甲醇水溶液常压筛板精馏塔化工原理课程设计.doc

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1、 化工单元过程及设备课程设计设计题目：筛板精馏塔设计专业班级：化工1303班姓名：xxx学号：1315010xx指导教师：张亚刚完成时间：2016年1月14日化学与化工学院化工原理课程组 制化工单元过程及设备课程设计设计题目筛板精馏塔的设计设计任务及要求设计用于甲醇水溶液分离的常压筛板精馏塔，原料中含甲醇17%（质量分数，下同），泡点进料，要求塔顶出液浓度98%，塔釜出料浓度0.04%,处理量为9000kg/h,塔效率为0.8。综合运用化工原理和相关先修课程的知识，联系化工生产实际，完成精馏操作过程的设备设计。要求有详细的工艺设计过程（包括计算机辅助计算程序）、工艺尺寸设计、辅助设备选型、设计

2、结果概要及工艺设备条件图（CAD图），编写设计说明书。指导教师评语成绩： 优良中指导教师签名： 日期：2016年 月 日摘 要本设计采用浮阀精馏塔分离甲醇-水溶液。通过对原料产品的要求和物性参数的确定及对主要尺寸的计算，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体备设计。乙醇-水溶液为非理想物系，利用作图法求出最小回流比为1.2075；由精馏费用模型编程得到最优回流比为2.1735，理论板数为15块，计算出全塔效率为0.8%，则实际板数为19块，其中精馏段7块，提馏段12块，进料位置为第6块。得到精馏塔的塔径2.7米，总高14.48米；板开孔率为10.1%，精馏段操作弹性为

3、3.05，提馏段操作弹性为2.35，塔的流体力学验算，证明各指标数据均符合标准。强度校核表明，该精馏塔满足强度、刚度及稳定性等要求。目 录摘 要I1.绪论11.1设计任务11.2分离原料简介12.筛板精馏塔原理及设备简介22.1精馏原理22.2精馏设备22.3工业上对塔设备的主要要求22.4筛板塔的特点23. 装置设备的工艺计算33.1设计方案图（见附录）33.2精馏塔的条件选取33.3精馏的工艺流程图的确定（见附录）43.4筛板精馏塔设计计算43.4.1题目所给数据43.4.2精馏塔的物料衡算43.4.3塔板数的确定53.4.4精馏塔的气液相负荷83.4.5操作线方程的求取83.4.6逐板法

4、求取理论板层数83.4.7实际塔板数的求取93.5精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算93.5.1操作温度的计算93.5.2平均摩尔质量103.5.3液体平均表面张力计算113.5.4平均密度的计算113.6精馏塔的塔体工艺尺寸计算133.6.1塔径的计算133.6.2精馏塔有效高度的计算153.7塔板的主要尺寸计算163.7.1溢流装置计算163.8塔板布置173.8.1塔板的分块173.8.2开孔面积计算173.8.3筛孔计算及其排列183.9筛板的流体力学验算183.9.1干板阻力hc计算183.9.2气体通过液层的阻力hl计算193.9.3液体表面张力的阻力计算203.9.4液面落差2

5、13.9.5液沫夹带的校核213.10塔板负荷性能图223.10.1漏液线223.10.2液沫夹带线233.10.3液相负荷下限线243.10.4液相负荷上限线253.10.5液泛线253.10.6操作弹性264. 附属设备及主要附件的选型计算284.1附属设备设计284.1.1再沸器284.1.2冷凝器284.2塔附件设计294.2.1接管294.2.2人孔304.3塔总体高度的设定304.3.1塔的顶部空间高度Ha304.3.2塔的底部空间高度Hb304.3.3裙座高度HS的确定314.3.4塔顶封头HF的确定314.3.5有效塔高的HP确定314.3.6塔立体高度314.4辅助设备的选型

6、314.4.1估计换热面积314.4.2原料预热器315.设计结果一览表336.参考文献367. 附图378.主要符号说明39结束42II1.绪论1.1设计任务 本次化工原理课程设计我的任务是设计常压筛板精馏塔分离甲醇和水的混合物，其中，甲醇的含量为17%(质量分数，下同)，要求的处理量为9000（kg/h）,泡点进料，要求塔顶出液浓度98%，塔釜出料浓度0.04%，塔效率为0.8.分离甲醇和水对现实有着很重要的意义。1.2分离原料简介甲醇：系结构最为简单的饱和一元醇，分子量32.04，沸点64.7。因在干馏木材中首次发现，故又称“木醇”或“木精”。是无色有酒精气味易挥发的液体。用于制造甲醛和

7、农药等，并用作有机物的萃取剂和酒精的变性剂等。通常由一氧化碳与氢气反应制得。甲醇由甲基和羟基组成的，具有醇所具有的化学性质。甲醇可以在纯氧中剧烈燃烧，生成水蒸气和二氧化碳。另外，甲醇也和氟气会产生猛烈的反应。水：水在常温常压下为无色无味的透明液体。水通常多是酸、碱、盐等物质的溶液，习惯上仍然把这种水溶液称为水。水是一种可以在液态、气态和固态之间转化的物质。固态的水称为冰；气态叫水蒸汽。水汽温度高于374.2时，气态水便不能通过加压转化为液态水。 在20时，水的热导率为0.006 J/scmK，水的密度在3.98时最大，为1103kg/m3，温度高于3.98时，水的密度随温度升高而减小 ，在03

8、.98时，水不服从热胀冷缩的规律，密度随温度的升高而增加。水在0时，密度为0.99987103 kg/m3，水在通电的条件下会离解为氢和氧水。具有很大的内聚力和表面张力，除汞以外，水的表面张力最大，纯水有极微弱的导电能力，但普通的水含有少量电解质而有导电能力。 水本身也是良好的溶剂，大部分无机化合物可溶于水。2.筛板精馏塔原理及设备简介2.1精馏原理本设计所选取的甲醇-水体系为例，加热甲醇（沸点64.7）和水（沸点96.0）的混合物时,由于甲醇的沸点较低，即挥发度较高,所以甲醇易从液相中汽化出来。若将汽化的蒸汽全部冷凝，即可得到甲醇组成高于原料的产品，依此进行多次汽化及冷凝过程，即可将甲醇和水

9、分离。经过多次部分汽化部分冷凝，最终在汽相中得到较纯的易挥发组分，而在液相中得到较纯的难挥发组分，这就是精馏。2.2精馏设备在化学工业和石油工业中广泛应用的诸如吸收,解吸,精馏,萃取等单元操作中，气液传质设备必不可少。塔设备就是使气液成两相通过紧密接触达到相际传质和传热目的的气液传质设备之一。 根据塔内气液接触件的结构型式可分为板式塔和填料塔两大类。板式塔内设置一定数量塔板，气体以鼓泡活喷射形式穿过板上液层进行质、热传递，气液相组成成阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。填料塔内有定高度的填料层液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流而上也有并流向下者与液相接触进行质、热传递，气相组成沿塔高连续变化，属

10、微分接触操作过程。2.3工业上对塔设备的主要要求1.生产能力大。2.传质、传热效率高。3.气流的摩擦阻力小。4.操作稳定，适应性强，操作弹性大。5.结构简单，材料消耗少。6.制造安装容易，操作维修方便。2.4筛板塔的特点 筛板塔板简称筛板，结构持点为塔板上开有许多均匀的小孔。根据孔径的大小，分为小孔径筛板(孔径为38mm)和大孔径筛板(孔径为1025mm)两类。工业应用小以小孔径筛板为主，大孔径筛板多用于某些特殊场合(如分离粘度大、易结焦的物系)。筛板的优点是结构简单，造价低，安装容易，也便于清洗检修；板上液面落差小，气体压降低，生产能力较大；气体分散均匀，传质效率较高。其缺点是筛孔易堵塞，不

11、宜处理易结焦、粘度大的物料。应予指出，尽管筛板传质效率高，但若设计和操作不当，易产生漏液，使得操作弹性减小，传质效率下降因此过去工业上应用较为谨慎。近年来，由于设计和控制水平的不断提高，可使筛板的操作非常精确，弥补了上述不足，故应用日趋广泛。在确保精确设计和采用先进控制手段的前提下，设计中可大胆选用，因此，本设计采用筛板塔比较合适。3. 装置设备的工艺计算3.1设计方案图（见附录）3.2精馏塔的条件选取3.2.1 操作条件：常压：101.325kPa.（确定因素：塔内操作压力的选择不仅牵涉到分离问题，而且与塔顶和塔底温度的选取有关。根据所处理的物料性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性来综合

12、考虑. 压力增加可提高塔的处理能力，但会增加塔身的壁厚导致设备费用增加，压力增加，组分间的相对挥发度降低，常压操作可减少因加压或减压操作所增加的增、减压设备费用和操作费用，提高经济效益, 在条件允许下常采用常压操作，因此本精馏设计选择在常压下操作。）3.2.2进料状态：泡点进料。（确定因素：进料状态与塔板数，塔径，回流比以及塔的热负荷有关。进料热状况有五种。一般都将料液预热到泡点或者接近泡点才送入塔内，这样塔操作容易被控制饱和液体进料时进料温度不受季节，气温变化和前段工序波动的影响。塔的操作比较容易控制。此外，泡点进料，提馏段和精馏段塔径大致相同。在设备制造上比较方便。冷液进塔虽可减少理论板数

13、，使塔高降低，但精馏釜及提馏段塔径增大，有不利之处。所以根据设计要求，选择泡点进料q=1。）3.2.3回流比：取最小回流比的1.8倍，即R=1.8Rmin.（确定因素：选择回流比主要从经济观点出发，力求设备费用和操作费用最低。实际操作的R必须大于R最小值，但并无上限限制。选定操作R时应考虑随R选值的增大，塔板数减少，设备投资减少。但因塔内气、液流量L，V，L，V增加，势必使蒸馏釜加热量及冷凝器冷却量增大，耗能增大，既操作费用增大。若R值过大，即气液流量过大，则要求塔径增大，设备投资也随之有所增大。其设备投资操作费用与回流比之间的关系如右图所示。总费用最低点对应的R值称为最佳回流比。设计时应根据

14、技术经济核算确定最佳R值，常用的适宜R值范围为R=1.22Rmin。本设计综合考虑以上原则选用R=1.8Rmin）3.3精馏的工艺流程图的确定（见附录）3.4筛板精馏塔设计计算 3.4.1题目所给数据进料中甲醇含量为17%（质量分数），分离后塔顶出液浓度为98%，塔釜出.料浓度为0.04%，处理量为9000（kg/h） 3.4.2精馏塔的物料衡算甲醇的摩尔质量：M甲醇=32.04 水的摩尔质量： M水=18.02已知F=9000kg/h,XF=0.267,XD=0.989,=0.000711原料液及塔顶，塔釜产品的平均摩尔质量MF=0.26732.04+(1-0.267)18.02=21.76

15、3 MD=0.98932.04+(1-0.989)18.02 =31.886 MW=0.00071132.04+(1-0.000711)18.02 =18.02997 总物料衡算F=D+W FXF =DXD + F=9000/21.763 =413.546kmol/h联立解得D=111.428 W=302.118 平均相对挥发度的计算：1=2=1的计算：x=0.989 y=0.9954所以1=0.9954*（1-0.989）/0.989*(1-0.9954)=2.407用内插法： 查表得=99.872在=99.872下求相应的x，y同理用内插法： 解得x=0.000711 y=0.00476则

16、所以=4.0223.4.3塔板数的确定 理论板层数的求取tXytXy100.000075.300.400.72996.400.020.13473.100.500.77993.500.040.23471.200.600.82591.200.060.30469.300.700.87089.300.080.36567.600.800.91587.700.100.41866.000.900.95884.400.150.51765.000.950.97981.700.200.57964.501.001.00常压下水和甲醇的汽液平衡表最小回流比的计算和适宜回流比的确定：由相平衡方程：=得当=4.022时，

17、=0.594故最小回流比 =（XD- ）/( - XF) =(0.989-0.594)/(0.989-0.267) =0.547=1.2075因此操作回流比为R=1.8 =1.81.2075=2.1735捷算法求取:全回流下的最少理论板数 将上述的=4.022代入得=8.441查吉利兰关联图得解得 N=15.61=16块3.4.4精馏塔的气液相负荷L=RD=2.1735111.428kmol/h =242.189kmol/hV=(R+1)D=(2.1735+1)111.428kmol/h =353.617kmol/h L=L+F=242.189+413.546kmol/h =655.735km

18、ol/h V=V=353.617kmol/h 3.4.5操作线方程的求取精馏段操作线方程 =+ =0.6849 +0.3116提馏段操作线方程： =1.8544 -0.0006075式中 提馏段内第n层板下降液体中易挥发组分摩尔分率；提馏段内第n+1层板上升蒸汽中易挥发组分摩尔分率。3.4.6逐板法求取理论板层数相平衡方程= 则= /-(-1) = /(4.022-3.022yn)第一块塔板上升气相组成y1=XD=0.989第一块塔板下降液体组成x1= y1 /(4.022-3.022y1)=0.957同理求得 Y2=0.9672 X2=0.879Y3= 0.9143 X3= 0.726 Y4

19、=0.8089 X4= 0.5128 Y5=0.6628 X5=0.3283 Y6= 0.536 X6=0.2230.267由于X6,所以第七块塔板上升气相组成用提馏段操作线方程计算。Y7=0.4135 X7=0.149Y8=0.2759 X8=0.0866Y9=0.1599 X9=0.0452Y10 = 0.0832 X10 =0.022Y11 =0.0403 X11 =0.01033Y12 =0.0186 X12 = 0.00468Y13=0.00807 X13=0.00202Y14=0.00314 X14=0.00078Y15=0.00084 X15=0.0002015s提镏段:s5s停

20、留时间5s 故降液管尺寸可用降液管底隙高度，取则精馏段：0.0484-0.031=0.0174m取0.05是符合的。=0.05+0.00111=0.0611m提镏段：0.0454-0.013=0.0324m=0.05+0.0146=0.0646m修正后hL对un影响不大,顾塔径计算不用修正故降液管底隙高度设计合理。3.8塔板布置3.8.1塔板的分块由于D=1.5m800mm,因此塔板采用分块式，如下： 塔径80012001400160018002000塔板的分块数345查表得塔板分为4块3.8.2开孔面积计算 （其中Ws=0.08m=Ws Wc=0.04m）代入解得3.8.3筛孔计算及其排列由

21、于此设计中物系无腐蚀性，选用=3mm碳钢板，取筛孔直径。筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为开孔率为 筛孔数目n为孔则：精馏段气体通过阀孔的气速:提馏段气体通过阀孔的气速: 3.9筛板的流体力学验算3.9.1干板阻力hc计算由/=1.67查图化工原理下图10-45得=0.772筛孔的流量系数精馏段：m/shc=*=0.051=液柱提馏段：hc=*=0.051=液3.9.2气体通过液层的阻力hl计算精馏段： 相应的气体动能因子 查化工原理下图10-46得：=0.58液柱提馏段： 相应的气体动能因子 查化工原理下图10-46得：=0.615 液柱3.9.3液体表面张力的阻力计算精馏段：=提馏段：=气

22、体通过每层塔板的液柱高可按下计算精馏段=0.0366+0.0354+0.00406=0.07606m液柱提馏段=0.0187+0.0397+0.00604=0.0644m液柱3.9.4液面落差对于筛板塔，液面落差很小，而且在此次设计中，塔径与液流量都不大，因此可以忽略液面落差的影响。3.9.5液沫夹带的校核 精馏段：汽此设计液沫夹带量在允许范围0.1 kg液/kg气内,符合要求提馏段：汽此设计液沫夹带量在允许范围0.1 kg液/kg气内,符合要求3.9.6漏液的校核对于筛板塔,漏液点气速的计算将数据带入得：精馏段：实际孔速: 稳定系数: 提馏段：实际孔速: 稳定系数: 所以此设计不会产生液漏现

23、象。3.9.7溢流液泛条件的校核为防止塔内发生液泛,降液管内清液层高Hd()对于设计中的甲醇水物系，取=0.6,即 Hd由于板上不设进口堰因此：精馏段0.1122=Hd=0.6（0.45+0.0484）=0.29904m提馏段 0.1136=Hd=0.6（0.45+0.0454）=0.297m结论：在此设计中不会发生淹泛现象。3.10塔板负荷性能图3.10.1漏液线由 得精馏段：=解得=提馏段：解得= 漏液线计算结果精馏段1.3281.3681.4181.459提馏段1.2021.2521.3141.3633.10.2液沫夹带线以kg液/kg气为限，求-关系：由精馏段： 整理得提馏段： 整理得

24、 液沫夹带线计算结果0.00060.00150.0030.0045精馏段3.9493.8253.6663.5322提馏段4.5684.4284.2474.0963.10.3液相负荷下限线对于平流堰，取堰上液层高度how=0.006m作为最小液体负荷标准，由式=0.006计算取E=1,得精馏段：提馏段：3.10.4液相负荷上限线以=5s作为液体在降液管中停留时间的下限由 =0.01399（）计算出精馏段: =0.01399（）提镏段： =0.01399（）3.10.5液泛线Hd=()，得其中带入数据可得： 精馏段 a=0.0047 b=0.223 c=158.195 d=1.518所以精馏段提馏

25、段 a=0.00416 b=0.156 c=899.56 d=1.0549所以提馏段 液泛线计算结果0.00060.00150.0030.0045精馏段4.51374.31344.04263.796提馏段3.56183.36903.02792.62093.10.6操作弹性根据以上各线的方程式，可画出图塔的操作性能负荷图。根据生产任务规定的气液负荷，可知操作点在正常的操作范围内，作出操作线图P点为操作点，其坐标为： OP为操作线，OP与液泛线的交点对应气相负荷为Vs,ma；n,与漏夜线的交点对应气相负 荷为Vs,min.可知：精馏段的操作弹性=P点为操作点，其坐标为： OP为操作线，OP与液泛线

26、的交点对应气相负荷为Vs,ma；n,与漏夜线的交点对应气相负 荷为Vs,min.可知：提留段的操作弹性=4. 附属设备及主要附件的选型计算4.1附属设备设计4.1.1再沸器该设备是利用加热塔底料液使部分气化，从而实现精馏塔内气液两相间的热量与质量传递，因此综合考虑生产的传热条件及经济效率，选择虹式再沸器。4.1.2冷凝器采用列管式冷凝器，并使塔顶蒸汽在壳程冷凝，冷却水在管程流动，以提高传热系数和便于排出凝液。热量衡算 已知: 在64.61时： 查得： rA=20.03KJ/mol rB=42.371KJ/molRm=0.98924.03+（1-0.989）42.37=20.28 KJ/mol泡

27、点回流,则塔顶蒸汽效出的热量=353.617100020.28=7.169810冷却水出口温度不宜超过50否则会使溶于水中的无机盐析出,破坏效果。在30时，KJ/KgK-1 设冷却水进口温度为20，出口温度为40，则水的冷却用量为：=4766.2设传热方式为逆流传热选型 查得取=2000=换热器面积： A=25.47m查得可选G500-25-35型列管式换热器,主要设计参数如下:A=35m，管长L=3000，管程数4,公称直径DN=500mm，碳钢管4.2塔附件设计4.2.1接管进料管管径 进料管的结构类型很多，有直管进料管，弯管进料管，T型进料管等等，此次设计采用直管进料管。管径计算如下：取

28、u=0.8m/s,则计算选管: 选取 d=64mmu=回流管管径 冷凝器安装在塔顶时，冷凝液靠重力回流，一般流速为0.20.5m/s，用泵回流时，速度可以选择1.52.5m/s.因此取u=2m/s，则, 则回流管直径选管: 选取 u=4.2.2人孔人孔的设置应该便于进入任何一层塔板，一般每隔1020块塔板才设置一个人孔，本塔共有19块板，需设置一个人孔，每个人孔直径为900mm,板间距为450mm，人孔深入塔内部应与塔内壁相平。4.3塔总体高度的设定 塔高主要由下列部分组成:塔顶空间，塔底空间,有效塔高,加料板空间高度及群座高度即: =+4.3.1塔的顶部空间高度Ha 塔的顶部空间高度是指塔顶

29、第一层塔盘到塔顶封头的直线距离，塔板的距离为450mm，塔顶空间高度约为Ha=2Ht=0.9m4.3.2塔的底部空间高度Hb塔底空间是指塔内最下层塔板到塔底间距。其值由塔底贮液取停留时间和塔底液面到最下层塔板间距（一般要有1-2m）决定。本塔设计取 则 =4.3.3裙座高度HS的确定为了制作方便,裙座为圆形,HS/D=3,HS=31.5=4.5m4.3.4塔顶封头HF的确定=(1/4)D=0.375m4.3.5有效塔高的HP确定=其中：为理论塔板数；为塔效率，为板间距。4.3.6塔立体高度 =+=0.9+0.268+8.44+0.375+4.5=14.48m4.4辅助设备的选型4.4.1估计换

30、热面积冷凝水走管程，采用逆流形式根据“传热系数K估计表”取K=1000W/(m2.)=传热面积的估计值为： A=11.59m安全系数取1.2 换热面积A=1.211.59=13.914m2 查得可选G500-25-35型列管式换热器,主要设计参数如下:A=35m，管长L=3000，管程数4,公称直径DN=500mm，碳钢管4.4.2原料预热器原料加热：采用逆流加热查表Cp甲醇=2.48 kJ/(kgK) Cp水=3.465 kJ/(kgK)摩尔分数 xF=0.267根据上式可知：Cpc=2.480.267+3.4650.733=3.203kJ/(kgK)设加热原料温度由20到79.22 考虑到5%的热损失后5.设计结果一览表精馏塔工艺设计结果汇总参数符号参数名称精馏段提馏段T m (C)平均温度71.9289.55M Lm(kg/kmol)液相平均摩尔质量26.59