【精编完整版】甲醇水精馏分离板式塔设计毕业论文

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板式精馏塔设计任务书

一、设计题目：甲醇―水精馏分离板式塔设计

二、设计任务及操作条件

1. 设计任务：

生产能力（进料量）40000 吨年

操作周期330 天年

进料组成甲醇50％，水50% （质量分率，下同）

塔顶产品组成≥98％

塔底产品组成≤1%

2. 操作条件

操作压力常压

进料热状态泡点

单板压降：≯0.7 kPa

3. 设备型式浮阀式精馏塔

4. 厂址信阳地区

三、设计内容：

1、设计方案的选择及流程说明

2、工艺计算

3、主要设备工艺尺寸设计

（1）塔径及精、提馏段塔板结构尺寸的确定

（2）塔板的流体力学校核

（3）塔板的负荷性能图

（4）总塔高、总压降及接管尺寸的确定

4、塔设备机械设计计算及辅助设备选型与计算

5、设计结果汇总

6、工艺流程图及精馏塔装配图

7、设计评述

8、参考资料

目录

第一部分设计概述

一、前言 (1)

二、绪论 (1)

2.1 设计任务 (1)

2.2 设计条件 (1)

2.3 设计方案 (1)

2.3.1设计流程框图 (2)

2.3.2设计流程框图 (2)

第二部分塔的工艺计算

一、整理有关物性数据 (3)

1.1水和甲醇的性质 (3)

二、全塔物料衡算 (3)

2.1进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数 (3)

三、塔板数的确定 (4)

3.1最小回流比及精馏段提馏段操作线方程 (4)

3.2相平衡常数的计算 (5)

3.3最小理论板数计算 (5)

3.4全塔效率的计算 (5)

四、精馏塔的相关物性数据的计算 (6)

4.1 操作压强的计算 (6)

4.2 操作温度的计算 (6)

4.3 平均摩尔质量的计算 (6)

4.4 液体平均粘度的计算 (7)

4.5平均密度的计算 (7)

4.6液相平均表面张力的计算 (8)

五、精馏塔主要工艺尺寸的计算 (9)

5.1 塔径的计算 (9)

5.2精馏塔有效高度的计算 (11)

5.3 溢流装置计算 (11)

5.4塔板布置 (13)

六、塔板流动性能的校核 (15)

6.1气相通过塔板的压强降及的校核 (15)

6.2雾沫夹带量e V校核 (16)

6.3降液管液泛校核 (17)

6.4液体在降液管中停留时间校核 (17)

七、精馏塔板上的负荷性能图 (18)

7.1雾沫夹带线 (18)

7.2液泛线（气相负荷上限线） (19)

7.3漏液线（气相负荷下限线） (19)

7.4液相负荷上限线 (20)

7.5液相负荷下限线 (20)

八、热量衡算 (24)

8.1介质的选择 (24)

8.2热量衡算 (24)

九、管径的计算 (26)

9.1塔顶上升蒸汽出口管的直径Dv (26)

9.2回流管直径 (26)

9.3进料管的直径 (26)

9.4塔底出料管直径 (26)

9.5塔底上升蒸汽出口管的直径 (27)

十、塔附属设备的计算 (27)

10.1筒体厚度 (27)

10.2封头 (28)

10.3除沫器 (28)

10.4裙座 (28)

10.5人孔 (29)

10.6塔总体高度的设计 (29)

10.7全凝器 (29)

10.8泵的选型 (30)

10.9贮罐的计算 (31)

十一、精馏塔设计计算结果汇总一览表 (31)

十二、参考文献 (32)

附录1主要符号说明 (33)

第一部分设计概述

一、前言

本次化工原理课程设计，设计了甲醇—水分离设备连续浮阀式精馏塔。进料质量分数为50%，使塔顶产品甲醇的质量分数达到98%，塔底釜液质量分数为0.8%。

综合工艺方便，经济及安全多方面考虑，本设计采用了浮阀式塔板对甲醇—水溶液进行分离提纯。按照芬斯克方程计算理论塔板数为9块，其中精馏段塔板数为5块，提馏段塔板数为3块。根据经验是算得全塔效率为0.449，塔顶使用全凝器，泡点进料。精馏段实际板数为12块，提馏段实际板数为7块，实际加料板位置在第13块板。由精馏段的工艺计算得到塔径1.2m，塔总高12.30m。通过流体力学验算表明此塔的工艺尺寸符合要求，由负荷性能图可以看出此精馏塔有较好的操作性能，精馏段操作弹性为2.0,提馏段操作弹性为2.0。

二、绪论

2.1 设计任务

本设计任务为分离甲醇-水混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏过程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用直接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。

2.2 设计条件

生产能力：40000吨年（料液）

年工作日：330天

原料组成：50%甲醇，50%水（质量分率，下同）

产品组成：馏出液98%甲醇，釜液0.8%甲醇

操作压力：塔顶压强为常压

进料温度：泡点

进料状况：泡点

加热方式：直接蒸汽加热

回流比：最小回流比的2倍

2.3 设计方案

2.3.1设计流程框图

设计流程框图如下所示：

2.3.2设计流程框图

流程示意图如下图

图1：精馏装置工艺流程图

甲醇—水溶液经预热至泡点后，用泵送入精馏塔。塔顶上升蒸气采用全冷凝后，部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜采用直接蒸汽供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。甲醇—水混合液原料经预热器加热到泡点温度后送入精馏塔进料板，在进料板上与自塔上部下降的的回流液体汇合后，逐板溢流，最后流入塔底。在每层板上，回流液体与上升蒸汽互相接触，进行热和质的传递过程。

第二部分塔的工艺计算

一、整理有关物性数据

1.1水和甲醇的性质

表1.水和丙酮的物理性质

表2.常压下甲醇和水的气液平衡表(T—x—y)

二、全塔物料衡算

2.1进料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数

甲醇的摩尔质量=32.04 kgkmol 水的摩尔质量=18.02 kgkmol

M=0.359832.04+（1-0.3598）18.02=23.0644kgkmol

M= 0.965032.04+（1-0.9650）18.02=31.5490kgkmol

M=0.004532.04+（1-0.0045）18.02=18.0831kgkmol

=218.974Kmol=2×0.707=1.414

设直接蒸汽加热时蒸汽流量为V0Kmol==1.455（14×3.14×0.0392×9.07）= 134.4=135(个)

③有效传质区： m 408.0)06.0132.0(22.1)(2)arcsin 180(22

22=+-=+-=+-=s d a W W D x r x r x r x A π 其中 m 56.004.022.12=-=-=

c W D r 故 2222m 824.0)56.0408.0arcsin 18056.0408.056.0408.0(2=?+

-??=πa A

④塔板的布置 因 D>800mm 故塔板采用分块式，查表的塔块分为3块，采用等腰三角形叉排。浮阀塔筛孔直径取 d=39mm,阀孔按等腰三角形排列。

各排阀孔中心线间的距离t ’可取65mm,80mm,100mm ，

按，，以等腰三角形叉排方式作图，排得阀孔数N 实际=120个

按块重新核算孔速及阀孔动能因子

U 0=1.455(0.785x0.0392x120)=10.155

F 0=U 0(ρv)?=10.155x (1.0964)?=10.633

在适宜范围内

⑤开孔率φ

∵空塔气速u= V S A T = 1.287 ms

∴φ=u u o =1.287 10.155 =12.687%

提馏段：

塔板布置及浮阀数目与排列

鼓泡区间阀孔数的确定以及排列

采用F 1型重阀，孔径为39mm 。取阀孔动能因子F O =9.5

①孔速 提馏段u o ==9.5(0.9148)0.5=9.9371ms

②浮阀数：

提馏段 N==1.455（14×3.14×0.0392×9.9371）= 122.63=123(个)

③有效传质区： m 408.0)06.0132.0(22.1)(2)arcsin 180(22

22=+-=+-=+-=s d a W W D x r x r x r x A π 其中 m 56.004.022.12=-=-=

c W D r 222

2m 626.0)56.0408.0arcsin 18056.0084.056.0408.0(2=?+-??=πa A

④塔板的布置

各排阀孔中心线间的距离t ’可取65mm

按，，以等腰三角形叉排方式作图，排得阀孔数N 实际=196个

按块重新核算孔速及阀孔动能因子

u 0=1.4363(0.7850.0392123)=9.780

F 0=u o (v )?=9.780 (0.9148)?=9.354

⑤开孔率φ ∵空塔气速为：s m A V u T S

/391.10324

.14363.1'==''= ∴φ=u ， u o =1.391 9.780 =14.22%

六、塔板流动性能的校核

6.1气相通过塔板的压强降及的校核

精馏段：

①塔板压降

浮阀由部分全开转为全部全开时的临界速度为U 0,c

U 0,c =（73.1ρV,M ）（11.825）=9.987ms

∴ =5.34×1.0964×9.9872（2×800.448×9.81）=0.037m 液柱

②液层阻力

充气系数 β=0.5,有:

=(3.144) 0.03921355(1.0964)12=0.9805m 3s

提馏段：

对于型重阀,依作为规定气体最小负荷的标准。

(V s )min =(3.14)40.03921235(0.9148)12=0.768m 3s

7.4液相负荷下限线

取堰上液层高度h ow =6mm 作为液相负荷下限条件作出液相负荷下限线，该线

为与气相流量无关的竖直线。 由3/2360000284.0???? ??=W s OW l L E h ,取E=1 精馏段：s m L L E h s s OW /00035.00078.084.0360000284.03min ,3

/2=?=??

? ??= 提馏段：s m L L E h s s OW /00061.00062.084.0360000284.03min ,3/2=?=??? ??=

7.5液泛线（气相负荷上限线）

为了防止塔内发生液泛，降液管高度应大于管内泡沫层高度。 联立以下三式：

由上式确定液泛线。忽略式中项，将以下五式代入上式，

得到：

因物系一定，塔板结构尺寸一定，则、、、、、、及φ等均为定值，而与又有如下关系，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： 其中 ：

????????????+???=?=?--+?=???=-3232

025)

3600()1(1084.2)(153

.0)1()(1091.1a w w w T V l E d h l c h H b n L βρρβφφ

带入数据：精馏段：

由 得3222124.1010.44815811.001435

.0s

s s L L V ?-?-=

表 3 液泛线数据

带入数据：提馏段：

由 得32

22124.1010.44816190.001282.0s

s s L L V ?-?-=

表 4 液泛线数据

由以上1-5作出塔板负荷性能图

图8精馏段塔板负荷性能图

图9提馏段塔板负荷性能图

由塔板负荷性能图可看出：

(1)在任务规定的气液负荷下的操作点处在适宜操作区的适中位置。

(2)按照固定的液气比由塔板负荷性能图查出塔板的气相负荷上限（=1.963（1.963）s，气相负荷下限=0.9805（0.768）s，所以精馏段操作弹性为，提馏段操作弹性为

八、热量衡算

8.1介质的选择

①加热介质的选择

选择饱和水蒸气因水蒸气清洁易得，不易结垢，不腐蚀管道，饱和水蒸气冷凝放热值大，而水蒸气压力越高，冷凝温差越大，管程数相应越小,但水蒸气不宜太高,根据下边计算的加热蒸汽的状态为6MPa,275.625℃

②冷却剂的选择

信阳平均气温为25，故选用25的冷却水，温升10，即冷却水的出口温度为35。

8.2热量衡算

（1）冷凝器的热负荷

蒸发潜化热的计算：

蒸发潜化热与温度的关系：

式中——蒸发潜热

——对比温度

表12 沸点下蒸发潜热列表

使用内插法，计算出

（100-87.41)(100-96.50)=(64.7-66.9)(64.7- t LD ) 得t LD =65.31℃ 同理得t VD =64.92℃ kg kJ H T T T T T T kg kJ H T T T T T T C t V C r C

r V C r C r VD /313.2360)576.01523.01(

2257576.03

.64710015.273'''523.03.64731.6515.273''/4.686.1176659

.01660.011178659.06

.51265.6415.273660.06.51292.6415.27392.6438.0112238.01122=--?=?=+===+='==--?=?=+===+==

?=水甲醇蒸发潜化热同理，水：）（蒸发潜热时，甲醇：kg

kJ H x H I I V D V D LD VD /891.1052313.23609650.01686.11769650.0)'1'x =?--?=?--?=-）（（水甲醇式中 ——塔顶上升蒸汽的焓

——塔顶溜出液的焓

又

式中——塔顶液体质量分数

s kJ h kJ Q h kg D M D C D /31.2938/89.105217.41634132.2/17.4163959.131549.31=??==?=='

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