甲醇-水溶液连续精馏塔课程设计

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1、设计任务书一、概述1、精馏操作对塔设备的要求和类型42、精馏塔的设计步骤5二、精馏塔工艺设计计算1、设计方案确实定62、精馏塔物料衡算63、塔板数确实定73.1理论板层数NT的求取 73.2实际板层数的求取 84、精馏塔的工艺条件与有关物性数据的计算4.1操作温度的计算114.2平均摩尔质量的计算114.3平均密度的计算124.4液相平均外表X力计算124.5液体平均粘度计算135、精馏塔塔体工艺尺寸计算5.1塔径的计算 145.2精馏塔有效高度的计算156、塔板主要工艺尺寸计算6.1溢流装置计算166.2塔板的布置176.3浮阀计算与排列177、浮阀塔流体力学性能验算198、塔附件设计267

2、、精馏塔结构设计307.1设计条件307.2壳体厚度计算7.3风载荷与风弯矩计算7.4地震弯矩的计算三、总结27化工原理课程设计任务书一、设计题目:甲醇-水溶液连续精馏塔设计二、设计条件:年产量: 95%的甲醇17000吨料液组成(质量分数): (25%甲醇，75%水)塔顶产品组成(质量分数): (95%甲醇，5%水)塔底釜残液甲醇含量为6%每年实际生产时间: 300天/年,每天24小时连续工作连续操作、中间加料、泡点回流。操作压力：常压塔顶压力4kPa(表压)塔板类型：浮阀塔进料状况：泡点进料单板压降：厂址：某某省某某市塔釜间接蒸汽加热，加热蒸汽压力为0.5Mpa三、设计任务完成精馏塔的工艺

3、设计,有关附属设备的设计和选型,绘制精馏塔系统工艺流程图和精馏塔装配图,编写设计说明书.设计内容包括：1、 精馏装置流程设计与论证2、 浮阀塔内精馏过程的工艺计算3、 浮阀塔主要工艺尺寸确实定4、 塔盘设计5、 流体力学条件校核、作负荷性能图6、 主要辅助设备的选型四、设计说明书内容1 2 概述(精馏根本原理)3 工艺计算4 结构计算5 附属装置评价6 参考文献7 对设计自我评价摘要：设计一座连续浮阀塔，通过对原料，产品的要求和物性参数确实定与对主要尺寸的计算，工艺设计和附属设备结果选型设计，完成对甲醇-水精馏工艺流程和主题设备设计。首先根据设计任务，确定操作条件。比如：操作压力确实定、进料状

4、态等确实定。然后设计工艺流程草图。根据确定的方案，确定具体的参数，即一个完整的设计就初步确实定了。最后计算塔的工艺尺寸、浮阀的流体力学演算、塔板的负荷性能，最后根据计算选择适宜的辅助设备。关键词：精馏塔，浮阀塔，精馏塔的附属设备。一、精馏操作对塔设备的要求和类型1、对塔设备的要求精馏所进展的是气(汽)、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备如下各种根本要求：气(汽)、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。操作稳定，弹性大

5、，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大X围的变动时，仍能在较高的传质效率下进展稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。塔内的滞留量要小。实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进展选型。2、板式塔类型 气液传质设备主要分为板式塔

6、和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，板式塔为逐级接触型气液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速开展，相继出现了大批新型塔板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板与角钢塔板等。目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔与泡罩塔，而前两者使用尤为广泛。筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：

7、结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60，为浮阀塔的80左右。处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加1015。 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。压降较低，每板压力比泡罩塔约低30左右。 筛板塔的缺点是：塔板安装的水平度要求较高，否如此气液接触不匀。操作弹性较小(约23)。小孔筛板容易堵塞。3、精馏塔的设计步骤 本设计按以下几个阶段进展：设计方案确定和说明。根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、主要设备型式与其材质的选取等进展论述。 蒸馏塔的工艺计算，确定塔高和塔径。 塔板设计：计算塔板各主要工艺尺寸，进展流体力学校核计算。接收尺寸、泵等，并画出塔的操作性能图。 管路与附属设备的计算与

8、选型，如再沸器、冷凝器。 抄写说明书。 绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图。二、精馏塔工艺设计计算1、设计方案确实定与概述本设计任务为别离甲醇水混合物。对于二元混合物的别离，应采用连续精馏流程。精馏是指由不同挥发度的组分所组成的混合液，在精馏塔中同时屡次地进展局部气化和局部冷凝，使其别离成几乎纯态组分的过程。塔顶蒸汽冷凝回流和塔釜溶液再汽化是精馏高成婚度别离的充分必要条件。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升的蒸汽采用全冷凝器冷凝，冷凝液在泡点下一局部回流至塔内，其余局部经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易别离物系，最小回流比拟小，故采用最小回流比的2

9、倍。塔釜采用直接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。2、精馏塔物料衡算原料液与塔顶、塔底产品含甲醇的摩尔分率甲醇的摩尔质量 MA=32.04 kg/kmol水的摩尔质量 MB=18.02 kg/kmol用公式X=求出：XfXdXwMf =0.157932.04 +(1-0.1579)18.02 = 20.23kg/kmolMd =0.914432.04 +(1-0.9144)18.02 = 30.84kg/kmolMw =0.0346632.04 +(1-0.03466)18.02 =18.51kg/kmol总物料衡算 W+ 17000 = F 1甲醇的物料衡算0.9517000 + 0.06

10、 W= 0.25F 2联立以上二式，解得： W= 62631.58t/a W = 62631580/(720018.51)=469.95 kmol/h F= 79631.58t/a F = 79631580/(720020.23)=546.71 kmol/h D= 17000t/a D = 17000000/(720030.84)=76.56 kmol/h2、塔板数确实定甲醇水气液平衡关系(101.3kPa)*XYT()001000.020.13496.40.040.2393.50.060.30491.20.080.36589.30.10.41887.70.150.51784.40.20.57

11、981.70.30.66578.00.40.72975.30.50.77973.10.60.82571.20.70.8769.30.80.91567.50.90.95866.00.950.97965.01164.5*注：摘自化学工程手册第二版第13分篇13-62.1求最小回流比Rmin1相对挥发度的计算根据全塔的物料衡算结果Xd=0.9144、Xf=0.1579、Xw=0.03466和常压下甲醇和水的气液平衡数据，用内插法求得塔顶、塔釜与进料的温度： 塔顶： 进料： 塔釜：由液体饱和蒸汽压安托因常数可知，在泡点进料温度下，即t=83.9734时，其安托因常数为：甲醇： A=7.19736，B=

12、1574.99，C=238.86 水： A=7.07406，B=1657.46，C=227.02如此由安托因方程有： lgP甲醇 = ，即P甲醇 =208.449kPalgP水 =，即P水=55.463kPa 故 =(2)求最小回流比采用图解法求最小回流比。根据q线方程为：x=Xf=0.1579,在图中对角线上e(0.1579,0.1579)作垂线ef即为进料线q线，该线与平衡线的交点坐标为q0.1579,0.52故最小回流比2.2求最小理论板数Nmin1的计算计算塔顶塔釜温度，查的安托因常数：甲醇： A=7.19736，B=1574.99，C=238.86水： A=7.07406，B=165

13、7.46，C=227.02T塔顶=65.356lgP甲醇 = ，即P甲醇 =104.71kPalgP水 =，即P水=25.42kPa塔顶的挥发度：= T塔釜=83.9734lgP甲醇 = ，即P甲醇 =208.31kPalgP水 =，即P水=55.53kPa塔釜的挥发度：=故 =3.93 2求最小理论塔板数Nmin 在全回流下求出所需理论板数Nmin，对于接近理想体系的混合物，可以采用芬斯克方程计算：Nmin=2.3理论塔板数确实定取 R=2Rmin=21.089=2.178 由上求得 R=2.178 =3.758如此相平衡方程为 y=精馏段的操作线方程R=(R+1)Xf-Xw/(Xd-Xf)

14、+(q-1)(Xd-Xw)/(Xd-Xf) =提馏段的操作线方程理论塔板数计算：相平衡方程y=精馏段的操作线方程提馏段的操作线方程 先交替使用相平衡方程与精馏段操作线方程计算如下：Xf=0.1579 进料板为第六块再交替使用相平衡方程与提馏段操作线方程计算如下： 5s提馏段：5s，故降液管设计合理(4)降液管底隙高度 取降液管底隙流体流速 精馏段： 提馏段：故降液管设计高度合理5.2塔板的布置(1)取边缘区宽度Wc=0.035m,安定区宽度Ws=0.065m(2)开孔区面积计算开孔区面积按照式计算，其中5.3浮阀计算与排列见附图2采用F1型重阀，重量为33g，孔径为39mm1阀孔气速，在9至1

15、2之间，取精馏段：提馏段：2浮阀数 精馏段：，所以取N=139 提馏段：，所以取N=1223开孔率精馏段： 塔板开孔率：提馏段：塔板开孔率：4阀孔的排列浮阀排列方式采用等边三角形叉排。取同一横排的孔心距t=75mm=0.075m，如此估算精馏段的排间距，提馏段的排间距，浮阀排列图六、浮阀塔流体力学性能验算6.1 气体通过浮阀塔的压强降精馏段：1干板阻力临界孔速u= = m/s=10.83m/s所以采用hc=0.0395m2板上充气液层阻力液相为水时，=0.53液体外表X力所造成的阻力，由于浮阀塔很小可忽略不计。因此，气体流经一层浮阀塔板的压降的液体高度为单板压降提馏段：1干板阻力临界孔速u=

16、= m/s=11.92m/s所以采用hc=0.0482m2板上充气液层阻力液相为水时，=0.53液体外表X力所造成的阻力，由于浮阀塔很小可忽略不计。因此，气体流经一层浮阀塔板的压降的液体高度为单板压降6.2液泛、液沫夹带、漏液1液泛为了防止液泛现象的产生，要求控制降液管中清液层高度精馏段：其中塔板设置进口堰所以得提馏段：其中塔板设置进口堰所以得 2雾沫夹带泛点率=100%ZL=D2Wd=1.220.14880.9024查得精=0.112 ，提=0.104精馏段： =1.131-20.0816=0.9768m2 泛点率=提馏段：=0.785-20.0816=0.6218m2 泛点率=计算出的泛点

17、率都在80%以下，故可知雾沫夹带量能够满足液|kg汽的要求。3漏液错流型的塔板在正常操作时，液体应沿塔板水平流动，与垂直向上流动的气体接触后由降液管流下。但当上升气流速度减少时，气体通过阀孔的动压不足以阻止板上液体从阀孔流下时，便会出现漏夜现象。发生漏夜时，由于上层板上的液体未与从下层板上升的气体进展传质，就漏落在浓度较低的下层板上，这势必降低了塔板效率。漏夜严重时会使塔板上不能积液而无法正常操作。所以为保证塔的正常操作，漏夜量不能超过某一规定值，一般不能大于液体流量的10%。漏夜量大于10%的气流速度称为漏夜速度，这是塔操作的下限气速。造成漏夜的主要原因是气速太小和板上液面落差所引起的气流分

18、布不均，比如在塔板的液流入口处由于有液层较厚而往往出现漏夜，这也是在此处设置不开孔的安定区的原因之一。当液体横向流过板面时，由于要克制板上部件的局部阻力和摩擦阻力，需要一定液位差才能维持这一流动，这样板上液体进、出口侧的液面就会出现高度差，即液面落差，亦称水力学坡度。液面落差主要与塔板结构有关外，泡罩塔板结构复杂，液体在板上流动阻力大，液面落差也就大；浮阀塔结构较简单，液面落差如此较小，筛板塔结构最简单，所以液面落差最小。但在塔径不大时，液面落差常忽略。液面落差除与塔板结构有关外，还与塔径、液流量有关。当塔径与液流量很大时，也会造成较大的液面落差。对于大塔，可采用单溢流或阶梯流，以减少液面落差

19、。(4)塔板上液面的返混在塔板上，液体的主流方向是从入口端横向流至出口端，但因气体搅拌与某些局部障碍，液体会发生局部的反向流动。这种与主流方向相反的流动称为返混。当返混严重时，板上液体会均匀混合，各点的液体浓度将趋于一致。当浓度均匀的气体与板上各点的液体进展接触传质后，如此离开各点的气体浓度也会一样。这是一种理想情况。另一种理想情况是板上液体呈活塞流流动，完全没有返混。这时板上液体沿液流方向上液体浓度最大，在塔板进口处液体浓度大于出口浓度。当浓度均匀的气体与板上各点液体接触传质后，离开塔板各点的气体浓度也不一样，进口处的液体浓度出口出的浓度高。理论与实践都证明了在这种情况下，塔板的效率比液体完

20、全混合时高。实际上，塔板上液体并不处在完全混合与完全没有返混的两种理想状态，而是处于局部混合状态。6.3塔板的负荷性能图(1)漏夜线线1精馏段:提馏段:(2)过量雾沫夹带线线2精馏段：根据ev=0.1kg液/kg汽时，泛点率F1=0.8计算整理得如此有：提馏段：根据ev=0.1kg液/kg汽时，泛点率F1=0.8计算整理得如此有：(3)液相负荷下限线精馏段：堰上液高度how=0.00955m作为液相负荷下限线Lw=0.792m,0.00955=Lw=0.792m,故提馏段：how=0.02m，Lw=0.792m0.02=Lw=0.792m，故(4)液相负荷上限线35s取=5s 解得(Ls)ma

21、x=0.08160.46/5=0.0075072m3/s(5)液泛线精馏段：，取0.5如此有：提馏段：如此有：现将塔板设计计算结果汇总如图项目内容-数值或说明备注精馏段提馏段塔径D/m1.21板间距HT/m0.460.46塔板形式单溢流弓形降液管整块式塔板空塔气速u/(m/s)1.5842.196堰长lw/m0.7920.66堰高hw/m0.090450.08板上液层高度hL/m0.100.10降液管底隙高度h0/m0.02140.0658浮阀数N/个139122等腰三角形叉排阀孔气速u0/(m/s)10.8311.92临界阀孔气速uoc/(m/s)10.32911.4667孔心距t/m0.0

22、750.075同一竖排的孔心距单板压降pa728.82886.35液体在降液管内停留时间/s27.669降液管内清液层高度Hd/m0.009550.02泛点率/(%)57.8713.16七、接收尺寸计算 7.1进料管DF=0.003426，取=2.5m/s DF=0.04177m=41.77mm经圆整选取热轧无缝钢管GB8163-87：7.2塔顶蒸汽出口管Dv qv=取uv=15m/s 如此Dv=0.3479m=347.9mm经圆整选取热轧无缝钢管GB8163-87：7.3回流液管DRqR=取uR=2m/s 如此DR=0.02546m=25.46mm经圆整选取焊接钢管GB3091-93:7.4

23、釜液排出管径Dwqw=取uw=0.8m/s 如此DW=0.06383m=63.83mm经圆整选取热轧无缝钢管GB8163-87:7.5饱和蒸汽管径Ds0加热蒸汽压力为0.5Mpa查=2.67qs0=Us0=25m/s ds0=0.2117m=211.7mm经圆整选取热轧无缝钢管GB8163-87:八、主要辅助设备的选型1进料泵的选型原料的进料量为F=546.71Kmol/h原料的摩尔质量为Mf = 20.23kg/kmol原料的密度为如此可以求出进料的流量为由于甲醇属于易燃物品，所以应该选用油泵，查油泵性能表，最后选用50Y-60型油泵，其参数如下：型号流量扬程m转速r/min功率Kw效率%结

24、构形式50Y-6012.56029505.736单级悬臂7.2冷凝器的选型式中：一塔顶上升蒸汽的焓一塔顶馏出液的焓蒸发潜热与温度的关系： 甲醇-水的蒸发潜热和临界温度沸点/蒸发潜热Tc/k甲醇64.6584305126水1009729647.3由前面计算可知Td=65.356，如此可知甲醇如此水如此总传热系数：K=600kcal/()=2512.1KJ/()采用逆流操作，如此，传热面积：查换热器系列标准表，最后选定FNH-24.0/80型冷凝器其根本参数如下表所示：型号面积排弯数风机进气管出液管数量台功率w风量电压vFNH-24.0/808080436072003802522九、精馏塔结构设计

25、9.1设计条件塔体与裙座的机械设计条件如下：（1） 塔体内径,塔高近似取。塔体圆筒总高度为10000mm（2） 计算压力，设计温度。（3） 设计地区：根本风压值，地震设防烈度为8度，场地土类：B类，设计地震分组：第二组，设计根本地震加速度为。（4） 塔内装有层筛板塔盘，每块塔盘上存留介质层高度为，介质密度为。（5） 沿塔高每10米左右开设一个人孔，人孔数位1个，相应在人孔处安装半圆形平台1个，平台宽度为，高度为。（6） 塔外保温层的厚度为，保温材料密度为。（7） 塔体与封头材料选用，其中。（8） 裙座材料选用。（9） 塔体与裙座间悬挂一台再沸器，其操作质量为（10） 塔体与裙座对接焊接，塔体焊

26、接接头系数。（11） 塔体与封头厚度附加量，裙座厚度附加量。5.2壳体厚度计算1.塔体厚度计算考虑厚度附加量C=2mm，厚度为：，经圆整，取2.封头厚度计算采用标准椭圆形封头，形状系数，如此其厚度为：考虑厚度附加量C=2mm经圆整后，名义厚度5.3塔体设备质量载荷计算圆筒质量：封头质量：裙座质量：说明：1塔体圆筒总高度为； 2查得，厚度的圆筒质量为； 3查得，厚度的椭圆形封头质量为封头曲面深度，直边高度； 3裙座高度厚度按计。查得浮阀塔盘质量为。其中，为封头保温层质量，kg。说明：由表8-1查得，平台质量：；笼式扶梯质量：；笼式扶梯总高：;平台数量：。说明：物料密度；封头容积；塔釜圆筒局部深度

27、；塔板层数；塔板上液层高度。按经验取附件质量为其中，。全塔操作质量/kg全塔最小质量/kg水压试验时最大质量/kg5.4风载荷与风弯矩计算以23段为例计算风载荷：式中：体系系数，对圆筒形容器，4m高处根本风压值，风压高度变化系数，查表8-5得：计算段长度，脉动影响系数，由表8-7查得：塔的根本自振周期，对等直径、等厚度圆截面塔：脉动增大系数，根据自振周期，由表8-6查得：振动系数，由表8-8查得：风振系数塔有效直径。设笼式扶梯与塔顶管线成90，取以下a，b式中较大者 a. b.，取400mm， a. b.取以上述方法计算出各段风载荷，列于下表中。各段塔风载荷计算结果计算段平台数15000.71

28、.0110.5001812160.14210000.71.0511.5101812332.96325000.71.2614072025321395.8430000.71.6717060024122114.7530000.72.13110160024122694.7截面00截面11截面225.5地震弯矩的计算取第一振型脉动增大系数为如此衰减指数塔的总高度全塔操作质量重力加速度地震影响系数由表8-2查得设防烈度为8级由表8-3查得计算截面距地面高度h：00截面：11截面：22截面：等直径、等厚度的塔，按下述方法计算地震弯矩。截面00截面11截面22小结两个星期的时间，我们完成了甲醇-水精馏塔的设计

29、，一份设计书和一X流程图、一X装配图。过程很复杂且长，在设计精馏塔的过程中，我们以从未有过的热情投入到化工原理的复习中。刚开始时，很迷茫，觉得自己根本没有能力去完成这么复杂的东西。我想这就是教师想我们做初次锻炼，我们通过对蒸馏知识的复习与巩固，加上查阅资料、网上搜集材料，最终完成了精馏塔的工艺设计书。并且完成了流程图预装配图。我们所设计的精馏塔是用于甲醇-水的别离。在课程设计期间，我们小组进展了合理分工，有问题时大家就一起讨论，经过课程设计我们学会了也学会了团队合作能力。同时让我们认识到了自己很多地方不足，还需要很大的努力。本设计是一次常规的练习设计，目的在于掌握设计的过程和分析问题的能力，我

30、想再今后的设计中会有一定的进步。全章主要主要符号说明符号意义计量单位M摩尔质量kg/kmolF进料率kmol/hD塔顶采出率kmol/hW塔底采出率kmol/hQ进料热状况X液相摩尔分率Y气相摩尔分率R回流比L液相负荷kmol/hV气相负荷kmol/hN塔板数P操作压力PaT温度密度kg/m3外表X力mN/m粘度mPasVS气相体积流率m3/sLS液相体积流率m3/sumax最大空塔气速m/sHT板间距MhL板上清液高度MC20负荷系数C负荷因子m/sU空塔气速m/sD塔径MAT塔截面积m2Z有效高度MlW堰长MhW溢流堰高度MhOW堰上液层高度MWd降液管宽度MAf截面积m2降液管中停留时间Sh0降液管底隙高度MWS边缘区宽度MAa开孔区面积m2T孔中心距MmN筛孔数目个开孔率H阻力PaeV液沫夹带量kg液/kg气K稳定系数Hd降液管内液层高MQ热量kJ/hR潜化热kJ/kgG流量kg/hK传热系数W/(m2)参考文献1.王国胜 化工原理课程设计 某某理工大学2.马江权 冷一欣主编化工原理课程设计 某某3.申迎华 主编化工原理课程设计 化学工业4.王志魁 化工原理第三版 化学工业