甲醇-水板式精馏塔课程设计.doc

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1、课程设计报告甲醇水精馏分离板式塔设计姓 名： 指导教师： 年 月 日化工原理课程设计任务书一、设计题目：甲醇精馏塔二、设计任务及条件（1）、进料含甲醇30%，其余为水（均为质量分率，下同）（2）、产品甲醇含量不低于98%；（3）、釜残液中甲醇含量不高于xxx%；（4）、生产能力17500T/Y甲醇产品，年开工7200小时（5）、操作条件：间接蒸汽加热；塔顶压强：1. 03 atm（绝对压强）进料热状况：泡点进料； 单板压降：75mm液柱三、设计内容（1）、流程的确定与说明； （2）、塔板和塔径计算；（3）、塔盘结构设计： i. 浮阀塔盘工艺尺寸及布置简图；ii.流体力学验算；iii.塔板负荷性

2、能图。 （4）、其它；i.加热蒸汽消耗量；ii.冷凝器的传热面积及冷却水的消耗量四、设计成果（1）设计说明书一份（2）A4设计图纸包括：流程图、精馏塔工艺条件图。目录1.精馏塔的物料衡算1. 原料液及其塔顶与塔底产品的摩尔分率甲醇的摩尔质量为：32.04kg/kmol水的摩尔质量为： 18.01kg/kmol 2. 原料液及其塔顶与塔底产品的平均摩尔质量则可知：原料的处理量：根据回收率： 则有： 由总物料衡算：以及: 容易得出： ,2.塔板数的确定2.1逐板计算法求取理论板层数甲醇-水汽液平衡数据：xyxyxy0.000.0000.150.5170.700.8700.020.1340.200.

3、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最小回流比及其操作回流比的求解：=0.570,=0.194=(0.982-0.570/(0.570-0.194)=1.096取操作回流比为=1.81.096=1.972.1.1精馏塔的气、液相负荷=1.9723=452.1.2精馏段、提馏段操作线方程精馏段操作线：提馏段操作线：2.1.3 用逐板计算法求塔板数：相平衡方程：由前面可得： 解得：依次解得：X=0.692X=0.6

4、74X=0.629X=0.571X=0.459Y=0.982 Y=0.790Y=0.778Y=0.748Y=0.710X=0.323X=0.150X=0.0464X=0.0463X=0.045Y=0.636Y=0.546Y=0.356Y=0.109Y=0.108，即前面7块板是精馏段，后面起用提留段操作线方程和相平衡方程进行计算。X=0.043X=0.041X=0.040X=0.027X=0.0026X=0.00018Y=0.107Y=0.101Y=0.096Y=0.095Y=0.064Y=0.004712.2理论板层数NT的求取精馏段实际塔板数 N=7/60%=12块提馏段实际塔板数 N=9

5、/60%=15块3.精馏塔的工艺条件及有关物性数据数据3.1操作压力的计算设每层塔压降：（一般情演况下，板式塔的每一个理论级压降约在0.41.1）进料板压力：精馏段平均压力：塔釜板压力： 提馏段平均压力：3.2.操作温度的计算查表可得安托尼系数ABCMinMaxH2O7.074061657.46227.0210168CH3OH7.197361574.99238.23-1691H2O的安托尼方程： CH3OH的安托尼方程：甲醇的tB 由泡点方程试差可得当 时 同理可求出 时 时 所以 塔顶温度 进料板温度 塔釜温度 精馏段平均温度 提馏段平均温度 3.3 平均摩尔质量的计算3.3.1 塔顶平均摩

6、尔质量计算由 查平衡曲线得 3.3.2 进料板平均摩尔质量计算由 查平衡曲线得 3.3.3 塔釜平均摩尔质量计算由 查平衡曲线得 3.3.4 精馏段平均摩尔质量3.3.5 提馏段平均摩尔质量4. 精馏塔的塔体工艺尺寸4.1 精馏段塔径的计算由上面可知精馏段 精馏段的气、液相体积流率为式中，负荷因子由史密斯关联图查得C20再求图的横坐标为 取板间距，,板上清液层高度取，则史密斯关联图如下由上面史密斯关联图，得知气体负荷因子取安全系数为0.8，则空塔气速为 按标准塔径圆整后为塔截面积为实际空塔气速为安全系数在充许的范围内，符全设计要求)4.2 提馏段塔径的计算由上面可知提馏段 提馏段的气、液相体积

7、流率为 式中，负荷因子由史密斯关联图查得再求图的横坐标为 取板间距，板上清液层高度取，则由史密斯关联图，得知 气体负荷因子取安全系数为0.7，则空塔气速为 =0.921m按标准塔径圆整后为塔截面积为实际空塔气速为(安全系数在充许的范围内，符全设计要求)4.3精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为 提馏段有效高度为 在进料板上方开一个人孔，其高度为故精馏塔有效高度为5.塔板主要工艺尺寸5.1精馏段塔板工艺尺寸计算 5.1.1溢流装置计算因塔径，所以可选取单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。( 此种溢流方式液体流径较长，塔板效率较高，塔板结构简单，加工方便，在直径小于的塔中被广泛使用。)各项计算如下：

8、5.1.1.1堰长可取5.1.1.2溢流堰高度由选用平直堰，( 溢流堰板的形状有平直形与齿形两种，设计中一般采用平直形溢流堰板。) 堰上层液高度由下列公式计算，即有 并由图液流收缩系数计算图，则可取用 ，则取板上清液层高度故5.1.1.3 弓形降液管的宽度和截面积由 查可求得 并依据下式验算液体在降液管中的停留时间，即其中即为板间距0.40m，即为每小时的体积流量验证结果为降液管设计符合要求。5.1.1.4降液管底隙高度取故降液管底隙高度设计合理选用凹形受液盘，深度5.1.2塔板布置5.1.2.1塔板的分块因为，所以选择采用分块式，查可得，塔板可分为3块。5.1.2.2 边缘区宽度确定取 ,

9、5.1.3开孔区面积计算开孔区面积按下面式子计算，则有其中 并由, 推出由上面推出5.1.4 筛孔计算与排列本实验研究的物系基本上没有腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径筛孔按正三角形排列，取孔中心距为 筛孔的数目为开孔率为气体通过阀孔的气速为5.2提馏段塔板工艺尺寸的计算 (计算公式和原理同精馏段)5.2.1溢流装置计算因塔径，所以可选取单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘（同精馏段）。各项计算如下：5.2.1.1 堰长可取5.2.1.2 溢流堰高度由可选取平直堰，堰上层液高度由下列公式计算，即有并由图液流收缩系数计算图，则可取用 ，则取板上清液层高度故 5.2.1.3弓形降液管的宽度和截面积由 查

10、图可求得 并依据下式验算液体在降液管中的停留时间，即其中即为板间距0.40m，即为每小时的体积流量验证结果为降液管设计符合要求。5.2.1.4降液管底隙高度取 则故降液管底隙高度设计合理选用凹形受液盘，深度。5.2.2 塔板布置5.2.2.1 塔板的分块因为，所以选择采用分块式，查表可得，塔板可分为3块。5.2.2.2 边缘区宽度确定取 , 5.2.3 开孔区面积计算开孔区面积按式子5-12计算，则有其中 并由，推出由上面推出5.2.4 筛孔计算与排列本实验研究的物系基本上没有腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径筛孔按正三角形排列，取孔中心距为 筛孔的数目为开孔率为气体通过阀孔的气速为6.筛板的流

11、体力学验算6.1精馏段的力学验算6.1.1塔板的压降6.1.1.1干板的阻力计算干板的阻力计算由公式并取 ,可查史密斯关联图得，所以液柱6.1.1.2气体通过液层的阻力的计算气体通过液层的阻力由公式可查得，得所以液柱6.1.1.3液体表面张力的阻力计算液体表面张力的阻力由公式计算,则有液柱气体通过每层塔板的液柱高度，可按下面公式计算液柱气体通过每层塔板的压降为（设计允许值）6.1.2液面落差对于筛板塔，液面落差很小，由于塔径和液流量均不大，所以可忽略液面落差的影响。6.1.3液沫夹带 液沫夹带量，采用公式由 所以可知液沫夹带量在设计范围之内。6.1.4漏液对于筛板塔，漏液点气速可由公式实际孔速

12、为稳定系数为 故在本设计中无明显漏液。6.1.5液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液高度应服从式子甲醇与水属于一般物系，取 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT ，则而板上不设进口堰，则有液柱液柱则有于是可知本设计不会发生液泛6.2提馏段的力学验算6.2.1塔板的压降6.2.1.1干板的阻力计算干板的阻力计算由公式并取 ,可查图得， EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 所以液柱6.2.1.2气体通过液层的阻力计算气体通过液层的阻力由公式可查图得所以液柱6.2.1.3液体表面张力的阻力计算液体表面张力的阻力h由公式计算,则有液柱气体

13、通过每层塔板的液柱高度，可按公式液柱气体通过每层塔板的压降为 计算结果在设计允值内6.2.2液面落差 对于筛板塔，液面落差很小，因塔径和液流量均不大，所以可忽略液面落差的影响。6.2.3 液沫夹带 液沫夹带量，采用公式可知液沫夹带量在设计范围之内。6.2.4 漏液对于筛板塔，漏液点气速可由公式稳定系数为 故在本设计中无明显漏液。6.2.5液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液高度Hd应服从式子甲醇与水属于一般物系，取 则而板上不设进口堰，则有液柱液柱则有：于是可知本设计不会发生液泛。7.辅助设备的计算及选型7.1原料预热器原料加热：采用压强为的水蒸汽加热，温度为130，冷凝温度至130流体形式采用

14、逆流加热，则同时有 质量分数根据上式可知：设加热原料温度由10到85则有：选择传热系数则传热面积由下列公式计算： 其中 故有：取安全系数为0.8 则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-0.011935.5130007.2塔顶全凝器甲醇的气化热冷凝塔顶产品由温度67.0冷却到温度40采用冷凝水由20到40选择 则有： 取安全系数为0.8 实际面积选择冷凝器的系列：采用加热管的直径为：252.5mm名称公称直径Dg

15、/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计算换热面积/m2换热管长度/mm规格0.0399172.1260007.3塔底再沸器塔釜产品由温度103.2加热到温度130选择 则有：取安全系数为0.8则有名称公称直径Dg/mm公称压力Pg/MPa管程数N管子根数n规格6002.5242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0.0190100.0060007.4产品冷却器假设产品从67.0冷却到40时 冷却水从进口温度15到40时取取安全系数为0.8 则名称公称直径Dg/mm公称压力Pg/MPa管程数N管子根数

16、n规格2732.532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0.00504.0630007.5精馏塔的其他尺寸7.5.1塔顶空间 塔顶空间指塔内最上层塔板与塔顶的间距，为利于出塔气体夹带的液滴沉降，其高度应该大于板间距。所以塔顶间距为7.5.2 塔底空间 塔底高度选择储存液量停留在5分钟而定，设塔底的密度为 算出 所以 塔底高度设计为7.5.3塔支座为7.5.4塔体总高度为：7.6管径的设计7.6.1塔顶蒸气出口管的直径操作压力为常压时，蒸气导管中常用流速为20，蒸气管的直径为 ，其中-塔顶蒸气导管内径m -塔顶蒸气量，则 名称接管公称直径Dg接管 外径厚度接管

17、伸出长度补强圈（内径、外径）规格350mm37710mm200mm620/381mm7.6.2回流管的直径当塔顶冷凝器械安装在塔顶平台时，回流液靠重力自流入塔内，流速可取0.5当用泵输送时，可取2.5本设计应用前者，回流液靠重力自流入塔内，流速取0.5) 名称接管公称直径Dg接管 外径厚度接管伸出长度补强圈（内径、外径）规格50mm573.5mm150mm-7.6.3进料管的直径若采用高位槽送料入塔，料液速度可取0.8，如果用泵输送时，料液速度可取(本设计采用高位槽送料入塔，料液速度) 名称接管公称直径Dg接管 外径厚度接管伸出长度补强圈（内径、外径）规格150mm1595mm200mm-7.

18、6.4塔底出料管的直径一般可取塔底出料管的料液流速为，循环式再沸器取 （本设计取塔底出料管的料液流速为0.8）名称接管公称直径Dg接管 外径厚度接管伸出长度补强圈（内径、外径）规格1001086150200/112八.附：一些特殊符号所代表的实际意义英文字母Aa- 塔板的开孔区面积，m2Af- 降液管的截面积, m2Ao- 筛孔区面积, m2 AT-塔的截面积 m2PP-气体通过每层筛板的压降C-负荷因子 无因次t-筛孔的中心距C20-表面张力为20mN/m的负荷因子do-筛孔直径 uo-液体通过降液管底隙的速度D-塔径 mWc-边缘无效区宽度ev-液沫夹带量 kg液/kg气Wd-弓形降液管的

19、宽度ET-总板效率Ws-破沫区宽度R-回流比Rmin-最小回流比 M-平均摩尔质量 kg/kmoltm-平均温度 g-重力加速度 9.81m/s2Z-板式塔的有效高度Fo-筛孔气相动能因子 kg1/2/(s.m1/2)hl-进口堰与降液管间的水平距离 m-液体在降液管内停留时间hc-与干板压降相当的液柱高度 m-粘度hd-与液体流过降液管的压降相当的液注高度 m-密度hf-塔板上鼓层高度 m-表面张力hL-板上清液层高度 m-液体密度校正系数h1-与板上液层阻力相当的液注高度 m下标ho-降液管的义底隙高度 mmax-最大的how-堰上液层高度 mmin-最小的hW-出口堰高度 mL-液相的h

20、W-进口堰高度 mV-气相的h-与克服表面张力的压降相当的液注高度 mH-板式塔高度 mHB-塔底空间高度 mHd-降液管内清液层高度 mHD-塔顶空间高度 mHF-进料板处塔板间距 mHP-人孔处塔板间距 mHT-塔板间距 mH1-封头高度 mH2-裙座高度 mK-稳定系数lW-堰长 mLh-液体体积流量 m3/hLs-液体体积流量 m3/sn-筛孔数目 P-操作压力 KPaP-压力降 KPaPp-气体通过每层筛的压降 KPaT-理论板层数u-空塔气速 m/su0,min-漏夜点气速 m/suo -液体通过降液管底隙的速度 m/sVh-气体体积流量 m3/hVs-气体体积流量 m3/sWc-

21、边缘无效区宽度 mWd-弓形降液管宽度 mWs -破沫区宽度 mZ - 板式塔的有效高度 m 希腊字母-筛板的厚度 m-液体在降液管内停留的时间 s-粘度 mPa.s-密度 kg/m3-表面张力N/m-开孔率 无因次-质量分率 无因次 下标Max- 最大的Min - 最小的L- 液相的V- 气相的 甲醇的一些理化性质：化学式摩尔质量密度熔点沸点黏度(20 )闪点临界温度临界压力临界密度CH3OH32.04 g/mol0.7918 g/cm397 64.7 0.59 mPas11 239.58.09MPa0.272g/ml九.参考文献【1】吴俊生 邵惠鹤精馏设计操作和控制 中国石化出版社【2】潘国昌 郭庆丰 化工设备设计 清华大学出版社【3】张卫勇，房鼎业，朱炳晨等，大型甲醇合成反应器模拟设计,华东理工大学学报，2000,2(1):81-86【4】王志魁 化工原理第三版 化学工业出版社 359-380【5】贾绍义 柴诚敬 化工原理课程设计 天津大学出版社 108【6】陈敏恒 丛得滋 方图南 齐鸣斋化工原理第三版上、下册 化学工业出版社 2006.5【7】刘光启,马连,湘刘杰.化学化工物性数据手册（有机卷）（无机卷）.化学工业出版社.2002,5