常压乙醇-甲醇连续精馏筛板塔的设计.doc

学习资料收集于网络，仅供参考化工原理课程设计题目：常压乙醇-甲醇连续精馏筛板塔的设计学生姓名：王月指导老师：周理明、仇伟学院： 化学工程学院 班级： 过控141 学号： 2014071971时间： 2017.3.06-2017.3.19 院系： 化学工程学院 专业： 过程装备及控制工程 姓名： 王月 学号： 2014071971 班级： 过控141 实习性质： 设计 实习地点： 教室 寝室 图书馆 指导教师：仇伟 周理明 成绩： 课程设计题目：常压乙醇-甲醇连续精馏筛板塔的设计目 录第1章 设计任务书/1-21.1 设计题目11.2 设计任务11.3 操作条件11.4设计内容及要求21.5设计时间安排2第2章 确定设计方案第3章 设计条件及主要物性参数/2-53.1设计条件23.2主要物性参数23.2.1甲醇乙醇的物理性质23.2.2甲醇乙醇在不同温度下的饱和蒸气压33.2.3甲醇乙醇的气液平衡数据33.2.4甲醇乙醇在不同温度下的密度43.2.5甲醇乙醇在不同温度下的黏度43.2.6甲醇乙醇在不同温度下的表面张力53.2.7甲醇乙醇在不同温度下的汽化潜热5第4章 工艺计算/6-104.1全塔物料衡算64.1.1料液及塔顶、塔底产品含苯摩尔分数64.1.2平均相对分子质量64.1.3物料衡算64.2塔板数的确定64.2.1理论塔板数求取64.2.2全塔效率ET74.2.3实际塔板数74.3塔的工艺条件及物性数据计算74.3.1操作压强74.3.2温度74.3.3平均相对分子质量74.3.4平均密度84.3.5液体表面张力94.3.6液体黏度94.4精馏段气液负荷计算10第5章 设备结构设计/10-185.1塔和塔板主要工艺尺寸的设计105.1.1塔径D 105.1.2塔板工艺结构尺寸的设计与计算115.1.2.1溢流装置115.1.2.2塔板布置135.1.2.3筛孔数与开孔率135.1.2.4塔有效高度Z145.2筛板的流体力学验算145.2.1气体通过筛板压降相当的液柱高度145.2.2雾沫夹带量的验算155.2.3漏液的验算155.2.4液泛验算165.3塔板负荷性能图165.3.1雾沫夹带线165.3.2液泛线175.3.3液相负荷上限线185.3.4漏液线185.3.5液相负荷下限线18第6章 附属设备类型19第7章 设计计算结果汇总表19第8章 对设计的评述及对有关问题的分析讨论21参考文献21学习资料前 言化工原理课程设计是化工原理教学的一个重要环节，是综合应用本门课程和有关先修课程所学知识，完成以单元操作为主的一次设计实践。通过课程设计使学生掌握化工设计的基本程序和方法，并在查阅技术资料、选用公式和数据、用简洁文字和图表表达设计结果、制图以及计算机辅助计算等能力方面得到一次基本训练，在设计过程中还应培养树立正确的设计思想和实事求是、严肃负责的工作作风。通过本次课程设计，是对我们化工设计的一个训练，为毕业设计奠定基础。通过课程设计我们应在下列几个方面得到较好的培养和训练：1查阅资料，选用公式和搜集数据的能力。2正确选用设计参数，树立从技术上可行和经济上合理两方面考虑的工程观点，同时还需考虑到操作维修的方便和环境保护的要求。也即对于课程设计不仅要求计算正确，还要求从工程的角度综合考虑各种因素，从总体上得到最佳结果。3正确、迅速地进行工程计算。设计计算是一个反复试算的过程，计算工作量很大，因此正确与迅速必需同时强调。4掌握化工设计的基本程序和方法，学会用简洁的文字和适当的图表表示自己的设计思想。 2017.3.14 第一章 设计任务书1.1 设计题目 常压下乙醇甲醇连续精馏筛板塔的设计1.2 设计任务（1）原料液中甲醇含量：60%（质量分数），其余乙醇；（2）塔顶产品中甲醇含量为95%；（3）残液中甲醇含量不高于95%；（4）生产能力：4万吨/年，产品产量，年开工290天。1.3 操作条件（1）精馏塔顶压强102kpa （2）进料热状态：饱和（3）原料温度：25度 （4）回流比R=1.7Rmin（5）单板压降小于0.7kpa1.4 设计内容及要求（1） 设计方案的确定及要求；（2） 塔的工艺计算（包括全塔物料衡算、塔顶、塔底温度、精馏段和提馏段气液负荷，塔底再沸器热负荷，加热蒸汽用量，塔的理论板数，实际板数。）；（3） 塔和塔板主要工艺尺寸的设计（包括塔高、塔径以及降液管，溢流堰，开孔数及开孔率。）；（4） 塔板流体力学验算；（5） 塔板布局图、塔板负荷性能图；（6） 编制设计一览表；（7） 附属设备的设计与选型：（再沸器，回流泵，进料管，塔顶产品接管，塔底产品接管，塔顶蒸汽接管。）；（8） 编写设备结果一览表；（9） 绘制精馏塔设备图，工艺流程图；（10） 设计感想；（11） 参考文献。1.5 设计时间安排（1）6号早上领任务书，下午查资料；（2）7-8号 工艺计算；（3）9号，塔主要工艺参数计算、设计；（4）10号，塔的流体力学验算；（5）13号，附属设备的设计与选型；（6）14-15号，编写计算书；（7）16-17，绘制设备图和工艺流程图。 第二章 确定设计方案 原料液经卧式列管式预热器预热至泡点后送入连续板式精馏筛板塔，塔顶上升蒸汽流采用列管式全凝器冷凝后流入回流罐，冷凝液用回流泵强制循环，一部分回流，其余作为产品经冷却后送至甲醇储罐；塔釜采用热虹吸立式再沸器提供气相流，塔釜产品经卧式列管式冷却器冷却后送入乙醇储罐。第3章 设计条件及主要物性参数3.1设计条件在常压连续筛板精馏塔中精馏分离含甲醇60%的乙醇-甲醇混合液，要求塔顶溜出液中甲醇含量不低于95%，塔底残液中甲醇含量不高于7%。（均为质量分数）已知：生产能力4万吨/年，年开工290天。塔顶压强102kpa,饱和进料，原料温度25，取回流比R=1.7Rmin.单板压降小于0.7kpa。3.2主要物性参数3.2.1甲醇-乙醇的物理性质（表3-1）表 3-1 甲醇-乙醇的物理性质项目分子式相对分子质量M沸点/甲醇（A）CH3OH32.0464.7乙醇（B）CH3CH2OH46.0778.33.2.2常压下甲醇-乙醇在不同温度下的饱和蒸气压（表3-2）表 3-2 常压甲醇-乙醇不同温度的饱和蒸气压温度/压强/KPa物质甲醇乙醇温度/压强/KPa物质甲醇乙醇6499.2159.0873140.9486.7165103.1962.1574145.3689.7866107.3165.2275150.8292.8567111.5668.2976156.4495.9268115.9471.3677162.2398.9969120.4774.4378168.19102.0270125.1577.579174.34105.1371129.9780.5780180.49108.272134.9483.643.2.3常压下甲醇-乙醇的气液平衡数据（表3-3）表 3-3 甲醇-乙醇的气液平衡数据温度/含量液相中甲醇的摩尔分数x/%气相中甲醇的摩尔分数y/%温度/含量液相中甲醇的摩尔分数x/%气相中甲醇的摩尔分数y/%641.001.00720.340.45660.860.91740.200.28680.670.77760.080.12700.500.62780.000.003.2.4常压不同温度下甲醇-乙醇的密度（表3-4）表 3-4 不同温度下甲醇-乙醇的密度温度/密度/m物质甲醇乙醇温度/密度/m物质甲醇乙醇60761.10765.7071748.06752.8361759.92764.5372746.88751.6662758.73763.3673745.69750.4963757.55762.1974744.51749.3264756.36761.0275743.33748.1565755.17759.8576742.14746.9866753.99758.6877740.96748.8167752.81757.5178739.77744.4668751.62756.3479738.58743.4769750.44755.1780737.40742.3070749.25754.003.2.5常压甲醇-乙醇在不同温度下的黏度（表3-5）表3-5 甲醇-乙醇在不同温度下的黏度物质黏度/mPa*s温度/6065707580甲醇0.3440.31720.30380.29040.277乙醇0.6010.57980.55860.51620.4953.2.6常压甲醇-乙醇在不同温度下的表面张力（表3-6）表3-6 甲醇-乙醇在不同温度下的表面张力物质张力 mN/m温度/6065707580甲醇17.3316.757516.18515.612515.04乙醇20.2519.757519.26518.772518.283.2.7常压甲醇-乙醇在不同温度下的汽化潜热（表3-7）表3-7 甲醇-乙醇在不同温度下的汽化潜热物质潜热KJ/mol温度/6065707580甲醇35.6535.232534.81534.397533.98乙醇40.5340.0539.5739.0938.61 第四章 工艺计算4.1.全塔物料衡算4.1.1料液及塔顶、塔底产品含苯摩尔分数4.1.2平均相对分子质量MF=32.040.683(10.683)46.07=36.48751/kmolMD=32.040.9647+(10.9647)46.07=32.535259/kmolMW=32.040.09766(10.09766)46.07=44.6998678/kmol4.1.3物料衡算年产量40000t，一年工作290天，一天24h,则D=5747.126/h全塔物料衡算 F=D+W FxF=DxD+Wxw5747.126+W=F(1)0.6F=0.95D+0.07W (2)联立（1）（2）解得F=9542.3978/h F=F/MF=9542.3978/36.48751=261.525kmol/hD=5747.126/h D=D/MD=5747.126/32.535259=176.643kmol/hW=3795.2718/h W=W/MW=3795.2718/44.6998678=84.9kmol/h4.2塔板数确定4.2.1 理论塔板数求取对于甲醇-乙醇混合物系，由于用逐板计算法计算时求解不到相平衡常数，所以用图解法来求取理论板数。4.2.1.1由甲醇-乙醇的饱和蒸气压通过泡点方程，露点方程计算出气液平衡数据，结合xF、xD、xW作x-y图、t-x-y图见附件1，1-1、1-2。4.2.1.2求最小回流Rmin比及操作回流比R物料泡点进料，则q=1,在图中对角线上点（xF,xF）作竖直线即为q线，该线与平衡线交点横坐标xe=xF=0.683,查图1-1知纵坐标为ye=0.785。,R=1.7Rmin=3。则精馏段操作线方程。在图1-1中作梯级，得精馏段塔板数为5，提馏段为9.5，第6层为进料层。4.2.2全塔效率ET依式 ET=0.17-0.616lgm查图1-2，塔顶温度75.7，塔底温度64.5，塔平均温度为70.1。该温度下进料液相平均黏度为：m=0.683A+(1-0.683)B=0.207+0.177=0.384ET=0.17-0.616lg0.384=0.434.2.3 实际塔板数精馏段：N1=5/0.43=11.612层；提馏段：N2=9.5/0.43=22.122层。4.3塔的工艺条件及物性数据计算以精馏段为例进行计算，提馏段只给出最后结果。4.3.1操作压强塔顶压强pD=102kpa,取每层塔降P=0.7kpa。则进料板压强：PF=102+120.7=110.4kpa塔底压强PW=110.4+220.7=125.8kpa精馏段平均操作压强：提馏段平均操作压强：4.3.2温度tm查图1-2得对应塔顶温度为75.7，进料板温度67.9。则精馏段平均温度4.3.3平均相对分子质量塔顶，则/kmol./kmol.进料板,，则/kmol，/kmol塔底 则则精馏段平均相对分子质量为：提馏段平均相对分子质量为：4.3.4平均密度4.3.4.1液相密度由式(为质量分数)塔顶 .进料板，.塔底 则精馏段液相密度：，提馏段液相密度：。4.3.4.2气相密度精馏段：/m，提馏段：/m。4.3.5 液体表面张力 则精馏段平均表面张力：提馏段平均表面张力为：4.3.6液体黏度 则精馏段平均液相黏度：提馏段平均液相黏度：4.4精馏段汽液负荷计算V=(R+1)D=(3+1)176.643=706.572kmol/hL=RD=3176.643=529.93kmol/hLh=24.912m/h。 第五章 设备结构设计5.1塔和塔板主要工艺尺寸计算5.1.1塔径 初选板间距HT=0.5m，取板上液层高度hL=0.06m。故 HT-hL=0.5-0.06=0.44m 按Smith法求取允许的空塔气速umax(即泛点气速uF)查Smith通用关联图3-12，得C20=0.095，依式校正到物系表面张力为16.46mN/m时的C，即 负荷因子 泛点气速 m/s 操作气速，取m/s 精馏段塔径m圆整取D=2.2m,此时的操作气速m/s5.1.2塔板工艺结构尺寸的设计与计算5.1.2.1溢流装置采用单溢流型的平顶弓形溢流堰、弓形降液管、平行受液盘，且不设进口内堰。 溢流堰长取堰长，即 m 出口堰高 对平直堰 由 及m，查图3-17得E=1.01，于是：m0.006m（满足要求）故 m 降液管的宽度Wd与降液管的面积Af由 查图3-16得故 m，m2。由下式计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积，即s（5s符合要求） 降液管底隙高度取底隙高度，则底隙流速u0=m/s(符合条件)，则取底隙高度。5.1.2.2塔板布置 取边缘区宽度、安定区宽度。 依式（1）计算开孔区面积。 （1）将x、y带入（1）得Aa=2.2m5.1.2.3筛孔数与开孔率取筛孔的孔径为5mm，正三角形排列，一般碳钢的板厚为3mm，取,故：孔中心距依下式计算塔板上的筛孔数个依下式计算塔板上开孔区的开孔率，即%每层塔板上的开孔面积为：m2。气体通过筛孔的气速：m/s。5.1.2.4塔有效高度Z精馏段：Z1=（12-1）0.5=5.5m提馏段：Z2=（22-1）0.5=10.5m有效高度Z=Z1+Z2=5.5+10.5=16m。5.2筛板的流体力学验算5.2.1气体通过筛板压降相当的液柱高度 干板压降相当的液柱高度由，查图3-21得C0=0.84,，由下式计算出 气流穿过板上液层压降相当的液柱高度通过 (2)查图3-22板上液层充气系数为0.57将其带入（2）得 =0.570.06=0.0342m。克服液体表面张力压降相当的液柱高度由式 故 单板压降5.2.2雾沫夹带量的验算根据亨特经验式 其中m则=故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。5.2.3漏液的验算由式 筛板的稳定性系数：故在设计负荷下不会发生过量漏液。5.2.4液泛验算为防止降液管发生液泛，应使降液管中清液层高度。 则 取, 则=0.5（0.5+0.043）=0.2715m故 =0.2715m根据以上塔板的各项流体力学验算，认为精馏段塔径及各工艺尺寸是合适的。5.3塔板负荷性能图5.3.1雾沫夹带线（1） 式中 近似取E=1.0，故 取雾沫夹带极限值。已知，HT=0.5m，将、带入得：在操作范围内，任取几个值，依式算出相应的值列于表5-1中。表5-1 雾沫夹带线计算结果Ls（m3/s）610-3510-3810-3410-3910-3Vs（m3/s）6.9247.011356.763057.104456.78815按表中数据在图中作出雾沫夹带线（1），如图5-1所示。5.3.2液泛线（2）联立 及得 近似取E=1.0，则 由式 则 故 由式 将及式、代入联立得在操作范围内取若干值，依上式计算值，列于表5-2，按表中数据作出液泛线（2），如图5-1表5-2 液泛线计算结果Ls（m3/s）610-3510-3810-3410-3910-3Vs（m3/s）9.39.389.1169.47119.035.3.3液相负荷上限线（3）取液体在降液管中停留时间为4s,则 （3）液相负荷上限线（3）在坐标图上为气体流量无关的垂直线，如图5-1所示。5.3.4漏液线（气相负荷下限线）（4）由 ，代入漏液点气速式：前面算得为0.2458，代入上式整理得此即气相负荷下限线关系式，在操作范围内任取几个值，依式计算相应的值，列于表5-3，按表中数据作气相负荷下限线（4），如图5-1所示。表5-3 漏液线计算结果Ls（m3/s）610-3510-3810-3410-3910-3Vs（m3/s）5.585.55215.5815.4515.595.3.5液相负荷下限线（5）取平堰、堰上液层高度作为液相负荷下限线条件，取E=1.0。依式 整理得： 此值在图上作线（5）即为液相负荷下限线，如图5-1所示。将以上5条线标绘与图5-1中，即为精馏段负荷性能图。5条线包围区为精馏段塔板操作区，P为操作点，OP为操作线。OP线与线（1）的交点相应气液负荷为，线与汽相负荷下限线（4）的交点相应汽相负荷为。可知本设计塔板上限由雾沫夹带控制，下限由漏液控制。临界点的操作弹性=1.24。 第六章 附属设备类型再沸器选用立式热虹吸式再沸器，回流泵 单级离心泵IS 80-50-250（n=1450r/min）进料管 选用管径65.2mm，圆整为65mm，外径76.1mm，壁厚4.0mm的焊接钢管塔顶产品接管 选用管径65.2mm，圆整为65mm，外径76.1mm，壁厚4.0mm的焊接钢管塔底产品接管 选用管径76.81mm，圆整为80mm，外径为88.9mm，壁厚4.0mm的焊接钢管塔顶蒸汽接管 选用管径336.84mm，圆整为350mm，外径为374mm，壁厚12.8mm的连续铸铁管。第七章 设计计算结果汇总表项目符号单位计算数据精馏段提馏段各段平均压强pmkpa106.2118.1各段平均温度tm71866.2平均流量汽相Vsm/s5.3452.2736液相Lsm/s0.006920.003705实际塔板数N块1222板间距HTm0.50.5塔有效高度Zm5.510.5塔径Dm2.22.2空塔气速um/s1.41.2塔板液流型式单流型单流型溢流装置溢流管型式弓形弓形堰长lWm1.6861.686堰高hWm0.0430.043溢流堰宽度Wdm0.3940.394管底与受液盘距离h0m0.0350.035板上清液层高度hLm0.060.06孔径d0mm5.05.0孔间距tmm1515孔数n个1252512525开孔面积A0m20.24580.2458筛孔气速u0 m/s21.74520.325塔板压降hpkpa0.6780.665液体在降液管中的停留时间s49.4