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1、沈 阳 化 工 大 学化 工 原 理 课 程 设 计 专业： 化学工程与工艺 班级： 化工优创 1202 学生姓名： 姜浩 指导教师： 孙怀宇 设计时间： 2015年 5月20日 化工原理课程设计任务书一、 设计题目分离 甲醇-水 混合液的 筛板 精馏塔二、 设计数据及条件生产能力：年处理 甲醇-水 混合液 4.5 万吨（年开工300天）原料：轻组分含量为 45% （质量百分率，下同）的常温液体分离要求：塔顶轻组分含量不低于 98.5% ，塔底轻组分含量不高于 0.3% 建厂地区：沈阳三、 设计要求：1、编制一份精馏塔设计说明书，主要内容要求：.前言.流程确定和说明.生产条件确定和说明.精馏塔
2、的设计计算.主要附属设备及附件的选型计算.设计结果列表.设计结果的自我总结评价与说明.注明参考和使用的设计资料2、编制一份精馏塔工艺条件单，绘制一份带控制点的工艺流程图。前言本设计书主要介绍分离甲醇-水混合液的筛板精馏塔。筛板精馏塔是板式塔的一种，是最早出现的塔板之一。筛板就是在板上打很多筛孔，操作时气体直接穿过筛孔进入液层。筛板塔的优点是构造简单、造价低，此外也能稳定操作，板效率也较高。缺点是孔小容堵（近几年发展了大孔径筛板，以适应大塔径、易堵塞物料的需要），操作弹性和板效率比浮阀塔略差1。生产实践说明，筛板塔比起泡罩塔，生产能力可增大10%15%，板效率提高约15%，单板压降可降低30%左
3、右，造价可降低20%50%2。本设计运用Aspen Plus模拟精馏过程，计算得到回流比，塔板数，塔径等设计参数，并水力学计算得到各个塔板上的物性参数，对精馏塔进行校核，计算液泛因子等。并模拟计算预热器，再沸器和冷凝器的负荷，换热面积等参数，帮助选择辅助设备。最后使用CAD画出工艺流程图与精馏塔设计图。本设计着重于塔的主体设计，简要设计塔的附属设备。初次设计，难免疏漏，恳请指正！目录第一章 流程确定和说明61.1塔板类型61.2进料状况61.3塔顶冷凝方式61.4塔釜加热方式61.5回流比61.6回流方式61.7操作压力61.8工艺流程确定7第二章 塔板工艺设计82.1精馏塔全塔物料衡算82.
4、1.1设计要求及条件82.1.2原料液级塔顶、塔底产品的摩尔分率82.1.3原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量82.1.4 全塔物料衡算82.1.5 塔顶回收率92.2 利用Aspen Plus模拟进行塔工艺计算过程92.2.1 常压下甲醇-水气液平衡组成与温度关系92.2.2 甲醇-水精馏塔的简捷计算92.2.3 甲醇-水精馏塔的严格算法12第三章 塔板塔体工艺尺寸计算193.1 塔径计算193.2精馏塔有效高度计算213.3塔板主要工艺尺寸的计算213.3.1溢流装置计算213.3.2 塔板布置23第四章 筛板流体力学验算264.1塔板校核264.2塔板压降284.2.1干板阻力hC计算
5、284.2.2 气体通过液层的阻力hL计算294.2.3液体表面张力的阻力计算294.3液面落差304.4液沫夹带304.5漏液304.6液泛31第五章 塔板负荷性能图325.1漏液线325.2液沫夹带线325.3液相负荷下限335.4液相负荷上限335.5液泛线34第六章 塔换热器设计366.1原料预热器设计366.2 冷凝器的选择396.3 再沸器的选择41第七章 塔附件设计437.1接管437.1.1进料管437.1.2回流管437.1.3塔底出料管437.1.4 塔顶蒸汽出料管437.1.5塔底进气管437.1.6法兰447.2筒体与封头447.2.1筒体447.2.2封头447.3除
6、沫器447.4裙座457.5吊柱457.6人孔45第八章 塔总体高度的设计458.1塔的顶部空间高度458.2塔的底部空间高度458.3塔总体高度46参考文献48英文字母49希腊字母50下标51第一章 流程确定和说明1.1塔板类型1）精馏塔的塔板类型有三种：泡罩塔板，筛孔塔板，浮阀塔板。筛板塔板具有结构简单，制造方便，造价低等优点；2）本设计采用筛板精馏塔；3）加料方式本精馏塔加料选择泵接加料，结构简单，安装方便，而且可以引入自动控制系统来实时调节流量及流速。1.2进料状况 本精馏塔选择泡点进料，常温原料经换热后进料。1.3塔顶冷凝方式甲醇与水不反应，且容易冷凝，故本精馏塔塔顶选择全凝器，可用
7、水冷凝。1.4塔釜加热方式塔釜使用200的饱和蒸汽间接加热。1.5回流比该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.22倍，本设计规定回流比取最小回流比的1.5倍。1.6回流方式本设计处理量大，所需塔板数多，塔较高，回流冷凝器不适宜塔顶安装，故采用强制回流。1.7操作压力甲醇-水在常压下相对挥发度较大，因此在常压下也比较容易分离，故本设计采用常压精馏。1.8工艺流程确定如图1是甲醇-水工艺流程草图：图1.甲醇-水分离工艺流程第二章 塔板工艺设计2.1精馏塔全塔物料衡算2.1.1设计要求及条件表1.设计要求及条件处理量（万吨/年）XD(质量分数，%)XF(质量分数，%)XW
8、(质量分数，%)R/Rmin4.598.5450.31.52.1.2原料液级塔顶、塔底产品的摩尔分率已知：甲醇的摩尔质量，水的摩尔质量。原料液组成XF(摩尔分数，下同)塔顶组成塔底组成2.1.3原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量2.1.4 全塔物料衡算一年以300天，一天以24小时计，计算可得进料流率： 全塔物料衡算式： 联立代入求解：D=89.82kmol/h，W=188.72kmol/h2.1.5 塔顶回收率甲醇回收率：水回收率：2.2 利用Aspen Plus模拟进行塔工艺计算过程2.2.1 常压下甲醇-水气液平衡组成与温度关系利用aspen绘制的甲醇-水体系的T-x-y相图，如图2。
9、依据进料摩尔分数，求得体系的泡点进料温度为77.75。图2.常压下甲醇-水气液平衡组成与温度关系图2.2.2 甲醇-水精馏塔的简捷计算DSTWU简捷塔模块的任务是从反应混合物中从塔顶分离甲醇。首先用简捷计算方法求出完成指定分离任务需要的最小回流比、最小理论塔板数和进料位置，为严格计算提供初值。图3. 甲醇-水分离筛板精馏塔DSTWU简捷塔模块 点击ModelLibrary横条上的“Columns”。选择“DSTWU”模块，拖放到工艺流程图窗口，用物流线与反应器连接，并用物流线连接精馏塔的两出口。为便于阅读，对精馏塔的两出口物流更改名称。点击“Next”按钮，进行化学组分的定义。点击“Find”
10、，在弹出的对话框的“Componentnameor”栏中填入组分名称“CH4O”然后点击“Findnow”然后点击“Add”。以此类推，定义甲醇、水组分。点击“Next”按钮，选择热力学方法。在Global页的“Propertymethod”下拉框中选上“NRTL-RK”。点击“Next”按钮，点击“OK”，进行流股信息的设置，把题目给定的进料物流信息填入对应栏目中。点击“Next”按钮，出现精馏塔的简捷计算设置窗口。填入R/Rmin为1.5，塔顶、底压力分别是110kPa和130kPa；甲醇和水为轻、重关键组分，塔顶甲醇和水的回收率分别为0.9964和0.0124。至此“DSTWU”B2模块
11、设置结束，点击“Next”按钮，运行计算程序，显示计算收敛。在“Blocks-Results”子目录窗口的“Summary”页面，可看到完成指定分离任务，精馏塔简捷计算的结果。可见最小回流比0.9055，最小理论塔板数7.198，回流比1.358时的实际塔板数14，对应的进料位置9；精馏塔的顶、底温度分别为67.05和106.85。 在“Blocks-StreamResults”子目录窗口的“Material”页面，可看到精馏塔进、出口物流各组分的流率、组成和多种物性。塔顶流率2844.767kg/h，甲醇摩尔分数为0.97366，塔底流率为3404.320kg/h，甲醇摩尔分数达0.0016
12、7，满足分离要求。2.2.3 甲醇-水精馏塔的严格算法由以上简捷计算，取回流比R为1.358，D/F为0.322根据奥康奈公式：，初步估计板效率为45%，得到精馏段板数：8/0.45=17.78，提馏段板数：5/0.45=11.11，总板数：18+12+1=31；第19块塔板为进料板。 点击Model Library横条上的“Columns”。选择“Radfrac”模块，拖放到工艺流程图窗口，用物流线连接精馏塔的进、出口。为便于阅读，对精馏塔的进、出口物流更改名称。图4 严格塔模型双击“Radfrac”模块，出现精馏塔严格计算的子目录设置窗口。在“Configuration”页面，把简捷计算结
13、果填入相应的空格内，如下图所示。在“Streams”页面，填入进料位置为19在“Pressure”页面，填入塔顶压力和板压降点击Blocks下的B1中的setup的Vapor-liquid，选择默弗里效率（单板效率）点击Next，设置板效率至此，精馏塔严格计算需要的信息已经全部设置完毕。点击“Next”按钮，软件询问是否运行计算，点击“确定”。在“Material”可以查看物料计算结果，塔顶甲醇的摩尔分数达到97.63%，塔底甲醇的摩尔分数为0.1086%，达到题目的设计要求。在“Blocks-Profiles”子目录窗口的“TPFQ”页面，可看到精馏塔内各板上的温度分布和两相流率分布。观察浓
14、度变化，发现第19块塔板组成与进料组成接近，无需修改进料位置。在“Blocks-ResultsSummary”子目录窗口的“Summary”页面，可看到精馏塔严格计算部分结果。在“View”栏中选择“Condenser/Topstage”，可看到塔顶的计算结果，塔顶温度为67.0，冷凝器负荷为-2067.803kW。在“View”栏中选择“Reboiler/Bottomstage”，可看到塔底的计算结果。塔釜再沸器的温度为106.96C，再沸器热负荷为2105.22kW。在“Blocks-Profiles”子目录窗口的“TPFQ”页面，可看到精馏塔内各板上的温度分布和两相流率分布。StageTemperaturePressureHeat dutyLiquid fromVapor fr
