合肥工業(yè)大學(xué)(宣城校區(qū))化工原理課程設(shè)計說明書-分離甲醇、水混合物的板式精餾塔設(shè)計

1、分離甲醇、水混合物的板式精餾塔設(shè)計 課程設(shè)計設(shè)計題目分離甲醇、水混合物的板式精餾塔設(shè)計學(xué)生姓名 學(xué)號 專業(yè)班級 指導(dǎo)教師姚運金 2015年7月3日合肥工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目分離甲醇、水混合物的板式精餾塔設(shè)計成績課程設(shè)計主要內(nèi)容設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一座分離甲醇、水混合物的連續(xù)常壓精餾塔1、 生產(chǎn)能力：100000噸甲醇/年；液料含甲醇40wt%，餾出液含甲醇不少于98 wt %，殘夜含甲醇不大于0.05wt%。2、 操作條件：（1）泡點進料，回流比需優(yōu)化。（2）塔釜加熱蒸汽壓力：間接0.2MPa（表壓），直接0.1MPa（絕壓）。（3）塔頂全凝器冷卻水進口溫度20。（4）常壓操作。年工作日30

2、0320天，每天工作24小時。（5）設(shè)備形式：篩板塔。（6）安裝地點：安慶任務(wù)來源：中國石油化工股份有限公司安慶分公司設(shè)計主要內(nèi)容：工藝流程的確定，工藝流程采用計算機仿真設(shè)計，塔和塔板的工藝尺寸計算，塔板的流體力學(xué)驗算及負荷性能圖，輔助設(shè)備的計算與選型，主體設(shè)備的機械設(shè)計。設(shè)計報告：1、設(shè)計說明書一份。2、主體設(shè)備總裝圖一張（1#圖紙），帶控制點工藝流程圖（3#圖紙）一張。指導(dǎo)教師評語建議：從學(xué)生的工作態(tài)度、工作量、設(shè)計（論文）的創(chuàng)造性、學(xué)術(shù)性、實用性及書面表達能力等方面給出評價。簽名： 2015年 月 日目錄摘要1緒論2一、板式精餾塔設(shè)計流程說明3（一）設(shè)計方案的確定31、裝置流程的確定3

3、2、操作壓力的選擇3 3、進料狀況的選擇44、加熱方式的選擇4 5、回流比的選擇4（二） 塔板的類型與選擇51、 泡罩塔52、 篩板塔53、浮閥塔5二、板式精餾塔的設(shè)計計算6（一）精餾塔全塔物料衡算6（二）回流比和塔板數(shù)的確定7（三）靈敏度分析10（三） 用詳細計算模塊（RadFrac）進行計算13三、塔和塔板主要工藝尺寸計算20（一）塔徑20（二）溢流裝置26（三）塔板布置29（四）篩孔數(shù)目與開孔率30（五）塔的有效高度31（六）塔的實際高度的算31四、篩板的流體力學(xué)計算32（一）氣體通過篩板壓降相當?shù)囊褐叨?2（二）霧沫夾帶量的驗算33（三）漏液計算33（四）液泛驗算34五、塔板的負荷性

4、能圖35（一）精餾段351、霧沫夾帶線（1）352、液泛線（2）363、液相負荷上限線（3）374、漏液線（氣相負荷下限線）（4）375、液相負荷下限線（5）38（二）提餾段391、霧沫夾帶線（1）392、液泛線（2）393、液相負荷上限線（3）414、漏液線（氣相負荷下限線）（4）415、液相負荷下限線（5）41六、附屬設(shè)備設(shè)計及接管尺寸43（一）冷凝器的選擇43（二）再沸器的選擇44（三）泵的選擇44（四）接管尺寸46（五）法蘭、封頭、裙座等48（六）強度設(shè)計50七、設(shè)計小結(jié)58八、參考文獻59九、心得體會60摘要:現(xiàn)要求設(shè)計一篩板式精餾塔，年產(chǎn)量10萬噸的甲醇-水的分離系統(tǒng)，其中料液的甲

5、醇質(zhì)量分數(shù)40%，設(shè)計要求餾出液中甲醇的質(zhì)量分數(shù)不少于98%，殘液中甲醇質(zhì)量分數(shù)小于0.05%。通過aspen模擬，確定最小回流比1.01332，進而確定操作回流比1.10914；進行相關(guān)計算，得到理論塔板數(shù)24和全塔板效率48.18%，進而得到實際塔板數(shù)50，進料板位置為第30塊塔板,由設(shè)計要求計算確定塔相關(guān)工藝尺寸（塔高36.954米，塔徑2.4米）；此外根據(jù)精餾塔工作環(huán)境，進行流體力學(xué)性能驗算，繪制負荷性能圖，對整項設(shè)計安排整理總結(jié)，畫出此篩板式精餾塔。關(guān)鍵詞:甲醇-水；篩板式精餾塔設(shè)計；aspen模擬；回流比；塔板數(shù)；負荷性能圖 緒論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

6、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

7、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。一、板式精餾塔設(shè)計流程說明板式塔的類型有很多，但其設(shè)計原則基本相同。一般來說，板式塔的設(shè)計步驟大致

8、如下：根據(jù)設(shè)計任務(wù)和工藝要求，確定設(shè)計方案；根據(jù)設(shè)計任務(wù)和工藝要求，選擇塔板類型；確定塔徑、塔高等工藝尺寸；進行塔板設(shè)計，包括溢流裝置的設(shè)計、塔板的布置、升氣道（泡罩、篩孔或浮閥等）的設(shè)計及排列；進行流體力學(xué)驗算；繪制塔板的負荷性能圖；根據(jù)負荷性能圖，對設(shè)計進行分析，若設(shè)計不夠理想，可對某些參數(shù)進行調(diào)整，重復(fù)上述設(shè)計過程，一直到滿意為止。（一）設(shè)計方案的確定1、裝置流程的確定蒸餾裝置包括原料預(yù)熱器、精餾塔、塔底再沸器、塔頂冷凝器、釜液冷卻器、塔頂產(chǎn)品冷卻器等設(shè)備。蒸餾過程按照操作方式的不同，可以分為連續(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)定的優(yōu)點，工業(yè)生產(chǎn)中以連續(xù)蒸餾為主

9、。間歇蒸餾具有操作靈活、適應(yīng)性強等優(yōu)點，適合小規(guī)模、多品種或多組分物系的初步分離。蒸餾是通過物料在塔內(nèi)的多次部分汽化與多次部分冷凝實現(xiàn)分離的，熱量自塔釜輸入，由冷凝器和冷卻器中的冷卻介質(zhì)將余熱帶走。在此過程中，熱能利用率很低，為此，在確定裝置流程時應(yīng)該考慮余熱的利用。譬如，用原料作為塔頂產(chǎn)品（或釜液產(chǎn)品）冷卻器的冷卻介質(zhì)，既可將原料預(yù)熱，又可節(jié)約冷卻介質(zhì)。另外，為保持塔的操作穩(wěn)定性，流程中除用泵直接送入塔內(nèi)，原料也可采用高位槽送料，以免受泵操作波動的影響。塔頂冷凝器裝置可采用全凝器、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，以便于準確控制回流比。塔頂分凝器對上升的蒸汽有一定的增濃作

10、用，若后續(xù)裝置用氣態(tài)物料。則宜用分凝器?？傊_定流程時，要較全面、合理地兼顧設(shè)備費用、操作費用、操作控制及安全諸因素。2、操作壓力的選擇蒸餾過程按操作壓力不同分為常壓蒸餾、減壓蒸餾和加壓蒸餾。一般，除熱敏性物系外，凡通過常壓蒸餾能達到分離要求，并能用江河水或循環(huán)水將餾出物冷凝下來的物系，都應(yīng)采用常壓蒸餾；對熱敏性物系或者混合物泡點過高的物系，則宜采用減壓蒸餾；對常壓下餾出物的冷凝溫度過低的物系，需提高塔壓或者采用深井水、冷凍鹽水作為冷卻劑；而常壓下呈氣態(tài)的必須采用加壓蒸餾。本次課程設(shè)計的分離體系是甲醇-水體系，采用常壓操作。3、進料狀況的選擇 蒸餾操作有5種進料狀況，進料狀況不同，會影響塔內(nèi)

11、各層塔板的氣、液相負荷。工業(yè)上多采用接近泡點的液體進料和飽和液體（泡點）進料，通常用釜殘液預(yù)熱原料。若工藝要求減少塔釜的加熱量，以避免釜溫過高，料液產(chǎn)生聚合或結(jié)焦，則應(yīng)采取氣態(tài)進料。本次課程設(shè)計中采取泡點進料的進料方式。4、加熱方式的選擇蒸餾大多采用間接蒸汽加熱，設(shè)置再沸器。有時也可采用直接蒸汽加熱，例如蒸餾釜殘夜中的主要組分是水，且在低濃度下輕組分的相對揮發(fā)度較大時（如乙醇和水的混合液）宜用直接蒸汽加熱，其優(yōu)點是可以利用壓力較低的加熱蒸汽以節(jié)省操作費用，并省掉間接加熱設(shè)備。但由于直接蒸汽的加入對釜內(nèi)溶液起一定的稀釋作用，在進料條件和產(chǎn)品純度、輕組分收率一定的前提下，釜液濃度相應(yīng)降低，故需要在

12、提餾段增加塔板已達到生產(chǎn)要求。本次課程設(shè)計的分離體系是甲醇-水體系，我們采用間接蒸汽加熱的加熱方式。5、回流比的選擇回流比是精餾操作的重要工藝條件，其選擇原則是使設(shè)備費用和操作費用之和最低。如下圖。圖1-1 最佳回流比圖而在本次課程設(shè)計中，我們借助Aspen化工模擬軟件，通過其軟件包內(nèi)的簡捷設(shè)計模塊（DSTWU）進行設(shè)計計算。設(shè)計中，給定相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)，通過模擬計算，最終計算出不同理論板數(shù)下的回流比，并繪制出回流比-理論板數(shù)關(guān)系曲線。在曲線斜率絕對值較小的區(qū)域選擇最佳回流比。（二）塔板的類型與選擇 1、泡罩塔泡罩塔是19世紀初隨工業(yè)蒸餾建立而發(fā)展起來的，屬于最早流行的結(jié)構(gòu)。塔板上的主要部件是泡

13、罩。它是一個鐘形的罩，支在塔板上，其下沿有長條形或橢圓形小孔，與板面保持一定距離。罩內(nèi)覆蓋著一段很短的升氣管，升氣管的上口高于罩下沿的小孔或齒逢。塔板下方的氣體經(jīng)升氣管進入罩內(nèi)之后，折向下到達罩管之間的環(huán)形空隙，然后從罩下沿的小孔或齒逢分散成氣泡而進入板上的液層。泡罩塔操作穩(wěn)定，操作彈性好，能正常操作的最大負荷與最小負荷之比達45。但是，由于它的構(gòu)造比較復(fù)雜，造價高，阻力（變現(xiàn)為氣體通過每層板的壓降）亦大，而氣、液通量和板效率卻比其他類型板式塔為低，已逐漸被其他型式的塔所替代。然后，由于它的使用歷史長，對它研究得比較充分，設(shè)計數(shù)據(jù)也積累得較為豐富，故要求可靠性高的場合中仍在使用。2、篩板塔篩板

14、與泡罩的差別在于取消了泡罩與升氣管，而直接在板上開有很多小直徑的孔篩孔。操作時氣體通過小孔上升，液體則通過降液管流到下一層板。分散成泡的氣體使板上液層形成強烈湍動的泡沫層。篩板塔結(jié)構(gòu)簡單，制造維修方便，造價低，板上液面落差小，氣體壓降低，生產(chǎn)能力較大，相同條件下生產(chǎn)能力高于浮閥塔，塔板效率接近浮閥塔。其缺點是穩(wěn)定操作范圍窄，篩孔易堵塞，不適宜處理粘性大的、易結(jié)焦的和帶固體粒子的物料。但設(shè)計良好的篩板塔仍具有足夠的操作彈性，對易引起堵塞的物系可采用大孔徑篩板。 3、浮閥塔浮閥塔板是在泡罩塔板和篩板塔板的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它吸收了兩種塔板的優(yōu)點。其結(jié)構(gòu)特點是在塔板上開有若干個閥孔，每個閥孔裝有一個

15、可以上下浮動的閥片。氣體從浮閥周邊水平地進入塔板上的液層，浮閥可根據(jù)氣流流量的大小而上下浮動，自行調(diào)節(jié)。浮閥的類型很多，國內(nèi)常用的有F1型、V-4型及T型等，其中以F1型浮閥應(yīng)用最為普遍。浮閥塔板的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、造價低；塔板開孔率大，生產(chǎn)能力大；由于閥片可隨氣量變化自由升降，故操作彈性大；因上升氣流水平吹入液層，氣液接觸時間較長，故塔板效率較高。其缺點是處理易結(jié)焦、高粘度的物料時，閥片易與塔板粘結(jié)；在操作過程中有時會發(fā)生閥片脫落或卡死等現(xiàn)象，使得塔板效率和操作彈性下降。在本次“精餾塔設(shè)計”中，綜合考慮利弊，選擇了篩板塔。二、板式精餾塔的設(shè)計計算（一）精餾塔全塔物料衡算F：進料量，

16、：原料中甲醇的含量（摩爾分數(shù)，下同）D：塔頂產(chǎn)品流量， ：塔頂輕組分組成W：塔底殘夜流量， ：塔底輕組分組成原料中甲醇含量：塔頂產(chǎn)品中甲醇含量：塔底殘夜中甲醇含量： 塔頂產(chǎn)品流量： 物料衡算式：聯(lián)立方程求解： （二）回流比和塔板數(shù)的確定（Aspen簡捷模塊設(shè)計計算） 通過ASPEN化工模擬軟件中的簡捷模塊（DSTWU）對精餾塔進行簡捷計算，根據(jù)給定的加料條件和分離要求計算最小回流比、最小理論板數(shù)、理論板數(shù)和加料板位置。1、建立流程圖:建立如圖2-1所示的DSTWU模塊流程圖圖2-1 模塊流程圖2、輸入組分：輸入組分甲醇（CH3OH）和水（H2O），如圖2-2所示圖2-2 組分輸入頁面圖3、選擇

17、物性方法：選擇物性方法NRTL-RK，如圖2-3所示圖2-3 物性方法選擇4、輸入進料條件：壓力125kPa，流率0.4335kmol/s,摩爾組成：甲醇0.2727，水0.7273，如圖2-4所示圖2-4 進料條件輸入5、輸入模塊參數(shù)： 本次課程設(shè)計中，甲醇為輕關(guān)鍵組分，水為重關(guān)鍵組分。根據(jù)產(chǎn)品純度要求，計算塔頂輕關(guān)鍵組分的回收率（即塔頂甲醇回收率）以及塔頂重關(guān)鍵組分的回收率（即塔頂水回收率），計算公式如下： 塔頂甲醇回收率：塔頂水回收率： 回流比（Reflux ration）中輸入“-1.5”，表示實際回流比是最小回流比的1.5倍。塔頂冷凝器壓力項輸入105kPa,塔底再沸器壓力項輸入12

18、5kPa.如圖2-5所示。圖2-5 模塊參數(shù)輸入6、運行模擬 在Summary頁面可看到計算出的最小回流比為1.01332，最小理論板數(shù)為8（包括全凝器和再沸器），實際回流比為1.5198，實際理論板數(shù)為15，進料位置為第9塊塔板，塔頂產(chǎn)品與進料摩爾流率為0.282352。如圖2-6所示。圖2-6 模擬運行結(jié)果（三）靈敏度分析 繪制回流比與塔板數(shù)的關(guān)系曲線，從曲線上找到期望的回流比以及塔板數(shù)。同時，研究加料板位置對產(chǎn)品的影響，確定合適的加料板位置。 1、生成回流比隨理論板數(shù)變化表：輸入初始值4，終止值40，變化量1，如圖2-7所示。得到回流比隨理論板數(shù)變化表，如圖2-8所示。圖2-7 初始值、

19、終止值輸入圖2-8 回流比隨理論板數(shù)變化表 2、繪制回流比與理論塔板數(shù)關(guān)系曲線 根據(jù)圖2-8中的回流比隨理論板數(shù)變化表，繪制出回流比與理論板數(shù)關(guān)系曲線，如圖2-9所示。在曲線斜率絕對值較小的區(qū)域選擇合理的理論板數(shù)。圖2-9 回流比與理論塔板數(shù)關(guān)系曲線根據(jù)圖2-9中的曲線，選取24塊塔板作為合理的塔板數(shù)。3、運行模擬將上一步驟中所得到的最佳塔板數(shù)（24塊塔板）作為設(shè)定條件，重新進行模擬計算。如圖2-10所示。得到在Summary頁面可看到計算出的最小回流比為1.01332，最小理論板數(shù)為8（包括全凝器和再沸器），實際回流比為1.10914，實際理論板數(shù)為24，進料位置為第14塊塔板，塔頂產(chǎn)品與進

20、料摩爾流率為0.282352。如圖2-11所示。圖2-10 參數(shù)輸入圖2-11 模擬計算結(jié)果（四）用詳細計算模塊（RadFrac）進行計算 用Aspen模擬軟件中的RadFrac模塊進行精確計算，通過設(shè)計規(guī)定（Design Specs）和變化（Vary）兩組對象進行設(shè)定，檢驗計算數(shù)據(jù)是否收斂，計算出塔徑等主要尺寸。1、輸入嚴格法精餾參數(shù)輸入嚴格法模塊參數(shù)，塔板數(shù)24塊、回流比為1.10914、塔頂采出比0.28235，如圖2-12所示 。 圖2-12 輸入嚴格法精餾參數(shù)第14塊板進料，默認D從第一塊板液相采出，W從第24塊板液相采出，如圖2-13所示。圖2-13 定義進料位置塔頂壓力105kP

21、a、全塔壓降20kPa,壓力配置如圖2-14所示。圖2-14 輸入流股參數(shù)2、運行模擬，查看模擬結(jié)果。模擬結(jié)果如圖2-15所示。圖2-15 運行模擬結(jié)果3、進行設(shè)計規(guī)定 進入設(shè)計規(guī)定頁面如圖2-16所示。圖2-16 設(shè)計規(guī)定頁面定義第一個設(shè)計規(guī)定和第一個操縱變量。定義塔頂輕組分質(zhì)量分數(shù)為0.98，定義過程如圖2-17 所示。圖2-17 定義設(shè)計規(guī)定和操縱變量在水、甲醇選擇甲醇（因為0.98是甲醇的回收率），如圖2-18所示。圖2-18圖2-18 輸入組分信息選擇塔釜物流W和塔頂物流D中選擇塔頂物流D（因為塔頂回收率是塔頂物料相對于進料F而言），如圖2-19所示。圖2-19 定義流股定義第二個設(shè)

22、計規(guī)定和第二個操縱變量。定義塔底輕組分質(zhì)量分數(shù)為0.0002，定義過程如圖2-20、圖2-22所示。圖2-20 定義設(shè)計規(guī)定和操縱變量在水、甲醇選擇甲醇（因為0.0002是甲醇的回收率），如圖2-21所示。圖2-21 定義流股選擇塔釜物流W和塔頂物流D中選擇塔頂物流D（因為塔底回收率是塔底物料相對于進料F而言），如圖2-22所示。圖2-22 定義流股4、設(shè)置調(diào)節(jié)變量 進入第一個調(diào)節(jié)變量設(shè)置，回流比在1-3范圍，如圖2-23 所示。圖2-23 設(shè)置第一個調(diào)節(jié)變量進入第二個調(diào)節(jié)變量設(shè)置，餾出與進料量比在0.2-3范圍，如圖 2-24所示。圖2-24 設(shè)置第二個調(diào)節(jié)變量回到Vary第一項，查看回流比

23、實際結(jié)果為1.05769，如圖2-25所示。圖2-25 回流比實際結(jié)果回到Vary第二項，查看餾出與進料量比實際結(jié)果為0.282515，如圖2-26所示。圖2-26 餾出與進料量比三、塔和塔板主要工藝尺寸計算（一）塔徑 在Aspen化工模擬軟件中，通過塔板設(shè)計（Tray sizing）計算給定板間距下的塔徑.在Specification表單中輸入該塔段（Trayed section）的起始塔板（Starting stage）和結(jié)束塔板（Ending stage）、塔板類型（Tray type）、塔板流程數(shù)（Number of passes）以及板間距（Tray spacing）等幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)。

24、1、輸入塔板的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)在Specification表單中輸入該塔段（Trayed section）的起始塔板為2，結(jié)束塔板為23，塔板類型為sieve,塔板流程數(shù)為1，板間距為0.5米。如圖3-1和圖3-2所示。圖3-1 輸入塔板幾何參數(shù)圖3-2 輸入塔板幾何參數(shù)2、運行模擬 對上一步中的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行模擬運行后，得到塔徑為2.32767米，溢流堰長度為1.88759米。結(jié)果如圖3-3、圖3-4、圖3-5所示。圖3-3 運行模擬結(jié)果（1）圖3-4 運行模擬結(jié)果（2）圖2-30圖3-5 運行模擬結(jié)果（3）圖2-28 3、輸入圓整后的塔板幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)圖3-6 輸入圓整后的塔板幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)計算塔板

25、的熱負荷，對上一步中的計算結(jié)果（塔徑）按設(shè)計規(guī)范要求進行必要的圓整，用RadFrac模塊的Tray Rating, 對塔進行設(shè)計核算。將塔徑2.32767米圓整到2.4米。輸入頁面如圖所示。圖3-7 輸入塔板幾何參數(shù)圖3-8 輸入塔板幾何參數(shù)圖3-9 輸入塔板幾何參數(shù)4、模擬運行 模擬運行后結(jié)果如圖3-10、圖3-11所示圖3-10 模擬結(jié)果（1）圖3-11 模擬結(jié)果（2）上圖中兩個參數(shù)十分重要，Maximum flooding factor要小于0.8，Maximum backup / Tray spacing要在0.25-0.5之間，圖中限制兩個值都是符合標準的，說明模擬中所設(shè)參數(shù)合理。各

26、塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3-12、圖3-13所示。圖3-12 各塔板參數(shù)（1）圖3-13 各塔板參數(shù)（2）（二）溢流裝置 采用單溢流、弓形降液管、平形受液盤及平形溢流堰，不設(shè)進口堰。圖3-14 溢流裝置示意圖1、精餾段（1）溢流堰長由圖3-16中的模擬結(jié)果可知，溢流堰長為1.88米圖3-15 溢流堰長圖3-16溢流堰長模擬結(jié)果（2）出口堰高 查液流收縮系數(shù)計算圖，（3）降液管的寬度 和截面積由模擬數(shù)據(jù)可知：液體在降液管中停留時間： 符合要求。（4）降液管底隙高度2、提餾段（1）溢流堰長由圖3-17中的模擬結(jié)果可知，溢流堰長為1.77米圖3-17 溢流堰長圖3-18 溢流堰長模擬結(jié)果（2）出口堰高查液流

27、收縮系數(shù)計算圖，（3）降液管的寬度 和截面積 由模擬數(shù)據(jù)可得： 液體在降液管中停留時間： 符合要求。（4）降液管底隙高度（三）塔板布置取邊緣區(qū)寬度 安定區(qū)寬度 依公式計算有效面積其中：（四）篩孔數(shù)目與開孔率取篩孔的孔徑 ，正三角形排列，一般碳鋼的板厚 ， 取 ，故孔中心距 塔板上的開孔率則每層塔板上的開孔面積 為：塔板上的篩孔數(shù): 氣體通過篩板的氣速： （五）塔的有效高度Z塔板間距?。?.5精餾段 ： 提餾段 ：（六）塔的實際高度的計算塔的高度可由下式計算HP塔頂空間（不包括頭蓋部分） HT板間距 hT人孔處板間距 HW塔底空間塔頂空間： ，取2倍得塔底空間：已知實際塔板數(shù)為N=50塊，板間距

28、為0.50m，每隔7塊板設(shè)一人孔，人孔直徑480mm，深處塔體的筒體長220mm人孔中心距操作平臺100mm，人孔處板間距800mm 四、篩板的流體力學(xué)計算（一） 氣體通過篩板壓降相當?shù)囊褐叨?根據(jù)公式 1、 干板壓降相當?shù)囊褐叨?因為 查圖可知干篩孔的流量系數(shù) 精餾段： 提餾段： 2、氣流穿過板上液層壓降相當?shù)囊褐叨?精餾段：查的取液板上液層充氣系數(shù) 提餾段：查的取液板上液層充氣系數(shù) 3、克服液體表面張力壓降相當?shù)囊褐叨?精餾段： 提餾段：單板壓強降： 故在設(shè)計負荷下精餾段和提餾段不會產(chǎn)生過量漏液。（二） 霧沫夾帶量 的驗算精餾段：故在設(shè)計負荷下精餾段不會發(fā)生過量霧沫夾帶。提餾段：故

29、在設(shè)計負荷下提餾段不會發(fā)生過量霧沫夾帶。（三） 漏液計算 精餾段：故在設(shè)計負荷下精餾段不會產(chǎn)生漏液。 提餾段：故在設(shè)計負荷下提餾段不會產(chǎn)生漏液。（四） 液泛驗算為了防止降液管液泛的發(fā)生，要使降液管中液體高度 其中： 取 ，則 因為 故 在設(shè)計負荷下精餾段不會發(fā)生液泛。 取 則 故 在設(shè)計負荷下提餾段不會發(fā)生液泛。根據(jù)以上的塔板的各項流體力學(xué)驗算，精餾塔各項工藝尺寸是合適的。五、塔板的負荷性能圖（一）精餾段：1、霧沫夾帶線（1）根據(jù)公式 式中： 取值為： 取霧沫夾帶極限 為0.1kg液/kg氣，已知 帶入公式得：整理得： 在操作范圍內(nèi)，取幾個 值，算出相應(yīng)的 列于下表中。0.0030.0080.

30、010.029.81299.57569.49639.1593根據(jù)數(shù)據(jù)在 圖中做出霧沫夾帶（1）。2、液泛線（2）根據(jù)公式 近似取值 故 由式在操作范圍內(nèi)，取幾個 值，算出相應(yīng)的 列于下表中。0.0030.0080.010.0214.8914.612614.4312.94523、液相負荷上限線（3）取液體在降液管中停留時間 為作為液體在降液管中停留時間的下限， 液相負荷下限線在 坐標圖上為與氣體流量無關(guān)的垂直線，即為液相負荷上限線。4、漏液線（氣相負荷下限線）（4） 在操作范圍內(nèi)，取幾個 值，算出相應(yīng)的 列于下表中。0.0030.0080.010.022.62662.42432.35281.69

31、325、液相負荷下限線（5）取平堰、堰上液層高度 作為液相負荷的下限條件，則 依此值在圖上作出線即為液相負荷下限線。將以上5條線繪制于同一張圖中，即為精餾段負荷性能圖，如圖5-1所示。5條線包圍區(qū)域為精餾段塔板操作區(qū)，P為操作點，OP為操作線。OP線與線（1）的交點為氣相負荷 ，OP線與氣相負荷下限線（4）的交點為氣相負荷 。圖5-1 精餾段負荷性能圖（二）提餾段：1、霧沫夾帶線（1）根據(jù)公式 式中： 取值為： 取霧沫夾帶極限 為0.1kg液/kg氣，已知 帶入公式得：整理得： 在操作范圍內(nèi)，取幾個 值，算出相應(yīng)的 列于下表中。0.0030.0080.010.0210.9410.678410.

32、589910.2139根據(jù)數(shù)據(jù)在 圖中做出霧沫夾帶（1）。2、液泛線（2） 根據(jù)公式：近似取值 故 由式在操作范圍內(nèi)，取幾個 值，算出相應(yīng)的列于下表中。0.0030.0080.010.0215.225414.448114.132712.26653、液相負荷上限線（3）取液體在降液管中停留時間為 作為液體在降液管中停留時間的下限，液相負荷下限線在 坐標圖上為與氣體流量無關(guān)的垂直線，即為液相負荷上限線。4、漏液線（氣相負荷下限線）（4）在操作范圍內(nèi)，取幾個 值，算出相應(yīng)的 列于下表中。0.0030.0080.010.023.27953.45383.51013.73395、液相負荷下限線（5）取平堰

33、、堰上液層高度 作為液相負荷的下限條件，則 依此值在圖上作出線即為液相負荷下限線。將以上5條線繪制于同一張圖中，即為提餾段負荷性能圖，如圖5-2所示。5條線包圍區(qū)域為提餾段塔板操作區(qū)，P為操作點，OP為操作線。OP線與線（1）的交點為氣相負荷 ，OP線與氣相負荷下限線（4）的交點為氣相負荷 。圖5-2 提餾段負荷性能圖圖5-2六、附屬設(shè)備設(shè)計及接管尺寸（一）冷凝器的選擇有機物蒸汽冷凝器設(shè)計選用的總體傳熱系數(shù)一般范圍為取傳熱系數(shù)K：料液溫度：65.99（飽和氣）65.99（飽和液）冷卻水溫度：2045逆流操作：查液體的氣化潛熱圖，可知塔頂溫度65.99下，甲醇的氣化潛熱：水的氣化潛熱：傳熱面積：

34、水流量： 冷凝器中列管取 流速取 。管數(shù)： 管長： 取管心距為 選用6m長的的列管，單管程；折流板采用弓形折流板，板間距取200mm根據(jù)以上計算選型為：（二）再沸器的選擇選用120飽和水蒸汽加熱，傳熱系數(shù)取料液溫度：105.73105.994，熱流體溫度：150150逆流操作： 查液體的氣化潛熱圖，可知塔底溫度105.99下，甲醇的汽化潛熱：水的汽化潛熱：換熱面積：根據(jù)以上計算選型為：（三）泵的選擇圖6-1 模擬流程圖 Aspen模擬過程及結(jié)果如圖5-2、圖5-3所示：圖6-2 模擬結(jié)果（1）圖6-3 模擬結(jié)果（2）根據(jù)模擬結(jié)果，選型為 （四）接管尺寸1.進料管泡點進料，泡點溫度 查甲醇、水密

35、度與溫度關(guān)系圖可知泡點溫度下 進料體積流量： 取管內(nèi)流速為2m/s，則進料管管徑：，查熱軋無縫鋼管規(guī)格表，選擇規(guī)格為 的熱軋無縫鋼管此時管內(nèi)流體流速2. 釜液出口管釜液，由前計算可知出料溫度 ，所以則體積流量取塔液出塔的速度 則出料管管徑，查熱軋無縫鋼管規(guī)格表，選擇規(guī)格為 的熱軋無縫鋼管。此時管內(nèi)流體流速3. 回流管塔頂由前計算知流液溫度 ，則其體積流量： 取回流液的速度 則回流管管徑 查熱軋無縫鋼管規(guī)格表，選擇規(guī)格為 的熱軋無縫鋼管此時管內(nèi)流體流速4. 塔頂蒸汽出口取流速為20m/s，查GB無縫鋼管規(guī)格表，選擇規(guī)格為 無縫鋼管此時管內(nèi)流體流速 5.塔釜蒸汽進氣口管徑取流速為20m/s，查GB

36、無縫鋼管規(guī)格表，選擇規(guī)格 無縫鋼管（五）法蘭、封頭、裙座等1、法蘭由于常壓操作，所有法蘭均采用標準管法蘭，平焊法蘭，由不同的公稱直徑，選用相應(yīng)法蘭。進料管接管法蘭：PN0.6DN100HG20592塔釜出料管法蘭：PN0.6DN100HG20592回流管接管法蘭：PN0.6DN100HG20592塔頂蒸汽出口管法蘭：PN0.6DN400HG20592塔釜蒸汽進氣管法蘭：PN0.6DN600HG205922、封頭封頭分為橢圓形封頭、蝶形封頭等幾種，本設(shè)計采用橢圓形封頭，為方便焊接，取厚度12mm。3、筒體厚度 Q235在120左右的許用應(yīng)力為：公稱直徑塔體焊接接頭系數(shù)，采用雙面對接焊，局部無損傷

37、，查得的取厚度為12mm。4、裙座塔底采用裙座支撐，裙座的結(jié)構(gòu)性能好，連接處產(chǎn)生的局部阻力小，所以它是塔設(shè)備的主要支座形式。為制作方便，裙座一般采用圓形，由于裙座內(nèi)徑1800mm，故裙座壁厚取12mm基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)徑： 基礎(chǔ)環(huán)外徑： 圓整： , 基礎(chǔ)環(huán)厚度，考慮到腐蝕余量取18mm；考慮到再沸器，裙座高度取3m，地角螺栓直徑取M56。5、吊柱對于較高的室外無框架的整體塔，在塔頂設(shè)置吊柱，對于補充和更換填料、安裝和拆卸內(nèi)件，既經(jīng)濟又方便的一項實施，一般取15m以上的塔物設(shè)吊柱，本設(shè)計中塔高度較大，因此設(shè)吊柱。本設(shè)計塔徑D=2200mm，可選用吊柱500kg。S=1800mm，L=4250mm,H=12

38、50mm。材料為Q235A。6、人孔人孔是安裝或檢修人員進出塔的唯一通道，人孔的設(shè)置應(yīng)變于進入任何一層塔板，由于設(shè)置人空處塔間距離大，且人孔設(shè)備過多會使制造時塔體的彎曲度難以達到要求，一般每隔塊板才設(shè)一個人孔，本塔中共50塊板，設(shè)置個8人孔，每個孔直徑500 mm,在設(shè)置人孔處，板間距為1000mm.裙座上應(yīng)開2個人孔，直徑為500 mm,人孔伸入塔內(nèi)部應(yīng)與塔內(nèi)壁修平，其邊緣需倒棱和磨圓，人孔法蘭密封面形及墊片用材，一般與塔的接管法蘭相同。（六）強度設(shè)計1、質(zhì)量載荷計算塔體質(zhì)量：裙座質(zhì)量：人孔、法蘭、接管等質(zhì)量：內(nèi)構(gòu)件質(zhì)量： （注：塔內(nèi)有50塊篩板，每塊板厚度為3mm）保溫層質(zhì)量: （注：取保

39、溫層厚度為100mm，密度為300Kg/m3）平臺質(zhì)量：操作時塔內(nèi)物料質(zhì)量： 充滿水時的質(zhì)量：操作質(zhì)量：2、塔體各段風(fēng)力計算 將塔分成4段，每段10米其中空氣動力系數(shù) 風(fēng)震系數(shù) 基本風(fēng)壓假定在安慶郊區(qū)建廠，則 如下: 0-10m 10-20m 20-30m 其中籠式扶梯擋風(fēng)的當量寬度：操作平臺擋風(fēng)的當量寬度：塔體各段風(fēng)力:3-10m：10-20m：20-30m：30-36.954m：3、風(fēng)彎矩 截面劃分為00截面為裙座底部截面，11截面為塔體底部截面。 1-1截面彎矩：式中： -塔體1-1截面到標高10m處的距離-對應(yīng)于 段的風(fēng)力0-0截面彎矩：式中：-裙座底部到標高10m處的距離-對應(yīng)于 段的風(fēng)力4、地震載荷的計算 （1）塔的自震周期其中：H-塔的總高度，mmm0-塔在操作時的總質(zhì)量，kge-塔殼的有效壁厚，mmDi-塔殼內(nèi)徑，mmE-塔壁材料的彈性模量，MPa（2）地震載荷的計算查得地震烈度為7時，地震影響系數(shù)的最大值類場地上：確定危險截面：00截面為裙座底部截面，11截面為塔體底部截面。由于是立式設(shè)備，所以取結(jié)