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1、李健 化工 070325 甲醇-水二元筛板精馏塔设计 1 南京工业大学南京工业大学 化工原理化工原理课程设计课程设计 设计题目 常压甲醇常压甲醇水筛板精馏塔设计水筛板精馏塔设计 学生姓名 李健李健 班级、学号 化工化工 070325 指导教师姓名 刘晓琴刘晓琴 王晓东王晓东 课程设计时间 2010 年 6 月 14 日-2010 年 6 月 25 日 课程设计成绩 百分制 权重 设计说明书、计算书及 设计图纸质量，70% 独立工作能力、综合能 力、设计过程表现、设 计答辩及回答问题情况， 30% 设计最终成绩（五级分 制） 指导教师签字 李健 化工 070325 甲醇-水二元筛板精馏塔设计 2
2、 化学化工学院 课程名称 化工原理课程设计 设计题目 常压甲醇水筛板精馏塔的设计 学生姓名 李健 专业 化学工程与工艺 班级学号 1001070325 设计日期 2010 年 6 月 14 日至 2010 年 6 月 25 日 设计条件及任务： 设计体系：甲醇水体系 设计条件: 进料量 F= 240 kmol/h 进料浓度 ZF= 0.15 （摩尔分数，下同） 进料状态：q 1 操作条件： 塔顶压强为 4 kPa(表压)，单板压降不大于 0.7kPa。 塔顶冷凝水采用深井水，温度 t12。 塔釜加热方式：间接蒸汽加热采用 3kgf/cm2水蒸汽。 全塔效率 ET = 52% 分离要求： XD=
3、 0.995（质量分数） ；XW= 0.002（质量分数） ；回流比 R/Rmin =1.6 。 指导教师 2010 年 6 月 11 日 李健 化工 070325 甲醇-水二元筛板精馏塔设计 3 绪论绪论.1 一一.化工原理课程设计的目的与要求化工原理课程设计的目的与要求.1 二二.化工原理课程设计的基本内容化工原理课程设计的基本内容.1 三化工原理课程设计的基本程序三化工原理课程设计的基本程序1 第一节第一节概述概述.2 1.1 精馏操作对设备的要求精馏操作对设备的要求2 1.2 体系介绍体系介绍.2 1.3 板式塔类型板式塔类型4 1.3.1 泡罩塔 4 1.3.2 筛板塔 .5 1.3
4、.3 浮阀塔 5 1.4 设计要求设计要求.5 1.5 精馏塔的设计步骤精馏塔的设计步骤6 第二节第二节设计方案的确定设计方案的确定.6 2.1 操作条件的确定操作条件的确定6 2.1.1 操作压力 6 2.1.2 进料状态 .6 2.1.3 加热方式 .7 2.1.4 冷却剂与出口温度 .7 2.1.5 回流比（R）的选择.7 2.1.6 热能的利用 7 2.2 确定设计方案的原则确定设计方案的原则.8 第三节第三节 板式精馏塔的工艺计算板式精馏塔的工艺计算 .8 1理论塔板数的计算与实际板数的确定理论塔板数的计算与实际板数的确定8 1.1 理论板数计算 8 1.1.1 物料衡算.8 1.1
5、.2 q 线方程9 1.1.3 Rmin和 R 的确定.9 1.1.4 精馏段操作线方程的确定.9 1.1.5 精馏段和提馏段气液流量的确定9 1.1.6 提馏段操作线方程的确定10 李健 化工 070325 甲醇-水二元筛板精馏塔设计 4 1.1.7 逐板计算法.10 1.1.8MT 图解法12 1.2 实际板层数的确定(以逐板计算法为依据).13 2精馏塔操作条件计算精馏塔操作条件计算14 2.1 操作压强的选择 .14 2.2 操作温度的计算 .14 2.3 塔内物料平均分子量、张力、流量及密度的计算 .15 2.3.1 密度及流量.15 2.3.2 液相表面张力的确定：16 2.3.3
6、 液体平均粘度计算.17 3 塔径的确定塔径的确定18 4.塔有效高度塔有效高度.21 5.整体塔高整体塔高.21 6.塔板主要工艺参数确定塔板主要工艺参数确定.22 6.1 溢流装置 .22 6.1.1 堰长 lw.23 6.1.2 出口堰高 hw.23 6.1.3 弓形降液管宽度 Wd 和面积 Af.25 6.1.4 降液管底隙高度 0 h26 6.2 塔板布置及筛孔数目与排列 .27 6.2.1 塔板的分块27 6.2.2 边缘区宽度确定27 6.2.3 开孔区面积 a A计算 筛孔计算及其排列27 7.筛板的力学检验筛板的力学检验.29 7.1 塔板压降 .29 7.1.1 干板阻力
7、c h计算.29 7.1.2 液体表面张力的阻力计算 h计算30 7.1.3 气体通过每层塔板的液柱高 p h31 7.2 液面落差 32 7.3 液沫夹带 .32 7.4 漏液 .33 7.5 液泛 .34 8.塔板负荷性能图塔板负荷性能图.35 8.1 漏液线 .35 李健 化工 070325 甲醇-水二元筛板精馏塔设计 5 8.2 液沫夹带线 .36 8.3 液相负荷下限线 .37 8.4 液相负荷上限线 .37 8.5 液泛线 .38 8.6 操作弹性 .39 9. 辅助设备及零件设计辅助设备及零件设计.40 9.1 塔顶冷凝器（固定管板式换热器） .40 9.1.1 估计换热面积40
8、 9.1.2 计算流体阻力42 9.1.3 壳程流体阻力43 9.1.4 计算传热系数43 9.2 塔底再沸器： .44 9.3 原料预热器 .45 9.4 管道设计与选择 45 9.4.1 塔顶回流管45 9.4.2 塔顶蒸汽出口管.46 9.4.3 塔顶产品出口管46 9.4.4 进料管.46 9.4.5 塔釜出料管.47 9.4.6 塔釜回流管.47 9.4.7 塔釜产品出料管.48 9.4.8 冷凝水管.48 9.5 泵 49 9.5.1 进料泵.49 9.5.2 回流泵.49 10.设计结果汇总设计结果汇总.50 11. 参考文献及设计手册参考文献及设计手册.52 第四节设计感想第四
9、节设计感想.53 第五节第五节 附录附录 MATLAB 源程序源程序.54 甲醇-水二元筛板精馏塔设计 1 绪论绪论 一一. .化工原理课程设计的目的与要求化工原理课程设计的目的与要求 1.提高学生综合运用所学知识进行化工工艺设计的能力。 2.提高学生分析问题和独立工作的能力。 3.培养学生实事求是的科学态度和严谨认真的工作作风。 4.提高学生工程绘图的能力。 二二. .化工原理课程设计的基本内容化工原理课程设计的基本内容 1.设计方案的确定:所选定的工艺流程设备形式等的理论依据。 2.主要设备的化工工艺及结构计算:物料衡算、能量衡算、工艺参数的选定、设备的主要 结构尺寸的确定等。 3.附属设
10、备的设计或选型：主要附属设备的主要工艺尺寸的计算和设备型号规格的选定 4.工艺流程图：以单线图的形式描绘，标出主体设备与附属设备的物料流向、物流量和 主要测量点等，用 2 号图纸绘制。 5.主要设备装配图：图面应包括设备的工艺尺寸主要零部件的结构尺寸、技术特性表和 接管表等，用 1 号图纸按工程制图要求绘制。 6.设计说明书：包括目录、设计任务书、流程图、设计方案的说明与论证、设计计算与 说明、对设计中有关问题的分析讨论、设计结果汇总（主要设备尺寸各物料量和状态 能耗主要操作参数以及附属设备的规格型号等）和参考文献目录。 三化工原理课程设计的基本程序三化工原理课程设计的基本程序 1.准备工作：
11、认真阅读设计任务书，明确所要完成的设计任务。结合设计任务进行生产实 际的调研，收集现场资料，或查阅技术资料，以便了解与设计任务有关的典型装置的工 艺流程主体设备结构附属设备及测量控制仪表的装配情况等，为后面的设计工作做好准 备。 2.确定设计方案，绘制工艺流程图。 3.进行工艺设计计算。 4 进行设备的结构结构设计，绘制主体设备的总装配图。 5.进行附属设备的设计计算和选型。 6.编写设计说明书。 李健 化工 070325 甲醇-水二元筛板精馏塔设计 2 第一节第一节 概述概述 1.1 精馏操作对设备的要求精馏操作对设备的要求 精馏所进行的是气(汽)、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传
12、质所用的塔设 备，首先必须要能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为 了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求： 气(汽)、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛 等破坏操作的现象。 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较 高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。 流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而 降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度， 最终破坏物系的操作。 结构简单，材料耗用量小，制造
13、和安装容易。 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。 塔内的滞留量要小。 实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。 不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进 行选型。 1.2 体系介绍体系介绍 常压下甲醇与水的二元溶液就属正偏差溶液。由于对于一定的 x 值，其两组分的蒸汽 压均比理想溶液计算的值偏高，必然泡点比理想溶液的低，在 t-x-y 图中其泡点线除两端 点外均下移，使泡点线与露点线之间的间距增大，亦即使 a 增大。 甲醇水体系汽液平衡数据 (101.325kPa)：参考课程设计数据 t/xya 100.00.00
14、0.00 96.40.020.1347.58 93.50.040.237.17 91.20.060.3046.84 89.30.080.3656.61 87.70.100.418 646 李健 化工 070325 甲醇-水二元筛板精馏塔设计 3 84.40.150.5176.07 81.70.200.5795.50 780.300.6654.63 75.30.400.7294.04 73.10.500.7793.52 71.20.600.8253.14 69.30.700.872.86 67.50.800.9152.69 660.900.9582.53 650.950.9792.45 64.5
15、1.01.0 备注： ，算得常压下不同温度时甲醇对水的相对挥发度。 21 12 YX YX 常压下甲醇-水物系的 t-x-y 图与 y-x 图如下图所示： 李健 化工 070325 甲醇-水二元筛板精馏塔设计 4 1.3 板式塔类型板式塔类型 气液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采 用填料塔。板式塔为逐级接触型气液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气液接触元 件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动 喷射塔等多种。板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813 年)、筛板塔(1832 年)，其后， 特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新 型塔板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔 板及角钢塔板等。目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡 罩塔，而前两者使用尤为广泛。 1.3.1 泡罩塔泡罩塔 泡罩塔板是工业上应用最早的塔板，其主要原件为升气管及泡罩。泡罩安装在升气管 的顶部， 分圆形和条形两种，国内应用较多的是圆形泡罩。泡罩尺寸分为、mm80mm100 三种，可根据塔径的大小选择。通常塔径小于 1000mm，选用的泡罩；塔mm150mm80 径大于 2000mm，选用的泡罩。mm150 李健 化工
