化工原理甲醇—水精馏塔设计.docx

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1、某某化工大学化工原理课程设计说明书专 业: 制药工程班 级： 制药 1102 学生某某：黄奎兴学 号：11220233指导教师：王国胜成绩：1 / 46word化工原理课程设计任务书设计题目：别离甲醇-水混合液的填料精馏塔二 原始数据与条件生产力量：年生产量甲醇 1 万吨年开工 300 天原料：甲醇含量为 30%质量百分数，下同的常温液体别离要求：塔顶甲醇含量不低于 95%，塔底甲醇含量不高于 0.3%。建厂地区：某某三 设计要求一.一份精馏塔设计说明书，主要内容要求：1.前言2.流程确定和说明3.生产条件确定和说明4.精馏塔设计计算5.主要附属设备与附件选型计算6.设计结果列表7.设计结果的

2、自我总结与评价8.注明参考和试用的设计资料9.完毕语二绘制一份带掌握点工艺流程图。三制一份精馏塔设备条件图四设计日期：2023 年 5 月 20 日至 6 月 20 日2 / 46前言精馏塔分为板式塔和填料塔两大类。填料塔又分为散堆填料和规整填料两种。板式塔虽然构造较简洁，适应性强，宜于放大，在空分设备中被广泛承受。但是， 随着气液传热、传质技术的开展，对高效规整填料的争论，一些效率高、压降小、持液量小的规整填料的开发，在近十多年内，有逐步替代筛板塔的趋势。实际生产中，在精馏柱与精馏塔中精馏时，上述局部气化和局部冷凝是同时进展的。对抱负液态混合物精馏时，最终得到的馏液 (气相冷却而成)是沸点低

3、的 B 物质，而残液是沸点高的 A 物质，精馏是屡次简洁蒸馏的组合。精馏塔底部是加热区，温度最高；塔顶温度最低。精馏结果，塔顶冷凝收集的是纯低沸点组分， 纯高沸点组分如此留在塔底。精馏塔的优点：归纳起来，规整填料塔与板式塔相比，有以下优点：1)压降格外小。气相在填料中的液相膜外表进展对流传热、传质，不存在塔板上清液层与筛孔的阻力。在正常状况下，规整填料的阻力只有相应筛板塔阻力的 1/51/6；2)热、质交换充分，别离效率高，使产品的提取率提高；3)操作弹性大，不产生液泛或漏液，所以负荷调整 X 围大，适应性强。负荷调整X 围可以在 30%110%，筛板塔的调整X 围在 70%100%；4)液体

4、滞留量少，启动和负荷调整速度快；5)可节约能源。由于阻力小，空气进塔压力可降低 0.07MPa 左右，因而使空气压缩能耗削减 6.5% 左右；6)塔径可以减小。此外，应用规整填料后，由于当量理论塔板的压差减小， 全精馏制氩可能实现，氩提取率提高 10%15%。本文以甲醇和水的混合液为争论对象，由于甲醇和水在常压下相对挥发度较大， 较易别离。依据物理性质，操作条件等因素条件下选用泡点进料，塔顶再沸器和塔顶回流的方式，将甲醇和水进展别离的填料精馏塔。本课程设计者力量有限，在设计中难免会有缺乏之处，恳请教师和读者赐予批判指正。化工原理课程设计任务书 2 前言 3符号说明 5第一章 流程与生产条件确实

5、定和说明7 第一节 流程确实定和说明 8word一加料方式 8 二进料状况 8三塔顶冷凝方式 8 四回流方式 9五加热方式 9 六加热器 9其次节 生产条件确定和说明错误!未定义书签。一塔内操作压力的选择错误!未定义书签。二塔顶全凝剂的选择错误!未定义书签。 三塔底加热介质的选择错误!未定义书签。四回流状态与操作回流比的选择错误!未定义书签。其次章 精馏塔设计计算错误!未定义书签。一操作压力的选择错误!未定义书签。二气液平衡关系与数据错误!未定义书签。第三章塔板的工艺设计错误!未定义书签。第一节 物料衡算错误!未定义书签。一精馏塔全塔物料衡算错误!未定义书签。二精馏塔物性数据计算错误!未定义书

6、签。其次节 热量衡算错误!未定义书签。一冷凝器的热负荷错误!未定义书签。二冷却介质消耗量错误!未定义书签。三加热器的热负荷与全塔热量衡算错误!未定义书签。错误!未定义书签。第三节 精馏塔主要尺寸的设计错误!未定义书签。一塔顶条件下的物性参数错误!未定义书签。二塔釜条件下的流量与物性参数错误!未定义书签。三进料条件下的流量计物性参数错误!未定义书签。四精馏段的流量与物性参数错误!未定义书签。五提馏段错误!未定义书签。第四章理论塔板的计算错误!未定义书签。一回流比的计算错误!未定义书签。二气液相负荷错误!未定义书签。 错误!未定义书签。四 塔径的初步设计错误!未定义书签。五填料层的计算错误!未定义

7、书签。第五章附属设备与主要附件的选型计算错误!未定义书签。一冷凝器的选用错误!未定义书签。二、加热器的选用错误!未定义书签。三、塔内管径的计算与选择错误!未定义书签。四除雾沫器错误!未定义书签。错误!未定义书签。六塔斧设计错误!未定义书签。七填料支撑板的选择错误!未定义书签。八塔的顶部空间高度错误!未定义书签。4 / 46word第六章 设计结果与个人总结错误!未定义书签。第七章自我评价与说明错误!未定义书签。第八章参考文献错误!未定义书签。符号说明英文字母A塔截面积 m 2T6 / 46C 计算u时的负荷系数，无因次maxCo流量系数，无因次D 塔顶馏出物流量 kmol/sD塔径 md阀孔直

8、径 m0E液流收缩系数，无因次E总板效率全塔效率，无因次TFo阀孔动能因数， kg1/ 2 /(s m1/ 2 )FG HhhohLhsKLs NNPNTDppRRminu M Wx y Z希腊字母aq进料流量 kmol/h 重力加速度 m / s2塔高 m浮阀的开度 m降液管底隙高度 m 板上液层高度 m与抑制外表 X 力的压强降相当的液柱高度，m 液柱物性系数，量纲为 1 塔内液体流量 m3 / h 一层塔板上的浮阀总数实际板层数理论板层数压强降 Pa操作压强 Pa 回流比最小回流比空塔气速 m/s 分子量 kg/mol塔底产品釜残液流量 kmol/s 液相中易挥发组分的摩尔分数 气相中易

9、挥发组分的摩尔分数 塔高 m相对挥发度，量纲为 1液体在降液管内停留时间 sm黏度 mPa sr液相密度 kg / m3Lr气相密度 kg / m3Vs液体外表 X 力 N/m；y液体密度矫正系数，量纲为 1f系数，量纲为 1；填料因子 1/m下标max最大min最小L液相V气相1 精馏段2 提馏段A 易挥发组分B 难挥发组分F原料液第一章 流程与生产条件确实定和说明第一节 流程确实定和说明一加料方式加料方式有两种：高位槽加料和泵直接加料。承受高位槽加料，通过掌握液 位高度，可以得到稳定的流量和流速。通过重力加料，可以节约一笔动力费。但由于多了高位槽，建设费用也相应增加。承受泵加料，受泵的影响

10、，流量不太稳定，流速也忽大忽小，从而影响了传质效率，但其构造简洁，安装便利， 如承受自动掌握泵来掌握泵的流量和流速，其掌握原理较简单，且设备操作费用高。本次试验承受泵直接加料。二进料状况进料状况一般有冷液进料、泡点进料。对于冷液进料，当组成肯定时，流量 肯定，对别离不利，节约加热费用。但冷液进料受环境影响较大。对于某某地区来说，存在较大温差，冷液进料会增加塔底蒸汽上升量，增大建设费用。承受泡点进料，不仅对稳定塔操作较为便利，且不受季节温度影响。综合考虑，设计上承受泡点进料。泡点进料时，基于恒摩尔流假定，精馏段 和提馏段上升蒸汽的摩尔流量相等，故精馏段和提馏段塔径根本相等，制造上较为便利。三塔顶

11、冷凝方式塔顶冷凝承受全凝器，用水冷凝。甲醇和水不反响，且简洁冷凝，故使用全 凝器。塔顶出来的气体温度不高，冷凝后回流液和产品温度不高，无需进一步冷却，此次别离是期望得到甲醇，选用全凝器符合要求。四回流方式回流方式可分为重力回流或理量或塔板数较多时，回流冷凝器不易安装在塔顶。而且塔顶冷凝器不易安装、检修和清理。在这种状况下，可承受强制回流， 塔顶上升蒸汽承受冷凝器冷却以回流流入塔中。由于本次设计为小型塔，故承受强制回流。五加热方式加热方式可承受间接蒸汽加热或直接蒸汽加热。直接蒸汽加热，蒸汽直接由塔底进入塔内。由于总组分是水，故省略加热装置。但在肯定的回流比条件下， 塔底蒸汽对回流液有稀释作用，使

12、理论塔板数增加，费用增加。间接蒸汽加热是通过加热器使釜液局部汽化，维持原来的浓度，以削减理论塔板数，缺点是增加加热装置。本次设计承受间接蒸汽加热。六加热器承受 U 型管蒸汽间接加热器，用水蒸气作加热剂。由于塔较小，可将加热器放在塔内，即再沸器。这样釜液局部汽化，维持了原有浓度，削减理论塔板数。10 / 46word其次节 生产条件确定和说明一 塔内操作压力的选择一般来说，主要依据物料的性质、原料的性质，对产品浓度的要求、设备来源、工厂的生产规模、能量综合利用等状况。因此，选择合理的操作条件，对本设计承受常压蒸馏，即在 1atm 压力条件下操作。二塔顶全凝剂的选择全凝器的冷却剂用循环水，因塔顶蒸

13、汽温度较高，用自来水做冷 却剂便利且廉价，为了冷却作用完全，塔顶蒸汽和冷却水间必需保持适宜的温度差冷却水温度一般为 1025。三塔底加热介质的选择饱和水蒸气是一种应用最广泛的加热剂，它冷凝时的传热系数很 高，可以通过转变蒸汽的压力准确的掌握加热温度。四回流状态与操作回流比的选择11 / 46R，不宜取得过大。minRx- y精馏段操作线斜率： k =min=DqRmin+1x- xDq其次章 精馏塔设计计算一操作压力的选择精馏操作常在常压、减压下进展。操作压力常取决于冷凝温度，一般除热敏物质外，凡通过常压蒸馏难以实现别离要求，并能用循环水将馏出物冷凝下来的系统，均宜承受减压蒸馏；对常压下馏出的

14、冷凝温度过低的系统，需提高塔压或承受冷冻盐水作为冷却剂； 而常压下呈气态的物料必需承受加压蒸馏。本设计对象是甲醇水混合液，建厂地址为某某，因此常承受常压蒸馏，操作压力为1atm。二气液平衡关系与数据表一甲醇水汽液相平衡数据表温度 t/甲醇摩尔分数温度 t/甲醇摩尔分数液相 x/0气相 y/0液相 x/ 气相 y/100100100摘自化工工艺设计手册下册P110 表 19-38810.90.80.70.6y 0.50.40.30.20.1000.2甲醇水X-Y图0.4x0.60.81图一 甲醇-水-X-Y 图第三章塔板的工艺设计第一节 物料衡算一精馏塔全塔物料衡算1. 原料液与塔顶，塔底产品的

15、摩尔分率F=1 万吨质量分数Xf=30%XD=95%Xw=0.3%水的摩尔质量M 水=18.02 kg/kmol甲醇的摩尔质量 M10000 103=32.04 kg/kmol甲醇F ” =300 24= 1388.89kg / h进料液、馏出液、釜残液的摩尔分数分别为 x、 x、 x：FDW30 / 32.04c=F30 / 32.04 + 70 /18.0298 / 32.04= 0.1942c=D98 / 32.04 + 2 /18.02= 0.9144c=0.3 / 32.04= 0.0016w0.3 / 32.04 + 99.7 /18.022. 原料液与塔顶、塔底产品的平均摩尔质量

16、M = 0.1942 32.04 +1 - 0.194218.02 = 20.72kg / kmolM= 32.0 0.9144 + 18.02 (1 - 0.9144) = 30.80kg/kmolDM= 32.04 0.0016 + 18.02 (1 - 0.0016) = 18.04kg / kmolwW= MD = 30.80 14.15 = 435.82kg / hDDW= MwW = 52.88 18.04 = 953.96kg / hw=F ”1388.89F67.03kmol / hM20.72物料衡算F=D+W1Fx= DxFD+ WxW2联立12解得W=52.88 kmol

17、/h D=14.15 kmol/h塔顶进料塔斧质量分数% 摩尔质量Kg/kmol摩尔流量 kmol / h质量流量kg/h表二物料衡算结果表温度 t/甲醇摩尔分数温度 t/甲醇摩尔分数15 / 46液相 x/ 气相 y/10000液相 x/ 气相 y/100100二精馏塔物性数据计算W利用上表一中的数据由内插法可求得t、t、tFD59.37 - 52.92进料：=71.3 - 72.7 t= 82.22C19.42 - 52.92tF- 72.7F塔顶：91.44 - 87.41t=LD- 66.9 t= 66.195C100 - 87.4164.7 - 66.9LD100 - 91.4464

18、.7 - t100 - 91.94 =64.7 -VD66.9 t= 67.04CVD0 - 0.16100 - t塔釜： 0 - 5.31 = 100 -w992. t= 99.78CwF如此精馏段的平均温度 t- = t1+ t2 D 提馏段的平均温度 t-2t + t= F 2 W =91 2. 相对挥发度的计算精馏段相对挥发度的计算X =0.5543YAAX =0.4457YBXa = X BABYYA = 2.61B提馏段相对挥发度计算wordX =0.0979YA AX =0.9021YB B16 / 46Ba = X ”X ”AY A = 4.15”Y ”B3. 回流比的计算10

19、5 Pa 下甲醇-水的气液平衡组成可绘出平衡曲线，即 x-y 曲线图。泡点进料，所以q=1，即q 为始终线。本平衡具有下凹局部,操作线尚未落到平衡线， 已与平衡线相切。x= x= 0.1942 13.15 - 20.83 =13.15 -19.42 y= 0.6123qF54.55 - 62.7354.55 -100 yqqRminx - yD= y - xq = 0.7226 R = 1.5Rmin= 1.08qq其次节热量衡算一冷凝器的热负荷冷凝器的热负荷 Q (R1) D (I I )cVDLD其中I 塔顶上升的蒸汽的焓VDI 塔顶熘出液的焓LDI I x H (1x ) HVDLDDV

20、 甲DV 水其中 H 甲醇的蒸发潜热V 甲 H 水的蒸发潜热V 水蒸发潜热与温度的关系： H H (1T ) / (1T ) 0.38V2V1r2r1沸点组分t /C甲醇水100蒸发潜热 Hr/ (kJ/ kg) 11052257Tc / K表三 沸点下蒸发潜热列表摘自化工原理 ，上册附录 4 与附录 18 塔顶温度下的潜热计算：t 6C 时D对甲醇，T T / Tc(273.1564r11T T / Tc(273.1564.0r22蒸发潜热 H 11054) / (10.659)V 甲kJ/ kg对水，同理可得，T T / Tc0.576r22T T / Tc0.526r11蒸发潜热 H 2

21、2576)/(10.576)V 水2356.547kJ/kg对全凝器做热量衡算(无视热量损失)Q (R1) D (I I )cVDLD泡点回流，塔顶含甲醇量高，与露点接近，可得I I x H (1x ) HVDLDD甲D水I I (1-144) kJ/kgVDLDQ (R1)D(I I )106 kJ/kgcVDLD二冷却介质消耗量设冷却介质进出口温度分别为 25 35如此平均温度下 t30C 时，C 4.25kJ/(kg.)pc可得 WQ / C (t t )10610)ccpc21=25741.18 kg/h三加热器的热负荷与全塔热量衡算比热容的计算P由公式C= a + bT + cT 2

22、计算(a.b.c 的单位：k J / k molK)甲醇的；10-3 10-610-310-61. tDCP甲醇10-310-6273.15+67.04)2=49.630 kJ/(kmolK)CP水10-310-6 (273.15+67.04)2=33.753 kJ/(kmolK)2. tFCP甲醇10-310-6273.15+82.222=54.481 kJ/(kmolK)CP水10-310-6(273.15+82.22)2=34.202 kJ/(kmolK)3. tWCP甲醇=10-310-6273.15+99.782=56.264 kJ/(kmolK)CP水10-310-6(273.15

23、+99.78)2=34.451 kJ/(kmolK)组分t =t =平均值t =t =平均值DFwF甲醇水表四由表四可得 ：甲醇 C(tt )p1ave-24.663 kJ/kmolDFC (tt )p1aveW F30.372 kJ/kmol水Cp2ave(tDt )F28.623 kJ/kmolCp2ave(tW t )F33.450 kJ/kmolCdt Cx C(1x ) p(DF)p1ave Dp2aveD50.0524.861 kJ/kmolCdt Cx C(1x )p(WF)p1aveWp2aveW97372.93-355.37且 DQ DCdt () kJ/hDp(DF)Q W

24、Cdt kJ/hWp(WF)对全塔进展热量衡算Q Q Q Q QFSDWC以进料温度所对应的焓值为基准做热量衡算：Q Q Q Q QSDWCF1060 106 kJ/h塔釜热损失为 10，Q Q/ 0.9 = 106 kJ/hSS其中Q 加热器抱负热负荷SQ 加热器实际热负荷SQ 塔顶熘出液带出热量DQ 塔底带出热量W四.加热蒸汽消耗量当 T406.45K ，p=300kPa ， Hr 水蒸气 2168.1 kJ/kg Wh QS/ Hr 水蒸气 = 106 / 2168.1 = kg/hQWQQCCFD符号数值0106kg/hQQ WWSh符号数值106kJ/h表五 热量衡算数据结果列表第三

25、节 精馏塔主要尺寸的设计温度5060708090100甲醇密度kg / m3760751743734725716水密度kg / m3表六 不同温度下甲醇和水的密度摘自化工原理上册附录7 与附录 14一塔顶条件下的物性参数XD=14.15 kmol/hD1. 气相平均摩尔质量为M= MXVD甲D+ M 1- X水= 32.04 0.9144 + 18.02 1- 0.9144D=30.84 kg2. 液相平均摩尔质量为约等于气相MLD=30.84 kg/kmol3. 气相密度22 / 46Tr= M VD O P30.84=273.15= 1.105kg / m3VD22.4TPO22.4273

26、.15 + 67.04T =66.19 用内插法求甲醇和水的密度LD60 - 70= 60 - 66.19 r= 746.044kg / m3751 - 743751 - r甲甲60 - 7060 - 66.19983.2 - 977.8 = 983.2 - r r水水= 979.85kg / m31X ”r= r D +LD甲1 - X ”D =r水0.950.05746.044 + 979.85解得r= 755.05kg / kmolLD符号MMrrD LDVDLDVD数值kmol/hkmol/hKg/m3Kg/m3Kmol/h表七 塔顶数据结果表二塔釜条件下的流量与物性参数X= 0.00

27、169 X ”= 0.02 W = 52.88kmol / hWW1. 液相平均摩尔质量由于甲醇的浓度很小，所以液相可视为纯水M= M= M= 18.02kg / kmolLWVW纯水2. 气相密度r= MVW18.02273.15PT0 = 0.5892kg / m3VW22.4TP022.4273.15 + 99.773. 液相密度 用内插法计算约等于水的密度90 -100= 90 - 99.77965.8 - 958.4965.8 - r水rrLW =水3符号MMrrWLWVWLWVW数值kmol/hkmol/hKg/m3Kg/m3Kmol/h表八 塔釜数据结果表三进料条件下的流量计物性

28、参数X =01942F=67.03 kg/hF查表一得XFYFF20.83 - 13.15 = 19.42 -13.15 Y= 61.2362.73 - 54.55YF- 54.55F1. 气相平均摩尔质量为M= Y MVFF甲+1- Y )MF水= 0.6123 32.04 +1- 0.612318.02= 26.6042. 液相平均摩尔质量M= XM+1- X)M= 0.1942 32.04 +1- 0.194218.02LFF甲F水= 20.7433. 气相密度Tr= MVF OP26.604273.15=0.913kg / m3VF22.4TPO22.4273.15 + 82.224.

29、 液相密度tFword25 / 4680 - 90= 80 - 82.22 r732.00kg / m3734 - 725734 - r甲甲80 - 9080 - 82.22971.8 - 965.3 = 971.8 - r r水水= 970.37kg / m31由公式 rLF= X+Fr甲1- XFr水0.31- 0.3= 732.00 + 970.37r解得 LF 3符号MMrrFLFVFLFVF数值kmol/hkmol/hKg/m3Kg/m3Kmol/h表九进料数据结果表四精馏段的流量与物性参数1.精馏段如此液相组成 x1x = xD + xFx121气相组成 y1y1=y+ yDFy2

30、1-所以 ML1-=0.5543+(1-0.5543)=25.79 kg/kmolM=(1-0.7644)=28.74kg/kmolV1-2. t1时：求甲醇的密度70 - 80= 70 - 74.71 r= 724.1 kg / m3743 - 734743 - r甲甲求水的密度70 - 80= 70 - 74.71 r977.8 - 971.8977.8 - r水水精馏段液相和气相密度的计算= 975.92kg / m3word24 / 46174.71VW22由公式混合液密度rLa= rAA+ rBaB-( a 为质量分数， M 为平均相对分子质量可求得液相密度。将数据代入上式。10.5

31、543 32.04 /0.5543 32.04 + (1 - 0.5543)18.02(1 - 0.554318.02)/ 25.79r=738.76L解得 kg/m3L+975.92由下面公式 可求得混合气密度 r-T P M= 0将数据代入公式V22.4TP03273.15 28.74r= 22.4 273.15 += 1.0074kg / m3符号MMrrL精V精L精V精数值kmol/hkmol/hKg/m3Kg/m3表十 精馏段数据结果表五提馏段xx = x22+ xFx =0.09792y+ y气相组成 y2y = WFy22-所以 ML2=(1-0.0979)=19.39 kg/k

32、mol-MV2-2. t2=(1-0.3106)=22.37 kg/kmol=91.00 时，求甲醇的密度90 -100 = 90 - 91.00 r= 724.10kg / m3725 - 716725 - r甲甲求水的密度90 -100= 90 - 91.00 r965.3 - 958.4965.3 - r水水= 964.61 kg / m3提馏段液相和气相密度word25 / 461由公式混合液密度rLa= rAA+ rBaB-( a 为质量分数， M 为平均相对分子质量可求得液相密度。将数据代入上式。10.0979 32.04 /0.0979 32.04 + (1 - 0.0979)1

33、8.02(1 - 0.097900 18.02)/19.39r=L解得rL+724.1= 915.308kg / m3964.61由下面公式 可求得混合气密度 r-T P M= 0将数据代入公式V22.4TP0273.15 22.37r= 0.749kg / m3V22.4 273.15 + 91.00rr符号MML提V提L提V提数值kmol/h 表十一提馏段数据结果表kmol/hKg/m3Kg/m3一元有机物-水溶液外表X 力可用如下公式计算：s 1/ 4 = js 1/ 4 +js 1/ 4mSW注：s=WSOOsx Vx VWWOO，=Wx V+ x VOx Vx VWWO OxVxVW

34、W + O Ojq jj= SWW ，j= SOO ，B= lgW ，A= lgSW ，j+j=1SWVSSOVSjjOSOSWSO式中下角标 W、O、S 分别代表水、有机物与外表局部； xW、 x指主体局部O的分子数； VW、V指主体局部的分子体积； sOW、s为纯水、有机物的外O表 X 力；对甲醇q=1。26 / 46y+y=1SWSOy q B= lg yW OA=B+Qy qA=lg y SW SO温度/60力/甲醇外表X10-3 N m-1/水外表X 力10-3 N m-1708090100表十二不同温度下甲醇和水的外表X 力摘自化工原理上册附录 7 与附录 19-1. 精馏段混合物外表X 力的计算t1V= M wwr= 18.02975.92= 18.46cm3 / molwVV=o =oro34.02738.76= 46.05cm3 / mol甲醇的外表