《化工原理》课程设计报告4万吨年甲醇水板式精馏塔设计.doc

化工原理课程设计报告 4万吨/年 甲醇水板式精馏塔设计目 录一、概述41.1 设计依据41.2 技术来源41.3 设计任务及要求5二：计算过程61. 塔型选择62. 操作条件的确定62.1 操作压力62.2 进料状态62.3 加热方式72.4 热能利用73. 有关的工艺计算73.1 最小回流比及操作回流比的确定83.2 塔顶产品产量、釜残液量及加热蒸汽量的计算93.3 全凝器冷凝介质的消耗量93.4 热能利用103.5 理论塔板层数的确定103.6 全塔效率的估算113.7 实际塔板数124. 精馏塔主题尺寸的计算124.1 精馏段与提馏段的体积流量124.1.1 精馏段124.1.2 提馏段144.2 塔径的计算154.3 塔高的计算175. 塔板结构尺寸的确定175.1 塔板尺寸185.2 弓形降液管185.2.1 堰高185.2.2 降液管底隙高度h0195.2.3 进口堰高和受液盘195.3 浮阀数目及排列195.3.1 浮阀数目195.3.2 排列205.3.3 校核206. 流体力学验算216.1 气体通过浮阀塔板的压力降(单板压降)216.1.1 干板阻力216.1.2 板上充气液层阻力216.1.3 由表面张力引起的阻力226.2 漏液验算226.3 液泛验算226.4 雾沫夹带验算237. 操作性能负荷图237.1 雾沫夹带上限线237.2 液泛线247.3 液体负荷上限线247.4 漏液线247.5 液相负荷下限线247.6 操作性能负荷图258. 各接管尺寸的确定278.1 进料管278.2 釜残液出料管278.3 回流液管288.4 塔顶上升蒸汽管288.5 水蒸汽进口管28一、概述1.1 设计背景塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。塔设备的设计和研究，已经受到化工行业的极大重视。在化工生产中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有非常重大的影响。精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度。即在同一温度下，各组分的饱和蒸汽压不同这一性质，使液相中的轻组分转移到汽相中，汽相中的重组分转移到液相中，从而达到分离的目的。因此精馏塔操作弹性的好坏直接关系到石油化工企业的经济效益。为了加强工业技术的竞争力，长期以来，各国都在加大塔的研究力度。如今在我国常用的板式塔中主要为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔和舌型塔等。填料种类出拉西、环鲍尔环外，阶梯环以及波纹填料、金属丝网填料等规整填料也常采用。更加强了对筛板塔的研究，提出了斜空塔和浮动喷射塔等新塔型。同时我国还进口一些新型塔设备，这些设备的引进也带动了我国自己的塔设备的科研、设计工作，加速了我国塔技术的开发。国外关于塔的研究如今已经放慢了脚步，是因为已经研究出了塔盘的效率并不取决与塔盘的结构，而是主要取决与物系的性质，如：挥发度、黏度、混合物的组分等。国外已经转向研究“在提高处理能力和简化结构的前提下，保持适当的操作弹性和压力降，并尽量提高塔盘的效率。”在新型填料方面则在努力的研究发展有利于气液分布均匀、高效和制造方便的填料。经过我国这些年的努力，在塔研究方面与国外先进技术的差距正在不断的减小目前，精馏塔的设计方法以严格计算为主，也有一些简化的模型，但是严格计算法对于连续精馏塔是最常采用的，我们此次所做的计算也采用严格计算法。1.2 设计条件原料：甲醇、水原料温度：泡点进料处理量：4万吨/年原料组成：甲醇的质量分率=0.35（质量分数）产品要求：塔顶甲醇的质量分率=0.94（质量分数），塔底甲醇质量分率=0.02（质量分数）生产时间：300天/年冷却水进口温度：25加热剂：0.9MP饱和水蒸汽单板压降：小于或等于0.7kpa生产方式：连续操作，泡点回流全塔效率：Et=50%1.3 设计要求1.撰写课程设计说明书一份2.带控制点的工艺流程图一张3.塔装备的总装图一张1.4 设计说明书的主要内容1.设计方案的确定2.带控制点的工艺流程图的确定 3.操作条件的选择（包括操作压强、进料状态、加热剂、冷却剂、回流比）4.塔的工艺计算（1）全塔物料衡算（2）最佳回流比的确定（3）理论板及实际板的确定（4）塔径的计算（5）降液管及溢流堰尺寸的确定（6）浮阀数及排列方式（筛板孔径及排列方式）的确定（7）塔板流动性能的校核（液沫夹带校核，塔板阻力校核，降液管液泛校核，液体在降液管内停留时间校核，严重漏液校核）（8）塔板负荷性能图的绘制（9）塔板设计结果汇总表5.辅助设备工艺计算（1）换热器的面积计算及选型（2）各种接管管径的计算及选型（3）泵的扬程计算及选型6.塔设备的结构设计：（包括塔盘、裙座、进出口料管）二：计算过程1. 塔型选择根据生产任务，若按年工作日300天，每天开动设备24小时计算，由于产品粘度较小，流量较大，为减少造价，降低生产过程中压降和塔板液面落差的影响，提高生产效率，选用浮阀塔。2. 操作条件的确定2.1 操作压力压力为（Pa）2.2 进料状态虽然进料方式有多种，但是饱和液体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，饱和液体进料时精馏段和提馏段的塔径相同，无论是设计计算还是实际加工制造这样的精馏塔都比较容易，为此，本次设计中采取饱和液体进料（q=1）。2.3 加热方式精馏塔的设计中多在塔底加一个再沸器以采用间接蒸汽加热以保证塔内有足够的热量供应；由于乙醇水体系中，乙醇是轻组分，水由塔底排出，且水的比热较大，故可采用直接水蒸气加热，这时只需在塔底安装一个鼓泡管，于是可省去一个再沸器，并且可以利用压力较底的蒸汽进行加热，无论是设备费用还是操作费用都可以降低。2.4 热能利用精馏过程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。因此热效率较低，通常进入再沸器的能量只有5%左右可以被有效利用。虽然塔顶蒸汽冷凝可以放出大量热量，但是由于其位能较低，不可能直接用作为塔底的热源。为此，我们拟采用塔釜残液对原料液进行加热。3. 物料的工艺计算由于精馏过程的计算均以摩尔分数为准，需先把设计要求中的质量分数转化为摩尔分数。原料液的摩尔组成：甲醇的摩尔质量为：32 kg/kmol水的摩尔质量为： 18kg/kmol以年工作日为300天，每天开车24小时计，进料量为：进料液的平均摩尔数 根据公式可求出由全塔的物料衡算方程可写出：求得表1. 原料液、馏出液与釜残液的流量名称原料液馏出液釜残液(质量分数)0.350.940.02(摩尔分数)0.230.8980.01流量261.864.86196.943.1相对挥发度 可根据平衡线图（图3-1）查得塔顶、塔底温度1汽相 2液相图3-1 甲醇-水的等压曲线或用计算法求得：塔顶：，假设t = 83,利用安托因方程，计算得出，再利用，求得假设t = 82，同理求得，利用比例差值法求出塔顶温度：，则当t=82.25时，计算得出，此时的相对挥发度塔进料处：假设t=90, 同理求得，假设t=91, 同理求得，利用比例差值法求出塔进料处温度：，则当t=90.94时，计算得出，此时的相对挥发度塔底：假设t=108, 同理求得，假设t=109, 同理求得，则得出塔底温度：当t=109时， 此时的相对挥发度全塔的相对挥发度3.2回流比R的确定由于是泡点进料（q=1），相平衡方程 当,求出夹紧点，因此： 操作回流比最少理论板数的确定：利用芬斯克方程由于设备的综合费用与N(R+1)有直接的关系，因此绘制N(R+1)R图就可以求当R值时N(R+1)最小的为实际R令，由不同得到R值利用吉利兰图求出N值，进而能得到N(R+1)吉利兰图分别取=1.1、1.2、1.3、1.4、1.45、1.5、1.55、1.6、2，将查上图或计算出相应的值，见下表：1.11.21.31.41.45R1.1431.2471.3511.45461.5070.0490.0930.1330.1690.1870.590.520.510.4950.49N18.715.815.4714.9814.82N(R+1)40.035.536.3736.7737.161.51.551.62R1.561.611.66242.0780.2030.2190.2340.3380.460.4650.460.37N13.914.0813.9411.8N(R+1)35.736.7637.1336.32验算：若时，可以用下公式：若R=1.2，则,利用公式求出，则，求得。 若R=1.3，利用公式求出，则，求得若R=1.4，利用公式求出，则，求得。计算结果表明在R=（1.151.35）范围内，但值确随R值增大而减小，无最小值，所以根据作图找到最适回流比R=(1.561.61).取R=1.57 3.3 物料平衡精馏段操作方程：精馏段液体的摩尔流量：气体的摩尔流量：提馏段操作方程：液体的摩尔流量：气体的摩尔流量：q线方程：3.5 理论塔板层数的确定精馏段操作线方程：提馏段操作线方程：线方程：相平衡方程：利用逐板法计算理论塔板层数：（进料板）从上计算中可以得出理论塔板层数块（含塔釜）其中，第6块为进料板。由条件知全塔效率则可计算出实际塔板层数（含塔釜）4. 基本物性数据计算根据苯甲苯系的相平衡数据可以查得： (塔顶第一块板) (加料板) (塔釜)全塔的相对平均挥发度：全塔的平均温度：4.1 精馏段 整理精馏段的已知数据列于表3(见下页)，由表中数据可知：表3 精馏段的已知数据位置进料板塔顶(第一块板)质量分数摩尔分数摩尔质量/温度/90.9482.25液相平均摩尔质量：平均温度：在平均温度下查得液相平均密度为：其中，平均质量分数所以，精馏段的液相负荷 汽相平均摩尔质量：压强汽相平均密度为：其中，平均压强所以，精馏段的汽相负荷 精馏段的负荷列于表4。表4 精馏段的汽液相负荷名称液相汽相平均摩尔质量/81.91380.268平均密度/805.92.78体积流量/7.204(0.002)3349.7(0.93047)4.2 提馏段整理提馏段的已知数据列于表5，采用与精馏段相同的计算方法可以得到提馏段的负荷，结果列于表6。表5 提馏段的已知数据位置塔釜进料板质量分数摩尔分数摩尔质量/温度/10990.94液相平均摩尔质量：平均温度：在平均温度下查得液相平均密度为：其中，平均质量分数所以，提馏段的液相负荷 汽相平均摩尔质量：汽相平均密度为：平均压强所以，提馏段的汽相负荷 表6 提馏段的汽液相负荷名称液相汽相平均摩尔质量/87.96886.582平均密度/795.63.036体积流量/16.931(0.004703)3308.6(0.91904.3 全塔的流量 由于精馏段和提馏段的上升蒸汽量相差不大，为便于制造，我们取两段的塔径相等。有以上的计算结果可以知道：汽塔的平均蒸汽流量：汽塔的平均液相流量：汽塔的汽相平均密度： 汽塔的液相平均密度： 5. 塔径的计算塔径可以由下面的公式给出： 由于适宜的空塔气速，因此，需先计算出最大允许气速。初步设定板间距 功能参数：从史密斯关联图查得：，由于，需先求平均表面张力：全塔的平均温度：在此温度下，平均摩尔分数为查化工原理书379页液体表面张力共线图并计算出液体表面张力史密斯关联图是按液体表面张力的物系绘制的，若所处物系的表面张力为其他值，则需按式校正查出的负荷系数，即： u =（0.60.8）=（0.8081.077）m/s则取适宜的空塔气速塔径的确定：精馏段：气相流量塔径提馏段：气相流量塔径根据塔径系列尺寸圆整为6. 塔板结构尺寸的确定6.1 确定塔板的流型 由于塔径大于800mm，所以采用单溢流型分块式塔板。6.2 塔板尺寸选取，而（0.60.8）所以（0.720.96），取即然后根据上表弓形降液管的宽度与面积即可查出，从而计算出：塔板总面积弓形溢流管宽度弓形降液管面积验算： 液体在精馏段降液管内的停留时间 液体在精馏段降液管内的停留时间 6.3 弓形降液管6.3.1 堰上液流高度 本设计采用平堰，则堰上液头高应在（660mm之间）。对于平堰，则堰上液头高可用佛兰西斯公式计算：对于式中液流收缩系数E可用下表差得则计算当平堰上液头高时，堰上溢流会不稳定，需改为齿形堰。6.3.2 堰高 采用平直堰，一般应使塔板上得清夜层高度50100mm，而清夜层高度，因此有：取，则6.3.3 溢流管底与塔盘间距离h0 因，而若取精馏段取，那么液体通过降液管底隙时的流速为 （舍弃）若取精馏段取，那么液体通过降液管底隙时的流速为 的一般经验数值为所以取6.4 浮阀数目及排列采用F1型重阀，重量为33g，孔径为39mm。6.4.1 浮阀数目阀孔数n取决于操作时的阀孔气速，而由阀孔动能因数决定。浮阀数目气体通过阀孔时的速度一般811，对于不同工艺条件，也可以适当调整。取动能因数，那么，因此个6.4.2 排列阀孔的排列方式有正三角形排列和等腰三角形排列。若按等边三角形排列：孔心距（常用有：75mm，100mm，125mm，150mm）阀孔面积：开孔鼓泡区面积：则计算可得到取时画出的阀孔数目只有60个，不能满足要求，取画出阀孔的排布图如图1所示，其中图中，通道板上可排阀孔41个，弓形板可排阀孔24个，所以总阀孔数目为个6.4.3 校核气体通过阀孔时的实际速度：实际动能因数：(在912之间)开孔率：开孔率在10%14之间，满足要求。4.3 塔高的计算塔的高度可以由下式计算： 已知实际塔板数为块，板间距由于料液较清洁，无需经常清洗，可取每隔8块板设一个人孔，则人孔的数目为： 个取人孔两板之间的间距，则塔顶空间，塔底空间，进料板空间高度，那么，全塔高度：6. 流体力学验算6.1 气体通过浮阀塔板的压力降(单板压降)气体通过浮阀塔板的压力降(单板压降)6.1.1 干板阻力浮阀由部分全开转为全部全开时的临界速度为：因为所以6.1.2 板上充气液层阻力取板上液层充气程度因数，那么：6.1.3 由表面张力引起的阻力由表面张力导致的阻力一般来说都比较小，所以一般情况下可以忽略，所以：6.2 漏液验算动能因数，相应的气相最小负荷为：其中所以可见不会产生过量漏液。6.3 液泛验算溢流管内的清液层高度其中，所以，为防止液泛，通常，取校正系数，则有：可见，即不会产生液泛。6.4 雾沫夹带验算泛点率=查得物性系数，泛点负荷系数所以，泛点率=可见，雾沫夹带在允许的范围之内7. 操作性能负荷图7.1 雾沫夹带上限线取泛点率为80%代入泛点率计算式，有：整理可得雾沫夹带上限方程为： 7.2 液泛线液泛线方程为其中，代入上式化简后可得：7.3 液体负荷上限线取，那么7.4 漏液线取动能因数，以限定气体的最小负荷： 7.5 液相负荷下限线取代入的计算式：整理可得：7.6 操作性能负荷图由以上各线的方程式，可画出图塔的操作性能负荷图。根据生产任务规定的气液负荷，可知操作点P(0.00146，1.103)在正常的操作范围内。连接OP作出操作线，由图可知，该塔的雾沫夹带及液相负荷下限，即由漏液所控制。由图可读得：所以，塔的操作弹性为有关该浮阀塔的工艺设计计算结果汇总于表7表7 浮阀塔工艺设计计算结果项目数值与说明备注塔径1.0板间距0.4塔板型式单溢流弓形降液管分块式塔板空塔气速1.476溢流堰长度0.705溢流堰高度0.05板上液层高度0.01降液管底隙高度0.025浮阀数个89等腰三角形叉排阀孔气速10.38阀孔动能因数5临界阀孔气速10.32孔心距0.075同一横排的孔心距排间距0.065相临二横排的中心线距离单板压降564.7液体在降液管内的停留时间41.8精馏段12.6提馏段降液管内的清液高度0.1297泛点率，%63.4气相负荷上限1.65雾沫夹带控制气相负荷下限0.57漏夜控制开孔率，%13.5操作弹性2.898. 各接管尺寸的确定8.1 进料管进料体积流量取适宜的输送速度，故经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规格：实际管内流速：8.2 釜残液出料管釜残液的体积流量：取适宜的输送速度，则 经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规格：实际管内流速：8.3 回流液管回流液体积流量 利用液体的重力进行回流，取适宜的回流速度，那么经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规格：实际管内流速：8.4 塔顶上升蒸汽管塔顶上升蒸汽的体积流量： 取适宜速度，那么经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规格：实际管内流速：8.5 水蒸汽进口管通入塔的水蒸气体积流量： 取适宜速度，那么经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规格：实际管内流速：参考资料：1 华东理工大学化工原理教研室编. 化工过程设备及设计. 广州：华南理工大学出版社. 1996.022 天津大学化工原理教研室编. 化工原理(下). 天津：天津大学出版社. 1999.04