畢業(yè)設(shè)計(jì) 畢業(yè)論文 甲醇-水二元篩板精餾塔設(shè)計(jì)

吉林化工學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì)題目甲醇--水二元篩板精餾塔設(shè)計(jì)教學(xué)院專業(yè)班級(jí)學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師2021年12月22日題目甲醇—水二元篩板精餾塔的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)條件：常壓P=1atm〔絕壓〕處理量：70kmol/h釜液組成0.035〔以上均為摩爾分率〕加料熱狀況q=0.97塔頂全凝器泡點(diǎn)回流—2.0)Rmin單板壓降≤設(shè)計(jì)任務(wù)：完成該精餾塔的工藝設(shè)計(jì)〔包括物料衡算、熱量衡算、篩板塔的設(shè)計(jì)計(jì)算〕。畫出帶控制點(diǎn)的工藝流程圖〔2號(hào)圖紙〕、精餾塔工藝條件圖〔2號(hào)圖紙〕。寫出該精餾塔的設(shè)計(jì)說明書，包括設(shè)計(jì)結(jié)果匯總和設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)。目錄TOC\o"1-1"\h\z\u目錄 III摘要 V第一章緒論 1篩板塔的特點(diǎn) 1設(shè)計(jì)思路 1第二章精餾塔的工藝設(shè)計(jì) 2產(chǎn)品濃度的計(jì)算 2平均相對(duì)揮發(fā)度的計(jì)算 2最小回流比的計(jì)算和適宜回流比確實(shí)定 3物料衡算 4精餾段和提餾段操作線方程 5逐板法確定理論板數(shù)及進(jìn)料位置 5實(shí)際塔板數(shù)及實(shí)際加料位置和全塔效率 5第三章精餾塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算 7物性計(jì)算 7精餾塔主要工藝尺寸的計(jì)算 12精餾塔的流體力學(xué)驗(yàn)算 17塔板負(fù)荷性能圖 193.5塔的接管 24第四章熱量衡算 26比熱容及汽化熱的計(jì)算 26熱量衡算 27結(jié)果匯總表 29結(jié)束語 32參考文獻(xiàn) 33主要符合說明 34教師評(píng)分表 37摘要在這次課程設(shè)計(jì)任務(wù)中，我們應(yīng)用了化工原理精餾知識(shí)對(duì)甲醇-水二元篩板精餾塔進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使我們對(duì)課本知識(shí)進(jìn)行了更深一步的認(rèn)識(shí)，并且對(duì)實(shí)際操作有了一定的了解。本次設(shè)計(jì)的篩板塔是化工生產(chǎn)中主要的氣液傳質(zhì)設(shè)備，此設(shè)計(jì)針對(duì)二元物系的精餾問題進(jìn)行分析、選取、計(jì)算、核算、繪圖等，是較為完整的精餾設(shè)計(jì)過程。經(jīng)計(jì)算，回流比R=1.01，實(shí)際塔板為18，其中精餾段7塊，提餾段11塊，最終計(jì)算塔高為14.69m，篩孔數(shù)1580個(gè)，精餾段操作彈性1.81，提餾段操作彈性2.02，符合要求。關(guān)鍵詞：甲醇；水；實(shí)際塔板數(shù)；回流比；操作彈性；精餾段；提餾段。第一章緒論篩板塔板簡(jiǎn)稱篩板，結(jié)構(gòu)持點(diǎn)為塔板上開有許多均勻的小孔。根據(jù)孔徑的大小，分為小孔徑篩板(孔徑為3—8mm)和大孔徑篩板(孔徑為10—25mm)兩類。工業(yè)應(yīng)用小以小孔徑篩板為主，大孔徑篩板多用于某些特殊場(chǎng)合(如別離粘度大、易結(jié)焦的物系)。篩板的優(yōu)點(diǎn)足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低；板上液面落差小，氣體壓降低，生產(chǎn)能力較大；氣體分散均勻，傳質(zhì)效率較高。其缺點(diǎn)是篩孔易堵塞，不宜處理易結(jié)焦、粘度大的物料。應(yīng)予指出，盡管篩板傳質(zhì)效率高，但假設(shè)設(shè)計(jì)和操作不當(dāng)，易產(chǎn)生漏液，使得操作彈性減小，傳質(zhì)效率下降．故過去工業(yè)上應(yīng)用較為謹(jǐn)慎。近年來，由于設(shè)計(jì)和控制水平的不斷提高，可使篩板的操作非常精確，彌補(bǔ)了上述缺乏，故應(yīng)用日趨廣泛。在確保精確設(shè)計(jì)和采用先進(jìn)控制手段的前提下，設(shè)計(jì)中可大膽選用。全塔物料衡算求理論塔板數(shù)氣液相負(fù)荷計(jì)算篩板塔設(shè)計(jì)流體力學(xué)性能校正畫出負(fù)荷性能圖全塔熱量衡算塔附屬設(shè)備計(jì)算第二章精餾塔的工藝設(shè)計(jì)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：=32水的摩爾質(zhì)量：=18表2-1甲醇-水Antdne常數(shù)[1]ABＣ甲醇８．０８０９７１５８２．２７１２３９．７２６水８．０７１３１１７３０．６３０２３３．４２６當(dāng)塔頂溫度tD=℃時(shí)聯(lián)立，解得：782.78mmHg進(jìn)料溫度tF℃時(shí)聯(lián)立，解得：4mmHg℃時(shí)聯(lián)立，解得：2292.56mmHg相對(duì)揮發(fā)度：q=0.99那么：相平衡方程：聯(lián)立方程，解得：ye=0.8126,xe=所以，根據(jù)公式查吉利蘭關(guān)聯(lián)圖[2]繪制表2-2倍數(shù)RN0.797圖2-1甲醇平衡曲線圖取操作回流比原料處理量F=70kmol/h總物料衡算F=D+W甲醇的物料衡算FxF=DxD+Wxw聯(lián)立，得D=W=精餾段和提餾段操作線方程精餾段操作線方程：yn+1=xn+提餾段操作線方程：由q=0.97得Xq第一塊塔板上升氣相組成：y1=xD代入平衡曲線得第一塊塔板下降液相組成：再將x12，如此反復(fù)計(jì)算得如下結(jié)果：y2=0.9213，x2y3=0.8587，x3y4=0.7883，x4=0.4930<0.547=xq即第四塊板為理論加料板位置，改用提餾段操作線方程計(jì)算如下：y5=0.7106，x5y6=0.5661，x6y7=0.3732，x7y8=0.2043，x8y9=0.1045，x9<0.035=xw所以，理論板數(shù)共9塊(包括再沸器),第4塊板加料，其中精餾段為3塊板精餾段：塊提餾段：=3.32塊全塔所需實(shí)際板數(shù)：11+7=18塊全塔效率實(shí)際加料版為第8塊第三章精餾塔主要工藝尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算1.操作壓力計(jì)算：應(yīng)該根據(jù)處理物料的性質(zhì)，兼顧技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性原那么。對(duì)熱敏物料，一般采用減壓操作，可使相對(duì)揮發(fā)度增大，利于別離，但壓力減小，導(dǎo)致塔徑增加，要使用抽空設(shè)備。對(duì)于物性無特殊要求的采用常壓操作。塔頂壓力=101.3=101.3kPa單板壓降ΔP=進(jìn)料板壓力pF塔底壓力pw精餾段平均壓力pm提留段平均壓力pm'=(1+)/2=kPa2.操作溫度計(jì)算：[1]x0y0t/℃100xyt/℃(1)塔頂氣、液，進(jìn)料和塔底的溫度分別為tDtFtW查表一，利用內(nèi)插法，得塔頂溫度：〕/〔1-0.8741〕=(tLD-66.9)/(0.965-0.8741)得到℃塔底(100-92.9)/(0-0.0531)=〔tw-92.9〕/〔0.035-0.0531〕得到tW℃進(jìn)料〔72.7-71.3〕/〔0.5292-0.5937〕=〔tF-71.3〕/(0.55-0.5937)得到tF℃精餾段平均溫度：提餾段平均溫度：3.平均摩爾質(zhì)量計(jì)算：塔頂溫度：tD℃汽相組成yD：進(jìn)料溫度：tF℃汽相組成yF：塔底溫度：tW℃汽相組成yW：精餾段平均液相組成：精餾段平均汽相組成：提餾段平均液相組成：提餾段平均汽相組成：Ⅰ、精餾段精餾段平均溫度℃精餾段平均液相組成：精餾段平均汽相組成：精餾段液相平均分子量：精餾段氣相平均分子量：液相密度：氣相密度：液相流量：氣相流量：Ⅱ、提餾段℃提餾段平均液相組成：提餾段平均氣相組成：提餾段液相平均分子量：提餾段氣相平均分子量：液相密度：氣相密度：液相流量：氣相流量：4.液體平均外表張力計(jì)算：表3-2甲醇、水密度、粘度、外表張力在不同溫度下的值[1]溫度5060708090100ρ甲醇760751743734725716ρ水μ甲醇μ水σ甲醇σ水查圖知：二元有機(jī)物-水溶液外表張力可用以下公式計(jì)算其中上述諸式中下標(biāo)W,O,S分別代表水、有機(jī)物及外表局部；Xw，Xo主體局部的分子數(shù)：Vw，Vo主體局部的分子體積；σw，σo分別為純水、有機(jī)物的外表張力；對(duì)甲醇q=1。塔頂液相外表張力℃，代入上式得：塔頂液外表張力：進(jìn)料板液相外表張力tF℃,代入上式得：進(jìn)料液相外表張力：塔底液相外表張力℃，代入上式得：塔底液相外表張力：精餾段平均液相外表張力：提餾段平均液相外表張力：全塔平均液相外表張力：℃：得出：得出：℃：得出：得出：精餾段黏度：提餾段黏度：精餾段欲求塔徑應(yīng)先求出空塔氣速u＝平安系數(shù)×umax功能參數(shù)：取塔板間距=0.45m，板上液層高度，那么別離空間：從史密斯關(guān)聯(lián)圖[2]，由于塔截面積：實(shí)際空塔氣速：提餾段功能參數(shù)：取塔板間距=0.45m，板上液層高度，那么別離空間：從史密斯關(guān)聯(lián)圖查得：，由于圓整?。篋'塔截面積：空塔氣速：精餾段有效高度提餾段有效高度所以應(yīng)多加高(0.6-0.45)×Z=+〔1〕塔頂封頭：本設(shè)計(jì)采用橢圓型封頭，由公稱直徑DN=800mm，=200mm，。那么封頭高度〔2〕塔頂空間：設(shè)計(jì)中取塔頂間距〔3〕塔底空間：〔4〕人孔：對(duì)于D100mm的板式塔，需設(shè)置3個(gè)人孔，每個(gè)人孔直徑450mm，在設(shè)置人孔處板間距=600mm〔5〕進(jìn)料板處板間距：=800mm〔6〕裙座：本設(shè)計(jì)采用圓筒形裙座，由于裙座內(nèi)徑800mm，故裙座厚度取16mm，取裙座高=3m選用單溢流弓形管降液管，不設(shè)進(jìn)口堰。取堰長(zhǎng)查流液收縮圖可知[6]hw＝hL－h(huán)ow其中得how=0.0055mhow‘hw取0.0645mhw,和截面積Af查圖知[2]知精餾段：驗(yàn)算液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間提鎦段：驗(yàn)算液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間停留時(shí)間>5s故降液管尺寸可用。，取那么精餾段：提鎦段：故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。D≥100mm故塔板采用分層，查表塔板分為3塊。邊緣區(qū)寬度確定取物系無腐蝕性，選用δ=3mm碳鋼板，取篩孔直徑。篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為開孔率為篩孔數(shù)目n為精餾段氣體通過閥孔的氣速:提餾段氣體通過閥孔的氣速:精餾塔的流體力學(xué)驗(yàn)算1.塔板壓降干板阻力計(jì)算由/δ[3]精餾段：1m提餾段：m氣體通過液層的阻力Hl計(jì)算：精餾段：由圖查取板上液層充氣系數(shù)提餾段：4由圖查[3]取板上液層充氣系數(shù)液體外表張力的阻力計(jì)算計(jì)算精餾段：=液柱提餾段：=液柱氣體通過每層塔板的液柱高可按下計(jì)算精餾段提餾段對(duì)于D1.6m的篩板，液面落差可以忽略不計(jì)。3液沫夾帶(kg液/kg氣)精餾段：提餾段：本設(shè)計(jì)液沫夾帶量在允許范圍0.1kg液/kg氣內(nèi),符合要求4漏液篩板塔,漏液點(diǎn)氣速帶入數(shù)據(jù)得：精餾段，提餾段實(shí)際孔速:精餾段＞,提餾段＞，穩(wěn)定系數(shù):精餾段，提餾段均大于1.5小于2,所以設(shè)計(jì)無明顯液漏符合要求..5液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛,降液管內(nèi)清液層高Hd≤φ()對(duì)于設(shè)計(jì)中的甲醇-水體系φ=0.5,Hd≤由于板上不設(shè)進(jìn)口堰精餾段液柱提餾段所以不會(huì)發(fā)生淹泛現(xiàn)象以上各項(xiàng)流力學(xué)驗(yàn)算可認(rèn)為精餾段、提溜段塔徑及各項(xiàng)工藝尺寸是適合的。1、漏液線由得精餾段：=得=提餾段：得=表3-1漏液線計(jì)算結(jié)果精餾段提餾段2、液沫夾帶線以kg液/kg氣為限求-關(guān)系：由精餾段：整理得提餾段：整理得表3-2液沫夾帶線計(jì)算結(jié)果精餾段提餾段3、液相負(fù)荷下限線對(duì)于平流堰，取堰上液層高度how5m作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)，由式計(jì)算精餾段：提餾段：4液相負(fù)荷上限線以θ=4s作為液體在降液管中停留的下限s精餾段：提鎦段：5、液泛線Hd=φ()由，，，得其中帶入數(shù)據(jù)精餾段提餾段所以精餾段提餾段表3-3液泛線計(jì)算結(jié)果精餾段提餾段6操作彈性由以上各線的方程式，可畫出圖塔的操作性能負(fù)荷圖。根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)規(guī)定的氣液負(fù)荷，可知操作點(diǎn)在正常的操作范圍內(nèi)，作出操作線圖圖3-1精餾段負(fù)荷性能圖由圖，故精餾段操作彈性為/圖3-2提餾段負(fù)荷性能圖由圖，故提餾段操作彈性為/精餾段提餾段操作彈性均大于1小于5,符合要求。3.5塔的接管3.5.1進(jìn)料管采用直管進(jìn)料，管徑為查的選取φ25mm×3mm規(guī)格的熱軋無縫鋼管。3.5.2回流管直管回流，取查的選取φ25mm3mm規(guī)格的熱軋無縫鋼管。蒸汽出料管采用直管出料，取那么查的選取φ219mm10mm規(guī)格的熱軋無縫鋼管。3.5.4塔底出料管采用直管進(jìn)氣，取查的選取φ20mm3mm規(guī)格的熱軋無縫鋼管。蒸汽出料管那么有查的選取φ219mm8mm規(guī)格的熱軋無縫鋼管。第四章熱量衡算表4-1甲醇水的比熱容[10]甲醇溫度／℃比熱容kJ／mol·k汽化潛熱kJ／kg4011496011288010701001030水溫度比熱容kJ／(kg·k)汽化潛熱J／mol506064無4224766無42153708090100塔頂溫度tD下的比熱容，對(duì)于甲醇，在tD℃，利用插值法：對(duì)于水同理可分別求出：(2)進(jìn)料塔溫度tF℃時(shí)，比熱容(3)塔底溫度tw℃時(shí)，比熱容(4)塔頂溫度下的汽化潛熱根據(jù)內(nèi)插法：TD℃〔1〕0℃時(shí)塔頂上升的熱量，塔頂0℃為基準(zhǔn)〔2〕回流液的熱量tD℃(3)塔頂餾出液熱量(4)進(jìn)料熱(5)塔底殘液熱(6)冷凝管消耗熱(7)再沸器提供熱：塔釜熱損失10%。即即實(shí)際熱負(fù)荷：計(jì)算得：表4-2熱量計(jì)算結(jié)果熱量衡算結(jié)果工程進(jìn)料冷凝器塔頂餾出液塔底殘液再沸器熱量Q〔kJ/h〕結(jié)果匯總表參數(shù)符號(hào)參數(shù)名稱精餾段提餾段Tm(C)平均溫度MLm(kg/kmol)液相平均摩爾質(zhì)量MVm(g/kmol)氣相平均摩爾質(zhì)量ρlm(kg/m)液相平均密度ρvm(kg/m)氣相平均密度σm(dyn/cm)液體平均外表張力μm(mpa·s)液體平均粘度Vs(m/s)氣相流量Ls(m/s)液相流量N實(shí)際塔板數(shù)711Z(m)有效段高度D(m)塔徑HT(m)板間距δ(m)板厚溢流形式單溢流單溢流降液管形式弓形弓形溢流堰平行平行l(wèi)W(m)堰長(zhǎng)hW(m)堰高h(yuǎn)l(m)板上液層高度hOW(m)堰上液層高度hO(m)降液管底隙高度Wd(m)降液管寬度Ws(m)安定區(qū)寬度Wc(m)邊緣區(qū)高度Aa(m)有效傳質(zhì)面積AT(m)塔橫截面積Af(m)降液區(qū)面積AO〔m〕篩孔面積dO〔m〕篩孔直徑t〔m〕孔中心距n篩孔數(shù)目15801580φ〔%〕開孔率U〔m/s〕空塔氣速平安系數(shù)UO〔〔m/s〕篩孔氣速K穩(wěn)定系數(shù)Hc〔m液柱〕干板阻力Hl〔m液柱〕液體有效阻力HlHσ〔m液柱〕液體外表張力阻力Hp〔m液柱〕總阻力P〔pa〕每層塔板壓降649636τ(s)停留時(shí)間ev(0.1kg液/kg干氣)液沫夾帶量液泛合格合格漏液合格合格E液流收縮系數(shù)CO孔流系數(shù)ε液層充氣系數(shù)φ相對(duì)泡沫密度C液泛氣相負(fù)荷因子Fa氣相動(dòng)能因子液相負(fù)荷上限液相負(fù)荷下限汽相最大負(fù)荷汽相最小負(fù)荷操作彈性df進(jìn)料管直徑dr回流管直徑dv塔頂蒸汽出料管直徑dw塔底出料管直徑dV塔底蒸汽出料管直徑結(jié)束語化工原理課程設(shè)計(jì)二周黃金周已經(jīng)結(jié)束，但是對(duì)我來說一切才剛剛開始，因?yàn)檫€有很多東西沒有消化，我有頗多收獲：1.很多時(shí)候我都是照課本扒，缺乏獨(dú)立思考，盡信書不如無書，所以我也和同學(xué)溝通,認(rèn)真聽講老師指出的重點(diǎn)2.這次設(shè)計(jì)提高了我對(duì)wordexel等軟件的應(yīng)用水平，看似簡(jiǎn)單的東西用起來錯(cuò)誤百出，所以平時(shí)要多加練習(xí)課程設(shè)計(jì)也教會(huì)我們做事要持之以恒，有耐心，搞理科的要耐得住寂寞，在看似枯燥的計(jì)算中尋找樂趣最后非常感謝曾慶榮老師對(duì)我們的悉心教導(dǎo)，讓我們對(duì)化工原理充滿熱愛，在以后的成長(zhǎng)中受益匪淺參考文獻(xiàn)[1]劉光啟，馬連湘，劉杰主編化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè).無機(jī)卷.有機(jī)卷北京;化學(xué)工業(yè)出版社2002.3.[2]陳敏恒，叢德滋，方圖南，化工原理〔下冊(cè)〕[M]，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2006.5.[3]王衛(wèi)東;化工原理課程設(shè)計(jì);北京;化學(xué)工業(yè)出版社2021.9.主要符合說明符號(hào)意義單位平安系數(shù)-外表張力mN/mhw′凹形受液盤深度mm液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間sA傳熱面積m2Aa開孔面積m2Ad降液管截面積m2Af弓形降液管截面積m2AJ精餾段操作點(diǎn)-Ao殼程流通面積m2As換熱器所需換熱面積m2As′換熱器實(shí)際換熱面積m2AT塔截面積m2At提餾段操作點(diǎn)-C計(jì)算液泛速度的負(fù)荷因子-C20液體外表張力為20mN/m時(shí)的負(fù)荷因子-Co孔流系數(shù)-D塔徑mde換熱器管子的當(dāng)量直徑mdo篩孔直