食品工程原理课程设计.doc

1、第 25 页 共 25 页课程设计任务书一、 设计题目: 甲醇-水二元物料板式精溜塔二、 设计条件:处理量：t/a（15000）料液组成（质量分数）：50%塔顶产品组成（质量分数）：94%塔顶易挥发组分回收率：99.9%每年实际生产时间：330天/年，每天24小时连续工作连续操作、中间加料、泡点回流操作压力:常压进料状况：泡点进料塔釜间接蒸汽加热，加热蒸汽压力为0.3Mpa塔顶冷凝水用冷却水的进出口温度差2040C三、设计任务 完成精馏塔的工艺设计，有关附属设备的设计和选型，绘制精馏塔系统工艺流程图和精馏塔装配图，编写设计说明书。设计内容包括：1、 精馏装置流程设计与论证2、 浮阀塔内精馏过程

2、的工艺计算3、 浮阀塔主要工艺尺寸的确定4、 塔盘设计5、 流体力学条件校核、作负荷性能图6、 主要辅助设备的选型四、设计说明书内容1、目录2、概述（精馏基本原理）3、工艺计算4、结构计算5、附属装置评价6、参考文献7、设计自我评价目录一、概述1、精馏操作对塔设备的要求和类型42、精馏塔的设计步骤5二、精馏塔工艺设计计算1、精馏塔物料衡算62、塔板数的确定72.1理论板层数NT的求取72.2实际板层数的求取83、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算3.1操作温度的计算103.2平均摩尔质量的计算113.3平均密度的计算113.4液相平均表面张力计算123.5液体平均粘度计算124、精馏塔塔体工

3、艺尺寸计算4.1塔径的计算134.2精馏塔有效高度的计算145、塔板主要工艺尺寸计算5.1溢流装置计算155.2塔板的布置165.3浮阀计算及排列166、浮阀塔流体力学性能验算187、塔附件设计23三、总结24概述一、精馏操作对塔设备的要求和类型对塔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

4、(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。板式塔类型 气液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大

5、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。 筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有： 结构比浮阀

6、塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60，为浮阀塔的80左右。 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加1015。 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。 压降较低，每板压力比泡罩塔约低30左右。 筛板塔的缺点是： 塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。 操作弹性较小(约23)。 小孔筛板容易堵塞。二、精馏塔的设计步骤 本设计按以下几个阶段进行： 设计方案确定和说明。根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、主要设备型式及其材质的选取等进行论述。 蒸馏塔的工艺计算，确定塔高和塔径。 塔板设计：计算塔板各主要工艺尺寸，进行流体力学校核计算。接管尺寸、泵等，并画出塔的操作性能图。 管路及附属设备的计算与

7、选型，如再沸器、冷凝器。 抄写说明书。 绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图。精馏塔工艺设计计算一、精馏塔物料衡算甲醇的摩尔质量 MA=32 kg/kmol水的摩尔质量 MB=18 kg/kmol 二、塔板数的确定1、理论板层数NT的求取甲醇水属理想物系，可采用图解法求理论板数由手册查得甲醇水物系的气液平衡数据，绘出xy图（见附图1）（1）最小回流比及操作回流比的计算采用图解法求最小回流比。在图中对角线上q(0.36,0.36)作垂线qf，该线与平衡线的交点坐标为故最小回流比则操作回流比可取图中精馏段操作线方程截距（2）精馏塔的气液相负荷 （3）操作线方程 精馏段 提留段 （4）图解法求理论

8、塔板数 如附图一，求解结果为总理论板层数 NT=9 进料板位置 NF=4 理论塔板数2、实际板层数的求取 （1）全塔效率的计算 用奥康奈尔法对全塔效率进行估算ET=0.49(L)-0.245100%由相平衡方程可得根据甲醇水体系相平衡图查得（第一块板） （塔釜）代入方程得出t-x图查t-x图得则精馏段平均温度提留段平均温度全塔平均温度在全塔平均温度下查得，则全塔平均液体粘度全塔效率（2）实际塔板数的计算精馏段实际板层数提留段实际板层数总塔板数N=20三、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算1、操作温度的计算查t-x图得则精馏段平均温度提留段平均温度全塔平均温度2、平均摩尔质量的计算塔顶平均摩尔

9、质量查平衡曲线得进料板平均摩尔质量查塔釜平均摩尔质量查精馏段平均摩尔质量提留段平均摩尔质量3、平均密度的计算（1）气相平均密度的计算由理想气体状态方程得精馏段气体平均密度提留段气体平均密度（2）液相平均密度的计算塔顶：查得进料板：查得 塔釜：查得则精馏段液相平均密度：提馏段液相平均密度：4、液相平均表面张力计算（1）塔顶：由查得（2）进料板：查得 （3）塔釜：查得精馏段液相平均表面张力：提馏段液相平均表面张力：5、液体平均粘度计算液相平均粘度依下式计算，即（1）塔顶液相平均粘度的计算 由查得 （2）进料板液相平均粘度的计算查得（3）塔釜液相平均粘度 查得 精馏段液相平均粘度: 提馏段液相平均粘

10、度:四、精馏塔塔体工艺尺寸计算1、塔径的计算（1）精馏段精馏段的气液相体积流率：最大空塔气速,其中，可由斯密斯关联图查得。横坐标取板间距，板上清液层高度，则，查斯密斯图得。则气体负荷因子最大空塔气速取安全系数为0.6，则塔径按照标准塔径规整后塔截面积为实际空塔气速：（2）提馏段提馏段气液相体积流率最大空塔气速,其中，可由斯密斯关联图查得。横坐标取板间距，板上清液层高度，则，查斯密斯图得。则最大空塔气速取安全系数为0.6，则塔径按照标准塔径规整后塔截面积为实际空塔气速：2、精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度：提馏段有效高度：在进料板上方开一人孔，其高度为0.8m，则精馏塔的有效高度为五、塔板主要

11、工艺尺寸计算1、溢流装置计算 因塔径D=0.7m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：（1）堰长（2）溢流堰高度 选用平直堰，堰上液层高度，取E=1，则精馏段： 提馏段： （3）弓形降液管宽度和截面积由查图得，故，依式验算液体在降液管中的停留时间精馏段：s5s提馏段：5s，故降液管设计合理(4)降液管底隙高度 取降液管底隙流体流速 精馏段： 提馏段： 故降液管设计高度合理选用凹形受液盘，深度2、塔板的布置 （1）分块 （2）边缘区宽度的确定： （3）开孔区面积计算开孔区面积按照式计算，其中3、浮阀计算及排列（见附图2） （1）阀孔气速，在9至12之间，取精馏段： （2）浮阀数

12、 精馏段：，所以取N=48（3）开孔率 塔板开孔率=（4）阀孔的排列 浮阀排列方式采用等边三角形叉排。去同一横排的孔心距t=75mm=0.075m，则估算排间距t=0.065m 浮阀排列图六、浮阀塔流体力学性能验算1、 气体通过浮阀塔的静压头精馏段：（1）干板静压头临界孔速所以采用（2）板上层阻力（3）液体表面张力所造成的静压头，由于很小可忽略不计。提馏段：（1）干板静压头临界孔速所以采用（2）板上层阻力（3）液体表面张力所造成的静压头，由于很小可忽略不计。2、液泛、液沫夹带、漏液（1）液泛塔板设置进口堰所以得 （2）液沫夹带 按照式计算泛点率 板上液体流径长度 板上液流面积 查得 代入上式得

13、（3）漏液错流型的塔板在正常操作时，液体应沿塔板水平流动，与垂直向上流动的气体接触后由降液管流下。但当上升气流速度减少时，气体通过阀孔的动压不足以阻止板上液体从阀孔流下时，便会出现漏夜现象。发生漏夜时，由于上层板上的液体未与从下层板上升的气体进行传质，就漏落在浓度较低的下层板上，这势必降低了塔板效率。漏夜严重时会使塔板上不能积液而无法正常操作。所以为保证塔的正常操作，漏夜量不能超过某一规定值，一般不能大于液体流量的10%。漏夜量大于10%的气流速度称为漏夜速度，这是塔操作的下限气速。造成漏夜的主要原因是气速太小和板上液面落差所引起的气流分布不均，比如在塔板的液流入口处由于有液层较厚而往往出现漏

14、夜，这也是在此处设置不开孔的安定区的原因之一。当液体横向流过板面时，由于要克服板上部件的局部阻力和摩擦阻力，需要一定液位差才能维持这一流动，这样板上液体进、出口侧的液面就会出现高度差，即液面落差，亦称水力学坡度。液面落差主要与塔板结构有关外，泡罩塔板结构复杂，液体在板上流动阻力大，液面落差也就大；浮阀塔结构较简单，液面落差则较小，筛板塔结构最简单，所以液面落差最小。但在塔径不大时，液面落差常忽略。液面落差除与塔板结构有关外，还与塔径、液流量有关。当塔径与液流量很大时，也会造成较大的液面落差。对于大塔，可采用单溢流或阶梯流，以减少液面落差。(4)塔板上液面的返混在塔板上，液体的主流方向是从入口端

15、横向流至出口端，但因气体搅拌及某些局部障碍，液体会发生局部的反向流动。这种与主流方向相反的流动称为返混。当返混严重时，板上液体会均匀混合，各点的液体浓度将趋于一致。当浓度均匀的气体与板上各点的液体进行接触传质后，则离开各点的气体浓度也会相同。这是一种理想情况。另一种理想情况是板上液体呈活塞流流动，完全没有返混。这时板上液体沿液流方向上液体浓度最大，在塔板进口处液体浓度大于出口浓度。当浓度均匀的气体与板上各点液体接触传质后，离开塔板各点的气体浓度也不相同，进口处的液体浓度出口出的浓度高。理论与实践都证明了在这种情况下，塔板的效率比液体完全混合时高。实际上，塔板上液体并不处在完全混合与完全没有返混

16、的两种理想状态，而是处于部分混合状态。3、塔板的负荷性能图（1）漏液线精馏段： 提馏段： （2）雾沫夹带线 按照泛点率=80%计算 精馏段： 化简得 提馏段：同理得到（3）液相负荷下限线取堰上液层高度作为液相负荷下的条件，依下式计算（4）液相负荷上限线液体的最大流量应保证在降液管中停留时间应补低于3至5，令（5）液泛线代入数据得精馏段液泛线：提馏段液泛线：4、小结（1）从塔板负荷性能图可看出，按生产任务规定的气相和液相流量所得到的操作点P，处在适宜操作区的位置，说明塔板设计合理。（2）因为液泛线在雾沫夹带线的上方，所以塔板的气相负荷上限由雾沫夹带控制，操下限由漏夜线控制。（3）按固定的液气比，

17、从负荷性能图中查得气相负荷上限Vsmax=1.2781 m3/s，气相负荷下限Vsmin=0.5703 m3/s，所以可得精馏段操作弹性提馏段操作弹性塔板的这两操作弹性在合理的范围（35）之内，由此也可表明塔板设计是合理的。精馏段气液相负荷图提馏段气液相负荷图现将塔板设计计算结果汇总如图项目内容-数值或说明备注塔径D/m0.8板间距HT/m0.4塔板形式单液流弓形降液管分块式塔板空塔气速u/(m/s)1.4582堰长lw/m0.42堰高hw/m0.0543板上液层高度hL/m0.06降液管底隙高度h0/m0.0114浮阀数N/个48等腰三角形叉排阀孔气速u0/(m/s)9.9临界阀孔气速uoc

18、/(m/s)10孔心距t/m0.13同一横排的孔心距单板压降h/m0.067液体在降液管内停留时间/s26.1降液管内清液层高度Hd/m0.128泛点率/(%)48.6液相负荷上限VSmax/(m/s)0.00175雾沫夹带控制气相负荷下限VSmin/(m/s)0.00027漏液控制操作弹性3.04七、塔附件设计1、接管（1）进料管取得经规整选取热轧钢管（GB14976-94）（2）塔顶蒸汽出口管取得经规整选取热轧钢管（GB14976-94）（3）回流液管径取得经规整选取热轧钢管（GB14976-94）（4）釜液排除管径取得经规整选取热轧钢管（GB14976-94）小结两个月的时间，我们完成了

19、甲醇-水精馏塔的设计，一份设计书和一张流程图、一张装配图。在设计精馏塔的过程中，我们以从未有过的热情投入到化工原理的复习中。通过对蒸馏知识的复习与巩固，我们完成了精馏塔的工艺设计书。又通过对化工制图的学习，完成了流程图预装配图。我们所设计的精馏塔是用于甲醇-水的分离。甲醇和水的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物

20、被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入苯的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成甲醇与水的分离。本设计是一次常规的练习设计，目的在于掌握设计的过程和分析问题的能力，必定有许多不足之处，希望老师多多批评。全章主要主要符号说明符号意义计量单位M摩尔质量kg/kmolF进料率kmol/hD塔顶采出率kmol/hW塔底采出率kmol/hq进料热状况x液相摩尔分率y

21、气相摩尔分率R回流比L液相负荷kmol/hV气相负荷kmol/hN塔板数P操作压力Pat温度密度kg/m3表面张力mN/m粘度mPasVS气相体积流率m3/sLS液相体积流率m3/sumax最大空塔气速m/sHT板间距mhL板上清液高度mC20负荷系数C负荷因子m/su空塔气速m/sD塔径mAT塔截面积m2Z有效高度mlW堰长mhW溢流堰高度mhOW堰上液层高度mWd降液管宽度mAf截面积m2降液管中停留时间sh0降液管底隙高度mWS边缘区宽度mAa开孔区面积m2t孔中心距mmn筛孔数目个开孔率h阻力PaeV液沫夹带量kg液/kg气K稳定系数Hd降液管内液层高mCP比热容kJ/(kmol)Q热

22、量kJ/hr潜化热kJ/kgG流量kg/h导热系数W/(m)修正系数K传热系数W/(m2)NP管程数Re雷诺数nS单程传管数de当量直径mPr普兰特数对流传热系数W/(m2)下标A轻组分B重组分D馏出液e平衡F加料m平均值W釜液L液相V气相参考文献1唐伦成.化工原理课程设计简明教程.哈尔滨.哈尔滨工程大学出版社.2005.2张受谦等.化工手册.济南.山东科学技术出版社.19863贾绍义、柴诚敬等.化工原理课程设计.天津.天津大学出版社.2002.4陈敏恒、从德滋、方图南等 .化工原理 上册 第二版.北京化学工业出版社.1999.5陈敏恒、从德滋、方图南、齐鸣斋等.化工原理 下册 第三版.北京化学工业出版社.2006.56刘光启、马连湘、刘杰主编 化学化工物性数据手册.有机卷 化学工业出版社1982.7. 刘光启、马连湘、刘杰主编 化学化工物性数据手册.无机卷 化学工业出版社19828卢焕章等.石油化工基础数据手册.化学工业出版社.1982.9. 谭天恩、麦本熙、丁惠华等.化工原理 上册 第二版.化学工业出版社1998.10.钱颂文主编.换热器设计手册.化学工业出版社.2002.