《化工設(shè)計》課程設(shè)計甲醇--水二元篩板精餾塔設(shè)計

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1、 ?化工設(shè)計? 課 程 設(shè) 計 題目 甲醇--水二元篩板精餾塔設(shè)計 學(xué) 院 化學(xué)化工學(xué)院 專業(yè)班級 2021級8班 學(xué)生姓名 陳亞蘭 學(xué)生學(xué)號 2021202162 2021 年 12月 17 日 目錄 1、 設(shè)計任務(wù)與要求......................................

2、 1.1、設(shè)計條件.......................................... 1.2、設(shè)計任務(wù).......................................... 2、 設(shè)計說明書.......................................... 2.1、概述............................................ 2.2、物料衡算....................................... 2.3、能量衡算.....................

3、.................. 2.4、工藝設(shè)計計算................................... 2.4.1、產(chǎn)品濃度度計算.............................. 2.4.2、平均相對揮發(fā)度計算.......................... 2.4.3、最小回流比的計算和適宜回流比確實(shí)定........... 2.4.4。精餾段和提餾段操作線方程..................... 2.4.5、逐板計算法確定理論板數(shù)及進(jìn)料位置............. 2.4.6、實(shí)際塔板數(shù)及

4、實(shí)際加料位置和全塔效率........... 2.5、精餾塔主要工藝尺寸的設(shè)計........................ 2.5.1、物性計算..................................... 2.5.2、工藝尺寸計算................................. 2.5.2.1、塔徑計算.................................. 2.5.2.2、精餾塔有效高度計算.......................... 2.5.2.3、整體塔高.....

5、............................. 2.5.2.4、溢流裝置計算.............................. 2.5.2.5、弓形降液管寬度及截面積計算.................... 2.5.2.6、將液管底隙高度............................ 精餾塔的流體力學(xué)驗(yàn)算................................ 2.6.1塔板壓降...................................... 2.6.2液面落差..............

6、................................ 2.6.3液沫夾帶.............................................. 2.6.4漏液.................................................. 2.6.5液泛.................................................. 2.6.6塔板負(fù)荷性能圖........................................ 塔的接管.............

7、............................... 2.7.1進(jìn)料管................................................. 2.7.2回流管................................................. 2.7.3塔頂蒸汽出料管......................................... 2.7.4塔底出料管............................................. 2.7.5塔底蒸汽出料.....................

8、...................... 3. 結(jié)果匯總表........................................ 4、 后記.............................................. 5、 設(shè)備尺寸圖 6、 管道方位圖 7、設(shè)備局部圖 題號 設(shè)計說明書 備注 一、 二、 、

9、 、

10、

11、

12、 三、

13、 設(shè)計任務(wù)與要求 設(shè)計條件：常壓 P=1atm〔絕壓〕 處理量： 20t/d 進(jìn)料組成25% 餾出液組成98.5% 〔以上均為摩爾分率〕

14、 回收率： 98.5% 加料熱狀況 q=0.97 塔頂全凝器 泡點(diǎn)回流 單板壓降 ≤ 設(shè)計任務(wù)：1、撰寫一份設(shè)計說明書 2、設(shè)備尺寸圖 3、管道方位圖 4、局部零件結(jié)構(gòu)圖 設(shè)計說明書 概述① 篩板塔是扎板塔的一種，內(nèi)裝假設(shè)干層水平塔板，板上有許多小孔，形狀如篩；并裝有溢流管或沒有溢流管。篩板塔簡稱篩板，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為塔板上開有許多均勻的小孔，根據(jù)孔徑

15、的大小分為小孔徑篩板〔孔徑為3~8mm〕和大孔徑篩板〔孔徑為10~25mm〕兩類，工業(yè)應(yīng)用中以小孔徑篩板為主，大孔徑多用于某些特殊場合〔如別離粘度大，易結(jié)焦的物系〕。篩板塔優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、造價低；氣流壓降小、板上液面落差??；生產(chǎn)能力較大；氣體分散均勻；傳質(zhì)效率高?！　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　? 物料衡算 原料處理量 F=39kmol/h 總物料衡算 F=D+W 甲醇的物料衡算 FxF=DxD+Wxw

16、聯(lián)立，得 D=8koml/h W=F-D=31kmol/h 熱量衡算 〔1〕0℃時塔頂上升的熱量，塔頂0℃為基準(zhǔn) 〔2〕回流液的熱量 tD℃ (3)塔頂餾出液熱量 (4)進(jìn)料熱 (5)塔底殘液熱 (6)冷凝管消耗熱 (7)再沸器提供熱： 塔釜熱損失10%。即 即實(shí)際熱負(fù)荷： 計算得： 熱量衡算結(jié)果 工程 進(jìn)料 冷凝器 塔頂餾出液 塔底殘液 再沸器 -------- ------ 熱量Q〔kJ/h〕 2137657.32 29756

17、547.208 1274989.397 871754.1249 3316351.49 表4-2熱量計算結(jié)果 工藝設(shè)計計算 產(chǎn)品濃度的計算 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率： 甲醇的摩爾質(zhì)量： =32 水的摩爾質(zhì)量：=18 平均相對揮發(fā)度的計算 表2-1甲醇-水Antdne常數(shù)[1] A B Ｃ 甲醇 ８．０８１９７ １５８２．９７１ ２３９．７２６ 水 ８．０７１３１ １７３０．６３０ ２２６．４３３ 當(dāng)塔頂溫度tD=℃時

18、 聯(lián)立，解得：782.78mmHg 進(jìn)料溫度 tF=℃時 聯(lián)立，解得：1020.94mmHg 塔底溫度 tw=℃時 聯(lián)立，解得：2292.56mmHg 相對揮發(fā)度 ： 最小回流比的計算和適宜回流比確實(shí)定 7 那么： 相平衡方程： 聯(lián)立方程，解得：ye=0.54, xe=0.235 所以， 根據(jù)公式查吉利蘭關(guān)

19、聯(lián)圖[2] 繪制表2-2 倍數(shù) R N 0.568 340 0.3269 9.220 29 48 214 8.947 86 68 0.3089 8.789 68 89 890 8.581 89 20 71 8.467 0.847 33 698 49 50 0.223 467 8.200 32 31 0.4278 8.120 88 0.256 089 17 1.176 8 0.3857 7.879 圖2-1甲醇平衡曲線圖 取操作回流比 精餾段和提餾段

20、操作線方程 精餾段操作線方程：yn+1=xn+ 提餾段操作線方程： 逐板法確定理論板數(shù)及進(jìn)料位置 由q=0.97得 Xq=0.26 第一塊塔板上升氣相組成：y1=xD76 代入平衡曲線 得 第一塊塔板下降液相組成： 再將x12，如此反復(fù)計算得如下結(jié)果： y2=0.9213，x2 y3=0.8587，x3 y4=0.7883，x4=0.4930<0.547=xq 即第四塊板為理論加料板位置，改用提餾段操作線方程計算如下： y5=0.7570，x5 y6=0.5661，x6 y7=0.3732，x7 y8

21、=0.2043，x8 y9=0.1045，x9=0.0297<0.035=xw 所以，理論板數(shù)共9塊(包括再沸器),第 4塊板加料，其中精餾段為4塊板 實(shí)際塔板數(shù)及實(shí)際加料位置和全塔效率 精餾段： 提餾段：=3.32 塊 全塔所需實(shí)際板數(shù)：1+11=28塊 全塔效率 實(shí)際加料版為第 5 塊 精餾塔主要工藝尺寸的設(shè)計計算 物性計算 1.操作壓力計算： 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)上的合理性原那么。對熱敏物料，一般采用減壓操作，可使相對揮發(fā)度增大，利于別離，但壓力減小，導(dǎo)致塔徑增加，要使用抽空設(shè)備。對于物性無特殊要求的采用常

22、壓操作。 塔頂壓力=101.3=101.3kPa 單板壓降ΔP= 進(jìn)料板壓力pF7=105.2kPa 塔底壓力pw 精餾段平均壓力pm 提留段平均壓力pm' =(1+)/2=kPa 2.操作溫度計算： [1] x 0 y 0 t/℃ 100 x y t/℃ 精餾段平均溫度： 提餾段平均溫度： 3.平均摩爾質(zhì)量計算： 塔頂溫度

23、：tD℃ 汽相組成yD： 進(jìn)料溫度：tF℃ 汽相組成yF： 塔底溫度：tW℃ 汽相組成yW： 精餾段平均液相組成： 精餾段平均汽相組成： 提餾段平均液相組成： 提餾段平均汽相組成： Ⅰ、精餾段 精餾段平均溫度℃ 精餾段平均液相組成： 精餾段平均汽相組成： 精餾段液相平均分子量： 精餾段氣相平均分子量： 液相密度： 氣相密度： 液相流量： 氣相流量： Ⅱ、提餾段 ℃ 提餾段平均液相組成： 提餾段平均氣相組成： 提餾段液相平均分子量： 提餾段氣相平均分子量： 液相密度： 氣相密度： 液相流

24、量： 氣相流量： 4.液體平均外表張力計算： 表3-2 甲醇、水密度、粘度、外表張力在不同溫度下的值[1] 溫度 50 60 70 80 90 100 ρ甲醇 760 751 743 734 725 720 ρ水 960.4 μ甲醇 39 μ水 76 σ甲醇 14.76 σ水 67.4 68.0 查圖知：二元有機(jī)物-水溶液外表張力可用以下公式計算 ℃，

25、 代入上式得： 塔頂液外表張力： 進(jìn)料板液相外表張力 tF℃, 代入上式得： 進(jìn)料液相外表張力： 塔底液相外表張力 ℃， 代入上式得： 塔底液相外表張力： 精餾段平均液相外表張力： 提餾段平均液相外表張力： 全塔平均液相外表張力： 精餾塔主要工藝尺寸的計算 塔徑的計算 精餾段 欲求塔徑應(yīng)先求出空塔氣速 u＝平安系數(shù)×umax 功能參數(shù)

26、： 取塔板間距=0.45m，板上液層高度， 那么別離空間： 從史密斯關(guān)聯(lián)圖[2] ，由于 塔截面積： 實(shí)際空塔氣速： 提餾段 功能參數(shù)： 取塔板間距=0.45m，板上液層高度， 那么別離空間： 從史密斯關(guān)聯(lián)圖查得：，由于 圓整取： D' 塔截面積： 空塔氣速： 精餾塔有效高度計算 精餾段有效高度 提餾段有效高度 6米,開人孔的兩塊板間距取0.57米 所以應(yīng)多加高(0.6-0.45)×76m Z=++0.386=4.5+2.7+0.386=7.602m 整體塔高 〔1〕塔頂封頭：本設(shè)計采用橢圓型封頭，由公稱直徑D

27、N=800mm，=200mm，。 那么封頭高度 〔2〕塔頂空間：設(shè)計中取塔頂間距 〔3〕塔底空間： 〔4〕人孔：對于D100mm的板式塔，需設(shè)置3個人孔，每個人孔直徑450mm，在設(shè)置人 孔處板間距=600mm 〔5〕進(jìn)料板處板間距：=800mm 〔6〕裙座：本設(shè)計采用圓筒形裙座，由于裙座內(nèi)徑800mm，故裙座厚度取16mm，取裙座高=3m 溢流裝置計算 選用單溢流弓形管降液管，不設(shè)進(jìn)口堰。 取堰長 查流液收縮圖可知 [6] hw＝hL－h(huán)ow 其中 得how=6m

28、 how‘60m hw653m hw,25m 弓形降液管寬度和截面積Af 查圖知 [2] 知 精餾段： 驗(yàn)算液體在降液管內(nèi)停留時間 提鎦段： 降液管底隙高度 ，取 那么精餾段： 提鎦段： 故降液管底隙高度設(shè)計合理。 精餾塔的流體力學(xué)驗(yàn)算 塔板壓降 干板阻力計算 由/δ[3] 精餾段： 1m 提餾段： m 液面落差 對于D1.58m的篩板，液面落差可以忽略不計。 液沫夾帶 精餾段： 提餾段： 本設(shè)計液沫夾帶量在允許范圍0.1 kg液/kg氣內(nèi),符合要求 漏液

29、 篩板塔,漏液點(diǎn)氣速 帶入數(shù)據(jù)得： 精餾段， 提餾段 實(shí)際孔速:精餾段＞,提餾段＞， 穩(wěn)定系數(shù): 精餾段， 提餾段 均大于1.5小于2,所以設(shè)計無明顯液漏符合要求. 液泛 對于設(shè)計中的甲醇-水體系φ=0.5, Hd≤ 由于板上不設(shè)進(jìn)口堰 精餾段 液柱 提餾段 所以不會發(fā)生淹泛現(xiàn)象 以上各項(xiàng)流力學(xué)驗(yàn)算可認(rèn)為精餾段、提溜段塔徑及各項(xiàng)工藝尺寸是適合的。 塔板負(fù)荷性能圖 漏液線 由 得 精餾段： = 得= 提餾段： 得= 表3-1漏液線計算結(jié)果

30、 精餾段 0.386 提餾段 0.451 液沫夾帶線 以kg液/kg氣為限求-關(guān)系： 由 精餾段： 整理得 提餾段： 整理得 表3-2 液沫夾帶線計算結(jié)果 精餾段 提餾段 0.68 液相負(fù)荷下限線 對于平流堰，取堰上液層高度how5m作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)，由式計算 精餾段

31、： 提餾段： 液相負(fù)荷上限線 以θ=4s作為液體在降液管中停留的下限 s 精餾段： 提鎦段： 液泛線 Hd=φ() 由，，， 得 其中帶入數(shù)據(jù) 所以精餾段 提餾段 表3-3 液泛線計算結(jié)果 精餾段 提餾段 操作彈性 由以上各線的方程式，可畫出圖塔的操作性能負(fù)荷圖。 根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)規(guī)定的氣液負(fù)荷，可知操作點(diǎn)在正常的操作范圍內(nèi)，作出操作線圖 圖3-1精餾段負(fù)荷性能圖 由圖， 故精餾段操作彈性為/

32、 圖3-2提餾段負(fù)荷性能圖 由圖， 故提餾段操作彈性為/ 精餾段提餾段操作彈性均大于1小于5,符合要求。 塔的接管 進(jìn)料管 采用直管進(jìn)料，管徑為 查的選取φ25mm×3mm 規(guī)格的熱軋無縫鋼管。 回流管 直管回流，取 查的選取φ25mm3mm規(guī)格的熱軋無縫鋼管。 塔頂蒸汽出料管 采用直管出料，取 那么 查的選取φ219mm10mm規(guī)格的熱軋無縫鋼管。 塔底出料管 采用直管進(jìn)氣，取 查的選取φ20mm3mm 規(guī)格的熱軋無縫鋼管。 塔底蒸汽出料管 那么有 查的選取φ219mm8mm規(guī)格的熱軋無縫鋼管。 結(jié)果匯總表

33、 參數(shù)符號 參數(shù)名稱 精餾段 提餾段 Ls (m/s) 液相流量 N 實(shí)際塔板數(shù) 7 11 Z( m) 有效段高度 D(m) 塔徑 H T(m) 板間距 δ (m) 板厚 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 W (m) 堰長 h W (m) 堰高 hl (m) 板上液層高度 h OW (m) 堰上液層高度 h O (m) 降液管底隙高度 W d (m) 降液管寬度 W s

34、 (m) 安定區(qū)寬度 W c (m) 邊緣區(qū)高度 Aa (m) 有效傳質(zhì)面積 A T (m) 塔橫截面積 A f (m) 降液區(qū)面積 A O 〔m〕 篩孔面積 d O〔m〕 篩孔直徑 t〔m〕 孔中心距 n 篩孔數(shù)目 1580 1580 U 〔m/s〕 空塔氣速 平安系數(shù) U O〔 〔m/s〕 篩孔氣速 K 穩(wěn)定系數(shù) H l 〔m液柱〕 液體有效阻力Hl Hσ〔m液柱〕 液體外表張力阻力 H p 〔m液柱〕 總阻力

35、 P〔pa〕 每層塔板壓降 649 636 E 液流收縮系數(shù) C O 孔流系數(shù) 液相負(fù)荷上限 液相負(fù)荷下限 汽相最大負(fù)荷 汽相最小負(fù)荷 df 進(jìn)料管直徑 dr 回流管直徑 dv 塔頂蒸汽出料管直徑 dw 塔底出料管直徑 dV 塔底蒸汽出料管直徑 后記 本次化工原理課程設(shè)計歷時兩周,是學(xué)習(xí)化工原理以來第一次獨(dú)立的設(shè)計。通過此次課程設(shè)計,使我更加扎實(shí)的掌握了有關(guān)化工原理方面的知識,在設(shè)計過程中雖然遇到了一些問題,但經(jīng)過一次

36、又一次的思考,一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在,也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗(yàn)缺乏。實(shí)踐出真知,通過親自動手設(shè)計,使我們掌握的知識不再是紙上談兵。 ?過而能改,善莫大焉。在課程設(shè)計過程中?我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤,不斷改正,不斷領(lǐng)悟,不斷獲取。最終的檢測環(huán)節(jié)?本身就是在踐行“過而能改,。在設(shè)計中遇到了很多問題，最后在老師和同學(xué)們的幫助下，終于游逆而解。使我認(rèn)識到在今后社會的開展和學(xué)習(xí)實(shí)踐過程中，一定要不懈努力，不能遇到問題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在，然后一一進(jìn)行解決。只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退，那樣永遠(yuǎn)不可能收獲成功，收獲喜悅。也永遠(yuǎn)不可能得到社會及他人對你的認(rèn)可。 課程設(shè)計誠然是一門專業(yè)課，給我很多專業(yè)知識以及專業(yè)技能上的提升。同時又是一門講道課，一門辯思課，給了我許多道理，給了我很多思考，給了我莫大的思維發(fā)散空間。同時，設(shè)計讓我感觸很深，使我對抽象的理論有了更為具體的認(rèn)識。 ①譚天恩，?化工原理?，化學(xué)工業(yè)出版社