化工原理课程设计-甲醇和水的分离精馏塔的设计

——化工原理课程设计说明书课题：甲醇和水的分离学院：材料与化学工程学院班级：姓名：学号：指导老师：目录第一章流程确定和说明 21.1.加料方式 21.2.进料状况 21.3.塔型的选择 21.4.塔顶的冷凝方式 21.5.回流方式 31.6.加热方式 3第二章板式精馏塔的工艺计算 32.1物料衡算 32.3塔板数的确定及实际塔板数的求取 52.3.1理论板数的计算 52.3.2求塔的气液相负荷 52.3.3温度组成图与液体平均粘度的计算 62.3.4实际板数 72.3.5试差法求塔顶、塔底、进料板温度 7第三章精馏塔的工艺条件及物性参数的计算 93.1平均分子量的确定 93.2平均密度的确定 103.3.液体平均比表面积张力的计算 12第四章精馏塔的工艺尺寸计算 134.1气液相体积流率 134.1.1精馏段气液相体积流率： 134.1.2提馏段的气液相体积流率： 14第五章塔板主要工艺尺寸的计算 155.1溢流装置的计算 155.1.1堰长 155.1.2溢流堰高度： 155.1.3弓形降液管宽度 165.1.4降液管底隙高度 165.1.5塔板位置及浮阀数目与排列 17第六章板式塔得结构与附属设备 266.1附件的计算 266.1.1接管 266.1.2冷凝器 306.1.3再沸器 31第七章参考书录 31第八章设计心得体会 31第一章流程确定和说明1.1.加料方式加料方式有两种：高位槽加料和泵直接加料。采用高位槽加料，通过控制液位高度，可以得到稳定的流速和流量，通过重力加料，可以节省一笔动力费用，但由于多了高位槽，建设费用相应增加；采用泵加料，受泵的影响，流量不太稳定，流速不太稳定，流速不太稳定，从而影响了传质效率，但结构简单，安装方便。本设计采用泵加料。1.2.进料状况实际生产中，进料状况一般有接近泡点的冷液进料和泡点进料。对于冷夜进料，当组成一定时，流量一定，对分离有利，省加热费用，但其受环境影响较大；而泡点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，泡点进料时，基于恒摩尔流假定，精馏段和提留段的塔径基本相等，无论是设计计算还是设计加工制造这样的精馏塔都比较容易，故在本设计中选用泡点进料。1.3.塔型的选择塔有浮阀塔和筛板塔。浮阀塔生产能力大，操作弹性大，在较宽的气速范围内，板效率变化较小，其操作弹性范围较筛板塔大。由于气液接触状态良好，以及气体水平吹出，雾沫夹带量少，因此板效率高。塔板结构简单，容易安装。筛板塔生产能力大，塔板压降低。本设计根据阀孔气速的值依据手册选择浮阀塔。1.4.塔顶的冷凝方式塔顶冷凝采用分凝器，以水为冷却介质进行冷凝。1.5.回流方式回流方式可分为重力回流和强制回流。对于小塔型，回流冷凝器一般安装在塔顶，其优点是回流冷凝器无需支承结构，其确定是回流冷凝器回流控制难。如果需要较高的塔处理量或塔板数较多时，回流冷凝器不适合于塔顶安装，且塔顶冷凝器不宜安装、检修和清理。在此情况下，可采用强制回流，塔顶上升蒸汽量采用冷凝器以冷回流流入塔中。本次设计为大塔，故采用强制回流。1.6.加热方式加热方式分为直接蒸汽加热和间接蒸汽加热，直接蒸汽加热时蒸汽直接由塔底进入塔内加热。但在一定的回流比条件下塔底蒸汽对回流液由稀释作用，使理论塔板数增加。间接蒸汽加热时通过加热器使釜液部分汽化，维持原来的浓度，以减少理论板数，缺点是增加加热装置。本设计采用直接蒸汽加热。第二章板式精馏塔的工艺计算物系：甲醇—水；D=600t/d；要求：质量分数：2.1物料衡算通过全塔物料衡算:基础物性参数：原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率：原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔分率：全塔总物料衡算总物料：易挥发组分：2.2操作线方程饱和液体进料q=1；q线斜率为∞此时，在平衡线上并与精馏、提馏段操作线相交：最小回流比此时R=0.605*1.5=0.9075；精馏段操作线提馏段操作线过精馏段操作线与q线交点（0.667，0.8234）和（0.0056，0.0056）则操作线方程为2.3塔板数的确定及实际塔板数的求取2.3.1理论板数的计算由图解法求理论板层数，从图中可以读出总理论板层数为精馏段；提馏段；第5层为加料板。2.3.2求塔的气液相负荷2.3.3温度组成图与液体平均粘度的计算温度组成（t-x-y）图组份的液相粘度T60708090100甲醇0.01090.01120.01150.01180.0122水0.46880.40610.35650.31650.2838=1\*GB2⑴精馏段=2\*GB2⑵提馏段2.3.4实际板数2.3.5试差法求塔顶、塔底、进料板温度塔顶的操作压力：每层操作压力进料板的压力塔底的压力精馏段的平均压力提馏段的平均压力甲醇和水的安托因常数：ABCT/K甲醇塔顶7.205871582.271239.726288-357塔釜7.3132571669.678250.3901357-513水7.074061657.46227.02284-441公式：t—℃由内插法计算得=1\*GB2⑴精馏段塔顶压力塔顶温度（2）进料板进料板压力进料板温度（3）提馏段提馏段压力提馏段温度精馏段平均温度：提馏段平均温度：第三章精馏塔的工艺条件及物性参数的计算3.1平均分子量的确定

精馏段的平均摩尔质量：提馏段的平均摩尔质量：3.2平均密度的确定组份的液相密度温度/℃60708090100110水983.2977.8971.8965.3958.4951纯组分在任何温度下的密度由下式：甲醇：式中：t-温度，℃=1\*GB2⑴精馏段气相平均密度液相平均密度：液相密度进料板：进料板，由加料板液相组成=2\*GB2⑵提馏段气相平均密度液相平均密度：3.3.液体平均比表面积张力的计算组份的液相表面张力温度60708090100110甲醇1917.516.315.114.513.7水66.264.362.660.758.856.9=1\*GB2⑴精馏段：=2\*GB2⑵提馏段第四章精馏塔的工艺尺寸计算4.1气液相体积流率4.1.1精馏段气液相体积流率：初选取安全系数为0.8（一般0.75~0.85）则空塔气速为按标准塔径圆整后：D=3.0m塔的截面积实际的空塔气速4.1.2提馏段的气液相体积流率：取安全系数为则空塔气速为

按标准塔径圆整后：塔的截面积实际的空塔气速3.2精馏塔的有效高度：精馏段的有效高度：在进料板上方开一个孔高度为0.7m提馏段的有效高度：故精馏塔的有效高度为第五章塔板主要工艺尺寸的计算5.1溢流装置的计算D=3m,可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘及平直形溢流堰，不设进口堰。5.1.1堰长取5.1.2溢流堰高度：出口堰高选用平直堰，堰上液层高度.02取板上清液层高度故故故5.1.3弓形降液管宽度由m液体在降液管中停留时间为：故降液管设计合理5.1.4降液管底隙高度5.1.5塔板位置及浮阀数目与排列取阀孔动能因子每层塔板上的浮阀数， 取边缘区宽度计算塔板上浮阀排列方式采用等腰三角形叉排.取同一横排的孔心距,排间距为考虑到塔采用分块式板塔，而各分块板的支承与衔接也要占去一部分鼓泡区面积，因此排间距不宜采用81.2mm,而应小于此值故取按以等腰三角形交叉排方式作图，排得阀数按N=862重新核算孔速及阀孔动能因数：阀孔动能因数变化不大，塔板开孔率=2.流体力学检验气相通过浮阀塔板的压强降=1\*GB3①干板阻力=2\*GB3②板上充气液层阻力:这里=3\*GB3③液体表面张力所造成的阻力：与气体流经一层浮阀塔的压降所相当的液柱高度为单板压降=2\*GB2⑵淹塔为了防止淹塔现象的发生，要求控制降液管中请液层高度，=1\*GB3①与气体通过塔板的压强降所相当的液柱高度：前已算出=2\*GB3②液体通过降液管的压头损失：因不设进口堰，=3\*GB3③板上液层高度：前已选定板上液层高度取，又选定=3\*GB2⑶雾沫夹带=1\*GB3①=2\*GB3②板上液体流径长度板上液流面积甲醇和水为正常系统，取物性系数，查的泛点负荷系数,由=2\*GB3②得由=1\*GB3①=2\*GB3②计算出的泛点率都在以下，故可知雾沫夹带量能够满足。3.塔板负荷性能图整理的可知雾沫夹带线为直线，则在操作范围内取两个值，得出相应的列于下表0.020.0040.0763115.398915.24839.8=2\*GB2⑵液泛线由上式确定液泛线。忽略式中的因物系一定，塔板结构尺寸一定，则即式中阀孔数N与孔径亦为定值，因此可将上式简化成与的如下关系式：在操作范围内取若干个值，依式算出相应的下表中0.010.030.0050.0070.007525.4325.0224.6024.1524.02=3\*GB2⑶液相负荷上限线液体的最大流量应保证在降液管中停留时间不低于.液体在降液管内停留时间为以作为液体在降液管中停留时间的下限，则求出上限液体流量竖直线=3\*GB2⑶=4\*GB2⑷漏液线对于F1型重阀，依。又知以作为规定气体最小负荷的标准，则做出与液体流量无关的水平漏液线=4\*GB2⑷.=5\*GB2⑸液相负荷下限线取堰上液层高度作为液相负荷下限条件，依的计算式计算出的下限值，依此做出液相负荷下限线，该线为与气相流量无关的竖直线=5\*GB2⑸取，则1雾沫夹带线2液泛线3液相负荷上限线4漏液线5液相负荷下限线由塔板的负荷性能图可以看出：=1\*GB3①任务规定的气液负荷下的操作点P(设计点)，处在适宜操作区内的适中位置。=2\*GB3②塔板的气相负荷上限由雾沫夹带控制，操作下限由漏液控制。=3\*GB3③按照固定的液气比，由图可以查出塔板的气相负荷上限气相负荷下限，项目数值及说明备注塔径3板间距0.6塔板形式单溢流弓形降液管分块式塔板空塔气速1.582堰长2.1堰高0.04151板上液层高度0.06降液管底隙高度0.01434浮阀数862等腰三角形叉排阀孔气速10.867阀孔动能因数11.6637临界阀孔气速9.72孔心距0.075排间距0.08横排的孔心距单板压降△P/Pa622.9488液体在降液管内停留时间50.68降液管内清液层高0.1208泛点率60.46气相负荷上限14.765雾沫夹带控制气相负荷下限4.797漏液控制操作弹性3.08第六章板式塔得结构与附属设备6.1附件的计算6.1.1接管=1\*GB2⑴进料管进料管的结构类型很多，有直管进料、弯管进料、T形进料。本设计采用弯管进料。，则体积流量取管内流速则管径取进料管规格则管内径进料管实际流速=2\*GB2⑵回流管采用直管回流管，回流管的回流量L=，塔顶液相平均摩尔质量,平均密度则体积流量取管内流速则管径取回流管规格则管内径回流管实际流速=3\*GB2⑶塔顶蒸汽接管则整齐体积流量取管内蒸汽流速管径取回流管规格则管内径回流管实际流速=4\*GB2⑷釜液排出管塔底，平均密度平均摩尔质量则体积流量取管内流速则管径取回流管规格则管内径回流管实际流速=5\*GB2⑸塔顶产品出口管塔顶，平均密度平均摩尔质量则体积流量取管内流速则管径取回流管规格则管内径回流管实际流速6.1.2冷凝器塔顶温度由查液体比汽化热共线图又气体流量塔顶被冷凝量冷凝的热量6.1.3再沸器塔底温度由查液体比汽化热共线图又气体流量塔底被汽化量汽化的热量第七章参考书录一夏清，化工原理上册·天津：天津大学出版社，2011二夏清，化工原理下册·天津：天津大学出版社，2011三冯新，化工热力学·北京：化学工业出版社，2011四潘国昌，化工设备设计·北京：清华大学出版社，1996五李国庭，化工设计概论.北京：化学工业出版社，2015六董大勤，化工设备机械基础.北京：化学工业出版社，2013第八章设计心得体会化如果基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼