甲醇-水浮阀精馏塔设计毕设论文.doc

武汉工程大学化工原理课程设计说明书课 程 设 计 说 明 书 武 汉 工 程 大 学 化工与制药学院课程设计说明书课题名称 甲醇水浮阀精馏塔设计 专业班级 化学工程与工艺02班 学生学号 1120070108 学生姓名 李恒 学生成绩 指导教师 陈苏芳 课题工作时间 2014-6-16至2014-6-30 课程设计综合成绩评定表学生姓名学生班级设计题目 李恒化工02甲醇水浮阀精馏塔设计指导教师评语 指导教师签字：年 月 日答辩记录 1.如何确定理论板数？ 答：根据气液平衡数据，及精馏段，提馏段操作线方程用excel表格作图，然后在气液平衡曲线和精馏、提馏操作线间画梯级，起点从塔顶馏出液（Xd,Xd)，直到最后一个梯级横坐标小于Xw为止，从塔顶开始数完整梯级个数N，最后一个梯级按有效线段比例a来算，则总理论板=N+a块。 2.如何确定塔径？（以精馏段为例） 答：根据精馏段的气液相体积流率来计算最大气速umax,首先需要查取史密斯关联图来确定C20,再结合板间距及板上液层高度确定C，并根据umax和C的关系确定umax，再取安全系数为0.7来确定实际孔塔气速，最后根据塔径D和气相流率及实际孔塔气速的关系来确定塔径D，得到的塔径需要圆整。需使得u/umax介于0.60.8之间。（提馏段确定方式同精馏段） 答辩组成员签字： 记录人：梁文年 月 日成绩综合评定栏设计情况答辩情况项 目权重分值项 目权重分值1、计算和绘图能力351、回答问题能力202、综合运用专业知识能力102、表述能力（逻辑性、条理性）103、运用计算机能力和外语能力104、查阅资料、运用工具书的能力55、独立完成设计能力56、书写情况（文字能力、整洁度）5综合成绩指导教师签名： 学科部主任签名： 年 月 日 年 月 日 课程设计任务书专业 化学工程与工艺 班级 11化工02 学生姓名 李 恒 发题时间： 2014 年 06 月 16 日一、课题名称 8.3万吨/年甲醇水浮阀精馏塔设计二、课题条件(文献资料、指导力量)n 参考文献1. 大连理工大学化工原理教研室. 化工原理课程设计. 大连：大连理工大学出版社，19942. 柴诚敬，刘国维，李阿娜. 化工原理课程设计. 天津：天津科学技术出版社，19953. 贾绍义，柴诚敬. 化工原理课程设计. 天津：天津大学出版社,20024. 王国胜. 化工原理课程设计. 大连：大连理工大学出版社，20055. 匡国柱,史启才.化工单元过程及设备课程设计. 北京:化学工业出版社,20026. 上海医药设计院. 化工工艺设计手册(上、下). 化学工业出版社，19867. 阮奇,叶长 ,黄诗煌. 化工原理优化设计与解题指南. 北京:化学工业出版社,2001.98. 化工设备技术全书编辑委员会. 化工设备全书塔设备设计. 上海：上海科学技术出版社，19889. 邹兰，阎传智. 化工工艺工程设计. 成都：成都科技大学出版社,199810. 李功祥，陈兰英，崔英德. 常用化工单元设备设计. 广州：华南理工大学出版社,200311. 童景山, 李敬. 流体热物理性质的计算. 北京：清华大学出版社，198212. 马沛生. 化工数据. 北京：中国石化出版社，200313. 靳士兰, 邢凤兰. 化工制图. 北京：国防工业出版社，200614. 朱有庭,曲文海，于浦义.化工设备设计手册（上、下册).北京：化学工业出版社,2004 15. 刘雪暖, 汤景凝.化工原理课程设计.北京：石油大学出版社，2001n 指导力量 指导教师陈老师已从事多年的化工原理教学，指导了多届学生的课程 设计，对设计内容熟悉。三、设计任务(含实验、分析、计算、绘图、论述等内容) 1 全塔物料衡算、操作回流比和理论塔板数的确定。 3 计算精馏段、提馏段的塔板效率，确定实际塔板数。 4 估算塔径。 5 浮阀塔的工艺尺寸计算，包括溢流装置与塔板的设计计算。 6 塔板的流体力学性能校核，包括板压力降、液面落差、液沫夹带、漏液及液泛的校核。7 绘制塔板的负荷性能图。塔板的负荷性能图由液相负荷下限线、液相负荷上限线、漏液线、液沫夹带线和溢流液泛线确定。 8 塔的结构确定，包括塔体结构与塔板结构。塔体结构：塔顶空间，塔底空间，人孔（手孔），支座，封头，塔高等。塔板结构：采用分块式塔板还是整块式塔板。9 塔的附属设备选型,包括塔顶冷凝器，原料预热器的换热面积与泵的选型（视情况而 定）。10 精馏塔各接管尺寸的确定。11 绘制精馏塔系统工艺流程图。12 绘制精馏塔装配图。13 编写设计说明书。14计算机要求：EXCEL表格作图、CAD绘图等。15 英语要求：撰写英文摘要。16 设计说明书要求：逻辑清楚，层次分明，书写工整，独立完成。四、设计所需技术参数1. 设计条件在一常压操作的连续板式精馏塔(自选塔板类型)内分离含水混合物系，（见具体见分组任务）,直接蒸汽加热。生产能力和产品的质量要求见下表。组别分离体系原料含量：（质量分数）处理能力（T/Y）馏出液中含量(质量分数）釜残液中含量(质量分数）塔类型11甲醇-水0.45830000.980.02浮阀板 操作条件：塔顶压力：4kPa(表压)； 进料热状态：自选； 回流比：自选； 单板压降 0.7kPa。工作日：每年300天，每天24小时。厂址：武汉地区。2. 设计所需基础数据物性数据：液相粘度、液相表面张力、汽液相密度、气体热容、汽化潜热等。相平衡数据：常压下二元物系的气液相平衡数据。 五、设计说明书内容 顺序说明1 设计任务书 2 目录(标出页码) 3 前言 4 设计方案论证5 按设计任务 6 设计结果汇总 7 结语包括设计评述、建议等8 参考文献 六、进度计划1 设计动员，下达设计任务书 2014.6.172 设计计算(包括电算) 2014.6.182013.6.234 绘图 2014.6.242013.6.255 整理设计资料，撰写设计说明书 2014.6.262013.6.276 设计小结及答辩 2014.6.282013.6.30指导教师签名： 陈苏芳 2014年 6 月 16 日 教研室主任签名： 杜治平 2014年 6 月 16 日 摘 要 本文旨在设计一个连续型浮阀精馏塔来分离甲醇-水二元混合物，要求年处理量为83000吨，原料中甲醇质量分数为45%，塔顶产品甲醇质量分数为98%，塔釜中甲醇的质量分数为2%。 通过全塔物料衡算、塔体工艺尺寸计算、浮阀板板工艺尺寸计算，以及一系列绘图，得到了该浮阀塔工艺尺寸：理论板数9.5块，实际板数21块，回流比为1.44，塔径为1.6米，每块塔板开孔数为218个，全塔高度为19.212m。通过流体力学验算，证明各项数据指标均符合标准，由负荷性能图，分别得出操作弹性为3.0和3.04。满足设计要求。关键词：浮阀板 甲醇-水 精馏塔 Abstract The purpose of this course is to design a floating valve tray distillation column to separate the mixture of methanol-water.we have to satisfy annual handling capacity of 83,000 tons of raw materials in the methanol content of 45 percent, The annual Iprocessing capacity is 83000 tons,the top product in the methanol content of 98 percent , the bottom product in the methanol content of 2 percent. Through the material balance the entire tower, tower process size, the floating valve tray size calculation process, a series of drawing, we get a variety of parameters ：the number of theoretical plates is 9.5，the number of practical plates is 21,the number of the reflux ratio is 1.44，the diameter of the column is 1.6 meters ,each tray openings for 218, and the whole tower height is 19.212 m. By the checking of hydromechanics,it proved that the data and index are reasonable.In the load-performance diagram,we obtain that the elasticity is 3.0 and 3.04 respectively. The design meets the designing demands. Key words: floating valve tray methanol-water distillation column I武汉工程大学化工原理课程设计 目 录摘 要IAbstractI第1章 前 言51.1 精馏原理51.2 板式塔作用原理51.3 浮阀塔6第2章 设计方案的确定72.1塔设计原则72.2 装置流程的确定7 2.3 板型选择8 2.4 操作压力的选择92.5 进料状态的选择92.6 冷却方式的选择92.7 加热方式的选择92.8 回流比的选择10 2.9 工艺流程10第3章 精馏塔的工艺设计113.1全塔物料衡算113.1.1原料液、塔顶及塔底产品的摩尔分数113.1.2原料液、塔顶及塔底产品的平均摩尔质量113.1.3物料衡算进料处理量113.1.4物料衡算123.2实际回流比123.2.1最小回流比及实际回流比确定133.2.2操作线方程143.2.3汽、液相热负荷计算153.3理论塔板数确定153.4实际塔板数确定173.5精馏塔的工艺条件及有关物性数据计算183.5.1操作压力计算183.5.2操作温度计算193.5.3平均摩尔质量计算193.5.4平均密度计算203.6精馏塔的塔体工艺尺寸计算223.6.1塔径计算223.6.2精馏塔有效高度计算24第4章 塔板工艺尺寸计算244.1精馏段塔板工艺尺寸的计算244.1.1溢流装置计算244.1.2塔板设计264.2提馏段塔板工艺尺寸设计274.2.1溢流装置计算274.2.2塔板设计294.3.1精馏段304.3.2提馏段354.4塔板的负荷性能图394.4.1精馏段394.4.2提馏段41第5章 板式塔的结构445.1塔体结构445.1.1筒体445.1.2封头445.1.3塔顶空间445.1.4塔釜高度445.1.5人孔455.1.6裙座455.1.7塔总体高度45第6章 精馏装置附属设备466.1回流冷凝器466.2原料预热器47第7章 接管尺寸的确定487.1蒸汽接管487.1.1塔顶蒸汽管487.2液流管497.2.1回流管497.2.2进料管497.2.3塔釜出料管497.2.4塔釜进气管50第8章 设计结果汇总51第9章 设计小结及体会52参考文献53附录54 第1章 前 言1.1 精馏原理 精馏过程的基础是混合液组分间挥发度的差异，而塔内的气、液“回流”则是沿塔高不断进行气、液传质实现精馏的必要条件。沿塔流动的气、液相每经过一块塔板都将发生一次气相的部分冷凝和液相的部分气化，气、液相组成随之发生一次改变，使气相中轻组分得到一次增浓，液相中重组分得到一次增浓。其结果最终可在塔顶得到轻组分含量很高的蒸气相（馏出液）产品，而在塔底得到重组分含量很高的釜液产品，从而实现混合液体的高纯度分离。利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的回流，使气、液两相逆向多级接触，在热能驱动和相平衡关系的约束下，使得易挥发组分（轻组分）不断从液相往气相中转移，而难挥发组分却由气相向液相中迁移，使混合物得到不断分离，称该过程为精馏。该过程中，传热、传质过程同时进行，属传质过程控制。其精馏塔如图3-1所示。原料从塔中部适当位置进塔，将塔分为两段，上段为精馏段，不含进料，下段含进料板为提留段，冷凝器从塔顶提供液相回流，再沸器从塔底提供气相回流。气、液相回流是精馏重要特点。1.2 板式塔作用原理板式塔是在圆柱形壳体内按一定间距水平设置若干层塔板，液体靠重力作用自上而下流经各层板后从塔底排出，各层塔板上保持有一定厚度的流动液层；气体则在压强差的推动力下，自塔底向上依次穿过各塔板上的液层上升至塔顶排出。气、液在塔内逐板接触进行质、热交换，故两相的组成沿塔高呈阶跃式变化。板式塔为逐级接触式气液传质设备，塔内沿塔高装有若干层塔板，液体靠重力作用由顶部逐板流向塔底，并在各块板面上形成流动的液层；气体则靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气、液两相在塔内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。与填料塔相比，板式塔具有压降较大；空塔气速较大；较稳定，效率较高；持液量较大；液气比适应范围较大；安装检修较容易；大直径时造价较低等优点。1.3 浮阀塔浮阀塔是板式塔的一种，是在泡罩塔和筛孔塔的基础上发展形成的。自20世纪50年代问世后，迅速在石油化工行业得到推广，至今仍为应用最广的塔板结构。在塔板上按一定方式开有若干个阀孔，将浮阀本身带有的几根阀腿插入阀孔后，再将阀腿的底脚旋转90，用以限制浮阀开度同时防止阀片被气体吹走。阀片周边有几个冲出的略向下弯的定距片，静止时，浮阀靠定距片与塔板点接触坐落在阀孔上，可避免停工后阀片与板面间的粘连。操作时，由阀孔上升的气流经阀片与塔板间隙沿水平方向进入液层，可增加气液两相的接触时间；浮阀的开度随气量变化，在低气量时，开度较小，气体仍能以足够的气速通过缝隙，可避免漏液现象的发生；在高气量时，阀片自动浮动，开度较大，使气速不致过大，从而可避免过量液沫夹带现象的发生。浮阀的阀片可以浮动，随着气体负荷的变化而调节其开启度，因此，浮阀塔的操作弹性大，特别是在低负荷时，仍能保持正常操作。浮阀塔由于气液接触状态良好，雾沫夹带量小(因气体水平吹出之故)，塔板效率较高，生产能力较大。塔结构简单，制造费用便宜，并能适应常用的物料状况，是化工、炼油行业中使用最广泛的塔型之一。因此，浮阀塔具有性能稳定、操作弹性大、塔板效率高的优点。浮阀主要有V型和T型两种，特点是：生产能力比泡罩塔约大20%40%；气体两个极限负荷比为56，操作弹性大；板效率比泡罩塔高10%15%；雾沫夹带少，液面梯度小；结构难于泡罩塔与筛板塔之间；对物料的适应性较好等，通量大、放大效应小，常用于初浓段的重水生产过程。 第2章 设计方案的确定2.1塔设计原则 总的原则是尽可能多地采用先进的技术，使生产达到技术先进、经济合理的要求，符合优质、高产、安全、低能耗的原则，具体考虑以下几点。 （1）满足工艺和操作的要求 （2）保证生产安全 （3）满足符合经济要求 （4）技术先进，环保 （5）高产低耗2.2 装置流程的确定 精馏装置包括精馏塔，原料预热器，再沸器，冷凝器等装备，热量自塔底输入，物料在塔中多次部分被汽化和冷凝进行精馏操作，由冷凝器中冷却介质将热量带走。工业生产中多应用连续蒸馏，具有生产能力大，产品质量稳定等优点，塔顶冷凝装置采用全凝器以便准确的控制回流比。在设计过程中还应考虑余热的利用。2.3 板型选择 本次设计是通过对筛板塔和浮阀塔的计算和生产能力，塔板效率，操作效率，操作弹性，压力降，以及操作和造价等多方面的比较选择了浮阀塔。 浮阀塔是板式塔的一种，是在泡罩塔和筛孔塔的基础上发展形成的。自20世纪50年代问世后，迅速在石油化工行业得到推广，至今仍为应用最广的塔板结构。在塔板上按一定方式开有若干个阀孔，将浮阀本身带有的几根阀腿插入阀孔后，再将阀腿的底脚旋转90，用以限制浮阀开度同时防止阀片被气体吹走。阀片周边有几个冲出的略向下弯的定距片，静止时，浮阀靠定距片与塔板点接触坐落在阀孔上，可避免停工后阀片与板面间的粘连。操作时，由阀孔上升的气流经阀片与塔板间隙沿水平方向进入液层，可增加气液两相的接触时间；浮阀的开度随气量变化，在低气量时，开度较小，气体仍能以足够的气速通过缝隙，可避免漏液现象的发生；在高气量时，阀片自动浮动，开度较大，使气速不致过大，从而可避免过量液沫夹带现象的发生。 浮阀的阀片可以浮动，随着气体负荷的变化而调节其开启度，因此，浮阀塔的操作弹性大，特别是在低负荷时，仍能保持正常操作。浮阀塔由于气液接触状态良好，雾沫夹带量小(因气体水平吹出之故)，塔板效率较高，生产能力较大。塔结构简单，制造费用便宜，并能适应常用的物料状况，是化工、炼油行业中使用最广泛的塔型之一。因此，浮阀塔具有性能稳定、操作弹性大、塔板效率高的优点。 浮阀主要有V型和T型两种，特点是：生产能力比泡罩塔约大20%40%；气体两个极限负荷比为56，操作弹性大；板效率比泡罩塔高10%15%；雾沫夹带少，液面梯度小；结构难于泡罩塔与筛板塔之间；对物料的适应性较好等，通量大、放大效应小，常用于初浓段的重水生产过程。 2.4 操作压力的选择 精馏操作有常压，加压和减压。本设计采用常压操作，原因在于： （1） 甲醇和水在常压下呈液态，不必采用加压装置。 （2） 能用水将馏出物冷却，在常压下实现甲醇和水的分离。 （3） 甲醇和水不属于热敏性物料，混合液沸点不高，不必采用减压蒸馏。 2.5 进料状态的选择 物料的进料状态有五种，可用进料状态参数q值来表示。进料为过冷液体：q1；饱和液体（泡点）：q1；气、液混合物：0q1；饱和蒸气（露点）：q0；过热蒸气：q0。本设计采用饱和液体（泡点）进料，原因在于： （1） 为使精馏段和提馏段保持相同的塔径，便于制造。 （2） 保持塔的操作稳定。 （3） 避免季节的影响。2.6 冷却方式的选择本设计选择用冷却水冷却，并采用全凝器。2.7 加热方式的选择塔釜一般采用间接蒸汽加热，但对塔底产物基本是水，且在低浓度时的相对挥发度较大的体系，也可采用直接蒸汽加热。本设计物系是甲醇和水，故选择直接蒸汽加热。2.8 回流比的选择实际回流比总是介于最小回流比和全回流两种极限之间。为了是塔设备合操作费用实现最优化组合，一般经验值R=（1.12.0）Rmin;本设计选择了若干个R值，采用计算机编程和逐板计算法求出理论板数N。作出N（R+1）R曲线，从中找出适宜的操作回流比。 2.9 工艺流程工艺流程见工艺流程图。第3章 精馏塔的工艺设计3.1全塔物料衡算3.1.1原料液、塔顶及塔底产品的摩尔分数 3.1.2原料液、塔顶及塔底产品的平均摩尔质量 甲醇： 水 ： 3.1.3物料衡算进料处理量 3.1.4物料衡算总物料衡算(直接蒸汽加热）： 轻组分(甲醇）衡算： 由恒摩尔流假设得： 解得： 3.2实际回流比由数据手册查的甲醇-水的t-x-y数据如下：表3.1 常压下的甲醇-水的t-x-y数据 组成温度组成xtyxty0.3780.665010000.475.30.7290.0296.40.1340.573.10.7790.0493.50.2340.671.20.8250.0691.20.3040.769.30.870.0889.30.3650.867.60.9150.187.70.4180.9660.9580.1584.40.5170.95650.9790.281.70.579164.51 图3.1常压下甲醇和水t-x-y图3.2.1最小回流比及实际回流比确定 根据101.325KPa下，甲醇-水的汽液平衡组成关系绘出甲醇-水x-y图，甲醇-水相平衡线如下图3.2,又因为泡点进料q=1,所以Xe=Xf=0.315,又由平衡线和q线方程，得Ye=0.677.由Rmin=(Xd-Ye)/(Ye-Xe)可得0.798。 在全回流条件下操作线为对角线，又由平衡线和对角线做梯级可得，Nmin=6。 因为R=(1.2,2)Rmin，所以由吉利兰关联图可得下图数据,因此可得当R=1.8Rmin时，(R+1)N最小，所以R=1.8Rmin=1.44 图3.2相平衡线与q线图 表3.2回流比与理论板数关系表比值R(R-Rmin)/(R+1)(N-Nmin)/(N+2)N(R+1)/N1.20.9580.0820.5616.1831.671.31.0370.1180.5415.3931.361.41.1170.1510.5014.0029.641.51,1970.1820.4713.0928.761.61.2770.2100.4412.2927.981.71.3570.2370.4211.7927.781.81.4360.2620.4011.3327.601.91.5160.2850.3911.1127.952.01.5960.3070.3810.9028.30 3.2.2操作线方程 (1）精馏段操作线方程： (2）提馏段操作线方程： 3.2.3汽、液相热负荷计算 （1）精馏段: V=(R+1)D=388.668kmol/h L=RD=229.378kmol/h(2）提馏段：=V+(1-q)F=388.668kmol/h =L+qF=RD+F=743.32kmol/h3.3理论塔板数确定通过Excel程序，根据相平衡线和精馏段和提馏段段操作线方程做Excel程序，直到与板块的液体组成小于0.011为止，可得：理论板9.48块。加料板为第7块理论板。精馏段理论板6.034块提馏段理论板3.446块 (由程序可以得到每一块理论板上甲醇汽液组成）如下： 表3.3每块板的气液组成XD0.9650 XF0.315Xw0.0110 rectify liney=0.590x+0.395stripping liney=1.91x-0.021q linex=0.315xyphase equilibrium10.9650 0.9650020.9168 0.9650 0.3847 1.0641 0.9168 0.020.13430.9168 0.9359 0.3647 0.9530 0.8489 0.040.23440.8489 0.9359 0.3647 0.9530 0.8489 0.060.30450.8489 0.8959 0.3382 0.8150 0.7573 0.080.36560.7573 0.8959 0.3382 0.8150 0.7573 0.10.41870.7573 0.8418 0.3038 0.6539 0.6364 0.150.51780.6364 0.8418 0.3038 0.6539 0.6364 0.20.57990.6364 0.7705 0.2612 0.4817 0.4822 0.30.665100.4817 0.7705 0.2612 0.4817 0.4822 0.40.729110.4817 0.6792 0.2113 0.3189 0.2934 0.50.779120.3189 0.6792 0.2113 0.3189 0.2934 0.60.825130.3189 0.5832 0.1642 0.2042 0.1052 0.70.87140.2042 0.5832 0.1642 0.2042 0.1052 0.80.915150.2042 0.3690 0.0797 0.0810 -0.2759 0.90.958160.0810 0.3690 0.0797 0.0810 -0.2759 0.950.979170.0810 0.1337 0.0194 -0.0084 -0.6335 11180.0194 0.1337 0.0194 -0.0084 -0.6335 190.0194 0.0160 0.0019 -0.1025 -0.7883 200.0019 0.0160 0.0019 -0.1025 -0.7883 图3.3逐板计算图示3.4实际塔板数确定 式中：塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度塔顶与塔底平均温度下的液相粘度 表3.4各板相对挥发度表 XYXY0.91680.9652.5020.31890.67924.5220.84890.93592.5990.20420.58325.4530.75730.85392.7580.08100.36906.6350.63640.84183.0400.01940.13377.8010.48170.77053.6120.01100.08698.558(1） 精馏段： 精馏段平均温度： 在图3.1中查的，该温度下甲醇在液相组成为=0.588;数据手册中内插得该温度下甲醇的黏度，水的粘度 ； 塔板效率： 实际塔板数： 故精馏段实际塔板数为13块。(2） 提馏段： 提馏段平均温度： 在图3.1中查的，该温度下甲醇在液相组成为;数据手册中内插得该温度下甲醇的黏度，水的粘度 ； 塔板效率： 实际塔板数： 块，加料板位于第14块。3.5精馏塔的工艺条件及有关物性数据计算3.5.1操作压力计算塔顶操作压力：； 每层塔板压降：；进料板的压力： 塔底的压力： (1）精馏段平均压力： (2）提馏段平均压力： 3.5.2操作温度计算塔顶温度：； 进料板的温度：；塔底的温度：(1）精馏段平均温度：(2）提馏段平均温度： 查图3.1可得，当精馏段温度为tm1时，x=0.588,y=0.823 当提馏段温度为tm2时，x=0.097,y=0.4153.5.3平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量： 进料板平均摩尔质量： 塔底平均摩尔质量： (1）精馏段平均摩尔质量： (2）提馏段平均摩尔质量： 3.5.4平均密度计算气相平均密度计算：由理想气体状态方程，即精馏段 提馏段 液相平均密度计算：注：为该物质的质量分数塔顶平均密度计算：由塔顶温度，查手册得，质量分数： 进料板平均密度计算：由进料温度，查手册得，