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1、 化工原理课程设计 设计题目：常压、连续精馏塔分离甲醇水设计班 级：姓 名：学 号：指导教师：完成日期：2013年7月7日化 工 系设计前言甲醇,又名木醇,分子式为CH3OH,分子量:32.04，为有特殊气味的易挥发、易燃烧的液体。有毒,人饮后能致盲。比重0.791（20）,沸点64.50,能与水和多数有机溶剂混溶。甲醇的重要用途以及生产甲醇的原料的广泛性,使甲醇合成和应用的研究开发越来越受到重视。但是,化工生产合成所得的甲醇为粗甲醇,一般只含有80%左右的甲醇,其余成分必须从粗甲醇中除去,才能得到成品精甲醇。分离混合物的方法很多,在化工生产操作中,化工原料及产品的分离与精制,多是采用精馏来达
2、到目的，而精馏操作则主要通过塔设备来实现。在阅读部分参考书后，经组员讨论，拟出一套较理想的甲醇-水分离精馏塔设计方案，决定取用的塔板类型为筛板塔，因为筛板塔生产能力大，塔板效率高，比较符合符合甲醇-水分离精馏塔设计的要求。本次设计中，由老师规定的任务条件基本可确定加料热状况采用泡点进料，冷凝方式塔顶冷凝采用全凝器,回流方式采用强制回流，加热方式采用间壁蒸汽加热。在设计过程中，由于查找物性数据的资料书版本各不相同，数据上有一定出入，且个人能力有限，所以有些数据作过估算。其中，计算过程要考虑的因素很多，温度、密度、粘度和表面张力的计算基本都采用内插法计算，可能存在一定误差，故接下去的计算中略有偏差
3、，但问题不会太大。其次，由于时间有限，在作图时，没有仔细按标准规范做，仅仅画了草图作参考。在此笔者也对自己治学态度的不严谨而作自我反省。本设计在袁军老师的指导下，与课程设计小组各位同学的不断交流中改正完善，在此对老师及各位组员给予笔者的帮助与支持一并表示真挚的感谢！由于水平有限，时间也很紧，存在问题在所难免，恳请老师批评指正！2013年6月化工原理课程设计 目录目录11. 设计题目32. 设计任务及条件33. 设计内容33.1. 物性、相平衡数据的收集与计算33.1.1. 物料衡算33.1.2. 物性、相平衡数据收集43.1.3. 回流比、操作线及理论塔板数的求取53.2. 精馏塔的化工计算6
4、3.2.1. 实际塔板数的计算63.2.2. 操作压力计算63.2.3. 操作温度计算73.2.4. 平均摩尔质量计算73.2.5. 平均密度的计算83.2.6. 液体平均表面张力计算93.2.7. 液体平均粘度的计算103.2.8. 精馏段塔径计算113.2.8.1. 精馏段塔径的计算113.2.8.2. 提馏段塔径的计算123.2.8.3. 平均塔径133.2.9. 有效高度的计算133.3. 精馏塔塔板结构设计及核算143.3.1. 溢流装置的计算143.3.1.1. 堰长143.3.1.2. 溢流堰高143.3.1.3. 弓形降液管宽和截面积143.3.1.4. 降液管底隙高度153.
5、3.2. 塔板的布置163.3.2.1. 塔板的分块163.3.2.2. 边缘区宽度确定163.3.2.3. 开孔区面积计算163.3.2.4. 筛孔的计算及其排列163.3.3. 塔板结构力学核算173.3.3.1. 塔板压降173.3.3.2. 液面落差193.3.3.3. 液沫夹带193.3.3.4. 漏液203.3.3.5. 液泛213.3.4. 塔板负荷性能图223.3.4.1. 漏夜线223.3.4.2. 液沫夹带线233.3.4.3. 液相负荷下限线253.3.4.4. 液相负荷上限线253.3.4.5. 液泛线253.3.4.6. 操作弹性的计算283.4. 精馏塔的简单结构及
6、工艺流程图293.5. 塔板平面布置简图293.6. 辅助设备(塔顶冷凝器、塔釜再沸器等)的计算303.6.1. 接管尺寸303.6.1.1. 再沸器蒸汽进口管303.6.1.2. 塔顶蒸汽进冷凝器出口管313.6.1.3. 冷凝水管313.6.2. 塔顶冷凝器（换热器）的计算和选取313.6.3. 塔釜再沸器的计算和选取333.7. 计算结果及符号说明汇总334. 设计总结365. 参考文献376. 附图371. 设计题目常压、连续精馏塔分离甲醇水设计2. 设计任务及条件泡点进料，塔顶进入全凝器，塔釜间接蒸汽加热；塔板压降：，全塔压降在30kPa以内。选塔：筛板塔3. 设计内容3.1. 物性
7、、相平衡数据的收集与计算3.1.1. 物料衡算进料的平均摩尔质量原料处理量的质量流量 ： 则，全塔效率：物料衡算： 3.1.2. 物性、相平衡数据收集1.甲醇-水相平衡数据t10096.493.591.289.387.784.481.778.0xA0.000.020.040.060.080.100.150.200.30yA0.0000.1340.2340.3040.3650.4180.5170.5790.665t75.373.171.269.367.666.065.064.5-xA0.400.500.600.700.800.900.951.00-yA0.7290.7790.8250.8700.
8、9150.9580.9791.000-(单位：t（温度）：；xA -液相中甲醇摩尔分数，yA-汽相中甲醇摩尔分数）绘制甲醇水t-x-y关系（相平衡）如下图：2.由，计算不同温度下甲醇-水的相对挥发度：t96.493.591.289.387.884.481.778.07.5827.1696.8436.6106.6466.0665.5044.632t75.373.171.269.367.566.065.0-4.0353.5253.1432.8682.6912.5342.454-由于相差太大，故用图解法求取理论板数。3.1.3. 回流比、操作线及理论塔板数的求取采用图解法求解理论塔板数泡点进料,所以
9、q线方程为，由图可读出故：；精馏段操作线方程：提留段操作线方程：依以上计算相关数据作图如下：则由图可得，理论塔板数进料板：第6块3.2. 精馏塔的化工计算3.2.1. 实际塔板数的计算精馏段实际塔板数：提馏段实际塔板数(除去再沸器)：3.2.2. 操作压力计算单板压降：塔顶操作压力：进料板压力：塔釜操作压力：精馏段平均压力：提馏段平均压力：全塔压降：即压降符合要求。全塔压力：3.2.3. 操作温度计算由相平衡图的泡点线、露点线可读出：塔顶温度（泡点线读出）：进料温度（泡点线读出）：塔釜温度（露点线读出）：精馏段平均温度：提馏段平均温度：全塔平均温度：3.2.4. 平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质
10、量：，查平衡曲线，得进料平均摩尔质量：查平衡曲线，得，塔釜平均摩尔质量：查平衡曲线，得精馏段平均摩尔质量：提馏段平均摩尔质量：3.2.5. 平均密度的计算精馏段气相平均密度：由理想气体状态方程得，精馏段液相平均密度：可依照下式计算，塔顶液相平均密度：查化工原理（一）附录二、四得，进料液相平均密度：查化工原理（一）附录二、四得，进料液相的质量分数：故精馏段液相平均密度：提馏段气相平均密度：理同精馏段，由状态方程得：提馏段液相平均密度：塔顶液相平均密度：查化工原理（一）附录二、四得，故提馏段液相平均密度：3.2.6. 液体平均表面张力计算液体平均表面张力可依计算：塔顶液相平均表面张力：查化工原理（
11、一）附录二、四得：进料液相平均表面张力：查化工原理（一）附录二、四得：塔釜液相平均表面张力：查化工原理（一）附录二、四得：精馏段平均表面张力：提馏段平均表面张力：3.2.7. 液体平均粘度的计算液体平均粘度可按下式计算：塔顶液相平均粘度计算，查化工原理（一）附录二、四得，进料液相平均粘度计算，查化工原理（一）附录二、四得，塔釜液相平均粘度计算，查化工原理（一）附录二、四得，精馏段平均粘度：提馏段平均粘度：3.2.8. 精馏段塔径计算3.2.8.1. 精馏段塔径的计算精馏段平均气、液相体积流量:其中C按下式计算：取板间距板上液层高度查化工单元操作课程设计P116图5-1得， 取安全系数：0.7，
12、则空塔气速：3.2.8.2. 提馏段塔径的计算提馏段平均气、液相体积流量:取板间距板上液层高度查化工单元操作课程设计P116图5-1得， 取安全系数：0.7，则空塔气速3.2.8.3. 平均塔径相差不是很大，故：按标准塔径圆整为塔截面积为：实际空塔气速：3.2.9. 有效高度的计算精馏段有效高度：提馏段有效高度：在进料板上方开一人孔，高度0.8m。故塔的有效高度：3.3. 精馏塔塔板结构设计及核算3.3.1. 溢流装置的计算因塔径，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。3.3.1.1. 堰长取 3.3.1.2. 溢流堰高选用平直堰，堰上液层高度由Francis公式计算，E近似取1，即精馏段：
13、提馏段：全塔：取板上清液层高度，则：3.3.1.3. 弓形降液管宽和截面积由查化工单元操作课程设计P120图5-7得：液体在降液管的停留时间：精馏段：提馏段：故降液管设计合理。3.3.1.4. 降液管底隙高度取u=0.08m/s精馏段：提馏段：采用凹形受液盘，深度3.3.2. 塔板的布置3.3.2.1. 塔板的分块因，故塔板采用分块式，查化工单元操作课程设计P127表5-3得：塔板分块3块。3.3.2.2. 边缘区宽度确定 3.3.2.3. 开孔区面积计算 开孔区面积的计算：其中，3.3.2.4. 筛孔的计算及其排列甲醇-水物系无腐蚀性，可选用的碳钢板，取其孔直径。筛孔按正三角排列，取孔中心距
14、为：筛孔数目为：开孔率为：气体通过阀孔的气速：精馏段：提馏段：全塔平均：3.3.3. 塔板结构力学核算3.3.3.1. 塔板压降干板阻力的计算：由查化工单元操作课程设计P124图5-10得：精馏段：提馏段：全塔平均：气体通过液层的阻力的计算查化工单元操作课程设计P124图5-11得，液体表面张力的阻力的计算精馏段：提馏段：气体通过每层塔板的液柱高度的计算：精馏段：气体通过精馏段每层塔板的压降提馏段：气体通过提馏段每层塔板的压降全塔平均压降：故压降在以内，压降选取、设计均合理。3.3.3.2. 液面落差对于筛板塔，液面落差很小，而且该设计中塔径、流量均不大，故可忽略液面落差的影响。3.3.3.3
15、. 液沫夹带液沫夹带的计算：精馏段液沫夹带：提馏段液沫夹带：全塔：故设计符合要求。3.3.3.4. 漏液筛板塔漏液点气速的计算：精馏段漏液点气速：提馏段漏液点气速：全塔平均漏液点气速：实际孔速：稳定系数：故设计中无漏液。3.3.3.5. 液泛为防止塔内液泛发生，降液管内液层高度依下式计算：甲醇-水物系属不易发泡物系，取，则：故不会发生液泛。3.3.4. 塔板负荷性能图3.3.4.1. 漏夜线由得：所以，在操作范围内任取几个的值，依以上两式分别计算：0.00040.00150.00300.00450.00550.29610.30810.31960.32910.33460.00040.00200.
16、00350.0060.34570.36460.37700.3937由上表数据分别作出精馏段漏液线1、提馏段漏液线1。3.3.4.2. 液沫夹带线以为限，求精馏段、提馏段的关系：精馏段：故提馏段：故整理得：在操作范围内任取几个的值，依以上两式分别计算：0.00040.00150.00300.00450.00551.25681.16741.10771.00270.99730.00040.0020.00350.00601.43791.29911.20381.0715由上表数据分别作出精馏段液沫夹带线2、提馏段液沫夹带线2。3.3.4.3. 液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度，作为最小液体负荷标
17、准，故依此分别作出精馏段液相负荷下限线3、提馏段液相负荷下限线3。3.3.4.4. 液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留时间的下限，依此分别作出与气体流量无关的精馏段液相负荷上限线4、提馏段液相负荷上限线4。3.3.4.5. 液泛线令联立，得忽略，将与，与，与的关系代入上式，整理得：式中，则：精馏段液泛线：提馏段液泛线：整理，得：在操作范围内任取几个的值，计算结果如下：0.00040.00150.00300.00450.00551.2441.1310.98530.89760.79960.00010.00050.00100.00151.18451.10561.03770.9099依此分别作出精
18、馏段液泛线5、提馏段液泛线5。依以上数据分别作精馏段、提馏段负荷性能图如下（图中的单位：）：3.3.4.6. 操作弹性的计算由以上两图可得：（1）精馏段的操作上限由液泛控制，下限由液相负荷下限控制。则精馏段操作弹性为：（2）提馏段的操作上限由液泛控制，下限由漏液控制。则精馏段操作弹性为：则全塔平均操作弹性为：3.4. 精馏塔的简单结构及工艺流程图3.5. 塔板平面布置简图（1） 塔板结构简图（2）分块及筛孔结构简图：（3）溢流装置简图3.6. 辅助设备(塔顶冷凝器、塔釜再沸器等)的计算3.6.1. 接管尺寸3.6.1.1. 再沸器蒸汽进口管设蒸汽流速为15m/s,经圆整选取热轧无缝钢管，规格：
19、实际管内流速：3.6.1.2. 塔顶蒸汽进冷凝器出口管设蒸汽流速为10m/s,经圆整选取热轧无缝钢管，规格：实际管内流速：3.6.1.3. 冷凝水管深井水温度为12，水的物性数据：深井水的质量流率，取流速为2m/s管径选取 热轧无缝钢管实际流速为3.6.2. 塔顶冷凝器（换热器）的计算和选取甲醇-水走壳程，冷凝水走管程，采用逆流形式（1）估计平均温度甲醇-水冷凝蒸汽的数据，冷凝蒸汽量：由于甲醇摩尔分数为0.90,所以可以忽略水的冷凝热,冷凝水始温为12，取冷凝器出口水温为20，在平均温度（2）物性数据如下（甲醇在膜温40.3下，水在平均温度16下）（kg/m3）Cp(kJ/kg)kg(sm)(
20、W/(m)甲醇-水1.1562.5964510-50.1888冷凝水998.84.1862111110-50.5887（3）换面积估算设备的热参数：水的流量：平均温度差：根据“传热系数K估计表”取传热面积的估计值为：安全系数取1.2 换热面积管子尺寸取 水流速取，管数：个管长：取管心距壳体直径取600mm折流板：采用弓形折流板取折流板间距B=200mm由上面计算数据，选型如下：公称直径D/mm600管子尺寸/mm252.5mm公称压力 PN/（MPa）1.6管子长l/m1.5管程数Np2管数n/根113壳程数Ns1管心距t/mm31.25管子排列正三角排列-3.6.3. 塔釜再沸器的计算和选取
21、计算热负荷：考虑到5%的热损失后 选用0.2MPa饱和水蒸气加热，因两侧均为恒温相变 取传热系数估算传热面积取安全系数0.8，实际传热面积3.7. 计算结果及符号说明汇总序号符 号符号说明精馏段结果提馏段结果单 位1F原料处理量196.275-2D塔顶采出量71.749-3W塔釜采出量-124.5264塔顶液相组成0.90-5进料液相组成0.35-6塔釜液相组成-0.03-7最小回流比0.530.53-8R实际回流比0.790.79-9L液相负荷56.80128.4310气相负荷128.43253.0711N实际板数124块12平均压力105.5111.113平均温度72.1885.9114气
22、相平均摩尔质量29.27123.59315液相平均摩尔质量25.83620.61416气相平均密度1.0760.87817液相平均密度780.41868.0818液体平均表面张力35.3549.1919液体平均粘度0.3550.32220气相体积流量0.970.9621液相体积流量0.000520.001722塔径0.930.8623Z有效塔高4.41.224塔截面积0.78550.785525实际空塔气速1.231.2326板间距0.400.427溢流堰长0.660.6628溢流堰高0.59960.599629板上清液层高0.060.0630堰上液层高0.00040.000431降液管截面积
23、0.05490.054932降液管宽0.1350.13533降液管中停留时间42.212.934降液管底隙高0.00990.032235受液盘深度0.050.0536m塔板分块33块37开孔区面积0.3110.31138筛孔数目15971597目39开孔率10.1210.12%40干板阻力0.02480.017841气体通过液层阻力0.03660.037842表面张力阻力0.00340.004643单层塔板液柱高0.0660.05944液沫夹带0.03620.023845漏液点气速9.1510.2246K稳定系数1.511.51-47降液管内液层高0.12280.122848液相负荷下限0.0
24、00450.0004549液相负荷上限0.005490.0054950操作弹性1.6013.305-4. 设计总结历时半个多月的化工原理课程设计终于告一段落，对我自己而言，辛勤劳动是收获颇丰的。总结于下：1. 对化工设计有了初步的认识，在平常的化工原理课程学习中总是只针对局部进行了计算，而对参数之间的相互关联缺乏认识。平常的学习总会有题设的条件，省去了我们很多劳动，但在设计中大量用到了物性数据是需要自己去查找的。我学会了找相关图书资料和用互联网查找相关数据，如在“标准分享网（）”中就有许多所需要的物性数据。2. 设计中我学会了离开老师进行自主学习，参看多本参考书，还查阅了一些超星图书馆中的资料
25、。这样的设计让我从中获得了一些自信，觉得本专业还是学到了不少东西的，至少学会了一种研究的方法，将来工作中或学习遇到了什么困难或从未接触过的领域，我也不再会感到畏惧。因为我已经有了一定的自主研究的能力，我能通过自学慢慢的将问题化解。3. 设计帮助我更好的熟悉了Word、Excel等办公软件和Aspen、CAD、PS等专业软件的基本操作。平常天天用电脑上网，进行些娱乐活动，真正这些实用的软件却触碰的很少，虽然以前有学过但隔的时间也比较久了，大多都淡忘了。忽然发现一个好工程师应该知识渊博，因为很多学科对他都是很有帮助的。现在我还处在一个学习知识的阶段一个接受新事物的黄金阶段，以前认为的计算机过了级拿
26、到证书就了事的想法真的很幼稚，那些知识在今天还都能够用上，为了今后不再有今天这样的遗憾，今后应更加扎实的学习，拓宽自己的知识面。4. 设计教会了我耐心，很多地方都是需要先假设数据，再验算，不符合时再调整数据重新进行验算。很多地方都不得不重复的算上好几遍，而且大量繁琐的计算要求我必须克服焦躁的毛病，计算必须准确到位才能更快的完成设计任务。5.经过这次课程设计，复习了很多以前学过的很多知识，如排版时格式、字体要求用到文献检索及科技写作的内容，物料衡算、热量衡算、设备尺寸和管路计算等，要用到化工原理物理化学化工热力学的内容，设备的选型要用到化工设备机械基础。当然也学到了很多新的知识，如对塔设备有了更
27、进一步的了解，对如何做设计有了一定的了解掌握。6.本次设计最大不足之处在于没认真按规格画出塔的结构图，一方面是因为个人对CAD画图还有很多不懂之处；另一方面是时间也不够。总的来说，要达到专业素质的要求，还有很长的路要走，还有很多东西要去接触，要去学习，要去掌握。7.设计让我体会到了牢牢掌握专业知识的重要性，经过大量的阅读，我用了将近半月的时间做这门课程设计，但是由于知识面较窄，做的比较粗糙，考虑的问题不够全面，希望老师还能给予宝贵的意见和建议，感谢老师的指导！5. 参考文献1贾绍义，柴诚敬.化工单元操作课程设计.天津大学出版社.20112陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋.化工原理(第三版)（上、
28、下）.化学工业出版社.20063江体乾等.化工工艺手册.上海科学技术出版社.19924魏兆仙等.塔设备设计.化学工业出版社.19885房鼎立等.甲醇工学. 化学工业出版社.2009 6张国亮等.化工流体流动与传热. 化学工业出版社.20077马沛生等.化工热力学. 化学工业出版社.2009 8. 蔡源众.中国化工机械设备大全. 成都科技大学出版社.20009. 茅晓东等.典型化工设备机械设计指导.华东理工大学出版社.199510. 王国顺.工程制图.北京邮电大学出版社. 200911化学工程手册编委.化学工程手册(第1篇)化工基础数据.化学工业出版社.198012.刁玉玮等.化工设备机械基础（第六版）.大连理工大学出版社.20066. 附图以下设计图仅供参考1.整体塔形结构简图2.塔板局部简图37