化工原理课程设计任务书-甲醇—水连续填料精馏塔.docx

化工原理课程设计说明书设计题目：甲醇一水连续填料精馆塔设计者：专业：学号：指导老师：2007年7月13日一、设计任务书1二、设计的方案介绍1三、工艺流程图及其简洁说明2四、操作条件及精斓塔工艺计算4五、精端塔工艺条件及有关物性的计算14六、精储塔塔体工艺尺寸计算19七、附属设备及主要附件的选型计算23八、参考文献26九、甲醇一水精端塔设计条件图一、设计任务书甲醇散堆填料精馆塔设计:加热方式分为干脆蒸汽和间接蒸汽加热。间接蒸汽加热是通过再沸器使釜液部分汽化，维持原来的浓度，重新再进入塔底。使上升蒸汽与回流下来的冷液再进行热质交换。这样削减了理坨极数，从而降低了成本，但是也存在着增加加热装置的缺点。绘台考虑以上两方面因素，本设计选用间接蒸汽加热。四、操作条件及精陷塔工艺计算：本设计任务是分别甲醉水的混合物。对于二元混合物的分别，应采纳连续精燔流程。设计中采纳泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精描塔内。塔顶上升蒸汽采纳全凝器冷凝,冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分冷却后送至储埴。回法.比设定为最小回演.比的2倍。塔釜采纳间接蒸汽加热,塔底产品经冷却后送至储埴。(一)物料衡算1、原料液及塔顶，塔底产品的摩尔分率甲砰的摩尔质量：Ma=32kg/kmo1.水的摩尔质量：Mb=18kg/kmo1.xf,=4I.3%,Xd=98.5%,XS=O.05%(均为质量比)XF=(xf,Ma)xf7Ma+(1-xf»MB=(41.3/32)/(41.3/32+58.7/18)=28.35%XD=(XD'/Ma)/xd,/Ma÷(1xd')/Mb=(98.5/32)/(98.5/32+1.5/18)=97.36%Xw=(xw*ZMa)/Xw,/Ma+(1xw')/Mb=(0.05/32)/(0.05/32+99.95/18)=O.028%2、原料液及塔顶，塔底产品的平均摩尔质量Mh=28.35%×32+71.65%×18=21.969kgkmo1.M>=97.36%×32+2.64%×18=31.63kg/'kmo1.Mw=O.O28%×32+99.972%×18=18.891kg/kmo1.3、物料衡算原料处理量：F=12000ty=(12×1067200)21.969=75.86kmoVh总物料衡算：75.86=D+W甲醇物料衡算：75.86×28.35%=D×97.36%+WXO.028%得D=22.074kmo1.hW=53.786kmo1.h表一塔顶、塔底、进料液的物料数据塔塔xd,=98.5%xd=97.36%Mi=21.969kgkmo1.F=75.86kmo1.',h进料液xf,=41.3%XF=28.35%Md=31.63kg/'kmo1.D=22.074kmo1./h塔底xw,=0.05%Xw=0.028%Mw=18.89IkgZkmoIW=53.786kmo1.h（二）理论塔板数的确定甲醇一水属于志向物系，可采纳以下三种方法求解理论塔板数：1、拟合和平衡曲线后逐板计算法在IOUkpa的总压下,甲醇和水的混合物系的x-y图是设立在汽液平衡数据下，表示的是不同温度下互成平衡的汽液两相组成y与X的关系。对于志向物系.汽相组成y恒大于液相组成X,因此相平衡线位于y=x对用线上方。平衡线儡高对角线越远，表示该溶液越简洁分别。假如已知甲呼和水的混合物系的汽液平衡关系，即汽液平衡数据，则居开理论板的互成平衡、落度相等的汽液两相组成yn与Xn之间的关系就可以确定.若知道由该板下降的液体组成Xn及由它的下一层塔板上升的汽相组成yz之间的关系，从而塔内各板的汽液相组成可逐板予以确定，从而便可以求得在指定分别条件下的理论板层数。(1)由手哥查出甲醇一水汽液和平衡数据，拟合出相平衡方程及作出x-y图，表二甲醉一水汽液相平衡数据川汽和中甲温度液和中甲醇汽和中甲醇温度液相中甲醇弯的库尔C的摩尔分分的摩尔分数1/的摩尔分数分数1000O78.140.29420.665899.41O.I70.012576.520.35240.704499.250.00350.025075.340.40210.734197.800.01230.088974.220.45430.759597.350.01410.097573.210.50220.785396.920.01980.121471.950.56280.812395.820.02580.158970.900.62430.835095.06().03300.188269.150.71730.877394.130.03570.214568.070.78980.909892.24().05250.274667.570.82310.922590.0()0.07400.356067.170.84260.930088.570.08720.395066.900.85740.938586.930.10790.440066.890.87200.942285.370.12890.477665.980.91850.963883.380.16350.537065.730.92950.968281.950.19120.572465.710.93800.971280.250.23270.616264.680.98850.994779.060.26840.648364.65II由于是低压，汽相可视为志向汽体，液相为非志向溶液，汽液平衡关系式为pyi=xi»pi，且有y+y,2=1.二元体系的WiKOn方程为：In=In(X+2x2)+x:12(x+i2X2)-21(x2+2x)In2=In(x2+2x1)x2(x+2x2)21(X2+2X1)1An=(V：/V)ex-(g2-g)/(RT)2=(VV>)exp-(g2i-g22)(RT)以下做一个示例计算求解汽液相平衡数据：以XW=O.0225%作为初始点，须要试差求解，谩T=372.95K,带入公式求得:ps=3.521Ix1.O5Pa,V1=44.8553cm3mo1.侬=1.0059x1.OSPa,V2=18.8329cm¼no1.2=0.2959,21=1.4()76,=2.2463,2=1.(XX)y=0.0019,y2=0.9956,由于y+y2=0.9975,可以近似看成符合试差的要求可得到y=0.0()19/0.9975=0.0019,Ti=372.95K故用此方法不需甲葬一水汽液和平带数据即可结合逐板计算法得出理论塔，且比利用某一套汽液和平衡数据来进行计算，结果更牢费。计算过程略。同理，和平衡和操作线的交替运用，逐板计算法得到精燔段6块塔板，提陶段5块，共I1.块塔板(不包含再沸黔)，第5块塔板进料。与利用和平桥数掘进行的逐板计算法，结果基本一样。3、图解法(由于精确性比技低，故略。)4、汽液平衡数据的热力学一样性检险采纳Hcrington举荐的回历方法检脍表二列出的敢掘的热力学一样性依据Yi=pyi/(ipi4),先求得各个温度下的p?值，然后列出下表表三利用热力学检脸汽液平衡数据有关数据列表X1.In(2)X1.In(2)O.I70.750.5022-0.0880.00350.7330.6243-0.2730.02580.6930.7173-0.3570.05250.6370.8231-0.4640.10790.5630.9185-0.5530.19120.4020.9380-0.6120.29420.2140.9885-0.6390.40210.048积分得出两个阴影部分面枳：A=O.15663,B=-0.18622I=1.<In(12)dx=A+B=0.0296=,<1.In(1,'2)dx=A-B=0.3428D=(1.Z)X1.oo=8.63J=150×/Tm=150x(100-64.7)/(64.68+273.15)=15.675其中：两组分沸点是Tm体系最低沸点，K150闰历常敷D<J可知此相平衡叁据在合热力学一样性（三）热量衡算1、求塔顶温度tD,塔釜温度tw,进料温度tF(1)塔顶温度S由于确定了塔J员操作压力和液相组成,可以采纳试是法计算。先假设泡点,分别代入安托尼方程求算他组分的饱和蒸汽压,再由泡点方程核算假设的泡点。确定液相法度。汽相温度与液相法度相差不大，可近似看作相等。假设泡点t=65.19'C,则先组分的饱和蒸汽压为：对甲醇I574QOIgn=7.19736-np=1.()4.07kpa238.86+/对水Ig琮=7.07406-舞念E=>p%=2523kpa将以上数据代入泡点方程：x=(101.325-25.23)/(104.07-25.23)=0.965=x>可得：S=65.19'C(2)塔釜温度tw(内插法)液相中甲够汽相中甲够温度1/的摩尔分数的摩尔分数1000O(WXw=(M)OO225/99.41O.I70.0125(来源自表二)可得：(0-0.0017)/(00.000225)=(I(X)-99.41)/(I(X)-Iw)tw=99.930C(3)塔进料温度If温度taC液相中甲碑汽相中甲醉1、塔顶条件下的流量及物性参数=98%,xd=0.965,M1.Q=MV1.>=31.51.kg/kmo1.,D=9.786kmo1./h,D'=30836kgh,t>=65.190C(1)汽相密度：pv>=(Mv22.4)×(T<T)×(p,''p.>)=(31.5122.4)×(273.15/(273.15+65.655)J=1.134kgm'(2)液相密度：d=65.I90C,查常用溶剂相对密度表可得：p.M=735kgms表七不同温度下水的密度法度t0C密度p/(kgm,)60983.2tD=65.19oCP*70977.78内插法求斛(977.78-983.2)/(977.78-p»)=(70-60)/(70-65.19)可得p,=980.135kg/n131，PU)=XD,/p+(1xd')/P*,P1.D=740.74kg11(3)液相拈度：tD65.19aC,查有机化合物液体拈度表可得，w=O.33mPas表八不同温度下水的粘度温度tC粘度(mPas)600.47tD=65.1.90C*700.414内插法求解(0.4140.47)/(0.414-«)=(7060)/(7065.19)可得=0.43mPasIW=99.93°C,交饱和水的物性参数表可得，H«=0.288mPasi-w*=0.288tnPas(4)液体表面张力：I1.N=99.93。C,查饱和水的物性参数表可得，ti=60.0mNmo=m×Xd+。×(1XD)*=6().0mNm表十一精烟塔底部数据结果列表符号M.wMvwPVWp.w.w.w致依I8.(X)18.000.588958.40.28860.0kg,kmo1.kg/kmo1.kgm3kgmjnPasmN/m3、进料条件下的流量及物性参数：xf'=18.2%,Xf=1.1.1.%,M1.t=19.554kgkno1.,F=85.234k11)1.h,F'=1666.67kJ/h,If=86.70C(D汽和平均相对分子量:依据甲酹一水汽液和平衡方程，Xf=11.1%,可得yF=0.4502Mvf=0.4502×32+0.5498×I8=24.303kg/kmo1.(2)汽和密度：pvf=(Mvf22.4)×(ToT)×(ppo)=(24.30322.4)×273.1.5(273.1.5+86.7)1.=0.824kgm3(3)液加密度：(f=86.7oC,查常用溶剂相对密度表可得：prti=715.64kgm,同以上塔顶温度下水的密度求解，利用内插法可得：p1=967.45kgm31.p1.F=XF7pr*+(1.-XP*)/p*,可得P1.F=909.1kgm'(4)液和枯度：tF=86,70C,查有机化合物液体粘度表可得，HVm=O.27mPas同理用内插法可得：U*=0.329mPasgP1.=X1.gM+G-v)gfi1.t1.o，Hif=0.322mPas设计采纳的泛点气递法确定。泛点气速是熄料塔操作毛速的上限，填料塔的操作空塔气速与泛点气速之间的关系：对于DN25金属环如软版装填料：uZur=O.5).85泛点书速采纳贝恩一农根关联式计算，即-变得.DN25金属坏矩段散发填料，a=I85nm£=096,A=0.()6225.K=1.75(1)精德段塔径计算：将PV=O.979kg/mjpt=836.68kgm3,.=0.328m1.,as1.r=W1=29.65x25.53=756.96kgh.V'=Wv=39.44x27.91=11(X).77kg/h代人上式,可以求得：Ur=3.45m/s空塔气速：U=O.75Ur=O.75x3.45=2.588m/st=(IF+to)2=(86.7+65.19)/2=75.945*C体积流量：Vs=39.44x8.31×(75.945+273.15)*360OX1.(X)×0.979)=0.325m,s可得D=4Vs/(11u).=4×0.325/(3.14×2.588)2=0.39m圜空石，D=4(X)nn,对应的空塔毛速u=1.725m/s校核Dd=4OO25=16>8,符合条件.(2)提储段塔径计算将PV=O.706kgmp1.=933.75kgm=0.305mPa-s1.,=W=21.57.6kg/h,V*=Wv=834.156kg/h代人上式可以求得：ur=3.4nVs空塔气速：U=O.75Ur=O.75x3.4=2.55m/sI=(tF÷tw)/2=(86.7+99.93)/2=93.315C体积流量：V$=39.44x8.31×(93.315+273.15)/(36(X)X1.(X)×0.706)=0.473m,sD=I4Vs(11u)w=4x0.473/(3.14×2.355)1w=0.50m圆整石，D=5(X)nm,对应的空塔气速u=2.55Ws核核Dd=5(X)25=20>8,符合条件.(3)全珞塔径的碉定希恰段塔径圆终后，D=4(X)mm,提慵段塔径圆空后，D=500mm°因此，选期D=500mm为粉储塔的塔径.(4)最小嘴淋密度的校核块斜塔中汽液两相间的传质主要是在填料表而流淌的液膜上进行的。要形成液膜，块料表面必需被液体充分泗混，而填料表面的泗湿状况取决于塔内的液体喷淋密度及填料材屋的表面润湿性能。液体喷淋密度是单位塔板而积上，单位时间内喷淋的液体体积量，U表示。精储段:U=41.,/(11D2p1.)=4×765318/(836.68×O.1.521×3.14)=7.57mV(m2h)提恰段：U=41.,/(11D2p.)=4×2157.6/(933.75×0.25×3.14)=11.78m3(m2h)为保证JA料层的充分泗混，必需保证液体喷淋密度大于某一极限侦，该极限值称为最小喷林密度，以Ug表示。最小喷淋密度是以下式计算：UnIiII=(/"W)m«i”取(1.W)ms=8m,/(mh),a=1.85m2m'可得Umin=O.O885=14.8m,/(nrh)从计算上看精馈我与提馆段的喷淋密度都小于计算出的最小喷淋密度。在汉取掾作中,最小喷淋密度可能会达到计算得出的这个值，但是在精缁过程中.小喷淋密度可能只有所计算得的1/3,甚至更小。故符合条件。2、塔高的计算对于DN25金属球矩疑填料，一般取的/FTP=355485mmo本设计通用HETP=450mm,(I)精储段的填料层高度在孙馅段，空塔气速u=2588m,和愉塔的塔板放是6.5。7.=HETP×N=0.45×6.5=2.925n采纳上述方法计算出填料层高度石，留出肯定的平安系数，取0.1Z=1.1Z=1.1x2.925=3.2175m(2)提情段的填料层高度在提愉段，空塔气itu=255ms,精恰塔的塔板数是5。Z=HETPXNf=0.45×5=2.25m采纳上述方法计算出埴料层南度后，留出肯定的平安系数，取0.1Z,=1.1.Z=1.1.×2.25=2.475m(3)精馀塔的填料层高度Z=3.22+2.475=5.695m3、埴料层压力降的计算本设计中，收装填料的压降值由埃克特通用关联图来计算。计算时，先依据×0.5有关物性数据求出横坐标*1年J值，再依据操作空塔气速、压降填料因子以及有关的物性数据，求出软坐标4y(皆,6位.通过作图群出文点，读出过交点的等压线值,得出每米填料层压降值。查得，DN25金属环矩糅散堆填料的压降填料因子,=138m)(1)精储段的压降经计算得：横坐标：0,0235蚁坐标：0.0449查埃克特通用美联图，可得pZ=30×9.81=294.3pa/m因此，靖馀段的压降p=294.3×3,22=947.65pa(2)提储段的压降横坐标：0.0711姒坐标：0.0249查埃克林通用关联图，可得pZ=100×9.81=981pa/m因此，提慎段的压降Apz=98x2.475=2427.98pa(3)精储塔的压阵,Ap=947.65+2427.98=3375.63Pa表十四精淄塔各部分工艺尺寸及相关物性拳教精煽段提烟段全塔空塔气速(ms)2.5882.355塔径(m)0.39().50.5每米填料层压降(pam)294.3981总压降(pa)947.652427.983375.63填料层高度(In)3.222.4755.695七、附属设备及主要附件的选型计算1、冷凝器的选用取全凝蓄的传热系数K=2400kJ'(m2hC),选择逆流操作。冷却水进口温度是35C,出口温度是45七。原料液是泡点回流，进出。温度层本相等。逆流：T65.I9X?65.19*Ct35C-45cCt2=65.19-45=20.19,Ct1.=65.19-35=3O.I9(Ctm=(t2t)/In(t't)=24.88X?A=Qc/(K-tm)=14(X)194.48/(2400×24.88)=23.2m2本设计选用的列管换热器是G400-2-16-22。2、加热器的选用由于本谈计选择的是I33.3C总压是30OkPa的饱和水蒸汽作为加热介质,取传热系数K=4186.8kJ,'m2*h*C。At=133.3-I(X)=33.3CA=Q/(Kt)=1.622×10/(4186.8×33.3)=11.63m2本谀升选用的列管慢热器是G273-1-25-16。3、塔内管径的计算及选择本设计选用的是热礼无缝钢管.(1)进料管:选用Wf=0.6ms<1f=4F7(36(X)11Wrp1.F)if2=I4x1666.7/(3600x3.14x0.6x909.1)产=0.033m圆整后，选用的是<p=38mm«(2)回管:选用WR=().4ns<Ir=41.'/(360OXJrWRP1.I),=I4×756.96/(36(X)×3.14().4×826.68)'f2=0.0283m回整后，选用的还(p=32mm«(3)塔J贞蒸汽接管：选用Wv=2011dv=(4V,(36(X>11WvpvD)IQ=I4×11(X).77/(36(X)×3.14×20×1.134),'-=0.131m冏整后，选用的是=133mm。(4)塔釜出料管：选用Ww=0.6msdv=4W,(360011Wwp1.W)1/2=4×1358.3/(3600×3.14×0.6×958.4)=0.031m阅圣后，选用的是=32mm<.4、离心泵的选用当贮槽与使液槽两液而保持恒定，则泵对单位支量液体所做的冷功为:PR设珞釜离地面3m,忽视两极面间的压头损失.匕槽的液面和塔顶一样，可看做是常压下操作，压力差可近似看做是精幅我的压力降，AP1.=947.65pa。而在特定条件下M=0,因此：2gHe=z+p/(p1.Fg)=3+947.65/(9()9.1×9.81)=3.11mQe=1666.7，9<)9.1.=1.833mVh依据以上条件，选用1S5O-32125,转速n=1450rmin.5、液体分布器的选取填料塔的传质过程要求塔内任一城,面上汽液两相流体能匀称分布，从而实现亲密接触、高效传质，其中液体的初始分布至关重要。依据塔径D=500mm,液体负荷较小，埴料层不高，因此选用列管式液体分布器。由于埴料层不需分段，因此不须要液体再分布器。6、气体入塔分布气体入珞分布的匀称分布对孙储烦科塔非常克要，这对分布器的要求是压降尽可能小，分布匀称.D<500mm的小塔多采纳的是进气管分布，可使进气管伸到塔的中心线的位比，管的末端向下开块口，可使气流折转而上。鼓低的人口气速有利于毛体在塔内的分布，相宜的管内毛速为7、除穿沫器为捕集出填料层飞体中所夹带的液漆和穿滴，需在塔顶液体初始分布器的上方役近除零泳影。本设计塔径小，埴料层高度不南，且汽液易分别，因此采纳小型的丝网除沐器,装入设备上盖。8、塔釜设计料液在珞内停留5min塔釜液爰1.w=UX(5/60)=(1.7p.)×(5/60)=0.193m3Vw=1.w=KtPh/4已得到d=0.5m,可得h=0.98m精墙塔主要设计参数汇总表塔顶塔釜进料精阳段提隔段气相摩尔流量39.4439.44(kno1.h)液柏摩尔流量(k11o1.)9.78675.44785.23429.65114.89气和质量流量1.1.(X).77834.145(kgh)液和旗量流量(kgh)308.361358.051666.7756.962157.63摩尔分率0.965().(XX)2250.111质量分率0.980.()40.182气相平均相对也量31.511819.55427.9121.15(kg/kmo1.)液相平均相对重量31.511824.30325.5318.78(kg'kn>o1.)气相平均密度(kgm3)1.1340.5880.8240.9790.706液和平均密度(kgm)746.27958.4909.1836.68933.75温度(T)65.1999.9386.7平均拈度0.3340.2880.3220.3280.305(mPaS)八、参考文献1.Gnwh1.ingJ.Vapcr-1.iquidEqui1.ibriumDataCo1.1.ection.McGrawHi1.1.Inc.,19782、陈钟舟，顾飞燕，阴望明，化工热力学，北京：化学工业出版社,20023、化学工银手册绢委会，化学工出手册,化学工业出版社,19894、朵该敬等,化工流体流淌与传热,化学工业出版社，20005、费绍义等，化工传质与分别过程,化学工业出版社，20006,王树榄等,现代埴料塔技术指南,中国石化出版社，19987、谢克昌等,甲醇及其圻生物,化学工业出版社,20028、卡拉华耶夫等.甲砰的生产,化学工业出版社,19809、罗斯等,好用楮缁设计.化学工业出版社,199310、比勒特等，埴科塔，化学工业出版社，1998II、大连理工高校化工原理教研室,化工原理课程设计，大连理工商校出版社.199412、贺绍义等，化工原理课程设计：化工传递与单元操作设计,天津高校出版社，200213、秦叔经等,换熟X,化学工业出版社，200314、上海医药工业设计院，化工工艺设计手册，化学工业出版社，198915、苏健民，化工技术经济，化学工业出版社.199016、崔克沛等，化工平安设计，化学工业出版社.2004九、甲醇一水精燔塔设计条件图（附图二）