毕业论文-年处理9.8万吨甲醇水溶液精馏工艺设计36906.doc

北京化工大学毕业设计（论文） i 北京化工大学毕业论文 年处理 9.8 万吨甲醇- 水溶液精馏工艺设计 专 业：化工工程与工艺 班 级：陕艺专 081 学生姓名 ： 指导老师：王万侠 2009 年 月 日 北京化工大学毕业设计（论文） ii 诚信申明 本人郑重申明： 本人所撰写的毕业论文是年处理 9.8 万吨甲醇-水溶液精馏工艺设计是在指 导老师王万侠悉心的指导下，我查阅资料独立研究、写作的成果。没有剽窃、抄袭 等违反学术道德、学术规范的侵权行为。设计所撰写的内容及参考资料真实可靠。 如有不实之处，我愿按照学校的有关规定，接受应有的处罚，承担一切后果。 申明人：武丙忠 时 间：2009 年 5 月 26 日 北京化工大学毕业设计（论文） iii 毕业设计任务书 设计（论文）题目：年处理 9.8 万吨甲醇-水溶液精馏工艺设计 学 院：陕西工业技术学院 专业：化工工程与工艺 班级：陕艺专 081 学生姓名：武丙忠 指导老师：王万侠 （高级讲师） 1. 设计（论文）的主要任务及目标 任务：年处理 9.8 万吨甲醇-水溶液精馏工艺设计 目标：根据生产任务要求设计一个符合实际生产的精馏塔 2. 设计（论文）的基本要求和内容 （1） 根据生产任务，计算精馏塔的塔高 （2） 行物料衡算、热量衡算 （3） 绘制出塔设备的装备图 （4） 绘制带控制点的工艺流程图 3、主要参考文献 1 化工原理 .夏清.陈常贵.天津大学出版社.2005.1.第一版 2 化工单元过程及操作 .张新战.化学工业出版社 2006.1.第一版 3 甲醇生产工艺 .赵建军.化学工业出版社.2008.8.北京第一版 4 化工原理 .杨祖荣.高等教育出版社.2008.6.第一版 5 化工设备基础 .王绍良.化学工业出版社.2008.4.北京第一版 6 化学工程.上海化工学院.天津大学.浙江大学.化学工业出版社.第二册.1981.12.北京第 二次印刷 7化工计算. 张桂军.薛雪.化学工业出版社.2008.4.第一版 北京化工大学毕业设计（论文） iv 4、进度安排 序号 设计（论文）各阶段名称 起止日期 1 下达任务书 5.25 2 明确设计任务撰写诚信申明填写毕业设计任务书 5.265.28 3 查考资料编写论文绪论 5.316.5 4 工艺计算、物料衡算、热量衡算、塔板数计算 6.6 6.16 5 塔高计算、画出设备图 6.176.23 6 绘制控制点的工艺流程图 6.246.27 7 完成初稿、摘要 6.286.30 8 毕业设计中期检查 7.1 7.3 9 对毕业设计进行核算 7.4 7.10 10 绘制正规的装置图和带控制点的工艺流程图 7.117.20 11 完成编写说明 7.217.30 12 毕业设计答辩 8 月初 北京化工大学毕业设计（论文） v 题目：年处理 9.8 万吨甲醇-水溶液精馏工艺设计 摘 要 本设计任务是设计一个精馏塔进行甲醇-水混合物的分离，采用连续操作方式的筛 板精馏塔。年处理 9.8 吨的甲醇-水溶液，其中甲醇的含量为 40%质量分数 ，塔中甲 醇的含量不低于 95%，塔釜残液中甲醇的含量不高于 3.5%。设计中采用泡点进料，操 作压力为 11.3kpa(塔顶表压) ，全塔效率为 46%，单板压降0.9kpa.将原料液通过预 热器加热至泡点温度后送入精馏塔内,塔顶上升轻组分蒸汽采用全凝器冷凝,全凝器主要 是用来准备控制回流比,冷凝器在泡点下一部分回流至塔内,其于部分经产品冷却器冷却 后送入产品储罐. 该物系属于易分离物系,操作回流比取最小回流比的 1.4 倍;塔釜采用间接蒸汽加热, 以提供足够的热量,塔底产品冷却后送至残液储罐。 本设计是对精馏塔的一些物料、热量的衡算，工艺计算，结构设计及精馏装置工 艺流程图、设备工艺条件图和塔板的负荷性能图和附属设备等。 学校为我们提供了一个展示才华、思维和能力的良好机会，给一片自己动手的蓝 色天空，在精馏塔的设计中为我们培养独立思考、综合应用所学知识来解决实际问题 的能力，为了搞好本次设计内容，务必做到实事求是、作风严谨，也为了将来工作的 得心应手，我们应该认真对待这次论文的设计。学习更多的东西为发展科学观作出贡 献。 关键词：精馏塔；筛板 论文类型：其它 北京化工大学毕业设计（论文） vi 目 录 前言 1 第 1 章 流程的 确定和说明 5 第 1.1 节 加料 方式 5 第 1.2 节 进料状态 5 第 1.3 节 冷凝方式 5 第 1.4 节 加热 方式 6 第 2 章 精馏塔的设计计算 .7 第 2.1 节 操作条件与基础数据 7 2.1.1 设计任务和设计条件 .7 2.1.2 设计方案确定 .7 第 2.2 节 精馏塔的工艺计算 7 2.2.1 物料衡算 .7 第 2.3 节 精馏装置的热量衡算 8 2.3.1 冷凝器 .8 2.3.2 再沸器 .9 第 3 章 塔板数的确定 10 第 3.1 节 最小回流比及操作回流比 10 3.1.1 挥发度计算 10 3.1.2 求最小回流比及操作回流比 11 北京化工大学毕业设计（论文） vii 3.1.3 求精馏塔的气液相负荷 11 3.1.4 求操作线方程 12 第 3.2 节 逐板法求理论塔板层数 12 第 4 章 精馏塔的工艺条件及有关物性数据计算 .15 第 4.1 节 精馏段的计算 15 4.1.1 操作压力计算 15 4.1.2 操作温度计算 15 4.1.3 平均摩尔质量计算 15 4.1.4 平均密度计算 16 4.1.5 液相平均表面张力计算 17 4.1.6 液相平均黏度计算 17 第 4.2 节 提馏段的计算 18 4.2.1 操作压力 18 4.2.2 操作温度的确定 18 4.2.3 平均摩尔质量的计算 19 4.2.4 平均密度得计算 19 4.2.5 液相平均表面张力的计算 20 4.2.6 液相平均粘度的计算 20 第 5 章 塔体工艺尺寸计算 .22 第 5.1 节 精馏段的计算 22 5.1.1 精馏段塔径的计算 22 北京化工大学毕业设计（论文） viii 5.1.2 精馏塔的有效高度 23 第 5.2 节 提馏段的计算 23 5.2.1 提馏段塔径的计算 23 5.2.2 提馏段的有效高度 25 5.2.3 塔的有效高度 25 第 5.3 节 封头的选型及其计算 25 5.3.1 封头的选型 25 5.3.2 封头的计算 26 第 5.4 节 支座的选型及其计算 26 5.4.1 支座的选型 26 5.4.2 支座的计算 26 第 6 章 塔板主要工艺尺寸计算 .28 第 6.1 节 精馏段的计算 28 6.1.1 溢流装置的计算 28 6.1.2 塔板布置 29 第 6.2 节 提馏段的计算 30 6.2.1 溢流装置的计算 30 6.2.2 塔板布置 32 第 7 章 筛板的力 学流体验算 .34 第 7.1 节 精馏 段的流体力学验算 34 7.1.1 塔板的压降 34 北京化工大学毕业设计（论文） ix 7.1.2 液面落差 35 7.1.3 液沫夹带 35 7.1.4 漏液 36 7.1.5 液泛 36 第 7.2 节 提馏段的 流体力学验算 37 7.2.1 塔板的压降 37 7.2.2 液面落差 38 7.2.3 液沫夹带 38 7.2.4 漏液 38 7.2.5 液泛 39 第 8 章 塔板性能负荷图 .40 第 8.1 节 提馏段的塔板负荷性能图 40 8.1.1 漏液 40 8.1.2 液沫夹带线 41 8.1.3 液相负荷下限线 42 8.1.4 液相负荷上限线 42 8.1.5 液泛线 42 第 8.2 节 提留段的塔板负荷性能图 44 8.2.1 漏液线 44 8.2.2 液沫夹带线 45 8.2.3 液相负荷下限线 45 8.2.4 液相负荷上限线 46 北京化工大学毕业设计（论文） x 8.2.5 液泛线 46 筛板塔设计计算结果 .48 第 9 章 附属设 备的计算、选型 50 第 9.1 节 冷凝器的选型及计算 50 第 10 章 精馏装置的工艺流程图 51 第 11 章 板式塔精馏装置设计说明书 52 结 论 .53 参 考 文 献 .54 符 号 说 明 .55 致 谢 .58 北京化工大学毕业设计（论文） 1 前言 蒸馏是分离液体均相混合物的典型单元操作之一，也是最早实现工业化得一种 分离方法，广泛的应用于化工石油、医药、食品、酿酒及环保等领域。 蒸馏作为当代工业应用最广的分离技术，目前具有相当成熟的工程设计经验以 及一定的理论研究基础。随着石油化工及化学工业等领域的不断发展和兴起，蒸馏 分离过程的大处理量，连续化操作的优势得到了充分的发挥。 化工生产需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的.互溶液体 混合物的分离有多种方法,精馏是其中最常用的一种.精馏操作其基本原理是利用互 溶液体混合物相对挥发度的不同、实现各组分分离的单元操作，实现原料混合物中 各组分分离该过程是同时进行传质传热的过程。精馏的原理是利用液体混合物中各 组分具有不同沸点，在一定温度下，各组分应具有不同的蒸汽压。当液体混合物受 热汽化与其蒸汽平衡时，在气相中易挥发物质蒸汽占较大比重，将此蒸汽冷凝而得 到含易挥发物质组分较多的液体，这就是进行了一次简单精馏。重复将此液在汽化， 又进行了一次汽液平衡，蒸汽重复冷凝得到液体，其中易挥发物质的组分又增加了， 如此继续重复，最终就能得到接近纯组分得各物质。因此，精馏原理可概述为：将 液体混合物进行多次的部分汽化，部分冷凝并分别收集，最终得到分离提纯的目的。 精馏通常可将液体混合物分离为塔顶产品（馏出液）和塔底产品（蒸馏的釜残 液）两个部分。也可以根据混合物中各组分不同的沸点分别从相应的塔板引出馏分， 进行多元组分的分离。本设计是采运易挥发的双组分离。 精馏过程来说，精馏设备是使过程得以进行的重要条件。性能良好的精馏设备， 为精馏过程得进行创造了良好的条件。它直接影响了装置的产品质量、生产能力、 产品收率、消耗定额、三废处理以及环境保护等方面。 本设计采用的是筛板塔，筛板塔上开有许多均匀布置的筛孔，孔径一般为 3- 8mm，筛孔在塔板上作正三角形排列。塔板上设置溢流堰，使塔板上能维持一定厚 度的液层，在操作时，上升气流通过筛孔分散成细小的流股，在板上液层中鼓泡而 出，汽液间密切接触而进行传质。在正常的操作气速下，通过筛孔上升的气流，应 能阻止液体经筛孔向下泄露。 北京化工大学毕业设计（论文） 2 筛板塔的优点：结构简单，造价低廉，气体压降小，板上叶面落差也较小，生 产能力及板效率均比泡罩塔高。缺点是：操作弹性小，筛孔小时容易堵塞。近年来 采用大孔径（10-25mm）筛板可避免堵塞，而且由于气速的提高生产能力增大。 甲醇最初由木材干馏得到，故俗称木醇。甲醇生产的原料大致有煤、石油、 天然气和含 co（或 ）的工业废气、农作物、有机废料以及城市垃圾等，2h2co 均可作为制造甲醇的原料。我国甲醇的产量近年来发展较快，从我国能源结构出发， 甲醇可由煤制得，技术并不复杂。甲醇的来源广，将来在我国甲醇有希望替代石油 燃料和石油化工的原料，蕴藏着潜在的巨大市场。甲醇化工已成为化工中一个重要 的领域。 甲醇的化学式为 ，相对分子质量 32.04 。常温，常压是一种无色透明3cho 有特殊气味的易流动易挥发的可燃液体，沸点 64.9在空气中的爆炸极限为 6%- 26.5%（体积分数） ，甲醇的密度、黏度和表面张力都随温度的升高而减小。 甲醇可以和水以及许多有机液体如乙醇、乙醚等无限地混合。它易吸收水蒸汽， 二氧化碳和某些其他物质，因此，只有用特殊的方法才能制的完全午睡的甲醇。甲 醇具有毒性，内服 10ml 有失明危险，300ml 能让人死亡。 甲醇可在银催化剂作用下在 600-650进行气相氧化或脱氢生成甲醇。322choho 甲醇分子羟基中的氢可以被碱金属取代而生成甲醇钠 3322aan 甲醇钠在没有水的条件下才稳定，因为水可以使它水解生成甲醇和氢氧化钠 高温下，在催化剂上进行甲醇的脱水，可以制取二甲醚。 3322()choho 酸与甲醇反应时，甲醇分子中的甲基易被取代，在有羟无机酸存在是反应加快。如 甲酸与甲醇生成甲酸甲酯 3 32c 在 30.40 (30atm)下，150220是在铑催化剂存在下，一氧化碳和甲酸可以510pa 合成醋酸 33chooh 在常温下，甲醇是稳定的，350400和 再催化剂上它分解成一氧化碳和氢51032 北京化工大学毕业设计（论文） 3 甲醇具有重要的许多物理性质，因甲醇的特殊性质，许多重要的工业用途正在研究 开发，如甲醇可以裂解制氢，用于燃料电池。甲醇通过 zsm-5 分子筛催化剂转化为 汽油，已经工业化，为固体燃料转为液体燃料开辟捷径。甲醇可以裂解制烯烃，这 对石油化工原料的多样化，和面对石油资源日渐缩紧对能源结构的改变具有重要意 义。 甲醇和水可以无限的混合，混合后的甲醇水系统的性质，是研究甲醇性质的重要 组成部分。 密度 甲醇水溶液的密度，随着温度的降低而增加，在相同的温度下，几乎是随 着甲醇浓度的增加而增加 热容 甲醇水溶液的热容，随着甲醇浓度的升高和温度的升高而增加 黏度 甲醇水溶液的黏度与组成有关，在所有研究过的温度下，当甲醇的含量 50%时 均有最大值，在任何情况下，混合物的黏度都比纯甲醇的粘度大。 甲醇是多中有机产品的基本原料和重要的溶剂，广泛用于有机合成、染料、医 药、涂料和国防等工业。 近年来，随着技术的发展和能源结构的改变，甲醇又开辟了许多新的用途。 1. 甲醇是较好的人工合成蛋白的原料，蛋白转化率较高，发酵速度快，无毒性， 价格便宜。 2. 甲醇是容易输送的清洁燃料，可以单独与汽油混合作为汽车燃料，用它作为汽 油添加剂可起节约芳烃，提高辛烷值的作用，汽车制造业将成为耗用甲醇的主 要部门，有甲醇转为汽油方法的研究成果，开辟了由煤转换为汽车燃料的途径。 3. 甲醇是直接合成醋酸的原料，孟山都法实现了在较低压力下甲醇和一氧化碳合 成醋酸的工业方法。甲醇可直接用于还原铁矿（甲醇可以预先分解为 co ，2h 也可以不作预分解）得到高质量的海绵铁。甲醇制乙醇、乙烯、乙二醇、甲苯、 二甲苯、醋酸乙烯、醋酐、甲酸甲酯和氧分解性能好的甲醇树脂等产品。 20 世纪 70 年代以来，国外甲醇工业发展总趋势如下： 1. 新建长多采用中低压法，不外加二氧化碳，该法具有设备少，操作与控制简单， 投资及操作费用低，产品纯高等许多优点 2. 高压法处于停滞状态，为中低压发所替代。旧有高压法，也在努力改善催化剂 的活性，对合成塔作为某些改进后，其生产能力可提高 20%-50%,其能源利用率亦 北京化工大学毕业设计（论文） 4 有显著提高。 3. 生产装置趋向于大型化，由于大型装置设备利用率和能源利用率较好，可以节 省单位产品的投资和降低单位产品成本。 4. 继续研制活性及选择性高，耐热性更好，使用寿命更长的甲醇合成铜系催化剂， 达到简化合成塔结构和强化生产的目的。 5. 降低甲醇制造过程的能量消耗，这是新建甲醇装置普遍重视解决的课题；旧有 的甲醇装置也极重视这方面的技术改进工作。如热能的充分利用原料气制装备的 工艺改进，采用透平压缩机使用高活性催化剂等，都取得里显著的节约能量消耗 的效果。研究进一步提高，碳的氧化物与氢合成甲醇单程转化率的新工艺，在强 化生产的同时，实质也是节约能量的重要手段。 这是燃料世界的一次革命，中国要达到国际环保的标准，必须解决汽车尾气对 空气的污染问题，推广使用绿色能源是一条重要的途径，随着人们对环境的要求越 来越高甲醇汽油这一绿色能源在未来是个不错的选择。甲醇工业将在未来会受到很 大的青睐。 北京化工大学毕业设计（论文） 5 第 1 章 流程的确定和说明 第 1.1 节 加料方式 加料分两种方式：泵加料和高位槽加料通过控制液位高度，可以得到稳定流量， 但要求搭建塔台，增加基础建设费用；泵加料属于强制进料方式，泵加料易受温度 影响，流量不太稳定，流速也忽大忽小，影响传质效率。靠重力的流动方式可省去 一笔费用。本次加料可选泵加料，泵和自动调节装置配合控制进料。 进料状态进料方式一般有冷液进料，泡点进料，气液混合物进料，露点进料，加热 蒸汽进料等。 第 1.2 节 进料状态 泡点进料对塔操作方便，不受季节气温影响。 泡点进料基于恒摩尔流，假定精馏段和提馏段上升蒸汽量相等，精馏段和提馏 段塔径基本相等。 由于泡点进料时塔的制造比较方便，而其他进料方式对设备的要求高，设计起来难 度相对加大，所以采用泡点进料。 第 1.3 节 冷凝方式 选全凝器，塔顶出来的气体温度不高。冷凝后回流液和产品温度不高，无需再 次冷凝，且本次分离是为了分离苯和甲苯，制造设备较为简单，为节省资金，选全 凝器。 回流方式 北京化工大学毕业设计（论文） 6 宜采用重力回流，对于小型塔，冷凝液由重力作用回流入塔。 优点：回流冷凝器无需支撑结构； 缺点：回流控制较难安装，但强制回流需用泵，安装费用，点好费用大，故不 用强制回流，塔顶上升蒸汽采用冷凝器以冷凝回流如塔内。 第 4.1 节 加热方式 采用间接加热，因为对同一种进料组成，热状况及回流比得到相同的流出 液组成及回收率时，利用直接蒸汽加热时，所需理论塔板数比用间接加热蒸汽时多 一些，若待分离的混合为水溶液，且水是难挥发组分，釜液近于纯水，这是可采用 直接加热方式。由于本次分离的是苯甲苯混合液，故采用间接加热。 加热器 选用管壳式换热器。只有在工艺物料的特征性或工艺条件特殊时才考虑 选用其他形式。例如，热敏性物料加热多采用降膜式或者波纹管式换热器或者换热 器流路均匀，加热效率高的加热 北京化工大学毕业设计（论文） 7 第 2 章 精馏塔的设计计算 第 2.1 节 操作条件与基础数据 2.1.1 设计任务和设计条件 设计用于甲醇-水溶液混合液分离的常压筛板精馏塔，年产量为9.8万吨，其中 甲醇的含量为40%（质量分数，下同） ，塔顶中甲醇的含量不低于95%。塔釜残液中 甲醇的含量不高于3.5%. 设计条件 操作压力 101.3kpa （塔顶表压） 进料热状况 采用泡点进料 回流比 r=1.4rmin 单板压降 0.9kpa 全塔效率 et=52% 2.1.2 设计方案确定 本设计中进行二元混合物系甲醇-水的分离,采用连续操作方式的筛板精馏塔,进 料温度为泡点温度.将原料液通过预热器加热至泡点温度后送入精馏塔内,用饱和水 蒸气加热.塔顶蒸汽采用全凝器冷凝,用循环水进行冷却,然后将冷凝液在泡点下一部 分回流至塔内,其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。塔釜采用间接蒸汽加热，塔 底产品经冷却后送至储罐。 第 2.2 节 精馏塔的工艺计算 2.2.1 物料衡算 甲醇摩尔质量 ma=32.04kg/kmol 水的摩尔质量 mb=18.02kg/mol 北京化工大学毕业设计（论文） 8 4032.0.27618fx95943d3.20.024618.wx 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 0.273.(.7)184/fmkgmol9140943203d(.)/w kl 年操作时间为 8000h 计算 原料量为：9.8 710/82.4560.9/molh 总物料衡算： f=d+w （2.1） 560.9 =d+w/kmolh （2.2）fdwxx 560.9 0.2727=d 0.9143+w 0.0204 联立解得 w=402.5 /kolh d=158.4 m 第 2.3 节 精馏装置的热量衡算 2.3.1 冷凝器 北京化工大学毕业设计（论文） 9 冷凝器热负荷为： （2.3）(1)()()cvlvlqrdii 由于塔顶流出液几乎为甲醇，可按纯甲醇的摩尔焓计算，若回流在饱和温度下进 入塔内， 则, （2.4）vlir 查 x-y 图，当 =0.9143 时，泡点温度为 65，查的该温度下汽化潜热为 dx 610 /kjmol 故 r=610 32.04=19544.4/kjmol 所以 v r （2.5）cq v r =441.8 19544.4=8.63cq610/kjh 由于冷却水进出冷凝器的温度分别为 25及 35，所以冷却水消耗量为： （2.6）21()cpwt 2.06 6218.310()47(5)cpqwt50/kgh 2.3.2 再沸器 再沸器热负荷为： （2.7）()bvlqi 同样，釜液为甲醇溶液，古其焓可以按甲醇的摩尔焓计算 vlir 查图， =0.0204 时，泡点温度为 94.95，查的该温度下得汽化潜热为：wx =675 32.04=21627/kjmol 所以， =44.18 21627=9.55r610/kjh 查的水的汽化潜热为： 11785 g (2.8)bqwr 北京化工大学毕业设计（论文） 10 =bqwhr639.510.87/kjh 第 3 章 塔板数的确定 第 3.1 节 最小回流比及操作回流比 3.1.1 挥发度计算 由于甲醇-水溶液属于理想物系，则甲醇-水溶液的 t-x-y 表得： 表 3.1 甲醇-水物系的气液平衡相图数据如下： 温度/ 66.8 68.45 70.25 72.15 74.2 76.65 79.85 84.4 93.85ax 0.85 0.75 0.65 0.55 0.45 0.35 0.25 0.15 0.5y 0.9365 0.8925 0.8475 0.802 0.754 0.697 0.622 0.517 0.209 甲醇-水的 取 t=72.15 时计算相对挥发度 (3.1)aypx 0.821.347.5aypxakp (3.2)apy 0.821.38.24a apyk (3.3)1abxp 10.354.7.58ab apxkp 北京化工大学毕业设计（论文） 11 (3.4)(1)bapx (1)4.58(0.2.6bapxak (3.5)bax ()bax (3.6)ab pxap 81.24053.16abpxap 3.1.2 求最小回流比及操作回流比 0.27qfx (3.7)1()qqaxy 3.50.270.5431()()qqaxy 故最小回流比为： (3.8)mindqxyr min0.9134.51.278dqxyrin1.4.278. 北京化工大学毕业设计（论文） 12 3.1.3 求精馏塔的气液相负荷 l=r d=1.789 158.4=283.4 /kmolh v=(r+1) d=(1+1.789) 158.4=441.8 /l =283.4+1 560.9=844.3 lfq = =441.8v/kolh 3.1.4 求操作线方程 精馏段操作线方程 (3.9)dlyxv283.415.0943.650.31788dlyxxxv 提留段操作线方程 (3.10) wlyxv 84.30.2541.90.85918wlyx xv 第 3.2 节 逐板法求理论塔板层数 由于进料采用泡点进料，则： =1ydx (3.11)()ya 北京化工大学毕业设计（论文） 13 代入 10.943dyx 11()yxa23.15()y 解得： =0.76321 代入 20.6415.278yx 解得： =0.8174 代入 22(1)yxa23.15()y 解得 =0.57452x 同理解得， = 0.6963 ; =0.40883y3x =0.59 ; =0.302744 = 0.522 ; =0.247755 5fx =0.2477 代入 解得， =0.4548 5 61.90.859yx6y 代入 6 6()xa6 3.1()y 解得， =0.20106 同理解得， =0.3655 ; = 0.1480 7y7x =0.2642 ; =0.0977488 =0.1682 ; =0.057509y9x =0.09131 ; =0.029431010 =0.03765 ; =0.01166yx 0.006o 故降液管底隙高度设计合理 选用凹形受液盘，深度为 =60wh 6.1.2 塔板布置 （1） 塔板的分布 因 d 1800 ，故塔板采用分块式，塔板分为 5 快m （2） 边缘宽度确定 取 = =0.085 =0.015sw cwm （3） 开孔区面积计算 北京化工大学毕业设计（论文） 30 单溢流塔板，鼓泡区面积 可按下式计算：sa （6.5） 221sin80srxx （6.6）0.5sdwd 0.51.24.5sxd 其中 808cr m 故： 22210.320.531531sin.7845sa 2m （4） 筛孔计算及其排列 本例所处理的物系无腐蚀性，可选用 炭钢板，m 取筛孔直径为 =5odm 筛孔按正三角形排列，取筛孔中心距 为t =3 5=153t 筛孔数目： 个221.5.1.784950oant 开孔率： （6.7） 20.odt 22.50.97.971%0.odt 气体通过筛孔的气速为： （6.8）sova 3.2618.4/17840%sovmsa 北京化工大学毕业设计（论文） 31 第 6.2 节 提馏段的计算 6.2.1 溢流装置的计算 因塔径 d=1.8 ，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘m （1） 堰长 得确定wl 取 0.73.01.834ldm （2） 溢流堰高度 的确定h 由 ，选用平直堰，堰上层高度wloh 近似取 e=1，则： 2/3 .8410hoel 取板上液清高度 =80lm 故： .81560.4wh （3） 弓形降液管宽度 和截面积dfa 由 查弓形降液管的宽度与面积图的 0.73ld .1fta.1578dm 2002.43.6ft 157815780dwd 由式 验算液体在降液管中停留的时间，即 36fthal00.2568.42.653fth s 故降液管设计合理 北京化工大学毕业设计（论文） 32 （4） 降液管底隙高度 得确定：oh 360howoll 取 =0.18 则/ms .046830.1983601.howoll =0.0644-0.0198=0.04460.006m 故降液管底隙高度设计合理 选用凹形受液盘，深度为 =60wh 6.2.2 塔板布置 （1） 塔板分块： 因 d=1800 故塔板采用分块式，查表得：塔板分为 5 块m （2） 边缘区宽度的确定 取 = =0.085 =0.045sw cwm （3） 开孔区面积的计算 开孔区面积： ，其中 22 1sin80srxax0.50.51.4.5dsxd0.3 .8crwm 故： 2 2210.8.20.531531sin.694085sa 2m （4） 筛孔计算及其排列 本例所处理的物系无腐蚀性，可选用 炭钢板，取筛孔直径m =5odm 北京化工大学毕业设计（论文） 33 筛孔按正三角形排列，取孔中心距 为t =3 5=153otdm 筛孔数目 为n 个 221.5.1.784950at 开孔率为： 22 .0.97.71%0.5odt 气体通过阀孔的气速为： 3.269.0/194sovmsa 北京化工大学毕业设计（论文） 34 第 7 章 筛板的力学流体验算 第 7.1 节 精馏段的流体力学验算 7.1.1 塔板的压降 （1） 干板阻力 的计算ch 对于干板阻力 ： （7.1） 21govcl 由 可得 =0.772/531.67od 所以， 液柱 2218.46.030.5.9g79ovclh m （2） 气体通过液层的阻力 的计算lh （7.2）ll （7.3）satfva 3.261.45/5407satfvmsa （7.4）oav 北京化工大学毕业设计（论文） 35 1/21/21.45.036.47()oavfkgsm 查充气系数 与气相动能因数 的关联图得， =0.61of.1.0.9.48llwohh （3） 液体表面张力的阻力计算 液体表面张力所产生的阻力： （7.5）4glohd 346.810.05g97.lohdm 气体通过每层塔板的业主高度 可按下式计算： ph0.39.480.35.49pclh m 气体通过每层塔板压降 （设计允许值）g0.54976.8152.6.pl pa 7.1.2 液面落差 对于筛板塔，液面落差很小，且本设计所选用得塔径和液流量均不大，故可忽 略液面落差的影响。 7.1.3 液沫夹带 液沫夹带的公式： (7.6) 3.265.710avltfehh2.5.08.2flhm 北京化工大学毕业设计（论文） 36 故： 3.2 3.26 635.7105710.450/0.1/48avltfe kgkghh 液 气 液 气 在本设计中液沫夹带量在允许范围内 7.1.4 漏液 对于筛板塔，漏液店气速 可由下式计算：,mino (7.7),in4.0.56.13/oolvch ,min. /olv4.07256.138.97.4/0618/s 实际孔速 ： ,min.4/oos 稳定系数为： (7.8),minok ,min18.46.517ok 所以在本设计中无明显漏液 7.1.5 液泛 为防止塔内发生液泛，降液管内液层高 因满足以下关系，dh (7.9)dtwh 甲醇-水溶液属于一般物系，取 =0.4 则0.45.071.248twhh 北京化工大学毕业设计（论文） 37 =0.0007 液柱220.1530.153.7dohm =0.0549+0.08+0.0007=0.1356pldhh 所以 tw 则，在本设计中不会发生液泛 第 7.1 节 提馏段的流体力学验算 7.2.1 塔板的压降 干板阻力 的计算：ch 干板阻力由公式 进行计算 ，则 2 1govl ，查于筛孔的流量系数图，得： =0.772/5/3.67od oc 所以， 22 119.06.8513.50.274g7ovclh m 气体通过液层的阻力 的计算lh 气体通过液层阻力由公式 计算 llh 1/21/21.4260.853.6()oavfkgsm 査充气系数 与气相动能因数 的关联图，得 ： =0.61of 故： .10.4.1560.48llwhh m 液体表面张力的阻力 计算： 4/satf sa 北京化工大学毕业设计（论文） 38 液体表面张力的阻力 液柱 3454.810.46g96.lohdm 气体通过每层塔板的液柱高度 为：p0.274.80.4.80pclhh 气体通过每层塔板压降为： g.8965.1765.3.9plp pa 7.2.2 液面落差 对于筛板塔，液面落差很小，且本例的塔径和流量不大，故可忽略液面落差的影响。 7.2.3 液沫夹带 液沫夹带由公式 来计算，其中 3.26 5.710avltfehh2.5.8.2flhm 故 3.2 3.26 6 3.7105710.407/0.1/485avltfe kgkghh 液 气 液 气 所以在本设计中液沫夹带量在允许范围内 7.2.4 漏液 对于筛板塔，漏液点气速为： 北京化工大学毕业设计（论文） 39 即： ,min4.0.56.13/oolvch ,i .72.0.8.04695./0813 1/s 实际孔速 ,min8.oo 稳定系数为： ,in19.06 .51.2k 故本设计中无明显液漏 7.2.5 液泛 为防止塔内发生液泛，降液管内液层高度应服从 dtwhh 甲醇-水溶液属于一般物系，取 =0.4，则0.45.064.258tw 板上不设进口堰 =0.0050 液柱22 .153.13.dohm =0.0808+0.0488+0.050=0.1346 pldhh dtw 故本设计中不会发生液泛现象 北京化工大学毕业设计（论文） 40 第 8 章 塔板性能负荷图 第 8.1 节 提馏段的塔板负荷性能图 8.1.1 漏液 由： (8.1),min4.0.56.13/oolvch (8.2),i,insva （8.3）lwoh (8.4) 2/3.8410hoel 得： 2/3,min,in,i .84560.13/0s hoowlvwv lcahea l (8.4)2/3,min 62.844.072.1840.56.13071.0976.4/13.ssv 整理得， 2/,in.97.s sl 在操作范围内，任取几个 值，由上式计算出 值，计算结果列于下表slv 北京化工大学毕业设计（论文） 41 8.1 表sl3/ms 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045v 2.083 2.118 2.176 2.208 由 8.1 表数据可做出漏液线 1 8.1.2 液沫夹带线 由 = 为限，求 和 ，关系如下，ve0.1/kg液 气 svl 则： (8.5) 3.265.710avltfehh (8.6)satfa2.5flh =0.071 w （8.7） 2/3.8410howwlhel = 2/3.8410howwlhel2/32/36.841.560.ss 故 2/32/3.5().57010.71.9lossll2/32/34.179.59tf sshh.632/30.4. 0185v svel 整理得， =4.692-23.94s2/3s 北京化工大学毕业设计（论文） 42 在操作范围内，任取几个 值，由上式计算出 值，计算结果列于下表slsv 8.3 表s3/ms 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045v 4.522 4.378 4.194 4.038 由 8.3 表数据可做出液沫夹带线 2 8.1.3 液相负荷下限线 对于平直堰，取堰上液层 =0.006 owhm 取 e=1，则 3/230.61.140./846sls 此数据可做出与气体流量无关垂直液相负荷下限线 3 8.1.4 液相负荷上限线 由 =5 作为液体在降液管中停留时间的上限，s （8.8） 5ftsahl 此数据可做出与气体流量无关垂直液相负荷上限线 4 故 = ,minsl0.257.40.231ftah 8.1.5 液泛线 （8.9）()dtwhh 北京化工大学毕业设计（论文） 43 由： （8.10）dpldhh （8.11）cl （8.12）;llwoh 联立得， (1)()twocdhhh 忽略 ，将 与 ， 与 ， 与 的关系式代入上式，并整理得osldssv2/3ssavbc 式中 20.51()(vloactwbhh20.153()cl236284()wdel 将有关数据代入 20.51.0().79(.7.)9764a4(.1.b20.1530.95()c3232362.84(.1)0.8954sd l 故 ， 0.790.ssv 在操作范围内，任取几个 值，由上式计算出 值，计算结果列于下表slsv 8.4 表s3/ms 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045v 5.598 5.412 5.132 4.844 北京化工大学毕业设计（论文） 44 由 8.4 表上数据可做出液泛线 5 在负荷性能图上，做出操作点 a，连接 oa，即做出操作线。由图可看出，该筛板 的操作的上限为液泛控制，下限为漏液控制。由图查得 =5.13 =2.15maxsv3/sminsv3/s 故操作弹性为 =5.13/2.15=2.39axi/s 根据以上各线方程，可做出筛板塔的负荷性能图如下图所示 第 8.2 节 提留段的塔板负荷性能图 8.2.1 漏液线 由 ,min4.0.56.13/oolvch,i,insvalowh = 得，23.84()10hel),min560.1llvsvch 2/3.844.3610hlvo wal 2/3602.844.072.1694.5.36.4695./08131.s 整理得， 2/3,min.50.72.09s svl 北京化工大学毕业设计（论文） 45 在操作范围内，任取几个 值，由上式计算出 值，计算结果列于下表slsv 8.5 表s3/ms 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045v 1.946 1.988 2.041 2.084 由 8.5 表上数据可做出漏夜线 1 8.2.2 液沫夹带线 由 为限 ，求 ，关系如下：0.1/vekg液 气 svl3.265.7altfhh0.472.43.568ssa stf va.5fwohh062/32/302.84.5611.14sowslhel 故 ， 2/32/35.0.9f ssl / /0.6981.tfhh3.263/.47.710548281svvel/309ss 在操作范围内，任取几个 值，由上式计算出 值，计算结果列于下表sv 8.6 表sl3/ms 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 北京化工大学毕业设计（论文） 46 sv3/ms5.442 5.2792 5.0705 4.896 由 8.6 表上数据可做出液沫夹带线 2 8.2.3 液相负荷下限线 对于平直堰，取堰上液层高度 =0.006 作为最小液体负荷标准owhm 得， =0.006 2/3602.8410sowlhel 取 =1 则： =0.006 2/360.8410.14sowlhe =0.001121sl 此数据可做出与气体流量无关垂直液相负荷下限线 3 8.2.4 液相负荷上限线 由 作为液体在降液管中停留时间的上限，5sftsahl 此数据可做出与气体流量无关垂直液相负荷上限线 4 故 0.16.450.15ft 8.2.5 液泛线 北京化工大学毕业设计（论文） 47 ()dtwhh 由： dpldclhllwo 联立得， (1)()t owcdhhh 忽略 ，将 与 ， 与 ， 与 的关系式代入上式，并整理得owsldssv2/3ssavbc 式中 20.51()volac =btwhh20.153()cl236284()wdel 将有关数据代入得 20.510.851 ().7(.69.7)96a4(.4.02b20.153 6.03(98)c32232.4(.1).8954sd l 在操作范围内，任取几个 值，由上式计算出 值，计算结果列于下表slv 8.6 表s3/ms 0.0006 0.0015 0.0030 0.0045 北京化工大学毕业设计（论文） 48 sv3/ms6.186 5.996 5.708 5.408 由 8.6 表上数据可做出液泛线 5 在负荷性能图上，做出操作点 a，连接 oa，即做出操作线。由图可看出，该筛板 的操作的上限为液泛控制，下限为漏液控制。由图查得 =4.873 =2.046maxsv3/sminsv3/s 故操作弹性为 =4.873/2.046=2.38axis 根据以上各线方程，可做出筛板塔的负荷性能图如下图所示 筛板塔设计计算结果 序号 项目 精馏段数值 提馏段数值 1 平均温度 ,mt 70.15 85.125 2 平均压力 kpa105.35 112.1 3 气相流量 svs/,33.326 3.261 4 液相流量 l0.0019 0.004688 5 塔板数 ， 块 8 14 6 有效高度 z,m22 7 塔径 d, 1.8 1.8 8 板截距 ,th0.45 0.45 9 溢流形式 单溢流 单溢流 10 降液管形式 弓形 弓形 11 堰长 ,wlm1.314 1.314 12 堰高 ， oh0.071 0.0644 13 板上液层高度 ， 0.08 0.08 14 降液管底隙高度 , 0.021 0.0198 15 板上清液高度 ， lh80 80 16 边缘区宽度 ,cwm0.085 0.085 17 开孔面积 ，aa21.784 1.694 北京化工大学毕业设计（论文） 49 18 筛孔直径 ,odm5 5 19 筛孔数目 , 个 9158 9158 20 孔中心距 ， t 15 15 21 开孔率 ， %10.1 10.1 22 空塔气速 ,/s1.308 1.282 23 筛孔气速 ,om18.46 19.06 24 稳定系数 1.56 1.5