【正文】 ...... 41 自我評價 ......................................... 42 符號說明 ........................................... 42 參考文獻 ........................................... 43 圖紙 ............................................... 43 青島科技大學(xué)化工原理課程設(shè)計 1 1 設(shè)計題目及原始數(shù)據(jù) 設(shè)計題目：甲醇 水溶液連續(xù)精餾塔設(shè)計 試設(shè)計一座甲醇 水溶液連續(xù)精餾塔，年產(chǎn)量為 15000+（ 23 1000） =38000噸，要求甲醇產(chǎn)品產(chǎn)品純度為 %（ 110 號同學(xué)數(shù)據(jù)為 98%； 1120 號同學(xué)數(shù)據(jù)為 99%； 2130號同學(xué)數(shù)據(jù)為 %），塔頂易揮發(fā)組分的回收率為 99%,原料液中含甲醇 40%（以上均為質(zhì)量分數(shù)）。 操作條件 （ 1） 操作壓力 常壓 （ 2） 進料熱狀態(tài) 20℃ （ 3） 回流比 自選 （ 4） 塔底加熱熱蒸汽壓力 （表壓） （ 5） 年實際生產(chǎn)時間 7200h （ 6） 其他參數(shù)（除給出外）可自選 2 設(shè)計方案的確定及 流程 說明 塔設(shè)備的選定 化學(xué)工業(yè)中塔設(shè)備是化工單元操作中重要的設(shè)備之一，化學(xué)工業(yè)和石油工業(yè) 中廣泛應(yīng)用的諸如吸收、解吸、精餾、萃取、增濕、減濕等單元操作中，精餾操作是最基本的單元操作之一，它是根據(jù)混合液中各組分的揮發(fā)能力的差異進行分離的。 塔設(shè)備一般分為級間接觸式和連續(xù)接觸式兩大類。前者的代表是板式塔，后者的代表則為填料塔。一般，與填料塔相比，板式塔具有效率高、處理量大、重量輕及便于檢修等特點，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，阻力降較大。在各種塔型中，當(dāng)前應(yīng)青島科技大學(xué)化工原理課程設(shè)計 2 用最廣泛的是篩板塔和浮閥塔。 浮閥塔 浮閥塔的特點： （ 1） 生產(chǎn)能力大，由于塔 板上浮閥安排比較緊湊，其開孔面積大于泡罩塔板，生產(chǎn)能力比泡罩塔板大 20%～ 40%，與篩板塔接近。 （ 2） 操作彈性大，由于閥片可以自由升降以適應(yīng)氣量的變化，因此維持正常操作而允許的負荷波動范圍比篩板塔，泡罩塔都大。 （ 3） 塔板效率高，由于上升氣體從水平方向吹入液層，故氣液接觸時間較長，而霧沫夾帶量小，塔板效率高。 （ 4） 氣體壓降及液面落差小，因氣液流過浮閥塔板時阻力較小，使氣體壓降及液面落差比泡罩塔小。 （ 5） 塔的造價較低，浮閥塔的造價是同等生產(chǎn)能力的泡罩塔的 50%～ 80%，但是比篩板塔高 20%～ 30。 但是，浮閥塔的抗腐蝕性較高（防止浮閥銹死在塔板上），所以一般采用不 銹鋼作成，致使浮閥造價昂貴，推廣受到一定限制。 近幾十年來，人們對浮閥塔的研究越來越深入，生產(chǎn)經(jīng)驗越來越豐富，積累的設(shè)計數(shù)據(jù)比較完整，因此設(shè)計浮閥塔比較合適。 浮閥類型 國內(nèi)常用的浮閥有三種， F1 型 、 V4 型 、 T型。 V4型的特點是閥孔被沖壓成向下彎的噴咀形，氣體通過閥孔時因流道形狀漸變可減小阻力。 T型閥則借助固定于塔板的支架限制閥片移動范圍。 浮閥一般都用不銹鋼制成，其中 F1 型浮閥最常用，其又分重閥和輕閥兩種，重閥用厚度 2mm的鋼板沖成，閥質(zhì)量約 33g,輕閥用厚度 的鋼板沖成，閥質(zhì)量約 25g。閥重則閥的慣性大，操作穩(wěn)定性好，但氣體阻力大。一般采用重閥，只有要求壓降很小的場合，如真空精餾時才使用輕閥。 三類浮閥中， F1型浮閥最簡單，該類型浮閥已被廣泛使用。 本次設(shè)計采用F1型浮閥（重閥）。 青島科技大學(xué)化工原理課程設(shè)計 3 進料熱狀 態(tài) 進料熱狀態(tài)有五種。原則上，在供熱一定的情況下，熱量應(yīng)盡可能由塔底輸入，使產(chǎn)生的氣相回流在全塔發(fā)揮作用，即宜冷也進料。但為使塔的操作穩(wěn)定，免受季節(jié)氣溫的影響，常采用泡點進料。這樣，塔內(nèi)精餾段和提留段上升的氣體量變化較小，可采用相同的塔徑，便于設(shè)計和制造。但將原料預(yù)熱到泡點，就需要增設(shè)一個預(yù)熱器，使設(shè)備費用增加。 綜合考慮各方面因素，決定增設(shè)一個預(yù)熱器 ， 采用泡點進料，即 q=1 。 進料方式 加料方式有兩種：高位槽加料和泵直接進料。采用高位槽加料，不可以得到穩(wěn)定的流量和流速，采用泵加料，設(shè)備操作費用高，但流量及流速穩(wěn)定，傳質(zhì)效率高，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。本次設(shè)計采用泵直接進料。 塔頂冷凝方式 塔頂冷凝采用全凝器，用水冷凝。 回流方式 回流方式可分為重力回流和強制回流。對于小塔型，回流冷凝器一般安裝在塔頂，其優(yōu)點是回流冷凝器無需支撐結(jié)構(gòu)，其缺點是回流冷凝器回流控制較難。如果需要較高的塔處理量或塔板數(shù)較多時，回流冷凝器不適合于塔頂安裝，且塔頂冷凝器不易安裝、檢修和清理。在此情況下，可采用強 制回流，塔頂上升蒸汽量采用冷凝器以冷回流流入塔中。 本次設(shè)計為小型塔，故采用重力回流。 塔釜加熱方式 塔釜可采用間接蒸汽加熱或直接蒸汽加熱。直接蒸汽加熱的優(yōu)點是，可利用壓強較低的加熱蒸汽，并省掉間接加熱設(shè)備，以節(jié)省操作費用和設(shè)備費用。但直青島科技大學(xué)化工原理課程設(shè)計 4 接蒸汽加熱，只適用于釜中殘液是水或與水不互溶而易于分離的物料，所以通常情況下，多采用間接蒸汽加熱。 總流程說明 本設(shè)計任務(wù)為分離甲醇 水混合物。對于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。設(shè)計中采用 冷液 進料， 用泵 將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升 蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分加回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲罐。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。 3 精餾塔工藝計算 精餾塔的物料衡算 由于精餾過程的計算均以摩爾分數(shù)為準，需先把設(shè)計要求中的質(zhì)量分數(shù)轉(zhuǎn)化為摩爾分數(shù)。 已知： 40%Fa ? %Da ? 99%?? 摩爾流量衡算 原料液的摩爾組成： 4 0 % / 3 2 0 . 2 7 2 7+ 4 0 % / 3 2 ( 1 4 0 % ) / 1 8Fx nnn? ? ???甲 醇甲 醇 水 同理可求得： 9 9 . 5 % / 3 2 0 . 9 9 1 1+ 9 9 . 5 % / 3 2 ( 1 9 9 . 5 % ) / 1 8Dx nnn? ? ???甲 醇甲 醇 水 原料液的平均摩爾質(zhì)量： 1 ) 0. 27 27 32 1 0. 27 27 18 21 .8 2 /FFFM x M x M k g k m ol? ? ? ? ? ? ?甲 醇 水（ （ ） = 32 /M kg kmol甲 醇 =18 /M kg kmol水青島科技大學(xué)化工原理課程設(shè)計 5 同理可求得： 0. 99 11 32 1 99 11 18 31 .8 6 /DM k g k m ol?? ? ? ? ?（ ） 已知 21 .8 2 /FM kg kmol? ， 6 /DM kg kmol? 甲醇年產(chǎn)量 38000 噸，年實際生產(chǎn)時間 7200h。 產(chǎn)品 摩爾流量 ： 3 8 0 0 0 1 0 0 0 = 1 6 5 . 7 k m o l /h3 1 . 8 6 7 2 0 0D ?? ? 由 DFDxFx?? 得 原料摩爾流量 ： 1 6 5 .7 0 .9 9 1 1 6 0 8 .3 k m o l /h0 .2 7 2 7 9 9 %F ???? 由全塔的物料衡算方程可寫出： 總物料： 易揮發(fā)組分： 解得 03746 /WxW kmol h??? ?? 質(zhì)量流量衡算 塔頂產(chǎn)品質(zhì)量流量： 38000 5 .2 8 /7200DG t h?? 進料質(zhì)量流量： 36 0 8 .3 2 1 .8 2 1 0 1 3 .2 7 /FFG F M t h?? ? ? ? ? 塔釜產(chǎn)品質(zhì)量流量 : 13. 27 8 9 /W F DG G G t h? ? ? ? ? 表 31 物料衡算結(jié)果表 進料 塔頂 塔釜 質(zhì)量流量 摩爾流量 摩爾分率 F D W??F D WFx Dx Wx??/( / )th/( / )kmol h青島科技大學(xué)化工原理課程設(shè)計 6 相對揮發(fā)度的計算 表 32 常壓下甲醇 水氣液平衡與溫度關(guān)系 液相甲醇 氣相水 溫度 0 0 100 100 100 根據(jù)表 32，利用內(nèi)插法求進料、塔頂和塔底溫度，由 得： 進料 : 0 . 2 7 2 7 0 . 2 0 8 3 0 . 2 8 1 8 0 . 2 0 8 3 7 8 . 4 58 1 . 6 7 8 8 1 . 6F FtCt ??? ? ? ? 塔頂 : 0 . 9 9 1 1 0 . 8 7 4 1 1 . 0 0 0 0 0 . 8 7 4 1 6 4 . 8 66 6 . 9 6 4 . 7 6 6 . 9F DtCt ??? ? ? ? 塔釜； 0 .0 0 3 7 4 6 0 0 .0 5 3 1 0 9 9 .5 01 0 0 9 2 .9 1 0 0 WW tCt ??? ? ? ??? 由此可得進料、塔頂和塔釜混合物的溫度，以上計算結(jié)果 得 表 33 表 33原料液、餾出液的含量與溫度 名稱 原料液 餾出液 釜殘液 ? ?%x mol ? ?%y mol ? ?t℃1 2 11 2 1x x x xt t t t?????F ??D ? ?W青島科技大學(xué)化工原理課程設(shè)計 7 溫度 根據(jù)表 32，利用內(nèi)插法計算精餾段和提餾段對應(yīng)的氣、液相摩爾分率，得： 精餾段：1 6 4 . 8 6 7 8 . 4 5 7 1 . 6 622DFtttC??? ? ? ? 11 117 1 . 6 6 7 3 . 8 4 6 . 2 0 7 7 . 5 6 5 9 . 2 7 % , 8 1 . 7 4 %7 2 . 7 7 3 . 8 5 2 . 9 2 4 6 . 2 0 7 9 . 7 1 7 7 . 5 6xy xy? ? ?? ? ? ? ?? ? ? 提餾段 ：2 9 9 . 5 0 7 8 . 4 5 8 8 . 9 822WFtttC??? ? ? ? 22 228 8 . 9 8 9 0 . 3 7 . 6 7 4 0 . 0 1 9 . 1 7 % , 4 3 . 3 3 %8 8 . 9 9 0 . 3 9 . 2 6 7 . 6 7 4 3 . 5 3 4 0 . 0 1xy xy? ? ?? ? ? ? ?? ? ? 將 分別代入 得： , ???? 12 ? ? ?? ? ? ? ? 最小回流比及操作回流比的確定 由于是泡點進料， ?? 4 . 8 3 0 . 2 7 2 7 0 . 6 4 4 31 ( 1 ) 1 ( 4 . 8 3 1 ) 0 . 2 7 2 7qqqxy x?? ?? ? ?? ? ? ? ? m i n 0 . 9 9 1 1 0 . 6 4 4 3 0 . 9 30 . 6 4 4 3 0 . 2 7 2 7D qqqxyR yx??? ? ? 一般操作回流比取最小回流比的 倍，本設(shè)計取 倍 即 m 3 95RR? ? ? ? 4 塔板數(shù)的確定 理論塔板數(shù)的 計算 已知 , 1Rq??則： 95 16 23 5 /L RD k mol h? ? ? ? ( 1 ) ( 1. 39 5 1 ) 16 5. 7 39 6. 85 /V R D k m ol h? ? ? ? ? ? /tC?12x x y y1 、 、 1 ( 1)xy x??? ?? 2青島科技大學(xué)化工原理課程設(shè)計 8 /L L qF L F k m ol h? ? ? ? ? ? ? ? ( 1 ) /V V q F k m ol h? ? ? ? ? 精餾段操作線方程： 1 1 . 3 9 5 0 . 9 9 1 1 0 . 5 8 2 0 . 4 1 41 1 1 . 3 9 5 1 1 . 3 9 5 1Dn n n nRxy x x xRR? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? 提餾段操作線方程： 1 8 3 9 . 4 5 4 4 2 . 6 0 . 0 0 3 7 4 6 2 . 1 1 5 0 . 0 0 4 1 83 9 6 . 8 5 3 9 6 . 8 5m m w m mLWy x x x xVV? ?? ? ? ? ? ? ??? 線方程： ? 利用 AutoCAD 軟件 在相圖 中分別畫出上述直線，利用圖解法可以求出理論塔板數(shù)，求解過程如圖 41 所示： X DX FX WX(摩爾分數(shù))Y(摩爾分數(shù))精餾段操作線方程提餾段操作線方程q線方程相平衡線12345678910111213141516 圖 41 圖解法計算理論板數(shù)