精品醇水二元体系浮阀精馏塔的工艺设计化工原理毕业论文.docx
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精品醇水二元体系浮阀精馏塔的工艺设计化工原理毕业论文
南京工业大学
《化工原理》课程设计
设计题目甲醇-水二元体系浮阀精馏塔的工艺设计
学生姓名班级、学号
指导教师姓名夏毅王海燕
课程设计时间年月日年月日
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
课程名称：
化工原理课程设计
设计题目：
甲醇-水体系浮阀精馏塔的设计
学生姓名：
专业：
化学工程与工艺
班级学号：
设计任务：
甲醇-水体系
设计条件及任务：
进料流量：
F＝250kmol
1.4塔釜加热方式：
塔釜可采用间接蒸汽加热或直接蒸汽加热。
直接蒸汽加热的优点是，可利用压强较低的加热蒸汽，并省掉间接加热设备，以节省操作费用和设备费用。
但直接蒸汽加热，只适用于釜中残液是水或与水不互溶而易于分离的物料，所以通常情况下，多采用间接蒸汽加热。
1.5回流的方式方法:
液体回流可借助位差采用重力回流或用泵强制回流。
采用重力回流可节省一台回流泵，节省设备费用，但用泵强制回流，便于控制
回流比。
考虑各方面综合因素，采用重力回流。
二.精馏的工艺流程图的确定
甲醇—水溶液经预热至泡点后，用泵送入精馏塔。
塔顶上升蒸气采用全冷凝后，部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。
塔釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。
3.理论板数的确定
3.1物料衡算：
∵η=
∴D=ηFXfXD=0.99×250×0.280.99=70kmol=
=（0.99-0.6526）（0.6526-0.2）=0.9055
∴R=1.6Rmin=1.6*0.9055=1.4488
3.4理论板数NT的计算以及实际板数的确定
1）塔的汽、液相负荷
L=RD=1.4488×70=101.416kmol==1.297（14×3.14159×0.0392×9.29054）=107.5=108（个）
③有效传质区：
根据公式：
其中：
R==0.46m
x==0.28m
∴
=0.4498m2
④塔板的布置
因D>800mm故塔板采用分块式，查表的塔块分为3块，采用等腰三角形叉排。
浮阀塔筛孔直径取d=39mm,阀孔按等腰三角形排列。
⑤阀孔的排列：
第一排阀孔中心距t为75mm，各排阀孔中心线间的距离t’可取65mm,80mm,100mm.
经过精确绘图，得知，当t’=65mm时，阀孔数N实际=98个
按N=85重新核算孔速及阀孔动能因数：
孔速u0=VS（π×14×d2×N）=11.079ms
F0=uo×（ρV,M）0.5=11.58
阀孔动能因数变化不大，仍在9～12范围内。
⑥∴开孔率φ
∵空塔气速u=VSAT=1.6514ms
∴φ=uuo=1.651411.428=14.45%
∵5%<14.45%<15%,∴符合要求
故：
t=75mm,t’=65mm,阀孔数N实际=98个
∴则每层板上的开孔面积
AO=Aa×φ=0.4498×14.45%=0.065m2
4）塔板流体力学的验算
a.塔板压降
气体通过浮阀塔板的压力降（单板压降）
①干板阻力:
浮阀由部分全开转为全部全开时的临界速度为U0,c
U0,c=（73.1ρV,M）（11.825）=10.250ms<11.428ms
∴=5.34×1.0456×11.4282（2×807.367×9.8）
=0.0461m液柱
②液层阻力
充气系数=0.5,有:
=0.5312
操作弹性=VmaxVmin=1.83250.5312=3.45>3
∴此设计符合要求。
4.3提馏段塔径塔板的实际计算
1）提馏段汽、液相体积流率为：
LS’=0.00215m3s
VS’=1.2553m3s
2）塔径的计算
取塔板间距HT=0.4，板上液层高度h1=0.06m，那么分离空间：
HT–==1.2553（14×3.14159×0.0392×10.735）=97.89=98（个）
③有效传质区面积：
根据公式：
其中：
R==0.46m
x==0.29m
∴Aa’=0.49563m2
④塔板的布置
因D>800mm故塔板采用分块式，查表的塔块分为3块
采用等腰三角形叉排。
浮阀塔阀孔直径取d=39mm,阀孔按等腰三角形排列，如下图:
⑤阀孔的排列：
第一排阀孔中心距t为75mm，各排阀孔中心线间的距离t’可取65mm,80mm,100mm.
经过精确绘图，得知，当t’=80mm时，阀孔数N实际=92个
按N=69重新核算孔速及阀孔动能因数：
孔速u0’=VS’（π×14×d2×N）=11.428ms
F0=uo’×（ρV,M’）0.5=10.645
阀孔动能因数变化不大，仍在9～12范围内。
⑥开孔率φ’
∵空塔气速:
u’=VS’AT’=1.5983ms
∴开孔率φ’=u’uo’=1.18611.428×100%=13.986%
∵5%<13.986%<14%,∴符合要求
∴则每层板上的开孔面积
AO’=Aa’×φ’=0.49563×13.986%=0.0693m2
4）塔板流体力学的验算
a.塔板压降
气体通过浮阀塔板的压力降（单板压降）
干板压强降hc’
浮阀由部分全开转为全部全开时的临界速度为U0,c’
U0,c’=（73.1ρV,M’）（11.825）=11.353ms>11.428ms
∵
=0.59
操作弹性=VmaxVmin=2.010.59=3.41>3
∴此设计符合要求。
五．浮阀塔板工艺设计计算结果
项目
精馏段
提馏段
塔径D，m
板间距HT，m
塔板型式
实际塔板数
空塔气速u，ms
堰长lW，m
堰高hW，m
板上液层高度hL，m
降液管底隙高度ho，m
浮阀数N，个
阀孔气速uo，ms
阀孔动能因数Fo
临界阀孔气速uoc，ms
孔心距t，m
排间距t’，m
单板压降△pp，Pa
液体在降液管内停留时间θ，s
安定区宽度Ws,m
边缘固定区宽度Wc,m
弓形降液管宽度Wd,m
开孔率%
泛点率%
气相负荷上限（Vs）max，m3s
气相负荷下限（Vs）min，m3s
操作弹性
1.0
0.4
单溢流弓形降液管
13
1.16514
0.7
0.04802
0.06
0.022
98
11.079
11.58
10.250
0.075
0.065
602.7326
29.768
0.07
0.04
0.15
14.45
75.44
2.225
0.5312
4.189
1.0
0.4
单溢流弓形降液管
16
1.5983
0.7
0.04534
0.06
0.022
92
11.428
10.645
11.353
0.075
0.080
569.40
13.153
0.07
0.04
0.15
13.986
70.56
2.62
0.59
4.44
六辅助设备及零件设计
1.塔顶全凝器的计算及选型
1）冷凝器的选择：
（列管式冷凝器）
按冷凝器与塔的位置，可分为：
整体式、自流式和强制循环式。
①整体式
如图a，b所示。
将冷凝器与精馏塔作成一体。
这种布局的优点是上升蒸汽压降较小，蒸汽分布均匀，缺点是塔顶结构复杂，不便维修，当需用阀门、流量计来调节时，需较大位差，须增大塔顶板与冷凝器间距离，导致塔体过高。
该型式常用于减压精馏或传热面较小场合。
②自流式
如图c所示。
将冷凝器装在塔顶附近的台架上，靠改变台架的高度来获得回流和采出所需的位差。
③强制循环式
如图d，e所示。
当冷凝器换热面过大时，装在塔顶附近对造价和维修都是不利的，故将冷凝器装在离塔顶较远的低处，用泵向塔提供回流液。
根据本次设计体系，甲醇-水走壳程，冷凝水走管程，采用逆流形式。
冷凝器置于塔下部适当位置，用泵向塔顶送回流冷凝水，在冷凝器和泵之间需设回流罐，这样可以减少台架，且便于维修、安装，造价不高。
（2）冷凝器的传热面积和冷却水的消耗量
①热流体为64.9℃的99%的甲醇蒸汽，
冷凝蒸汽量：
由于甲醇摩尔分数为0.99,所以可以忽略水的冷凝热,r=1100.18KJkg
②冷凝水始温为12℃，取全凝器出口水温为20℃，在平均温度
物性数据如下（甲醇在膜温40.3℃下，水在平均温度16℃下）
ρ（kgm3）
Cp（KJk.℃）
μ[kg（s.m）]
λ（w（m.℃））
甲醇-水
1.156
2.596
45×10-5
0.1888
水
993.6
4.17
71.24×10-5
0.6268
③a.设备的热参数：
b．水的流量：
c．平均温度差：
根据“传热系数K估计表”取K=2000W（m2.℃）
传热面积的估计值为：
安全系数取1.2换热面积A=1.2×29.51=35.41m2
管子尺寸取25mm水流速取ui=1.0ms
管数：
管长：
取管心距
壳体直径取600mm
折流板：
采用弓形折流板，取折流板间距B=200mm
由上面计算数据，选型如下：
公称直径Dmm
600
管子尺寸mm
25
公称压力PN（MPa）
1.6
管子长lm
4.2
管程数NP
1
管数n根
108
壳程数NS
1
管心距tmm
31.25
管子排列
正三角排列
（3）核算管程、壳程的流速及Re:
①管程
流通截面积：
管内水的流速
②壳程
流通截面积：
取=12
壳内甲醇-水流速
当量直径
（4）计算流体阻力
管程流体阻力
设管壁粗糙度ε为0.1mm，则εd=0.004,
查得摩擦系数λ=0.036
取污垢校正系数F=1.4
符合一般要求
壳程流体阻力
Re=1012.66>500，故
管子排列为正三角形排列，取F=0.5
挡板数块
代入得
取污垢校正系数F=1.0
=9329.6Pa<100kPa
故管壳程压力损失均符合要求
（5）管程对流给热系数
膜的雷诺数
所以为垂直湍流管
壳程对流给热系数
Reo=1012.66
Pr0===8
=0.360.14
=484.98
计算传热系数
取污垢热阻RS0.15m℃kWRS=0.58m℃kW
以管外面积为基准则K=
=2.371kW（m2.℃）
计算传热面积A=m2
所选换热器合适
2.塔底再沸器面积的计算及选型
（1）再沸器的选择：
列管式蒸发器
对直径较大的塔，一般将再沸器置于塔外。
其管束可抽出，为保证管束浸于沸腾器液中，管束末端设溢流堰，堰外空间为出料液的缓冲区。
其液面以上空间为气液分离空间。
换热面积
换热量为
考虑到5%的热损失后
传热面积：
A=
蒸汽温度为120℃，冷液进口温度为99.426℃，出口温度为99.592℃
则
℃
取传热系数K=1000W（m2.K）
∴
3.其他辅助设备的计算及选型
1）进料管
进料管的结构类型很多，有直管进料管、弯管进料管、T型进料管。
本设计采用直管进料管。
管径的计算:
，取，
经圆整选取热轧无缝钢管，规格Φ45×3mm
2）回流管
回流液体积流量
利用液体的重力进行回流，取适宜的回流速度，那么
经圆整选取热轧无缝钢管，规格：
Φ57mm3mm
实际管内流速：
3）塔釜出料管
釜残液的体积流量：
=0.001m3s
取适宜的输送速度uw=0.785ms则
经圆整选取热轧无缝钢管，规格：
Φ50mm4mm
实际管内流速：
4）再沸器蒸汽进口管
设蒸汽流速为20ms,
经圆整选取热轧无缝钢管，规格：
Φ370mm12.5mm
实际管内流速：
5）冷凝水管
冷凝水进口温度为12℃，水的物性数据：
冷凝水质量流率，取流速为1.6ms
管径
选取Φ180×4.5mm热轧无缝钢管
实际流速为
6）冷凝水泵
雷诺数:
取ε=0.01，，查图摩擦系数λ=0.031
各管件及阀门阻力系数如下:
名称
水管入口
进口阀
90·弯头×4
半开型球阀
ξ
0.5
6
0.75×4
9.5
设管长为50米,
塔有效高度加裙座加全凝器高度取Ho=20m
扬程
取28m
流量
流量V=200,扬程,转速,
泵效率,轴功率
7）进料泵
①塔总高（不包括群座）由下式决定
式中H—塔高，m；--塔顶空间，m；--塔板间距，m；
--开有人孔的塔板间距，m；--进料段高度，m；
--塔底空间，m；--实际塔板数，m；
--人孔数（不包括塔顶空间与塔底空间的人孔数）。
已知实际塔板数为29块，板间距,由于料液较清洁，无需经常清洗，可取每隔8块板设一个人孔，则人孔的数目为：
S=298=4个
取1.5m，=32块，=0.4m,=0.8m，每8块取一个人孔，=4个。
的计算:
塔釡料液最好能在塔底有3~5分钟的存储，所以取5分钟来计算。
则=1.5+（29-2-4）×0.4+4×0.4+0.8+0.955=14.96m
裙座高度取5m，所以总高度为19.96m。
②有效高度
精馏段有效高度
提馏段有效高度
③泵的选择
F=250kmol，加料板的压强为109010Pa
进料口的高度为11.4m，进料段的表压为1.07585atm，管路阻力
管路的高度为11.4+1.07585×10+=22.1585+,所以要选一个适合这个流量和高度的泵，查型离心泵性能表，使用重力回流
流量（m3h）
扬程
m
转速（rmin）
气蚀余量m
泵效率%
轴功率
配带功率
12.5
32
1450
2.5
37
2.94
4
8）预热器
进料冷夜的温度为15.7℃，经过加热器变成饱和液体温度为78.08℃，用列管式加热器。
原料加热：
采用压强为270.25kPa的饱和水蒸汽加热，温度为130℃，冷凝温度至130℃流体形式，采用逆流加热
查表=2.48kJ（kg•K）=4.183kJ（kg•K）
摩尔分数=0.28
根据上式可知：
Cpc=2.48×0.28+4.138×0.72=3.6738kJ（kg•K）
设加热原料温度由15.7℃到81.82℃
考虑到5%的热损失后
选择传热系数K=800w（m2•K）
计算传热面积：
℃
取安全系数为0.8
A实际=5.520.8=6.9m2
七．设计感想
进行了整整两周的化工原理课程设计终于告一段落，对我自己而言两周的辛勤劳动是收获颇丰的。
总结于下：
对化工设计有了比较深刻的认识，在平常的化工原理课程学习中总是只针对局部进行了计算，而对参数之间的相互关联缺乏认识。
平常的学习总会有题设的条件，省去了我们很多劳动，但在设计中大量用到了物性数据是我们需要自己去查取的。
我学会了去互联网上查取这些数据，如在中科院过程工程研究所的数据库中就有许多我们所需要的数据。
设计中我学会了离开老师进行自主学习，参看多本指导书，还查阅了一些图书馆中的资料。
刚开始的时候真的是完全没有方向，直到用了两周的时间慢慢的把这份设计做出来，这样的设计让我从中获得了一些自信，觉得专业还是学了不少东西的，至少学会了一种研究的方法，将来工作中或学习遇到了什么困难或从未接触过的领域，我也不再会感到畏惧。
因为我已经有了一定的自主研究的能力，我能通过自学慢慢的将问题化解。
设计帮助我更好的熟悉了WORD、EXCEL、CAD的操作。
平常天天用电脑上网，进行些娱乐活动，真正这些实用的软件却触碰的很少，虽然以前有学过但隔的时间也比较久了，大多都淡忘了。
设计教会了我耐心，很多地方都是需要先假设数据，再验算，不符合时再调整数据重新进行验算。
很多地方我都不得不重复的算上好几遍，而且大量繁琐的计算要求我必须克服毛躁的毛病，计算必须准确到位才能更快的完成设计任务。
八．致谢
本次设计能完全结束，离不开老师得辛勤指导和同学们的热心帮助。
由于个人知识水平有限，在老师和同学的耐心帮助下才得以完成本次设计。
在此，特别感谢夏毅老师和王海燕老师，以及化工班的同学们。
同时也感谢学校和老师给我们一个锻炼自己学习知识的机会。
九．参考文献
[1]管国锋,赵汝溥.《化工原理》（第二版）.北京:
化学工业出版社,2003年
[2]毕诚敬.《化工原理课程设计》.天津:
天津科学出版社，1996年
[3]化学工程编委会.《化学工程手册》（第1、13卷），北京:
化学工业出版社，1989年
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上海科学技术出版社,1989年
[5]国家医药管理局上海医药设计院.《化工工艺设计手册》（上、下）（第二版）.北京:
化学工业出版社，1996年
[6]刘佩茹.《化工过程与设备》.北京:
中国轻工业出版社,1994年
[7]潘国昌,郭庆丰.《化工过程设备与设计》.北京:
化学工业出版社,1996年
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化学工业出版社,1990年
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化学工业出版社,1994年
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同济大学出版社,1996年
[11]邱景宏,宁宇.《中文AutoCAD2000应用培训教程》.北京:
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