甲醇-水体系筛板精馏塔的设计

WordWord资料NANJINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY化学化工学院《化工原理》课程设计设计题目学生姓名甲醇-水体系筛板精健塔的设计***指导教师设计时间2012年丝月0L日-201旦年L月生日课程设计成绩百分制权里设计说明书、计算书及设计图纸质量，70%独立工作能力、综合能力、设计过程表现、设计答辩及回答问®I情况，30%设计最终成绩（五级分制）指导教师签字 化学化工学院源程设计住繇书课程名称 化工过程与工艺设计 设计题目 甲醇-水体系筛板精山塔的设计学生姓名***专业化学工程与工艺班级学号*************设计日期2012年12月24日至2013年1月_4日设计条件及任务：设计体系：甲醇-水体系设计条件：进料量：F=200kmol/h进料浓度：Zf=0.50进料状态：q二】.。8,冷液进料操作条件：塔顶压强P顶二4kP。（表压）单板压降不大于0.7kP。。塔顶冷凝水温度t=12℃塔釜间接蒸汽加热（3kgf/cnV水蒸汽）全塔效率：日二52%分离要求：1）Xd=99.5%2）Xw=0.2%3）回流比R/Rmin二1.6。指导教师 年月日目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"前言 7\o"CurrentDocument"第一节概述 9口塔设备简介 9板式塔类型 10筛板塔 10\o"CurrentDocument"浮阀塔 10\o"CurrentDocument"泡罩塔 11精福塔的设计步骤 11工艺设计 11\o"CurrentDocument"132塔板设计 12\o"CurrentDocument"133塔体初步设计 13\o"CurrentDocument"134塔的辅助设备选用 13135编制计算结果汇总表 14136绘制塔体总图及塔板总图 14设计要求 14设计条件: 14主要使用数据 14\o"CurrentDocument"第二节设计方案的确定 16操作条件的确定 16操作压力 16\o"CurrentDocument"进料状态 16\o"CurrentDocument"加热方式 16\o"CurrentDocument"冷却剂与出口温度 16\o"CurrentDocument"热能的利用 17\o"CurrentDocument"确定设计方案的原则 17\o"CurrentDocument"第三节板式精僧塔的工艺计算 193.8.13.8.1漏液线 46WordWord资料3.13.1工艺流程 19WordWord资料精福塔的物料衡算 20摩尔分率 20\o"CurrentDocument"322平均摩尔质量 20\o"CurrentDocument"物料衡算 21\o"CurrentDocument"回收率 21塔板数的确定 21理论板层数M的求取 21\o"CurrentDocument"实际板层数的求取 24精福塔的工艺条件及有关物性数据的计算 24操作压力计算 24\o"CurrentDocument"操作温度计算 24\o"CurrentDocument"平均摩尔质量计算 25\o"CurrentDocument"平均密度计算 27\o"CurrentDocument"液体平均表面张力计算 28\o"CurrentDocument"346液体平均粘度计算 28精福塔塔体主要工艺尺寸设计 29塔径的计算 29\o"CurrentDocument"塔有效高度的计算 33\o"CurrentDocument"整体塔高 33精福塔塔板主要工艺参数设计 34溢流装置 34\o"CurrentDocument"塔板布置 38\o"CurrentDocument"筛板的流体力学检险 40塔板压降 41\o"CurrentDocument"液面落差 44\o"CurrentDocument"液沫夹带 44\o"CurrentDocument"漏液 45\o"CurrentDocument"液泛 45塔板负荷性能图 46\o"CurrentDocument"液沫夹带线 47\o"CurrentDocument"液相负荷下限线 48\o"CurrentDocument"液相负荷上限线 49\o"CurrentDocument"液泛线 49\o"CurrentDocument"操作弹性 50总图 53附属设备及接管尺寸 55塔顶冷凝器（固定管板式换热器） 55\o"CurrentDocument"塔底再沸器 60\o"CurrentDocument"管道设计与选择 61\o"CurrentDocument"泵 65\o"CurrentDocument"参考文献及设计手册 66\o"CurrentDocument"第四节设计感想 68WordWord资料前言化工原理课程设计是理论联系实际的桥梁，是进行体察工程实际问题复杂性的初次尝试。通过化工原理课程设计，达到综合运用化工原理课程的基本知识，基本原理和基本计算，进行融会贯通、独立思考，在规定的时间内完成指定的化工单元操作设计任务，具有初步进行工程设计的能力；达到熟悉工程设计的基本内容，掌握化工单元操作设计的主要程序和方法；提高和进一步培养分析和解决工程实际问题的能力。本次化工原理课程设计的主要包括以下主要内容：(1)设计方案简介：对工程要求选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述，说明所采取方案的先进性及其选择确定的依据。(2)主要工艺过程及设备的设计计算，包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、主要设备的工艺尺寸计算及结构设计。(3)典型辅助设备的选型计算：包括典型辅助设备的主要尺寸计算和设备规格、型号、数量的选定(4)工艺流程简图：以单线图的形式绘制，标出主体设备和辅助设备的物料流向，主要检查参数测量点等。(5)主体设备工艺条件图：图面上应包括主体设备的主要工艺尺寸、技术特性表和接管表。通过化工原理课程设计，可以达到以下几方面的训练：(1)熟悉查阅文献资料、收集有关数据、正确选用计算公式的能力。当缺乏必要数据时，还要通过实验测定或到现场进行实际查定。(2)在兼顾技术上先进性、可行性、经济上合理性的前提下，综合分析设计任务，确定工艺流程，做出设备选型，提出保证过程正常、安全运行操作所需的检测和计量仪器，同时还要考虑改善劳动条件并实现环境保护的有效措施。(3)进行准确而迅速的过程计算及主要设备的工艺计算的能力，特别是应用计算机进行计算的能力和计算机绘图（CAD）能力。（4）用精炼的语言、简洁的文字、清晰的图表和图纸来表达自己的设计思想、计算结果和设计结果的能力。第一节概述塔设备简介塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的汽液传质设备。根据塔内汽液接触部件的结构模式，可分为板式塔和填料塔两大类。板式塔内设置一定数量塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上液层进行质热传递，汽液相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。工业上对塔设备的主要要求：（1）生产能力大；（2）传质、传热效率高；（3）气流的摩擦阻力小；（4）操作稳定，适应性强，操作弹性大；（5）结构简单，材料耗用量少；（6）制造安装容易，操作维修方便。此外还要求不易堵塞、耐腐蚀板式塔类型121筛板塔筛板是在塔板上钻有均布的筛孔，上升气流经筛孔分散、鼓泡通过板亡液层,形成气浓密切接触的泡沫层（或喷射的液滴群）。筛板塔的优点是结构简单，制造维修方便，造价低，相同条件下生产能力高于浮冈塔，塔板效率接近浮阀塔。其缺点是稳定操作范围窄，小孔径筛板易堵塞,不适宜处理粘性大的、脏的和带固体粒子的料液。但设计良好的筛板塔仍具有足够的操作弹性，对易引起堵塞的物系可采用大孔径筛板，故近年我国对筛板的应用日益增多。浮阀塔淬阀塔广泛应用于精僧、吸收和解吸等过程。其主要特点是在塔板的开孔上装有可浮动的浮阀，气流认浮阀周边以稳定的速度水平地进入塔板上液层进行两相接触。浮阀可根据气体流量的大小而上下浮动，自行调节。浮阀有盘式、条式等多种，国内多用盘式浮阀，此型又分为F—1型（V—2型）、V—4型、十字架型和A型，其中F—1型浮阀结构较简单、节省材料,制造方便，性能良好，故在化工及炼油生产中普通应用，已列入颁布标准（JB—H18-81）o其阀孔直径为39mm,重阀质量为33g,轻阀为25g。一般多采用重阀，因其操作稳定性好。盘式浮阀塔的主要优点是生产能力大，操作弹性较大，分离效率较高，塔板结构较泡罩塔简单。泡罩塔泡罩塔是最早使用的板式塔，其主要构件是泡罩、升气管及降液管。泡罩的种类很多，国内应用较多的是圆形泡罩。泡罩塔的主要比点是操作弹性较大，液气比范围大，适用于多种介质，操作稳定可靠，但其结构复杂、造价高、安装维修不便，气相压降较大。现虽已为其它新形塔板取代，但鉴于其某些优点，仍有沿用。精储塔的设计步骤.3.1工艺设计(1)做出流程简图。(2)选定塔顶、塔底产品浓度(由任务书给出)，进行全塔物料衡算，列出物料衡算总表。(3)确定凝液罐、塔顶、塔底的操作压力。(4)确定塔顶、塔底温度。(5)选定进料状态，定出进料温度(由任务书给定)。(6)在已定的全塔平均操作压力下，做出y-x相平衡曲线，对多元系则需求出各组分对某一关键组分的相对挥发度。(7)求定最小回流比。(8)求出适宜的操作回流比。(9)确定所需的理论板数及进料位置。(10)确定全塔效率，算出上、下两段所需实际板数。(11)确定适宜的塔板间距，求出塔内最大允许气速，算出塔径。(12)计算塔顶冷凝器及塔底再沸器的热负荷，求定所需冷却水量及加热蒸汽用量列出全塔热量衡算总表。.3.2塔板设计.溢流装置(1)由塔径及液体流量选定液体流向型式。根据经验初估液体在降液管内的停留时间，初步求出堰长及降液管面积。(2)选定出口堰高及降液管下口高(同时决定受液盘的形式)。.塔板布置(1)选定浮阀的阀型及阀的尺寸(或筛板的孔径及板厚)。(3)决定塔板的开孔率(或筛板的孔距/孔径)。(3)算出浮阀或筛孔总数及板上有效操作面积。(4)决定泪孔的大小、数目及位置。(i)在方格纸上做浮阀或筛板排列草图。如果选用标准浮阀塔盘系列，贝U(3)步可省略，直接由系列查出结构参数.流体力学计算选定某一层或若干层有代表性的塔板，进行下列各项计算与检验：(1)塔板压力降；(2)雾沫夹带量；(3)液体在降液管中的停留时间或液体通过降液管的流速；⑷降液管内清液层的高度;⑸液体泄漏量;⑹负荷性能图;(7)负荷上下限及操作弹性;.塔板设计结果讨论.3.3塔体初步设计⑴根据塔内的操作温度及压力，选定筒体的材料及壁厚。⑵确定封头的型式、材料及尺寸。⑶确定人孔的数目、位置及规格。⑷选择各接管的流速，确定各接管的直径及伸出长度。⑸确定塔的总高。⑹确定裙座的型式、开孔及尺寸。.3.4塔的辅助设备选用⑴根据冷凝器、再沸器的操作条件及热负荷，选定冷凝器，再沸器的型式、规格及台数。⑵估计回流泵的流量及扬程，选定泵的型号与规格1.3,5编制计算结果汇总表136绘制塔体总图及塔板总设计要求设计条件:进料量：F=200kmol/h进料浓度：Zf=0.50进料状态：q=L08,冷液进料操作条件：塔顶压强P顶二4kP。（表压）单板压降不大于0.7kP。塔顶冷凝水采用深井水，温度t=12℃塔釜间接蒸汽加热（3kgf/cm2水蒸汽）全塔效率：日二52%分离要求：1风二99.5%2肉=0.2%3）回流比R/Rmin二1.6。1.4.2主要使用数据甲醇-水体系汽液平衡数据（101.325kPa）t/pXy100.00.000.00

96.40.020.13493.50.040.2391.20.060.30489.30.080.36587.70.100.41884.40.150.51781.70.200.579780.300.66575.30.400.72973.10.500.77971.20.600.82569.30.700.8767.50.800.915660.900.958650.950.97964.51.01.0表1-1第二节设计方案的确定操作条件的确定操作压力精播可在常压、加压或减压下进行，确定操作压力主要是根据处理物料的性质、技术上的可行性和经济上的合理性来考虑。进料状态进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这样，进料温度就不受季节、气温变化和前道工序波动的影响，塔的操作就比较容易控制。此外，泡点进料时。精福段与提僧段的塔径相同，设计制造均比较方便。加热方式精僧塔通常设置再沸器，采用间接蒸汽加热，以提供足够的热量。由于甲醇-水体系中，甲醇是轻组分由塔顶冷凝器冷凝得到，水为重组分由塔底排出，所以本设计采用再沸器提供热量，采用3kgf/cm2间接水蒸汽加热。冷却剂与出口温度塔顶产品出口温度的选择与所采用的冷却剂有关。精僧操作中，常用水或空气作为冷却剂来冷凝塔顶蒸气或冷却塔顶产品。冷却水的入口温度随气候条件而定，设计时一般可取为20—25(,这样，凝液的温度可冷却到40—50七(塔顶产品与冷却剂之间必须保证有1。-20℃的传热温差）。由于水的出口温度一放不超过50七左右，否则溶解于水中的某些无机盐将会析出，在传热壁面上形成污垢而影响传热效果。设计要求冷却水入口温度k12℃,则冷却水的出口温度取t=20℃o熟能的利用蒸播过程的原理是多次进行部分汽化和冷凝，因此，热效率很低，通常进入再沸器的能量仅有5%左右被有效地利用。所以，蒸播系统的热能利用问题应值得认真考虑。塔顶蒸汽冷凝放出的热量是大量的，但其能位较低，不可能直接用来作塔釜的热源。但可用作低温热源，或通人废热锅炉，产生低压蒸汽，供别处使用。或可采用热泵技术，提高温度后再用于加热釜液。此外，通过蒸播系统的合理设置，也可取得节能的效果。例如，可采用设置中间再沸器和中间冷凝器的流程，因为设置中间再沸器，可利用温度比塔底低的热源，而中间冷凝器则可回收温度比塔顶高的热量。确定设计方案的原则设计方案选定是指确定整个精播装置的流程、主要设备的结构型式和主要操作条件。所选方案必须：①能满足工艺要求，达到指定的产量和质量；②操作平稳，易于调节；③经济合理；④生产安全。在实际的设计问题中，上述四项都必须兼顾考虑。Word资料WordWord资料第三节板式精储塔的工艺计算工艺流程含甲醇0.50（摩尔分数）的甲醇-水混合液经过预热器，预热到泡点进料。进入精僧塔后分离，塔顶蒸汽冷凝后有一部分作为产品（含甲醇99.5%）,一部分回流再进入塔中，塔底残留液给再沸器加热后，部分进入塔中，部分液体作为产品排出塔体（含甲醇。.2%）。进料进料精储塔的物料衡算321摩尔分率甲醇的摩尔质量MA=32kg/kmol水的摩尔质量MB=18kg/kmol原料液xf=0.500.995塔顶产品Xd=——=0.9911460.995 0.005 + 32 180.002塔底产品xw= & =0.0011260.9980.00218+3232.2平均摩尔质量原料液Mf=0.50x32+(1-0.50)x18=25kg/kmol塔顶Md=0.991146x32+(1-0.991146)X18=31.876044kg/kmol塔底Mw=0.00W26x32+(1-0.001126)X18=18.015764kg/kmol323物料衡算已知进料量：F=200kmol/h进料浓度：ZF=0.50进料状态：q=1.08分离要求：=0.991146Xvv=0.001126衡算方程：[f=d+w]n[200=D+w[FXf=DXd+WXw\(200X0.50=0.991146〃+0.00112陟\D=100.78Amol//z[庐=99.72kmol/h3.2.4回收率甲醇的回收率100%=甲醇的回收率100%=100.78X0.991146200X0.50X100%=99.88%回 收 率3-3塔板数的确定理论板层数2的求取由q=1.08^=0.50得q线方程y=13.5X-6.25由甲醇-水体系汽液平衡数据（表1-1）作出y-x图，并作出q线。

由图，可粗略读出x40.52,通过试差，得到xe=0.52098957^0.521,ye=0.783359=0.783DDd=1.6x0.791965=1.267精馆段操作线方程:♦4+含二导

+"=°-55吗+6437精ig段、提馆段汽液流・精福段：L=RD=127.688kmol/hV=(R+l)D=228.468kmol/h提t留段：L'=L+qF=343.688kmol/hVJ=V-(1-q)F=244.468kmol/h提福段操作线方程："一整二翳黑."IX1126二】•4豌6(-0.0004570图解法求理论板数读图可知：总理论板数15块（包括再沸器），精福段理论板数9块，提僧段理论板数6块，第10块为进料板。实际板层数的求取取全塔效率与=0.52,则有N精=9/0.52=17.3«18N提=6/0.52=11.5«12(包括再沸器)N尸=N砧+ =30块3.4精僧塔的工艺条件及有关物性数据的计算操作压力计算要求塔顶表压为4Kp。，采用常压操作。塔顶压力Pd=101.3+4=105.2,KPa单板压降A/3=0.7KPa进料板压力b=105.3+0.7x18=117.^KPa塔底压力P*=105.3+0.7x30=126.3KPa精福段平均压力％=(105.3+117.9)/2=111.6^3提福段平均压力pa=(117.9+126.3)/2=122.IKPa操作温度计算根据表1-1O冷液进料，q"08,进料浓度Zf=0.50二Xf进料温度％=73.11由内插法求得：塔 顶 温 度 %精馆段平均温度％=（73，1+64叫2=68851提馆段平均温度A=（73，1+"，8）/2=86.4513.43平均摩尔质量计算精储段的平均摩尔质・精微段平均温度1=68,851内插法计算:15kgMIm=32XO.725+18X（llO.725）=28.^所以提福段的平均摩尔质■提福段平均温度*=86.451内插法计算：液 相 组 成气 相 组 成

所以3.4.4平均密度计算精福段精福段平均温度％=68,851_AD_Ddq322743.59kg查得物性（饱和液体）：甲醇密度团二F^一，978.16kg水密度团二~~0- _77953kgPlM|X|IM|X| ・忆3液相密度：「I「I_叩1,127⑷气相密度：Pv~^r~-m3 （气相视为理想气体）提馆段提福段平均温度％=86.451_AD提福段平均温度％=86.451_ADdM=0.1189>1=0.4555,_,_725.78kg查得物性（饱和液体）：甲醇密度用"一.967.65kg水密度团二F^一,=% _908.82kg丸M产］叫町m3液相密度：PI+0】―/X._0.9963气相密度：Pv~~Rf~~~^T~（气相视为理想气体）345液体平均表面张力计算塔顶邑=64,61_和=0.991146.,进料7=73.il_%P=0.50,#塔底%=99,81一精福段平均液相表面张力提福段平均液相表面张力+。3 78.174r?i2V全塔平均液相表面张力%= 2 —一m—3.4.6液体平均粘度计算IgAm=/即g生计算公式 J塔顶1二64,61

进料％=73,11塔底%=99,81一精福段平均液相粘度提微段平均液相粘度全塔平均液相粘度%全塔平均液相粘度%=%，+%3=0.3028mPIS3.5精僧塔塔体主要工艺尺寸设计3.5.1塔径的计算表3-1塔板间距与塔径的关系塔径D,m0.3-0.50.5-0.80.8-1.61.6-2.02.0-2.4>2.4

塔板间距Ht,m0.2-0.30.3-0.350.35-0.450.45-0.60.5-0.8>0.6精惚段气、液相体积流率为PMg228.468X30.341.708m336004-3600X1.127-s_LMLm_127.688X28.150.001281m25-36004—3600x779.53二s取%二0.45m,hL=0.05m㈤田”=（。・。。】281）勺）%=°02。\）7J\pJI1.708/\1.127/图3-2Smith法初估塔径查图3-2得至ijC20=0.08取安全系数0.7,则空塔气速为603mu=0.7umix=1. 按标准塔径圆整后为D=1.4m塔截面积为Ar=-D2=1.539m24实际空塔气速

提ta段气、液相体积流率为1.662ths1.662ths,0.002065m2取万丁=0.4Om」1乙=0.05m=0.0380,002065、/908.82X

、1.662)\0.9967=0.038/7rliz=0.35查图3-2得到C；0=0.074则uimaxv ।p1M)/(pwT'))=0.089X1((908.82I0.996)/0.996)=2.69m/s取安全系数0.7,则空塔气速为按标准塔径圆整后为D'=1.4m塔截面积为， 7192 )Ar=-D=L539mzr4实际空塔气速3.5.2塔有效高度的计算精播段有效高度为提福段有效高度为在进料板上方开一人孔，其高度为。.8m故精僧塔的有效高度为353整体塔高⑴塔顶空间出取Hd=1.6"r=0.72m加一人孔0.6米，共为1.32m⑵塔底空间塔底储液高度依停留4min而定〃L't0.002065x4x60八.”八=、= =0.3220m"从 1.539取塔底液面至最下层塔板之间的距离为1m,中间开一直径为0.6米的人孔”,=1+0.3220=1.3220m(3)裙座高度H尸3m(4)整体塔高H=Z+为+力+儿=12.85+1.3220+1.32+3=18.5m3.6精储塔塔板主要工艺参数设计361溢流装置单溢流又称直径流。液体自受液盘横向流过塔板至溢流堰。此种溢流方式液体流径较长，塔板效率较高，塔板结构简单，加工方便，在直径小于2.2m的塔中被广泛使用。因塔径D=1.4m,选用单溢流弓形管降液管，不设进口堰，采用凹形受液盘。3.6.1.1堰长lw精谯段：堰长提憎段:堰长1卬=°£6D=0.924m361.2溢流堰高度hw由%=4+如2h-284E但Y选用平直堰，堰上液层高度：°W-1000V'J,近似取E=1精馈段84h—7 □ow_"1000xlx0001281x3600.924=0.0083mI=0.05m前面已假设：故0.05IIIhI0.II满足提镭段r=0.0114mI=O.OSm前面已假设：\=L111=0.05I0.0100=0.0386mLOlV故0.051I'I\wI0.11满足3.4J.2弓形降液管宽度Wd和截面积Atw<«a、*IJD图3-3弓形降液管参数图精情段由L/D=0.66,查弓形降液管参数图得:止=0,0722容=0.124at DWd=0.124XD=0.124X1.4=0,736mA,=0.0722X1.539=0.1lllw2停留时间：r= /Ls=(0.45x0.1111)/0.001281=39.Is>5s提福段由儿/D=0.66,查弓形降液管参数图得：$=0,。722萼=0,124W，=0.124xD=0.124x1.4=0.1736mA^=0.0722X1.539=0.1111m2停留时间：r=H,Mf/LS=(0.40X0.1111)/0.002065=21.5s>5s故符合要求3.4.1.2降液管底隙高度h0降液管底隙高度是指降液管下端与塔板间的距离，以11。表示降液管底隙高度h。应低于出口堰高〃”,，才能保证降液管底端有良好的液封，一般不应低于6mm。式中心一液体通过底隙时的流速，m/So根据经验，一般取〃:二(0.07,0.25)m/So精情段.10mmui=O-提ig段IQm取吗=0,丁」Lfsc002065h°二喃=S0924x0.10=0.M23m=22.3m银IIIq=38.6I22.3=16.3mmI6mm故降液管底隙高度设计合理，选用凹形受液盘。362塔板布置塔板的分块表3-4塔板分块数目表塔粒/mm800—12001400^16001800—20002200〜2400弓形板数 ;2222矩形板数0123通道板数1111因。之800M77,故塔板采用分块式。查塔板分块数表得，塔板分为4块。边缘区宽度确定取14^=Ws=0.070m,14^0.050m3.623开孔区面积计算精福段开孔区面积按下式计算，即其中x=D/2-(Wd+W3)=1.4/2-(0.1736+0.070)=0.4564mR=D/2-Wc=l.4/2-0.050=0.65m故提谯段同理可得，＜=1.08m23・6.2.4筛孔计算及其排列取筛孔的孔径d°为5mm,正三角形排列。精福段取t/do=3.O孔心距 仁3.0x5.0=15.0mm筛孔数目n=1.155Aa/t2=1.155x1.08/0.0152=5522个开孔率为①二0.907(dJt)2=0.907(0.005/0.015产二10.1%气体通过阀孔的气速为u0=Vs/A0=1.708/(0.101xl.08)=15.66m/s提馆段取t7d。=3.0同理可得n=5522①=10.1%・ 15.24m〃。二3.7筛板的流体力学检验3.7.13.7.1塔板压降WordWord资料3.7.1.1干板阻力L计算图3-5干筛孔的流量系数甲醇-水体系无腐蚀性，可选用5=3mm碳钢板精情段：—=1.67一、人，取5=3mm,5 _(_/_)A(_C0=0.772o故0.0303m0.0303m提馆段：同理可得儿=_/(_)WordWord资料371.2气体通过液层的阻力力计算4 0*8 1.2 1,6 240 2.4 2.X.图3-6充气系数关联图Fo=%两=1.196X“127=1.27查充气系数关联图得电=°£25I=£0\l=0.625X0.05=0.0312771提像段：• 1.164m同理可得：S£=116查充气系数关联图得£。=°637I=0.0318m37.1-3液体表面张力的阻力「计算精储段:体通过每层塔板的液柱高度可按下式计算，即hp=十%+%I=0.0303+0,0312+0,0032=0.0647m则\Pp-hppLg=0.0647x779.53x9.81=0.495A产a<0.IkPa（设计允许值）提is段：I—0.0045hi同理可得：

I=0.0581th（设计允许值）372液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本设计的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。3.7.3液沫夹带精饱段：e_°°57）（乙 产2_（°・°°57）（ L196 产_0r-o-Ht-hf~30.1650.45-2.5x0.05 —.0122kg/A或气久＜0.1kg/k次,符合要求。提馆段：（。・（。・0057（ 4 3aHt-hL（Q,QQo/）（ ）349.9790.40-2.5x0.05=0.011%/回汽<0.1kg/松汽，符合要求。漏液精馆段：严重漏液时干板阻力漏液点气速稳定系数提福段：同理可得：・ 9.00m〃。二二稳定系数故无明显漏液，且可操作弹性较大。液泛精馆段：降液管内液面高度Hf/=hL+hd+hp板上不设进口堰。h.=0.153（工一＞=0.153（一°。-'I_）?=0.00157m液柱〃 lwh0 0.924x0.0137Hd=%+hd+/?p=0.05+0.00157+0.0645=0.11607m液柱

为了防止液泛现象，应使(H1/Q—〃w式中。一泡沫层的相对密重，本体系取0.5(H,/。)—%=(0.11607/0.5)-0.0418=0.19034赤夜柱<=0.45m液柱提福段：r=0.00154m同理可得：%=0.10964m(Hl/°)-h\-=18068就夜柱<Hr=0.401n液柱故不产生降液管内液泛。3.8塔板负荷性能3.8.1漏液线下限气速叫二里4金严龙耳三近Xs,mnu°m=^r=h\V+“OWh°w=0.00284EW〃卬产得精福段：V=.mm=4.4rx(0.0056+0.13^,+2.84(Ls E—1000[1一ha)PL/pv=4.4x0.772x0.10908284[0.0056+0.13x(0.0418+--x1x1000)-0.00321x779.53得Vsgn=0.3705^63.2304”+5.4187提馆段：r984(ry/3-V.=4.4r04(0.0056+0.13 --E- -h\)pL/p's□•znm uu[ »izxzxzx 7 u， ，=4.4x0.772x0.10908[0.0056+0.13X(0.0386+x1x沏。& )一o.0045]x908.821000 0.924得V's—0.3705783.413Z/3+5.5825382液沫夹带线以％=O」kg液/kg汽为限求匕-4关系:精谯段:A7-Af1.539—0.1111=0.7003P>/s0.7032Z/h纱=0.0028=(4/I/)='=0.00284x1x(3600L5/0.924)2/3=hw=0.0418/z?0.7032Z/hA=2.5hL=2.5x(/%,+how)=0.1045+1.758氏3-)3-2=0.1Wz0.0057、/w-)3-2=0.1We=( )(s)3__( \( £ 'bHt-hf30.1650.45-0.1045-1.758及oy3Vs=3.502-17.82Z/提镭Vs9VsAt-AfVs9VsAt-Af1.539-0.11110.7003^r/sh'”=0.00284£(Zs/1\)2/3=0.00284X1X(3600xZ5/0.924)2/3=0.7032Z/3h\.=0.0386%12/3h'f=2.5h'乙=2.5x(力)+力'呢)=0.0965+1.758LcI Xr / Je_(0.0057)(〃： 12_(0.0057)( 0.7003Ts与—b，(] —’49.9790.40-0.0965-1.758Z；z3V's=3.602-20.864£s?液相负荷下限线取how=0.006m作为液相负荷的下限条件,/ C3鼠=襦H笺k=°°°6，则精饰段/0.006XlOOoy0.924=0.000788m3\ Z84 )x3600= ?

精饰段r0.000788m3匕= 提馆段s液相负荷上限线以T=5s作为液体在降液管中停留的下限7=华=5故Ls精馆段：4g=61111x645=°°］。。。标/$□提镭段：以==HS=0.00889炉/S5385液泛线H]=+hw）由Hd=%+凡+〃尸，hp=儿+%+〃。,h2=£ohL,hL=hw+how得a\^=b-cl^-dl^3^4（%（4品）~Pl其中6%+（6-j-1）比其中0.153/（；^0）2d=2.84x10-35（l+工）（^22）”3・•*精镭段:A。=0.109081A。=0.109081Co=0.772pL=779.53Kg/Mpv=1.127kg/pL=779.53Kg/Mpv=1.127kg/93Hr=0.45mhw=0.0417/z?lw=0.924%"0.5 £o=0.625h0=0.0139zz?a=0.01040代人得:b=0.1780代人得:'c=954.79d=1.1427所以精t留段：V5=717.1-91806.7Z}-109.9Zy3提镭A。=0.A。=0.10908。pL=908.82kg/m3H7=0.40m。=0.5Co=0.772ps=0.996Kg/mzhw=0.03860J=0.637E=1lw=0.924/z?h0=0.0223/z?fa=0.007882代人得:b=0.1561代人得:b=0.1561c=360.36d=1.511所以提播段：vs=J19.8-45719.\Ls-191.7Z'/386操作弹性4.53.5332.5A21.510.5000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.010.0110.012L_s(rn

精偏段操作负荷性能由图%my=3.19m7s,匕2n=1.05m3/s故精播段操作弹性为 匕必X/匕法二394提馆段:由图唯刈•=3-09m3/s,%加=0.95m3/s故提僧段操作弹性为匕,X/咚好二3.25精福段提僧段操作弹性均大于3小于5,符合要求。

3・9总参数符号参数名称精福段提福段Tm(℃)平均温度68.8586.45Pm(kp。)平均压力111.6122.1M^fkg/kmol)液相平均摩尔质28.1519.66MVm(g/kmol)气相平均摩尔质量30.3424.38Pim化g/m?)液相平均密度779.53908.82Pvm(kg/m3)气相平均密度1.1270.996液体平均表面张力30.16549.979J液体平均粘度0.33460.3140匕（叫）气相流量1.7081.662L（叫）液相流量0.0012810.002065N实际塔板数1812Z(m)有效段高度7.654.4D(m)塔径1.41.4HT(m)板间距0.450.40&(m)板厚0.0030.003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(rn)堰长0.9240.924hw(m)堰高0.04170.0386hi(m)板上液层高度0.050.05how(m)堰上液层高度0.00830.0114ho(m)降液管底隙高度0.01390.0223Wd(m)降液管宽度0.17360.1736W5(m)安定区宽度0.070.07Wc(m)边缘区高度0.050.05Aa(m2)有效传质面积1.081.08At(m，)塔横截面积1.5391.539Af(m2)降液区面积0.11110.1111Ao(m2)筛孔面积0.109080.10908do(m)筛孔直径0.0050.005t(m)孔中心距0.0150.015n筛孔数目552255229(%)开孔率10.110.1U(m/s)空塔气速1.1101.079Uo(m/s)筛孔气速15.6615.24K稳定系数1.851.69hc（m液柱）干板阻力0.03030.0218

hi（m液柱）液体有效阻力0.03120.0318hG（m液柱）液体表面张力阻力0.00320.0045hp（m液柱）总阻力0.06470.0581P(pa)每层塔板压降493518t(s)停留时间39.121.5ev(0.1kg液/kg干气)液沫夹带量0.01220.0112液泛合格合格漏液合格合格E液流收缩系数1.01.0Co孔流系数0.7720.772液层充气系数0.6250.637(p相对泡沫密度0.50.53.10附属设备及接管尺寸塔顶冷凝器（固定管板式换热器）甲醇-水走壳程，冷凝水走管程，采用逆流形式3.1012估计换热面积①甲醇-水冷凝蒸汽的数据tD=64.6℃冷凝蒸汽量:C_%一1 3600228.468x(32.04x0.991146+18.01x0.008854)3600=2.025Ag/s压力105.3KPa温度64.6℃甲醇冷凝潜热.产1100.18KJ/kg②.冷凝水始温为】22，取冷凝器出口水温为20七，在平均温度-=12+20=16r2物性数据如下 (甲醇在膜温40.3七下，水在平均温度16七下)P(kg/m3)Cp(KJ/kg.℃)p[Po.s]A(w/(m.℃))甲醇冰1.24.211545x1O-50.1888水998.954.1874110.8x10-50.5912。==0.991146x2.025x1100.18③。.设备的热参数:+(1-0.991146)X2.025x2500=2252.95kwb.冷却水的流量：G-=---= 9I =67.25kg/s"Cp't4.1874X(20-12)c.平均温度差：At(64.6-12)-(64.6-20)4c… =48.6Ci64.6-12In 64.6-20根据“传热系数K估计表"®K=1100W/(m2.℃)传热面积的估计值为：/=—="'I'坟=42.051K^ts1100x48.59将此面积作为公称面积，在化工原理附录中选择换热器，并列出所选择的换热器参数。公称直径DN/mm400公称面积/m?40公称压力PN/(MPa)0.6换热管尺寸/mm①25x2.5管子排列方法正三角形管长/m6管子外径/mm25管数n/根86管程数N4壳程数1管程通道面积/m?0.00692按上列数据核算管程、壳程的流速及Re:(-)管程力n反=钮・a储/〃 3.14x0.022x86「八八（八2流通截面积：A= = =0.00673〃广4〃〃 4x4r管内水的流速4=一r管内水的流速4=一7二p水467.85998.95x0.00675=10.05m/s0.020.02x10.05x998.95110.806xW5=1.9x105(二)壳程单程按正三角形排列取管心距『=1.25=31.25nnn横过管束中心线的管数

=1」赤=1」旅=10.2取11c=11流通截面积：Ao=B(D-ncdo)=0.0196/??2壳内甲醇-水流速〃"常=/|黑面=86上人当量直径dc=duvRe。二4x(V3/2xt2-Ji/4xt//)八…

当量直径dc=duvRe。二0.018x86.12x1.2一…c =4133.845x10-53.10.1.3计算流体阻力管程流体阻力»Pi=©p"《一结垢校正系数，无因次。025x2.5mm的换热管取1.4Np=1Ns=l5=14设管壁粗糙度£为0.lmm,则£/仇二0.005）、=1.9x105查得摩擦系数入二0.031Aa=2幺巴=1161.\Pa24“2=华^=374.6P〃=(AA+、p)"NsNp=1535,IPa兀10k^符合一般要求3.1014壳程流体阻力»P°=(ZX+Z£)FtNsAn—斤。叫(S+DAA?An—斤。叫(S+DAA?AP1=△pZ=NB(3.5-2B/D)pcuQ2Re0=4188>500,故4=5.0Re产=i管子排列为正三角形排列，取F=0.5挡板数Nb=4-1=11块D代入得Ap；=12167.2Pa=1371.8取污垢校正系数Fs=1.0Z铝二(12167.2+1371.8)1.0x1.0=13539.OPa<KPa故管壳程压力损失均符合要求L5计算传热系数管程对流给热系数44G膜的雷诺数Re=—=9.35x10'>10’所以为垂直湍流管管内流体强制湍流时的给热系数为Pr==7.854.1874x103x110.8x1()5Pr==7.850.5912a,=0.023-Re08Pr04=0.0230a5912(9.35xIO1)08(7.85)°4=143W/(—")d. 0.02壳程对流给热系数4膜层湍流时冷凝给热系数2 !a。=0.0077(^4^)iRe044一Re=4188

a。=16154//(T・°C)计算传热系数以管外面积为基准则K计=1.3kW/(m2℃)取污垢热阻Rsf.=0.15m2℃/kW Rs0以管外面积为基准则K计=1.3kW/(m2℃)九八八bd0八1—^-+Rs1」+—^+Rsq+—4Adma计算传热面积A需=评—=35.7m2所选换热器实际面积为A=n^do/=4O.6m2A_A裕度△=，，=13%出所选换热器合适3.10.2塔底再沸器计算热负荷：r=2283.1k，/kg考虑到5%的热损失后Q=1.056?=4123.34选用0.2MP。饱和水蒸气加热，（热=120.23℃因两侧均为恒温相变卜工=-%冷=120.23-99.8=20.43℃取传热系数"1000W/(m2.K)估算传热面积/=4123.3x1031000x20.43=201.8zz?2取安全系数0.8,实际传热面积A=183/0.8=252.3m23.10.3管道设计与选择3.10.3.1塔顶蒸汽出口管塔顶温度：％=64.61气 相Vd气相平均分子量:塔顶蒸汽密度=”干尸正' 31.86X105.3 =kg]--^一8.314X(273.15+64.6)一'向_/XMu_22&468X3166_1.692m3蒸汽体积流量：5-Pv~3600X1.195-s20m= 取0Sdo——=0.3282m=328.3mm经圆整选取热轧无缝钢管，规格：4)377mmx24mm3.10.3.2塔顶回流管塔顶温度：邑=64向_747.44kg _980.73kg杏出.Pl=—Z3 Pl=-Z3食得. m m液相组成Xd：修=099液相平均分子量:32X0.9931.86=0,994回流液密度:回流液体积流量：0.5m= 取R$dB=J—=0.0620»n=62.0m.m经圆整选取热轧无缝钢管，规格：*70mmx3.5mm3.10.3.3进料管进料温度:%=73.11_739.69kg _975.94kg查得：pi二F-pi=f-液相组成Xd：坛=03°进料平均分子量:32x0.525=0.64进料液密度:进料体积流量:1.5m取F$df——=60381m=38.1mm经圆整选取冷拔无缝钢管，规