南昌大學甲醇-水連續(xù)精餾塔的課程設計

1、化工原理課程設計一、 設計題目甲醇-水連續(xù)精餾塔的設計二、設計條件1、 常壓操作：p=1atm2、 進精餾塔的料液含甲醇61%（質(zhì)量），其余為水3、 產(chǎn)品的甲醇含量不得低于99%（質(zhì)量）4、 殘液中甲醇含量不得高于3%（質(zhì)量）5、 生產(chǎn)能力為日處理（24h）66.5噸粗甲醇三、設計內(nèi)容3.1：設計方案的確定及流程說明3.1.1：選擇塔型精餾塔屬氣液傳質(zhì)設備。氣液傳質(zhì)設備主要有板式塔和填料塔兩大類。該塔設計生產(chǎn)時日要求較大，由板式塔與填料塔比較知：板式塔直徑放大時，塔板效率較穩(wěn)定,且持液量較大，液氣比適應范圍大，因此本次精餾塔設備選擇板式塔。篩板塔是降液管塔板中結(jié)構(gòu)最簡單的，制造維修方便，造價低

2、，相同條件下生產(chǎn)能力高于浮閥塔，塔板效率接近浮閥塔。本次設計為分離甲醇與水，所以由各方面條件考慮后，本次設計應用篩板塔。3.1.2：精餾方式由設計要求知，本精餾塔為連續(xù)精餾方式3.1.3：裝置流程的確定為獲取也液相產(chǎn)品，采用全凝器。含甲醇61%（質(zhì)量分數(shù)）的甲醇-水混合液經(jīng)過預熱器，預熱到泡點進料。進入精餾塔后分離，塔頂蒸汽冷凝后有一部分作為產(chǎn)品經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后流入甲醇貯存罐，一部分回流再進入塔中，塔底殘留液給再沸器加熱后，部分進入塔中，部分液體作為產(chǎn)品經(jīng)釜液冷卻器冷卻后流入釜液貯存罐。3.1.4：操作壓強的選擇常壓操作可減少因加壓或減壓操作所增加的增、減壓設備費用和操作費用，提高經(jīng)濟效益,

3、在條件允許下常采用常壓操作，因此本精餾設計選擇在常壓下操作。3.1.5：進料熱狀態(tài)的選擇 泡點進料時，塔的操作易于控制，不受環(huán)境影響。飽和液體進料時進料溫度不受季節(jié)、氣溫變化和前段工序波動的影響，塔的操作比較容易控制。此外，泡點進料，提餾段和精餾段塔徑大致相同，在設備制造上比較方便。冷液進塔雖可減少理論板數(shù)，使塔高降低，但精餾釜及提餾段塔徑增大，有不利之處。所以根據(jù)設計要求，可采用泡點進料，q1。3.1.6：加熱方式本次采用間接加熱，設置再沸器3.1.7：回流比的選擇選擇回流比，主要從經(jīng)濟觀點出發(fā)，力求使設備費用和操作費用最低，一般經(jīng)驗值為：R=(1.22)Rmin經(jīng)后面簡捷法計算對應理論板數(shù)

4、N時，可知，R=2Rmin時，理論板數(shù)最少，所以回流比選擇為最小回流比的2倍。3.2：二元連續(xù)板式精餾塔的工藝計算3.2.1:相對揮發(fā)度的確定根據(jù)安托因方程查表得安托因常數(shù)ABC甲醇7.197361574.99238.86水7.074061657.46227.02塔頂產(chǎn)品濃度為99%，因此，可近似看成純甲醇溶液；同理，塔底濃度為3%可近似看成純水溶液。所以，塔頂溫度為甲醇沸點為64.6，塔底溫度為水的沸點100。因此塔底的相對揮發(fā)度aW=3.497塔頂?shù)南鄬]發(fā)度aD=4.1383.2.2：全塔物料衡算總物料：F=D+W易揮發(fā)組分：FxF=DxD+WxWF、D、W：分別為進料、餾出液和釜液的流

5、量（kmol/h）xF、xD、xW：分別為進料、餾出液和釜液中易揮發(fā)組分的組成、摩爾分率由操作條件得; 即：86.475=D+W86.475*0.4677=0.98D+0.017W解得：D=40.752kmol/h W=45.7233kmol/h3.2.3：平衡線方程3.2.4：精餾段操作線方程已知q=1、即xe=xF=0.4677a=3.804即即解得：Rmin=0.6958即R=2Rmin=1.3916所以精餾段的操作線方程為xn:見第八頁yn+1:同上3.2.5：提餾段操作線方程3.2.6：理論板數(shù)的求算（1）逐板計算法第一層板上升蒸汽組成等于塔頂產(chǎn)品組成：y1=xD=0.98根據(jù)操作線

6、方程以及平衡線方程可得如下：y10.98x10.927960003y20.94978x20.832543565y30.894257x30.689745445y40.811163x40.530345371y50.718408x50.40143852x5xFy60.581773x60.26776421y70.385392x70.141513587y80.199918x80.061637695y90.082572x90.023113414y100.025976x100.006961881x100.006m提餾段 hw-h0=0.07-0.022=0.048m0.006m故降液管底隙高度設計合理3.3

7、.3.3受液盤及進口堰選用平形受液盤。不設進口堰。3.3.4：塔板設計3.3.4.1：塔板布置（1）開孔區(qū)（鼓泡區(qū)）面積Aa計算取邊緣區(qū)寬度Wc=0.05mx=(D/2)-(Wd+Wc)=0.4-(0.0784+0.05)=0.2716mR=(D/2)-Wc=0.4-0.05=0.35m即 （2）溢流區(qū) 溢流區(qū)面積Af及Af分別為降液管和受液盤所占面積（3）安定區(qū)（破沫區(qū)） 取溢流堰前的安定區(qū)寬度為Ws=0.07m 取進口堰后的安定區(qū)為Ws=0.05m（4）無效區(qū) 取無效區(qū)寬度為0.03m 3.3.4.2:篩板的篩孔與開孔率（1）孔徑d0本設計所處理的物系無腐蝕性,可選用碳鋼板，取篩孔直徑d0

8、=5mm。 (2)篩板厚度 取=0.8d0=4mm(3)孔心距t 篩孔在篩板上按正三角形排列，取孔心距t=3d0=15mm(4)開孔率（5）篩孔數(shù)3.3.5篩板的流體力學驗算3.3.5.1：塔板壓降Pp氣體通過篩板的壓降Pp以相當?shù)囊褐叨缺硎緯r可由下式計算：hp=hc+hl+hhp:氣體通過每層塔板壓降相當?shù)囊褐叨龋琺（1） 干板阻力hc的計算精餾段篩孔氣速d0/=5/4=1.25查干篩孔的流量系數(shù)圖可知流量系數(shù)C0=0.84即提餾段篩孔氣速C0=0.84即（2） 氣體通過液層阻力hl的計算精餾段按有效流通面積計算的氣速查找充氣系數(shù)0與Fa的關(guān)聯(lián)圖可知：0=0.58即hl=0hL=0(hw

9、+how)=0.58*0.078=0.045m提餾段查找充氣系數(shù)0與Fa的關(guān)聯(lián)圖可知：0=0.6即hl=0hL=0(hw+how)=0.6*0.076=0.0456m（3） 液體表面張力的阻力h的計算精餾段提餾段即精餾段板壓降hp=hc+hl+h=0.049+0.045+0.0032=0.0972mPp=hpLg=0.0972*783*9.82=747.38pa=0.747kpa提餾段板壓降hp= hc+hl+h=0.036+0.0456+0.005=0.0866mPp=hpLg=0.0866*913*9.82=776.43pa=0.776kpa3.3.5.2:霧沫夾帶量ev的計算精餾段提餾段

10、故本設計液沫夾帶量在允許范圍ev0.1kg液/kg氣內(nèi),所以符合要求。3.3.5.3：漏液點氣速ow的計算精餾段 穩(wěn)定性系數(shù)K 所以無明顯漏液現(xiàn)象 提餾段 穩(wěn)定性系數(shù)K 所以無明顯漏液現(xiàn)象 3.3.5.4：液泛（淹塔）條件的校核 降液管內(nèi)的清液層高度Hd的計算 精餾段 液體流過降液管的壓強降相當?shù)囊褐叨萮d的計算 即Hd=hp+hL+hd=0.0972+0.078+5.318*10-4=0.1757m (HT+hw)=0.5(0.45+0.07)=0.26 Hd(HT+hw)=0.26 提餾段 即Hd=hp+hL+hd=0.088+0.076+9.91*10-4=0.165m(HT+hw)=

11、 0.5(0.45+0.07)=0.26Hd3 符合要求提餾段3 符合要求負荷性能圖精餾提餾3.4:板式塔的結(jié)構(gòu)與附屬設備3.4.1：塔板結(jié)構(gòu)由于本設計塔徑為0.8m，即選用整塊式結(jié)構(gòu)3.4.2：冷凝器的選擇本設計取傳熱系數(shù)K=2000w/m2.出料液溫度64.6-64.6冷卻水溫度35-20逆流操作：t1=44.6 t2=29.6冷凝蒸汽量由于甲醇的摩爾分數(shù)為0.98，所以忽略水的冷凝熱。r=1100.18KJ/kgQ=G1*r=1100.18*0.821=903.38kw水的比熱容為Cp=4.1862KJ/kg.K則水的冷卻用量為平均溫度差為換熱器面積安全系數(shù)取1.2，則A=1.2*11.

12、48=13.78m23.4.2：再沸器計算熱負荷3.5：設計一覽表參數(shù)符號參數(shù)名稱精餾段提餾段ET塔板效率0.470.47NT有效塔板數(shù)45L（mpa.s）液相粘度0.31270.3127N實際塔板數(shù)911Z（m）有效段高度3.834.787Tm()平均溫度69.2186.777HT（m）板間距0.450.45hL(m)板上液層高度0.0780.076安全系數(shù)0.70.7Tm()平均溫度69.2186.777Ml（kg/kmol）液相平均摩爾質(zhì)量28.1119.559Mv(kg/kmol)氣相平均摩爾質(zhì)量30.3324.221L（kg/m3）液相密度783913v（kg/m3）氣相密度1.07

13、90.82（mN/m）液體平均表面張力30.92756.3Ls（m3/s）液相流量5.66*10-48.5*10-4Vs(m3/s)氣相流量0.7610.8FLv氣液動能參數(shù)0.020.035C負荷系數(shù)0.0850.1（m/s）空塔氣速1.5221.6D（m）塔徑0.80.8lw(m)堰長0.480.48E液流收縮系數(shù)1.081.2how(m)堰上液層高度8.04*10-36.32*10-3hw(m)堰高0.070.07Wd（m）降液管寬度0.07840.0784Af（m2）降液管截面積0.0260.026(s)液體在降液管內(nèi)的停留時間20.6713.760（m/s）液體過降液管底隙速度0.0

14、80.08h0(m)降液管底隙高度0.020.022Aa(m2)有效傳質(zhì)面積0.3380.338Ws(m)安定區(qū)寬度0.070.07Wc(m)邊緣區(qū)寬度0.050.05d0(mm)篩孔直徑55（mm）板厚44溢流形式單溢流單溢流降液管形式弓形弓形溢流堰平直形平直形t(mm)孔心距1515（%）開孔率10.110.1n篩孔數(shù)目17401740C0流量系數(shù)0.840.840（m/s）篩孔氣速22.2723.416AT（m2）塔橫截面積0.5030.503A0(m2)篩孔面積0.0340.034hc(m)干板阻力0.0490.0360充氣系數(shù)0.580.6Fa氣相動能因數(shù)1.6591.519hl(m)液體有效阻力0.0450.047h(m)液體表面張力的阻力0.00320.005hp（m）總阻力0.09720.088Pp(kpa)每層板壓降0.7470.776ev（kg液/kg氣）液沫夾帶量0.0650.0395ow(m/s)漏液點氣速1