甲醇-水板式精馏塔的设计计算

./东华大学化工原理课程设计题目甲醇-水混合液板式精馏塔的设计学院化工学院专业班级轻化1101班学生指导教师成绩20XX6月27.摘要设计选用板式精馏塔作为分离设备采用连续精馏的方法分离甲醇-水混合液。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。因此我们对精馏塔首先进行物料衡算,根据查得的甲醇-水物系平衡数据用作图法求得理论塔板数并由全塔效率确定实际塔板数,然后确定操作压力,操作温度,平均分子量,平均密度等基本物性参数。对塔高、塔径、塔板、溢流装置等各个部件进行计算与核算校验〔如负荷性能图并确定操作弹性,最后计算接管等一些附件的尺寸。按任务书的任务顺序完成任务。关键词：板式精馏塔；连续精馏；图解法AbstractThedesignuseatypeoftheplatetypecolumnasseparationequipmentusingthemethodofcontinuousdistillationseparationmethanol-watermixture.Afullplatetowerismainlycomposedofcylindricaltowerbody,towerboard,liquidpipedown,theoverflowweir,theliquiddishandgasandliquidinto,exporttubecomponentsandotherparts,thisneedsofeveryparttomakeachoiceandgivereasonabletechnologysize.Soweto,firstofall,thematerialofthecolumncalculation,accordingtocheckmethanol-watercontentisbalancedataobtainedbymappingmethodtheorytowernumberbytheboardandtowerefficiencythedeterminationoftheactualtowernumberplate,thenchecktheoperatingpressure,operatingtemperature,averagemolecularweight,theaveragedensityofbasicpropertyparameters.Hightower,towerofdiameter,towerboard,overflowdeviceandsooneachpartscalculationandaccountingcheck<suchasloadperformancechart>anddeterminedtheelasticityofoperation,finallycalculatedoverthesizeofthesomeaccessories,etc.Accordingtothetaskofcommitmentstocompletethetaskorder.Keywords:Platecolumn;Continuousdistillation;Graphicmethod.目录TOC\o"1-4"\h\z\u摘要IAbstractII第1章总论41.1概述41.2塔设备简介4塔设备类型41.2.2筛板塔优点4第2章设计方案确定及流程说明52.1进料状况52.2加料方式和加料热状况52.3塔顶冷凝方式52.4回流方式52.5加热方式52.6工艺流程简介6第3章精馏塔的设计计算73.1物料衡算73.1.1原料液及其塔顶、塔底产品的摩尔分率73.1.2原料液及其塔顶与塔底产品的平均摩尔质量73.1.3全塔物料衡算73.2塔板数的确定73．2.1理论塔板数的求解7回流比的确定83.2.1.2操作线方程83.2.1.3图解法确定理论塔板数93.2.2全塔效率及实际塔板数93.2.2.1全塔效率93.2.2.2实际塔板数93.3精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算10操作压力103.3.2操作温度103.3.3平均摩尔质量103.3.4液相和气相平均密度113.3.4.1液相平均密度113.3.4.2气相平均密度123.3.5液相平均表面力123.3.6液相平均粘度133.4精馏塔塔体和塔板主要尺寸计算133.4.1塔高和塔径133.4.1.1精馏段133.4.1.2提馏段143.4.2塔板主要工艺尺寸的计算153.4.2.1溢流装置153.4.2.2塔板板面布置183.4.2.3筛孔计算及排列183.5塔板的流体力学验算193.5.1阻力和单板压降校验193.5.1.1精馏段19提馏段203.5.2雾沫夹带校验213.5.2.1精馏段213.5.2.2提馏段213.5.3漏液校验213．5.3.1精馏段213.5.3.2提馏段213.5.4液泛校验223.5.4.1精馏段223.5.4.2提馏段223.6负荷性能图223.6.1精馏段负荷性能图22漏液线〔气相负荷下限线223.6.1.2液体流量下限线233.6.1.3液体流量上限线233.6.1.4雾沫夹带线243.6.1.5液泛线243.6.1.6操作弹性263.6.2提馏段负荷性能图263.6.2.1漏液线〔气相负荷下限线263.6.2.2液体流量下限线263.6.2.3液体流量上限线263.6.2.4雾沫夹带线263.6.2.5液泛线273.6.2.6操作弹性273.7精馏塔接管尺寸的计算273.7.1进料管283.7.2回流管283.7.3塔顶蒸汽接管283.7.4釜液排出管29结束语30参考文献31附录Ⅰ符号说明32致34第1章总论1.1概述在化学工业和石油工业中广泛应用的诸如吸收、解吸、精馏、萃取等单元操作中,气液传质设备必不可少。塔设备就是使气液成两相通过精密接触达到相际传质和传热目的的气液传质设备之一。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。1.2塔设备简介塔设备类型塔设备一般分为级间接触式和连续接触式两大类。前者的代表是板式塔,后者的代表则为填料塔,在各种塔型中,当前应用最广泛的是筛板塔与浮阀塔。筛板塔优点而实验表明筛板塔的优点是：结构简单,气体压降小,板上液面落差也较小,生产能力及板效率均较泡罩塔高。泡罩塔板由于齿封开度是固定的,因此其对蒸汽负荷变动的适应性能不好。气速小时,气液接触不好；气速大时,又易使蒸汽吹开液体。多孔塔板虽然结构简单,处理能力大,但操作弹性比较小。对于筛板塔来说,塔板上开有许多均布的筛孔,筛孔在塔板上作正三角形排列。塔板上设置溢流堰,使板上能维持一定厚度的液层。操作时,上升气流通过筛孔分散成细小的流股,在板上液层鼓泡而出,气、液间密切接触而进行传质。在正常的操作气速下,通过筛孔上升的气流,应能阻止液体经筛孔向下泄漏。所以,筛板塔的效率较高,操作弹性较大,能较好的适应进料量的变化。此外,筛板塔还具有结构简单、处理能力强等优点。由于筛板塔板的蒸汽是水平吸入液层的,因此气液搅动较好、雾沫夹带小、接触时间长、传质效果好、其效率比泡罩塔板约高15%。第2章设计方案确定及流程说明2.1进料状况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1.7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10～15％。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。2.2加料方式和加料热状况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。2.3塔顶冷凝方式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。2.4回流方式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。2.5加热方式加热方式为直接加热和间接加热。直接加热由塔底进入塔。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。2.6工艺流程简介连续精馏装置主要包括精馏塔,蒸馏釜〔或再沸器,冷凝器,冷却器,原料预热器及贮槽等．原料液经原料预热器加热至规定温度后,由塔中部加入塔．蒸馏釜〔或再沸器的溶液受热后部分汽化,产生的蒸汽自塔底经过各层塔上升,与板上回流液接触进行传质,从而使上升蒸汽中易挥发组分的含量逐渐提高,至塔顶引出后进入冷凝器中冷凝成液体,冷凝的液体一部分作为塔顶产品,另一部分由塔顶引入塔作为回流液,蒸馏釜中排出的液体为塔底的产品。原料原料预热器精馏塔冷凝器贮槽冷却器贮槽再沸器残液贮槽第3章精馏塔的设计计算3.1物料衡算原料液及其塔顶、塔底产品的摩尔分率甲醇的摩尔质量为水的摩尔质量为原料液摩尔分率塔顶摩尔分率塔底摩尔分率3.1.2原料液及其塔顶与塔底产品的平均摩尔质量原料液平均摩尔质量塔顶产品平均摩尔质量塔底产品平均摩尔质量3.1.3全塔物料衡算原料处理量采出率塔顶产品流量塔釜产品流量3.2塔板数的确定3．2.1理论塔板数的求解甲醇—水属理想物系,可采用图解法求理论板层数。由手册查得甲醇—水物系的气液平衡数据〔表3-1,绘出x-y图,见图3-1。表3-1甲醇-水物系气液平衡数据温度t〔℃液相中的摩尔分数x气相中的摩尔分数y1000.000.00096.40.020.13493.50.040.23491.20.060.30489.30.080.36587.70.100.41884.40.150.51781.70.200.57978.00.300.66576.00.330.69275.30.400.72973.10.500.77971.20.600.82569.30.700.87067.60.800.91566.00.900.95865.00.950.97967.61.001.000.1回流比的确定在图中对角线上,自点E起做q线〔泡点线,该线与平衡线交点坐标为,可得q线与平衡线的交点坐标为,则最小回流比为取回流比.2操作线方程精馏段气液负荷提馏段气液负荷,由于泡点进料,q=1则精馏段操作线方程提馏段操作线方程.3图解法确定理论塔板数图3-1理论板层数图解法由图3-1可知,总理论塔板数为8块<包括塔釜>,进料板位置为自塔顶数起第5块。3.2.2全塔效率及实际塔板数.1全塔效率根据奥康奈尔经验式式中—塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度,无因次量,量纲为1；—塔顶与塔底平均温度下的液相黏度,Pa·s查相关资料得甲醇-水物系的相对挥发度为,计算得则全塔效率,.2实际塔板数精馏段实际塔板数提馏段实际塔板数实际总塔板数〔不含塔釜3.3精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算操作压力每层板的压降塔顶操作压力进料板压力塔底压力精馏段平均压力提馏段平均压力操作温度插法,查表1得进料板,解得进料板操作温度℃,同理可得塔顶操作温度℃塔底操作温度℃平均摩尔质量,由平衡曲线得塔顶平均摩尔质量,由平衡曲线得进料板平均摩尔质量,由平衡曲线得塔底平均摩尔质量精馏段平均摩尔质量提馏段平均摩尔质量液相和气相平均密度查相关资料得甲醇与水在个温度下的密度如表3-2。表3-2甲醇与水在各温度下的密度温度t〔℃60708090100ρ甲醇〔kg/m3751743734725716ρ水〔kg/m3983.2977.8971.8965.3958.4.1液相平均密度计算式查表2数据运用插法求塔顶液相平均密度,解得,解得所以同理可得进料板液相平均密度塔底液相平均密度精馏段液相平均密度提馏段液相平均密度.2气相平均密度由理想气体状态方程计算得精馏段气相平均密度提馏段气相平均密度液相平均表面力查资料得甲醇与水在各温度下的表面力如表3-3。表3-3甲醇与水在各温度下的表面力温度t〔℃60708090100σ甲醇<mN/m>18.7617.8216.9115.8214.89σ水<mN/m>66.264.362.660.758.8计算式查表3-3数据运用插法求塔顶液相平均表面力,解得,解得所以同理可得进料板液相平均表面力塔底液相平均表面力精馏段液相平均表面力提馏段液相平均表面力液相平均粘度查资料得甲醇与水在各温度下的表面力如表3-4。表3-4甲醇与水在各温度下的黏度温度t<℃>406080100120μL水〔mPa·s0.4390.3440.2770.2280.196μL甲醇〔mPa·s0.5490．4700.3550.2820.237计算式查表4数据运用插法求塔底液相平均黏度,解得,解得所以同理可得进料板液相平均黏度塔底液相平均黏度精馏段液相平均黏度提馏段液相平均黏度3.4精馏塔塔体和塔板主要尺寸计算塔高和塔径取板间距,上液层高度,则分离空间为.1精馏段气液相流量,气液相体积流率为液夜气动能参数为在史密斯关联图上〔图3-1查得图3-2史密斯关联图则气体负荷因子校正为最大允许气速取安全系数为0.7<安全系数在允许的围,符合设计要求>则空塔气速所以塔径.2提馏段气液相流量,气液相体积流率为夜气动能参数为查图3-1得则气体负荷因子校正为最大允许气速取安全系数为0.7<安全系数在允许的围,符合设计要求>则空塔气速所以塔径为设计和制造方便,塔径统一圆整为,则精馏段空塔气速提馏段空塔气速塔的横截面积精馏段有效高度为提馏段有效高度为塔板主要工艺尺寸的计算.1溢流装置因塔径可选用单溢流弓形降液管,平直堰,凹型受液盘,不设进堰口。堰长〔1精馏段出口堰高上液层高度堰上液层高度,查图3-3得所以,,图3-3液流收缩系数计算图降液管宽度和降液管横截面积,查图3-3得,所以液体在降液管中停留时间<>5s,符合要求>降液管底隙高度〔>0.02m,设计合理〔>0.006m,设计合理选用凹形受液盘,凹槽深度图3-4弓形降液管的宽度与面积〔2提馏段出口堰高,上液层高度堰上液层高度,查图3-3得所以,,降液管宽度和降液管横截面积与精馏段一致。液体在降液管中停留时间〔>5s符合要求。降液管底隙高度〔>0.02m,设计合理<>0.006m,设计合理>凹形受液盘与精馏段相同,凹槽深度.2塔板板面布置〔1精馏段取安定区宽度,边缘区宽度,〔2提馏段取与精馏段相同的参数。.3筛孔计算及排列因为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,取孔中心距则开孔率筛孔数筛孔总面积精馏段筛板气速提馏段筛板气速3.5塔板的流体力学验算3.5.1阻力和单板压降校验因为,查图3-5确定空流系数图3-5干筛孔的流量系数.1精馏段干板阻力气体速率动能因子,查图3-6得气体通过液层的阻力液相表面力的阻力气体通过每层塔板的液体柱高度单板压降〔,符合要求图3-6充气系数ε0和动能因子Fa间的关系.2提馏段干板阻力气体速率动能因子,查图3-6得气体通过液层的阻力液相表面力的阻力气体通过每层塔板的液体柱高度单板压降〔,符合要求3.5.2雾沫夹带校验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.1精馏段〔<0.1kg液体/kg干气体,符合要求.2提馏段〔<0.1kg液体/kg干气体,符合要求3.5.3漏液校验3．精馏段漏液点气速稳定系数〔>1.5,不会发生漏液现象.2提馏段漏液点气速稳定系数〔>1.5,不会发生漏液现象3.5.4液泛校验为防止塔发生液泛,降液管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。.1精馏段因为,所以不会发生液泛。.2提馏段因为,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。3.6负荷性能图3.6.1.1漏液线〔气相负荷下限线漏点气速式整理得漏液线方程在操作线围,任取几个值,算出值,如表3-5,在图3-7中绘出漏液线⑴表3-5精馏段漏液线数据Ls〔m3/s0.0001500.00650.0142Vs〔m3/s0.4740.5240.558.2液体流量下限线取堰上液层高度作为液相负荷下限条件,,则整理得液体流量下限线方程在负荷性能图处作垂直线,得到图3-7中液体流量下限线⑵。.3液体流量上限线取液体在降液管中停留时间,则在负荷性能图处作垂直线,得到图3-7中液体流量上限线⑶。.4雾沫夹带线以为雾沫夹带极限,则,,整理得雾沫夹带线方程在操作线围,任取几个值,算出值,如表3-6,在图3-7中绘出雾沫夹带线⑷。表3-6精馏段雾沫夹带线数据Ls〔m3/s0.0009540.00650.0142Vs〔m3/s2.8082.2751.770.5液泛线令,,,联立得忽略,将与,与,与的关系式代入上式,并整理得式中整理得液泛线方程在操作线围,任取几个值,算出值,如表3-7,在图3-7中绘出液泛线⑸。表3-7精馏段液泛线数据Ls〔m3/s0.0009540.00650.0142Vs〔m3/s1.7501.5721.2771图3-7精馏段气液负荷图.6操作弹性在负荷性能图上,作出操作点P,连接OP,即作出操作线。由图3-5可看出,该筛板的操作上限为雾沫夹带控制,下限为漏液控制。由图查得,,则精馏段的操作弹性为3.6.2提馏段负荷性能图.1漏液线〔气相负荷下限线与精馏段相似,线方程在操作线围,任取几个值,算出值,如表3-8,在图3-8中绘出漏液线⑴。表3-8提馏段漏液线数据Ls〔m3/s0.0001500.00650.0142Vs〔m3/s0.5200.5770.621.2液体流量下限线与精馏段相似,液体流量下限线方程在图3-8中得到线⑵。.3液体流量上限线与精馏段相似,液体流量上限线方程在图3-8中得到线⑶。.4雾沫夹带线与精馏段相似,雾沫夹带线方程在操作线围,任取几个值,算出值,如表3-9,在图3-8中绘出雾沫夹带线⑷。表3-9提馏段雾沫夹带线数据Ls〔m3/s0.0009540.00650.0142Vs〔m3/s3.4602.8622.295.5液泛线与精馏段相似,液泛线方程在操作线围,任取几个值,算出值,如表3-10,在图3-8中绘出液泛线⑸。表3-10提馏段液泛线数据Ls〔m3/s0.0009540.00650.0142Vs〔m3/s2.1471.9361.590图3-8提馏段气液负荷图.6操作弹性与精馏段相似,在负荷性能图上,作出操作点P,连接OP,即作出操作线。由图3-8可知提馏段筛板的操作上限为雾沫夹带控制,下限为漏液控制。由图查得,,则提馏段的操作弹性3.7精馏塔接管尺寸的计算进料管选用泵进料,取输送速度为,则经圆整选取热轧无缝钢管〔GB8163-87,规格实际管流速回流管采用直管回流管,回流管的回流量塔顶液相平均摩尔质量平均密度则液体流量取管流速则回流管直径圆整后可取回流管规格回流管实际流速塔顶蒸汽接管塔顶,,则体积流量：取管蒸汽流速,则可取回流管规格塔顶蒸汽接管实际流速釜液排出管塔底体积流量取管流速,则可取回流管规格塔顶蒸汽接管实际流速结束语本设计进行甲醇和水的分离,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1.6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。在进行设计时,我借助电脑一些辅助应用软件进行严格的验算,例如Excel,数学公式编辑器,AutoCAD等。Excel用于数据的计算和图表的绘制〔图解法求理论板数、负荷性能图,方便,精准,快捷,使用数据时一目了然,这样相对节约了很多翻查数据的时间而且；公式编辑器主要进行计算式的排列,使得计算过程清晰明了；AutoCAD主要用来绘制工艺流程图,操作简单而且能将整个流程清晰的表达出来。通过本次课程设计的训练,让我对自己的专业有了更加感性和理性的认识,这对我们的继续学习是一个很好的指导方向,我们了解了工程设计的基本容,掌握了化工设计的主要程序和方法,增强了分析和解决工程实际问题的能力。同时,通过课程设计,还使我们树立正确的设计思想,培养实事、严肃认真、高度负责的工作作风,加强工程设计能力的训练和培养严谨的科学作风更尤为重要。.参考文献[1]卢焕章等.石油化工基础数据手册.:化学工业,1998[2]贾绍义,柴诚敬.化工原理课程设计.:大学,2002[3]长龙,国振双,徐功娣.化工原理课程设计.:工业大学,2010[4]夏清,常贵,玉英.化工原理〔上册.:大学,2005[5]夏清,常贵,玉英.化工原理〔下册.:大学,2005[6]化工部.化工工艺孔管设计化工管路手册〔上下册.：化学工业:1996[7]国昌.化工设备设计.清华大学,2001[8]王明辉.化工单元过程课程设计.:化学工业,2002[9]ChenWeitransportprocessesandunitoperations.Hangzhou:ZhejiangUniversity[10]Albright,R.L.,andYarnell,P.A."IonExchangepolymers,"EncyclopediaofpolymerScienceandEngineering,Volume8,1987,JohnWidelyandSons,Inc.<Newyork>附录Ⅰ符号说明英文字母塔板开孔面积,；进口堰与降液管的水平距离；降液管面积,；降液管底隙高度,；筛孔面积,；堰上液层高度,；塔截面积,；与克服液体表面力的压降相当计算时的负荷系数,量纲为1；的液柱高度,；流量系数,量纲为1；板间距,；塔顶馏出液流量,；筛板的稳定性系数,量纲为1；