设计题目名称：甲醇---水溶液连续筛板精馏塔设计 设计条件：1．处理量：50000t/年；
2．料液组成（质量分数）：40%； 3．塔顶产品组成（质量分数）：93.0%； 4．塔顶易挥发组成回收率：99.5%； 5．年工作生产时间：330天； 6．全塔总效率：60%。
设计内容：
１．设计方案的确定：（1）常压精馏；（2）进料状态：泡点进料；（3）加热方式：塔底
间接加热，塔顶全凝；（4）热能的利用。
２．工艺计算：（1）物料衡算；（2）热量衡算；（3）回流比的确定；（4）理论塔板数的
确定。
３．塔板及其塔的主要尺寸的设计：（1）塔板间距的确定；（2）塔径的确定；（3）塔板
的布置及其板上流流程的确定。
４．流体力学的计算及其有关水力性质的校核。 ５．板式精馏塔辅助设备的选型。
６．绘制带控制的点工艺流程图及精馏塔设备的条件图。 编写设计说明书 厂址：长沙地区 设计任务
完成精馏塔的工艺设计，有关附属设备的设计和选型，绘制精馏塔系统带控制点的工艺流程图及其精馏塔设备的工艺条件图，编写设计说明书。 设计时间安排 2006.5.29----2006.6.16 附： 汽液平衡数据 x 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
- 1 -
y 0.000 0.134 0.234 0.304 0.365 0.418 x 0.15 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 y 0.517 0.579 0.665 0.729 0.779 0.825 x 0.70 0.80 0.90 0.95 1.00 y 0.870 0.915 0.958 0.979 1.000
符号说明：
英文字母
Aa---- 塔板的开孔区面积，m2 Af---- 降液管的截面积, m2
Ao---- 筛孔区面积, m2 A2
T----塔的截面积 m C----负荷因子 无因次
C20----表面张力为20mN/m的负荷因子 do----筛孔直径 D----塔径 m
ev----液沫夹带量 kg液/kg气 ET----总板效率
R----回流比
Rmin----最小回流比 M----平均摩尔质量 kg/kmol tm----平均温度 ℃
g----重力加速度 9.81m/s2
Fo----筛孔气相动能因子 kg1/2
/(s.m1/2
) hl----进口堰与降液管间的水平距离 m hc----与干板压降相当的液柱高度 m
hd----与液体流过降液管的压降相当的液注高度 m
hf----塔板上鼓层高度 m
hL----板上清液层高度 m
h1----与板上液层阻力相当的液注高度 m ho----降液管的义底隙高度 m how----堰上液层高度 m hW----出口堰高度 m
h’W----进口堰高度 m
hσ----与克服表面张力的压降相当的液注高度 m
H----板式塔高度 m
HB----塔底空间高度 m
Hd----降液管内清液层高度 m HD----塔顶空间高度 m HF----进料板处塔板间距 m HP----人孔处塔板间距 m HT----塔板间距 m H1----封头高度 m H2----裙座高度 m K----稳定系数 lW----堰长 m
Lh----液体体积流量 m3
/h Ls----液体体积流量 m3
/s n----筛孔数目 P----操作压力 KPa △P---压力降 KPa
△Pp---气体通过每层筛的压降 KPa T----理论板层数
u----空塔气速△PP---- 气体通过每层筛板的压降m/s u0,min----t----漏夜点气速筛孔的中心距 m/s uo’ ----液体通过降液管底隙的速度 m/s V3h----气体体积流量u’o----液体通过降液管底隙的速度 m/h V3s----气体体积流量Wc----边缘无效区宽度 m/s Wc----边缘无效区宽度Wd----弓形降液管的宽度 m
Wd----弓形降液管宽度Ws----破沫区宽度 m Ws ----破沫区宽度 m
Z ---- 板式塔的有效高度 m
希腊字母
Z----板式塔的有效高度 δ----筛板的厚度 m
θ----液体在降液管内停留的时间θ----液体在降液管内停留时间 s υ----粘度υ---- mPa.s 粘度 ρ----密度 kg/m3 σ----表面张力ρ----密度N/m φ
----开孔率σ----表面张力 无因次
α----质量分率Ψ----液体密度校正系数 无因次 下标下标
max----最大的 Max---- min----最大的最小的 Min ---- L----最小的液相的 L---- V液相的----气相的 V---- 气相的
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目 录
一、概述 .........................................................4
1．精馏操作对塔设备的要求 .............................................. 4 2．板式塔类型 .......................................................... 4 3．精馏塔的设计步骤 .................................................... 5
二、精馏塔的物料衡算 .................................. 5 三、塔板数的确定 ...................................... 6 四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据数据的计算 ........... 6 五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算 .......................... 9 六、塔板主要工艺尺寸的计算 ........................... 11 七、筛板的流体力学验算 ............................... 14 八、塔板负荷性能图 ................................... 17 九、筛板塔设计计算结果 ............................... 20 十、辅助设备的计算及选型 ............................. 21
⒈ 原料贮罐 ........................................................... 21 2．产品贮罐 ........................................................... 22 ３．原料预热器 ........................................................ 22 4．塔顶全凝器 ......................................................... 23 5．塔底再沸器 ......................................................... 23 6．产品冷凝器 ......................................................... 24 7．精馏塔 ............................................................. 24 8．管径的设计 ......................................................... 25 9．泵的计算及选型 ..................................................... 26
十一、参文献考 .................................................26
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一、概述
1． 精馏操作对塔设备的要求和类型 ㈠ 对塔设备的要求
精馏所进行的是气(汽)、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求：
⑴ 气(汽)、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。
⑵ 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。
⑶ 流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。
⑷ 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。 ⑸ 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。 ⑹ 塔内的滞留量要小。
实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。
㈡ 板式塔类型
气－液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，板式塔为逐级接触型气－液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气－液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛。
筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：
⑴ 结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60％，为浮阀塔的80％左右。 ⑵ 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加10～15％。 ⑶ 塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。
⑷ 压降较低，每板压力比泡罩塔约低30％左右。 筛板塔的缺点是：
⑴ 塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。 ⑵ 操作弹性较小(约2～3)。 ⑶ 小孔筛板容易堵塞。
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2．精馏塔的设计步骤 本设计按以下几个阶段进行：
⑴ 设计方案确定和说明。根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、主要设备型式及其材质的选取等进行论述。
⑵ 蒸馏塔的工艺计算，确定塔高和塔径。
⑶ 塔板设计：计算塔板各主要工艺尺寸，进行流体力学校核计算。接管尺寸、泵等，并画出塔的操作性能图。
⑷ 管路及附属设备的计算与选型，如再沸器、冷凝器。
⑸ 抄写说明书。
⑹ 绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图。
本设计任务为分离醇和水的混合物，对于二元混合物的分离，应采用连续常压精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷凝器冷却后送至贮罐。该物系属于易分离物系，最小回流比比较小，故操作回流比取最小回流比的1.8倍。塔底采用间接蒸气加热，塔底产品经冷却后送至贮罐。
二、精馏塔的物料衡算
⑴ 原料液及其塔顶、塔底产品的摩尔分率
甲醇的摩尔质量为：32.04kg/kmol 水的摩尔质量为： 18.01kg/kmol
xf=(0.40/32.04)/(0.40/32.04+0.60/18.01)=0.273
xd=(0.93/32.04)/(0.93/32.04+0.07/18.01)=0.882
⑵ 原料液及其塔顶与塔底产品的平均摩尔质量
Mf=32.04×0.273+18.01×(1-0.273)=21.84kg/mol Md=32.04×0.882+18.01×(1-0.882)=30.38kg/mol 则可知：
原料的处理量：F=50000/(330×24×21.84)=289.06kmol/h 根据回收率： η= xd×D/(xf×F)=99.5% 则有： D=89.02kmol/h 由总物料衡算：F= D+W
以及: xf×F= xd ×D+W×xw 容易得出： W=200.04kmol/h
xw=0.00199
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