甲醇-水体系化工原理课程设计-刘学军修改版-2015-07

化工原理课程设计指导教师：刘学军188571619500571-88320598

liuxuejun@西配楼207张智配楼203总体目标：1化工设计的基本步骤、方法，初步训练2综合运用知识，解决化工实际问题1技术可行性、经济合理性方面树立设计思想2查阅资料、选用公式、数据3分析和解决工程实际问题4应用计算机辅助设计5运用简洁文字、图表表达设计思想基本方法：设计准则1技术上可行、可靠、稳定2先进性3经济性设计题目1-2万吨/年甲醇-水分离系统设计2023/2/25设计原始条件原料液：甲醇水双组分混合液原料液处理量1-2万吨/年原料液初温

30℃原料液含甲醇20-90%(质量)馏出液含甲醇99.0-99.8%(质量)甲醇回收率≥99.9%(质量)蒸汽压力（绝）：5kgf/cm2每年实际生产时间：8000小时冷却水温度：30℃冷却水温升：5℃产品冷却后温度：40℃设计任务：1精馏工艺设计，最优化操作参数2板式精馏塔、附属设备设计3编写设计说明书和设计计算书（文字）4绘制工艺流程图塔板结构简图塔板负荷性能图一概述

1设计原始条件（1）初始条件（2）设计条件

2板式塔选择（1）择筛板塔的特点（2）选择依据

3工艺流程的选定进料方式、连续生产、泡点单相进料、塔顶全凝蒸汽间接加热、产品冷却、强制回流设计说明书℃二精馏塔物料衡算

2.1物料衡算已知：F、xF、

xD、η求解：D、W、xW解：F=D+W

F

xF=D

xD+W

xW要求（1）单位统一（2）kmol/h

、kg/hD、W、xW

查平衡数据，绘制相平衡曲线2.2最小回流比Rmin计算（图解法）xEquilibriumcurvexDxFafye完成分离要求，理论塔板数无穷多时的回流比q线：进料中饱和液体所占的摩尔分数设进料处压力P进=(P顶+P釜)/2据Antonine方程求出进料处的泡点温度T泡点设计进料温度TF根据甲醇、水的物性数据求算q值全塔相对挥发度α泡点进料：q=12023/2/214求RminxEquilibriumcurve45°linexDxFqlineafye三经济费用估算3.1选择回流比=nRmin

3.2求理论塔板数N3.3求总板效率ET及实际板数NT3.4塔径D、塔高H估算3.5总费用计算3.6确定最佳回流比Ropt2023/2/216平衡线方程精馏段操作线方程提馏段操作线方程q线EquilibriumcurvexFxwyxD1234x3.2求理论塔板数N采用逐板计算法，运用拟合的相平衡方程和精馏段、提镏段操作线方程，交替计算。精确到小数点后一位3.3求总板效率ET及实际板数NT总板效率ETO‘Connell公式注：相对挥发度为全塔平均温度下的相对挥发度粘度为进料温度下进料组成的摩尔平均粘度f为系数，根据塔板种类而定如筛板为1.1、泡罩为1、浮阀为1.22023/2/218实际板数NT

NT=N/ET求出全塔总实际板数进料口位置3.4塔径D估算以塔顶第一块板计算对象基本数据：气液组成、体积流量、密度液体表面张力σ计算过程：

注：塔径D要圆整

注：1、σ根据参考书《石油化工基础数据手册》P90查得并计算2、具体计算过程可参考设计资料P133或《化原》第十章3.5总费用计算要求——精馏塔系统的年总费用最小

精馏塔系统的年总费：

C=0.33×(CD+CF)+(CS+CW)

CD为塔体费用：CD=13290·D1.2·N

CF为换热器费用：CF=2000·A

CS为蒸汽费用：CS=200元/吨×W蒸汽

CW为冷却水费用：CW=0.6元/吨×W冷却水预热器再沸器塔顶冷凝器塔顶产品冷却器注意：1、分别计算换热面积2、蒸汽用量或冷却水用量换热量Q，kcal/h(考虑热损失Q为1.05倍计算值)换热器管程、壳程物流的温度T1、T2、t1、t2的计算或设计计算平均推动力△tm设总传热系数K（查表），求得换热器面积A求得蒸汽用量W蒸汽或冷却水用量W冷却水注：A、W蒸汽、W冷却水都与回流比R有关，是回流比R的函数

CF=f(R)；CS=f(R)；CW=f(R)精馏塔系统的年总费：

C=0.33×(CD+CF)+(CS+CW)C=f(R)通过变换R，求得不同R下的费用并画图，得到费用最小的Ropt3.6确定最佳回流比Ropt设计要求：（1）设计说明，给出必要文字说明（2）设计计算：详细计算公式、公式说明参数代入计算过程注意：计算第一个回流比下的总费用，需详细计算过程改变回流比下的计算过程，不用写到设计书里，但要给出结果汇总图表参考文献《化学工程手册》13分册－－气液传质设备

化学工程出版社《化工过程及设备数据与图集》浙江化工学院《化工过程及设备设计》华南理工大学出版社《化工原理》

何潮洪冯霄主编，科学出版社《石油化工基础数据手册》卢焕章，化学工程出版社《化学工程手册》1分册－－化工数据

化学工程出版社2023/2/228课程设计时间安排布置任务0.5天工艺计算3天设备计算3天辅助设备计算2天画图和编写任务书1.5天2023/2/229课程设计纪律一般情况都要在指定教室做设计，便于老师指导。有时要向指导教师或课代表请假。指导教师将经常点名以督促学生按时完成设计任务。2023/2/230请认真做课程设计！！！谢谢！！！2023/2/231精馏塔设备优化设计选择塔型和板型塔板结构设计塔板流体力学计算塔板负荷性能图2023/2/232DistillateCondenserReflux,LFeedBottomsReboilerRectifyingsectionStrippingsectionD,xDF,zFB,xB2023/2/2332.1选择塔型和板型塔型(填料塔、板式塔）Liquidin

Vaporin

VaporoutLiquidout12N–1NTrayedTowerLiquidin

Vaporin

VaporoutLiquidoutPackedColumn2023/2/2342.1选择塔型和板型板型泡罩塔筛板塔浮阀塔穿流塔板2023/2/2352.2塔板结构设计流动型式单流型双流型多流型回流型其它流型2023/2/2362.3塔板流体力学计算塔板结构参数

HThwhowHdh0h1hw’AfAaWdWsWs’Wclw2023/2/2372.3塔板流体力学计算塔板结构参数how堰上液层高度hw堰高HT板间距ho底缝Wc边缘区Ws安定区lw堰长Wd堰宽AT全塔面积Af降液管面积Aa开孔区面积2023/2/2382.3塔板流体力学计算塔径计算降液管结构型式选取堰及降液管设计孔布置干板压降塔板稳定性塔板压降液泛情况雾沫夹带负荷性能图2023/2/2392.3.1塔径计算基本数据：气液组成、体积流量、密度，液体表面张力σ预估板间距HT(500mm)预算塔径塔板参数设计水力学性能计算2023/2/240(二）预算塔径求值和预设的HT得C20

2023/2/241(二）预算塔径

注：

1、具体计算过程可参考设计资料P133

2、塔径D要圆整2023/2/242(三）初步设计塔板结构参数降液管道截面积Ad塔净截面积An塔板工作面积Aa孔总面积A0孔径d0(4~8mm)板厚tp堰高hw(预设30mm)2023/2/243(四)

水力学性能计算修正气速数值及液泛分率数值计算液沫夹带分率φ(要求φ≤0.1)降液管内液体停留时间τ核算

注：对于易起泡物系，τ要取得大一些2023/2/2442.3.2降液管结构型式选取单溢流双溢流多降液管2023/2/2452.3.3堰及降液管设计堰的确定堰上清液层高度how的计算板上液面落差Δ板上清液层高度hL的计算ho设计2023/2/24堰的确定堰的种类齿形堰：how＜6mm平堰：how＞6mm弓形堰的长度一般lw/D=0.6~0.82023/2/24堰上液层高度how的计算E根据和来确定，查图可得2023/2/24板上液面落差Δ本课程设计液量较小，Δ≈02023/2/24板上清液层高度hL的计算先设一hL‘hw=hL‘－how圆整hwhL=hw＋how2023/2/250ho设计降液管底部距下一层塔板的间距ho

ho＝hw－（0.01~0.02）m2023/2/2512.3.4孔布置筛孔选择取d0=3~8mm，t/d0=2.5~5边缘区确定WS=50~100mmWC=50~60mm孔数n2023/2/2522.3.5干板压降注：W0－气速，与气量有关C0－流量系数，与d0/δ有关A0－筛孔面积Aa－开孔区面积2023/2/2532.3.6稳定性漏液状态下hc(M)=0.0056+0.13hL-hσ漏液状态下气速：稳定系数注：要求K≥1.52023/2/2542.3.7塔板压降hphp=hc+hl2.3.8雾沫夹带要求ev≤0.12023/2/2552.3.9液泛情况降液管内液层高度HdHd=hL+hd+hp若2Hd-hw＞HT，则产生液泛2023/2/2562.4塔板负荷性能图漏液线液体流量下限线液体流量上限线液泛线雾沫夹带上限线注：上操作弹性＞1.5下操作弹性＞1.52023/2/2573.辅助设备的设计塔高的设计换热器的设计及选型泵的设计及选型接管尺寸的设计塔和辅助设备都已确定，重新计算总费用。2023/2/258塔高的设计前面的计算得到实际板数和实际进料位置，以及板间距HT

。开人孔φ500～600，每10块塔板开一个人孔，开人孔处板间距HT取0.7~0.9m进料板HT＝0.7～0.9m第一块塔板到塔顶的距离0.5~1.0m最后一块塔板到塔底的距离1.0~1.5m裙座高度的设计直接蒸汽加热2~3m

间接蒸汽加热3~5m求得全塔高度和进料板位置高度。2023/2/259换热器的设计换热器包括全凝器、再沸器、预热器和冷凝器。三个选型：只需计算换热面积，A=Q/(KΔtm)，即可选型。一个选型要选型和校核，一般选取全凝器。全凝器的选型和校核：计算换热面积A=Q/(KΔtm)确定管程管内流速，管径，可计算得到管截面积，管根数，单管程管长，管程数。通过换热面积，管长，管程数进行选型。2023/2/260校核K：管程冷却水对流传热系数壳程蒸汽冷凝对流传热系数求得K。计算换热面积An=Q/(KΔtm)富裕度F=(A0-An)/An=15%~20