【正文】 化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書班級(jí) 生物工程141班 姓名 李世民 學(xué)號(hào) 1414200085 設(shè)計(jì)題目：甲醇—水連續(xù)精餾塔的設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)：試設(shè)計(jì)一連續(xù)浮閥精餾塔以分離苯甲苯混合物。具體工藝參數(shù)如下：原料處理量：年處理 20000 噸 甲醇—水混合液體。產(chǎn)品要求：餾出液中的甲醇的含量為 %（質(zhì)量）。二、設(shè)計(jì)條件：加熱方式：間接蒸汽加熱，~。進(jìn)料狀況： 飽和液體進(jìn)料 。塔板形式：浮閥塔板。精餾塔的工藝設(shè)計(jì)，塔的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)。繪制精餾塔的裝配圖一張（一號(hào)圖紙）。 指導(dǎo)老師： 鄒漢波 2017年 1 月 3 日前言課程設(shè)計(jì)是化工原理課程教學(xué)中綜合性和實(shí)踐性較強(qiáng)的教學(xué)環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實(shí)際的橋梁，是使學(xué)生體察工程實(shí)際問題復(fù)雜性的初次嘗試。通過課程設(shè)計(jì)，要求學(xué)生了解工程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容，掌握化工設(shè)計(jì)的主要程序和方法，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問題的能力。在課程設(shè)計(jì)中，熟練查閱文獻(xiàn)資料、搜集有關(guān)數(shù)據(jù)、正確選用公式，在兼顧技術(shù)上先進(jìn)性、可行性，經(jīng)濟(jì)上合理性的前提下，綜合分析設(shè)計(jì)任務(wù)要求，嚴(yán)格按照常用數(shù)據(jù)算圖，化工設(shè)備常用材料性能以及畫工圖例國標(biāo)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定化工工藝流程，進(jìn)行設(shè)備選型，并提出保證過程正常、安全運(yùn)行所需要的檢測和計(jì)量參數(shù)，同時(shí)還要考慮改善勞動(dòng)條件和環(huán)境保護(hù)的有效措施。精餾操作在化工、石油化工或輕工等工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位。塔設(shè)備是化工、煉油生產(chǎn)中最重要的設(shè)備類型之一。通過設(shè)計(jì)核算及試差等計(jì)算初步確定精餾塔的進(jìn)料、塔頂、塔底操作條件及物料組成。塔底再沸器。在計(jì)算設(shè)計(jì)過程中參考了有關(guān)《化工原理》、《化學(xué)工程手冊》、《冷換設(shè)備工藝計(jì)算手冊》等方面的資料。通過對精餾塔進(jìn)行設(shè)計(jì)和物料衡算等方面的計(jì)算，進(jìn)一步加深了對化工原理、石油加工單元過程原理等的理解深度，開闊了視野，提高了計(jì)算、繪圖、計(jì)算機(jī)的使用等方面的知識(shí)和能力。精餾過程在能量劑驅(qū)動(dòng)下（有時(shí)加質(zhì)量劑），使氣液兩相多次直接接觸和分離，利用液相混合物中各組分的揮發(fā)度的不同。根據(jù)生產(chǎn)上的不同要求，精餾操作可以是連續(xù)的或間歇的，有些特殊的物系還可采用衡沸精餾或萃取精餾等特殊方法進(jìn)行分離。對于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲(chǔ)罐。其中由于蒸餾過程的原理是多次進(jìn)行部分汽化和冷凝，熱效率比較低，但塔頂冷凝器放出的熱量很多，但其能量品位較低，不能直接用于塔釜的熱源，在本次設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)把其熱量作為低溫?zé)嵩串a(chǎn)生低壓蒸汽作為原料預(yù)熱器的熱源之一，充分利用了能量。原料和中間產(chǎn)品有許多是由幾個(gè)組分液相組成的均相混合物，為了對某些組分進(jìn)行提純或回收其中的有用組分以達(dá)到生產(chǎn)的目的，通常需要對混合物進(jìn)行分離，蒸餾是分離液體混合物的典型單元操作，它通過加熱造成氣、液兩相物系，利用物系的各組分揮發(fā)度不同的特性以實(shí)現(xiàn)分離的目的。由于苯比甲苯在同樣的條件下更容易揮發(fā)，所以本設(shè)計(jì)采用精餾，其中苯為易揮發(fā)組分，甲苯為難揮發(fā)組分。由于工業(yè)上原料的濃度、溫度經(jīng)常有變化，因此設(shè)計(jì)的流程與設(shè)備需要一定的操作彈性，可方便地進(jìn)行流量和傳熱量的調(diào)節(jié)。(2) 滿足經(jīng)濟(jì)上的要求 要節(jié)省熱能和電能的消耗，減少設(shè)備與基建的費(fèi)用，如合理利用塔頂和塔底的廢熱，既可節(jié)省蒸汽和冷卻介質(zhì)的消耗，也能節(jié)省電的消耗。冷卻水的節(jié)省也對操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用有影響，減少冷卻水用量，操作費(fèi)用下降，但所需傳熱設(shè)備面積增加，設(shè)備費(fèi)用增加。(3) 保證生產(chǎn)安全 生產(chǎn)中應(yīng)防止物料的泄露，生產(chǎn)和使用易燃物料車間的電器均應(yīng)為防爆產(chǎn)品。 設(shè)計(jì)步驟板式精餾塔的設(shè)計(jì)大體按以下步驟進(jìn)行：(1) 確定設(shè)計(jì)方案；(2) 平衡級(jí)計(jì)算和理論塔板的確定；(3) 塔板的選擇；(4) 實(shí)際板數(shù)的確定；(5) 塔體流體力學(xué)計(jì)算；(6) 管路及附屬設(shè)備的計(jì)算與選型；(7) 撰寫設(shè)計(jì)說明書和繪圖。例如組分的分離順序（多組分體系）、塔設(shè)備的形式、操作壓力、進(jìn)料熱狀態(tài)、塔頂蒸氣的冷凝方式、余熱利用的方案、安全、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和測量控制儀表的設(shè)置等。 操作壓力塔內(nèi)操作壓力的選擇不僅牽涉到分離問題，而且與塔頂和塔底溫度的選取有關(guān)。因此如果在常壓下操作時(shí)，塔頂蒸氣可以用普通冷卻水進(jìn)行冷卻，一般不采用加壓操作。(2) 考慮利用較高溫度的蒸氣冷凝熱，或可利用較低品位的冷源使蒸氣冷凝，且壓力提高后不致引起操作上的其他問題和設(shè)備費(fèi)用的增加，可以使用加壓操作。本設(shè)計(jì)是分離苯和甲苯的混合物，由于兩者都是液體，因此操作壓力可以確定為常壓，即是常壓精餾。直接蒸汽加熱的優(yōu)點(diǎn)是：可利用壓力較低的蒸汽加熱，塔釜只須安裝鼓泡管，一般可節(jié)省設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用。間接加熱方式的優(yōu)點(diǎn)是可以提供足夠的熱量，而且不會(huì)稀釋釜內(nèi)溶液的濃度。 進(jìn)料狀態(tài)進(jìn)料狀態(tài)有5種，可用進(jìn)料狀態(tài)參數(shù)q 值來表示。q 值增加，冷凝器負(fù)荷降低而再沸器負(fù)荷增加，由此而導(dǎo)致的操作費(fèi)用的變化與塔頂出料量D 和進(jìn)料量F 的比值D/F 有關(guān)；對于低溫精餾，不論D/F 值如何，采用較高的q 值為經(jīng)濟(jì)；對于高溫精餾，當(dāng)D/F 值大時(shí)宜采用較小的q 值，當(dāng)D/F 值小時(shí)宜采用q 值較大的氣液混合物。冷夜進(jìn)料時(shí)的操作比較容易控制，且不用加熱原料液，此外，冷夜進(jìn)料時(shí)所用塔板會(huì)相對其它進(jìn)料方式所需要的少，設(shè)計(jì)和制造時(shí)比較方便。 回流比，影響精餾操作費(fèi)用的主要因素是塔內(nèi)蒸氣量 V。實(shí)際回流比總是介于最小回流比和全回流兩種極限之間。適宜回流比應(yīng)通過經(jīng)濟(jì)核算決定，即操作費(fèi)用和設(shè)備折舊費(fèi)之和為最低時(shí)的回流比為適宜回流比。(1) 根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體情況，參考生產(chǎn)上較可靠的回流比的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選定；(2) 先求出最小回流比Rmin，~2 倍，即R＝（~2）Rmin；(3) 在一定的范圍內(nèi)，選5 種以上不同的回流比，計(jì)算出對應(yīng)的理論塔板數(shù)，作出回流比與理論塔板數(shù)的曲線。因此可在斜線部分區(qū)域選擇一適宜回流比。 熱能利用精餾過程的熱效率很低，進(jìn)入再沸器的能量的95%以上被塔頂冷凝器中冷卻介質(zhì)帶走，僅約5%的能量被有效地利用。該方法不僅可節(jié)省大量的加熱蒸汽，而且還節(jié)省了大量的冷卻介質(zhì)。在考慮充分利用熱能的同時(shí)，還應(yīng)考慮到所需增加設(shè)備的投資和由此給精餾操作帶來的影響。圖12精餾工藝流程圖(3)全凝器內(nèi)物流的走向圖注：全凝器內(nèi)物料走殼程，冷卻水走管程。圖13再沸器物流流程圖第二部分精餾塔的物料衡算工藝設(shè)計(jì)計(jì)算引言：本次設(shè)計(jì)任務(wù)為設(shè)計(jì)一定處理量的精餾塔，實(shí)現(xiàn)苯甲苯的分離。篩板塔，是扎板塔的一種，內(nèi)裝若干層水平塔板，板上有許多小孔，形狀如篩，并裝有溢流管或沒有溢流管。氣體（或蒸氣）由塔底進(jìn)入，經(jīng)篩孔上升穿過液層，鼓泡而出，因而兩相可以充分接觸，并相互作用。、塔底產(chǎn)品的(摩爾質(zhì)量M，下同)已知甲醇摩爾質(zhì)量MA=32kg/kmol；水摩爾質(zhì)量MB=18kg/kmol原料液組成xF== =（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）：塔頂組成：==塔底組成：==*10塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量和物料衡算原料液:MF=xFMA+(1xF)MB=塔 頂: MD=xDMA+(1xD)MB= 塔　底: MW=xWMA+(1xW)MB=原料液的年處理量為20000噸則每小時(shí)的處理量為20000*103/7200=原料液處理量F==總物料衡算 F=D+W =D+W ①輕組分物料衡算 FxF=DxD+Wxw *=+*104W ② ∴聯(lián)立①、②解得：=,=式中F原料液流量 D塔頂產(chǎn)品流量 W塔底產(chǎn)品流量 表21物料的數(shù)據(jù)匯總含甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)原料XF塔頂XD塔底XW*104平均摩爾流量（kg/h）原料MF塔頂MD塔底MW流量（kmol/h）原料F塔頂產(chǎn)品D塔底產(chǎn)品W.甲醇和水的一些物理性質(zhì)表22 甲醇—水汽—液平衡數(shù)據(jù)溫度 t/℃甲醇摩爾分?jǐn)?shù)溫度 t/℃甲醇摩爾分?jǐn)?shù)液相 x/%氣相 y/%液相 x/%氣相 y/%10000100100sμL水，mPa，查得的安托因常數(shù)：對于甲醇，其常數(shù)A,B,，對于水，其常數(shù)A,B,。依最小回流比計(jì)算式：= 求全塔最小理論塔板數(shù)及精餾段最小理論塔板數(shù)根據(jù)操作回流比R=～2Rmin，…，以逐板計(jì)算法計(jì)算出相應(yīng)的理論塔板數(shù)。 =,=。、液相負(fù)荷求精餾塔的氣、液相負(fù)荷L=RD=V=(R+1)D=由于是飽和液體進(jìn)料，因此q=1L’=L+qF=V’=V+(q1)F=W= L’ V’= 再沸器的熱負(fù)荷和加熱蒸汽消耗量因殘釜液幾乎為純水，故其焓可按純水進(jìn)行計(jì)算，即：在=℃時(shí)，rB =2258kJ/kgIvwIlw= rB’=2258*18kJ/kmol=40644 kJ/kmol對于冷液進(jìn)料，再沸器的熱負(fù)荷為QB=V’(IVWILW)=V’rB ‘*40644kJ/h=*106 kJ/h～，查表得得水的汽化熱為2205～則加熱蒸汽消耗量為：Wh=*106/2205= 因塔頂溜出液幾乎為純甲醇，故其焓可按純甲醇進(jìn)行計(jì)算，=℃時(shí)，rA=1101kJ/kgIVdIlD= rA’=1101*32kJ/kmol=35232kJ/kmol冷凝器的熱負(fù)荷 QC=*35232=*106kJ/h冷卻水的消耗量取水為冷凝介質(zhì)，其進(jìn)出冷凝器的溫度分別為30℃和35℃，則平均溫度下的比熱容Cpc = kJ/（kg =,=。sμL水，mPas μ水頂= mPas μ水進(jìn) = mPas μ水底= mPasμL進(jìn)=*+（）*= mPas故精餾段平均液相粘度：μLm（精）=(+)/2=s L=RD=V=(R+1)D=由于是飽和液體進(jìn)料，因此q=1L’=L+qF=V’=V+(q1)F=W= L’ V’= 精餾段：V=(R+1)D= Vs= * (3600*)= L=RD=Ls=*(3600*)=.000684 m3/s Ls=*3600= m3/h 提餾段： V’=V+(q1)F=Vs’=*(3600*)= m3/s Ls’=*(3600*)=Ls’=*3600= m3/h 第四部分 精餾塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 式中 ——塔徑，m ——?dú)怏w體積流量，m3/s ——空塔氣速，m/s。安全系數(shù)的選取與分離物系的發(fā)泡程度密切相關(guān)。其中， 其中（為液相密度，為氣相密度，kg/m3 C為負(fù)荷因子，為極限空塔氣速，m/s）。本設(shè)計(jì)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。塔取徑取D=第五部分 溢流裝置的計(jì)算溢流裝置包括降液管、溢流堰、受液盤等幾個(gè)部分，它們都是液體的通道，其結(jié)構(gòu)和尺寸對塔的性能有著非常重要的影響，因此它的設(shè)計(jì)就顯得極為重要。弓形降液管的弦長稱為堰長，以表示。堰長根據(jù)液體負(fù)荷和溢流型式而定。板上液層高度為堰高與堰上液層高度之和，即： =+式中——板上液層高度，m——堰高，m——堰上液層高度，m。溢流堰的高度直接影響塔板上的液層厚度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對常壓和加壓塔，一般采取=50～80mm。堰長的大小對溢流堰上方的液頭高度有影響，從而對塔板上液層高度也有明顯影響。 因此，在本設(shè)計(jì)中選擇了平直堰結(jié)構(gòu)。E體現(xiàn)塔壁對液流收縮的影響，若不是過大，一般可近似取E=1，所引起的誤差不大。它有平形和凹形兩種形式，前者結(jié)構(gòu)簡單，最為常用。凹形受液盤易形成良好的液封，也可改變液體流向，起到緩沖和均勻分布液體的作用，但結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，多用于直徑較大的塔，特別是液體流率較小的場合，它不適用于易聚合或含有固體雜質(zhì)的物系，容易造成死角而堵塞。本課程設(shè)計(jì)中，選取凹形受液盤。實(shí)際上，在塔徑D和板間距一定的條件下，確定了溢流堰長，就已固定了弓形降液管的尺寸。為此液體在降液管內(nèi)的停留時(shí)間不應(yīng)小于3～5s，對于高壓下操作的塔及易起泡沫的系統(tǒng)，停留時(shí)間應(yīng)更長些。降液管中的液體是經(jīng)底隙和堰長構(gòu)成的長方形截面流至下塊塔板的，為減小液體阻力和考慮到固體雜質(zhì)可能在底隙處沉積，所以不可過小。按下式計(jì)算： （）式中，——液體通過降液管底隙時(shí)的流速，m/s。降液管底隙高度一般不宜小于20～25mm。根據(jù)機(jī)械部標(biāo)準(zhǔn)JB111868,選用F1型33g重閥，孔徑=39mm。當(dāng)塔徑較大時(shí),整塊式的剛性差,安裝檢修不方便,為便于通過人孔裝拆塔板,故多采用由幾塊板并裝而成的分塊式塔板。在本次設(shè)計(jì)中，故選用分塊式塔板，塔盤分塊數(shù)可取為三塊。（b）入口安定區(qū)和出口安定區(qū) 為防止氣體竄入上一塔板的降液管或因降液管流出的液體沖擊而漏夜過多，在液體入口處塔板上寬度為的狹長帶是不開孔的，稱為入口安定區(qū)。通常取和相等，且一般為50～100mm。一般取為50～75mm左右。在本課程設(shè)計(jì)中，浮閥的形式有很多，如F1型，V4型，十字架型，A型，VO型，目前應(yīng)用最廣泛的是F1型和V4型，國內(nèi)確定為部頒標(biāo)準(zhǔn)。V4型基本上和F1型相同，除采用輕閥外，其區(qū)別僅在于將塔板上的閥孔制成向下彎的文丘里型以減小氣體通