中 x=D/2-(Wd+Ws)= (0.8/2)-(0.144+0.08)=0.206mR=(D/2)-Wc=0.4-0.05=0.35m故=0.27 3.3浮閥計(jì)算及其排列3.3.1閥孔氣速F0=u0閥孔動(dòng)能因數(shù)F0=u0=912 取F0=11u0=10.89m/s 3.3.2浮閥數(shù)取dv=50mm 可得d0=0.8dv=39mmN=39.1 所以取N=393.3.3開(kāi)孔率3.3

22、.4閥孔的排列在塔板鼓泡區(qū)，閥孔的排列有正三角和等腰三角兩種方式。正三角排列又分為順排和叉，采用叉排，因?yàn)镈=800mm,采用整板式，采用正三角形分布，此時(shí)孔心距為t=75mm,即高t=65mm經(jīng)畫(huà)圖（如圖2）圖2得N=49個(gè)代入公式m/sF0=u0=8.06在9-12內(nèi)，符合要求。3.4浮閥塔的流體力學(xué)性能驗(yàn)算氣體通過(guò)浮閥塔的靜壓頭hf=hc+hl+h3.4.1干板靜壓頭hc浮閥全開(kāi)前hc=19.9浮閥全開(kāi)后hc=5.34 uoc= =10.38m/s<10.89m/s所以采用hc=5.34=0.0402 m3.4.2板上層阻力hl液相為水時(shí)0=0.5 hl=0hL=0.03m3.4.

23、3液體表面張力所造成的靜壓頭hh= 由于h很小可忽略不計(jì)hf=0.0402+0.03=0.0702m單板壓降=3.51液泛Hd=hf+hw+hd+h+how h常忽略hf= h+ hl+ hc=0.0402m+0.03m=0.0702mhw=0.0561mhow=0.0039mhd=0.153=0.00098m所以得Hd=hf+hw+hd+h+how=0.072m+0.06m+0.00098m=0.1312mHd（HT+hw）=0.5×（0.46+0.0561）=0.258m符合防止淹塔要求。3.5.2液沫夾帶×100%ZL =D2Wd=0.82×0.1290.5

24、42由=1.021kg/m3,查圖知F=0.112 K=1=AT-2Af=0.636-2×0.0553=0.5254m2×100%=30%計(jì)算出的泛點(diǎn)率在80%以下，故可知ev<0.1kg液/kg汽要求。四塔板的負(fù)荷性能圖(1)精餾段漏夜線（線1）=0.24 m3/s提餾段漏夜線= 0.30 m3/s (2)精餾段過(guò)量霧沫夾帶線（線2）根據(jù)ev=0.1kg液/kg汽時(shí)，泛點(diǎn)率F1=0.8計(jì)算整理得VS=1.4-21LSLS，m3/s0.00080.0012VS，m3/s1.2241.374提餾段過(guò)量霧沫夾帶線由=0.746kg/ m3 查=0.93把=0.746kg/

25、 m3, =921.8 kg/ m3代入公式有VS=1.37-27.3LSLS,m3/s0.00080.0012VS,m3/s1.3481.337(3)精餾段液相負(fù)荷下限線5×10-3=0.00036 m3/s提餾段液相負(fù)荷下限線（Ls）min=0.00036 m3/s(4)精餾段液相負(fù)荷上限線（線4）35s取=5s 解得(Ls)max=0.5530.46/5=0.0051 m3/s提餾段液相負(fù)荷上限線(Ls)max=0.5530.46/5=0.0051 m3/s(5)精餾段液泛線（線5）=hf+hw+hd+h+how=hc+hl+h+hw+hd+h+how液體表面張力所造成的靜壓頭

26、h和液面落差h可忽略hd=0.153這樣=hc+hl+h+hw+hd+h+how=5.34代入已知數(shù)據(jù)，整理得VS2=1.705-48000 LS2-10.97 LS2/3LS,m3/s0.00060.00090.00180.0024VS,m3/s1.611.561.391.23LS,m3/s0.0010.0020.0030.004VS,m3/s3.43.283.183.09由上述五條線可畫(huà)出負(fù)荷性能圖精餾段提餾段由圖知（1）從塔板負(fù)荷性能圖可看出，按生產(chǎn)任務(wù)規(guī)定的氣相和液相流量所得到的操作點(diǎn)P，處在適宜操作區(qū)的位置，說(shuō)明塔板設(shè)計(jì)合理。（2）因?yàn)橐悍壕€在霧沫夾帶線的上方，所以塔板的氣相負(fù)荷上限

27、由霧沫夾帶控制，操下限由漏夜線控制。（3）按固定的液氣比，從負(fù)荷性能圖中查得氣相負(fù)荷上限Vsmax，氣相負(fù)荷下限Vsmin，所以可得精餾段操作點(diǎn)（0.00052,0.7046）在圖上Vsmax=1.375m3/s, Vsmin=0.332m3/s操作彈性=Vsmax/Vsmin=4.14提餾段操作點(diǎn)（0.001014,0.7375）在圖上Vsmax=1.32m3/s, Vsmin=0.387m3/s操作彈性=Vsmax/Vsmin=3.4塔板的這兩操作彈性在合理的范圍（35）之內(nèi)，由此也可表明塔板設(shè)計(jì)是合理的現(xiàn)將塔板設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總?cè)鐖D項(xiàng)目?jī)?nèi)容-數(shù)值或說(shuō)明備注塔徑D/m0.8板間距HT/m0.

28、46塔板形式單液流弓形降液管整塊式塔板空塔氣速u(mài)/(m/s)1.01堰長(zhǎng)lw/m0.56堰高h(yuǎn)w/m0.056板上液層高度hL/m0.06降液管底隙高度h0/m0.0087浮閥數(shù)N/個(gè)49等腰三角形叉排閥孔氣速u(mài)0/(m/s)10.89臨界閥孔氣速u(mài)oc/(m/s)1038孔心距t/m0.075同一豎排的孔心距單板壓降pa564.1液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間/s62.23降液管內(nèi)清液層高度Hd/m0.06泛點(diǎn)率/(%)30液相負(fù)荷上VSmax/(m3/s)0.0051霧沫夾帶控制氣相負(fù)荷下VSmin/(m3/s)0.332（0.387）漏液控制操作彈性4.14（3.4）后面為提餾段五 塔的附屬設(shè)備的計(jì)算5.1各接管尺寸的確定【2】（1）、進(jìn)料管(VS)F =0.00059 m3/s 取uF=1.6m/sdF =0.0251m=25.1mm經(jīng)圓整選取熱軋無(wú)縫鋼管（GB8163-87）：【4】u實(shí)=0.78m/s（2）、塔頂蒸汽出口管dvqv=取uv=18m/s 則dv=0.2213m=221.3mm經(jīng)圓整選取熱軋無(wú)縫鋼管（GB8163-87）：【4】u實(shí)=17.7m/s（3）、回流液管dRqR =取uR=2m/s 則 dR =0.0162m=16.2mm經(jīng)圓整選取焊接鋼管（GB3091-93）:【4】u實(shí)=0.87m/s(4)釜液排出管徑dwqw=取uw=0.6m/s 則 d