化工分离过程课程设计.doc

化工与制药学院课程设计任务书专业 化学工程与工艺 班级 学生姓名 发题时间： 2015 年 1 月 4 日一、课题名称用Willson方程计算甲醇、乙醇、正丙醇三元物系相平衡常数和浮阀塔板结构设计二、课题条件（文献资料、仪器设备、指导力量）采用浮阀塔分离含甲醇0.60、乙醇0.30、正丙醇0.10（均为摩尔分数）的混合物，操作压力为101.3kPa，气相看成理想气体，液相看成非理想溶液，假设100kmol/h进料，塔顶采出为60kmol/h，回流比为R=2.2。物料分配计算时，相对挥发度可取进料板值。用Willson方程计算体系活度系数，描述相平衡方程计算式。对该塔进行塔板结构设计，进行水力学计算，绘出负荷性能图，找出该塔操作弹性。三、设计任务（含实验、分析、计算、绘图、论述等内容）1、 查找基础数据（Willson参数），计算活度系数，描述相平衡方程；2、 对该塔进行结构设计；3、 进行水力学计算，绘出负荷性能图，找出操作弹性；4、 对该塔结构设计进行讨论；5、 采用CAD绘出精馏系统工艺流程图。要求：提交设计说明书按论文格式书写，层次分明，书写工整，独立完成。ABC甲醇23.48033626.5534.29乙醇23.80473803.9841.68正丙醇22.43673166.3880.15四、设计所需技术参数1、题中各组分安托尼方程(单位：tK；Pa)。五、说明书参考内容 目录中文摘要、关键词英文摘要、关键词前言（包括设计依据、主要内容、特点、意义等）第1章 相平衡设计和塔板结构设计综述第2章 相平衡方程计算第3章 塔结构设计1.1 塔径设计1.2 塔结构设计第4章 水力学计算第5章 分析与讨论第6章 结语包括设计体会、收获、评述、建议、致谢等参考文献六、进度计划1 设计动员，下达任务 0.5天2 收集资料，阅读教材，理顺设计思路 0.51.5天3 编程，调试，设计计算 3-5天4 绘图 2天5 整理设计资料，撰写设计说明书 2天6 指导教师审查，答辩 2天指导教师签名： 教研室主任签名： 2013年 9 月 22 日 说明：1学生进行课程设计前，指导教师应事先填好此任务书，并正式打印、签名，经教研室主任审核签字后，正式发给学生。设计装订时应将此任务书订在设计说明书首页。2如果设计技术参数量大，可在任务书后另设附表列出。2摘要 在化工、石油、医药、食品等生产中，常需将液体混合物分离以达到提纯或回收有用组分的目的，而蒸馏就是其中的一种方法。随着化学工业的发展，蒸馏技术、设备及理论也有了很大的发展。蒸馏操作的理论依据是借混合液中各组分挥发性的差异而达到分离的目的。在操作中进行多次的气体部分冷凝或液体部分气化称为精馏。Wilson方程在工程上的应用广泛，对含烃、醇、醚、酮以及含水、硫、卤素的互溶体系均能获得较好的结果。为此，掌握气液相平衡关系，熟悉各种塔型的操作特性，对选择、设计和分析分离过程中的各种参数是非常重要的。本次采用Wilson方程进行甲醇、乙醇、正丙醇三元物系的相平衡常数的计算，以及精馏塔工艺设计、筛板的设计计算，绘制了精馏工艺流程图。通过对塔的计算我们得出本次筛板塔的塔径为1.2m,据此选用常规的单溢流弓形降液管，降液管底隙高度大于0.006m。依据计算我们得到单板总压降合格、不会发生液泛、液沫夹带及漏液这几个结论。最终计算得出的操作弹性为3.54。关键词：Wilson方程；三元物系；筛板；精馏；设计计算；操作弹性。AbstractWe often need to separate the liquid mixture in order to achieve the purpose of purification and recovery of useful components, and distillation is one of these meths in chemical, petroleum, medicine, food and other production medium figure odds.With the development of chemical industry, distillation technology, equipment and theory also had the very big development. Distillation operation achieves the purpose of separation depending on the theoretical of the components differences in the mixture of volatile . The several times operation of gas condensation or liquid partial gasification is rectification. Wilson equation has been widely applied in engineering, the hydrocarbon, alcohol, ether, acetone and water cut, sulfur and halogen miscibility system can obtain good results. Therefore, mastering gas-liquid balance relationship, being familiar with all kinds of tower operation characteristics, the selection, design and analysis of the various parameters is very important in the process of separation. The Wilson equation is adopted to improve the methanol, ethanol, propanol ternary system ,which is the calculation of phase equilibrium constant, and process design, the design calculation of sieve plate from the rectification column, mapped the distillation process flow diagram. Keywords: Wilson equation; The ternary system; Sieve plate; Distillation; Design calculation 前言 精馏塔的设计是培养我们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。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、经济合理性。 精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，在化工、炼油、石油化工等工业得到广泛应用。精馏过程在能量驱动下，使气液两相多次接触和分离，利用各组分挥发度的不同，使挥发组分由液相向气相转移，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过程。 板式精馏塔也是很早出现的一种板式塔，20世纪50年代起对板式精馏塔进行了大量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。与泡罩塔相比，板式精馏塔具有下列优点：生产能力（20%40%）塔板效率（10%50%）而且结构简单，塔盘造价减少40%左右，安装，维修都较容易。目 录第1章 相平衡设计和塔板结构设计综述 5 1.1相平衡设计综述 5 1.2塔板结构设计综述 6第2章 相平衡方程计算8 2.1计算进料的泡点温度 8 2.2计算活度系数8 2.3 描述相平衡方程 10第3章 塔结构设计12 3.1精馏塔的物料衡算12 3.1.1原料液摩尔分率 12 3.1.2密度 12 3.1.3表面张力 12 3.1.4求最小回流比及操作回流比12 3.1.5求精馏塔的气液负荷 12 3.2塔结构设计14 3.2.1堰长的计算14 3.2.2弓形降液管宽度和横截面积14 3.2.3降液管底隙高度 16 3.3塔板布置及筛孔数目及排列方式16第4章 水力学计算19 4.1气相通过筛孔塔板的压降 194.1.1干板阻力 194.1.2板上充气液层阻力 19 4.1.3液体表面张力所造成的阻力 194.2液泛验算 19 4.3液沫夹带 204.4塔板负荷性能图 214.4.1液沫夹带线 214.4.2液泛线 23 4.4.3液相负荷上限线 234.4.4漏液线 244.4.5液相负荷下限线 26第5章 分析与讨论27第6章 结语28 感谢信29 参考文献30第1章 相平衡设计和塔板结构设计综述1.1相平衡设计综述 在一定的条件下，当一个多相系统中各相的性质和数量均不随时间变化时，称此系统处于相平衡。此时从宏观上看，没有物质由一相向另一相的净迁移，但从微观上看，不同相间分子转移并未停止，只是两个方向的迁移速率相同而已。一个系统可以是多组分的并含有许多相。当相与相间达到物理的和化学的平衡时，则称系统达到了相平衡。相平衡的热力学条件是各相的温度和压力相等，任一组分在各相的化学势相等。化工热力学研究的两相系统的平衡，有 气液平衡、气固平衡、汽液平衡、汽固平衡、液液平衡、液固平衡和 固固平衡；相数多于二的系统，有气液固平衡、汽液液平衡等。系统 处于相平衡状态时，各相的温度、压力都相同，它们的组成一般不相 同。相平衡的研究主要是通过实验测定有关数据，并应用相平衡关联 的方法，以探讨平衡时温度T、压力p 和各相组成（摩尔分率x、y） 之间的关系,借以判断一定条件下相变化过程的方向,并根据偏离相平 衡的程度来估计过程推动力的大小。相平衡是传质分离过程和热质传 递过程的理论基础之一。例如：蒸馏和吸收利用相平衡时汽液或气液 两相组成不同，通过相际物质传递来实现混合物的分离；萃取根据物 质在两个不互溶或部分互溶的液相中溶解度的不同来实现混合物的 分离;结晶利用固体在液体中溶解度的限制,从溶液中析出固体。这些 过程都涉及物质在相际的传递。研究相平衡可为选择合适的分离方法 提供依据。在传质设备（如精馏设备、萃取设备）的计算中，可用相 平衡数据来计算设备的平衡级数或传质单元数。此外，相平衡研究还 用于探讨诸如玻璃、陶瓷、耐火材料、合金等材料的形成条件。系统中强度性质完全相同的部分称为一相。相与相之间有明显的界面。一个相可以是连续的，也可以是不连续的（如分散的液滴或晶粒）。只有一相存在的系统称为单相或均相系统，有两个以上的相存在的系统一般称为多相或非均相系统。研究相平衡的热力学基础。对于不考虑外场（如重力场、电场、磁场等）作用及表面张力等因素影响的相平衡体系，相律的表达形式为： fCp2式中f、C、p分别为系统的自由度数、独立组分数和相数。f是确定系统的平衡状态所需的独立的强度性质的数目，这些独立的强度性质可在一定的范围内任意变化而不会引起相数的改变。系统的独立组分数C可由下式确定： CSRR式中S为系统中的化学物质数目；R为系统中实际存在的独立的 化学反应数目；R为除相平衡、化学 平衡和各相中BxB1的条件之外，存在于各物质浓度之间的其他限制条件。1.2塔板结构设计综述浮阀塔是20世纪50年代开发的一种新塔型，其特点是在筛板塔基础上，在每个筛孔处安装一个可上下移动的阀片。当筛孔气速高时，阀片被顶起上升，空速低时，阀片因自身重而下降。阀片升降位置随气流量大小自动调节，从而使进入液层的气速基本稳定。又因气体在阀片下侧水平方向进入液层，既减少液沫夹带量，又延长气液接触时间，故收到很好的传质效果。板式精馏塔也是很早出现的一种板式塔，20世纪50年代起对板式精馏塔进行了大量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。精馏所进行的是气液两相之间的传递，而作为气液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求： () 气(汽)、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。 () 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。 () 流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。 () 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。 () 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。 () 塔内的滞留量要小。 实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。浮阀塔 20世纪50年代起，浮阀塔已大量应用于工业生产，以完成加压、常压、减压下的精馏、吸收、脱吸等传质过程。浮阀塔之所以广泛应用，是由于它具有下列特点。处理能力大。操作弹性大。塔板效率高。压力降小。浮阀塔盘操作时的气液流程和泡罩塔相似；蒸汽自阀孔上升，顶开阀片，穿过环形缝隙，以水平方向吹入液层，形成泡沫。浮阀能够随着气速的增减在相当宽广的气速范围内自由调节、升降，以保持稳定操作。第2章 相平衡设计2.1计算进料的泡点温度安托尼方程： (单位：t-k；-pa) （2.1） 表一 组分安托因常数ABC甲醇23.48033626.5534.29乙醇23.80473803.9841.68正丙醇22.43673166.3880.15 用泡点试差法求泡点温度，先假设一个温度 ，然后求出此温度下各物质的饱和蒸汽压。再根据相平衡方程：.求出Ki。这是就可以算出物质的气相摩尔分数。根据试差条件，yi=1，用excel单变量求解可以算出泡点温度T=70.4。2.2计算活度系数 R=8.3144KJ/mol 表二 组分交互参数 Aij Wilson方程甲醇乙醇正丙醇甲醇-132.0576-207.7118乙醇135.81120-40.87450正丙醇272.43090102.6706-M3/kmol 甲醇4.0762e-002乙醇5.8492e-002正丙醇7.5694e-002 表三 各种物相的液相摩尔体积 根据Wilson参数方程： (2.2)由于11=22=33=1，故而 5.8492e-002/4.0762e-002*exp(132.0576/(8.3144*343.55) = 1.50294.0762e-002/5.8492e-002*exp(-135.8112/(8.3144*343.55)=0.66457.5694e-002/4.0762e-002*exp(207.7118/(8.3144*343.55)=1.99707.5694/5.8492*exp(40.8745/(8.3144*343.55) =1.31274.0762/7.5694*exp(-272.4309/8.3144*343.55)=0.48955.8492/7.5694*exp(-102.6706/8.3144*343.55)=0.7455根据三元系统Wilson方程： （2.3）则=1-ln(+)-+= 1=0.0229解得 0.9753同理得，=-0.01696解得 同理易得，2.3 描述相平衡方程根据题中各组分安托尼方程（单位：t-K; -pa）。计算得= 由于气相看成理想气体，液相看成非理想溶液得：故而平衡常数： 1.224 0.712 0.314即 1.224 0.712 0.314第3章 塔结构设计3.1精馏塔的物料衡算进料泡点温度T=70.43.1.1原料液摩尔分率甲醇的摩尔质量 M=32kg/kmol;乙醇的摩尔质量 M=46kg/kmol;正丙醇的摩尔质量 M=60kg/kmol3.1.2密度 3.1.3表面张力甲醇的表面张力=16.7mN/m乙醇的表面张力=18.1mN/m正丙醇的表面张力=20.1mN/m 3.1.4求最小回流比及操作回流比采用作图法求最小回流比。在气液平衡组成中过点D做气液平衡线的切线取操作回流比为R=2.23.1.5求精馏塔的气液负荷摩尔流量 L=*2.2*60=132（kmol/h)=0.036kmol/sL+D=（R+1）D=3.2*60=192(kmol/h)=0.053kmol/s =39*0.036=1.404 kg/s =39*0.053=2.607 kg/s =/=1.785*e-3 =/=1.564 = 取板间距= 0.45m,板上液层高度=0.07m,则-=0.45-0.07=0.38m得=0.079则C=0.0823m/s1.252m/s1.26m，圆整为1.2m塔板间距与塔径的经验关系塔径0.30.50.50.80.81.61.62.02.02.42.4塔板间距0.20.30.30.350.350.450.450.60.50.80.6由表可知，塔板间距合理。 3.2塔结构设计塔径为1.2m，可采用单溢流弓形降液管，各项计算如下：3.2.1堰长的计算由参数推荐值，取=0.7D=0.7*1.2=0.84m本设计采用平直堰，设出口堰不设进口堰，取板上清液层高度=0.07m=70mm堰上液高度按下式计算（近似取E=1）堰高0.07-0.01=0.06m3.2.2弓形降液管宽度和横截面积由查图 得=0.09 =0.15则=0.09*=0.10 =0.15*1.2=0.18m其中，为降液管面积，为降液管截面的宽度。验证降液管内停留时间=25.2s5s停留时间5s 故降液管可以使用3.2.3降液管底隙高度取=0.8m/s =0.00973m，取=0.01m则=0.06-0.01=0.05m0.006m故降液管底隙 高度设计合理。3.3塔板布置及筛孔数目及排列方式采用F-1型浮阀塔盘：阀孔直径=39mm，取阀孔动能因子=9-13之间，不妨取为12。则阀孔气速=浮阀个数 塔盘布置1.受液区和降液区一般两区域面积相等。2.入口安定区和出口安定区。一般取安定区宽度一般取边缘区宽度在此取=0.10m,=0.05m浮阀排列：采用等腰三角形叉排，确定相邻两排孔的间距t。由 /D=0.7,查图得=0.15.则=0.15*1.2=0.18mX=D/2-(+)=0.6-0.28=0.32mr=D/2-=0.6-0.05=0.55m鼓泡区面积：=0.705相邻两排孔的间距t=/(0.075*N)=0.705/10.575=0.067m,按孔中心距 =75mm和两排孔的间距t=65mm以等腰三角形叉排方式绘图排列，得到实际浮阀个数为N=150个。核算孔速和动能因子：=8.73m/s =11.3在9-13之间，即在适宜范围内。第4章 水力学计算4.1气相通过筛孔塔板的压降塔板阻力的计算常采用加和模型，即认为它是以下几部分阻力之和：通过阀孔的阻力，又称干板阻力，m液柱；通过塔板上液层的阻力，m液柱；克服阀孔处液体表面张力的阻力，m液柱。于是塔板阻力可表示为 =+4.1.1干板阻力阀未全开 =19.9阀全开 =5.34在临界点同时满足上式，故由以上两式联立求解，获得临界孔速 =因，故按下式计算干板阻力，即： =19.9=0.037m.4.1.2板上充气液层阻力 本设备分离醇类混合液，即液相为碳氢化合物，可取充气系数 =0.5，依式计算：=0.5*0.07=0.035m4.1.3液体表面张力所造成的阻力此阻力很小，忽略不计。 因此，气体流经一层浮阀塔板的压强降所相当的液柱高度为：=0.037+0.035=0.072m. （单板压降= 0.072*786.7*9.81=555.7pa） 4.2液泛验算 为了防止淹塔现象的发生，要求控制降液管中清液层高度.可由下式计算，即= 气体通过塔板的压强降所相当的液柱高度 前已算出：=0.072m。 液体通过降液管的压头损失 因不设进口堰，故按下式计算：=0.0007m 板上液层高度 前已选定板上液层高度为：=0.070m则=0.072+0.070+0.0007=0.143m取=0.5，又已经选定=0.45m,=0.06m则（+）=0.5*（0.45+0.06）=0.26m可见（+）,符合防止淹塔的要求。4.3液沫夹带按下两式计算泛点率，即： 泛点率=(a)及泛点率=(b)板上液体流径长度板上液流面积醇类可按正常系统按附表如下取物性系数K=1.0，又由图查得泛点负荷系数=0.115，将以上数值代入式(a)，得泛点率=*100=69.3又按式（b）计算泛点率，得：泛点率=*100=71.1对于大塔，为避免过量雾沫夹带，应控制泛点率不超过80%。根据式（a）及式（b）计算出的泛点率都在80%以下，故可知雾沫夹带量能够满足的要求。系统物性系数无泡沫，正常系统1.0氟化物（如，氟里昂）0.9中等发泡系统（如吸收塔、胺及乙二醇再生塔）0.85多泡沫系统（如胺及乙二胺吸收塔）0.73严重发泡系统（如甲乙酮装置）0.60形成稳定泡沫的系统（如碱再生塔）0.304.4塔板负荷性能图4.4.1液沫夹带线依式（a）作出，即：泛点率=对于一定的物系及一定的塔板结构，式中、 、 、K、 及 均为已 知值，相应于的泛点率上限值亦可确定，将各已知数代入上式，便得出 的关系式，据此可作出符合性能图中的雾沫夹带线。 按泛点率=80%计算如下：整理得0.046+1.14=0.086或=1.87-24.8（1） 由式（1）知雾沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个值，依式（1）算出相应的 值列于本例附表中，0.0020.010，1.821.624.4.2液泛线 （1） 联立以下三式： =+=（+）得（+）=+由上式确定液泛线。忽略式中 项，将以下五式代入上式，=+=得到：（+）=5.34 因物系一定，塔板结构尺寸一定，则及等均为定值，而与又有如下关系，即：式中阀孔数N与孔径 亦为定值。因此，可将上式简化成与 的如下关系式：即(2)在操作范围内任取若干个 值，依式（2）算出相应的 值列于本例附表中。，0.00050.0010.0050.0090.013 2.672.562.332.081.834.4.3液相负荷上限线 液体的最大流量应保证在降液管中停留时间不低于3-5s。依式知：液体在降液管停留时间3-5s求出上限液体流量值（常数），在图上，液相负荷上限线与气体流量无关的竖直线。以 作为液体在降液管中停留时间的下限，则：4.4.4漏液线 对于F1型重阀，依计算，则：又知则得式中、N、均为已知数，故可由此式求出气相负荷的下限值，据此作出与液体流量无关的水平漏液线。以作为规定气体最小负荷的标准，4.4.5液相负荷下限线 取堰上液层高度 作为液相负荷下限线，依的计算式或或计算出的下限值，依次作出液相负荷下限线，该线为与气相流量无关的竖直线。取E=1，则由以上几条线可作出塔板负荷性能图气相负荷上限2.46气相负荷下限0.694塔操作弹性=2.46/0.694=3.54浮阀塔工艺设计计算结果项目数值及说明备注塔径D，m1.20板间距0.45分块式塔板塔板形式单溢流弓形降液管等腰三角形叉排空塔气速u，m/s0.8堰长，m0.84堰高,m0.06板上液层高度,m0.07降液管底隙高度,m0.05浮阀数N,个150阀孔气速,m/s8.73阀孔动能因数11.3临界阀孔气速,m/s9.7孔心距,m0.075指同一横排的孔心距排间距t,m0.065指相邻二横排的中心线距离单板压降,pa555.7液体在降液管内停留时间,s25.2降液管内清液层高度，m0.05泛点率70.2气相负荷上限，2.46液沫夹带控制气相负荷下限，0.694漏液控制操作弹性3.54第5章 分析与讨论通过对塔的计算我们得出本次筛板塔的塔径为1.2m,据此选用常规的单溢流弓形降液管，首先验算降液管停留时间大于5s,故降液管可以使用，降液管底隙高度大于0.006m合格。同样的依据前面的计算我们得到单板总压降合格、不会发生液泛、液沫夹带及漏液这几个结论。最终所得的塔板负荷性能图比较正确，计算得出的操作弹性为3.54也较为合理。第六章结语对于设计过程我们通过查阅各种文献得到数据，通过给出的任务进行计算，使我们的自学能力得到了提高。通过本次课程设计，使自己对Wilson方程更深入的了解与运用以及从筛板塔设计方案到筛板塔设计的基本过程的设计方法、步骤、思路有很深的认识与了解。