甲醇-水精餾篩板塔課程設(shè)計

常壓甲醇－水篩板精餾塔設(shè)計設(shè)計任務(wù)：課程名稱:化工原理課程設(shè)計設(shè)計題目:常壓甲醇－水篩板精餾塔設(shè)計設(shè)計條件及任務(wù)：設(shè)計體系：甲醇－水體系設(shè)計條件：塔頂采出量：D=14000t/y進料濃度：ZF=0.3wt%進料狀態(tài)：q=1塔釜加熱方式：間接蒸汽加熱，采用120℃水蒸汽分離要求：XD=0.98wt%（質(zhì)量分數(shù)）；XW=1.5%（質(zhì)量分數(shù)）；回流比：R/Rmin=1.4指導(dǎo)教師：趙旗、張慶目錄緒論 11.精餾簡介 12.塔設(shè)備簡介 13.體系介紹 24.設(shè)計要求 2第一節(jié):概述 31.1精餾操求作對塔設(shè)備的要求 31.2板式塔類型 31.2.1篩板塔 31.2.2浮閥塔 31.2.3泡罩塔 31.3設(shè)計單元操作方案簡介 41.4精餾塔的設(shè)計簡介 41.4.1篩板塔設(shè)計須知 41.4.2篩板塔的設(shè)計程序 4第二節(jié):設(shè)計方案的初步確定 52.1操作條件的確定 52.1.1操作壓力 52.1.2進料狀態(tài) 52.1.3加熱方式 52.1.4冷卻劑與出口溫度 52.1.5回流比 62.1.6熱能的利用 62.2確定設(shè)計方案的原則 62.3操作流程簡圖 7第三節(jié):板式精餾塔的工藝參數(shù)計算 83.1物料衡算與操作線方程 83.2理論塔板數(shù)的計算與實際板數(shù)的確定 113.2.1理論板數(shù)的計算 113.2.1實際板數(shù)的確定 123.5.3液體平均粘度計算 123.3操作溫度的計算 133.4操作壓強的計算 133.5塔內(nèi)物料平均分子量、張力、流量及密度的計算 133.5.1密度及流量 133.5.2液相表面張力的確定： 14第四節(jié):板式塔主要尺寸的設(shè)計計算 154.1塔的有效高度和板間距的初選 154.1.1塔有效高度 154.2塔徑 15第五節(jié):板式塔的結(jié)構(gòu) 175.1塔的總體結(jié)構(gòu) 175.2總塔高度 175.2.1塔頂空間HD 175.2.2塔底空間 175.2.3整體塔高 175.2.4人孔數(shù) 175.3塔板結(jié)構(gòu) 185.3.1溢流裝置 185.3.2弓形降液管寬度Wd和面積Af 185.3.3降液管底隙高度 195.3.4塔板布置及篩孔數(shù)目與排列 195.4.篩板的力學(xué)檢驗 205.4.1塔板壓降 205.4.2液面落差 215.4.3液沫夾帶 225.4.4漏液 225.4.5液泛 225.5.塔板負荷性能圖 235.5.1漏液線 235.5.2液沫夾帶線 235.5.3液泛線 245.5.4液相負荷下限線 255.5.5液相負荷上限線 255.5.6操作彈性 25第六節(jié):設(shè)計結(jié)果匯總 27第七節(jié):精餾裝置的附屬設(shè)備 297.1管殼式換熱器的設(shè)計與選型 297.1.1塔頂冷凝器（列管式換熱器） 297.1.2進料預(yù)熱器 317.2再沸器 327.3管件 337.3.3塔釜殘液出料管 347.3.4塔頂回流液管 347.3.5塔釜再沸器蒸汽進口管 357.3.6塔頂蒸汽進冷凝器進口管 357.3.7塔頂冷凝水管 357.4冷凝水泵的選擇 367.5除沫器 367.6裙座 36緒論1.精餾簡介蒸餾是分離液體混合物的一種方法，是一種屬于傳質(zhì)分離的單元操作。廣泛應(yīng)用于煉油、化工、輕工等領(lǐng)域。蒸餾的理論依據(jù)是利用溶液中各組分蒸汽壓的差異，即各組分在相同的壓力、溫度下，其揮發(fā)性能不同（或沸點不同）來實現(xiàn)分離目的。以本設(shè)計所選取的甲醇-水體系為例，加熱甲醇（沸點64.5℃）和水（沸點100.0℃）的混合物時,由于甲醇的沸點較低（即揮發(fā)度較高）,所以甲醇易從液相中汽化出來。若將汽化的蒸汽全部冷凝，即可得到甲醇組成高于原料的產(chǎn)品，依此進行多次汽化及冷凝過程，即可將甲醇和水分離。經(jīng)過多次部分汽化部分冷凝，最終在汽相中得到較純的易揮發(fā)組分，而在液相中得到較純的難揮發(fā)組分，這就是精餾。在工業(yè)精餾設(shè)備中，使部分汽化的液相與部分冷凝的氣相直接接觸，以進行氣液相際傳質(zhì)，結(jié)果是氣相中的難揮發(fā)組分部分轉(zhuǎn)入液相，液相中的易揮發(fā)組分部分轉(zhuǎn)入氣相，也即同時實現(xiàn)了液相的部分汽化和氣相的部分冷凝。蒸餾按操作可分為簡單蒸餾、平衡蒸餾、精餾、特殊精餾等多種方式。按原料中所含組分數(shù)目可分為雙組分蒸餾及多組分蒸餾。按操作壓力則可分為常壓蒸餾、加壓蒸餾、減壓（真空）蒸餾。此外，按操作是否連續(xù)蒸餾和間歇蒸餾。工業(yè)中的蒸餾多為多組分精餾，從石油工業(yè)、酒精工業(yè)直至焦油分離，基本有機合成，空氣分離等等，特別是大規(guī)模的生產(chǎn)中精餾的應(yīng)用更為廣泛。本設(shè)計著重討論常壓下甲醇-水雙組分體系精餾。2.塔設(shè)備簡介塔設(shè)備是煉油、化工、石油化工等生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的氣液傳質(zhì)設(shè)備。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸件的結(jié)構(gòu)型式，可分為板式塔和填料塔兩大類。板式塔內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量踏板，氣體以鼓泡活噴射形式穿過板上液層進行質(zhì)、熱傳遞，氣液相組成成階梯變化，屬逐級接觸逆流操作過程。填料塔內(nèi)有定高度的填料層，液體自塔頂沿填料表面下流，氣體逆流而上（也有并流向下者）與液相接觸進行質(zhì)、熱傳遞，氣相組成沿塔高連續(xù)變化，屬微分接觸操作過程。工業(yè)上對塔設(shè)備的主要要求：（1）生產(chǎn)能力大；（2）傳質(zhì)、傳熱效率高；（3）氣流的摩擦阻力??；（4）操作穩(wěn)定，適應(yīng)性強，操作彈性大；（5）結(jié)構(gòu)簡單，材料消耗少；（6）制造安裝容易，操作維修方便。此外還要求不易堵塞、耐腐蝕等。實際上，任何塔設(shè)備都難以滿足上述所有要求，因此，設(shè)計者應(yīng)根據(jù)塔型特點、物系性質(zhì)、生產(chǎn)工藝條件、操作方式、設(shè)備投資、操作與維修費用等技術(shù)經(jīng)濟評價以及設(shè)計經(jīng)驗等因素，依矛盾的主次，綜合考慮，選擇適宜的塔型。在化學(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，萃取等單元操作中，氣液傳質(zhì)設(shè)備必不可少。塔設(shè)備就是使氣液成兩相通過緊密接觸達到相際傳質(zhì)和傳熱目的的氣液傳質(zhì)設(shè)備之一。3.體系介紹 本設(shè)計的體系為甲醇-水體系。101.325kPa下，甲醇－水體系汽液平衡數(shù)據(jù)如下：溫度t(℃)液相組成x氣相組成y溫度t(℃)液相組成x氣相組成y10000750.40.7960.020.1730.50.8940.040.2710.60.8910.060.3690.70.9890.080.4680.80.9880.10.4660.91840.150.56511820.20.66511780.30.7注：x、y分別為氣液兩相中甲醇的摩爾分數(shù)4.設(shè)計要求設(shè)計條件：體系：甲醇-水體系已知：進料量F=200kmol/h進料濃度ZF=0.35（摩爾分數(shù)）進料狀態(tài)：q＝1.08操作條件：塔頂壓強為4kPa(表壓)，單板壓降不大于0.7kPa。塔頂冷凝水采用深井水，溫度t＝12℃；塔釜加熱方式：間接蒸汽加熱全塔效率ET=52% 分離要求：XD=0.995（質(zhì)量分數(shù)）；XW=0.002（質(zhì)量分數(shù)）；R/Rmin=1.6。第一節(jié)：概述1.1精餾操求作對塔設(shè)備的要求工業(yè)上對塔設(shè)備的主要要求：（1）生產(chǎn)能力大；（2）傳質(zhì)、傳熱效率高；（3）氣流的摩擦阻力??；（4）操作穩(wěn)定，適應(yīng)性強，操作彈性大；（5）結(jié)構(gòu)簡單，材料消耗少；（6）制造安裝容易，操作維修方便。此外還要求不易堵塞、耐腐蝕等。1.2板式塔類型塔設(shè)備大致可以分為兩類，一類是有降液管的塔板，如泡罩、浮閥、篩板、導(dǎo)向篩板、舌形、S形、多降液管塔板等；另一類是無降液管塔板，如傳流式篩板（柵板）、穿流式波紋板等。工業(yè)上應(yīng)用較多的是有降液管的浮閥、篩板和泡罩塔板等。1.2.1篩板塔篩板塔板簡稱篩板，結(jié)構(gòu)持點為塔板上開有許多均勻的小孔。根據(jù)孔徑的大小，分為小孔徑篩板(孔徑為3—8mm)和大孔徑篩板(孔徑為10—25mm)兩類。工業(yè)應(yīng)用小以小孔徑篩板為主，大孔徑篩板多用于某些特殊場合(如分離粘度大、易結(jié)焦的物系)。篩板的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，造價低；板上液面落差小，氣體壓降低，生產(chǎn)能力較大；氣體分散均勻，傳質(zhì)效率較高。篩板塔和泡罩塔相比較具有下列特點：生產(chǎn)能力大于10.5%，板效率提高產(chǎn)量15%左右；而壓降可降低30%左右；另外篩板塔結(jié)構(gòu)簡單，塔板的造價可減少40%左右；安裝容易，也便于清理檢修。但其缺點是篩孔易堵塞，不宜處理易結(jié)焦、粘度大的物料。值得說明的是，盡管篩板傳質(zhì)效率高，但若設(shè)計和操作不當(dāng)，易產(chǎn)生漏液，使得操作彈性減小，傳質(zhì)效率下降。然而近年來，由于設(shè)計和控制水平的不斷提高，可使篩板的操作非常精確，彌補了上述不足，故應(yīng)用日趨廣泛。綜合考慮利弊，對于甲醇-水體系，本設(shè)計選用篩板塔。1.2.2浮閥塔浮閥廣泛應(yīng)用于精餾、吸收和解析等過程。其主要特點是在塔板的開孔上裝有可浮動懂得浮閥，氣流從浮閥周邊以穩(wěn)定的速度水平地進入塔板上液層進行兩相接觸。浮閥可以根據(jù)氣流量的大小而上下浮動，自行調(diào)節(jié)。浮閥的主要優(yōu)點是生產(chǎn)能力大，操作彈性大，分離效率高，塔板結(jié)構(gòu)較泡罩塔簡單。1.2.3泡罩塔泡罩塔是最早使用的板式塔，其主要構(gòu)件是泡罩、升氣管及降液管。泡罩的種類很多，國內(nèi)用較多的是圓形泡罩。泡罩的主要優(yōu)點是操作彈性較大，液氣比范圍大，適用于多種介質(zhì)，操作穩(wěn)定可靠；但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高、安裝維修不方便，氣相壓降較大?，F(xiàn)雖已為新型塔板取代，但鑒于其某些優(yōu)點，仍有使用。1.3設(shè)計單元操作方案簡介蒸餾過程按操作方式的不同，分為連續(xù)蒸餾和間歇蒸餾兩種流程。連續(xù)蒸餾具有生產(chǎn)能力大，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點，工業(yè)生產(chǎn)中以連續(xù)蒸餾為主。間歇蒸餾具有操作靈活、適應(yīng)性強等優(yōu)點，但適合于小規(guī)模、多品種或多組分物系的初步分離。故分離苯-甲苯混合物體系應(yīng)采用連續(xù)精餾過程。蒸餾是通過物料在塔內(nèi)的多次部分氣化與多次部分冷凝實現(xiàn)分離的，熱量自塔釜輸入，由冷凝器和冷卻劑中的冷卻介質(zhì)將余熱帶走。塔頂冷凝裝置可采用全凝器、分凝器-全凝器兩種不同的設(shè)置。工業(yè)上以采用全凝器為主，以便準(zhǔn)確控制回流比。本設(shè)計中采用全凝器。1.4精餾塔的設(shè)計簡介1.4.1篩板塔設(shè)計須知（1）篩板塔設(shè)計是在有關(guān)工藝計算已完成的基礎(chǔ)上進行的。對于氣、液恒摩爾流的塔段，只需任選其中一塊塔板進行設(shè)計，并可將該設(shè)計結(jié)果用于此塔段中。例如，全塔最上面一段塔段，通常選上面第一塊塔板進行設(shè)計；全塔最下面一段塔段，通常選最下面一塊塔板進行設(shè)計。這樣計算便于查取氣液相物性數(shù)據(jù)。（2）若不同塔段的塔板結(jié)構(gòu)差別不大，可考慮采用同一塔徑，若不同塔段塔板的篩孔數(shù)、空心距與篩孔直徑之比t/d0可能有差異。對篩孔少、塔徑大的塔段，為減少進塔壁處液體“短路”，可在近塔壁處設(shè)置擋板。只有當(dāng)不同塔段的塔徑相差較大時才考慮采用不同塔徑，即異徑塔。1.4.2篩板塔的設(shè)計程序⑴確定設(shè)計方案；⑵平衡級計算和理論塔板的確定；⑶塔板的選擇；⑷實際板數(shù)的確定；⑸塔體流體力學(xué)計算；⑹管路及附屬設(shè)備的計算與選型；⑺撰寫設(shè)計說明書和繪圖。第二節(jié)：設(shè)計方案的初步確定2.1操作條件的確定2.1.1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)。根據(jù)所處理的物料性質(zhì)，兼顧技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟上的合理性來綜合考慮，一般有下列原則：⑴壓力增加可提高塔的處理能力，但會增加塔身的壁厚，導(dǎo)致設(shè)備費用增加；壓力增加，組分間的相對揮發(fā)度降低，回流比或塔高增加，導(dǎo)致操作費用或設(shè)備費用增加。因此如果在常壓下操作時，塔頂蒸汽可以用普通冷卻水進行冷卻，一般不采用加壓操作。操作壓力大于1.6MPa才能使普通冷卻水冷卻塔頂蒸汽時，應(yīng)對低壓、冷凍劑冷卻和高壓、冷卻水冷卻的方案進行比較后，確定適宜的操作方式。⑵考慮利用較高溫度的蒸汽冷凝熱，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)備費用的增加，可以使用加壓操作。⑶真空操作不僅需要增加真空設(shè)備的投資和操作費用，而且由于真空下氣體體積增大，需要的塔徑增加，因此塔設(shè)備費用增加。綜合考慮以上因素本設(shè)計采用常壓精餾。2.1.2進料狀態(tài)泡點進料時，塔的操作易于控制，不受環(huán)境影響。飽和液體進料時進料溫度不受季節(jié)、氣溫變化和前段工序波動的影響，塔的操作比較容易控制。此外，泡點進料，提餾段和精餾段塔徑大致相同，在設(shè)備制造上比較方便。冷液進塔雖可減少理論板數(shù)，使塔高降低，但精餾釜及提餾段塔徑增大，有不利之處。所以根據(jù)設(shè)計要求，選擇泡點進料，q＝1。2.1.3加熱方式精餾塔的設(shè)計中多在塔底加一個再沸器以采用間接蒸汽加熱以保證塔內(nèi)有足夠的熱量供應(yīng)；由于甲醇-水體系中，甲醇是輕組分由塔頂冷凝器冷凝得到，水為重組分由塔底排出。所以本設(shè)計應(yīng)采用再沸器提供熱量，采用3kgf/cm2（溫度130℃）間接水蒸汽加熱。2.1.4冷卻劑與出口溫度 本設(shè)計中采用的冷卻劑為深井水，深井水水溫較江河水水溫穩(wěn)定（如：南京地區(qū)深井水水溫常年維持在12℃），易于操作條件的控制。 冷卻水出口溫度過高，則冷卻效果不佳；反之，如果溫度過低，冷卻水用量較大，增加了成本。綜合考慮這兩方面因素，本設(shè)計的冷卻水出口溫度選為：30℃2.1.5回流比選擇回流比主要從經(jīng)濟觀點出發(fā)，力求設(shè)備費用和操作費用最低。實際操作的R必須大于Rmin，但并無上限限制。選定操作R時應(yīng)考慮，隨R選值的增大，塔板數(shù)減少，設(shè)備投資減少，但因塔內(nèi)氣、液流量L，V，L’，V’增加，勢必使蒸餾釜加熱量及冷凝器冷卻量增大，耗能增大，既操作費用增大。若R值過大，即氣液流量過大，則要求塔徑增大，設(shè)備投資也隨之有所增大。其設(shè)備投資操作費用與回流比之間的關(guān)系如右圖所示?？傎M用最低點對應(yīng)的R值稱為最佳回流比。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟核算確定最佳R值，常用的適宜R值范圍為：R＝（1.2～2）Rmin。本設(shè)計綜合考慮以上原則，選用：R＝1.6Rmin。2.1.6熱能的利用 精餾過程的熱效率很低，進入再沸器的能量的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。采用熱泵技術(shù)可使塔頂蒸汽溫度提高，提高了溫度的蒸汽再用于加熱釜液，使釜液蒸發(fā)的同時，塔頂蒸汽冷凝。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)。當(dāng)然，塔頂蒸汽可用作低溫系統(tǒng)的熱源，或通入廢熱鍋爐產(chǎn)生低壓蒸汽，供別處使用。在考慮充分利用熱能的同時，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。本設(shè)計中的熱能利用主要有兩方面：一、塔頂冷卻水的熱量，通過水介質(zhì)導(dǎo)出，可用周邊生活區(qū)的供暖；二、塔釜殘液溫度較高，可用于進料的預(yù)熱。2.2確定設(shè)計方案的原則 總的原則是盡可能多地采用先進的技術(shù)，使生產(chǎn)達到技術(shù)先進、經(jīng)濟合理的要求，符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低能耗的原則，具體考慮以下幾點。⑴滿足工藝和操作的要求

所設(shè)計出來的流程和設(shè)備能保證得到質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。由于工業(yè)上原料的濃度、溫度經(jīng)常有變化，因此設(shè)計的流程與設(shè)備需要一定的操作彈性，可方便地進行流量和傳熱量的調(diào)節(jié)。設(shè)置必需的儀表并安裝在適宜部位，以便能通過這些儀表來觀測和控制生產(chǎn)過程。⑵滿足經(jīng)濟上的要求

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?；亓鞅葘Σ僮髻M用和設(shè)備費用均有很大的影響，因此必須選擇合適的回流比。冷卻水的節(jié)省也對操作費用和設(shè)備費用有影響，減少冷卻水用量，操作費用下降，但所需傳熱設(shè)備面積增加，設(shè)備費用增加。因此，設(shè)計時應(yīng)全面考慮，力求總費用盡可能低一些。⑶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。塔體大都安裝在室外，為能抵抗大自然的破壞，塔設(shè)備應(yīng)具有一定剛度和強度。2.3操作流程簡圖第三節(jié)：板式精餾塔的工藝參數(shù)計算3.1物料衡算與操作線方程3.1.1物料衡算已知采出量D＝1.4t/y，進料組成XF＝0.3（質(zhì)量分率），進料q＝1設(shè)計要求：XD＝0.98（質(zhì)量分率），Xw=0.0015（質(zhì)量分率）將物料的質(zhì)量分率轉(zhuǎn)化為摩爾分率：質(zhì)量分率摩爾分率XD0.980.965Xw0.0150.00849XF0.30.194衡算方程：3.1.2q線方程因為XF＝0.194q＝1q線方程為：x＝0.194讀圖可知平衡線和q線交點為:xe=0.194，ye=0.5733.1.3Rmin和R的確定R=1.4Rmin=1.4×1.034=1.44763.1.4精餾段操作線方程精餾段操作線方程：3.1.5精餾段和提餾段氣液流量D＝61.709kmol/hR＝1.4476精餾段：L＝RD＝89.33kmol/hV＝（R＋1）D＝151.04kmol/h提餾段：L’＝L＋qF＝89.33+318.178=407.51kmol/hV’＝V－（1－q）F＝V＝151.04kmol/h3.1.6提餾段操作線方程提餾段操作線方程：甲醇-水體系操作線：3.2理論塔板數(shù)的計算與實際板數(shù)的確定3.2.1理論板數(shù)的計算本設(shè)計采用圖解的方法求解。由圖得：梯級總數(shù)為12，進料板為第8塊板，所以精餾段塔板數(shù)為NT=7塊，提餾段為NT'=3.5塊，一共有11.5塊理論板(不3.2.1實際板數(shù)的確定3.5.3液體平均粘度計算試插法求得：精餾段：μ水=0.3878精餾段：μ水=0.0.3165查圖得：精餾段：μ甲醇=0.272提餾段：μ甲醇=0.217則內(nèi)插法求得精餾段：平均相對揮發(fā)度α=3.602平均黏度為μL=0.3319mPa·s由得提餾段：平均相對揮發(fā)度=6.727平均黏度為=0.3087mPa·s由得實際塔板數(shù)為25塊(不含再沸器)3.3操作溫度的計算泡點進料：xF＝0.194進料板溫度tF=82.024℃塔頂溫度：tD=64.85℃塔底溫度：tW=98.472℃精餾段平均溫度tm=(64.850+82.024)/2=73.437℃提餾段平均溫度tm'=(98.472+82.024)/2=90.248℃3.4操作壓強的計算本設(shè)計采用常壓精餾根據(jù)設(shè)計要求，相關(guān)計算如下：塔頂壓力PD=101.3+10=111單板壓降ΔP=0.7kPa進料板壓力PF=111.3+0.7×15=121.8塔底壓力PW=111.3+0.7×25=128.8精餾段平均壓力pm=(111.3+121.8)/2=116.6kPa提餾段平均壓力pm'=(121.8+128.8)/2=125.3kPa3.5塔內(nèi)物料平均分子量、張力、流量及密度的計算3.5.1密度及流量設(shè)甲醇為a，水為b甲醇分子量為：32kg/kmol水的分子量為：18kg/kmol（1）精餾段精餾段平均溫度73.437℃用試插法得：xa＝0.485，ya＝0.0771查表得：kg/m3，kg/m3液相平均分子量：Ml=xaMa+(1-xa)Mb=24.79kg/kmol氣相平均分子量：Mv=yaMa+(1-ya)Mb=28.79kg/kmol液相密度：（液相視為正規(guī)溶液）氣相密度：（氣相視為理想氣體）液相流量：氣相流量：（2）提餾段提餾段平均溫度：90.248℃由試插法得：xa＝0.070，ya＝0.335查表得：a'=724.00，b'=965.13液相平均分子量：Ml’=xaMa+(1-xa)Mb=18.98kg/kmol氣相平均分子量：Mv’=yaMa+(1-ya)Mb=22.69kg/kmol液相密度：（液相視為正規(guī)溶液）氣相密度：（氣相視為理想氣體）液相流量：氣相流量：3.5.2液相表面張力的確定：塔頂液相表面張力=64.850℃,查得：=18.30,=65.29=19.94進料板液相表面張力tF=82.024℃,=16.50,=62.22=53.35塔底液相表面張力tw=98.472℃，=14.60，=59.09=58.71精餾段平均液相表面張力提餾段平均液相表面張力第四節(jié)：板式塔主要尺寸的設(shè)計計算4.1塔的有效高度和板間距的初選4.1.1塔有效高度精餾段有效高度提餾段有效高度從塔頂隔7塊板開一個人孔，其直徑為0.6m,開人孔的兩塊板間距取0.7m,進料板上開一人孔，直徑為0.6m，開人孔的兩塊板間距取0.7m,塔釜開一人孔直徑為0.6m。所以應(yīng)多加高(0.7-0.35)×2=0.7m4.2塔徑4.2.1精餾段欲求塔徑應(yīng)先求出空塔氣速u＝安全系數(shù)×umax功能參數(shù)：取塔板間距=0.35m，板上液層高度h1=0.06m，那么分離空間：-h1=0.35-0.06=0.29m從史密斯關(guān)聯(lián)圖查得：，由于m/su=0.7=0.7×1.67=1.17取D=1.0m塔截面積：實際空塔氣速：4.2.2提餾段功能參數(shù)：取塔板間距=0.35m，板上液層高度h1=0.06m，那么分離空間：-h1=0.35-0.06=0.29m從史密斯關(guān)聯(lián)圖查得：，由于u’=0.7=0.7×2.23=1.56D'圓整?。篋'=0.91m所以其D'=D=1.0塔截面積：空塔氣速：第五節(jié)：板式塔的結(jié)構(gòu)5.1塔的總體結(jié)構(gòu) 板式塔內(nèi)部裝有塔板、降液管、各物流的進出口管及人孔（手孔）、基座、除沫器等附屬裝置。5.2總塔高度5.2.1塔頂空間HD取HD=1.6=0.56m加一人孔0.6米,共為1.16m5.2.2塔底空間塔底儲液高度依停留5min而定m取塔底液面至最下層塔板之間的距離為1m1+0.88=1.88m5.2.3整體塔高5.2.4人孔數(shù)塔頂和塔底各設(shè)1人孔，中間每7塊塔板設(shè)1人孔，總計4個人孔。5.3塔板結(jié)構(gòu)5.3.1溢流裝置單溢流在塔徑小于2.2m的塔中廣泛使用，本設(shè)計中的塔徑為1.0m，所以選用單溢流弓形管降液管，不設(shè)進口堰,采用凹形受液盤。堰長lw取堰長lw＝0.66D=0.66m出口堰高hwhw＝hL－h(huán)ow其中近似取E＝1，得how=0.00729m，how’=0.0154mhw取0.05mhw'取0.05m實際5.3.2弓形降液管寬度Wd和面積Af查圖知:Af/AT=0.072Wd/D=0.13精餾段：驗算液體在降液管內(nèi)停留時間停留時間>5s故降液管尺寸可用。提餾段：停留時間>5s故降液管尺寸可用。5.3.3降液管底隙高度h0=hw-0.006=0.05-0.006=0.044m>0.025m故降液管底隙高度設(shè)計合理選用凹形受液盤，深度取0.06m5.3.4塔板布置及篩孔數(shù)目與排列塔板的分塊D＞800mm，故塔板采用分塊，查表塔板分為3塊。邊緣區(qū)寬度確定取m開孔區(qū)面積計算R=D/2-Wcx=D/2-Wd-Ws精餾段：x=0.5-(0.13+0.07)=0.3m，R=0.5-0.05=0.45m，=0.497提餾段：x=0.5-(0.13+0.07)=0.3m,R=0.5-0.05=0.45m，=0.49篩孔計算及其排列物系無腐蝕性，選用δ=3mm碳鋼板，取篩孔直徑。篩孔按正三角形排列(如右圖所示)，取孔中心距t為開孔率為精餾段：篩孔數(shù)目：個氣體通過閥孔的氣速:提餾段：篩孔數(shù)目n為個5.4.篩板的力學(xué)檢驗5.4.1塔板壓降干板阻力計算由/δ=1.67查圖得=0.772因為開孔率φ<15%，所以：精餾段=0.051（ρv/ρl）×（uo/co）2=0.051×(1.165/815.38)×(20.70/0.772)=0.0524m液柱提餾段=0.051（ρv’/ρl’）×（uo’/co）2=0.051×(0.941/928.63)×(20.20/0.772)=0.0354m液柱氣體通過液層的阻力hl計算精餾段:ua=Vs/(AT-2Af)=1.037/(0.785-0.0565)=1.423m/s=ua=1.536查表得β=0.58hl=β(hw+how)=0.58×0.0573=0.0332m（液柱）提餾段：ua’=Vs’/(AT’-2Af’)=1.012/(0.785-0.0565)=1.389m/s=1.347查表得β’=0.6液體表面張力的阻力計算精餾段=液柱提餾段=液柱氣體通過每層塔板的壓降ΔP=ρgh精餾段：=0.0524+0.0332+0.00367=0.0893m液柱提餾段：=0.0354+0.0399+0.00492=0.0802m液柱ΔP提=ρ提ghp=928.63×9.81×0.0802=730.6Pa全塔平均每塊塔板上的壓降：ΔP=（15×ΔP精+9×ΔP提）/25=691.6Pa=0.69kPa<0.7kPa所以單板壓降符合要求。5.4.2液面落差對于D1.6m的篩板，液面落差可以忽略不計。5.4.3液沫夾帶(kg液/kg氣)精餾段:提餾段:,本設(shè)計液沫夾帶量在允許范圍0.1kg液/kg氣內(nèi),符合要求。5.4.4漏液篩板塔,漏液點氣速=帶入數(shù)據(jù)得：精餾段：=8.7m/s穩(wěn)定系數(shù)K=u0/uo,min=20.70/8.7=2.38提餾段：=10.23m/s穩(wěn)定系數(shù)K=u0’/u0,min’=20.20/10.23=1.97穩(wěn)定系數(shù)均大于1.5，符合要求，無明顯液漏。5.4.5液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛,降液管內(nèi)液層高Hd≤φ()對于設(shè)計中的甲醇-水體系φ=0.5,Hd≤0.5=0.2m由于板上不設(shè)進口堰精餾段：m液柱提餾段：所以不會發(fā)生液泛現(xiàn)象。5.5.塔板負荷性能圖5.5.1漏液線由=得：精餾段：=得=提餾段：得=5.5.2液沫夾帶線以kg液/kg氣為限求-關(guān)系：由精餾段：，整理得提餾段：，整理得5.5.3液泛線由，，，得其中帶入數(shù)據(jù)精餾段提餾段所以精餾段提餾段5.5.4液相負荷下限線對于平流堰，取堰上液層高度how=0.005m作為最小液體負荷標(biāo)準(zhǔn)，由式計算:精餾段：提餾段：5.5.5液相負荷上限線以θ=4s作為液體在降液管中停留的下限，得：精餾段：提餾段：5.5.6操作彈性由以上各線的方程式，可畫出圖塔的操作性能負荷圖。精餾段：根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)規(guī)定的氣液負荷，可知操作點在正常的操作范圍內(nèi)，作出操作線圖中A點為操作點，所在線為操作線提餾段：根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)規(guī)定的氣液負荷，可知操作點在正常的操作范圍內(nèi)，作出操作線圖中A點為操作點，所在線為操作線第六節(jié)：設(shè)計結(jié)果匯總篩板塔設(shè)計計算結(jié)果及符號匯總表參數(shù)符號參數(shù)名稱精餾段提餾段Tm(℃)平均溫度73.43790.248Pm(kpa)平均壓力116.6125.3MLm(kg/kmol)液相平均摩爾質(zhì)24.7918.98MVm(g/kmol)氣相平均摩爾質(zhì)量28.7922.69ρlm(kg/m3)液相平均密度815.38928.63ρvm(kg/m3)氣相平均密度1.1650.941σm(mN/m)液體平均表面張力36.6556.03μm(mPa·s)液體平均粘度0.33190.3087Vs(m3/s)氣相流量1.0371.012Ls(m3/s)液相流量0.0007540.00231N實際塔板數(shù)159Z(m)有效段高度5.252.8D(m)塔徑1.01.0HT(m)板間距0.350.35δ(m)板厚0.0030.003溢流形式單溢流單溢流降液管形式弓形弓形溢流堰平行平行l(wèi)W(m)堰長0.660.66hW(m)堰高0.050.05hl(m)板上液層高度0.05730.00573hOW(m)堰上液層高度0.007290.00729hO(m)降液管底隙高度0.0440.044Wd(m)降液管寬度0.130.13Ws(m)安定區(qū)寬度0.070.07Wc(m)邊緣區(qū)高度0.050.05Aa(m2)有效傳質(zhì)面積0.4970.497AT(m2)塔橫截面積0.7850.785Af(m2)降液區(qū)面積0.05650.0565AO(m2)篩孔面積0.0500.050dO(m)篩孔直徑0.0050.005T(m)孔中心距0.0150.015N篩孔數(shù)目25512551Φ(%)開孔率10.0810.08u(m/s)空塔氣速1.4231.389安全系數(shù)0.70.7uO(m/s)篩孔氣速20.7020.20K穩(wěn)定系數(shù)2.381.97Hc(m液柱)干板阻力0.05240.0354Hl(m液柱)液體有效阻力Hl0.03320.0399Hσ(m液柱)液體表面張力阻力0.003670.00492Hp(m液柱)總阻力0.08930.0802P(Pa)每層塔板壓降714.3730.6ev(kg液/kg干氣)液沫夾帶量0.07430.0633液泛合格合格漏液合格合格CO孔流系數(shù)0.7720.772β液層充氣系數(shù)0.580.61φ相對泡沫密度0.50.5第七節(jié)：精餾裝置的附屬設(shè)備7.1管殼式換熱器的設(shè)計與選型7.1.1塔頂冷凝器（列管式換熱器）甲醇-水走殼程，冷凝水走管程，采用逆流形式，換熱器水平放置。估計換熱面積①．甲醇-水冷凝蒸汽的數(shù)據(jù)tD=64.85℃冷凝蒸汽量：由于甲醇摩爾分數(shù)為0.965,所以可以忽略水的冷凝熱,r=1125KJ/kg②．冷凝水始溫為35℃，取冷凝器出口水溫為45℃，在平均溫度物性數(shù)據(jù)如下 ρ（kg/m3）Cp(KJ/k.℃)μ[Pa·s]λ(w/(m