安阳工学院化工原理课程设计.docx
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安阳工学院化工原理课程设计
第一章:
设计任务书(2
第二章:
工艺设计计算(2
一、设计方案的确定(2
二、精馏塔的物料衡算(2
三、塔板数的确定(3
四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算(5
五、精馏塔塔体工艺尺寸的计算(7
六、填料层压降的计算(9
七、筒体壁厚的计算(10
八、管径的计算(10
九、液体分布器简要设计(11
第三章:
结语(12
一、设计感想(12
二、参考资料(12
第一章:
设计任务书
一、设计题目
在抗生素类药物生产过程中,需要用甲醇溶媒洗涤晶体,洗涤过滤后产生废甲醇溶液,其组成为含甲醇46%、水54%(质量分数,另含有少量的药物固体微粒。
为使废甲醇溶液重复利用,拟建立一套填料精馏塔,以对废甲醇溶媒进行精馏得到含水量0.3%(质量分数的甲醇溶媒。
设计要求废甲醇溶媒的处理量为3t/h,塔底废水中甲醇含量0.5%(质量分数。
二、操作条件
1、操作压力常压
2、进料热状态自选
3、回流比自选
4、塔底加热蒸汽压力0.3MPa(表压
三、填料类型
因甲醇溶媒中含有少量的药物固体微粒,应选用金属散装填料,以便定期拆卸和清理。
填料类型和规格自选。
四、工作日
每年300天,每天24小时连续运行。
五、厂址
厂址为宁夏地区。
六、设计内容
1、精馏塔的物料衡算;
2、塔板数的确定;
3、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算;
4、精馏塔的塔体工艺尺寸的计算;
5、填料层压降的计算;
6、液体分布器的简要设计;
7、精馏塔接管尺寸计算;
8、绘制生产工艺流程图;
9、绘制精馏塔设计条件图;10、对设计过程的评述和有关问题的讨论。
第二章:
工艺设计计算
一、设计方案的确定
本设计任务为分离甲醇—水混合物,对于二元混合物的分离,采用连续精馏流程。
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。
甲醇常压下的沸点为64.6℃,所以采用常压操作。
塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝,冷凝液在泡点下一部分回流至塔内,其余部分经产品冷却器冷却后送至储槽。
塔釜采用间接蒸汽加热方式。
填料类型选用散装金属环矩鞍填料。
二、精馏塔的物料衡算
1、原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数
甲醇的摩尔质量MA=32.04㎏/kmol,水的摩尔质量MB=18.02㎏/kmolxD==0.9947
xw==2.8183×
xF==0.3239
2、原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
MF=0.3239×32.04+0.6761×18.02=22.561㎏/kmol
MD=0.9947×32.04+0.0053×18.02=31.9657㎏/kmol
MW=2.8183××32.04+0.9972×18.02=18.059㎏/kmol
3、物料衡算
废甲醇溶媒的处理量为3t/h,原料液的处理量为==132.9728kmol/h
总物料衡算=+
甲醇物料衡算:
·xF=xD
·+xw
·
代入数据得:
=43.0446kmol/h=89.9329kmol/h三、塔板数的确定
对甲醇—水二元物系,采用图解法求理论板层数1、由手册查得甲醇—水物系的汽液平衡数据
温度t℃液相中甲醇的
摩尔分数
汽相中甲醇的
摩尔分数
温度t
℃
液相中甲醇的
摩尔分数
汽相中甲醇的
摩尔分数
1000.00.075.30.400.729
96.40.020.13473.10.500.77993.50.040.23471.20.600.82591.20.060.30469.30.700.87089.30.080.36567.60.800.91587.70.100.41866.00.900.95884.40.150.51765.00.950.97981.70.200.57964.51.01.078.00.300.665
2、求最小回流比及操作回流比
采用作图法求最小回流比如下图
图(一
在图(一中对角线上,自点e(0.3239,0.3239作垂线ef即为q线,该线与平衡线的交点坐标为xq=0.3239yq=0.683
则Rmin==0.868R=2Rmin=1.736
3、求精馏塔的气液相负荷
==1.736×43.0446=74.7254kmol/h
qnv=(R+1qnD=2.736×43.0446=117.77kmol/h
=qnF+=132.9728+74.7254=207.6982kmol/h
=qnv=117.77kmol/h
4、理论板层数
由图(一易知,总理论板层数N
T=13(包括再沸器,进料板位置N
F
=9,那
么可知精馏段有8块板,提馏段有4块板。
四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算
1、操作温度的计算
由甲醇—水物系的汽液平衡数据,采用内插法,计算结果如下:
塔顶温度、=解得t
D
=64.55℃
塔底温度、=解得t
w
=99.4927℃
进料温度、=解得t
F
=77.35℃
进料第一块板处的温度、=解得=78.555℃
2、平均摩尔质量计算
塔顶平均摩尔质量的计算
由x
D=y
1
=0.9947.查图(一得、x
1
=0.9953
则M
VDm=0.9947×32.04+0.0053×18.02=31.9657㎏/kmolM
LDm
=0.9953×
32.04+0.0047×18.02=31.9699㎏/kmol
进料板处平均摩尔质量的计算
由图(一得=0.285=0.655
则M
VF’m
=0.655×32.04+0.345×18.02=27.2031㎏/kmol
M
LF’m
=0.285×32.04+0.715×18.02=22.0157㎏/kmol
3、平均密度的计算
①气相平均密度计算依据公式:
则塔顶气相平均密度
进料第一板处气相平均密度
②液相平均密度的计算
塔顶液相平均密度的计算
查手册得
进料第一板处气液相平均密度计算
查手册得
4、液体平均粘度的计算
①塔顶液相平均粘度计算
=64.55℃S
t
D
则由代入数据得:
②进料板液相平均粘度的计算
则由代入数据得:
③塔釜液相粘度为0.2838
则由上述数据得精馏段平均粘度为
提馏段平均粘度为
5、液体平均表面张力的计算
①塔顶液相平均表面张力
则知
②进料板液相平均表面张力
则知
③塔釜液相平均表面张力为58.8
则由上述数据知精馏段平均表面张力为,提馏段平均表面张力为
五、精馏塔塔体工艺尺寸的计算
1、塔径的计算
①精馏段塔径的计算
的确定
空塔气速及塔径的确定
在本设计中泛点率取0.65,则,依据贝恩霍根关联式
可计算出。
塔顶相应参数为
AK
9.810.062251.751.1543756.22980.32930.66361.0457
当填料公称直径取DN50时:
将上述数据带入贝恩霍根关联得:
则由公式圆整为0.7
则
当填料公称直径取DN38时:
将上述数据带入贝恩霍根关联得:
则,圆整为0.8
则
当填料公称直径取DN76时:
将上述数据带入贝恩霍根关联得:
则,圆整为0.6
则所以此种填料不可用。
②提馏段塔径的计算
的确定
空塔气速及塔径的确定
泛点率取0.65,则,依据贝恩霍根关联式
可计算出。
进料第一板处参数为
AK
9.810.062251.750.9432859.94980.33811.27020.8899当填料公称直径取DN50时:
将上述数据带入贝恩霍根关联得:
则塔径
圆整为0.7,则
当填料公称直径取DN38时:
将上述数据带入贝恩霍根关联得:
圆整为0.7,则
综上所述,当填料选DN50时,塔径0.7;当填料选DN38时,塔径0.8。
考虑经济适用性,填料取DN50,塔径取0.7m.
液体喷淋密度及空塔气速核算
依据公式:
液体喷淋密度
精馏段液体喷淋密度
可知
精馏段空塔气速
提馏段液体喷淋密度
可知。
提馏段空塔气速
2、填料层高度的计算
单板高度的计算由于填料选用DN50,则查表知h=7.2883
由上述平均粘度与平均表面张力知:
①精馏段的单板高度
代入数据得
②提馏段的单板高度
代入数据得
精馏段填料层高度
精馏段理论级数,精馏段单板高度
所以精馏段填料层理论高度
设计精馏段填料层高度
提馏段填料层高度
提馏段理论级数(提馏段理论板数为5,因为采用间接蒸汽加热所以再沸器相当于一层塔板,则,提馏段单板高度
所以提馏段理论高度,设计提馏段填料层高度
依据散装填料分段高度推荐值,将精馏段分为两段,每段高度为4.65m.
六、填料层压降的计算
对散装填料压降的计算依据埃克托通用关联图来计算。
1、精馏段压降的计算
相关参数为
gu
71756.22891.15430.9080.63469.811.29692.3351
由计算可得横坐标:
0.02479,纵坐标:
0.07094
读图可知,所以精馏段的压降为48
2、提馏段压降的计算
相关参数为
gu
71859.94980.94320.91011.42749.811.13112.4529
则得横坐标为:
0.04716、纵坐标为0.04917
则由埃克托通用关联图知:
所以提馏段的压降为:
24
七、筒体壁厚的计算
筒体选用20R钢板制造,已知
则查表得
因为20R钢板最小厚度为6mm,所以名义厚度取6mm.
水压试验校核
则知0.9,所以水压试验强度足够。
八、管径的计算
管径的计算依据公式
1、塔顶出气管径的计算
已知u取40
则圆整为182mm,即取无缝钢管DN175mm
2、塔顶回流管径计算
已知u取1
则圆整为38mm,即取DN40的无缝钢管。
3、进料管径计算
已知u取1
则圆整为50mm,即取DN50的无缝钢管。
4、塔釜出液管管径计算
已知u取1
则圆整为38mm,即取DN40的无缝钢管。
九、液体分布器简要设计
1、液体分布器选型
本设计采用槽盘式液体分布器,它兼有集液和分液的功能,而且操作弹性大。
2、布液点密度
按照埃克托建议值,喷淋点密度取150点
布液点数
按照分布点几何均匀与流量均匀的原则,进行布点设计,设计结果为:
二级槽共设5道,两槽中心间距135mm,槽宽度67mm,槽高度为170mm.
布液点示意图如下
由图可知实际布点数为61个。
3、布液计算
依据公式(1
对塔顶和精馏段分段处的液体再分布,相关数据为n=61g=9.81
将上述数据代入公式(1得
对进料处的液体再分布,相关数据为n=61g=9.81
将上述数据代入公式(1得
第三章:
结论
一、设计感想
进行了整整两周的化工原理课程设计我收获颇丰。
总结如下:
①对化工设计有了比较深刻地认识,在平常的化工原理课程学习中总是只针对局部进行计算,而对参数之间的相互关联缺乏认识。
平常的学习总会有题设的条件,省去了我们很多劳动,但在设计中大量用到的物性数据是需要我们自己去查取的。
②设计中我学会了离开老师进行自主学习,参看了多本指导书,还查阅了一些图书馆的资料。
这样的设计让我从中获得了一些自信,学会了一种研究的方法,将来学习或工作中遇到了什么困难或从未接触过的领域,我也不再感到畏惧。
因为我已经学到了一定的自主研究的能力,我能通过自学慢慢地将问题化解。
③设计帮助我更好的熟悉了word、CAD的操作。
平常天天用电脑上网,进行些娱乐活动,真正这些使用的软件却碰触很少,虽然以前有学过但隔的时间也比较久了,大多都淡忘了。
二、参考资料:
【1】贾绍义、柴诚敬.化工原理课程设计.天津大学出版社,2002【2】柴诚敬.化工原理(第二版)上下册.高等教育出版社2006【3】熊洁羽.化工制图.化学工业出版社2010【4】刁玉玮、王立业、俞建良.化工设备机械基础(第六版)2006【5】化学工程手册.化学工业出版社198911
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