毕业设计 毕业论文 甲醇-水二元筛板精馏塔设计

吉林化工学院化工原理课程设计题目甲醇--水二元筛板精馏塔设计教学院专业班级学生姓名学生学号指导教师2021年12月22日题目甲醇—水二元筛板精馏塔的设计设计条件：常压P=1atm〔绝压〕处理量：70kmol/h釜液组成0.035〔以上均为摩尔分率〕加料热状况q=0.97塔顶全凝器泡点回流—2.0)Rmin单板压降≤设计任务：完成该精馏塔的工艺设计〔包括物料衡算、热量衡算、筛板塔的设计计算〕。画出带控制点的工艺流程图〔2号图纸〕、精馏塔工艺条件图〔2号图纸〕。写出该精馏塔的设计说明书，包括设计结果汇总和设计评价。目录TOC\o"1-1"\h\z\u目录 III摘要 V第一章绪论 1筛板塔的特点 1设计思路 1第二章精馏塔的工艺设计 2产品浓度的计算 2平均相对挥发度的计算 2最小回流比的计算和适宜回流比确实定 3物料衡算 4精馏段和提馏段操作线方程 5逐板法确定理论板数及进料位置 5实际塔板数及实际加料位置和全塔效率 5第三章精馏塔主要工艺尺寸的设计计算 7物性计算 7精馏塔主要工艺尺寸的计算 12精馏塔的流体力学验算 17塔板负荷性能图 193.5塔的接管 24第四章热量衡算 26比热容及汽化热的计算 26热量衡算 27结果汇总表 29结束语 32参考文献 33主要符合说明 34教师评分表 37摘要在这次课程设计任务中，我们应用了化工原理精馏知识对甲醇-水二元筛板精馏塔进行了设计，使我们对课本知识进行了更深一步的认识，并且对实际操作有了一定的了解。本次设计的筛板塔是化工生产中主要的气液传质设备，此设计针对二元物系的精馏问题进行分析、选取、计算、核算、绘图等，是较为完整的精馏设计过程。经计算，回流比R=1.01，实际塔板为18，其中精馏段7块，提馏段11块，最终计算塔高为14.69m，筛孔数1580个，精馏段操作弹性1.81，提馏段操作弹性2.02，符合要求。关键词：甲醇；水；实际塔板数；回流比；操作弹性；精馏段；提馏段。第一章绪论筛板塔板简称筛板，结构持点为塔板上开有许多均匀的小孔。根据孔径的大小，分为小孔径筛板(孔径为3—8mm)和大孔径筛板(孔径为10—25mm)两类。工业应用小以小孔径筛板为主，大孔径筛板多用于某些特殊场合(如别离粘度大、易结焦的物系)。筛板的优点足结构简单，造价低；板上液面落差小，气体压降低，生产能力较大；气体分散均匀，传质效率较高。其缺点是筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料。应予指出，尽管筛板传质效率高，但假设设计和操作不当，易产生漏液，使得操作弹性减小，传质效率下降．故过去工业上应用较为谨慎。近年来，由于设计和控制水平的不断提高，可使筛板的操作非常精确，弥补了上述缺乏，故应用日趋广泛。在确保精确设计和采用先进控制手段的前提下，设计中可大胆选用。全塔物料衡算求理论塔板数气液相负荷计算筛板塔设计流体力学性能校正画出负荷性能图全塔热量衡算塔附属设备计算第二章精馏塔的工艺设计1.原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率：甲醇的摩尔质量：=32水的摩尔质量：=18表2-1甲醇-水Antdne常数[1]ABＣ甲醇８．０８０９７１５８２．２７１２３９．７２６水８．０７１３１１７３０．６３０２３３．４２６当塔顶温度tD=℃时联立，解得：782.78mmHg进料温度tF℃时联立，解得：4mmHg℃时联立，解得：2292.56mmHg相对挥发度：q=0.99那么：相平衡方程：联立方程，解得：ye=0.8126,xe=所以，根据公式查吉利兰关联图[2]绘制表2-2倍数RN0.797图2-1甲醇平衡曲线图取操作回流比原料处理量F=70kmol/h总物料衡算F=D+W甲醇的物料衡算FxF=DxD+Wxw联立，得D=W=精馏段和提馏段操作线方程精馏段操作线方程：yn+1=xn+提馏段操作线方程：由q=0.97得Xq第一块塔板上升气相组成：y1=xD代入平衡曲线得第一块塔板下降液相组成：再将x12，如此反复计算得如下结果：y2=0.9213，x2y3=0.8587，x3y4=0.7883，x4=0.4930<0.547=xq即第四块板为理论加料板位置，改用提馏段操作线方程计算如下：y5=0.7106，x5y6=0.5661，x6y7=0.3732，x7y8=0.2043，x8y9=0.1045，x9<0.035=xw所以，理论板数共9块(包括再沸器),第4块板加料，其中精馏段为3块板精馏段：块提馏段：=3.32块全塔所需实际板数：11+7=18块全塔效率实际加料版为第8块第三章精馏塔主要工艺尺寸的设计计算1.操作压力计算：应该根据处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性原那么。对热敏物料，一般采用减压操作，可使相对挥发度增大，利于别离，但压力减小，导致塔径增加，要使用抽空设备。对于物性无特殊要求的采用常压操作。塔顶压力=101.3=101.3kPa单板压降ΔP=进料板压力pF塔底压力pw精馏段平均压力pm提留段平均压力pm'=(1+)/2=kPa2.操作温度计算：[1]x0y0t/℃100xyt/℃(1)塔顶气、液，进料和塔底的温度分别为tDtFtW查表一，利用内插法，得塔顶温度：〕/〔1-0.8741〕=(tLD-66.9)/(0.965-0.8741)得到℃塔底(100-92.9)/(0-0.0531)=〔tw-92.9〕/〔0.035-0.0531〕得到tW℃进料〔72.7-71.3〕/〔0.5292-0.5937〕=〔tF-71.3〕/(0.55-0.5937)得到tF℃精馏段平均温度：提馏段平均温度：3.平均摩尔质量计算：塔顶温度：tD℃汽相组成yD：进料温度：tF℃汽相组成yF：塔底温度：tW℃汽相组成yW：精馏段平均液相组成：精馏段平均汽相组成：提馏段平均液相组成：提馏段平均汽相组成：Ⅰ、精馏段精馏段平均温度℃精馏段平均液相组成：精馏段平均汽相组成：精馏段液相平均分子量：精馏段气相平均分子量：液相密度：气相密度：液相流量：气相流量：Ⅱ、提馏段℃提馏段平均液相组成：提馏段平均气相组成：提馏段液相平均分子量：提馏段气相平均分子量：液相密度：气相密度：液相流量：气相流量：4.液体平均外表张力计算：表3-2甲醇、水密度、粘度、外表张力在不同温度下的值[1]温度5060708090100ρ甲醇760751743734725716ρ水µ甲醇µ水σ甲醇σ水查图知：二元有机物-水溶液外表张力可用以下公式计算其中上述诸式中下标W,O,S分别代表水、有机物及外表局部；Xw，Xo主体局部的分子数：Vw，Vo主体局部的分子体积；σw，σo分别为纯水、有机物的外表张力；对甲醇q=1。塔顶液相外表张力℃，代入上式得：塔顶液外表张力：进料板液相外表张力tF℃,代入上式得：进料液相外表张力：塔底液相外表张力℃，代入上式得：塔底液相外表张力：精馏段平均液相外表张力：提馏段平均液相外表张力：全塔平均液相外表张力：℃：得出：得出：℃：得出：得出：精馏段黏度：提馏段黏度：精馏段欲求塔径应先求出空塔气速u＝平安系数×umax功能参数：取塔板间距=0.45m，板上液层高度，那么别离空间：从史密斯关联图[2]，由于塔截面积：实际空塔气速：提馏段功能参数：取塔板间距=0.45m，板上液层高度，那么别离空间：从史密斯关联图查得：，由于圆整取：D'塔截面积：空塔气速：精馏段有效高度提馏段有效高度所以应多加高(0.6-0.45)×Z=+〔1〕塔顶封头：本设计采用椭圆型封头，由公称直径DN=800mm，=200mm，。那么封头高度〔2〕塔顶空间：设计中取塔顶间距〔3〕塔底空间：〔4〕人孔：对于D100mm的板式塔，需设置3个人孔，每个人孔直径450mm，在设置人孔处板间距=600mm〔5〕进料板处板间距：=800mm〔6〕裙座：本设计采用圆筒形裙座，由于裙座内径800mm，故裙座厚度取16mm，取裙座高=3m选用单溢流弓形管降液管，不设进口堰。取堰长查流液收缩图可知[6]hw＝hL－how其中得how=0.0055mhow‘hw取0.0645mhw,和截面积Af查图知[2]知精馏段：验算液体在降液管内停留时间提镏段：验算液体在降液管内停留时间停留时间>5s故降液管尺寸可用。，取那么精馏段：提镏段：故降液管底隙高度设计合理。D≥100mm故塔板采用分层，查表塔板分为3块。边缘区宽度确定取物系无腐蚀性，选用δ=3mm碳钢板，取筛孔直径。筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为开孔率为筛孔数目n为精馏段气体通过阀孔的气速:提馏段气体通过阀孔的气速:精馏塔的流体力学验算1.塔板压降干板阻力计算由/δ[3]精馏段：1m提馏段：m气体通过液层的阻力Hl计算：精馏段：由图查取板上液层充气系数提馏段：4由图查[3]取板上液层充气系数液体外表张力的阻力计算计算精馏段：=液柱提馏段：=液柱气体通过每层塔板的液柱高可按下计算精馏段提馏段对于D1.6m的筛板，液面落差可以忽略不计。3液沫夹带(kg液/kg气)精馏段：提馏段：本设计液沫夹带量在允许范围0.1kg液/kg气内,符合要求4漏液筛板塔,漏液点气速带入数据得：精馏段，提馏段实际孔速:精馏段＞,提馏段＞，稳定系数:精馏段，提馏段均大于1.5小于2,所以设计无明显液漏符合要求..5液泛为防止塔内发生液泛,降液管内清液层高Hd≤φ()对于设计中的甲醇-水体系φ=0.5,Hd≤由于板上不设进口堰精馏段液柱提馏段所以不会发生淹泛现象以上各项流力学验算可认为精馏段、提溜段塔径及各项工艺尺寸是适合的。1、漏液线由得精馏段：=得=提馏段：得=表3-1漏液线计算结果精馏段提馏段2、液沫夹带线以kg液/kg气为限求-关系：由精馏段：整理得提馏段：整理得表3-2液沫夹带线计算结果精馏段提馏段3、液相负荷下限线对于平流堰，取堰上液层高度how5m作为最小液体负荷标准，由式计算精馏段：提馏段：4液相负荷上限线以θ=4s作为液体在降液管中停留的下限s精馏段：提镏段：5、液泛线Hd=φ()由，，，得其中带入数据精馏段提馏段所以精馏段提馏段表3-3液泛线计算结果精馏段提馏段6操作弹性由以上各线的方程式，可画出图塔的操作性能负荷图。根据生产任务规定的气液负荷，可知操作点在正常的操作范围内，作出操作线图图3-1精馏段负荷性能图由图，故精馏段操作弹性为/图3-2提馏段负荷性能图由图，故提馏段操作弹性为/精馏段提馏段操作弹性均大于1小于5,符合要求。3.5塔的接管3.5.1进料管采用直管进料，管径为查的选取φ25mm×3mm规格的热轧无缝钢管。3.5.2回流管直管回流，取查的选取φ25mm3mm规格的热轧无缝钢管。蒸汽出料管采用直管出料，取那么查的选取φ219mm10mm规格的热轧无缝钢管。3.5.4塔底出料管采用直管进气，取查的选取φ20mm3mm规格的热轧无缝钢管。蒸汽出料管那么有查的选取φ219mm8mm规格的热轧无缝钢管。第四章热量衡算表4-1甲醇水的比热容[10]甲醇温度／℃比热容kJ／mol·k汽化潜热kJ／kg4011496011288010701001030水温度比热容kJ／(kg·k)汽化潜热J／mol506064无4224766无42153708090100塔顶温度tD下的比热容，对于甲醇，在tD℃，利用插值法：对于水同理可分别求出：(2)进料塔温度tF℃时，比热容(3)塔底温度tw℃时，比热容(4)塔顶温度下的汽化潜热根据内插法：TD℃〔1〕0℃时塔顶上升的热量，塔顶0℃为基准〔2〕回流液的热量tD℃(3)塔顶馏出液热量(4)进料热(5)塔底残液热(6)冷凝管消耗热(7)再沸器提供热：塔釜热损失10%。即即实际热负荷：计算得：表4-2热量计算结果热量衡算结果工程进料冷凝器塔顶馏出液塔底残液再沸器热量Q〔kJ/h〕结果汇总表参数符号参数名称精馏段提馏段Tm(C)平均温度MLm(kg/kmol)液相平均摩尔质量MVm(g/kmol)气相平均摩尔质量ρlm(kg/m)液相平均密度ρvm(kg/m)气相平均密度σm(dyn/cm)液体平均外表张力μm(mpa·s)液体平均粘度Vs(m/s)气相流量Ls(m/s)液相流量N实际塔板数711Z(m)有效段高度D(m)塔径HT(m)板间距δ(m)板厚溢流形式单溢流单溢流降液管形式弓形弓形溢流堰平行平行lW(m)堰长hW(m)堰高hl(m)板上液层高度hOW(m)堰上液层高度hO(m)降液管底隙高度Wd(m)降液管宽度Ws(m)安定区宽度Wc(m)边缘区高度Aa(m)有效传质面积AT(m)塔横截面积Af(m)降液区面积AO〔m〕筛孔面积dO〔m〕筛孔直径t〔m〕孔中心距n筛孔数目15801580φ〔%〕开孔率U〔m/s〕空塔气速平安系数UO〔〔m/s〕筛孔气速K稳定系数Hc〔m液柱〕干板阻力Hl〔m液柱〕液体有效阻力HlHσ〔m液柱〕液体外表张力阻力Hp〔m液柱〕总阻力P〔pa〕每层塔板压降649636τ(s)停留时间ev(0.1kg液/kg干气)液沫夹带量液泛合格合格漏液合格合格E液流收缩系数CO孔流系数ε液层充气系数φ相对泡沫密度C液泛气相负荷因子Fa气相动能因子液相负荷上限液相负荷下限汽相最大负荷汽相最小负荷操作弹性df进料管直径dr回流管直径dv塔顶蒸汽出料管直径dw塔底出料管直径dV塔底蒸汽出料管直径结束语化工原理课程设计二周黄金周已经结束，但是对我来说一切才刚刚开始，因为还有很多东西没有消化，我有颇多收获：1.很多时候我都是照课本扒，缺乏独立思考，尽信书不如无书，所以我也和同学沟通,认真听讲老师指出的重点2.这次设计提高了我对wordexel等软件的应用水平，看似简单的东西用起来错误百出，所以平时要多加练习课程设计也教会我们做事要持之以恒，有耐心，搞理科的要耐得住寂寞，在看似枯燥的计算中寻找乐趣最后非常感谢曾庆荣老师对我们的悉心教导，让我们对化工原理充满热爱，在以后的成长中受益匪浅参考文献[1]刘光启，马连湘，刘杰主编化学化工物性数据手册.无机卷.有机卷北京;化学工业出版社2002.3.[2]陈敏恒，丛德滋，方图南，化工原理〔下册〕[M]，北京，化学工业出版社，2006.5.[3]王卫东;化工原理课程设计;北京;化学工业出版社2021.9.主要符合说明符号意义单位平安系数-外表张力mN/mhw′凹形受液盘深度mm液体在降液管内停留时间sA传热面积m2Aa开孔面积m2Ad降液管截面积m2Af弓形降液管截面积m2AJ精馏段操作点-Ao壳程流通面积m2As换热器所需换热面积m2As′换热器实际换热面积m2AT塔截面积m2At提馏段操作点-C计算液泛速度的负荷因子-C20液体外表张力为20mN/m时的负荷因子-Co孔流系数-D塔径mde换热器管子的当量直径mdo筛孔直