化工原理课程设计-单国庆.doc

合 肥 学 院Hefei University化工原理课程设计题 目:甲醇水精馏分离板式塔设计系 别: 化学与材料工程系 专 业:_ 化学工程与工艺 学 号: 0903022038 姓 名: 单国庆 指导教师: 朱德春 2012年 2月 14日 化工原理课程设计任务书一、设计题目甲醇-水精馏分离板式塔设计二、设计任务及操作条件1.设计任务生产能力（进料量） 30000 吨/年操作周期 7200 小时/年进料组成 10% （质量分率，下同）塔顶产品组成 42% 塔底产品组成 0.9% 2.操作条件操作压力 塔顶为常压 进料热状态 泡点进料(q=1) 加热蒸汽 低压蒸汽 3.设备型式 筛板塔板 4.厂址 安 徽 地 区 三、设计内容1.设计方案的选择及流程说明2.塔的工艺计算3.主要设备工艺尺寸设计（1）塔径、塔高及塔板结构尺寸的确定（2）塔板的流体力学校核（3）塔板的负荷性能图（4）总塔高、总压降及接管尺寸的确定4.辅助设备选型与计算5.设计结果汇总6.设计评述7.工艺流程图及精馏工艺条件图主要符号说明：2英文字母3塔板开孔区面积，m2；降液管截面积，m2；筛孔总面积，m2；塔截面积，m2；计算时的负荷系数,；负荷因子, ；筛孔直径,m；塔径,m；液沫夹带量，kg液/kg气；全塔效率；气相动能因子,； 重力加速度,9.81；降液管底隙高度,m；干板阻力，m；气体通过每层塔板的液柱高m；塔板上鼓泡层高度,m；液体表面张力的阻力，m；气体通过液层的阻力，m；溢流堰高度,m；板上液层高度,m；降液管内的清液高度，m；板间距,m；人孔间距，m；塔底空间,m；塔顶空间,m；稳定系数，无因次；溢流堰长度,m；液体体积流量,；筛孔数目；理论塔板数；实际塔板数；操作压力,pa； 压力降,pa；筛孔的中心距,m；空塔气速, ；泛点气速,；通过有效传质区的气速,；气体通过筛孔的速度,；漏液点气速,；气体体积流量,；安定区宽度,m；边缘区宽度,m；液相摩尔分数；气相摩尔分数；塔高,m；希腊字母挥发度；充气系数，无因次；筛板厚度,m；液体在降液管内停留时间,s；黏度,；密度, ；表面张力,；开孔率或孔流系数，无因次；下标最大的；最小的；液相的；气相的目 录1 引言61.1 设计依据61.2 设计任务及要求62 计算过程72.1 塔型选择72.2 操作条件的确定72.2.1 操作压力72.2.2 进料状态82.2.3 加热方式82.2.4 热能利用82.3 有关的工艺计算82.3.1 塔顶产品产量、釜残液量及加热蒸汽量102.3.2 全凝器冷凝介质的消耗量102.3.3 热能利用102.3.4 预热器消耗量112.3.5 理论塔板数的确定112.3.6 操作压力122.3.7 全塔效率的估算122.3.8 实际塔板数NP132.4 精馏塔具体尺寸132.4.1 液相平均密度142.4.2 气相的平均密度142.4.3 液相表面张力152.4.4 汽、液相负荷（体积流量）152.4.5 精馏塔塔体工艺尺寸162.5 塔板主要工艺尺寸的计算172.5.1 溢流装置172.5.2 塔板布置202.6 筛板的流体力学验算212.6.1 塔板压降212.6.2 液面落差222.6.3 液沫夹带量222.6.4 漏液222.6.5 液泛232.7 塔板负荷性能图232.7.1 漏液线232.7.2 液沫夹带线232.7.3 液相负荷下限线242.7.4 液相负荷上限线242.7.5 液泛线252.8 各接管尺寸的确定262.8.1 进料管262.8.2釜残液出料管272.8.3塔顶上升蒸汽管272.8.4水蒸汽进口管282.8.5离心泵的选择283 设计结果汇总284 结论301 引言甲醇水工业上最常见的溶剂，也是非常重要的化工原料之一，是无色、无毒、无致癌性、污染性和腐蚀性小的液体混合物。因其良好的理化性能，而被广泛地应用于化工、日化、医药等行业。近些年来，由于燃料价格的上涨，甲醇燃料越来越有取代传统燃料的趋势，且已在郑州、济南等地的公交、出租车行业内被采用。山东业已推出了推广燃料甲醇的法规。长期以来，甲醇多以蒸馏法生产，但是由于甲醇水体系有共沸现象，普通的精馏对于得到高纯度的甲醇来说产量不好。但是由于常用的多为其水溶液，因此，研究和改进甲醇水体系的精馏设备是非常重要的。塔设备是最常采用的精馏装置，无论是填料塔还是板式塔都在化工生产过程中得到了广泛的应用，在此我们作板式塔的设计以熟悉单元操作设备的设计流程和应注意的事项是非常必要的。 1.1 设计依据 本设计依据于教科书的设计实例，对所提出的题目进行分析并做出理论计算。流程简介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。1.2 设计任务及要求原料：甲醇水溶液，年产量30000吨 甲醇含量：10%(质量分数)，原料液温度：20设计要求：塔顶的甲醇含量不小于42%(质量分数) 塔底的甲醇含量不大于0.9%(质量分数)附： 汽液平衡数据表1 甲醇-水溶液的平衡数据xyxyxy0.000.0000.150.5170.700.8700.020.1340.200.5790.800.9150.040.2340.300.6650.900.9580.060.3040.400.7290.950.9790.080.3650.500.7791.001.0000.100.4180.600.825 由上表可画出如下图：图1 甲醇水相平衡图2 计算过程2.1 塔型选择根据生产任务，若每年按操作周期7200小时计算，处理量为由于产品粘度较小，流量较大，为减少造价，降低生产过程中压降和塔板液面落差的影响，提高生产效率，选用筛板塔。筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有： 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，否则气液接触不匀。 操作弹性较小(约23)。 小孔筛板容易堵塞。2.2 操作条件的确定2.2.1 操作压力 由于甲醇水体系对温度的依赖性不强，常压下为液态，为降低塔的操作费用，操作压力选为常压。其中塔顶压力为塔底压力2.2.2 进料状态虽然进料方式有多种，但是饱和液体进料时(q=1)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，无论是设计计算还是实际加工制造这样的提馏塔都比较容易，为此，本次设计中采取饱和液体进料。2.2.3 加热方式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。2.2.4 热能利用精馏过程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。因此热效率较低，通常进入再沸器的能量只有5%左右可以被有效利用。虽然塔顶蒸汽冷凝可以放出大量热量，但是由于其位能较低，不可能直接用作为塔底的热源。为此，我们拟采用塔釜残液对原料液进行加热。2.3 有关的工艺计算由于精馏过程的计算均以摩尔分数为准，需先把设计要求中的质量分数转化为摩尔分数。甲醇的摩尔质量为：32.04kg/kmol水的摩尔质量为： 18.01kg/kmol原料液的摩尔组成：原料液的平均摩尔质量：20下，原料液中表2 甲醇水体系得分汽-液平衡及沸点（101.3kPa压力下）甲醇在液相中含量%甲醇在汽相中含量%沸点t/00.00100.01052.091.82064.886.33071.482.24074.779.05077.176.46079.474.27082.272.08085.969.79091.367.2100100.0864.6原料液温度 馏出液温度 釜残液温度 结果见下表：表3 原料液、馏出液与釜残液的流量与温度名称原料液馏出液釜残液10420.9(摩尔分数)0.05880.28930.005摩尔质量18.8422.0718.08沸点温度/91.878.4899.532.3.1 塔顶产品产量、釜残液量及加热蒸汽量每年按操作周期7200小时计算，进料量为：由总物料衡算：以及: 容易得出： 2.3.2 全凝器冷凝介质的消耗量甲醇的气化热r=1101kJ/kg馏出液中含42%的甲醇KJ/h平均温度下的比热，于是冷凝水用量可求：2.3.3 热能利用以釜残液对预热原料液，则将原料加热至泡点所需的热量可记为：其中在进出预热器的平均温度以及的情况下可以查得比热，所以 釜残液放出的热量若将釜残液温度降至那么平均温度其比热为，因此可知，于是理论上不可以用釜残液加热原料液至泡点，于是我们可以在进料前加一个预热器，以供不足的能量。2.3.4 预热器消耗量取低压水蒸气为加热介质其进出预热器的温度分别为100和20则平均温度下的比热，于是冷凝水用量可求：2.3.5 理论塔板数的确定(1)求精馏塔的气、液相负荷采用泡点进料，进料温度为20，将摩尔分数转化为质量分数为：0.0588，查表得原料液的r=1046.4kJ/kg ，cp=4.338kJ/(kgK)所以操作线方程为： (a)(2)采用逐板法求理论板层数由 得 （b）将 代入得相平衡方程 （c）联立（a）、（b）、（c）式，可自上而下逐板计算所需理论板数。因塔顶为全凝则由（c）式求得第一块板下降液体组成利用（a）式计算第二块板上升蒸汽组成为交替使用式（a）和式（c）直到，然后改用提馏段操作线方程，直到为止，计算结果见表3。表3 板号组成123456y0.28930.127190.241060.19820.138480.06075x0.138130.127020.111110.088690.0595180.024834xF理论塔板数为： （不包括再沸器）2.3.6 操作压力设每层塔压降 =0.7Kpa塔顶压力P0=101.3Kpa P1=101.3+0.7=102.0Kpa P2=102.7Kpa P3=103.4Kpa P4=104.1Kpa P5=104.8Kpa P6=105.5KPa 则回收塔平均压力 2.3.7 全塔效率的估算用奥康奈尔法()对全塔效率进行估算：由相平衡方程式可得根据甲醇水体系的相平衡数据可以查得： (塔顶第一块板) (加料板) (塔釜)因此可以求得：由相平衡方程式可得因此可以求得： =0.98同理可求得：= 6.60 =7.19全塔的相对平均挥发度：全塔的平均温度：在温度下查得因为所以，同理可求得 全塔液体的平均粘度：全塔效率2.3.8 实际塔板数NP(块)即提馏段的实际塔板数为11块。 2.4 精馏塔具体尺寸整理精馏塔的已知数据列于表4由表中数据可知：表4 精馏塔的已知数据位置塔釜塔顶质量分数摩尔分数摩尔质量/温度/99.5378.482.4.1 液相平均密度液相平均摩尔质量 液相平均温度：在平均温度89.28下查得： 进料：塔顶：塔底：液相平均密度为 2.4.2 气相的平均密度A、进料板平均摩尔质量由B、塔顶平均摩尔质量由,得C、塔釜平均摩尔质量由气相平均摩尔质量 气相平均密度2.4.3 液相表面张力A、塔顶液相表面张力由查表得故B、塔底液相表面张力由 及得C、塔进料液相表面张力由查表得故所以液相平均表面张力2.4.4 汽、液相负荷（体积流量）液相平均密度 则液相负荷为：气相平均密度 则汽相负荷为：表5 精馏塔的汽液相负荷名称液相汽相平均摩尔质量/18.4221.25平均密度/体积流量/2.4.5 精馏塔塔体工艺尺寸A、塔径的计算塔的气、液相体积流率为则液气动能参数为：取板间距HT=0.40m，板上清液层高度hL=0.05m，则HT-hL=0.35m图3 史密斯关联图由史密斯关联图查得：C20=0.052气体负荷因子= 取安全系数为0.8，则空塔气速为 u=0.8umax=0.82.25=1.80m/s按标准塔径圆整后为D=1.0m塔截面积为At=3.1411=0.785 m2实际空塔气速为U实际=1.909/0.785=2.432m/s (安全系数在充许的范围内，符全设计要求)B、塔高的计算塔的高度可以由下式计算：已知实际塔板数为N=11块，板间距,取一个人孔取人孔两板之间的间距，则塔顶空间，塔底空间，那么，全塔高进料板空间高度： 2.5 塔板主要工艺尺寸的计算2.5.1 溢流装置由于塔径D=800mm，可选用单溢弓型降液管，采用凹型受液盘。A、堰长取 B、溢流堰高度由，选用平直堰，堰上液层高度由弗兰西斯（Francis）公式计算，即 图4 液流收缩系数计算图由液流收缩系数计算图，近似取E=1，则取板上清液层高度hL=0.06 m故 C、弓形降液管宽度和截面积由查弓形降液管参数图得图5 弓形降液管参数图弓形溢流管宽度弓形降液管面积验算：液体在提馏段降液管内的停留时间其中HT即为板间距0.60m，Ln即为每小时的液相体积流量验证结果为降液管设计符合要求D、降液管底隙高度取 （一般）则故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度。2.5.2 塔板布置A、塔板的分块 因D800mm，故塔板采用分块式。表6 塔板分块数塔径，mm8001200140016001800200022002400塔板分块数3456由上表查得，塔板分为3块。B、边缘区宽度确定取Ws=Ws= 65mm , Wc=35mmC、开孔区面积计算开孔区面积Aa按下面式子计算，则有其中 x=D/2(WdWs)=0.5-（0.146+0.065）=0.289mr= D/2Wc=0.5-0.035=0.465m并由Wd/D=0.146， 推出Wd=0.146m D、筛孔计算及其排列甲醇水体系无腐蚀性，可选用碳钢板，取筛孔直径。筛孔按正三角形 ，取孔中心距t为 筛孔的数目n为n=1158103Aa/t2=9512个开孔率为=0.907（do/t）2=10.07%气体通过阀孔的气速为2.6 筛板的流体力学验算2.6.1 塔板压降A、干板阻力计算干板阻力 由 查干筛孔的流量系数图得 图6 干筛孔的流量系数图故 B、气体通过液层的阻力计算气体通过液层的阻力， 气相动能因子 查充气系数关联图得 图7 充气系数关联图故 液柱C、液体表面张力的阻力液体表面张力所产生的阻力，液柱气体通过每层塔板的液柱高度液柱气体通过每层塔板的压降为（设计允许值）2.6.2 液面落差对于筛板塔，落面落差很小，且本例塔径和液流量不大，故可忽略液面落差的影响。2.6.3 液沫夹带量液沫夹带量 故kg液/kg气0.1 kg液/kg气故在本设计中液沫夹带量在允许范围内。2.6.4 漏液对筛板塔，漏液点气速可由计算，即实际孔速稳定系数为 故在本设计中无明显漏液。2.6.5 液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高应服从的关系。甲醇水物系属一般物系，取，则而 板上不设进口堰，可由式计故在本设计中不会发生液泛现象。2.7 塔板负荷性能图2.7.1 漏液线由 整理得 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于表7表70.00050.00100.00250.00400.3610.3720.3950.413由上表数据即可作出漏液线1.2.7.2 液沫夹带线以为限，求关系如下：由 故 整理得 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于表8。表80.00050.00100.00200.002251.0851.0470.986970.9608由上表数据即可作出液沫夹带线2.2.7.3 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准。由m取E=1，则据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3.2.7.4 液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留时间的下限，由式故 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4.2.7.5 液泛线 式中 将有关的数据代入，得在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于表9。表90.00050.00050.00250.00400.00050.00600.00711.2141.1811.0941.0011.2140.8500.746由上表数据即可作出液泛线5.根据以上各方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如下图所示。054231CB图8 塔板的负荷性能图A在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA,即作出操作线并相交于B、C。由图可看出，该筛板的操作上限为雾沫夹带控制，下限为漏液控制。由上图查得 故操作弹性为2.8 各接管尺寸的确定2.8.1 进料管 在原料温度下查得则原料液密度为：进料体积流量取适宜的输送速度，故经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规格：实际管内流速：2.8.2釜残液出料管在下查得 则釜残液密度为 釜残液的体积流量：取适宜的输送速度，则经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规格：实际管内流速： 2.8.3塔顶上升蒸汽管塔顶上升蒸汽塔顶上升蒸汽的体积流量：取适宜速度，那么经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规格：实际管内流速： 2.8.4水蒸汽进口管通入塔的水蒸气密度通入塔的水蒸气体积流量：取适宜速度，那么经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规格：实际管内流速：2.8.5离心泵的选择根据年处理量及塔高，选用IS125-100-200型号的离心泵，其性能如下表所示表10 离心泵性能表型号转速 （转/分钟）流量(m3/h）扬程(m)效率(%)轴功率(kW)必需的汽蚀余量(m3)质量比(泵/底座)(kg)IS125-100-20014506014.7623.832.5108/663 设计结果汇总表11 设计计算结果项目数值与说明备注气相流量