1、 南京工業(yè)大學(xué)化工原理課程設(shè)計設(shè)計題目 常壓甲醇水篩板精餾塔設(shè)計 學(xué)生姓名 化工1005 班級、學(xué)號 化工10011005 指導(dǎo)教師姓名 居沈貴 黃莉 課程設(shè)計時間2012年12月24日-2013年1月4日 課程設(shè)計成績百分制 權(quán)重設(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、設(shè)計過程表現(xiàn)、設(shè)計答辯及回答問題情況，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 常壓甲醇水篩板精餾塔的設(shè)計 學(xué)生姓名 化工1005 專業(yè) 化學(xué)工程與工藝 班級學(xué)號 10011005 設(shè)計日期 2012 年 12月 24 日至 2013 年1月 4日設(shè)計

2、條件及任務(wù)：設(shè)計體系：甲醇水體系設(shè)計條件: 進(jìn)料量F= 240 kmol/h進(jìn)料濃度ZF= 0.25 （摩爾分?jǐn)?shù)，下同）進(jìn)料狀態(tài)：q 1 操作條件：塔頂壓強(qiáng)為4 kPa(表壓)，單板壓降不大于0.7kPa。塔頂冷凝水采用深井水，溫度t12。塔釜加熱方式：間接蒸汽加熱采用3kgf/cm2水蒸汽。 全塔效率ET = 52%分離要求： XD= 0.995（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；XW= 0.002（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；回流比R/Rmin =1.6 。指導(dǎo)教師 2012年12月24日 緒論1一.化工原理課程設(shè)計的目的與要求1二.化工原理課程設(shè)計的基本內(nèi)容1三化工原理課程設(shè)計的基本程序1第一節(jié)概述21.1精餾操作對設(shè)備的要

3、求21.2 體系介紹21.3板式塔類型4泡罩塔41.3.2 篩板塔5浮閥塔51.4 設(shè)計要求51.5精餾塔的設(shè)計步驟6第二節(jié)設(shè)計方案的確定62.1操作條件的確定62.1.1 操作壓力62.1.2 進(jìn)料狀態(tài)62.1.3 加熱方式72.1.4 冷卻劑與出口溫度72.1.5 回流比（R）的選擇7熱能的利用72.2 確定設(shè)計方案的原則8第三節(jié) 板式精餾塔的工藝計算81理論塔板數(shù)的計算與實際板數(shù)的確定81.1 理論板數(shù)計算81.1.1 物料衡算81.1.2 q線方程91.1.3 Rmin和R的確定91.1.4 精餾段操作線方程的確定9精餾段和提餾段氣液流量的確定9提餾段操作線方程的確定101.1.7 逐

4、板計算法10MT圖解法121.2實際板層數(shù)的確定(以逐板計算法為依據(jù))132精餾塔操作條件計算142.1操作壓強(qiáng)的選擇142.2操作溫度的計算142.3塔內(nèi)物料平均分子量、張力、流量及密度的計算152.3.1 密度及流量15液相表面張力的確定：162.3.3 液體平均粘度計算173 塔徑的確定184.塔有效高度215.整體塔高216.塔板主要工藝參數(shù)確定226.1溢流裝置22堰長lw23出口堰高h(yuǎn)w23弓形降液管寬度Wd和面積Af25降液管底隙高度266.2塔板布置及篩孔數(shù)目與排列27塔板的分塊27邊緣區(qū)寬度確定27開孔區(qū)面積計算 篩孔計算及其排列277.篩板的力學(xué)檢驗297.1塔板壓降29干

5、板阻力計算29液體表面張力的阻力計算計算30氣體通過每層塔板的液柱高317.2 液面落差327.3液沫夾帶327.4漏液337.5液泛348.塔板負(fù)荷性能圖358.1漏液線358.2液沫夾帶線368.3液相負(fù)荷下限線378.4液相負(fù)荷上限線378.5液泛線388.6操作彈性399. 輔助設(shè)備及零件設(shè)計409.1塔頂冷凝器（固定管板式換熱器）40估計換熱面積40計算流體阻力42殼程流體阻力43計算傳熱系數(shù)439.2塔底再沸器：449.3原料預(yù)熱器459.4 管道設(shè)計與選擇45塔頂回流管459.4.2 塔頂蒸汽出口管46塔頂產(chǎn)品出口管469.4.4 進(jìn)料管469.4.5 塔釜出料管479.4.6

6、塔釜回流管479.4.7 塔釜產(chǎn)品出料管489.4.8 冷凝水管489.5 泵499.5.1 進(jìn)料泵499.5.2 回流泵4910.設(shè)計結(jié)果匯總5011. 參考文獻(xiàn)及設(shè)計手冊52第四節(jié)設(shè)計感想53緒論一. 化工原理課程設(shè)計的目的與要求1. 提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行化工工藝設(shè)計的能力。2. 提高學(xué)生分析問題和獨立工作的能力。3. 培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的工作作風(fēng)。4. 提高學(xué)生工程繪圖的能力。二. 化工原理課程設(shè)計的基本內(nèi)容1. 設(shè)計方案的確定:所選定的工藝流程設(shè)備形式等的理論依據(jù)。2. 主要設(shè)備的化工工藝及結(jié)構(gòu)計算:物料衡算、能量衡算、工藝參數(shù)的選定、設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定

7、等。3. 附屬設(shè)備的設(shè)計或選型：主要附屬設(shè)備的主要工藝尺寸的計算和設(shè)備型號規(guī)格的選定4. 工藝流程圖：以單線圖的形式描繪，標(biāo)出主體設(shè)備與附屬設(shè)備的物料流向、物流量和主要測量點等，用2號圖紙繪制。5. 主要設(shè)備裝配圖：圖面應(yīng)包括設(shè)備的工藝尺寸主要零部件的結(jié)構(gòu)尺寸、技術(shù)特性表和接管表等，用1號圖紙按工程制圖要求繪制。6. 設(shè)計說明書：包括目錄、設(shè)計任務(wù)書、流程圖、設(shè)計方案的說明與論證、設(shè)計計算與說明、對設(shè)計中有關(guān)問題的分析討論、設(shè)計結(jié)果匯總（主要設(shè)備尺寸各物料量和狀態(tài)能耗主要操作參數(shù)以及附屬設(shè)備的規(guī)格型號等）和參考文獻(xiàn)目錄。三化工原理課程設(shè)計的基本程序1.準(zhǔn)備工作：認(rèn)真閱讀設(shè)計任務(wù)書，明確所要完成

8、的設(shè)計任務(wù)。結(jié)合設(shè)計任務(wù)進(jìn)行生產(chǎn)實際的調(diào)研，收集現(xiàn)場資料，或查閱技術(shù)資料，以便了解與設(shè)計任務(wù)有關(guān)的典型裝置的工藝流程主體設(shè)備結(jié)構(gòu)附屬設(shè)備及測量控制儀表的裝配情況等，為后面的設(shè)計工作做好準(zhǔn)備。2.確定設(shè)計方案，繪制工藝流程圖。3.進(jìn)行工藝設(shè)計計算。4進(jìn)行設(shè)備的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計，繪制主體設(shè)備的總裝配圖。5.進(jìn)行附屬設(shè)備的設(shè)計計算和選型。6.編寫設(shè)計說明書。第一節(jié) 概述1.1精餾操作對設(shè)備的要求精餾所進(jìn)行的是氣(汽)、液兩相之間的傳質(zhì)，而作為氣(汽)、液兩相傳質(zhì)所用的塔設(shè)備，首先必須要能使氣(汽)、液兩相得到充分的接觸，以達(dá)到較高的傳質(zhì)效率。但是，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)和需要，塔設(shè)備還得具備下列各種基本要求：

9、 氣(汽)、液處理量大，即生產(chǎn)能力大時，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞操作的現(xiàn)象。 操作穩(wěn)定，彈性大，即當(dāng)塔設(shè)備的氣(汽)、液負(fù)荷有較大范圍的變動時，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進(jìn)行穩(wěn)定的操作并應(yīng)保證長期連續(xù)操作所必須具有的可靠性。 流體流動的阻力小，即流體流經(jīng)塔設(shè)備的壓力降小，這將大大節(jié)省動力消耗，從而降低操作費(fèi)用。對于減壓精餾操作，過大的壓力降還將使整個系統(tǒng)無法維持必要的真空度，最終破壞物系的操作。 結(jié)構(gòu)簡單，材料耗用量小，制造和安裝容易。 耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、調(diào)節(jié)和檢修。 塔內(nèi)的滯留量要小。實際上，任何塔設(shè)備都難以滿足上述所有要求，況且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔

10、型各有某些獨特的優(yōu)點，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)物系性質(zhì)和具體要求，抓住主要矛盾，進(jìn)行選型。1.2 體系介紹常壓下甲醇與水的二元溶液就屬正偏差溶液。由于對于一定的x值，其兩組分的蒸汽壓均比理想溶液計算的值偏高，必然泡點比理想溶液的低，在t-x-y圖中其泡點線除兩端點外均下移，使泡點線與露點線之間的間距增大，亦即使a增大。甲醇水體系汽液平衡數(shù)據(jù) (101.325kPa)：參考課程設(shè)計數(shù)據(jù)t/xya100.00.000.0096.40.020.1347.5893.50.040.237.1791.20.060.3046.8489.30.080.3656.6187.70.100.41864684.40.150.51

11、76.0781.70.200.5795.50780.300.6654.6375.30.400.7294.0473.10.500.7793.5271.20.600.8253.1469.30.700.872.8667.50.800.9152.69660.900.9582.53650.950.9792.4564.51.01.0備注：，算得常壓下不同溫度時甲醇對水的相對揮發(fā)度。常壓下甲醇-水物系的t-x-y圖與y-x圖如下圖所示：1.3板式塔類型氣液傳質(zhì)設(shè)備主要分為板式塔和填料塔兩大類。精餾操作既可采用板式塔，也可采用填料塔。板式塔為逐級接觸型氣液傳質(zhì)設(shè)備，其種類繁多，根據(jù)塔板上氣液接觸元件的不同，可

12、分為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮動舌形塔和浮動噴射塔等多種。板式塔在工業(yè)上最早使用的是泡罩塔(1813年)、篩板塔(1832年)，其后，特別是在本世紀(jì)五十年代以后，隨著石油、化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了大批新型塔板，如S型板、浮閥塔板、多降液管篩板、舌形塔板、穿流式波紋塔板、浮動噴射塔板及角鋼塔板等。目前從國內(nèi)外實際使用情況看，主要的塔板類型為浮閥塔、篩板塔及泡罩塔，而前兩者使用尤為廣泛。 1.3.1泡罩塔泡罩塔板是工業(yè)上應(yīng)用最早的塔板，其主要原件為升氣管及泡罩。泡罩安裝在升氣管的頂部，分圓形和條形兩種，國內(nèi)應(yīng)用較多的是圓形泡罩。泡罩尺寸分為、三種，可根據(jù)塔徑的大小選

13、擇。通常塔徑小于1000mm，選用的泡罩；塔徑大于2000mm，選用的泡罩。泡罩篩板的主要優(yōu)點是操作彈性較大，液汽范圍大，不易堵塞，適于處理各種物料，操作穩(wěn)定可靠。其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高；板上液層厚，塔板壓降大，生產(chǎn)能力及板效率較低。近年來，泡罩塔板已逐漸被篩板、浮閥塔板所取代。在設(shè)計中除特殊需要（如分離黏度大、易結(jié)焦等物系）外一般不宜選用。1.3.2 篩板塔篩孔塔板簡稱篩板，結(jié)構(gòu)特點為塔板上開有許多均勻的小孔。根據(jù)孔徑的大小分為小孔徑篩板（孔徑為3到8mm）和大孔徑篩板（孔徑為10到25mm）兩類。工業(yè)應(yīng)用中以小孔徑篩板為主，大孔徑篩板多用于某些特殊場合（如分離黏度大、易結(jié)焦的物系）。篩板

14、的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，造價低；板上液面落差小，氣體壓降低，生產(chǎn)能力大；氣體分散均勻，傳質(zhì)效率高。其缺點是篩孔易堵塞，不宜處理易結(jié)焦，黏度大的物料。應(yīng)予指出，盡管篩板傳質(zhì)效率高，但若設(shè)計和操作不當(dāng)，易產(chǎn)生漏液，使得操作彈性減小，傳質(zhì)效率下降，故過去工業(yè)上應(yīng)用較為謹(jǐn)慎。近年來，由于設(shè)計和控制水平的不斷提高，可使篩板的操作非常精確，彌補(bǔ)了上述不足，故應(yīng)用日趨廣泛。在確保精確設(shè)計和采用先進(jìn)控制手段的前提下，設(shè)計中可大膽選用。1.3.3浮閥塔浮閥塔板是在泡罩塔板和篩孔塔板的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它吸收了兩種塔板的優(yōu)點。其結(jié)構(gòu)特點是在塔板上開有若干個閥孔，每個閥孔裝有一個可以上下浮動的閥片。氣流從浮閥周邊水平的進(jìn)

15、入塔板上液層，浮閥可根據(jù)氣流流量的大小而上下浮動，自行調(diào)節(jié)。浮閥的類型很多，國內(nèi)常用的有F1型、V-4型及T型等，其中以F1型浮閥應(yīng)用最為普遍。浮閥塔板的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、造價低；塔板開孔率大，生產(chǎn)能力大；由于閥片可隨氣量變化自由升降，故操作彈性大；因上升氣流水平吹入液層，氣液接觸時間較長，故塔板效率較高。其缺點是處理易結(jié)焦、高黏度的物料時，閥片易于塔板粘結(jié)；在操作過程中有時會發(fā)生閥片脫落或卡死等現(xiàn)象，使塔板效率和操作彈性下降。應(yīng)予指出以上介紹的僅是幾種較為典型的浮閥形式。由于浮閥具有生產(chǎn)能力大，操作彈性大及塔板效率高等優(yōu)點，且加工方便，故有關(guān)浮閥塔板的研究開發(fā)遠(yuǎn)較其他形式的塔板廣泛，

16、是目前新型塔板研究開發(fā)的主要方向。近年來研究開發(fā)出的新型浮閥有船型浮閥、管型浮閥、梯形浮閥、雙層浮閥、V-V浮閥、混合浮閥等，其共同的特點是加強(qiáng)了流體的導(dǎo)向作用和氣體的分散作用，使氣液兩相的流動更趨于合理，操作彈性和塔板效率得到進(jìn)一步的提高。但應(yīng)指出，在工業(yè)應(yīng)用中，目前還多采用F1型浮閥，其原因是F1型浮閥已有系列化標(biāo)準(zhǔn)，各種設(shè)計數(shù)據(jù)完善，便于設(shè)計和對比。而采用新型浮閥，設(shè)計數(shù)據(jù)不夠完善，給設(shè)計帶來一定的困難，但隨著新型浮閥性能測定數(shù)據(jù)的不斷發(fā)表及工業(yè)應(yīng)用的增加，其設(shè)計數(shù)據(jù)會不斷完善，在較完善的性能數(shù)據(jù)下，設(shè)計中可選用新型浮閥。1.4 設(shè)計要求設(shè)計條件：體系：甲醇-水體系 已知：進(jìn)料量F=24

17、0 kmol/h進(jìn)料濃度= 0.15（摩爾分?jǐn)?shù)）進(jìn)料狀態(tài)：q 1 操作條件：塔頂壓強(qiáng)為4 kPa(表壓)，單板壓降不大于0.7kPa。塔頂冷凝水采用深井水，溫度t12；塔釜加熱方式：間接蒸汽加熱 全塔效率ET = 52%分離要求： = 0.995 ；= 0.002 ；回流比/ =1.6 。1.5精餾塔的設(shè)計步驟a) 根據(jù)設(shè)計任務(wù)和工藝要求，確定設(shè)計方案；b) 根據(jù)設(shè)計任務(wù)和工藝要求，選擇塔板類型；c) 確定塔徑、塔高等工藝尺寸d) 進(jìn)行塔板的設(shè)計，包括溢流裝置的設(shè)計塔板的布置升氣道（泡罩篩孔或浮閥等）的設(shè)計及排列；e) 進(jìn)行流體力學(xué)驗算；f) 繪制塔板的負(fù)荷性能圖；g) 根據(jù)負(fù)荷性能圖，對設(shè)計

18、進(jìn)行分析，若設(shè)計不夠理想，可對某些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，重復(fù)上述設(shè)計過程，一直到滿意為止。第二節(jié) 設(shè)計方案的確定2.1操作條件的確定2.1.1 操作壓力塔的操作壓力的選擇實際上是塔頂和塔底溫度的選取問題。在塔頂產(chǎn)品的組成確定以后，塔頂?shù)臏囟群蛪毫χ荒苓x定一項。 進(jìn)料狀態(tài)若進(jìn)塔原料為過冷液體，q值大，則熱量主要由塔釜輸入，必要求蒸餾釜的傳熱面積大，設(shè)備體積大，此外，因提餾段氣液流量大，提餾段塔徑要加大。于是，冷液進(jìn)塔雖可減少理論塔板數(shù)，使塔高降低，但蒸餾釜及提餾段塔徑增大，亦有不利之處。泡點進(jìn)料時，塔的操作易于控制，不受環(huán)境影響。此外，泡點進(jìn)料，提餾段和精餾段塔徑大致相同，在設(shè)備制造上比較方便。所以根據(jù)

19、設(shè)計要求，泡點進(jìn)料，q1。 加熱方式精餾塔的設(shè)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(yīng)；由于甲醇-水體系中，甲醇是輕組分由塔頂冷凝器冷凝得到，水為重組分由塔底排出。所以本設(shè)計應(yīng)采用再沸器提供熱量，采用3kgf/cm2（溫度130）間接水蒸汽加熱。 冷卻劑與出口溫度采用深井水，入口溫度t12，由于水的出口溫度一般不能超過50左右，否則溶解于水中的無機(jī)鹽將會析出，在傳熱壁面上形成污垢而影響傳熱效果。同時考慮到塔頂產(chǎn)品與冷卻劑之間必須保持10到20的傳熱溫差，取冷卻劑出口溫度為30 回流比（R）的選擇實際操作的必須大于，但并無上限限制。選定操作時應(yīng)考慮，隨選值的增大，塔板

20、數(shù)減少，設(shè)備投資減少，但因塔內(nèi)氣、液流量L，V，L，V增加，勢必使蒸餾釜加熱量及冷凝器冷卻量增大，耗能增大，即操作費(fèi)用增大。若值過大，即氣液流量過大，則要求塔徑增大，設(shè)備投資也隨之有所增大。其設(shè)備投資操作費(fèi)用與回流比之間的關(guān)系如下圖所示。總費(fèi)用最低點對應(yīng)的值稱為最佳回流比。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)核算確定最佳值，常用的適宜R值范圍為：（1.22）。本設(shè)計考慮以上原則選用：1.6。2.1.6熱能的利用精餾過程的熱效率很低，進(jìn)入再沸器的能量的95%以上被塔頂冷凝器中冷卻介質(zhì)帶走，僅約5%的能量被有效地利用。采用熱泵技術(shù)可使塔頂蒸氣溫度提高，提高了溫度的蒸氣再用于加熱釜液，使釜液蒸發(fā)的同時，塔頂蒸氣冷凝

21、。該方法不僅可節(jié)省大量的加熱蒸汽，而且還節(jié)省了大量的冷卻介質(zhì)。當(dāng)然，塔頂蒸氣可用作低溫系統(tǒng)的熱源，或通入廢熱鍋爐產(chǎn)生低壓蒸汽，供別處使用。在考慮充分利用熱能的同時，還應(yīng)考慮到所需增加設(shè)備的投資和由此給精餾操作帶來的影響。2.2 確定設(shè)計方案的原則總的原則是盡可能多地采用先進(jìn)的技術(shù)，使生產(chǎn)達(dá)到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的要求，符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低能耗的原則，具體考慮以下幾點。滿足工藝和操作的要求    所設(shè)計出來的流程和設(shè)備能保證得到質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。由于工業(yè)上原料的濃度、溫度經(jīng)常有變化，因此設(shè)計的流程與設(shè)備需要一定的操作彈性，可方便地進(jìn)行流量和傳熱量的調(diào)節(jié)。設(shè)置必需的儀

22、表并安裝在適宜部位，以便能通過這些儀表來觀測和控制生產(chǎn)過程。滿足經(jīng)濟(jì)上的要求     要節(jié)省熱能和電能的消耗，減少設(shè)備與基建的費(fèi)用，如合理利用塔頂和塔底的廢熱，既可節(jié)省蒸汽和冷卻介質(zhì)的消耗，也能節(jié)省電的消耗。回流比對操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用均有很大的影響，因此必須選擇合適的回流比。冷卻水的節(jié)省也對操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用有影響，減少冷卻水用量，操作費(fèi)用下降，但所需傳熱設(shè)備面積增加，設(shè)備費(fèi)用增加。因此，設(shè)計時應(yīng)全面考慮，力求總費(fèi)用盡可能低一些。保證生產(chǎn)安全   生產(chǎn)中應(yīng)防止物料的泄露，生產(chǎn)和使用易燃物料車間的電器均應(yīng)為防爆產(chǎn)品。塔體大都安裝在室外，

23、為能抵抗大自然的破壞，塔設(shè)備應(yīng)具有一定剛度和強(qiáng)度。第三節(jié) 板式精餾塔的工藝計算1理論塔板數(shù)的計算與實際板數(shù)的確定1.1 理論板數(shù)計算1.1.1 物料衡算質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換：質(zhì)量分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù)0.2390.150.9950.9911460.0020.001126已知進(jìn)料量，進(jìn)料組成，進(jìn)料設(shè)計要求： 衡算方程 ： 1.1.2 q線方程 讀圖可知平衡線和q線交點為1.1.3 Rmin和R的確定1.1.4 精餾段操作線方程的確定精餾段操作線方程： 1.1.5精餾段和提餾段氣液流量的確定已知 D36.09kmol/h R2.05精餾段：LRD73.985kmol/h V（R1）D110.0745kmo

24、l/h提餾段：LLqF73.985+240=313.985kmol/h VV（1q）FV110.0745kmol/h1.1.6提餾段操作線方程的確定提餾段操作線方程：1.1.7 逐板計算法逐板計算法,就是從塔頂或塔底出發(fā),交替使用相平衡方程和操作線方程,逐板計算各理論板的氣、液相組成,直到達(dá)到規(guī)定的分離要求為止。每利用一次相平衡關(guān)系就算做一塊理論塔板，利用相平衡關(guān)系的總次數(shù)就是所需的總理論板數(shù)。根據(jù)已知條件編寫逐板計算程序，利用MATLAB程序進(jìn)行求解，運(yùn)行可得如下結(jié)果：計算結(jié)果精餾段理論塔板數(shù)為：9(塊)提餾段理論塔板數(shù)為：5.925611e+000(塊)共需理論塔板數(shù)為：1.492561e

25、+001(塊)由上往下，各塔板上的液相組成：a = Columns 1 through 11 0.9790 0.9594 0.9280 0.8779 0.8001 0.6838 0.5118 0.3054 0.1592 0.1057 0.0586 Columns 12 through 15 0.0259 0.0098 0.0033 0.0009由上往下，各塔板上的氣相組成：b = Columns 1 through 11 0.9911 0.9829 0.9698 0.9487 0.9150 0.8627 0.7845 0.6690 0.5303 0.4320 0.2995 Columns 12

26、 through 150.1652 0.0717 0.0259 0.0075操作線上的點平衡線上的點（） （）() ()（） （）() ()（） （）() ()（） （）() ()（） （）() ()（） （）() ()（） （）() ()（） （）1.1.8 MT圖解法圖解法以在y-x直角坐標(biāo)中的直角階梯法最為常用。圖解法簡單步驟：1) 首先在直角坐標(biāo)上作出恒壓下的y-x相平衡線和對角線。2) 在x軸上定出、三點，并通過三點做垂線交對角線于a、e、b三點。3) 借助于q線，作出精餾段和提餾段的操作線。4) 從點a開始在平衡線和精餾段操作線之間做梯級，當(dāng)梯級跨過兩段操作線交點d時，改在相平衡線

27、和提餾段操作線之間做梯級，直到梯級達(dá)到或跨過b點為止。5) 梯級在相平衡線上的頂點數(shù)即為所需要的理論板數(shù)。若塔頂采用分凝器，則分凝器相當(dāng)于一塊理論版，應(yīng)從總梯級數(shù)中減去1；塔底再沸器是否相當(dāng)于一塊理論板需要看再沸器的型式，一般情況下可以看做一塊理論板予以扣除。6) 進(jìn)料板相當(dāng)于跨過交點d的梯級。讀圖可知：精餾段理論板數(shù)9塊，提餾段理論板數(shù)=6塊1.2實際板層數(shù)的確定(以逐板計算法為依據(jù))2精餾塔操作條件計算2.1操作壓強(qiáng)的選擇 應(yīng)該根據(jù)處理物料的性質(zhì)，兼顧技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性原則。對熱敏物料，一般采用減壓操作，可使相對揮發(fā)度增大，利于分離，但壓力減小，導(dǎo)致塔徑增加，要使用抽空設(shè)備。對

28、于物性無特殊要求的采用常壓操作。塔頂壓力 單板壓降進(jìn)料板壓力塔底壓力精餾段平均壓力提餾段平均壓力2.2操作溫度的計算泡點進(jìn)料： 通過“t-x-y”圖查得：進(jìn)料板溫度塔頂溫度： 塔底溫度： 精餾段平均溫度提餾段平均溫度2.3塔內(nèi)物料平均分子量、張力、流量及密度的計算 密度及流量設(shè)甲醇為a，水為b甲醇分子量為：32.04kg/kmol ()水的分子量為：18.01 kg/kmol ()、精餾段精餾段平均溫度74.6查t-x-y圖得 xa0.435，ya0.748查表得：= 738.2(按飽和液體計)，液相平均分子量：氣相平均分子量：液相密度： 氣相密度：（氣相視為理想氣體）液相流量： 氣相流量：

29、、提餾段提餾段平均溫度：91.7查t-x-y圖得液相平均分子量：氣相平均分子量：液相密度：氣相密度：（氣相視為理想氣體）液相流量： 氣相流量： 液相表面張力的確定：查化工原理附錄2水的物理性質(zhì)及附錄9有機(jī)液體的表面張力共線圖知：塔頂液相表面張力, 進(jìn)料板液相表面張力, 塔底液相表面張力，精餾段平均液相表面張力提餾段平均液相表面張力全塔平均液相表面張力 液體平均粘度計算塔頂液體粘度:,進(jìn)料板液體粘度:,塔釜液體粘度:,精餾段平均液相粘度提餾段平均液相粘度全塔平均液相粘度3 塔徑的確定3.1精餾段設(shè) 0.021 由圖12-41得到0.146允許有效空塔速度取安全系數(shù)為0.6, 0.6=2.3m/s

30、圓整取塔徑為1.0m實際空塔氣速即初步核算：霧沫夾帶： 取 查圖可知 0.05668m2 液層上部的氣體速度 ， 停留時間：自以上兩項核算初步認(rèn)為塔徑取1.0m是合適的。3.2提餾段 設(shè) =0.45m,=0.06m0.075 由圖12-41得到0.0080.098允許有效空塔速度0.6=1.9m/s取塔徑為1.0m，實際空塔氣速即初步核算：霧沫夾帶： 取 查圖可知 0.05668m2 液層上部的氣體速度 ， 停留時間：自以上兩項核算初步認(rèn)為塔徑取1.0m是合適的。4.塔有效高度精餾段有效高度 提餾段有效高度從塔頂開始每隔7塊板開一個人孔，其直徑為0.6米,開人孔的兩塊板間距取0.7米所以應(yīng)多加

31、高(0.7-0.6)×18/7+（0.7-0.45）（12/7）=0.514mZ=+1.4=10.2+4.95+0.514=15.7m5.整體塔高(1)塔頂空間HD取HD=1.6=0.96m加一人孔0.6米,共為1.56m(2)塔底空間塔底儲液高度依停留4min而定取塔底液面至最下層塔板之間的距離為1m，中間開一直徑為0.6米的人孔 1+0.5360=1.5360m(3)整體塔高 6.塔板主要工藝參數(shù)確定精餾塔：已知條件：T=74.6 P=111.6kPa =0.7922 =0.0006025 =1.1 =822.4 36.34mN/m =0.328mPa/ s提餾段：已知條件：T=

32、91.7 P=122.8kPa =0.7571 =0.0017531 =0.889 =934.328 56.91mN/m =0.303mPa/ s6.1溢流裝置單溢流又稱直徑流。液體自受液盤橫向流過塔板至溢流堰。此種溢流方式液體流徑較長，塔板效率較高，塔板結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，在直徑小于2.2m的塔中被廣泛使用。選用單溢流弓形管降液管，不設(shè)進(jìn)口堰,采用凹形受液盤。堰長lw精餾段： 堰長 0.66m提餾段： 堰長 0.66m出口堰高h(yuǎn)w精餾段：求 由圖12-48查得E=1.03 0.0065m應(yīng)大于6mm，不宜大于70mm。求前面已假設(shè)： 故取為0.05。提餾段：求 由圖12-48查得E=1.04

33、 0.0133m求前面已假設(shè)： 故取為0.05。弓形降液管寬度Wd和面積Af精餾段：求液面梯降由圖12-46得=內(nèi)外堰間距離取 查圖可知 0.05668m2 液層上部的氣體速度 ， 停留時間：提餾段：求液面梯降由圖12-46得=內(nèi)外堰間距離取 查圖可知 0.05668m2 液層上部的氣體速度 ， 停留時間：6.1.4降液管底隙高度降液管底隙高度是指降液管下端與塔板間的距離，以表示降液管底隙高度應(yīng)低于出口堰高，才能保證降液管底端有良好的液封，一般不應(yīng)低于6mm。即=-0.006也可按下式計算： 式中-液體通過底隙時的流速，m/s。根據(jù)經(jīng)驗，一般取=（0.07，0.25）m/s。精餾段：取=12m

34、m提餾段：取=0.1m/s，得=26mm6.2塔板布置及篩孔數(shù)目與排列6.2.1塔板的分塊D800mm，故塔板采用分層，查表塔板分為3塊。6.2.2邊緣區(qū)寬度確定精餾段： 查表10-33弓形寬度與面積 取0.07m,0.05m。提餾段： 查表10-33弓形寬度與面積 取0.07m,0.05m。6.2.3開孔區(qū)面積計算 篩孔計算及其排列精餾段：取則t=12mm對單溢流型塔板，開孔區(qū)面積可用下式計算，即查表10-33弓形寬度與面積 取0.07m,0.05m。0.306m0.45m0.306/0.45=0.68得 0.5046 篩孔按正三角形排列，篩孔數(shù)目開孔率為氣體通過閥孔的氣速為提餾段：取則t=

35、12mm對單溢流型塔板，開孔區(qū)面積可用下式計算，即查表10-33弓形寬度與面積 取0.07m,0.05m。0.306m0.45m0.306/0.45=0.68得 0.5046篩孔按正三角形排列，篩孔數(shù)目開孔率為氣體通過閥孔的氣速為7.篩板的力學(xué)檢驗 7.1塔板壓降7.1.1干板阻力計算精餾段：甲醇-水體系無腐蝕性，可選用碳鋼板取，由圖12-58得提餾段：取，由圖12-58得7.1.2液體表面張力的阻力計算計算精餾段：表面張力壓頭提餾段：表面張力壓頭7.1.3氣體通過每層塔板的液柱高精餾段： 由圖12-59得液層的有效阻力0.046m液柱則提餾段： 由圖12-59得液層的有效阻力0.05m液柱則

36、7.2 液面落差對于D1.6m的篩板，液面落差可以忽略不計。7.3液沫夾帶精餾段：0.0025，符合要求。提餾段：，符合要求。7.4漏液精餾段：下限氣速 K=即按漏液氣速考慮的負(fù)荷下限為設(shè)計負(fù)荷值的59.5%。K值應(yīng)大于1，宜在1.5及2.0之間，塔的操作可有較大彈性。提餾段：下限氣速 K=即按漏液氣速考慮的負(fù)荷下限為設(shè)計負(fù)荷值的66%。K值應(yīng)大于1，宜在1.5及2.0之間，塔的操作可有較大彈性。7.5液泛精餾段：降液管內(nèi)液面高度 =0.0565+0.0008854+0.0741=0.131486m液柱為了防止液泛現(xiàn)象，應(yīng)使 式中 故不可能產(chǎn)生降液管內(nèi)液泛。提餾段：降液管內(nèi)液面高度 =0.06

37、33+0.001597+0.07154=0.136437m液柱為了防止液泛現(xiàn)象，應(yīng)使 式中 故不可能產(chǎn)生降液管內(nèi)液泛。8.塔板負(fù)荷性能圖8.1漏液線下限氣速得精餾段：=得=提餾段：=得=8.2液沫夾帶線以kg液/kg汽為限求-關(guān)系：由精餾段：0.125+2.266提餾段： 0.125+2.2888.3液相負(fù)荷下限線對于平流堰，取堰上液層高度how=0.006m作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)，由式計算整理得 精餾段 提餾段 精餾段 提餾段 8.4液相負(fù)荷上限線以=5s作為液體在降液管中停留的下限故精餾段： 提餾段： 8.5液泛線由，得其中精餾段： 精餾段所以精餾段： 提餾段： 提餾段所以提餾段： 8.6操

38、作彈性由圖，故精餾段操作彈性為 /=3.4 由圖，故提餾段操作彈性為/=3.43 精餾段提餾段操作彈性均大于3小于5,符合要求。9. 輔助設(shè)備及零件設(shè)計9.1塔頂冷凝器（固定管板式換熱器）甲醇-水走殼程，冷凝水走管程，采用逆流形式估計換熱面積甲醇-水冷凝蒸汽的數(shù)據(jù)tD=64.7 冷凝蒸汽量：壓力105.3KPa 溫度64.7 甲醇冷凝潛熱.,r=1100.18KJ/kg 冷凝水始溫為12，取冷凝器出口水溫為20，在平均溫度物性數(shù)據(jù)如下（甲醇在膜溫40.3下，水在平均溫度16下）（kg/m3）Cp(KJ/kg.)Pa.s(w/(m.)甲醇-水1.24.2115450.1888水998.954.1

39、874110.8×10-50.5912a. 設(shè)備的熱參數(shù)：b冷卻水的流量：c平均溫度差：根據(jù)“傳熱系數(shù)K估計表”取K=1100W/(m2.) 傳熱面積的估計值為：將此面積作為公稱面積，在化工原理附錄中選擇換熱器，并列出所選擇的換熱器參數(shù)。公稱直徑DN/mm400公稱面積/m220公稱壓力 PN/（MPa）0.6換熱管尺寸/mm25管子排列方法正三角形管長/m3管子外徑/mm25管數(shù)n/根86管程數(shù)N4殼程數(shù)1管程通道面積/m20.00692按上列數(shù)據(jù)核算管程、殼程的流速及Re:（一）管程流通截面積：管內(nèi)水的流速（二）殼程 單程按正三角形排列取管心距橫過管束中心線的管數(shù) 取=11流通截

40、面積：殼內(nèi)甲醇-水流速 當(dāng)量直徑 計算流體阻力管程流體阻力結(jié)垢校正系數(shù)，無因次。的換熱管取1.4 N=1 設(shè)管壁粗糙度為0.1mm，則/=0.005,查得摩擦系數(shù)=0.022 符合一般要求殼程流體阻力 Re=907>500，故管子排列為正三角形排列，取F=0.5擋板數(shù) 5塊 代入得 取污垢校正系數(shù)F=1.0故管殼程壓力損失均符合要求計算傳熱系數(shù)管程對流給熱系數(shù)膜的雷諾數(shù)所以為垂直湍流管管內(nèi)流體強(qiáng)制湍流時的給熱系數(shù)為Pr=7.85殼程對流給熱系數(shù)膜層湍流時冷凝給熱系數(shù)Re=1992計算傳熱系數(shù)取污垢熱阻 Rs0.15m/kW Rs=0.58 m/kW以管外面積為基準(zhǔn) 則K=1.3kW/(m

41、2.)計算傳熱面積 A=17.2m2所選換熱器實際面積為A=n=20.3m2裕度所選換熱器合適9.2塔底再沸器：計算熱負(fù)荷：考慮到5%的熱損失后 選用0.2MPa飽和水蒸氣加熱，因兩側(cè)均為恒溫相變 取傳熱系數(shù)K=1000W/（m2.K）估算傳熱面積取安全系數(shù)0.8，實際傳熱面積A=183/0.8=228.8m29.3原料預(yù)熱器原料加熱：采用壓強(qiáng)為270.25kPa的飽和水蒸汽加熱，溫度為130，冷凝溫度至130流體形式，采用逆流加熱 查表Cp甲醇=2.48 kJ/(kgK) Cp水=4.183 kJ/(kgK)摩爾分?jǐn)?shù) xF=0.15根據(jù)上式可知：Cpc=2.48×0.15+4.13

42、8×0.85=3.8893kJ/(kgK)設(shè)加熱原料溫度由20到84.5 考慮到5%的熱損失后選擇傳熱系數(shù)K=800 w/(m2K)計算傳熱面積：取安全系數(shù)為0.8 A實際=6.05/0.8=7.6m29.4 管道設(shè)計與選擇塔頂回流管回流液體積流量利用液體的重力進(jìn)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：57mm3.5mm實際管內(nèi)流速： 塔頂蒸汽出口管取蒸汽流速為30m/s,經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管，規(guī)格：219mm15mm實際管內(nèi)流速：9.4.3塔頂產(chǎn)品出口管設(shè)產(chǎn)品流速為1.5m/s,經(jīng)圓整選取冷拔無縫鋼管，規(guī)格：25mm3mm實際管內(nèi)流速：9.4.4 進(jìn)料管進(jìn)料液

43、密度設(shè)進(jìn)料流速為1.0m/s,經(jīng)圓整選取冷拔無縫鋼管，規(guī)格：45mm1mm實際管內(nèi)流速： 塔釜出料管 取適宜的輸送速度uw=0.8m/s則經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管，規(guī)格：45mm2.5mm實際管內(nèi)流速： 塔釜回流管取適宜的輸送速度uw=0.5m/s則經(jīng)圓整選取冷拔無縫鋼管，規(guī)格：40mm1.5mm實際管內(nèi)流速： 塔釜產(chǎn)品出料管釜殘液的體積流量：取適宜的輸送速度uw=0.8m/s則經(jīng)圓整選取熱軋無縫鋼管，規(guī)格：45mm2.5mm實際管內(nèi)流速： 冷凝水管深井水溫度為12，水的物性數(shù)據(jù)：=999.4kg/m3,=,=深井水的質(zhì)量流率，取流速為2m/s管徑選取 159×4.5mm熱軋無縫鋼管實

44、際流速為m/s9.5 泵 進(jìn)料泵流量管路壓降每100m下降9807Pa。精餾塔高度18.8m 進(jìn)料口高度 6.486m。儲罐液面高度取0.5m。 泵的性能參數(shù)：型號IS65-40-200流量/(m3/h)揚(yáng)程/m轉(zhuǎn)速/(r/min)汽蝕余量/m泵效率/%軸功率/KW7.513.214502.0430.63 回流泵流量管路壓降每100m下降9807Pa。第一塊板高度17.24m 冷凝器高度放在第三層樓上H1=11m。 泵的性能參數(shù)：型號IS50-32-160流量/(m3/h)揚(yáng)程/m轉(zhuǎn)速/(r/min)汽蝕余量/m泵效率/%軸功率/KW3.75814502.0480.2810.設(shè)計結(jié)果匯總參數(shù)符

45、號參數(shù)名稱精餾段提餾段T m (C)平均溫度74.691.7P m (kpa)平均壓力111.6122.8M Lm(kg/kmol)液相平均摩爾質(zhì)24.1118.78M Vm(g/kmol)氣相平均摩爾質(zhì)量28.5021.97lm (kg/m)液相平均密度822.4934.328vm (kg/m)氣相平均密度1.10.889m (dyn/cm)液體平均表面張力36.3456.91m (mpa·s)液體平均粘度0.3280.303Vs(m/s)氣相流量0.79220.7571Ls (m/s)液相流量0.00060250.0017531N實際塔板數(shù)1812Z( m)有效段高度10.24.

46、95D(m)塔徑1.01.0H T(m)板間距0.60.45 (m)板厚0.0030.003溢流形式單溢流單溢流降液管形式弓形弓形溢流堰平行平行l(wèi) W (m)堰長0.660.66h W (m)堰高0.050.05hl (m)板上液層高度0.05650.0633h OW (m)堰上液層高度0.00650.01333h O (m)降液管底隙高度0.0120.026W d (m)降液管寬度0.1240.124W s (m)安定區(qū)寬度0.070.07W c (m)邊緣區(qū)高度0.050.05Aa (m2 )有效傳質(zhì)面積0.50460.5046A T (m)塔橫截面積0.7850.785A f (m)降液區(qū)面積0.056680.05668A O （m）篩孔面積0.0509650.050965d O（m）篩孔直徑0.0040.004t（m）孔中心距0.0120.012n篩孔數(shù)目40484048（%）開孔率10.110.1U （m/s）空塔氣速1.0090.965U O （m/s）篩孔氣速15.615K穩(wěn)定系數(shù)1.681.5H c （m液柱）干板阻力0.02360.01533H l （m液柱）液體有效阻力Hl0.0460.05H（m液柱）液體表面張力阻力0.00450.00621H p （m液柱）總阻力0.07410.07154P（