化工原理課程設計-- 分離甲醇-水混合液的篩板精餾塔

1、<p>　　化工原理課程設計 說明書</p><p>　　設計題目： 甲醇-水篩板精餾塔 </p><p>　　設計時間： 2014.3 </p><p>　　專業(yè)名稱： 環(huán)境工程 </p><p>　　學生姓名： &

2、lt;/p><p>　　指導教師： </p><p>　　設計成績： </p><p>　　化工原理課程設計任務書</p><p><b>　　設計題目</b></p><p>　　分離甲醇-水混合液的篩板精

3、餾塔</p><p><b>　　設計數(shù)據(jù)及條件</b></p><p><b>　　生產(chǎn)能力：</b></p><p>　　年處理甲醇-水混合液4.3萬噸（年開工300天）</p><p><b>　　原料：</b></p><p>　　輕組分含量為3

4、8%（質(zhì)量百分率，下同)的常溫液體</p><p><b>　　分離要求：</b></p><p>　　塔頂輕組分含量不低于95%</p><p>　　塔底輕組分含量不高于1.5%</p><p><b>　　建廠地區(qū)：沈陽市</b></p><p><b>　　設

5、計要求：</b></p><p>　　1、編制一份精餾塔設計說明書，主要內(nèi)容要求：</p><p><b>　　<1>.前言</b></p><p>　　<2>.流程確定和說明</p><p>　　<3>.生產(chǎn)條件確定和說明</p><p>　　&l

6、t;4>.精餾塔的設計計算</p><p>　　<5>.主要附屬設備及附件的選型計算</p><p>　　<6>.設計結果列表</p><p>　　<7>.設計結果的自我總結評價與說明</p><p>　　<8>.注明參考和使用的設計資料</p><p>　　2、編

7、制一份精餾塔工藝條件單，繪制一份帶控制點的工藝流程圖。</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　塔設備是化工、煉油生產(chǎn)中最重要的設備之一。 塔設備的設計和研究，已經(jīng)收到化工行業(yè)的極大重視。在化工生產(chǎn)中， 塔設備的性能對于整個裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)能力和消耗定額，以及三廢處理和環(huán)境保護等各個方面，都有非常重大的影響。</p>&l

8、t;p>　　精餾過程的實質(zhì)是利用混合物中各組分具有不同的揮發(fā)度。 即在同一溫度下，各組分的飽和蒸汽壓不同這一性質(zhì)，使液相中的輕組分轉(zhuǎn)移到汽相中，汽相中的重組分轉(zhuǎn)移到液相中，從而打到分離的目的。因此精餾塔操作彈性的好壞直接關系到石油化工企業(yè)的經(jīng)濟效益。</p><p>　　為了加強工業(yè)技術的競爭力，長期以來，各國都在加大塔的研究力度。如今在我過常用的板式塔中主要為泡罩塔。浮閥塔，篩板塔和舌型塔等。填料種類出拉

9、西、環(huán)鮑爾環(huán)外，階梯環(huán)以及波紋填料、金屬絲網(wǎng)填料等規(guī)整填料也常采用。更加強了對篩板塔的研究，提出了斜空塔和浮動噴射塔等新塔型。同時我國還進口一些新型塔設備，這些設備的引進也帶動了我國自己的塔設備的科研、設計工作，加速了我國塔技術的開發(fā)。</p><p>　　國外關于塔的研究如今已經(jīng)放慢了腳步，是因為已經(jīng)研究除了塔盤的效率并不取決于塔盤的結構，而是主要取決于物系的性質(zhì)，如：揮發(fā)度、黏度、混合物的組分等。國外已經(jīng)轉(zhuǎn)向

10、研究“在提高處理能力和簡化結構的前提下，保持適當?shù)牟僮鲝椥院蛪毫?，并盡量提高塔盤的效率。”在新型填料方面則在努力的研究發(fā)展有利于氣液分布均勻、高效和制造方便的填料。</p><p>　　蒸餾是分離液體混合物的一種方法，是傳質(zhì)過程中最重要的單元操作之一，蒸餾的理論依據(jù)是利用溶液中各組分蒸汽壓的差異，即各組分在相同的壓力、溫度下，其探發(fā)性能不同（或沸點不同）來實現(xiàn)分離目的。例如，設計所選取的甲醇-水體系，加熱甲醇（

11、沸點64.5℃）和水（沸點100℃）的混合物時，由于甲醇的沸點較水為低，即甲醇揮發(fā)度較水高，故甲醇較水易從液相中汽化出來。若將汽化的蒸汽全部冷凝，即可將甲醇和水分離。這多次進行部分汽化成部分冷凝以后，最終可以在汽相中得到較純的易揮發(fā)組分，而在液相中得到較純的難揮發(fā)組分，這就是精餾。</p><p>　　在工業(yè)中，廣泛應用精餾方法分離液體混合物，從石油工業(yè)、酒精工業(yè)直至焦油分離，基本有機合成，空氣分離等等，特別是大

12、規(guī)模的生產(chǎn)中精餾的應用更為廣泛。</p><p>　　蒸餾按操作可分為簡單蒸餾、平衡蒸餾、精餾、特殊精餾等多種方式。按原料中所含組分數(shù)目可分為雙組分蒸餾及多組分蒸餾。按操作壓力則可分為常壓蒸餾、加壓蒸餾、減壓（真空）蒸餾。此外，按操作是否連續(xù)蒸餾和間歇蒸餾。</p><p>　　在化學工業(yè)和石油工業(yè)中廣泛應用的諸如吸收，解吸，精餾，萃取等單元操作中，氣液傳質(zhì)設備必不可少。塔設備就是使氣液成

13、兩相通過緊密接觸達到相際傳質(zhì)和傳熱目的的氣液傳質(zhì)設備之一。</p><p>　　塔設備一般分為階躍接觸式和連續(xù)接觸式兩大類。前者的代表是板式塔，后者的代表則為填料塔。篩板塔在十九世紀初已應用于工業(yè)裝置上，但由于對篩板的流動力學研究很少，被認為操作不易掌握，沒有被廣泛采用。五十年代來，由于工業(yè)生產(chǎn)實踐，對篩板塔作了較充分的研究并且經(jīng)過了大量的工業(yè)生產(chǎn)實踐，形成可較完善的設計方法。篩板塔和泡罩塔相比較具有下列特點：生

14、產(chǎn)能力大于10.5%，板效率提高產(chǎn)量15%左右；而壓降可降低30%左右；另外篩板塔結構簡單，消耗金屬少，塔板的造價可減少40%左右；安裝容易，也便于清理檢修。本設計討論的就是篩板塔</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　化工原理課程設計 說明書1</p><p>　　化工原理課程設計任務書2</p>

15、<p>　　第一章 流程及生產(chǎn)條件的確定和說明1</p><p>　　1.1 加料方式1</p><p>　　1.2 進料狀況1</p><p>　　1.3 塔頂冷凝方式1</p><p>　　1.4 加熱方式2</p><p><b>　　1.5 再沸器2</b></

16、p><p>　　1.6 回流方式2</p><p>　　第二章 精餾塔設計計算3</p><p>　　2.1 設計方案的確定3</p><p>　　2.2精料塔的物料衡算3</p><p>　　2.2.1原料液及塔頂，塔底產(chǎn)品的甲醇摩爾分數(shù)3</p><p>　　2.2.2原料液及塔

17、頂，塔底的平均摩爾質(zhì)量3</p><p>　　2.2.3物料衡算4</p><p>　　2.3塔板數(shù)的確定4</p><p>　　2.3.1理論板層數(shù)求取4</p><p>　　2.3.2求最小回流比操作回流比5</p><p>　　2.3.3求精餾塔的氣液相負荷5</p><p>

18、　　2.3.4求操作線方程5</p><p>　　2.3.5實際板層數(shù)的求取6</p><p>　　2.4精餾塔的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)的計算6</p><p>　　2.4.1操作壓力的計算6</p><p>　　2.4.2操作溫度的計算6</p><p>　　2.4.3平均摩爾質(zhì)量的計算7</p&g

19、t;<p>　　2.4.4平均密度的計算8</p><p>　　2.4.5液體平均表面張力的計算11</p><p>　　2.5精餾塔的塔體工藝尺寸計算12</p><p>　　2.5.1塔徑的計算12</p><p>　　2.5.2精餾塔有效高度計算13</p><p>　　2.6塔板的主要工

20、藝計算13</p><p>　　2.6.1溢流裝置計算13</p><p>　　2.6.2塔板布置15</p><p>　　第三章 塔附件設計16</p><p><b>　　3.1裙座16</b></p><p>　　3.2塔頂空間高度16</p><p>

21、;　　3.3塔底空間高度16</p><p>　　3.4實際塔高17</p><p>　　附錄 塔板工藝及結果總匯18</p><p><b>　　總結19</b></p><p><b>　　參考文獻20</b></p><p>　　第一章 流程及生產(chǎn)條件的確定和

22、說明</p><p><b>　　1.1 加料方式</b></p><p>　　加料方式有兩種：高位槽加料和泵直接加料。采用高位槽加料，通過控制液位高度，可以得到穩(wěn)定的流量和流速。采用泵加料，進料受到泵的影響以及電力的影響，可能導致流量不穩(wěn)定，從而影響了傳質(zhì)效率，但結構簡單、安裝方便，而且泵還具有以下優(yōu)點：</p><p>　?。?）滿足工藝上

23、對流量和能量的要求；</p><p>　?。?）結構簡單，投資費用低；</p><p>　?。?）運行可靠，效率高，日常維護費用低；</p><p>　?。?）能適用被輸送流體的特性，如腐蝕性、粘性、可燃性等。</p><p>　　因此，從實踐考慮，使用泵直接加料更為合理，而本設計采用的就是泵直接加料。</p><p>

24、;<b>　　1.2 進料狀況</b></p><p>　　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，泡點進料，q=1。</p>&l

25、t;p>　　1.3 塔頂冷凝方式</p><p>　　塔頂冷凝采用全凝器，用水冷凝。甲醇和水不反應，且容易冷凝，可以準確的確定回流比，故使用全凝器。當被冷凝的氣相溫度較高及組分較單一且常溫下為液態(tài)時，一般采用全冷凝器冷凝，且塔頂出來的氣體溫度不高，冷凝后回流和產(chǎn)品溫度不高，無需進一步冷卻，此次分離是得到甲醇，因此選用全冷凝器符合要求。</p><p><b>　　1.4 加

26、熱方式</b></p><p>　　精餾塔的設計中多在塔底加一個再沸器以采用間接蒸汽加熱以保證塔內(nèi)有足夠的熱量供應；由于甲醇-水體系中，甲醇是輕組分由塔頂冷凝器冷凝得到，水為重組分有塔底排出。所以本設計應采用再沸器提供熱量，采用間接蒸汽加熱。</p><p><b>　　1.5 再沸器</b></p><p>　　再沸器的作用是加熱

27、塔底料液使之補分氣化，已提供精餾塔內(nèi)的上升氣流，分為內(nèi)置式和外置式，本設計將采用外置再沸器。</p><p><b>　　1.6 回流方式</b></p><p>　　回流方式可分為重力回流和強制回流，由于重力的原因使的冷卻后的液體可以直接進入塔內(nèi)，可以避免泵的使用，從長遠角度考慮，泵使用時間和維修成本成正比，由于泵內(nèi)部件磨損，容易出現(xiàn)問題。所以，綜上考慮，本設計采用

28、重力回流。</p><p>　　第二章 精餾塔設計計算</p><p>　　2.1 設計方案的確定</p><p>　　本設計任務書為分離甲醇-水混合物。對于二元混合物的分離，應采用連續(xù)精餾流程。設計中采用泡點進料，將原料液通過預熱器加熱至泡點后送入精餾塔內(nèi)，分離后產(chǎn)生的甲醇經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲罐。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比取最小回流

29、比的2 倍。</p><p>　　2.2精料塔的物料衡算</p><p>　　2.2.1原料液及塔頂，塔底產(chǎn)品的甲醇摩爾分數(shù)</p><p><b>　　==0.2564</b></p><p>　　2.2.2原料液及塔頂，塔底的平均摩爾質(zhì)量</p><p><b>　　2.2.3物料衡

30、算</b></p><p><b>　　全塔物料衡算： </b></p><p><b>　　輕組分物料衡算:</b></p><p>　　聯(lián)立得：D=75.6999</p><p><b>　　W=200.93</b></p><p>&l

31、t;b>　　2.3塔板數(shù)的確定</b></p><p>　　2.3.1理論板層數(shù)求取</p><p>　　采用圖解法求，根據(jù)甲醇水氣液平衡數(shù)據(jù)著圖； </p><p>　　由上表繪出y-x圖 如圖1（附錄）所示：</p><p><b>　　總理論板數(shù)： </b></p><

32、;p><b>　　進料板位置： </b></p><p>　　2.3.2求最小回流比操作回流比</p><p>　　采用作線法求最小回流比，在圖1（附錄)中找出的橫坐標作垂線即為進料線，該線與平衡線的交點坐標為： </p><p><b>　　所以最小回流比為：</b></p><p&g

33、t;<b>　　操作回流比為：R=</b></p><p>　　2.3.3求精餾塔的氣液相負荷</p><p>　　L=RD=1.5414</p><p>　　V=(R+1)D=(1+1.5414）</p><p>　　2.3.4求操作線方程</p><p><b>　　精餾段操作線方程

34、：</b></p><p>　　y=0.6065x+0.3598</p><p><b>　　提留段操作線方程：</b></p><p>　　y=2.0444x-0.0089</p><p>　　2.3.5實際板層數(shù)的求取</p><p><b>　　已知塔板效率：</

35、b></p><p><b>　　實際精餾段塔板數(shù)：</b></p><p><b>　　實際提餾段塔板數(shù)：</b></p><p>　　2.4精餾塔的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)的計算</p><p>　　2.4.1操作壓力的計算</p><p><b>　　塔頂

36、操作壓力:</b></p><p><b>　　每層塔板的壓降：</b></p><p><b>　　進料板操作壓力：</b></p><p><b>　　精餾段的平均壓力：</b></p><p><b>　　塔釜操作壓力</b></p

37、><p>　　提留段的平均操作壓力：</p><p>　　2.4.2操作溫度的計算</p><p>　　根據(jù)甲醇-水物系的氣液平衡數(shù)據(jù)查出相鄰的兩個摩爾分數(shù)線及溫度，同理球的</p><p><b>　　塔頂溫度：</b></p><p><b>　　進料板溫度：</b><

38、/p><p><b>　　塔底溫度：</b></p><p><b>　　精餾段平均溫度：</b></p><p><b>　　提留段平均溫度：</b></p><p>　　2.4.3平均摩爾質(zhì)量的計算</p><p>　　塔頂平均摩爾質(zhì)量的計算</p

39、><p><b>　　由 查圖得</b></p><p><b>　　進料板摩爾質(zhì)量計算</b></p><p>　　由圖解理論板和平衡曲線得</p><p>　　塔釜平均摩爾質(zhì)量的計算</p><p>　　精餾段的平均摩爾質(zhì)量的計算</p><p>

40、　　提留段的平均摩爾質(zhì)量</p><p>　　2.4.4平均密度的計算</p><p><b>　　液相平均密度的計算</b></p><p>　　液相平均密度依下公式計算：</p><p>　　塔頂液相平均密度的計算</p><p>　　進料口平均摩爾質(zhì)量的計算</p><p

41、>　　塔底液相平均密度的計算</p><p>　　故，精餾段液相平均密度：</p><p>　　同理提留段平均相對密度：</p><p><b>　　氣相平均密度的計算</b></p><p>　　有理想氣體狀態(tài)方程可得：</p><p>　　2.4.5液體平均表面張力的計算</p&g

42、t;<p>　　塔頂液相平均表面張力的計算</p><p>　　進料板液相平均表面張力的計算</p><p>　　塔底液相平均表面張力的計算</p><p>　　故，精餾段平均表面張力為</p><p>　　同理，提留段平均表面張力為</p><p>　　綜上所述，全塔平均表面張力為</p>

43、<p>　　2.5精餾塔的塔體工藝尺寸計算</p><p>　　2.5.1塔徑的計算</p><p>　　提餾段氣相體積流率為：</p><p>　　取板間距 查史密斯關聯(lián)圖</p><p><b>　　取板上液層高度</b></p><p><b>　　取安全系數(shù)0

44、.7</b></p><p><b>　　則</b></p><p><b>　　故精餾段：</b></p><p><b>　　提餾段：</b></p><p>　　圓整后得： </p><p>　　所以全塔塔徑：D=1m<

45、/p><p><b>　　塔截面積 </b></p><p><b>　　空塔氣速 </b></p><p>　　2.5.2精餾塔有效高度計算</p><p><b>　　精餾段有效高度：</b></p><p><b>　　提留段有效高度：

46、 </b></p><p>　　在實際情況中，為了便于設備維護和檢修，在進料板上方開一人孔，取其高度為0.8m</p><p>　　綜上所述，精餾塔的有效高度為：</p><p>　　2.6塔板的主要工藝計算</p><p>　　2.6.1溢流裝置計算</p><p>　　因塔徑D=1m,可選用單溢流弓形降

47、液管，采用凹形受液盤。計算如下：</p><p>　　選用平直堰，近似取E=1</p><p><b>　　取板上液層高度：</b></p><p><b>　　所以 </b></p><p>　　弓形降液管寬度和降液管面積</p><p>　　由 ，查弓形降液管得參數(shù)圖

48、得</p><p>　　驗算液體在降液管中停留的時間，即：</p><p><b>　　故降液設計合理</b></p><p>　　降液管底隙高度 </p><p>　　故降液管底隙高度設計合理</p><p><b>　　2.6.2塔板布置</b></p>

49、<p>　　塔板分類：因為D=1m,故塔板采用分塊式，差得塔板分塊為3塊.</p><p><b>　　邊緣寬度的確定</b></p><p><b>　　取 </b></p><p><b>　　開孔區(qū)面積</b></p><p><b>　　篩

50、板計算及排列</b></p><p>　　本設計處理的物理無腐蝕性，可選用板厚的碳板，取篩孔的直徑</p><p><b>　　取孔距</b></p><p><b>　　則，篩孔數(shù)為：</b></p><p><b>　　開孔率：</b></p>&

51、lt;p>　　氣體通過篩孔的氣速 </p><p>　　第三章 塔附件設計</p><p><b>　　3.1裙座</b></p><p>　　塔底常用裙座支撐，裙座的結構性能好，連接處產(chǎn)生的局部阻力小，所以它是塔設備的主要支撐附件，為了操作方便，一般采用圓筒形裙座，由于裙座內(nèi)經(jīng)大于800mm,故裙座厚度取16mm</p>

52、;<p><b>　　基礎換內(nèi)經(jīng)</b></p><p><b>　　基礎環(huán)外徑</b></p><p>　　圓整后得： </p><p>　　基礎環(huán)厚度應考慮到腐蝕余量，取18mm，裙座高取3m，地角螺栓直徑取。</p><p><b>　　3.2塔頂空間高度<

53、;/b></p><p>　　塔頂空間高度指塔頂?shù)谝粚铀P到塔頂封頭的直線距離，根據(jù)實際需求和處理原料的物性，還需考慮裝除沫器，所以塔頂高度取3m.</p><p><b>　　3.3塔底空間高度</b></p><p>　　塔底也需預留空間，考慮塔釜停留時間，一般為~10min左右。綜上考慮，取塔底空間高度為1m。</p>

54、<p><b>　　3.4實際塔高</b></p><p>　　實際塔高=塔頂高+精餾段高度+人孔+提餾段高度+裙座</p><p>　　綜上所述，塔實際高度為12.4m.</p><p>　　附錄 塔板工藝及結果總匯</p><p><b>　　總結</b></p>&l

55、t;p>　　化工原理課程設計已經(jīng)結束，首先感謝單老師耐心細致的教導和同學們的熱心幫助。通過這次設計課程，使我對上學期的理論知識進一步加深了，并且初步認識到將理論知識運用于實際生產(chǎn)實際的重要性，真正做一個合格的設計并不是那么簡單的，需要的是耐心和細心。</p><p>　　在設計過程中，總會遇到這樣或是那樣的問題，比如由于馬虎算錯了結果，那么這將會影響下一步計算過程，并且計算過程中忽略一個條件，都會造成設計不

56、當，那么必須重新設計，不斷的改進，不斷的吸取教訓，才能不斷的進步，得到最終的設計結果。</p><p>　　在學習理論知識的過程中，對精餾塔只有一個模糊的認識，而通過這次實際的計算設計，使我對精餾塔有了全新的認識。但我知道的，這次課程設計只是理論轉(zhuǎn)化實踐的一小步，以后會有更大的挑戰(zhàn)在等待著我，我有信心把它做好。</p><p><b>　　參考文獻</b></p

57、><p>　　[1] 王志魁，劉麗英，劉偉編，化學原理[M]，第四版，北京，化學工業(yè)出版社，2010.5</p><p>　　[2] 王國勝，化學原理[M]，大連，大連理工大學出版社，2010</p><p>　　[3] 賈紹義，柴誠敬，化學原理課程設計[M]，天津，天津大學出版社，2006</p><p>　　[4] 徐雅妮，板式精餾塔設計[M