常压连续精馏塔分离甲醇—水设计论文17249.doc

化工原理课程设计 设计题目：常压、连续精馏塔分离甲醇水设计班 级：姓 名：学 号：指导教师：完成日期：2013年7月7日化 工 系设计前言甲醇,又名木醇,分子式为CH3OH,分子量:32.04，为有特殊气味的易挥发、易燃烧的液体。有毒,人饮后能致盲。比重0.791（20）,沸点64.50,能与水和多数有机溶剂混溶。甲醇的重要用途以及生产甲醇的原料的广泛性,使甲醇合成和应用的研究开发越来越受到重视。但是,化工生产合成所得的甲醇为粗甲醇,一般只含有80%左右的甲醇,其余成分必须从粗甲醇中除去,才能得到成品精甲醇。分离混合物的方法很多,在化工生产操作中,化工原料及产品的分离与精制,多是采用精馏来达到目的，而精馏操作则主要通过塔设备来实现。在阅读部分参考书后，经组员讨论，拟出一套较理想的甲醇-水分离精馏塔设计方案，决定取用的塔板类型为筛板塔，因为筛板塔生产能力大，塔板效率高，比较符合符合甲醇-水分离精馏塔设计的要求。本次设计中，由老师规定的任务条件基本可确定加料热状况采用泡点进料，冷凝方式塔顶冷凝采用全凝器,回流方式采用强制回流，加热方式采用间壁蒸汽加热。在设计过程中，由于查找物性数据的资料书版本各不相同，数据上有一定出入，且个人能力有限，所以有些数据作过估算。其中，计算过程要考虑的因素很多，温度、密度、粘度和表面张力的计算基本都采用内插法计算，可能存在一定误差，故接下去的计算中略有偏差，但问题不会太大。其次，由于时间有限，在作图时，没有仔细按标准规范做，仅仅画了草图作参考。在此笔者也对自己治学态度的不严谨而作自我反省。本设计在袁军老师的指导下，与课程设计小组各位同学的不断交流中改正完善，在此对老师及各位组员给予笔者的帮助与支持一并表示真挚的感谢！由于水平有限，时间也很紧，存在问题在所难免，恳请老师批评指正！2013年6月目录目录11. 设计题目32. 设计任务及条件33. 设计内容33.1. 物性、相平衡数据的收集与计算33.1.1. 物料衡算33.1.2. 物性、相平衡数据收集43.1.3. 回流比、操作线及理论塔板数的求取53.2. 精馏塔的化工计算63.2.1. 实际塔板数的计算63.2.2. 操作压力计算63.2.3. 操作温度计算73.2.4. 平均摩尔质量计算73.2.5. 平均密度的计算83.2.6. 液体平均表面张力计算93.2.7. 液体平均粘度的计算103.2.8. 精馏段塔径计算113.2.8.1. 精馏段塔径的计算113.2.8.2. 提馏段塔径的计算123.2.8.3. 平均塔径133.2.9. 有效高度的计算133.3. 精馏塔塔板结构设计及核算143.3.1. 溢流装置的计算143.3.1.1. 堰长143.3.1.2. 溢流堰高143.3.1.3. 弓形降液管宽和截面积143.3.1.4. 降液管底隙高度153.3.2. 塔板的布置163.3.2.1. 塔板的分块163.3.2.2. 边缘区宽度确定163.3.2.3. 开孔区面积计算163.3.2.4. 筛孔的计算及其排列163.3.3. 塔板结构力学核算173.3.3.1. 塔板压降173.3.3.2. 液面落差193.3.3.3. 液沫夹带193.3.3.4. 漏液203.3.3.5. 液泛213.3.4. 塔板负荷性能图223.3.4.1. 漏夜线223.3.4.2. 液沫夹带线233.3.4.3. 液相负荷下限线253.3.4.4. 液相负荷上限线253.3.4.5. 液泛线253.3.4.6. 操作弹性的计算283.4. 精馏塔的简单结构及工艺流程图293.5. 塔板平面布置简图293.6. 辅助设备(塔顶冷凝器、塔釜再沸器等)的计算303.6.1. 接管尺寸303.6.1.1. 再沸器蒸汽进口管303.6.1.2. 塔顶蒸汽进冷凝器出口管313.6.1.3. 冷凝水管313.6.2. 塔顶冷凝器（换热器）的计算和选取313.6.3. 塔釜再沸器的计算和选取333.7. 计算结果及符号说明汇总334. 设计总结365. 参考文献376. 附图371. 设计题目常压、连续精馏塔分离甲醇水设计2. 设计任务及条件泡点进料，塔顶进入全凝器，塔釜间接蒸汽加热；塔板压降：，全塔压降在30kPa以内。选塔：筛板塔3. 设计内容3.1. 物性、相平衡数据的收集与计算3.1.1. 物料衡算进料的平均摩尔质量原料处理量的质量流量 ： 则，全塔效率：物料衡算： 3.1.2. 物性、相平衡数据收集1.甲醇-水相平衡数据t10096.493.591.289.387.784.481.778.0xA0.000.020.040.060.080.100.150.200.30yA0.0000.1340.2340.3040.3650.4180.5170.5790.665t75.373.171.269.367.666.065.064.5-xA0.400.500.600.700.800.900.951.00-yA0.7290.7790.8250.8700.9150.9580.9791.000-(单位：t（温度）：；xA -液相中甲醇摩尔分数，yA-汽相中甲醇摩尔分数）绘制甲醇水t-x-y关系（相平衡）如下图：2.由，计算不同温度下甲醇-水的相对挥发度：t96.493.591.289.387.884.481.778.07.5827.1696.8436.6106.6466.0665.5044.632t75.373.171.269.367.566.065.0-4.0353.5253.1432.8682.6912.5342.454-由于相差太大，故用图解法求取理论板数。3.1.3. 回流比、操作线及理论塔板数的求取采用图解法求解理论塔板数泡点进料,所以q线方程为，由图可读出故：；精馏段操作线方程：提留段操作线方程：依以上计算相关数据作图如下：则由图可得，理论塔板数进料板：第6块3.2. 精馏塔的化工计算3.2.1. 实际塔板数的计算精馏段实际塔板数：提馏段实际塔板数(除去再沸器)：3.2.2. 操作压力计算单板压降：塔顶操作压力：进料板压力：塔釜操作压力：精馏段平均压力：提馏段平均压力：全塔压降：即压降符合要求。全塔压力：3.2.3. 操作温度计算由相平衡图的泡点线、露点线可读出：塔顶温度（泡点线读出）：进料温度（泡点线读出）：塔釜温度（露点线读出）：精馏段平均温度：提馏段平均温度：全塔平均温度：3.2.4. 平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量：，查平衡曲线，得进料平均摩尔质量：查平衡曲线，得，塔釜平均摩尔质量：查平衡曲线，得精馏段平均摩尔质量：提馏段平均摩尔质量：3.2.5. 平均密度的计算精馏段气相平均密度：由理想气体状态方程得，精馏段液相平均密度：可依照下式计算，塔顶液相平均密度：查化工原理（一）附录二、四得，进料液相平均密度：查化工原理（一）附录二、四得，进料液相的质量分数：故精馏段液相平均密度：提馏段气相平均密度：理同精馏段，由状态方程得：提馏段液相平均密度：塔顶液相平均密度：查化工原理（一）附录二、四得，故提馏段液相平均密度：3.2.6. 液体平均表面张力计算液体平均表面张力可依计算：塔顶液相平均表面张力：查化工原理（一）附录二、四得：进料液相平均表面张力：查化工原理（一）附录二、四得：塔釜液相平均表面张力：查化工原理（一）附录二、四得：精馏段平均表面张力：提馏段平均表面张力：3.2.7. 液体平均粘度的计算液体平均粘度可按下式计算：塔顶液相平均粘度计算，查化工原理（一）附录二、四得，进料液相平均粘度计算，查化工原理（一）附录二、四得，塔釜液相平均粘度计算，查化工原理（一）附录二、四得，精馏段平均粘度：提馏段平均粘度：3.2.8. 精馏段塔径计算3.2.8.1. 精馏段塔径的计算精馏段平均气、液相体积流量:其中C按下式计算：取板间距板上液层高度查化工单元操作课程设计P116图5-1得， 取安全系数：0.7，则空塔气速：3.2.8.2. 提馏段塔径的计算提馏段平均气、液相体积流量:取板间距板上液层高度查化工单元操作课程设计P116图5-1得， 取安全系数：0.7，则空塔气速3.2.8.3. 平均塔径相差不是很大，故：按标准塔径圆整为塔截面积为：实际空塔气速：3.2.9. 有效高度的计算精馏段有效高度：提馏段有效高度：在进料板上方开一人孔，高度0.8m。故塔的有效高度：3.3. 精馏塔塔板结构设计及核算3.3.1. 溢流装置的计算因塔径，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。3.3.1.1. 堰长取 3.3.1.2. 溢流堰高选用平直堰，堰上液层高度由Francis公式计算，E近似取1，即精馏段：提馏段：全塔：取板上清液层高度，则：3.3.1.3. 弓形降液管宽和截面积由查化工单元操作课程设计P120图5-7得：液体在降液管的停留时间：精馏段：提馏段：故降液管设计合理。3.3.1.4. 降液管底隙高度取u=0.08m/s精馏段：提馏段：采用凹形受液盘，深度3.3.2. 塔板的布置3.3.2.1. 塔板的分块因，故塔板采用分块式，查化工单元操作课程设计P127表5-3得：塔板分块3块。3.3.2.2. 边缘区宽度确定 3.3.2.3. 开孔区面积计算 开孔区面积的计算：其中，3.3.2.4. 筛孔的计算及其排列甲醇-水物系无腐蚀性，可选用的碳钢板，取其孔直径。筛孔按正三角排列，取孔中心距为：筛孔数目为：开孔率为：气体通过阀孔的气速：精馏段：提馏段：全塔平均：3.3.3. 塔板结构力学核算3.3.3.1. 塔板压降干板阻力的计算：由查化工单元操作课程设计P124图5-10得：精馏段：提馏段：全塔平均：气体通过液层的阻力的计算查化工单元操作课程设计P124图5-11得，液体表面张力的阻力的计算精馏段：提馏段：气体通过每层塔板的液柱高度的计算：精馏段：气体通过精馏段每层塔板的压降提馏段：气体通过提馏段每层塔板的压降全塔平均压降：故压降在以内，压降选取、设计均合理。3.3.3.2. 液面落差对于筛板塔，液面落差很小，而且该设计中塔径、流量均不大，故可忽略液面落差的影响。3.3.3.3. 液沫夹带液沫夹带的计算：精馏段液沫夹带：提馏段液沫夹带：全塔：故设计符合要求。3.3.3.4. 漏液筛板塔漏液点气速的计算：精馏段漏液点气速：提馏段漏液点气速：全塔平均漏液点气速：实际孔速：稳定系数：故设计中无漏液。3.3.3.5. 液泛为防止塔内液泛发生，降液管内液层高度依下式计算：甲醇-水物系属不易发泡物系，取，则：故不会发生液泛。3.3.4. 塔板负荷性能图3.3.4.1. 漏夜线由得：所以，在操作范围内任取几个的值，依以上两式分别计算：0.00040.00150.00300.00450.00550.29610.30810.31960.32910.33460.00040.00200.00350.0060.34570.36460.37700.3937由上表数据分别作出精馏段漏液线1、提馏段漏液线1。3.3.4.2. 液沫夹带线以为限，求精馏段、提馏段的关系：精馏段：故提馏段：故整理得：在操作范围内任取几个的值，依以上两式分别计算：0.00040.00150.00300.00450.00551.25681.16741.10771.00270.99730.00040.0020.00350.00601.43791.29911.20381.0715由上表数据分别作出精馏段液沫夹带线2、提馏段液沫夹带线2。3.3.4.3. 液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度，作为最小液体负荷标准，故依此分别作出精馏段液相负荷下限线3、提馏段液相负荷下限线3。3.3.4.4. 液相负荷上限线以作为液体在降液管中停留时间的下限，依此分别作出与气体流量无关的精馏段液相负荷上限线4、提馏段液相负荷上限线4。3.3.4.5. 液泛线令联立，得忽略，将与，与，与的关系代入上式，整理得：式中，则：精馏段液泛线：提馏段液泛线：整理，得：在操作范围内任取几个的值，计算结果如下：0.00040.00150.00300.00450.00551.2441.1310.98530.89760.79960.00010.00050.00100.00151.18451.10561.03770.9099依此分别作出精馏段液泛线5、提馏段液泛线5。依以上数据分别作精馏段、提馏段负荷性能图如下（图中的单位：）：3.3.4.6. 操作弹性的计算由以上两图可得：（1）精馏段的操作上限由液泛控制，下限由液相负荷下限控制。则精馏段操作弹性为：（2）提馏段的操作上限由液泛控制，下限由漏液控制。则精馏段操作弹性为：则全塔平均操作弹性为：3.4. 精馏塔的简单结构及工艺流程图3.5. 塔板平面布置简图（1） 塔板结构简图（2）分块及筛孔结构简图：（3）溢流装置简图3.6. 辅助设备(塔顶冷凝器、塔釜再沸器等)的计算3.6.1. 接管尺寸3.6.1.1. 再沸器蒸汽进口管设蒸汽流速为15m/s,经圆整选取热轧无缝钢管，规格：实际管内流速：3.6.1.2. 塔顶蒸汽进冷凝器出口管设蒸汽流速为10m/s,经圆整选取热轧无缝钢管，规格：实际管内流速：3.6.1.3. 冷凝水管深井水温度为12，水的物性数据：深井水的质量流率，取流速为2m/s管径选取 热轧无缝钢管实际流速为3.6.2. 塔顶冷凝器（换热器）的计算和选取甲醇-水走壳程，冷凝水走管程，采用逆流形式（1）估计平均温度甲醇-水冷凝蒸汽的数据，冷凝蒸汽量：由于甲醇摩尔分数为0.90,所以可以忽略水的冷凝热,冷凝水始温为12，取冷凝器出口水温为20，在平均温度（2）物性数据如下（甲醇在膜温40.3下，水在平均温度16下）（kg/m3）Cp(kJ/kg·)kg(s·m)(W/(m·)甲醇-水1.1562.59645×10-50.1888冷凝水998.84.18621111×10-50.5887（3）换面积估算设备的热参数：水的流量：平均温度差：根据“传热系数K估计表”取传热面积的估计值为：安全系数取1.2 换热面积管子尺寸取 水流速取，管数：个管长：取管心距壳体直径取600mm折流板：采用弓形折流板取折流板间距B=200mm由上面计算数据，选型如下：公称直径D/mm600管子尺寸/mm25×2.5mm公称压力 PN/（MPa）1.6管子长l/m1.5管程数Np2管数n/根113壳程数Ns1管心距t/mm31.25管子排列正三角排列-3.6.3. 塔釜再沸器的计算和选取计算热负荷：考虑到5%的热损失后 选用0.2MPa饱和水蒸气加热，因两侧均为恒温相变 取传热系数估算传热面积取安全系数0.8，实际传热面积3.7. 计算结果及符号说明汇总序号符 号符号说明精馏段结果提馏段结果单 位1F原料处理量196.275-2D塔顶采出量71.749-3W塔釜采出量-124.5264塔顶液相组成0.90-5进料液相组成0.35-6塔釜液相组成-0.03-7最小回流比0.530.53-8R实际回流比0.790.79-9L液相负荷56.80128.4310气相负荷128.43253.0711N实际板数124块12平均压力105.5111.113平均温度72.1885.9114气相平均摩尔质量29.27123.59315液相平均摩尔质量25.83620.61416气相平均密度1.0760.87817液相平均密度780.41868.0818液体平均表面张力35.3549.1919液体平均粘度0.3550.32220气相体积流量0.970.9621液相体积流量0.000520.001722塔径0.930.8623Z有效塔高4.41.224塔截面积0.78550.785525实际空塔气速1.231.2326板间距0.400.427溢流堰长0.660.6628溢流堰高0.59960.599629板上清液层高0.060.0630堰上液层高0.00040.000431降液管截面积0.05490.054932降液管宽0.1350.13533降液管中停留时间42.212.934降液管底隙高0.00990.032235受液盘深度0.050.0536m塔板分块33块37开孔区面积0.3110.31138筛孔数目15971597目39开孔率10.1210.12%40干板阻力0.02480.017841气体通过液层阻力0.03660.037842表面张力阻力0.00340.004643单层塔板液柱高0.0660.05944液沫夹带0.03620.023845漏液点气速9.1510.2246K稳定系数1.511.51-47降液管内液层高0.12280.122848液相负荷下限0.000450.0004549液相负荷上限0.005490.0054950操作弹性1.6013.305-4. 设计总结历时半个多月的化工原理课程设计终于告一段落，对我自己而言，辛勤劳动是收获颇丰的。总结于下：1. 对化工设计有了初步的认识，在平常的化工原理课程学习中总是只针对局部进行了计算，而对参数之间的相互关联缺乏认识。平常的学习总会有题设的条件，省去了我们很多劳动，但在设计中大量用到了物性数据是需要自己去查找的。我学会了找相关图书资料和用互联网查找相关数据，如在“标准分享网（）”中就有许多所需要的物性数据。2. 设计中我学会了离开老师进行自主学习，参看多本参考书，还查阅了一些超星图书馆中的资料。这样的设计让我从中获得了一些自信，觉得本专业还是学到了不少东西的，至少学会了一种研究的方法，将来工作中或学习遇到了什么困难或从未接触过的领域，我也不再会感到畏惧。因为我已经有了一定的自主研究的能力，我能通过自学慢慢的将问题化解。3. 设计帮助我更好的熟悉了Word、Excel等办公软件和Aspen、CAD、PS等专业软件的基本操作。平常天天用电脑上网，进行些娱乐活动，真正这些实用的软件却触碰的很少，虽然以前有学过但隔的时间也比较久了，大多都淡忘了。忽然发现一个好工程师应该知识渊博，因为很多学科对他都是很有帮助的。现在我还处在一个学习知识的阶段一个接受新事物的黄金阶段，以前认为的计算机过了级拿到证书就了事的想法真的很幼稚，那些知识在今天还都能够用上，为了今后不再有今天这样的遗憾，今后应更加扎实的学习，拓宽自己的知识面。4. 设计教会了我耐心，很多地方都是需要先假设数据，再验算，不符合时再调整数据重新进行验算。很多地方都不得不重复的算上好几遍，而且大量繁琐的计算要求我必须克服焦躁的毛病，计算必须准确到位才能更快的完成设计任务。5.经过这次课程设计，复习了很多以前学过的很多知识，如排版时格式、字体要求用到文献检索及科技写作的内容，物料衡算、热量衡算、设备尺寸和管路计算等，要用到化工原理物理化学化工热力学的内容，设备的选型要用到化工设备机械基础。当然也学到了很多新的知识，如对塔设备有了更进一步的了解，对如何做设计有了一定的了解掌握。6.本次设计最大不足之处在于没认真按规格画出塔的结构图，一方面是因为个人对CAD画图还有很多不懂之处；另一方面是时间也不够。总的来说，要达到专业素质的要求，还有很长的路要走，还有很多东西要去接触，要去学习，要去掌握。7.设计让我体会到了牢牢掌握专业知识的重要性，经过大量的阅读，我用了将近半月的时间做这门课程设计，但是由于知识面较窄，做的比较粗糙，考虑的问题不够全面，希望老师还能给予宝贵的意见和建议，感谢老师的指导！5. 参考文献1贾绍义，柴诚敬.化工单元操作课程设计.天津大学出版社.20112陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋.化工原理(第三版)（上、下）.化学工业出版社.20063江体乾等.化工工艺手册.上海科学技术出版社.19924魏兆仙等.塔设备设计.化学工业出版社.19885房鼎立等.甲醇工学. 化学工业出版社.2009 6张国亮等.化工流体流动与传热. 化学工业出版社.20077马沛生等.化工热力学. 化学工业出版社.2009 8. 蔡源众.中国化工机械设备大全. 成都科技大学出版社.20009. 茅晓东等.典型化工设备机械设计指导.华东理工大学出版社.199510. 王国顺.工程制图.北京邮电大学出版社. 200911化学工程手册编委.化学工程手册(第1篇)化工基础数据.化学工业出版社.198012.刁玉玮等.化工设备机械基础（第六版）.大连理工大学出版社.20066. 附图以下设计图仅供参考1.整体塔形结构简图2.塔板局部简图