【正文】 1 第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 設(shè)計(jì)題目 設(shè)計(jì)題目： 甲醇 — 水分離過(guò)程板式精餾塔的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求：年產(chǎn)純度為 %的甲醇 120xx 噸，塔底餾出液中含甲醇不得高于 %，原料液中含甲醇 40%，水 60% 。 操作條件 1) 操作壓力 常壓 2) 進(jìn)料熱狀態(tài) 自選 3) 回流比 自選 4) 塔底加熱蒸氣壓力 （表壓） 塔板類型 篩孔塔 工作日 每年工作日為 330 天，每天 24 小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容 (1) 流程和工藝條件的確定和說(shuō)明 (2) 操作條件和基礎(chǔ) 數(shù)據(jù) (3) 精餾塔的物料衡算； (4) 塔板數(shù)的確定； (5) 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算； (6) 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算； (7) 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算； (8) 塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算； (9) 塔板負(fù)荷性能圖； (10) 主要工藝接管尺寸的計(jì)算和選取 (11) 塔板主要結(jié)構(gòu)參數(shù)表 (12) 對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的評(píng)述和有關(guān)問(wèn)題的討論 2 第二章 設(shè)計(jì)原則 確定設(shè)計(jì)方案的原則 確定設(shè)計(jì)方案總的原則是在可能的條件下，盡量采用科學(xué)技術(shù)上的最新成就，使生產(chǎn)達(dá)到技術(shù)上最先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上最合理的 要求，符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低消耗的原則。必須具體考慮如下幾點(diǎn)： 滿足工藝和操作的要求 ⑴ 首先必須保證產(chǎn)品達(dá)到任務(wù)規(guī)定的要求，而且質(zhì)量要穩(wěn)定。這就要求各流體流量和壓頭穩(wěn)定，入塔料液的溫度和狀態(tài)穩(wěn)定，從而需要采取相應(yīng)的措施。 ⑵ 其次所定的設(shè)計(jì)方案需要有一定的操作彈性，各處流量應(yīng)能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，必要時(shí)傳熱量也可進(jìn)行調(diào)整。 因此，在必要的位置上要裝置調(diào)節(jié)閥門(mén)，在管路中安裝備用支線。計(jì)算傳熱面積和選取操作指標(biāo)時(shí)，也應(yīng)考慮到生產(chǎn)上的可能波動(dòng)。再其次，要考慮必需裝置的儀表 (如溫度計(jì)、壓強(qiáng)計(jì)，流量計(jì)等 )及其裝置的位置，以便能通過(guò)這些儀表來(lái)觀測(cè)生產(chǎn)過(guò)程是否正常，從而幫助找出不正常的原因，以便采取相應(yīng)措施。 滿足經(jīng)濟(jì)的要求 要節(jié)省熱能和電能的消耗，減少設(shè)備及基建費(fèi)用。如前所述在蒸餾過(guò)程中如能適當(dāng)?shù)乩盟敗⑺椎膹U熱，就能節(jié)約很多生蒸汽和冷卻水，也能減少電能消耗。同樣，回流比的大小對(duì)操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)也有很大影響。降低生產(chǎn)成本是各部門(mén)的經(jīng)常性任務(wù)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，是否合理利用熱能，采用哪種加熱方式，以及回流比和其他操作參數(shù)是否選得合適等，均要作全面考慮，力求總費(fèi)用盡可能低一些。而且，應(yīng)結(jié)合具體條件，選擇最 佳方案。 滿足安全生產(chǎn)的要求 例如甲醇屬易燃有毒物料，不能讓其蒸汽彌漫車間，也不能使用容易發(fā)生火花的設(shè)備。又如，塔是指定在常壓下操作的，塔內(nèi)壓力過(guò)大或塔驟冷而產(chǎn)生真空，都會(huì)使塔受到破壞，因而需要安全裝置。 以上三項(xiàng)原則在生產(chǎn)中都是同樣重要的。但在化工原理課程設(shè)計(jì)中，對(duì)第一個(gè)原則應(yīng)作較多的考慮，對(duì)第二個(gè)原則只作定性的考慮，而對(duì)第三個(gè)原則只要求作一般的考慮。 3 精餾操作對(duì)塔設(shè)備的要求和類型 對(duì)塔設(shè)備的要求 精餾所進(jìn)行的是氣 (汽 )、液兩相之間的傳質(zhì)，而作為氣 (汽 )、液兩相傳質(zhì)所用的塔設(shè)備，首先必須要能使氣 (汽 )、液兩相得到充分的接觸，以達(dá)到較高的傳質(zhì)效率。但是，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)和需要，塔設(shè)備還得具備下列各種基本要求： ⑴ 氣 (汽 )、液處理量大，即生產(chǎn)能力大時(shí)，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞操作的現(xiàn)象。 ⑵ 操作穩(wěn)定，彈性大，即當(dāng)塔設(shè)備的氣 (汽 )、液負(fù)荷有較大范圍的變動(dòng)時(shí)，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進(jìn)行穩(wěn)定的操作并應(yīng)保證長(zhǎng)期連續(xù)操作所必須具有的可靠性。 ⑶ 流體流動(dòng)的阻力小，即流體流經(jīng)塔設(shè)備的壓力降小，這將大大節(jié)省動(dòng)力消耗，從而降低操作費(fèi)用。對(duì)于減壓精餾操 作，過(guò)大的壓力降還將使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法維持必要的真空度，最終破壞物系的操作。 ⑷ 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材料耗用量小，制造和安裝容易。 ⑸ 耐腐蝕和不易堵塞，方便操作 、 調(diào)節(jié)和檢修。 ⑹ 塔內(nèi)的滯留量要小。 實(shí)際上，任何塔設(shè)備都難以滿足上述所有要求，況且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)物系性質(zhì)和具體要求，抓住主要矛盾，進(jìn)行選型。 板式塔類型 氣－液傳質(zhì)設(shè)備主要分為板式塔和填料塔兩大類。精餾操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，板式塔為逐級(jí)接觸型 氣－液傳質(zhì)設(shè)備，其種類繁多，根據(jù)塔板上氣－液接觸元件的不同，可分為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔 、 穿流多孔板塔、舌形塔、浮動(dòng)舌形塔和浮動(dòng)噴射塔等多種。目前從國(guó)內(nèi)外實(shí)際使用情況看，主要的塔板類型為浮閥塔、篩板塔及泡罩塔，而前兩者使用尤為廣泛。 篩板塔也是傳質(zhì)過(guò)程常用的塔設(shè)備，它的主要優(yōu)點(diǎn)有： ⑴ 結(jié)構(gòu)比浮閥塔更簡(jiǎn)單，易于加工，造價(jià)約為泡罩塔的 60％，為浮閥塔的 80％左右。 ⑵ 處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加 10～ 15％。 4 ⑶ 塔板效率高，比泡罩塔高 15％左右。 ⑷ 壓降較低，每板 壓力比泡罩塔約低 30％左右。 篩板塔的缺點(diǎn)是： ⑴ 塔板安裝的水平度要求較高，否則氣液接觸不勻。 ⑵ 操作彈性較小 (約 2～ 3)。 ⑶ 小孔篩板容易堵塞。 第三章 設(shè)計(jì)步驟 精餾塔的設(shè)計(jì)步驟 本設(shè)計(jì)按以下幾個(gè)階段進(jìn)行： ⑴ 設(shè)計(jì)方案確定和說(shuō)明。根據(jù)給定任務(wù)，對(duì)精餾裝置的流程、操作條件、主要設(shè)備型式及其材質(zhì)的選取等進(jìn)行論述。 ⑵ 蒸餾塔的工藝計(jì)算，確定塔高和塔徑。 ⑶ 塔板設(shè)計(jì)：計(jì)算塔板各主要工藝尺寸，進(jìn)行流體力學(xué)校核計(jì)算。接管尺寸、泵等，并畫(huà)出塔 的操作性能圖。 ⑷ 管路及附屬設(shè)備的計(jì)算與選型，如再沸器、冷凝器。 ⑸ 抄寫(xiě)說(shuō)明書(shū)。 ⑹ 繪制精餾裝置工藝流程圖和精餾塔的設(shè)備圖。 確定設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離甲醇 —— 水混合物。對(duì)于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過(guò)預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分加回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器后送至儲(chǔ)罐。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲(chǔ)罐。 5 第四章 精餾塔的工藝計(jì)算 物料衡算 原料液及其塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率 甲醇的摩爾質(zhì)量為： 32 .0 4k g/km olaM ? 水的摩爾質(zhì)量為： ? 原料液摩爾分率：F 0 . 4 / 3 2 . 0 4 0 . 2 70 . 4 / 3 2 . 0 4 0 . 6 / 1 8 . 0 1? ??? 塔頂摩爾分率： 0 . 9 9 5 / 3 2 . 0 4 0 . 9 90 . 9 9 5 / 3 2 . 0 4 0 . 0 0 5 / 1 8 . 0 1D? ? 塔底摩爾分率： 40 . 0 0 1 / 3 2 . 0 4 5 . 6 2 1 00 . 0 0 1 / 3 2 . 0 4 0 . 9 9 9 / 1 8 . 0 1W? ?? ? ?? 原料液及其塔頂與塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 原料液平均摩爾質(zhì)量： 0. 27 32 .0 4 ( 1 0. 27 ) 18 .0 1 21 .8 0 /FM k g k m ol? ? ? ? ? ? 塔頂產(chǎn)品平均摩爾質(zhì)量 0. 99 32 .0 4 ( 1 0. 99 ) 18 .0 1 31 .9 0 /DM k g k m ol? ? ? ? ? ? 塔底產(chǎn)品平均摩爾質(zhì)量 445 . 6 2 1 0 3 2 . 0 4 ( 1 5 .