化工原理课程设计--甲醇精馏塔的设计.docVIP

化工原理课程设计说明书设计题目 甲醇精馏塔的设计 班级 化工092 姓名 党博航 学号 0911510201 指导老师 卢素敏 汤恩祺 时间 2012年2月 目录前言31甲醇生产过程精馏塔的设计31.1甲醇水连续精馏塔设计条件31.2主要使用数据31.3设计方案的确定42主要工艺计算42.1 原料及塔顶、塔底产品的摩尔分率42.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量42.3物料衡算42.4塔板数的确定42.5操作温度和压强52.5.1操作温度计算52.5.2平均压力计算62.5.3温度、压力列表63热平衡与换热器63.1.加热介质和冷却剂的选择63.2冷凝器63.3再沸器83.4预热器84.精馏塔附件计算94.1管道计算9 4.1.1冷原料进料管（进入预热器）94.1.2 热原料出料管(出预热器)94.1.3热原料进料管(进塔)104.1.4釜残液出料管（出塔）104.1.5料液出再沸器进塔底产品罐114.1.6混合气体由再沸器进入塔内114.1.7塔顶混合气进入全凝器内114.1.8馏出液由回流罐进入产品罐124.1.9塔顶回流管道124.1.10饱和水蒸气进入预热器134.1.11饱和液体水出预热器134.1.12饱和水蒸气进入再沸器134.1.13饱和液体水出再沸器144.1.14冷凝器的进水管144.1.15冷凝器的出水管154.1.16由冷凝器到回流罐154.1.17 管道列表154.2泵164.2.1泵将原料抽送到塔164.2.2泵将回流液抽送到塔164.2.3泵列表165.塔高和塔径165.1塔径的计算165.2填料塔高度的计算166设计总结177.参考文献17前言化工原理课程设计是理论系实际的桥梁，是让学生体察工程实际问题复杂性的初次尝试。通过化工原理课程设计，要求我们能够综合运用化工原理上下册的基本知识，进行融汇贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的设计任务，从而得到以化工单元操作为主的化工设计的初步训练。通过课程设计，我们了解到工程设计的基本内容，掌握典型单元操作设计的主要程序和方法，培养了分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风。1甲醇生产过程精馏塔的设计1.1甲醇水连续精馏塔设计条件（） 生产能力：10000吨/年（） 料液组成：甲醇含量30%（质量分数）（） 采用间接蒸汽加热（） 采用泡点进料（） 塔顶馏出液甲醇含量98%（质量分数）（） 塔顶易挥发组分98%（质量分数）1.2主要使用数据甲醇-水平衡时的t、x、y数据（摘于化工工艺手册） 平衡温度t 10092.990.388.985.081.678.0液相甲醇x 05.317.679.2613.1520.8328.18气相甲醇y 028.3440.0143.5354.5562.7367.75平衡温度t 73.872.771.370.068.066.964.7液相甲醇x 46.2052.9259.3768.4985.6287.41100气相甲醇y 77.5679.7181.8384.9289.6291.94100 1.3设计方案的确定本设计任务为甲醇的精馏。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。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。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷凝器冷却后送至储罐。该物系属易挥发物系，最小回流比较小，塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。2主要工艺计算 2.1 原料及塔顶、塔底产品的摩尔分率xf= 0.194xd=0.965xw=2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量mf=0. 19432.04+(1-0.194)18.02=20.74kg/kmolmd=0.96532.04+0.03518.02=31.55 kg/kmolmw=0.011332.04+0.988718.02=18.18 kg/kmol 2.3物料衡算 原料处理量 f=66.97kmol/h 总物料衡算 f=d+w由 xf=0.194 xd=0.965 xw=0.0113fxf=d xd +w xw 可得：d=12.85 kmol/h w=f-d=54.12 kmol/h2.4塔板数的确定理论塔板层数nt的求取可利用图解法求理论板层数由手册查得水-甲醇物系的气液平衡数据，绘出x-y图。求最小回流比及操作回流比。采用作图法求最小回流比。故最小回流比为 rmin=1.58取回流比r=2 rmin =3.16精馏段操作线方程：y=0.760x+0.232用图解法求理论塔板数，如上图 nt=11 进料板为第8块板。2.5操作温度和压强2.5.1操作温度计算根据气液平衡表（x-y-t表）利用内插法求塔顶温度tld tvd，塔釜温度tw，进料温度tf由 可得:tld=65.31由 可得：tvd=65.66由 可得：tw=98.49由 可得：tf=82.242.5.2平均压力计算 取塔顶操作压强pd=101.325 kpa取每层压降为，那么进料板的压力p=101.325+0.7*7=106.225kpa，塔底操作压强pw=101.325+0.7*11=109.025 kpa精馏段的平均压力为pm=(101.325+106.225)/2=103.775kpa2.5.3温度、压力列表操作温度操作压强塔顶65.66101.325 kpa进料板82.24106.225kpa塔底98.49109.025 kpa3热平衡与换热器3.1.加热介质和冷却剂的选择 (a) 加热介质的选择 饱和水蒸气是一种应用最广的加热剂。由于饱和水蒸气冷凝时的传热膜系数很高，可以通过改变蒸汽的压力准确地控制加热温度。燃料燃烧所排放的烟道气温度可达1001000，适用于高温加热。缺点是烟道气的比热容及传热膜系数很低，加热温度控制困难。本设计选用500kpa的饱和水蒸气作加热介质，水蒸气易获得、清洁、不易腐蚀加热管，不但成本会相应降低，塔结构也不复杂。 (b)冷却剂的选择 常用的冷却剂是水和空气，应因地制宜加以选用。常温下水为25，选升温10，即冷却水的出口温度为35。 3.2冷凝器 冷凝器的热负荷 蒸发潜热与温度的关系：其中 对比温度。 沸点下蒸发潜热列表 沸点/蒸发潜热/（kcalkmol-1） /k甲醇 64.658430512.6水 1009729647.3由沃森公式计算塔顶温度下的潜热 65.66时，甲醇： 蒸发潜热 ： 水： 蒸发潜热 ：对全凝器作热量衡算（忽略热量损失） 选择泡点回流，因为塔顶甲醇含量很高，与露点相接近，所以 代入数据得： c=（3.16+1）12.858472.888=452926.701kcal/h=452926.7014.187kj/h=1896404.097kj/h=526778.916j/sc.冷凝器传热面积：热流体：65.66 65.31冷流体： 35 25tm=则 a=24.893m2冷却介质消耗量：查课本附录得：35时水的比热为4.174kj/（kg） 水的消耗量计算： =45433.735kg/h3.3再沸器：忽略热损失 则热负荷 qb=v(ivw-ilw) =0.01138411.177(1-0.0113) 10174.338=10154.414kcal/kmol对于泡点进料，v=v则： qb=（r+1）d（）=（3.16+1）12.8510154.414kcal/h =542814.3548 kcal/h=2271135.26kj/h=630870.906j/s查课本附录得： p为500kpa时水的汽化热为2113.2kj/kg ， 水的温度为151.7加热蒸汽消耗量：wh=1074.74kg/h再沸器的传热面积： 已知 tw=98.49 t=151.7-98.49=53.21则: a=14.820m23.4预热器热负荷：q=whcph（t1-t2） 已知f=66.97kmol/h mf=20.740kg/kmol 则wh=fmf=66.9720.740=1388.958kg/h=0.386kg/s查课本附录得：50时水的比热为4.174kj/（kg） 查溶剂手册得50时的甲醇的比热为4.145kj/（kgk）50时混合物的比热为：cph=0.33.458 +0.74.174=9.634 kj/（kg）q=0.3869.634（82.24-25）=212.86kw 热流体：151.7 151.7冷流体：82.24 25tm=95.24a=5.77m2加热蒸汽消耗量：wh=0.1007 kg/s=362.62kg/h4.精馏塔附件计算4.1管道计算： 4.1.1冷原料进料管（进入预热器）原料罐通过的物流量：f=66.97kmol/h=66.9720.740kg/h=1388.958kg/h=0.3858kg/s 原料液的密度： 查溶剂手册估算得 30%的甲醇溶液25时密度 0.9493g/cm3原料体积流量：vs= =406.405cm3/s取适宜的输送速度u=2.0m/s，故d=1.6085cm经圆整选取冷轧无缝钢管，规格： 实际管内流速：u= =1.690m/s4.1.2 热原料出料管(出预热器)由甲醇密度表查得: 80时 甲醇密度为0.721g/cm3 90时 甲醇密度为0.713g/cm3 用内插法估算得82.24时甲醇密度0.72118 g/cm3 查得水在82时的密度为0.97053 g/cm3 82.24原料液，求得该温度下 =0.8793 g/cm3进料体积流量:vs=438.758 cm3/s取适宜的输送速度u=2.0m/s，故d=1.6713cm经圆整选取冷轧无缝钢管，规格： 实际管内流速：u= =1.824 m/s4.1.3热原料进料管(进塔)同热原料出料管(出预热器)4.1.4釜残液出料管（出塔）98.49出料l=l+f=rd+f=3.1612.85+66.97=107.576kmol/h=0.029882kmol/s 用上述方法估算得98.49时甲醇密度0.70536 g/cm3 查得水在98时的密度为0.95979 g/cm3 98.49出料液，求得该温度下 =0.8661 g/cm3已知mw =18.178kg/kmol釜残液的体积流量：vs=627.174 cm3/s取适宜的输送速度u=2.0m/s，则 d=1.998cm经圆整选取冷轧无缝钢管，规格：实际管内流速：u= =1.777m/s4.1.5料液出再沸器进塔底产品罐98.49的料液，w=54.12kmol/h=0.015 kmol/smw=18.178 kg/kmol , 0.8661 g/cm3料液的体积流量：vs=314.825 cm3/s取适宜的输送速度u=2.0m/s，则 d=1.416 cm经圆整选取冷轧无缝钢，规格：实际管内流速：u= =1.668m/s4.1.6混合气体由再沸器进入塔内98.49的饱和蒸汽， v=0.015kmol/s由y-x曲线查得：xw=0.0113时，对应的yw=0.0603该混合气体的相对分子质量为：mw=ywma+(1-yw)mb=320.0603180.9397=18.844再沸器内压强：p=101.325+0.7*11=109.025kpa=0.6649kg/m3vs=0.42512m3/s取适宜的输送速度u=35m/s，则 d=0.1244 m经圆整选取热轧无缝钢管，规格：实际管内流速：u=33.037 m/s4.1.7塔顶混合气进入全凝器内65.66，混合气d=12.85 kmol/h=0.00357kmol/s 由y-x曲线查得：xd=0.965时，对应的yd=0.9776 mvd= ydma+(1-yd)mb =320.9776+180.0224=31.6864塔顶压强：p=101.325kpa ， =1.1364 kg/m3vs=0.09954kg/s取适宜的输送速度u=35m/s ，则 d=0.06018m经圆整选取热轧无缝钢，规格：实际管内流速：u=34.06m/s4.1.8馏出液由回流罐进入产品罐65.31饱和液体d=12.85kmol/h =0.00357kmol/s mld= 31.549kg/kmol由上述方法估算得甲醇在65.31时的密度为：0.751g/cm3查得 水在66时的密度为：0.98001g/cm3该温度下混合液 =0.8979 g/cm3vs=125.437cm3/s取适宜的输送速度u=2m/s，则 d=0.8936cm 经圆整选取冷轧无缝钢管，规格：实际管内流速：u=176.97cm/s=1.77 m/s4.1.9塔顶回流管道65.31饱和液体l=rd=3.1612.85kmol/h =0.01128kmol/s mld= 31.549kg/kmol由上述方法估算得甲醇在65.31时的密度为：0.751g/cm3查得 水在66时的密度为：0.98001g/cm3该温度下混合液 =0.8979 g/cm3v=396.339cm3/s取适宜的输送速度u=2m/s，则 d=1.589cm 经圆整选取冷轧无缝钢管，规格：实际管内流速：u=164.18cm/s=1.64m/s4.1.10饱和水蒸气进入预热器151.7的饱和水蒸汽 ，蒸汽消耗量wh=0.1007 kg/s 查课本附录：饱和水蒸气表 得： =0.0377535m3/s取适宜的输送速度u=20m/s，则 d=0.049m经圆整选取热轧无缝钢管，规格：实际管内流速：u=18.48m/s4.1.11饱和液体水出预热器151.7的饱和液体水 ，查课本附录：水的物理性质 得： =0.00011m3/s取适宜的输送速度u=1.5m/s，则 d=0.00966m经圆整选取冷轧无缝钢管，规格： 实际管内流速：u=1.27m/s4.1.12饱和水蒸气进入再沸器151.7的饱和水蒸汽，蒸汽消耗量：wh=1074.74kg/h=0.29854kg/s查课本附录：饱和水蒸气表 得：=0.11193 m3/s取适宜的输送速度u=35m/s，则 d=0.0638m经圆整选取热轧无缝钢管，规格：实际管内流速：u=34.79m/s4.1.13饱和液体水出再沸器151.7的饱和液体水 ，wh=0.29854kg/s查课本附录：水的物理性质 得：=0.000326m3/s取适宜的输送速度u=1.5m/s，则 d=0.01663m 经圆整选取冷轧无缝钢管，规格：实际管内流速：u=1.36m/s4.1.14冷凝器的进水管25 水的消耗量 wc=45433.735kg/h=12.62kg/s 997kg/m3 =0.012658m3/s取适宜的输送速度u=2m/s，则 d=0.08976 m经圆整选取冷轧无缝钢管，规格：实际管内流速：u=1.74m/s4.1.15冷凝器的出水管同冷凝器的进水管4.1.16由冷凝器到回流罐65.31混合物的饱和液体 v=0.01128+0.0035kmol/s=0.01478kmol/smld= 31.549kg/kmol vs=519.316cm3/s取适宜的输送速度u=2m/s，则 d=1.82cm经圆整选取冷轧无缝钢管，规格：实际管内流速：u=1.93m/s4.1.17 管道列表管路编号管的位置 管道类型管径（mm）流速（m/s）1冷原料进料管（进入预热器）冷轧无缝钢管1.6902热原料出料管(出预热器)冷轧无缝钢管1.8243 热原料进料管(进塔)冷轧无缝钢管1.8244釜残液出料管（出塔）冷轧无缝钢管1.7775料液出再沸器进塔底产品罐冷轧无缝钢管1.6686混合气体由再沸器进入塔内热轧无缝钢管33.0377塔顶混合气进入全凝器内热轧无缝钢管34.068馏出液由回流罐进入产品罐冷轧无缝钢管1.779塔顶回流管道冷轧无缝钢管1.6410饱和水蒸气进入预热器热轧无缝钢管18.8411饱和液体水出预热器冷轧无缝钢管1.2712饱和水蒸气进入再沸器热轧无缝钢管34.7913饱和液体水出再沸器冷轧无缝钢管1.3614冷凝器的进水管冷轧无缝钢管1.7415