1、化工原理課程設計題目：常壓乙醇-甲醇連續(xù)精餾篩板塔的設計學生姓名：王月指導老師：周理明、仇偉學院： 化學工程學院 班級： 過控141 學號： 2014071971時間： 2017.3.06-2017.3.19 院系： 化學工程學院 專業(yè)： 過程裝備及控制工程 姓名： 王月 學號： 2014071971 班級： 過控141 實習性質： 設計 實習地點： 教室 寢室 圖書館 指導教師：仇偉 周理明 成績： 課程設計題目：常壓乙醇-甲醇連續(xù)精餾篩板塔的設計目 錄第1章 設計任務書/1-21.1 設計題目11.2 設計任務11.3 操作條件11.4設計內容及要求21.5設計時間安排2第2章 確定設計方

2、案第3章 設計條件及主要物性參數(shù)/2-53.1設計條件23.2主要物性參數(shù)23.2.1甲醇乙醇的物理性質23.2.2甲醇乙醇在不同溫度下的飽和蒸氣壓33.2.3甲醇乙醇的氣液平衡數(shù)據(jù)33.2.4甲醇乙醇在不同溫度下的密度43.2.5甲醇乙醇在不同溫度下的黏度43.2.6甲醇乙醇在不同溫度下的表面張力53.2.7甲醇乙醇在不同溫度下的汽化潛熱5第4章 工藝計算/6-104.1全塔物料衡算64.1.1料液及塔頂、塔底產品含苯摩爾分數(shù)64.1.2平均相對分子質量64.1.3物料衡算64.2塔板數(shù)的確定64.2.1理論塔板數(shù)求取64.2.2全塔效率et74.2.3實際塔板數(shù)74.3塔的工藝條件及物性數(shù)

3、據(jù)計算74.3.1操作壓強74.3.2溫度74.3.3平均相對分子質量74.3.4平均密度84.3.5液體表面張力94.3.6液體黏度94.4精餾段氣液負荷計算10第5章 設備結構設計/10-185.1塔和塔板主要工藝尺寸的設計105.1.1塔徑d 105.1.2塔板工藝結構尺寸的設計與計算115.1.2.1溢流裝置115.1.2.2塔板布置135.1.2.3篩孔數(shù)與開孔率135.1.2.4塔有效高度z145.2篩板的流體力學驗算145.2.1氣體通過篩板壓降相當?shù)囊褐叨?45.2.2霧沫夾帶量的驗算155.2.3漏液的驗算155.2.4液泛驗算165.3塔板負荷性能圖165.3.1霧沫夾帶

4、線165.3.2液泛線175.3.3液相負荷上限線185.3.4漏液線185.3.5液相負荷下限線18第6章 附屬設備類型19第7章 設計計算結果匯總表19第8章 對設計的評述及對有關問題的分析討論21參考文獻21前 言化工原理課程設計是化工原理教學的一個重要環(huán)節(jié)，是綜合應用本門課程和有關先修課程所學知識，完成以單元操作為主的一次設計實踐。通過課程設計使學生掌握的基本程序和方法，并在查閱技術資料、選用公式和數(shù)據(jù)、用簡潔文字和圖表表達設計結果、制圖以及計算機輔助計算等能力方面得到一次基本訓練，在設計過程中還應培養(yǎng)樹立正確的設計思想和實事求是、嚴肅負責的工作作風。通過本次課程設計，是對我們化工設計

5、的一個訓練，為畢業(yè)設計奠定基礎。通過課程設計我們應在下列幾個方面得到較好的培養(yǎng)和訓練：1查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)的能力。2正確選用設計參數(shù)，樹立從技術上可行和經濟上合理兩方面考慮的工程觀點，同時還需考慮到操作維修的方便和環(huán)境保護的要求。也即對于課程設計不僅要求計算正確，還要求從工程的角度綜合考慮各種因素，從總體上得到最佳結果。3正確、迅速地進行工程計算。設計計算是一個反復試算的過程，計算工作量很大，因此正確與迅速必需同時強調。4掌握的基本程序和方法，學會用簡潔的文字和適當?shù)膱D表表示自己的設計思想。 2017.3.14 第一章 設計任務書1.1 設計題目 常壓下乙醇甲醇連續(xù)精餾篩板塔的設計1

6、.2 設計任務（1）原料液中甲醇含量：60%（質量分數(shù)），其余乙醇；（2）塔頂產品中甲醇含量為95%；（3）殘液中甲醇含量不高于95%；（4）生產能力：4萬噸/年，產品產量，年開工290天。1.3 操作條件（1）精餾塔頂壓強102kpa （2）進料熱狀態(tài)：飽和（3）原料溫度：25度 （4）回流比r=1.7rmin（5）單板壓降小于0.7kpa1.4 設計內容及要求（1） 設計方案的確定及要求；（2） 塔的工藝計算（包括全塔物料衡算、塔頂、塔底溫度、精餾段和提餾段氣液負荷，塔底再沸器熱負荷，加熱蒸汽用量，塔的理論板數(shù)，實際板數(shù)。）；（3） 塔和塔板主要工藝尺寸的設計（包括塔高、塔徑以及降液管，溢

7、流堰，開孔數(shù)及開孔率。）；（4） 塔板流體力學驗算；（5） 塔板布局圖、塔板負荷性能圖；（6） 編制設計一覽表；（7） 附屬設備的設計與選型：（再沸器，回流泵，進料管，塔頂產品接管，塔底產品接管，塔頂蒸汽接管。）；（8） 編寫設備結果一覽表；（9） 繪制精餾塔設備圖，工藝流程圖；（10） 設計感想；（11） 參考文獻。1.5 設計時間安排（1）6號早上領任務書，下午查資料；（2）7-8號 工藝計算；（3）9號，塔主要工藝參數(shù)計算、設計；（4）10號，塔的流體力學驗算；（5）13號，附屬設備的設計與選型；（6）14-15號，編寫計算書；（7）16-17，繪制設備圖和工藝流程圖。 第二章 確定設計

8、方案 原料液經臥式列管式預熱器預熱至泡點后送入連續(xù)板式精餾篩板塔，塔頂上升蒸汽流采用列管式全凝器冷凝后流入回流罐，冷凝液用回流泵強制循環(huán)，一部分回流，其余作為產品經冷卻后送至甲醇儲罐；塔釜采用熱虹吸立式再沸器提供氣相流，塔釜產品經臥式列管式冷卻器冷卻后送入乙醇儲罐。第3章 設計條件及主要物性參數(shù)3.1設計條件在常壓連續(xù)篩板精餾塔中精餾分離含甲醇60%的乙醇-甲醇混合液，要求塔頂溜出液中甲醇含量不低于95%，塔底殘液中甲醇含量不高于7%。（均為質量分數(shù)）已知：生產能力4萬噸/年，年開工290天。塔頂壓強102kpa,飽和進料，原料溫度25，取回流比r=1.7rmin.單板壓降小于0.7kpa。3

9、.2主要物性參數(shù)3.2.1甲醇-乙醇的物理性質（表3-1）表 3-1 甲醇-乙醇的物理性質項目分子式相對分子質量m沸點/甲醇（a）ch3oh32.0464.7乙醇（b）ch3ch2oh46.0778.33.2.2常壓下甲醇-乙醇在不同溫度下的飽和蒸氣壓（表3-2）表 3-2 常壓甲醇-乙醇不同溫度的飽和蒸氣壓溫度/壓強/kpa物質甲醇乙醇溫度/壓強/kpa物質甲醇乙醇6499.2159.0873140.9486.7165103.1962.1574145.3689.7866107.3165.2275150.8292.8567111.5668.2976156.4495.9268115.9471.3

10、677162.2398.9969120.4774.4378168.19102.0270125.1577.579174.34105.1371129.9780.5780180.49108.272134.9483.643.2.3常壓下甲醇-乙醇的氣液平衡數(shù)據(jù)（表3-3）表 3-3 甲醇-乙醇的氣液平衡數(shù)據(jù)溫度/含量液相中甲醇的摩爾分數(shù)x/%氣相中甲醇的摩爾分數(shù)y/%溫度/含量液相中甲醇的摩爾分數(shù)x/%氣相中甲醇的摩爾分數(shù)y/%641.001.00720.340.45660.860.91740.200.28680.670.77760.080.12700.500.62780.000.003.2.4常壓不

11、同溫度下甲醇-乙醇的密度（表3-4）表 3-4 不同溫度下甲醇-乙醇的密度溫度/密度/m物質甲醇乙醇溫度/密度/m物質甲醇乙醇60761.10765.7071748.06752.8361759.92764.5372746.88751.6662758.73763.3673745.69750.4963757.55762.1974744.51749.3264756.36761.0275743.33748.1565755.17759.8576742.14746.9866753.99758.6877740.96748.8167752.81757.5178739.77744.4668751.62756.3

12、479738.58743.4769750.44755.1780737.40742.3070749.25754.003.2.5常壓甲醇-乙醇在不同溫度下的黏度（表3-5）表3-5 甲醇-乙醇在不同溫度下的黏度物質黏度/mpa*s溫度/6065707580甲醇0.3440.31720.30380.29040.277乙醇0.6010.57980.55860.51620.4953.2.6常壓甲醇-乙醇在不同溫度下的表面張力（表3-6）表3-6 甲醇-乙醇在不同溫度下的表面張力物質張力 mn/m溫度/6065707580甲醇17.3316.757516.18515.612515.04乙醇20.2519.

13、757519.26518.772518.283.2.7常壓甲醇-乙醇在不同溫度下的汽化潛熱（表3-7）表3-7 甲醇-乙醇在不同溫度下的汽化潛熱物質潛熱kj/mol溫度/6065707580甲醇35.6535.232534.81534.397533.98乙醇40.5340.0539.5739.0938.61 第四章 工藝計算4.1.全塔物料衡算4.1.1料液及塔頂、塔底產品含苯摩爾分數(shù)4.1.2平均相對分子質量mf=32.040.683(10.683)46.07=36.48751/kmolmd=32.040.9647+(10.9647)46.07=32.535259/kmolmw=32.040

14、.09766(10.09766)46.07=44.6998678/kmol4.1.3物料衡算年產量40000t，一年工作290天，一天24h,則d=5747.126/h全塔物料衡算 f=d+w fxf=dxd+wxw5747.126+w=f(1)0.6f=0.95d+0.07w (2)聯(lián)立（1）（2）解得f=9542.3978/h f=f/mf=9542.3978/36.48751=261.525kmol/hd=5747.126/h d=d/md=5747.126/32.535259=176.643kmol/hw=3795.2718/h w=w/mw=3795.2718/44.6998678=

15、84.9kmol/h4.2塔板數(shù)確定4.2.1 理論塔板數(shù)求取對于甲醇-乙醇混合物系，由于用逐板計算法計算時求解不到相平衡常數(shù)，所以用圖解法來求取理論板數(shù)。4.2.1.1由甲醇-乙醇的飽和蒸氣壓通過泡點方程，露點方程計算出氣液平衡數(shù)據(jù)，結合xf、xd、xw作x-y圖、t-x-y圖見附件1，1-1、1-2。4.2.1.2求最小回流rmin比及操作回流比r物料泡點進料，則q=1,在圖中對角線上點（xf,xf）作豎直線即為q線，該線與平衡線交點橫坐標xe=xf=0.683,查圖1-1知縱坐標為ye=0.785。,r=1.7rmin=3。則精餾段操作線方程。在圖1-1中作梯級，得精餾段塔板數(shù)為5，提餾

16、段為9.5，第6層為進料層。4.2.2全塔效率et依式 et=0.17-0.616lgm查圖1-2，塔頂溫度75.7，塔底溫度64.5，塔平均溫度為70.1。該溫度下進料液相平均黏度為：m=0.683a+(1-0.683)b=0.207+0.177=0.384et=0.17-0.616lg0.384=0.434.2.3 實際塔板數(shù)精餾段：n1=5/0.43=11.612層；提餾段：n2=9.5/0.43=22.122層。4.3塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)計算以精餾段為例進行計算，提餾段只給出最后結果。4.3.1操作壓強塔頂壓強pd=102kpa,取每層塔降p=0.7kpa。則進料板壓強：pf=102

17、+120.7=110.4kpa塔底壓強pw=110.4+220.7=125.8kpa精餾段平均操作壓強：提餾段平均操作壓強：4.3.2溫度tm查圖1-2得對應塔頂溫度為75.7，進料板溫度67.9。則精餾段平均溫度4.3.3平均相對分子質量塔頂，則/kmol./kmol.進料板,，則/kmol，/kmol塔底 則則精餾段平均相對分子質量為：提餾段平均相對分子質量為：4.3.4平均密度4.3.4.1液相密度由式(為質量分數(shù))塔頂 .進料板，.塔底 則精餾段液相密度：，提餾段液相密度：。4.3.4.2氣相密度精餾段：/m，提餾段：/m。4.3.5 液體表面張力 則精餾段平均表面張力：提餾段平均表面

18、張力為：4.3.6液體黏度 則精餾段平均液相黏度：提餾段平均液相黏度：4.4精餾段汽液負荷計算v=(r+1)d=(3+1)176.643=706.572kmol/hl=rd=3176.643=529.93kmol/hlh=24.912m/h。 第五章 設備結構設計5.1塔和塔板主要工藝尺寸計算5.1.1塔徑 初選板間距ht=0.5m，取板上液層高度hl=0.06m。故 ht-hl=0.5-0.06=0.44m 按smith法求取允許的空塔氣速umax(即泛點氣速uf)查smith通用關聯(lián)圖3-12，得c20=0.095，依式校正到物系表面張力為16.46mn/m時的c，即 負荷因子 泛點氣速

19、m/s 操作氣速，取m/s 精餾段塔徑m圓整取d=2.2m,此時的操作氣速m/s5.1.2塔板工藝結構尺寸的設計與計算5.1.2.1溢流裝置采用單溢流型的平頂弓形溢流堰、弓形降液管、平行受液盤，且不設進口內堰。 溢流堰長取堰長，即 m 出口堰高 對平直堰 由 及m，查圖3-17得e=1.01，于是：m0.006m（滿足要求）故 m 降液管的寬度wd與降液管的面積af由 查圖3-16得故 m，m2。由下式計算液體在降液管中停留時間以檢驗降液管面積，即s（5s符合要求） 降液管底隙高度取底隙高度，則底隙流速u0=m/s(符合條件)，則取底隙高度。5.1.2.2塔板布置 取邊緣區(qū)寬度、安定區(qū)寬度。

20、依式（1）計算開孔區(qū)面積。 （1）將x、y帶入（1）得aa=2.2m5.1.2.3篩孔數(shù)與開孔率取篩孔的孔徑為5mm，正三角形排列，一般碳鋼的板厚為3mm，取,故：孔中心距依下式計算塔板上的篩孔數(shù)個依下式計算塔板上開孔區(qū)的開孔率，即%每層塔板上的開孔面積為：m2。氣體通過篩孔的氣速：m/s。5.1.2.4塔有效高度z精餾段：z1=（12-1）0.5=5.5m提餾段：z2=（22-1）0.5=10.5m有效高度z=z1+z2=5.5+10.5=16m。5.2篩板的流體力學驗算5.2.1氣體通過篩板壓降相當?shù)囊褐叨?干板壓降相當?shù)囊褐叨扔?，查圖3-21得c0=0.84,，由下式計算出 氣流穿過

21、板上液層壓降相當?shù)囊褐叨韧ㄟ^ (2)查圖3-22板上液層充氣系數(shù)為0.57將其帶入（2）得 =0.570.06=0.0342m?？朔后w表面張力壓降相當?shù)囊褐叨扔墒?故 單板壓降5.2.2霧沫夾帶量的驗算根據(jù)亨特經驗式 其中m則=故在設計負荷下不會發(fā)生過量霧沫夾帶。5.2.3漏液的驗算由式 篩板的穩(wěn)定性系數(shù)：故在設計負荷下不會發(fā)生過量漏液。5.2.4液泛驗算為防止降液管發(fā)生液泛，應使降液管中清液層高度。 則 取, 則=0.5（0.5+0.043）=0.2715m故 =0.2715m根據(jù)以上塔板的各項流體力學驗算，認為精餾段塔徑及各工藝尺寸是合適的。5.3塔板負荷性能圖5.3.1霧沫夾帶線（

22、1） 式中 近似取e=1.0，故 取霧沫夾帶極限值。已知，ht=0.5m，將、帶入得：在操作范圍內，任取幾個值，依式算出相應的值列于表5-1中。表5-1 霧沫夾帶線計算結果ls（m3/s）610-3510-3810-3410-3910-3vs（m3/s）6.9247.011356.763057.104456.78815按表中數(shù)據(jù)在圖中作出霧沫夾帶線（1），如圖5-1所示。5.3.2液泛線（2）聯(lián)立 及得 近似取e=1.0，則 由式 則 故 由式 將及式、代入聯(lián)立得在操作范圍內取若干值，依上式計算值，列于表5-2，按表中數(shù)據(jù)作出液泛線（2），如圖5-1表5-2 液泛線計算結果ls（m3/s）61

23、0-3510-3810-3410-3910-3vs（m3/s）9.39.389.1169.47119.035.3.3液相負荷上限線（3）取液體在降液管中停留時間為4s,則 （3）液相負荷上限線（3）在坐標圖上為氣體流量無關的垂直線，如圖5-1所示。5.3.4漏液線（氣相負荷下限線）（4）由 ，代入漏液點氣速式：前面算得為0.2458，代入上式整理得此即氣相負荷下限線關系式，在操作范圍內任取幾個值，依式計算相應的值，列于表5-3，按表中數(shù)據(jù)作氣相負荷下限線（4），如圖5-1所示。表5-3 漏液線計算結果ls（m3/s）610-3510-3810-3410-3910-3vs（m3/s）5.585.

24、55215.5815.4515.595.3.5液相負荷下限線（5）取平堰、堰上液層高度作為液相負荷下限線條件，取e=1.0。依式 整理得： 此值在圖上作線（5）即為液相負荷下限線，如圖5-1所示。將以上5條線標繪與圖5-1中，即為精餾段負荷性能圖。5條線包圍區(qū)為精餾段塔板操作區(qū)，p為操作點，op為操作線。op線與線（1）的交點相應氣液負荷為，線與汽相負荷下限線（4）的交點相應汽相負荷為?？芍驹O計塔板上限由霧沫夾帶控制，下限由漏液控制。臨界點的操作彈性=1.24。 第六章 附屬設備類型再沸器選用立式熱虹吸式再沸器，回流泵 單級離心泵is 80-50-250（n=1450r/min）進料管 選用

25、管徑65.2mm，圓整為65mm，外徑76.1mm，壁厚4.0mm的焊接鋼管塔頂產品接管 選用管徑65.2mm，圓整為65mm，外徑76.1mm，壁厚4.0mm的焊接鋼管塔底產品接管 選用管徑76.81mm，圓整為80mm，外徑為88.9mm，壁厚4.0mm的焊接鋼管塔頂蒸汽接管 選用管徑336.84mm，圓整為350mm，外徑為374mm，壁厚12.8mm的連續(xù)鑄鐵管。第七章 設計計算結果匯總表項目符號單位計算數(shù)據(jù)精餾段提餾段各段平均壓強pmkpa106.2118.1各段平均溫度tm71866.2平均流量汽相vsm/s5.3452.2736液相l(xiāng)sm/s0.006920.003705實際塔板數(shù)n塊1222板間距htm0.50.5塔有效高度zm5.510.5塔徑dm2.22.2空塔氣速um/s1.41.2塔板液流型式單流型單流型溢流裝置溢流管型式弓形弓形堰長lwm1.6861.686堰高hwm0.0430.043溢流堰寬度wdm0.3940.394管底與受液盤距離h0m0.0350.035板上清液層高度hlm0.060.06孔徑d0mm5.05.0孔間距tmm1515孔數(shù)n個1252512525開孔面積a0m20.24580.2458篩孔氣速u0 m/s21.74520.325塔板壓降hpkpa0.6780.665液體在降液管中的停留時間s49.422