化工原理课程设计甲醇和水

1、武汉工程大学课程设计说明书目 录摘 要3abstract4引 言1第1章 设计条件与任务21.1设计条件21.2设计任务2第2章 设计方案的确定32.1 操作压力32.2进料方式32.3加热方式32.4热能的利用3第3章 精馏塔的工艺设计43.1全塔物料衡算43.1.1原料液、塔顶及塔底产品的摩尔分数43.1.2原料液、塔顶及塔底产品的平均摩尔质量43.1.3物料衡算进料处理量43.1.4物料衡算43.2实际回流比53.2.1最小回流比及实际回流比确定53.2.2操作线方程63.2.3汽、液相热负荷计算63.3理论塔板数确定63.4实际塔板数确定73.5精馏塔的工艺条件及有关物性数据计算83.

2、5.1操作压力计算83.5.2操作温度计算83.5.3平均摩尔质量计算93.5.4平均密度计算93.5.5液体平均表面张力计算103.6精馏塔的塔体工艺尺寸计算113.6.1塔径计算113.6.2精馏塔有效高度计算13第4章 塔板工艺尺寸的计算144.1精馏段塔板工艺尺寸的计算144.1.1溢流装置计算144.1.2塔板设计144.2提馏段塔板工艺尺寸设计154.2.1溢流装置计算154.2.2塔板设计164.3塔板的流体力学性能的验算164.3.1精馏段164.3.2提馏段174.4板塔的负荷性能图184.4.1精馏段184.4.2提馏段19第5章 板式塔的结构215.1塔体结构215.1.

3、1塔顶空间215.1.2塔底空间215.1.3人孔215.1.4塔高215.2塔板结构21第6章 附属设备216.1冷凝器216.2原料预热器22第7章 接管尺寸的确定237.1蒸汽接管237.1.1塔顶蒸汽出料管237.1.2塔釜进气管237.2液流管237.2.1进料管237.2.2回流管237.2.3塔釜出料管23第8章 附属高度确定248.1筒体248.2封头248.3塔顶空间248.4塔底空间248.5人孔248.6支座248.7塔总体高度24第9章 设计结果汇总25设计小结与体会27参考文献28摘 要课程设计不同于平时的作业，在设计中需要我们自己做出决策，即自己确定方案、选择流程、

4、查取资料、进行过程和设备计算，并要求自己的选择作出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养提高学生独立工作能力的有益实践。对我们以后的设计方面有很大的帮助。主要任务是:全塔物料衡算、操作回流比和理论塔板数的确定，计算冷凝器的热负荷，计算精馏段、提馏段的塔板效率，确定实际塔板数，塔径的估算，板式塔的工艺尺寸的计算（溢流装置和塔板的设计计算），流体力学性能的校核（板压力降、液面落差、液沫夹带、漏液、及液泛），塔板的负荷性能图的绘制（液相负荷下限线、液相负荷上限线、漏液先、液沫夹带线和溢流液泛线），塔的结构确定（塔体结构和塔板结构）附属设备的选型（塔顶冷

5、凝器，塔底再沸器的，原料预热器换热面积）接管尺寸的确定，绘制精馏塔系统工艺流程图和装备图。本次设计的是年处理量为25000 t.a-1甲醇和水的溶液，采用直接蒸汽加热，泡点进料。进过确定方案计算和核算，得到操作回流比为1.5，理论塔板数为10块，实际板数为25，塔板效率为42.43%，估算塔径为800mm，塔的总体高度为18.19m，堰长为0.42m，堰高为0.044m（精）0.0373m（提），筛孔直径为0.004m，筛孔数目为2250，板间距0.40m，塔的操作弹性1.29（精）1.75（提）。关键词：精馏塔、设计、效率、塔板、人孔、塔间距abstract course design is

6、 different from the usual operation, the design decisions that need our own, that his identification of programs, select the process, accessing information, carry out the process and equipment calculation and asked to demonstrate their choice and accounting, through repeated analysis comparison, the

7、 best option be selected and reasonable design. therefore, the curriculum is to train students to work independently to improve the useful practice. the design of our future is very helpful. main tasks : full tower material balance, operating reflux ratio and theoretical plate number of identified,

8、the condenser heat load calculation, calculation of distillation section, stripping section tray efficiency, to determine the actual number of trays, column diameter estimate the size of plate column calculation process (overflow devices and plate design and calculation), hydrodynamic performance ve

9、rification (plate pressure drop, liquid level drop, entrainment, weeping, and flooding), tray mapping of the load performance (lower line liquid load, liquid load limit line, leaking first, entrainment flooding line and overflow line), determined the structure of tower (the tower structure and tray

10、configuration) ancillary equipment selection (tower condenser, reboiler bottom of the column, the raw material preheater heat transfer area) to determine the size to take over, drawing flow chart of distillation systems and equipment plan. this design is the annual processing capacity of 20000 ta-1

11、solution of methanol and water, direct steam heating, bubble point feed. been to determine the program computation and accounting, are operating reflux ratio of 1.16, theoretical plate number 15, the actual plate number was 32, tray efficiency was 43.8%, estimate the tower diameter of 700mm, the ove

12、rall tower height 18.19m, weir length 0.42m, weir height is 0.044m (fine) 0.0373m (mentioned), sieve diameter is 0.004m, the number of mesh 2250, plate spacing 0.40m, tower's operating flexibility 1.29 (fine) 1.75 (mention) . keywords: distillation column, design, efficiency, trays, manholes, to

13、wer spacing 34引 言在炼油、石油加工、精细化工、食品、医药等部门，塔设备属于使用量大，应用面广的重要单元设备。塔设备广泛用于蒸馏、吸收、萃取、洗涤、传热的单元操作中。所以塔设备的研究与设计一直是国内外学者普遍关注的重要课题。塔设备按其结构形式基本上可以分为两类：板式塔和填料塔。板式塔为逐板接触式汽液传质设备，它具有结构简单、安装方便、压降低，操作弹性大，持液量小等优点。同时也有投资费用较高，填料易堵塞等缺点。本设计目的是分离甲醇-水混合液，采用筛板式精馏塔。塔型的选择因素很多，主要有物料性质、操作条件、塔设备的制造安装和维修等。1、 与物性有关的因素（1） 本设计任务为分离甲醇-

14、水混合物，对于二元混合物的分离，应该使用连续精馏。（2） 易起泡的物系在板式塔中有较严重的雾沫夹带现象或引起液泛，应选填料塔。本设计为甲醇和水，可选用板式塔。（3） 对于有悬浮物或容易聚合物系的分离，为防止堵塞，宜选用板式塔。2、 与操作条件有关的因素（1） 对于有侧线进料和出料的工艺过程，选用板式塔为适宜；（2） 对于液体喷淋密度极小的工艺过程，若采用填料塔，填料层得不到充分润湿，使其分离效率明显下降，故宜选用板式塔。在设计过程中应考虑到设计的精馏塔具有较大的生产能力满足工艺要求，另外还要有一定的潜力。节省能源，综合利用余热。经济合理，冷却水进出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量。另一方面

15、影响到所需传热面积的大小。即对操作费用和设备费用均有影响，因此设计是否合理的利用热能r等直接关系到生产过程的经济问题。本课程设计的主要内容是过程的物料衡算，塔的工艺计算、结构设计和校核。第1章 设计条件与任务1.1设计条件在常压操作的连续板式精馏塔内分离甲醇-水混合物。塔釜直接蒸汽加热，生产能力和产品的质量要求如下：生产能力：年处理甲醇-水混合液25000吨（300天/年）原 料：甲醇（含50%质量分数，下同）的常温液体分离要求：塔顶甲醇含量不低于99% 塔低甲醇含量不高于2%操作条件：塔顶压力：4kpa(表压)； 进料热状态：泡点进料； 回流比：自选； 单板压降 0.7kpa。建厂地址：武汉

16、1.2设计任务1 全塔物料衡算、操作回流比和理论塔板数的确定。2 计算冷凝器和再沸器热负荷。3 计算精馏段、提馏段的塔板效率，确定实际塔板数。4 估算塔径。5 板式塔的工艺尺寸计算，包括溢流装置与塔板的设计计算。6 塔板的流体力学性能校核，包括板压力降、液面落差、液沫夹带、漏液及液泛的校核。7 绘制塔板的负荷性能图。塔板的负荷性能图由液相负荷下限线、液相负荷上限线、漏液线、液沫夹带线和溢流液泛线确定。 8 塔的结构确定，包括塔体结构与塔板结构。塔体结构：塔顶空间，塔底空间，人孔（手孔），支座，封头，塔高等。塔板结构：采用分块式塔板还是整块式塔板。9 塔的附属设备选型,包括塔顶冷凝器、塔底(蒸馏

17、釜的换热面积，原料预热器的换热面积与泵的选型（视情况而定）。10 精馏塔各接管尺寸的确定。11 绘制精馏塔系统工艺流程图。12 绘制精馏塔装配图。13 编写设计说明书。14计算机要求：编写程序、cad绘图等。15 英语要求：撰写英文摘要。16 设计说明书要求：逻辑清楚，层次分明，书写工整，独立完成。第2章 设计方案的确定设计方案选定是指确定整个精馏装置的流程、主要设备的结构型式和主要操作条件。所选方案必须：能满足工艺要求，达到指定的产量和质量；操作平稳，易于调节；经济合理；生产安全。在实际的设计问题中，上述四项都必须兼顾考虑。课程设计方案选定所涉及的主要内容有：操作压力，进料状况，加热方式及其

18、热能的利用。2.1 操作压力精馏可在常压、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。一般来说，常压精馏最为简单经济，若物料无特殊要求，应尽量在常压下操作。对于沸点低，常压下为气态的物料必须在加压下进行精馏。加压操作可提高平衡温度，有利于塔顶蒸汽冷凝热的利用，或可以使用较便宜的冷却剂，减少冷凝、冷却费用。在相同塔径下，适当提高操作压力还可提高塔的处理能力，但增加塔压，也提高了再沸器的温度，并且相对挥发度也有所下降。对于热敏性和高沸点物料常用减压精馏。降低操作压力，组分的相对挥发度增大，有利于分离。减压操作降低了平衡温度，这样可以只用较低温位的加

19、热剂。但降低压力也导致塔径增大和塔顶蒸汽冷凝温度的降低，且必须使用抽真空的设备，增加了相应的设备和操作费用。本设计为塔顶压力（表压）4kpa下操作。2.2进料方式进料的热状态指进料的q值，q的定义为使每千摩尔进料变成饱和蒸汽所需的热量与每千摩尔进料的汽化潜热之比。进料状态主要有五种：冷进料、泡点进料、气、液混合进料、饱和蒸汽进料、过热蒸气进料等。其中泡点进料的操作比较容易控制，并且不受季节气温的影响；另外，泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，在设计和制造时也比较方便。所以本设计操作选择泡点进料,即q=1。2.3加热方式精馏塔通常设置再沸器，采用间接蒸汽加热，以提供足够的能量。若待分离的物系为

20、某种轻组分和水的混合物，往往可采用直接蒸汽加热方式，即把蒸汽直接通入塔釜汽化釜液。这样，只需在塔釜安装鼓泡管，可以省去一个再沸器，并且可以利用压力较低的蒸汽来进行加热，操作费用和设备费用均可降低。但在塔顶轻组分回收率一定时，由于蒸汽冷凝水的稀释作用，使残液轻组分浓度降低，所需的塔板数略有增加。对于某些物系（如酒精水），低浓度时的相对挥发度很大，所增加的塔板数不多，此时采用直接蒸汽加热是合适的。若釜液粘度很大，用间壁式换热器加热困难，此时用直接蒸汽加热可取得良好的效果。2.4热能的利用蒸馏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%左右被有效的利用。所以，蒸

21、馏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，或通入废热锅炉，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，通过蒸馏系统的合理设置，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。第3章 精馏塔的工艺设计3.1全塔物料衡算3.1.1原料液、塔顶及塔底产品的摩尔分数甲醇（ch3oh）的摩尔质量：水（h2o）的摩尔质量：则各部分的摩尔分数为： (3.1) (3.2) (3.3)3.1.

22、2原料液、塔顶及塔底产品的平均摩尔质量 3.1.3物料衡算进料处理量 (3.7)3.1.4物料衡算总物料衡算（直接蒸汽加热）： (3.8)轻组分（甲醇）衡算： （3.9）由恒摩尔流假设得： （3.10）求解得到：3.2实际回流比由数据手册查的甲醇-水（101.325kpa）的物系汽液平衡数据如下：表3.1 常压下的甲醇-水的气液平衡数据t/xyt/x1000075.30.496.40.020.13473.10.593.50.040.23471.20.691.20.060.30469.30.789.30.080.36567.60.887.70.10.418660.984.40.150.51765

23、0.9581.70.20.57964.51780.30.6653.2.1最小回流比及实际回流比确定根据101.325kpa下，甲醇-水的汽液平衡组成关系绘出甲醇-水x-y图（见图3.2），泡点进料，所以q=1，即q为一条直线。此时， xe=xf=0.5由上表的内插法求得： 通过excel软件，算得下对应的塔板数并作图如下：由上图确定 n=10 ， , 3.2.2操作线方程（1）精馏段操作线方程： (3.11)（2）提馏段操作线方程： (3.12)3.2.3汽、液相热负荷计算（1）精馏段： （2）提馏段： 3.3理论塔板数确定3.4实际塔板数确定板效率与塔板结构、操作条件、物质的物理性质及流体力

24、学性质有关，它反应了实际塔板上传质过程进行的程度。板效率可用奥康奈尔公式计算：注：塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度塔顶与塔底平均温度下的液相粘度（）实际板层数的初步求取设，则精馏段实际板层数： 提馏段实际板层数：总实际板层数：（）塔板总效率估算操作压力计算塔顶操作压力： 每层塔板压降：塔顶操作压力：操作温度的计算;塔顶温度用内插法，平均温度：相对挥发度的计算：塔顶相对挥发度：塔顶相对挥发度：平均相对挥发度：时，查得， 塔板总效率的估算。根据，且，则，则3.5精馏塔的工艺条件及有关物性数据计算3.5.1操作压力计算塔顶操作压力：；每层塔板压降：；操作压力：塔顶操作压力：塔顶操作压力：（1）精馏段

25、平均压力 （2）提馏段平均压力： 3.5.2操作温度计算前面已求得：塔顶温度 进料板的温度： 塔底的温度：（1）精馏段平均温度： （2）提馏段平均温度： 3.5.3平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量： (3.21) (3.22)进料板平均摩尔质量：塔底平均摩尔质量：(1)精馏段平均摩尔质量： （2）提馏段平均摩尔质量： 3.5.4平均密度计算气相平均密度计算：由理想气体状态方程，即液相平均密度计算：注：为该物质的质量分数塔顶平均密度计算：由，查手册得，进料板平均密度计算：由，查手册得， 质量分数：塔底平均密度计算：由，查手册得， （1）精馏段平均密度： 气相: 液相: （2）提馏段平均密度：气相

26、: 液相: 3.5.5液体平均表面张力计算对于二元有机物-水溶液表面张力可用下试计算：并用下列关联式求出,注：下标w表示水，o表示有机物；表示水的摩尔体积；有机物的摩尔体积。(未修改:（1）精馏段平均表面张力：由，查表得：；带入上述公式计算得：（2）提馏段平均表面张力：由，查表得：；带入上述公式计算得：)3.5.6液体平均黏度计算液体平均黏度计算公式：塔顶平均黏度计算：由，查手册得，得到：进料板平均黏度计算：由，查手册得，得到：塔底平均黏度计算：由，查手册得，得到： (1)精馏段液体平均黏度 (2)提馏段液体平均黏度：3.6精馏塔的塔体工艺尺寸计算3.6.1塔径计算（1）精馏段精馏段的气、液相

27、体积流率为： 查史密斯关联图，横坐标为： 取板间距 ，板上液层高度则： 取安全系数为0.8，则空塔气速为： 按标准塔径圆整后为：截塔面积为： 实际空塔气速： （2）提馏段提馏段的气、液相体积流率为： 查史密斯关联图，横坐标为： 取板间距，板上液层高度则： 查图得： , 取安全系数为0.6，则空塔气速为： 按标准塔径圆整后为： 截塔面积为： 实际空塔气速： 3.6.2精馏塔有效高度计算在进料板上方开一个人孔，精馏段开2个人孔，高度为0.6m; 塔板有效高度为：第4章 塔板工艺尺寸的计算4.1精馏段塔板工艺尺寸的计算4.1.1溢流装置计算因塔径d=0.8m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹型受液盘。

28、各项计算如下：4.1.1.1堰长取4.1.1.2溢流堰高度由，选用平直堰，堰上液层高度取板上清液层高度，故4.1.1.3弓形降液管宽度和截面积由查弓形降液管参数图得：；故 验算液体在降液管中停留时间,即：故降液管设计合理。4.1.1.4降液管底隙高度故降液管底隙高度设计合理。4.1.2塔板设计4.1.2.2边缘区宽度确定取人口安定区宽度为，边缘区宽度为 。4.1.2.3开孔区面积的计算开孔区面积计算：开孔面积为 其中 ； ； 故：4.1.2.4筛孔计算及其排列本物系无腐蚀性，可选用板厚碳钢板，取筛孔直径筛孔按正三角形排列，取孔中心距：筛孔数目：开孔率为：开孔率为：精馏段每层板上的开孔面积是：

29、气体通过筛孔的气速为： 4.2提馏段塔板工艺尺寸设计4.2.1溢流装置计算4.2.1.1溢流堰高度由，选用平直堰，堰上液层高度： 取板上清液层高度，故4.2.1.3弓形降液管宽度和截面积由查弓形降液管参数图得：；故 验算液体在降液管中停留时间,即：故降液管设计合理。4.2.1.4降液管底隙高度故降液管底隙高度设计合理。4.2.2塔板设计与精馏段塔板设计相同，但气体通过筛孔的流速不同：气体通过筛孔的气速： 4.3塔板的流体力学性能的验算4.3.1精馏段4.3.1.1塔板压降（1）干板阻力计算由，查图得，所以有。（3） 气体通过液层的阻力的计算 气体通过液层的阻力可由下式计算： 按面积计算的气体流

30、速为： 气体能动因子； 查（化工原理（下）p182 图10-46）充气系数与能动因子关联图得：=0.57， 则 ； （3）液体表面张力阻力计算液面的表面张力的阻力可由下式计算： 气体通过每层塔板的液面高度为： ； 气体通过每层塔板的压降为： 4.3.1.2液面落差（忽略液面落差的影响）4.3.1.3液沫夹带故在本设计中液沫夹带量在允许范围内。4.3.1.4漏液实际孔速 稳定系数为故本设计中无明显漏液。4.3.1.5液泛为防止发生液泛，降液管内也层高度应满足：取得到：故本设计中不发生液泛。4.3.2提馏段提馏段计算方法与精馏段相同，验算结果如下：4.3.2.1塔板压降（1）干板阻力计算。（4）

31、气体通过液层的阻力的计算 气体通过液层的阻力可由下式计算： 按面积计算的气体流速为： 气体能动因子； 查（化工原理（下）p182 图10-46）充气系数与能动因子关联图得：=0.58， 则 ； （3）液体表面张力阻力计算液面的表面张力的阻力可由下式计算： 气体通过每层塔板的液面高度为： ； 气体通过每层塔板的压降为： （设计允许）4.3.2.2液面落差（忽略液面落差的影响）4.3.2.3液沫夹带故在本设计中液沫夹带量在允许范围内。4.3.2.4漏液实际孔速 稳定系数为本设计中无明显漏液。4.3.2.5液泛为防止发生液泛，降液管内也层高度应满足：取得到： 故本设计中不发生液泛。4.4板塔的负荷性

32、能图4.4.1精馏段4.4.1.1漏液线：由 ， ； 把漏液点近似看成直线，可由下面表中4点大致确定其位置，lh/(m3/h)0.00020.0010.00180.0026vh/(m3/h)0.47210.49070.50890.51494.4.1.2液沫夹带线4.4.1.3液相负荷下限：对于平直堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准，由式 取 e=1，则 4.4.1.4液相负荷上限：取液体在降液管中的停留时间为5s. 根据 ，可得： 4.4.1.5液泛线精馏段负荷性能图:漏液线液沫夹带线ls/(m3/s)vs/(m3/s)lsvs00.39301.2410.000450.410.000451

33、.1910.00060.4140.00061.180.000750.4170.000751.1710.00090.420.00091.1610.0040.4620.0041.026液泛线lsvs01.9350.000451.8860.00061.8750.000751.8630.00091.8530.0041.571 图4.1 精馏段负荷性能图由图得到： vs,max=0.988, vs,min=0.48操作弹性为： vs,max/vs,min= 2.0583334.4.2提馏段4.4.2.1漏液线：由 ， ； 把漏液点近似看成直线，可由下面表中4点大致确定其位置，4.4.2.2液沫夹带线：4

34、.4.2.3液相负荷下限：对于平直堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准，由式 取 e=1，则 4.4.2.4液相负荷上限：取液体在降液管中的停留时间为5s. 根据 ，可得： 4.4.2.5液泛线提馏段负荷性能图： 图4.2 提馏段负荷性能图由图得到：vs,max=1.143, vs,min=0.467 操作弹性为：vs,max/vs,min=3.57601 第5章 板式塔的结构5.1塔体结构5.1.1塔顶空间 塔顶空间为最上层塔板与塔顶间的距离，为了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。5.1.2塔底空间塔底空间为塔内最下层塔板到塔底间距。 5.1.3人孔对于处理不需

35、要经常清洗的物料，一般每隔6-8层塔板设一人孔。人孔一般直径为，其伸出塔体的筒体长为，人孔中心距操作平台。设人孔处的板间距离应大于或等于600mm。5.1.4塔高板式塔的塔高按下式计算： 式中：塔高；实际塔板数；进料板数；进料板处板间距；人孔数；设人孔处板间距；塔底空间高度；塔顶空间高度；封头高度；裙座高度；5.2塔板结构由于塔径d=800，采用整块式塔板。第6章 附属设备6.1冷凝器出料液温度：64.7(饱和蒸汽）64.7(饱和液体）塔顶气体：冷凝水20-40查的汽化潜热：甲醇 ra=1170kj/kg 水 rb=2475kj/kg冷凝器的热负荷 ： 传热平均温差： 由于是低黏度有机物和水的

36、混合液，取总传热系数°c，则传热面积：6.2原料预热器原料预热温度：2076.0（泡点温度）采用105.36°c过热饱和蒸汽加热平均温度：平均温度下查表得：cpa=4.2kj/(kg.k) cpb=2.6kj/(kg.k)则：热负荷：传热平均温度：取总传热系数：解得换热面积:第7章 接管尺寸的确定7.1蒸汽接管7.1.1塔顶蒸汽出料管采用直管，取出口气速u=17m/s，则，查表取325mm×20mm，管内实际气体流速。7.1.2塔釜进气管采用直管进气，取气速u=17m/s;，则，查表取325mm×20mm，管内实际气体流速。7.2液流管7.2.1进料管采

37、用直管进料管，取;，则，查标准系列取34mm×3mm。管内液体实际流速。7.2.2回流管采用直管回流管，取ud=1.8m/s;，则，查标准系列取28mm×1.5mm。管内液体实际流速。7.2.3塔釜出料管采用直管出料管，取uw=0.8m/s，则，查标准系列取56mm×1mm。管内液体实际流速。第8章 附属高度确定8.1筒体壁厚选6mm，所用材质为。8.2封头本设计采用椭圆形封头，由公称直径d=800m，查得曲面高度h1=200mm，直边高度，内表面积，容积 ，选用封头。8.3塔顶空间8.4塔底空间取釜液停留时间为5塔釜液量：塔釜体积：vw=lw/0.5 =0.84m3 /s;