1、贵州理工学院化工原理课程设计说明书化工原理课程设计题目：常压乙醇-甲醇连续精馏筛板塔的设计学生姓名：王月指导老师：周理明、仇伟学院： 化学工程学院 班级： 过控 141 学号： 2014071971时间： 2017.3.06-2017.3.19 贵州理工学院化工原理课程设计说明书院系： 化学工程学院 专业： 过程装备及控制工程 姓名： 王月 学号： 2014071971 班级： 过控 141 实习性质： 设计 实习地点： 教室 寝室 图书馆 指导教师：仇伟 周理明 成绩： 课程设计题目：常压乙醇-甲醇连续精馏筛板塔的设计贵州理工学院化工原理课程设计说明书目 录第 1 章 设计任务书/1-21.
2、1 设计题目11.2 设计任务11.3 操作条件11.4 设计内容及要求21.5 设计时间安排2贵州理工学院化工原理课程设计说明书第 2 章 确定设计方案第 3 章 设计条件及主要物性参数/2-53.1 设计条件23.2 主要物性参数23.2.1 甲醇乙醇的物理性质23.2.2 甲醇乙醇在不同温度下的饱和蒸气压33.2.3 甲醇乙醇的气液平衡数据33.2.4 甲醇乙醇在不同温度下的密度43.2.5 甲醇乙醇在不同温度下的黏度43.2.6 甲醇乙醇在不同温度下的表面张力53.2.7 甲醇乙醇在不同温度下的汽化潜热5第 4 章 工艺计算/6-104.1 全塔物料衡算64.1.1 料液及塔顶、塔底产
3、品含苯摩尔分数64.1.2 平均相对分子质量64.1.3 物料衡算64.2 塔板数的确定64.2.1 理论塔板数求取64.2.2 全塔效率 ET74.2.3 实际塔板数74.3 塔的工艺条件及物性数据计算7贵州理工学院化工原理课程设计说明书4.3.1 操作压强74.3.2 温度 7mt4.3.3 平均相对分子质量 7mM4.3.4 平均密度 84.3.5 液体表面张力 9m4.3.6 液体黏度 9L4.4 精馏段气液负荷计算10第 5 章 设备结构设计/10-185.1 塔和塔板主要工艺尺寸的设计105.1.1 塔径 D 105.1.2 塔板工艺结构尺寸的设计与计算115.1.2.1 溢流装置
4、115.1.2.2 塔板布置135.1.2.3 筛孔数与开孔率135.1.2.4 塔有效高度 Z145.2 筛板的流体力学验算145.2.1 气体通过筛板压降相当的液柱高度145.2.2 雾沫夹带量 的验算15Ve5.2.3 漏液的验算15贵州理工学院化工原理课程设计说明书5.2.4 液泛验算165.3 塔板负荷性能图165.3.1 雾沫夹带线165.3.2 液泛线175.3.3 液相负荷上限线185.3.4 漏液线185.3.5 液相负荷下限线18第 6 章 附属设备类型19第 7 章 设计计算结果汇总表19第 8 章 对设计的评述及对有关问题的分析讨论21参考文献21贵州理工学院化工原理课
5、程设计说明书前 言化工原理课程设计是化工原理教学的一个重要环节，是综合应用本门课程和有关先修课程所学知识，完成以单元操作为主的一次设计实践。通过课程设计使学生掌握化工设计的基本程序和方法，并在查阅技术资料、选用公式和数据、用简洁文字和图表表达设计结果、制图以及计算机辅助计算等能力方面得到一次基本训练，在设计过程中还应培养树立正确的设计思想和实事求是、严肃负责的工作作风。通过本次课程设计，是对我们化工设计的一个训练，为毕业设计奠定基础。通过课程设计我们应在下列几个方面得到较好的培养和训练：1 查阅资料，选用公式和搜集数据的能力。2 正确选用设计参数，树立从技术上可行和经济上合理两方面考虑的工程观
6、点，同时还需考虑到操作维修的方便和环境保护的要求。也即对于课程设计不仅要求计算正确，还要求从工程的角度综合考虑各种因素，从总体上得到最佳结果。3 正确、迅速地进行工程计算。设计计算是一个反复试算的过程，计算工作量很大，因此正确与迅速必需同时强调。4 掌握化工设计的基本程序和方法，学会用简洁的文字和适当的图表表示自己的设计思想。2017.3.14贵州理工学院化工原理课程设计说明书贵州理工学院化工原理课程设计说明书1第一章 设计任务书1.1 设计题目常压下乙醇甲醇连续精馏筛板塔的设计1.2 设计任务（1）原料液中甲醇含量：60%（质量分数），其余乙醇；（2）塔顶产品中甲醇含量为 95%；（3）残液
7、中甲醇含量不高于 95%；（4）生产能力：4 万吨/年，产品产量，年开工 290 天。1.3 操作条件（1）精馏塔顶压强 102kpa （2）进料热状态：饱和（3）原料温度：25 度 （4）回流比 R=1.7Rmin（5）单板压降小于 0.7kpa1.4 设计内容及要求（1）设计方案的确定及要求；（2）塔的工艺计算（包括全塔物料衡算、塔顶、塔底温度、精馏段和提馏段气液负荷，塔底再沸器热负荷，加热蒸汽用量，塔的理论板数，实际板数。）；（3）塔和塔板主要工艺尺寸的设计（包括塔高、塔径以及降液管，溢流堰，开孔数及开孔率。）；贵州理工学院化工原理课程设计说明书1（4）塔板流体力学验算；（5）塔板布局图
8、、塔板负荷性能图；（6）编制设计一览表；（7）附属设备的设计与选型：（再沸器，回流泵，进料管，塔顶产品接管，塔底产品接管，塔顶蒸汽接管。）；（8）编写设备结果一览表；（9）绘制精馏塔设备图，工艺流程图；贵州理工学院化工原理课程设计说明书2（10）设计感想；（11）参考文献。1.5 设计时间安排（1）6 号早上领任务书，下午查资料；（2）7-8 号 工艺计算；（3）9 号，塔主要工艺参数计算、设计；（4）10 号，塔的流体力学验算；（5）13 号，附属设备的设计与选型；（6）14-15 号，编写计算书；（7）16-17，绘制设备图和工艺流程图。 第二章 确定设计方案原料液经卧式列管式预热器预热至
9、泡点后送入连续板式精馏筛板塔，塔顶上升蒸汽流采用列管式全凝器冷凝后流入回流罐，冷凝液用回流泵强制循环，一部分回流，其余作为产品经冷却后送至甲醇储罐；塔釜采用热虹吸立式再沸器提供气相流，塔釜产品经卧式列管式冷却器冷却后送入乙醇储罐。第 3 章 设计条件及主要物性参数3.1 设计条件在常压连续筛板精馏塔中精馏分离含甲醇 60%的乙醇-甲醇混合液，要求塔顶溜出液中甲醇含量不低于 95%，塔底残液中甲醇含量不高于 7%。（均为质量分数）贵州理工学院化工原理课程设计说明书3已知：生产能力 4 万吨/年，年开工 290 天。塔顶压强 102kpa,饱和进料，原料温度 25，取回流比 R=1.7Rmin.单
10、板压降小于 0.7kpa。3.2 主要物性参数3.2.1 甲醇-乙醇的物理性质（表 3-1）表 3-1 甲醇-乙醇的物理性质贵州理工学院化工原理课程设计说明书34项目 分子式 相对分子质量 M 沸点/甲醇（A） CH3OH 32.04 64.7乙醇（B） CH3CH2OH 46.07 78.33.2.2 常压下甲醇-乙醇在不同温度下的饱和蒸气压（表 3-2）表 3-2 常压甲醇-乙醇不同温度的饱和蒸气压温度/压强/KPa物质甲醇 乙醇温度/压强/KPa物质 甲醇 乙醇64 99.21 59.08 73 140.94 86.7165 103.19 62.15 74 145.36 89.7866
11、107.31 65.22 75 150.82 92.8567 111.56 68.29 76 156.44 95.9268 115.94 71.36 77 162.23 98.9969 120.47 74.43 78 168.19 102.0270 125.15 77.5 79 174.34 105.1371 129.97 80.57 80 180.49 108.272 134.94 83.64贵州理工学院化工原理课程设计说明书353.2.3 常压下甲醇-乙醇的气液平衡数据（表 3-3）表 3-3 甲醇-乙醇的气液平衡数据温度/含量液相中甲醇的摩尔分数x/%气相中甲醇的摩尔分数y/%温度/含量
12、液相中甲醇的摩尔分数x/%气相中甲醇的摩尔分数y/%64 1.00 1.00 72 0.34 0.4566 0.86 0.91 74 0.20 0.28贵州理工学院化工原理课程设计说明书468 0.67 0.77 76 0.08 0.1270 0.50 0.62 78 0.00 0.003.2.4 常压不同温度下甲醇-乙醇的密度（表 3-4）表 3-4 不同温度下甲醇-乙醇的密度温度/密度/m物质 甲醇 乙醇温度/密度/m物质 甲醇 乙醇60 761.10 765.70 71 748.06 752.8361 759.92 764.53 72 746.88 751.6662 758.73 763
13、.36 73 745.69 750.4963 757.55 762.19 74 744.51 749.3264 756.36 761.02 75 743.33 748.1565 755.17 759.85 76 742.14 746.9866 753.99 758.68 77 740.96 748.8167 752.81 757.51 78 739.77 744.4668 751.62 756.34 79 738.58 743.4769 750.44 755.17 80 737.40 742.3070 749.25 754.00贵州理工学院化工原理课程设计说明书53.2.5 常压甲醇-乙醇在不
14、同温度下的黏度（表 3-5）表 3-5 甲醇-乙醇在不同温度下的黏度物质黏度/mPa*s温度/60 65 70 75 80甲醇 0.344 0.3172 0.3038 0.2904 0.277乙醇 0.601 0.5798 0.5586 0.5162 0.4953.2.6 常压甲醇-乙醇在不同温度下的表面张力（表 3-6）表 3-6 甲醇-乙醇在不同温度下的表面张力物质张力 mN/m温度/60 65 70 75 80甲醇 17.33 16.7575 16.185 15.6125 15.04乙醇 20.25 19.7575 19.265 18.7725 18.283.2.7 常压甲醇-乙醇在不同
15、温度下的汽化潜热（表 3-7）贵州理工学院化工原理课程设计说明书6表 3-7 甲醇-乙醇在不同温度下的汽化潜热物质潜热 KJ/mol温度/60 65 70 75 80甲醇 35.65 35.2325 34.815 34.3975 33.98乙醇 40.53 40.05 39.57 39.09 38.61第四章 工艺计算4.1.全塔物料衡算4.1.1 料液及塔顶、塔底产品含苯摩尔分数 683.07.4/0.32/6Fx9./5./9D0764/30.2/7Wx4.1.2 平均相对分子质量MF=32.040.683(10.683)46.07=36.48751/kmolMD=32.040.9647+
16、(10.9647)46.07=32.535259/kmolMW=32.040.09766(10.09766)46.07=44.6998678/kmol贵州理工学院化工原理课程设计说明书74.1.3 物料衡算年产量 40000t，一年工作 290 天，一天 24h,则 D=5747.126/h全塔物料衡算 F=D+W Fx F=DxD+Wxw5747.126+W=F(1)0.6F=0.95D+0.07W (2)联立（1）（2）解得F=9542.3978/h F=F/M F=9542.3978/36.48751=261.525kmol/hD=5747.126/h D=D/M D=5747.126/
17、32.535259=176.643kmol/hW=3795.2718/h W=W/M W=3795.2718/44.6998678=84.9kmol/h4.2 塔板数确定4.2.1 理论塔板数求取对于甲醇-乙醇混合物系，由于用逐板计算法计算时求解不到相平衡常数 ，所以用图解法来求取理论板数。4.2.1.1 由甲醇-乙醇的饱和蒸气压通过泡点方程，露点方程计算出气液平衡数据，结合 xF、 xD、 xW作 x-y 图、t-x-y 图见附件 1，1-1、1-2。4.2.1.2 求最小回流 Rmin比及操作回流比 R物料泡点进料，则 q=1,在图中对角线上点（x F,xF）作竖直线即为 q 线，该线与平
18、衡线交点横坐标 xe=xF=0.683,查图 1-1 知纵坐标为 ye=0.785。,R=1.7Rmin=3。762.1mineDyxR贵州理工学院化工原理课程设计说明书8则精馏段操作线方程 。24.075.1xRxyD在图 1-1 中作梯级，得精馏段塔板数为 5，提馏段为 9.5，第 6 层为进料层。4.2.2 全塔效率 ET依式 E T=0.17-0.616lgm查图 1-2，塔顶温度 75.7，塔底温度 64.5，塔平均温度为 70.1。该温度下进料液相平均黏度为： m=0.683 A+(1-0.683) B=0.207+0.177=0.384ET=0.17-0.616lg0.384=0
19、.434.2.3 实际塔板数精馏段：N 1=5/0.43=11.612 层；提馏段：N 2=9.5/0.43=22.122 层。4.3 塔的工艺条件及物性数据计算以精馏段为例进行计算，提馏段只给出最后结果。4.3.1 操作压强塔顶压强 pD=102kpa,取每层塔降 P=0.7kpa。则进料板压强：PF=102+120.7=110.4kpa塔底压强 PW=110.4+220.7=125.8kpa精馏段平均操作压强： a2.1064.102pkpm提馏段平均操作压强： 5.2贵州理工学院化工原理课程设计说明书94.3.2 温度 tm查图 1-2 得对应塔顶温度为 75.7，进料板温度 67.9。
20、则精馏段平均温度 8.7129.675mt4.3.3 平均相对分子质量 M塔顶 ， ，则1965.0yxD93.0x/kmol.53.27.46)5.(4.32. VmM/kmol.0.93.10.9.LD进料板 , ，则7.Fy6.Fx/kmol，27.350.4)7.1(04.32. VmM/kmol6667.LF塔底 则145.0,9.2yxW407.6).(.3145.0m VM19.1.297.LW则精馏段平均相对分子质量为： 895.327.5.31VmM1.461L提馏段平均相对分子质量为：贵州理工学院化工原理课程设计说明书10635.927.42VmM.40.1.2L4.3.4
21、 平均密度 m4.3.4.1 液相密度 L由式 ( 为质量分数)LBALm/1塔顶 .3/8.7298.746051.2mkgLmDLmD进料板， 63.0Ax59.07.46).1(4.27. A.3/8.3.560.91 mkgLmFLmF塔底 3/1.760435.7609. kgLmWLmW则精馏段液相密度： ，31 /9.28L提馏段液相密度： 。32 /45.761.05.73kgm4.3.4.2 气相密度 V精馏段： /m，245.1)738.1(34.90511 RTpMmV提馏段： /m。6.)2.6(.22mV贵州理工学院化工原理课程设计说明书114.3.5 液体表面张力
22、mniimx1 mND /612.574.8035.9647.0mF /3019183. /51.80234.6097.W则精馏段平均表面张力： mNm/46.30.76.1提馏段平均表面张力为： /1.8259.24.3.6 液体黏度 LmniiLx1 smpaLD 295.01035.287.964.0F .613. spaLW 546.08.90234.0976.则精馏段平均液相黏度： smpaLm 3425.0291.5.01提馏段平均液相黏度： spL 47305.256.0391.2m贵州理工学院化工原理课程设计说明书124.4 精馏段汽液负荷计算V=(R+1)D=(3+1)176
23、.643=706.572kmol/hsmVMms /345.2.136089573601L=RD=3176.643=529.93kmol/h sLms /069274360819.5231Lh=24.912m/h。第五章 设备结构设计5.1 塔和塔板主要工艺尺寸计算5.1.1 塔径 初选板间距 HT=0.5m，取板上液层高度 hL=0.06m。故 H T-hL=0.5-0.06=0.44m 按 Smith 法求取允许的空塔气速 umax(即泛点气速 uF)0317.)245.1697)(3.50()( /12/1 VLs查 Smith 通用关联图 3-12，得 C20=0.095，依式 校正到
24、物系表面张力为 16.46mN/m 时的 C，即 2.0)(C负荷因子 091.246.10952.0 ）（泛点气速 m/s28.45.7.max VLCu贵州理工学院化工原理课程设计说明书13 操作气速，取 m/s53.128.70.umax 精馏段塔径m09.28764./321/4uVDS圆整取 D=2.2m,此时的操作气速 m/s.1u5.1.2 塔板工艺结构尺寸的设计与计算5.1.2.1 溢流装置采用单溢流型的平顶弓形溢流堰、弓形降液管、平行受液盘，且不设进口内堰。 溢流堰长 Wl取堰长 ，即76.0/Dlm86.12.Wl贵州理工学院化工原理课程设计说明书14 出口堰高 WhOL对
25、平直堰 3/2h)(0284.WWLEh由 及 m，查图 3-17 得 E=1.01，于76./Dl 7.68.1/9./ 5.25.h l是： m0.006m（满足要求）0)624(01.283/OWh故 m.7.6 降液管的宽度 Wd与降液管的面积 Af由 查图 3-16 得76.0/DlW 18.0/,23.0/TfdD故 m， m2。56.23.2.642Df由下式计算液体在降液管中停留时间以检验降液管面积，即s（5s 符合要求）42.906.58sTfLHA 降液管底隙高度 0h取底隙高度 ，则底隙流速m35.0u0= m/s(符合条件)，则取底隙高度 。17.0.68.1920hl
26、LWs mh035.贵州理工学院化工原理课程设计说明书155.1.2.2 塔板布置 取边缘区宽度 、安定区宽度 。mWC50mWs80 依式（1）计算开孔区面积。贵州理工学院化工原理课程设计说明书16（1）)sin180(2122rxxrAa mWDxsd 54.08.56.()rC0.1.2将 x、y 带入（1）得 Aa=2.2m5.1.2.3 筛孔数 与开孔率n取筛孔的孔径 为 5mm，正三角形排列，一般碳钢的板厚 为 3mm，取0d ,故：孔中心距.3/0t mt0.15.3依下式计算塔板上的筛孔数 n个125)015(23aAtn依下式计算塔板上开孔区的开孔率 ，即%1.0.397)/
27、(0.220dtAa每层塔板上的开孔面积 为： m2。0A.01.0a气体通过筛孔的气速： m/s。2954350Vus5.1.2.4 塔有效高度 Z精馏段：Z 1=（12-1）0.5=5.5m提馏段：Z 2=（22-1）0.5=10.5m有效高度 Z=Z1+Z2=5.5+10.5=16m。5.2 筛板的流体力学验算贵州理工学院化工原理课程设计说明书175.2.1 气体通过筛板压降相当的液柱高度hhcp1 干板压降相当的液柱高度 c由 ，查图 3-21 得 C0=0.84,，67.13/50d由下式计算出 ch muLV 0574.69.74218.051.5.020 ）（）（）（）（ 气流穿
28、过板上液层压降相当的液柱高度 1h通过 (2)Lh01smAVufTsa /6.14.8.3578.2.61aVF查图 3-22 板上液层充气系数 为 0.570将其带入（2）得 =0.570.06=0.0342m。Lh01克服液体表面张力压降相当的液柱高度 h由式 mgdhL 018.5.8196.7403故 p 432.5.0单板压降 kpaghLp 7.041.678.9740931. 贵州理工学院化工原理课程设计说明书185.2.2 雾沫夹带量 的验算Ve根据亨特经验式 2.36107.5）（ fTaVhHu其中 m2.Lfh则 =2.36107.5）（ fTaVHue 1.0482.
29、15.06146753 ）（故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。5.2.3 漏液的验算由式 VLLOWhCu /13.056.4.0）（ sm/9072.45.1/69708.68. ）（筛板的稳定性系数： ）（ 5.1423.907.2540 OWuK贵州理工学院化工原理课程设计说明书19故在设计负荷下不会发生过量漏液。5.2.4 液泛验算为防止降液管发生液泛，应使降液管中清液层高度 。）（ WTdhHdLpdhH 029.17.53.0153.0153.0 222 ）（）（ ulhWsd则 mHd .9.694.取 , 则5.0=0.5（0.5+0.043）=0.2715m）（ WTh故 =0.2715m15.0dH）（ WThH根据以上塔板的各项流体力学验算，认为精馏段塔径及各工艺尺寸是合适的。5.3 塔板负荷性能图5.3.1 雾沫夹带线（1）2.3607.5）（ fTaVhHue式中 ssfTsa VA3.046.81.3.25.5.2 3/23）（）（ WsWOWf lLEhh近似取 E=1.0， ，故m68.1
