化工原理課程設(shè)計甲醇水體系浮閥精餾塔的工藝設(shè)計

1、 ?化工原理?專業(yè)課程設(shè)計設(shè)計題目 甲醇-水體系浮閥精餾塔的工藝設(shè)計 學(xué)生姓名 班級、學(xué)號 指導(dǎo)教師姓名 課程設(shè)計時間20 10年12月20日-20 10年12月31日 課程設(shè)計成績設(shè)計說明書、計算書及設(shè)計圖紙質(zhì)量，70%獨立工作能力、綜合能力及設(shè)計過程表現(xiàn)，30%設(shè)計最終成績五級分制 指導(dǎo)教師簽字 化學(xué)化工學(xué)院課程名稱： 化工原理課程設(shè)計設(shè)計題目： 乙醇-水體系篩板精餾塔的工藝設(shè)計學(xué)生姓名： 專業(yè)：化學(xué)工程與工藝 班級學(xué)號： 設(shè)計日期： 2010-12-20至2010-12-31設(shè)計任務(wù)： 甲醇-水體系設(shè)計條件：1. 進料量：F=250 kmol/h2. 進料組成：=0.30 摩爾分率3.

2、進料熱狀態(tài)：泡點進料4. 常壓，塔釜間接蒸汽加熱5. 塔頂冷凝水溫度t=25，6. 塔釜加熱蒸汽溫度T=139設(shè)計要求： 摩爾分率 目錄一 概述二 工藝設(shè)計1 總體設(shè)計方案1.1 操作壓強的選擇1.2 物料的進料熱狀態(tài)1.3 回流比確實定1.4 塔釜的加熱方式1.5 回流方式選定2 精餾的工藝流程圖3 精餾塔塔板數(shù)確實定3.1 物料衡算3.2 物系相平衡數(shù)據(jù)3.3 回流比確定3.4 逐板法計算理論塔板數(shù)3.5 實際塔板數(shù)確實定4 塔徑塔板工藝尺寸確實定 4.1 各設(shè)計參數(shù) 操作壓力 溫度 平均摩爾質(zhì)量 平均密度 液體外表張力 液體的粘度 4.1.7 液負荷計算4.2 塔徑塔板工藝尺寸確定 塔徑

3、塔板的計算 .1 塔徑的計算 .2 溢流裝置確實定 .3 安定區(qū)與邊緣區(qū)確實定 .4 鼓泡區(qū)閥孔數(shù)確實定及排列 塔盤流體力學(xué)驗算.1 塔板壓降.2 降液管停留時間.3 霧沫夾帶 負荷性能圖.1 液相下限線.2 液相上限線.3 漏液線.4 溢流液泛線.5 過量霧沫夾帶線.6 性能負荷圖4.3 浮閥塔工藝設(shè)計計算結(jié)果5 輔助設(shè)備的設(shè)計5.1 塔頂全凝器的計算及選型5.2 塔底再沸器面積的計算及選型5.3 其他輔助設(shè)備的計算及選型 進料管. 回流管 塔釜出料管 再沸器蒸汽進口管 冷凝水管 冷凝水泵 進料泵 預(yù)熱器6 致謝7 參考文獻三 附錄：1精餾段塔板布置圖2提餾段塔板布置圖1 概述：塔設(shè)備一般分

4、為級間接觸式和連續(xù)接觸式兩大類。前者的代表是板式塔，后者的代表那么為填料塔。一般，與填料塔相比，板式塔具有效率高、處理量大、重量輕及便于檢修等特點，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，阻力降較大。在各種塔型中，當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的是篩板塔和浮閥塔。浮閥塔的優(yōu)點：1生產(chǎn)能力大，由于塔板上浮閥安排比擬緊湊，其開孔面積大于泡罩塔板，生產(chǎn)能力比泡罩塔板大 20%40%，與篩板塔接近。 2操作彈性大，由于閥片可以自由升降以適應(yīng)氣量的變化，因此維持正常操作而允許的負荷波動范圍比篩板塔，泡罩塔都大。 3塔板效率高，由于上升氣體從水平方向吹入液層，故氣液接觸時間較長，而霧沫夾帶量小，塔板效率高。 4氣體壓降及液面落差小，因氣液流過浮

5、閥塔板時阻力較小，使氣體壓降及液面落差比泡罩塔小。 5塔的造價較低，浮閥塔的造價是同等生產(chǎn)能力的泡罩塔的 50%80%，但是比篩板塔高 20%30。 但是，浮閥塔的抗腐蝕性較高防止浮閥銹死在塔板上，所以一般采用不銹鋼作成，致使浮閥造價昂貴，推廣受到一定限制。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷開展，各種新型填料，高效率塔板的不斷被研制出來，浮閥塔的推廣并不是越來越廣。 二工藝設(shè)計1. 總體設(shè)計方案 1.1 操作壓強的選擇 精餾可以常壓，加壓或減壓條件下進行。確定操作壓力時主要是根據(jù)處理物料的性質(zhì)，技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟上的合理性來考慮的。對于沸點低，常壓下為氣態(tài)的物料必須在加壓條件下進行操作。在相同條件下適當(dāng)提高

6、操作壓力可以提高塔的處理能力，但是增加了塔壓，也提高了再沸器的溫度，并且相對揮發(fā)度液會下降。對于熱敏性和高沸點的物料常用減壓蒸餾。降低操作壓力，組分的相對揮發(fā)度增加，有利于別離。減壓操作降低了平衡溫度，這樣可以使用較低位的加熱劑。但是降低壓力也導(dǎo)致了塔直徑的增加和塔頂冷凝溫度的降低，而且必須使用抽真空設(shè)備，增加了相應(yīng)的設(shè)備和操作費用。本次任務(wù)別離的是甲醇和水體系，綜合考慮各個因素，決定采用常壓1atm下進行操作。 1.2 物料的進料熱狀態(tài)采用泡點進料的方式，這樣進料溫度就不受季節(jié)，氣溫變化和前道工序波動的影響，塔的操作就容易控制。而且，精餾段和提餾段的上升蒸汽量相近，塔徑可以相同，設(shè)計制造也比

7、擬方便。 1.3 回流比確實定對于一定的別離任務(wù)，采用較大的回流比時，操作線的位置遠離平衡線向下向?qū)蔷€靠攏，在平衡線和操作線之間的直角階梯的跨度增大,每層塔板的別離效率提高了，所以增大回流比所需的理論塔板數(shù)減少，反之理論塔板數(shù)增加。但是隨著回流比的增加，塔釜加熱劑的消耗量和塔頂冷凝劑的消耗量液隨之增加，操作費用增加，所以操作費用和設(shè)備費用總和最小時所對應(yīng)的回流比為最正確回流比。本次設(shè)計任務(wù)中，綜合考慮各個因素，采用回流比為最小回流比的1.4倍。 1.4 塔釜的加熱方式本次別離任務(wù)采設(shè)置再沸器，采用間接蒸汽加熱，以提供做夠的熱量。 1.5 回流方式選定 重力回流2 精餾的工藝流程圖甲醇-水精餾

8、流程圖泡點進料浮閥塔3 精餾塔塔板數(shù)確實定 3.1 物料衡算條件：F=250 kmol/h 由 解得： 3.2 物系相平衡數(shù)據(jù) 1) 根本物性數(shù)據(jù)組分分子式分子量沸點熔點水H2O甲醇CH3OH2 甲醇-水汽液平衡組成 常壓下甲醇和水的氣液平衡表(txy)txytxy10000100100根據(jù)汽液平衡表,由內(nèi)插法求得(5.31-0.429)/(92.9-100)塔釜溫度(100-99)/(100-)=(-)/(6-)塔頂溫度(-30)/(-)=(-)/(-)進料溫度 3 甲醇-水各溫度下的粘度(內(nèi)插法求得)溫度塔釜溫度定性溫度進料溫度塔頂溫度99.426 4 甲醇-水各溫度下的外表張力(內(nèi)插法求

9、得)溫度塔釜溫度進料溫度塔頂溫度99.426甲醇N/m0.0129 0.0153 0.0168 水N/m0.0589 0.0630 0.0653 5 甲醇-水在各溫度下的密度(內(nèi)插法求得)溫度塔釜溫度進料溫度塔頂溫度99.426甲醇712.7 740.5 755.5 水958.8 973.4 980.6 3.3 回流比確定甲醇摩爾分數(shù)/%溫度X/100Y/100Y-XYX-XY液相X氣相Y8578706877505q=1，所以=0.30 3.4 逐板法計算理論塔板數(shù)精餾段操作線方程為：提餾段：提留段方程：平衡線方程為：逐板計算得浮閥塔逐板計算逐板編號XY12345678910111213圖如下

10、：X逐板計算法確定理論板數(shù)YX由逐板計算可知，在第六快理論板首先出現(xiàn),所以第六快理論板為加料板,精餾段共 6塊理論板。到第13快板時首先出現(xiàn),所以理論板數(shù)包括塔釜缺乏13塊。不包括塔釜那么為11.442塊。3.5 實際塔板數(shù)確實定塔頂溫度 塔釜溫度 進料溫度溫度塔釜溫度定性溫度進料溫度塔頂溫度99.426 此溫度下組成為甲醇摩爾分率由內(nèi)插法求得X= 當(dāng)t= 時由內(nèi)插法求得由奧克梅爾公式： 實際塔板數(shù)為: 提餾段不算塔釜：17-1=16塊 總:15+16=31塊4 塔徑塔板工藝尺寸確實定 4.1 各設(shè)計參數(shù) 操作壓力塔頂壓強，p0.64kPa 取每層踏板壓強，那么進料板的壓力為：，塔底壓力為：，

11、故精餾段平均操作壓力為：故提餾段平均操作壓力為：溫度塔頂溫度=64.7361 進料溫度= 塔釜溫度=99.426那么精餾段的平均溫度：提餾段的平均溫度：塔平均溫度為：平均摩爾質(zhì)量塔頂平均摩爾質(zhì)量： 進料板： 塔底： 精餾段平均摩爾質(zhì)量：提餾段平均摩爾質(zhì)量：平均密度1氣相密度2） 液相密度 甲醇-水在各溫度下的密度(內(nèi)插法求得)溫度塔釜溫度進料溫度塔頂溫度99.426甲醇712.7 740.5 755.5 水958.8 973.4 980.6 液體外表張力 甲醇-水各溫度下的外表張力(內(nèi)插法求得)溫度塔釜溫度進料溫度塔頂溫度99.426甲醇N/m0.0129 0.0153 0.0168 水N/m

12、0.0589 0.0630 0.0653 99.426 精餾段液相平均外表張力：提餾段液相平均外表張力：液體的粘度 甲醇-水各溫度下的粘度(內(nèi)插法求得)溫度塔釜溫度定性溫度進料溫度塔頂溫度99.4260.3281m 0.4396 0.2857m 0.3682mpa.s 99.4260.2294m 0.2843m精餾段液相平均粘度：提餾段液相平均粘度：4.1.7液負荷計算精餾段：提餾段：4.2. 塔徑塔板工藝尺寸確實定 .1 塔徑的計算 精餾段 取塔板間距，板上液層高度，塔板間距與塔徑的關(guān)系塔 徑/D，m板間距/HT，mm200300250350300450350600400600那么別離空間：

13、 功能參數(shù)：從史密斯關(guān)聯(lián)圖查得：, 由于那么圓整得 D=塔截面積：空塔氣速：提餾段功能參數(shù)：取塔板間距，板上液層高度，那么別離空間:從史密斯關(guān)聯(lián)圖查得：那么 為了防止精餾段塔徑大于提留段，造成塔的穩(wěn)定性下降，所以圓整取塔截面積： 空塔氣速： .2 溢流裝置確實定 選用單溢流、弓形降液管、平行受液盤及平行溢流堰，不設(shè)進口堰。單溢流又稱直徑流，液體自液盤橫向流過塔板至溢流堰，流體流徑較大，塔板效率高，塔板結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，直徑小于的塔中廣泛使用。工業(yè)中應(yīng)用最廣的降液管是弓形降液管。1) 溢流堰長精餾段：根據(jù)塔徑=溢流堰長提餾段：根據(jù)塔徑=溢流堰長2)出口堰高選用平直堰，堰上液層高度液流收縮系數(shù)精

14、餾段：提流段:3弓形降液管寬度和面積查圖知 精餾段： 驗算液體在降液管內(nèi)停留時間提鎦段： 停留時間 故降液管尺寸可用。 4) 降液管底隙高度，取那么精餾段：=提鎦段：=故降液管底隙高度設(shè)計合理選用凹形受液盤，深度取 .3 安定區(qū)與邊緣區(qū)確實定 1) 入口安定區(qū) 塔板上液流的上游部位有狹長的不開孔區(qū)，叫入口安定區(qū)，其寬度為。此區(qū)域不開孔是為了防止因這部位液層較厚而造成傾向性液封，同時也防止氣泡竄入降液管。一般取=50100mm,精餾段取=70mm,提鎦段取=70mm。2 出口安定區(qū) 在塔板上液流的下游靠近溢流堰部位也有狹長的不開孔區(qū)，叫出口安定區(qū)，其寬度與入口安定區(qū)相同，亦為。這局部不開孔是為了

15、減小因流進降液管的液體中含氣泡太多而增加液相在降液管內(nèi)排氣的困難。精餾段取=70mm,提鎦段取=70mm。3 邊緣固定區(qū) 在塔板邊緣有寬度為WC的區(qū)域不開孔，這局部用于塔板固定。一般=2550mm。精餾段取=40mm,提鎦段取=40mm。 .4 鼓泡區(qū)閥孔數(shù)確實定及排列工藝要求：孔徑精餾段取閥孔動能因子 =9孔速浮閥孔數(shù) 取無效區(qū)寬度 =4m 安定區(qū)寬度 =弓形降液管寬度 開孔區(qū)面積 =2其中 R=x=0.41m浮閥排列方式采用等腰三角形叉排圖如下：由圖可得實際浮閥孔數(shù) 開孔率% (5%14%,符合要求)提留段：取閥孔動能因子 孔速浮閥數(shù) 取無效區(qū)寬度 4m 安定區(qū)寬度 弓形降液管寬度 開孔區(qū)

16、面積 =2其中 0.41m浮閥排列方式采用等腰三角形叉排由圖可得實際浮閥孔數(shù) 開孔率% (5%14%,符合要求) 塔盤流體力學(xué)驗算 .1 塔板壓降干板壓強降液層阻力 液體外表張力 數(shù)值很小，設(shè)計時可以忽略不計 氣體通過每層塔板的壓降P為 .2 降液管停留時間液體在降液管內(nèi)停留時間故降液管設(shè)計合理 .3 霧沫夾帶綜合考慮生產(chǎn)能力和塔板效率，一般應(yīng)使霧沫夾帶量eV限制在10%以下，校核方法常為：控制泛點百分率F1的數(shù)值。所謂泛點率指設(shè)計負荷與泛點負荷之比的百分數(shù)。其經(jīng)驗值為大塔F1500，故擋板數(shù) 塊 代入得 取污垢校正系數(shù)F=8376.9Pa10kPa故管殼程壓力損失均符合要求管程對流給熱系數(shù)膜

17、的雷諾數(shù)所以為垂直湍流管104殼程對流給熱系數(shù)Pr0=8計算傳熱系數(shù)取污垢熱阻 RS/kW RS= m/kW以管外面積為基準 那么K=2.357kW/(m2.)計算傳熱面積 A=m2所選換熱器實際面積為A=n=2裕度所選換熱器適宜 5.2 塔底再沸器面積的計算及選型(1)再沸器的選擇：列管式蒸發(fā)器對直徑較大的塔，一般將再沸器置于塔外。其管束可抽出，為保證管束浸于沸騰器液中，管束末端設(shè)溢流堰，堰外空間為出料液的緩沖區(qū)。其液面以上空間為氣液別離空間。(2) 換熱面積換熱量為 考慮到5%的熱損失后 傳熱面積： A=蒸汽溫度為120，冷液進口溫度為，出口溫度為那么 取傳熱系數(shù)K=1000W/m2.K

18、5.3 其他輔助設(shè)備的計算及選型 進料管進料管的結(jié)構(gòu)類型很多，有直管進料管、彎管進料管、T型進料管。本設(shè)計采用直管進料管。管徑的計算，取，經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管，規(guī)格423mm 回流管回流液體積流量利用液體的重力進行回流，取適宜的回流速度，那么經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管，規(guī)格：50mm3mm實際管內(nèi)流速： 塔釜出料管釜殘液的體積流量：=3/s取適宜的輸送速度uw=/s那么經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管，規(guī)格：42mm3mm實際管內(nèi)流速： 再沸器蒸汽進口管設(shè)蒸汽流速為20m/s,經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管，規(guī)格：325mm實際管內(nèi)流速： 冷凝水管冷凝水進口溫度為12，水的物性數(shù)據(jù)： 水的物性數(shù)據(jù)： =/m3,冷

19、凝水質(zhì)量流率，取流速為/s管徑選取 180熱軋無縫鋼管實際流速為 冷凝水泵雷諾數(shù)取=0.01，查圖摩擦系數(shù)各管件及閥門阻力系數(shù)如下:名稱水管入口進口閥90彎頭4半開型球閥64設(shè)管長為50米,塔有效高度加裙座加全凝器高度取Ho=20m揚程取29m流量選擇IS150-125-315型離心泵,參數(shù)為流量V=200,揚程,轉(zhuǎn)速,泵效率,軸功率 進料泵塔總高不包括群座由下式?jīng)Q定式中 H塔高，m；-塔頂空間，m；-塔板間距，m； -開有人孔的塔板間距，m；-進料段高度，m； -塔底空間，m；-實際塔板數(shù)，m； -人孔數(shù)不包括塔頂空間與塔底空間的人孔數(shù)。所以取 ， =31塊 ，= ，= , =，每7塊取一個人孔，那么=4個。 的計算，塔釡料液最好能在塔底有35分鐘的存儲，所以取5分鐘來計算。因為 300=3 =那么=1.5+(31-2-4)0.4+40.35+0.8+0.555=m裙座高度取5m，所以總高度為 。F=250kmol/h=/s=3/h料液罐的壓強為常壓1atm，加料板的壓強為110925Pa進料口的高度為 ，進料段的表壓為1.0947atm，管路阻力1