分离甲醇--水混合液的筛板精馏塔的设计计算.doc

.化工原理课程设计分离甲醇-水混合液的筛板精馏塔设计潍坊学院 小组成员：吴鑫 李春阳 袁旭目录第一章 设计题目2第二章工艺计算3 2.1精馏塔的物料衡算3 2.2塔板数的确定4 2.2.1理论板数的求取5 2.3工艺条件及有关物性数据计算6 2.3.1 图解法求理论塔板数6 2.3.2操作压力计算6 2.3.3 操作温度计算6 2.3.4相对挥发度的计算7 2.3.5平均摩尔质量计算7 2.3.6平均密度的计算8 2.3.7体平均表面张力计算9 2.3.8液体平均黏度计算10 2.3.9实际塔板数的计算11 2.4塔的主要工艺尺寸计算11 2.5塔板主要工艺尺寸的计算13 2.5.1溢流装置计算13 2.5.2塔板板面布置14 2.5.3筛孔计算及排列14 2.6筛板的流体力学验算15 2.6.1液面落差16 2.6.2液沫夹带16 2.6.3漏液16 2.7负荷性能图17 2.7.1漏液线（气相负荷下限线）17 2.7.2 液体流量下限线17 2.7.3液体流量上限线18 2.7.4 过量液沫夹带线 18 2.7.5 液泛线18 2.7.6塔板工作线20第三章设计总结21第四章 附属设备的选型与设计24 4.1冷凝器的选择24 4.2再沸器的选择25第五章 塔附件的设计26 5.1接管的计算与选择26 5.1.1进料管26 5.1.2回流管26 5.1.3塔底出料管26 5.1.4塔顶蒸汽出料管26 5.1.5塔底进气管27 5.2 筒体27 5.3 封头27 5.4法兰的选取27 5.5裙座28 5.6人孔28第六章塔总高度设计29 6.1塔顶部空间高度29 6.2塔总体高度计算29第七章设计心得30参考文献32前言精馏是利用液体混合物中各组分挥发性的差异对其进行加热，然后进行多次混合蒸气的部分冷凝和混合液的部分加热汽化以达到分离目的的一种化工单元操作。精馏操作应在塔设备中完成，塔设备提供气液两相充分接触的场所，有效地实现气液两相间的传热、传质，以达到理想的分离效果，因此它在石油化工生产中得到广泛应用。该设计选用逐级接触式的筛板塔作为分离设备，一个完整的板式塔主要是由圆柱形塔体、塔板、降液管、溢流堰、受液盘及气体和液体进、出口管等部件组成，这就需要对各个部件做出选择并给出合理的工艺尺寸,因此我们对精馏塔进行物料衡算，由间的关系并差取相关数据，确定相对挥发度和回流比求出相平衡方程和操作线方程，然后通过逐板计算法算得理论塔板数并由全塔效率确定实际塔板数，最后对塔高、塔径、溢流装置等各个部件进行计算与核算校验（如负荷性能图），最终得到符合工艺要求的精馏塔并能完成生产任务。第一章 设计题目及设计方案简介一设计题目分离乙醇水混合液的筛板精馏塔设计生产能力：年处理原料能力为12万吨（开工率300天/年）原料：乙醇含量为25%（质量分数，以下同）的常温液体。分离要求：塔顶：甲醇纯度不低于99%，塔底：甲醇不得高于0.6%。二设计方案简介设计中采用泡点进料，塔顶上升蒸汽采用全冷凝器冷凝，冷凝液在泡点下回流至塔内该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用间接蒸汽加热具体如下：塔型的选择本设计中采用筛板塔。筛板塔的优点是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。缺点是塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。加料方式和加料热状况的选择：加料方式采用泵加料。虽然进料方式有多种，但是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，饱和液体进料时精馏段和提馏段的塔径相同，无论是设计计算还是实际加工制造这样的精馏塔都比较容易，为此，本次设计中采取泡点进料。塔顶冷凝采用全冷凝器用水冷却。甲醇和水不反应而且容易冷却，故使用全冷凝器，塔顶出来的气体温度不高冷凝回流液和产品温度不高无需进一步冷却，此分离也是为了得到甲醇故选用全冷凝器。回流方式可分为重力回流和强制回流，对于小型塔冷凝器一般安装在塔顶。其优点是回流冷凝器无需支撑结构，其缺点是回流控制较难。如果需要较高的塔处理或因为不易检修和清理，这种情况下采用强制回流故本设计采用强制回流。加热方式为直接加热和间接加热。直接加热由塔底进入塔内。由于重组分是水故省略加热装置。但在一定的回流比较条件下，塔底蒸汽对回流有稀释作用，使用理论板数增加，费用增加，间接蒸汽加热器是塔釜液部分汽化维持原来浓度，以减少理论板数。本设计采用间接蒸汽加热。目前，精馏塔的设计方法以严格计算为主，也有一些简化的模型，此次设计采用精确计算与软件验算相结合的方法。第二章 工艺计算2.1精馏塔的物料衡算甲醇的分子式为,千摩尔质量为，水的分子式为,千摩尔质量为原料液的平均千摩尔质量：进料量 ：进料组成（摩尔分数，下同）：塔顶产品流量 ：塔顶组成：塔底残液流量 ：塔底组成 原料液以及塔顶，塔釜平均摩尔质量：原料液：塔顶：塔釜：所以 : 即采出率为: 由上式求出塔顶馏出液量为 则塔釜残液量为 塔顶产品流量：塔釜产品流量：2.2塔板数的确定由手册查得水-甲醇物系的气液平衡数据，绘出x-y图表1水-甲醇物系的气液平衡数据温度t/0C液相中的摩尔分数/x气相中的摩尔分数/y1000.000.00096.40.020.13493.50.040.23491.20.060.30489.30.080.36587.70.100.41884.40.150.51781.70.200.57978.00.300.66575.30.400.72973.10.500.77971.20.600.82569.30.700.87067.60.800.91566.00.900.95865.00.950.97967.61.001.000 图12.2.1理论板数的求取甲醇水可采用图解法求理论板层数：由表1可绘出甲醇水气液平衡数据图 见图1求最小回流比及操作回流比，用作图法求最小回流比。在图中对角线上，自点E作垂线EF即为去q线（泡点线）该线与平衡线交点坐标为 由可得q线与平衡线的交点坐标（xq，yq）为（0.36，0.72）,则最小回流比为 取回流比则精馏塔的气液负荷：精馏段： 提馏段：由于泡点进料 所以 精馏段操作线方程：提馏段操作线方程：2.3工艺条件及有关物性数据计算2.3.1 图解法求理论塔板数图2 采用图解法求理论板层数，如图2所示，求解结果为总理论板层数： 进料板位置： 2.3.2操作压力计算塔顶操作压力：每层塔板压降：进料板压力：精馏段平均压力：塔底压力： 提馏段平均压力：2.3.3 操作温度计算塔顶气相：运用内插法 塔顶液相： 塔釜： 进料板： 则有，精馏段温度： 提馏段温度： 2.3.4相对挥发度的计算查手册得甲醇的安托因常数为：表2安托因常数项目ABC甲醇7.197361574.99238.86水7.074061657.46227.02由 得： 2.3.5平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算 由查平衡曲线（图1）得进料板平均摩尔质量计算气相：液相: 精馏段平均摩尔质量计算由（图1）得 查平衡曲线得 精馏段气相平均摩尔质量：精馏段液相平均摩尔质量：塔釜平均摩尔质量由（图1）得提馏段平均摩尔质量计算：2.3.6平均密度的计算气相平均密度计算由理想气体状态方程得液相平均密度计算表3甲醇与水在各温度下的密度温度（）60708090100甲醇（kg/m3）751743734725716水（kg/m3）983.2977.8971.8965.3958.4图3液相平均密度依式计算塔顶液相平均密度的计算 由，查表由内插法得, 进料板液相平均密度的计算由查表3由内插法得,进料板液相的质量分率:精馏段液相平均密度为:塔底平均密度,提馏段液相平均密度：2.3.7体平均表面张力计算表4甲醇与水在各温度下的表面张力温度（）60708090100甲醇(mN/m)18.7617.8216.9115.8214.89水(mN/m)66.264.362.660.758.8图4液相平均表面张力，依计算塔顶液相平均表面张力的计算由，查表4由内插法得,进料板液相平均表面张力的计算由，查表4由内插法得：，精馏段液相平均表面张力为：塔底表面张力：，查表4得：，提馏段液相平均表面张力：2.3.8液体平均黏度计算表5 甲醇和水的黏度表温度t/0C406080100120L，水（mPa.s）0.4390.3440.2770.2280.196L，甲醇（mPa.s）0.54904700.3550.2820.237图5液相平均黏度依计算塔顶液相平均黏度的计算由，由表5内插法得：，解出进料板液相平均黏度计算由，由表5内插法得：，解出精馏段液相平均表面张力为塔底平均黏度计算:，由表5得，解出提馏段平均黏度：全塔平均黏度：2.3.9实际塔板数的计算蒸馏塔可用相对挥发度与液相黏度的乘积作为参数来关联全塔效率，其经验式为：式中相对挥发度；液相黏度，mPas所以，全塔效率计算实际塔板数精馏段提馏段实际总板数2.4塔的主要工艺尺寸计算精馏段上升与下降的气液体积流率为 初选板间距 ,则分离空间为：气液动能参数为： 图6史密斯关联图由图6查得气体负荷因子，因表面张力的差异，气体负荷因子校正为 计算最大允许速率:取空塔速率为最大允许速率的0.62倍，则空塔速率为 则塔径为根据标准塔径圆整为塔横截面积为：实际空塔气速：当塔径为时，其板间距可取，因此，所设板间距可用塔高： 2.5塔板主要工艺尺寸的计算2.5.1溢流装置计算因塔径可选用单溢流弓形降液管，采用凹型守液盘堰长：溢流堰高度：由 选用平直堰，堰长高度由公式计算，查图3所以，降液管的宽度和面积由图3确定降液管横截面积， 图7，即 验算液体在降液管中停留时间：，符合要求降液管底隙高度：()，故降液管底隙高度设计合理选用凹形受液盘，深度2.5.2塔板板面布置开孔面积计算取， , 2.5.3筛孔计算及排列因为处理物系没有腐蚀性可选用处理物系没有腐蚀性可选用碳钢板，取筛孔直径筛孔按正三角形排列，取孔中心距为：筛孔按正三角形排列，取孔径， 则 开孔率： 筛孔数： 筛孔总面积： 2.6筛板的流体力学验算图9史密斯关联图因为，查图4，确定空流系数气体通过阀孔的气速：干板阻力计算 由于则气体通过液层的阻力计算：气体速率为 ： 查表确定充气系数关联图得液相表面张力的阻力计算：气体通过每层塔板的液体柱高度计算： 符合要求2.6.1液面落差由于筛板塔上的正常液体流量范围内，的筛板液面落差可以忽略不计2.6.2液沫夹带液沫夹带将导致塔板效率下降。通常塔板上液沫夹带量要求低于0.1kg液体/kg干气体，则有可见液沫夹带量符合要求2.6.3漏液则漏液点气速稳定系数：故本实验无明显漏液可见不会发生严重漏液现象。2.6.4液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高度应保证降液管中泡沫液体总高度不能超过上层塔的出口堰即由于甲醇水为一般物系取因为所以不会发生液泛由筛板流体力学验算结果可见，塔板结构参数选择基本合理，所设计的各项尺寸可用。2.7负荷性能图2.7.1漏液线（气相负荷下限线） ，得 则对应的漏点气速为 在操作线范围内日，任取几个值，算出VS值计算如表6得出线表6漏液线数据Ls，m3/s0.00060.00150.0030.00450.006Vs，m3/s0.65450.67210.69310.70611.1312.7.2 液体流量下限线 令 故 在负荷性能图 处作垂直线，即为液体流量下限线。2.7.3液体流量上限线以作为液体在降液管中停留时间的下限在负荷性能图 处作垂直线，即为液体流量上限线。2.7.4 过量液沫夹带线以为限， 则 在操作线范围内日，任取几个值，算出VS值计算如表7表7 液沫夹带线数据Ls，m3/s 0.0006 0.0015 0.003 0.0045Vs，m3/s1.2331.1791.1111.0532.7.5 液泛线令 ，联立得; 所以：在操作线范围内日，任取几个值，算出VS值计算如表8表8液泛线数据Ls，m3/s 0.0006 0.0015 0.003 0.0045Vs，m3/s2.6362.582.4942.4012.7.6塔板工作线 在负荷性能图上做出斜率为的直线,塔板工作线。此线与流体力学上下限线相交于A、B两点，读出A、B两点的纵坐标值即为和，并求出操作弹性：第三章设计总结 因为甲醇和水不能形成恒沸点的混合物，所以可直接采用传统的精馏法制备高纯度的甲醇溶液，本设计进行甲醇和水的分离，采用直径为1.4米的精馏塔，选用效率较高、结构简单、加工方便的单溢流方式、并采用了弓形降液盘。 由于在设计过程中，对板式塔只有一个整体的直观认识以及简单的工作原理的了解，而对于设备中重要部件塔板、管路等缺乏了解，查询了各种相关书籍，走了很多弯路，但终于通过自己努力解决了其中的难题。在设计过程中，考虑到设计踏板所构成的板式塔，不但要具有应有的生产能力，满足工艺 要求，还要考虑到能耗，经济，污染等问题，为今后走向工作岗位很有价值。主要符号及结果序号项目符号单位计算数据1平均温度65.592气相流量m3 /s2.443液相流量m3 /s4实际塔板数-465有效高度Zm18.46塔径Dm1.47板间距HTm0.48堰长m0.989堰高m0.0610板上清液层高度m0.0711堰上清液层高度m0.010112降液管内清夜层高度m0.156713塔板压降m0.08611214降液管底隙高度m0.0234215弓形降液管宽度m0.2111416筛孔总面积m20.10217筛孔直径m0.00518筛孔数目-516219孔中心距tm0.001520开孔率10.0821筛孔气速23.9422稳定系数K-2.123停留时间s31.1624液沫夹带Kg液/kg气0.000113325气相负荷上限m3 /s2.1126气相负荷下限m3 /s0.7227操作弹性-293第四章 附属设备的选型与设计4.1冷凝器的选择有机物蒸汽冷凝器设计选用的总体传热系数一般范围为：本设计取出料液温度：冷却水温度：2035逆流操作：， 全凝器的热负荷Qc的计算：因为回流是在泡点温度下进入塔内，,其中r为塔顶上升蒸汽的汽化热，则因为塔顶温度，查表得该温度下甲醇,蒸发潜热：同理，水：， 则换热面积： 冷凝器的型号是 4.2再沸器的选择选用卧式U型管换热器，经处理后放在塔釜内，选用的饱和蒸汽加热传热系数取出料液温度：热流体温度：逆流操作：， 则 换热面积： 在废弃的型号是第五章 塔附件的设计5.1接管的计算与选择5.1.1进料管 本设计采用直管进料管，管径计算如下： 取 查GB8163-88取5.1.2回流管 冷凝器安装在塔顶时，回流管在管道中的流速一般不能过高，否则冷凝器高度也要相应提高，本次设计取主管回流管，流速取为 查GB8163-88取5.1.3塔底出料管 塔釜流出液体的速度一般在0.51.0m/s，本次设计取 查GB8163-88取5.1.4塔顶蒸汽出料管直管出气，取出口气速 查GB8163-88取5.1.5塔底进气管直管出气，取出口气速 查GB8163-88取5.2 筒体腐蚀余量壁厚选，所用材质为A35.3 封头本设计采用椭圆形封头，由公称直径dg=1400mm，第一块板距封头切线的高度h=1.2m。选用封头Dg18006，JB1154-735.4法兰的选取由于常压操作，所有法兰均采用标准管法兰，平焊法兰，由不同的公称直径，选用相应的法兰。进料管接管法兰：Pg6Dg50HG5010-58回流管接管法兰：Pg6Dg40HG5010-58塔底出料管法兰：Pg6Dg40HG5010-58塔顶出料管法兰：Pg6Dg350HG5010-585.5裙座塔底常用裙座支撑，裙座的结构性能好，连接出产生的局部阻力小，所以它是塔的主要支座形式，为了制作方便，一般采用圆筒形。由于裙座内径大于，故裙座壁厚去基础环内径：基础环外径：圆整，考虑到腐蚀余量取，再沸器裙座高度取5.6人孔人孔是安装灬检测人员进出的通道，人孔的设置便于进入任何一层塔板，由于设置人孔处塔间距离大且人孔设备通过会使制造时塔件弯曲度难以达到要求，一般每个块塔板设一个人孔。本塔共46块板要求设置3个人孔。人孔的直径为人孔伸入塔内部应与塔内部修平，其边缘需磨圆。人孔法兰的密面形状及垫片用材，本设计中均与塔的法兰相同。第六章塔总高度设计6.1塔顶部空间高度塔的顶部高度空间高度指塔顶第一层板到塔顶封头的直线距离，塔顶部空间高度取6.2塔总体高度计算，第七章设计心得 本次化工原理课程设计历时两周，是学习化工原理以来第一次独立的工业设计。化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形；理解计算机辅助设计过程，利用编程使计算效率提高。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。 在短短的一周里，从开始的一头雾水