乙醇丙醇筛板式精馏塔的设计与计算课程设计1.doc

化 工 原 理 课 程 设 计题目 甲醇-水二元筛板精馏塔的设计教 学 院 化工与制药工程学院 专业班级 制药工程1102班学生姓名 邰宇娇 学生学号 11210219 指导教师 曾庆荣 2014年6月 13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 进料组成0.55 馏出液组成0.965 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 回流比 R=(1.12.0)Rmin 单板压降 0.7kPa 设计任务：1 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）。2 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）。3 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。目录目录III摘要V第一章绪论11.1筛板塔的特点11.2设计思路1第二章精馏塔的工艺设计22.1产品浓度的计算22.2平均相对挥发度的计算22.3最小回流比的计算和适宜回流比的确定32.4物料衡算42.5精馏段和提馏段操作线方程52.6逐板法确定理论板数及进料位置52.7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73.1物性计算73.2精馏塔主要工艺尺寸的计算123.3精馏塔的流体力学验算173.4塔板负荷性能图193.5 塔的接管24第四章热量衡算264.1比热容及汽化热的计算264.2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1.1筛板塔的特点 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38mm)和大孔径筛板(孔径为1025mm)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(如分离粘度大、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，但若设计和操作不当，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，弥补了上述不足，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。1.2设计流程全塔物料衡算 求理论塔板数 筛板塔的设计 流体力学性能校正 气液相负荷计算 画出负荷性能图 全塔热量衡算 塔附属设备计算 第二章 工艺计算2.1全塔物料衡算1、原料摩尔分数的计算设F、D、W分别为进料、溜出液和釜液的摩尔流量；、分别为进料、溜出液和釜液中易挥发组分的摩尔分数；已知：、，由物料衡算式： 总物料： 易挥发组分： 联立，可计算出馏出液和釜液的摩尔流量分别为2、 温度的确定表2-1利用常压下甲醇-水平衡数据101.3251x00.0200.0400.0600.12570.1315y00.1340.2300.3040.3650.395t/10096.493.591.289.387.7x0.28180.29090.33330.35130.46200.52920.5937y0.7790.8250.8700.9150.9580.9791.000t/73.171.269.367.566.065.064.5根据甲醇-水相平衡数据表，用数值插值法确定塔顶温度、进料温度、塔釜温度。塔顶温度： 进料温度： 塔釜温度： 根据温度-饱和蒸气压关系式（安托因方程）可计算出A（乙醇）、B（丙醇）组分分别在塔顶、进料板、塔釜时的分压。计算结果如下： 塔顶： 进料板： 塔釜： 3、相对挥发度的计算将该体系视为理想体系，根据拉乌尔定律，有代入上文计算出的分压值，可得 所以，全塔平均相对挥发度为精馏段的平均相对挥发度为 提馏段的平均相对挥发度为 4、回流比的确定因为采取泡点进料，即，所以 则又最小回流比 取操作回流比 5、摩尔流量的计算设、分别为精馏段和提馏段上升蒸汽的摩尔流量；和分别为精馏段和提馏段下降液体的摩尔流量。则精馏段下降液体的摩尔流量精馏段上升蒸汽的摩尔流量提馏段下降液体的摩尔流量提馏段上升蒸汽的摩尔流量6、平均摩尔质量的计算已知，甲醇的摩尔质量，水的摩尔质量，根据乙醇-丙醇的相平衡数据，用数值插值法有塔顶温度 塔顶汽相组成 进料板温度 进料板汽相组成 塔釜温度 塔釜汽相组成 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 塔顶液相平均分子量塔顶汽相平均分子量进料板液相平均分子量进料板汽相平均分子量塔釜液相平均分子量塔釜汽相平均分子量精馏段液相平均分子量精馏段汽相平均分子量提馏段液相平均分子量提馏段汽相平均分子量7、原料质量分数的计算已知：进料板摩尔分数，则其质量分数为塔顶摩尔分数，则其质量分数为塔顶摩尔分数，则其质量分数为表2-2 物料衡算结果表项目塔顶进料塔底温度65.1472.7595.32液相摩尔分数0.9750.550.035液相甲醇质量分数0.98390.80390.1868相对挥发度4.174.023.61摩尔流量31.657038.35摩尔质量31.6925.7318.518、理论塔板数的计算采用逐板法计算，该法应用相平衡方程与操作线方程从塔顶开始逐板计算各板的汽相与液相组成，从而求得所需要的理论板数。精馏段操作线方程提馏段操作线方程全塔相平衡方程计算过程如下所示：理论塔板数值值备注10.9750.9095塔顶20.9460.81830.9040.70940.8560.60550.8090.52260.7440.429 进料板70.6080.28580.4000.14790.1980.059100.0710.019则 精馏段所需理论塔板数为 提馏段所需理论塔板数为 （不包括再沸器）2.2物性参数的计算表2-3 甲醇、水密度、粘度、表面张力在不同温度下的值1温度5060708090100甲醇760751743734725716水988.1983.2977.8971.8965.3958.4µ甲醇0.3500.3060.2770.2510.225µ水0.4790.4140.3620.3210.288甲醇18.7617.8216.9115.8214.89水66.264.362.660.758.81、液体黏度的计算应用数值插值法，计算过程如下：精馏段平均温度 精馏段平均黏度为提馏段平均温度 提馏段平均黏度为2、塔效率的估算运用Oconnell法估算塔效率，即 塔顶、塔釜平均温度为根据温度-饱和蒸气压关系式计算得 由拉乌尔定律知 运用内差法计算该温度下的液相摩尔分数同理，计算该温度下的液体黏度该温度下液体的黏度则，全塔效率 实际塔板数 块（包括再沸器）精馏段实际板数 块提馏段实际板数 块进料板位于第 块板处3、操作压强的计算塔顶压强，取每层塔板压降 D，则进料板压强 D塔釜压强 D精馏段平均操作压强 提馏段平均操作压强 4、密度的计算（1）液相平均密度应用数值插值法有：塔顶温度，则进料板温度，则塔釜温度，则所以，精馏段平均液相密度为提馏段平均液相密度为（2）汽相平均密度根据理想气体状态方程，有精馏段 提馏段 5、液体表面张力的计算运用内差法计算，已知：塔顶温度，有塔顶液体表面张力为进料板温度，有进料板液体表面张力为塔釜温度，有塔釜液体表面张力为则，精馏段平均液体表面张力提馏段平均液体表面张力6、液体比热容与汽化潜热的计算表2-4甲醇、水汽化热和比热容数据温度甲醇水汽化热热容汽化热热容40114983.23504.17860112888.34.18364 422476642153704.18780107094,294.195904.2041001330101.34.212运用插值法计算，已知：塔顶温度，有塔顶液体平均比热容为进料板温度，有进料板液体平均比热容为塔釜温度，则塔釜液体平均比热容为同理，运用插值法可计算出液体汽化潜热，计算结果如下表所示表2-5 汽化潜热计算结果表温度汽化潜热甲醇 水平均值65.141113.0942343.2191143.8575.251110.4572264.4191128.6495.25997.79452229.6411106.737、精馏塔汽、液相负荷的计算（1）精馏段的汽、液相负荷汽相负荷 液相负荷 （2）提馏段的汽、液相负荷汽相负荷 液相负荷 2.3热量衡算1、塔顶上升蒸汽的热量2、残液带出的热量3、回流带入的热量采用泡点回流，则馏出口与回流口组成相同，即，4、进料带入的热量5、塔顶馏出液的热量6、冷凝器消耗的热量7、散于周围的热量取8、加热蒸汽代入的热量全塔范围内列热量衡算式，有 且 即 则 表2-6 热量衡算计算结果：项目进料冷凝器塔顶溜出液塔底残液再沸器平均比热容84,52- 89.4876.62-热量2043524.562351692.4441160861.756893548.222625086.522.4塔和塔板主要工艺尺寸计算1、塔径的计算以精馏段计算为例取板间距 ，塔板清液层高度 液体表面张力时的气体负荷因子为 气体负荷因子 液泛气速 取泛点率为0.7，则空塔气速 所以，精馏段塔径 同理，计算得提馏段的塔径为0.7m 按标准圆整后，精馏段和提馏段塔径均取0.7m2、有效高度的计算精馏段： 提馏段： 在进料口安装防冲设施，取进料板板间距，且要求每35块板设计一个人孔，则全塔20块板应设计3个人孔，人孔处板间距所以，全塔有效高度为3、溢流装置计算（1）堰长塔径，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。取 ,则堰长（2）溢流堰高度选用平直堰，堰上液层高度由弗朗西斯公式计算，近似取,则 同理，计算出提馏段 （3）弓形降液管宽度和截面积查图3-16， 得 又 液体在降液管内的停留时间 s 符合要求同理，计算出提馏段 s 符合要求（4）降液管底隙高度和液体流经底隙的流速 且 取 则 同理，提馏段 4、塔板设计（1）塔的分块因 ，故塔板采用分块式，查表得，塔板分为4块，具体如下表所示：表2-9 塔的分块塔径塔板分块数（2）边缘区宽度确定取边缘区宽度，入口安定区宽度,出口安定区宽度均取（3）开孔区面积计算 （4）筛孔计算及其排列本设计取筛孔直径，按正三角形排列，一般碳钢厚度取，则孔中心距塔板上的筛孔总数 个（5）开孔率因为筛孔按三角形排列，则开孔率气体通过筛孔的速度同理，计算得提馏段5、筛板的流体力学验算（1）干板阻力的计算则，流量系数 开孔率，干板阻力按下式计算：同理，计算出提馏段干板阻力 （2）气体通过液层的阻力的计算按有效流通面积计算气速 ，有 汽相动能因子 充气系数为则 同理，计算出提馏段 （3）液体表面张力的阻力的计算精馏段液体表面张力 同理，计算出提馏段 （4）塔板压降的计算 液柱高度 气体通过塔板的压降 同理，计算出提馏段的液柱高度 由以上计算结果可知，气体通过塔板的压降均低于设计允许值，符合要求。（5）液面落差对于的筛板塔，液面落差很小，可忽略液面落差的影响。本设计的，故液面落差可忽略不计。（6）液沫夹带量设计中规定雾沫夹带量，本设计采用亨特（Hunt）的经验式计算雾沫夹带量。按泡沫层相对密度为0.4计算，则塔板上鼓泡层高度 雾沫夹带量同理，计算出提馏段，均小于，所以，本设计液沫夹带量在允许范围内。（7）漏液点气速本设计 ，所以，漏液点气速按下式计算 稳定性系数同理，计算得提馏段漏液点气速，稳定性系数，在设计允许范围值内。（8）液泛为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度，本设计塔板上不设置进口堰，液体流过降液管的压强降相当的液柱高度可用下式计算： 取 ，则 同理，计算得提馏段 ，均符合设计要求。根据以上各项流体力学验算结果，可认为本设计精馏塔塔径及各工艺尺寸是合适的。6、塔板负荷性能图以精馏段为例计算（1）雾沫夹带线取极限值 ，已知式中 , , ，整理，得 同理，整理得提馏段雾沫夹带线 在操作范围内,任取几个值, 依上式计算，将结果列于表中0.6780.6360.5820.5361.0140.9520.8730.806根据上表中数据，可绘出雾沫夹带线。（2）液泛线令，即 ，式中：,取 ，已知： ， ，整理，得同理，整理得提馏段液泛线 在操作范围内,任取几个值, 依上式计算，将结果列于表中0.7610.7070.5640.2440.9090.8630.7690.633根据上表中数据，可绘出雾沫夹带线。（3）液相负荷上限线取液体在降液管中停留时间为,则作出液相负荷上限线，是一条与气体流量无关的垂直线。（4）漏液线已知 , 代入漏液点气速式整理，得 同理，整理得提馏段漏液线 在操作范围内,任取几个值, 依上式计算，将结果列于表中0.3250.3370.3510.3630.2850.3030.3250.342根据上表中数据，可绘出雾沫夹带线。（5）液相负荷下限线取平直堰，堰上液层高度 作为液相负荷下限线的条件，整理得作出液相负荷下限线，也是一条与气体流量无关的垂直线。（6）塔的操作弹性根据以上各线方程,可做出筛板塔的负荷性能图如图所示在负荷性能图上,作出操作点 , 连接 ,即作出操作线.由图可知在负荷性能图上,作出操作点 , 连接 ,即作出操作线.由图可知 故操作弹性为：同理可算出提镏段:3.6 板式塔的结构 3.6.1 塔体结构（1） (1)塔顶空间 指塔内最上层塔极与塔顶的间距。为利于出塔气体夹带的液滴沉降，其高度应大于板间距，设计中通常取塔顶间距为(1.52.0)HT。若需要安装除沫器时，要根据除沫器的安装要求确定塔顶间距。 (2)塔底空间 指塔内最下层培板到塔底间距。其值由如下因素决定： 塔底储液空间依储存液量停留 38 min(易结焦物料可缩短停留时间)而定；（2） 再沸器的安装方式及安装高度； 塔底液面至最下层塔板之间要留有12m的间距。 (3)人孔 对于D1000mm的板式塔，为安装、检修的需要，一般每隔68层塔板设一人孔。人孔直径一般为450 mm600mm，其伸出塔体的筒体长为200250 mm，人孔中心距操作平台约8001200mm。设人孔处的板间距应等于或大于600mm。 (4)塔高 板式塔的塔高如图所示。可按下式计算，即 H=(n-nF-nP-1)HT+nFHF+nPHP+HD+HB+H1+H2 式中 H塔高，m； n实际塔板数； nF进料板数； HF进料板处板间距，m； np人孔数； HB塔底空间高度，m； HP设人孔处的板间距，m； HD塔顶空间高度，m； H1封头高度，m； H2裙座高度m。 2、塔总体高度计算 塔体总高度利用下式计算： （1）塔顶封头 本设计采用椭圆型封头，由公称直径DN=700mm，=175mm，=40mm， 内表面积A=0.6191 容积=0.0603。 则封头高度 （2）塔顶空间：设计中取塔顶间距，考虑到要安装除沫器,所以塔顶空间取1.2m。（3）塔底空间塔底空间高度HB是指从塔底最下一层塔板到塔底封头的底边处的距离，取釜液停留时间为5min，取塔底液面至最下一层塔板间距离为1.5m。则： (4) 人孔本塔具有20块塔板，需设置3个人孔，每个人孔直径为450mm，在设置人孔处板间距=600mm 。（5）进料处板间距 考虑在进口处安装防冲设施，取进料板处板间距(6) 裙座 塔底常用裙座支撑，本设计采用圆筒形裙座；由于裙座内径>800mm，故裙座壁厚取16mm,取裙座高 塔体总高度： = =15.59m结束语这次课设是对化工原理这门课程的一个总结，通过课程设计使我初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧。由于第一次接触课程设计，起初心里充满了新鲜感和期待，因为自我认为在大学里学到的东西终于可以加以实践了。可是当老师把任务书发到手里是却是一头雾水，完全不知所措。可是在这短短的几周里，从开始的一无所知，到同学讨论，再进行整个流程的计算，再到对工业材料上的选取论证和后期的程序的编写以及流程图的绘制等过程的培养，我真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体会到了利用所学的有限的理论知识去解决实际中各种问题的不易。我的课程设计题目是甲醇-水二元筛板精馏塔设计。在开始时，我不知道如何下手，虽然有课程设计书作为参考，但其书上的计算步骤与我们自己的计算步骤有少许差异，在这些差异面前，我显得有些不知所措。通过在图书馆查阅相关书籍，在网上搜索到的理论和经验数据，以及在曾庆荣老师的指导下，我慢慢地找到了符合自己的实验数据，并逐渐建立了自己的模版和计算过程。通过这次课设计，我掌握了精馏的相关知识，并对精馏塔有了一定的认识。我会学好理论知识，为以后在社会工作打好坚固的基础。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 2011.9. 本章符号说明 Aa塔板开孔区面积，m2； Af降液管截面积，m2； A0筛孔总面积，m2； AT塔截面积，m2； C0流量系数，无因次； C计算umax时的负荷系数，m/s；Cs气相负荷因子，m/s； d0筛孔直径，m；D塔径，m；eV液沫夹带量,kg(液)/kg(气)； E液流收缩系数，无因次;F气相动能因子，kg1/2/(s·m1/2)； F0筛孔气相动能因子，kg1/2/(s·m1/2)； hl进口堰与降液管间的水平距离，m； hc与干板压降相当的液柱高度，m液柱； hd与液体流过降液管的压降相当的液柱高度，m： hl与板上液层阻力相当的液柱高度，m； hL板上清液层高度，m； h0降液管的底隙高度，m； how堰上液层高度，m； hw溢流堰高度，m； hw进口堰高度，m； h与克服的压降相当的液柱高度，m； H板式塔高度; Hd降液管内清液层高度，m； HT塔板间距，m； K稳定系数，无因次； lW堰长，m； Lh液体体积流量，m3/h； LS液体体积流量，m3/s； n筛孔数目； NT理论板层数； P操作压力，Pa； P压力降，Pa； t筛孔的中心距，m； u空塔气速，m/s； u0气体通过筛孔的速度，m/s； u0.min漏液点气速，m/s； u0液体通过降液管底隙的速度，m/s； VS气体体积流量，m3/s； LS液体体积流量，m3/s； Wc边缘无效区宽度，m； Wd弓形降液管宽度，m； Z板式塔的有效高度，m； 希腊字母 充气系数，无因次； 筛板厚度，m液体在降液管内停留时间，s； 粘度，Pa·s； 密度，kg/m3； 表面张力，N/m； 开孔率或孔流系数，无因次； 液体密度校正系数，无因次。 下标 max最大的；min最小的； L液相的； V气相的。 化工原理课程设计教师评分表评价单元评价要素评价内涵满分评分平时成绩20%出勤能按时到指定设计地点进行课程设计，不旷课，不迟到，不早退。10纪律学习态度认真，遵守课程设计阶段的纪律，作风严谨，按时完成课程设计规定的任务，按时上交课程设计有关资料。10说明书质量30%说明书格式符合课程设计说明书的基本要求，用语、格式、图表、数据、量和单位及各种资料引用规范等。10工艺设计计算根据选定的方案和规定的任务进行物料衡算，热量衡算，主体设备工艺尺寸计算，附属设备的选型等。20制图质量30%制图图形图纸的布局、线形、字体、箭头、整洁等。20制图正确性符合化工原理课程设计任务书制图要求，正确绘制流程图和工艺条件图等。10答辩20对设计方案的理解答辩过程中，思路清晰、论点正确、对设计方案理解深入，主要问题回答正确20指导教师综合评定成绩：实评总分；成绩等级 指导教师（签名）： 2014年 月 日 注：按优（90-100分）、良（80-89分）、中（70-79分）、及格（60-69分）、不及格（60分以下）五级评定成绩。化工原理教学与实验中心2014年06月13日