1、常州大學本科生畢業設計計算說明書 目 錄1.物料衡算11.1物料流程簡圖11.2物料衡算12.熱量衡算22.1原料預熱器熱量衡算22.2塔塔頂冷凝器熱量衡算22.3塔塔釜再沸器熱量衡算22.4塔塔頂冷卻器熱量衡算22.5塔塔頂冷凝器熱量衡算22.6塔塔釜再沸器熱量衡算32.7塔塔頂冷卻器熱量衡算32.12物料裝置帶出的熱量32.13系統熱量衡算43.精餾塔的設計43.1精餾塔的工藝計算43.2精餾塔的塔體工藝尺寸計算93.3塔板主要工藝尺寸113.4篩板的流體力學驗算133.5塔板負荷性能圖144.設備選型164.1罐體選型164.2換熱設備174.3 泵的選型265.管徑計算與選型（摘自GB

2、8163-88）285.1物料管道的計算和選型285萬噸/年正丁醇脫水裝置工藝設計1. 物料衡算1.1 物料流程簡圖圖1 正丁醇脫水工藝流程簡圖1.2 物料衡算（1）原料液及塔頂、塔底產品的摩爾分率水的摩爾質量 M水 = 18 kg/kmol正丁醇的摩爾質量 MC4H9OH =74 kg/kmolXF = 0.4XD = 0.001XW = 0.999(2) 原料液及塔頂、塔底產品的平均摩爾質量MF = 0.474+(1-0.4) 18= 40.4 kg/kmolMD =0.00174+(1-0.001) 18= 18.056 kg/kmolMW = 0.99974+(1-0.999) 18=

3、 73.944 kg/kmol(3)物料衡算 原料處理量：5萬噸/年，年操作330天 F = =6313.13 kg/h= = 156.26 kmol/h總物料衡算 156.26 = D + W正丁醇物料衡算 156.260.4 = 0.001D + 0.999W得：(4)對塔物料衡算塔及塔頂、塔底產品的摩爾分率水的摩爾質量 M水 = 18 kg/kmol正丁醇的摩爾質量 MC4H9OH =74 kg/kmolXF = 0.476XD = 0.246XW = 0.999物料衡算：204.618 =D+W正丁醇物料衡算：204.6180.476=0.246D+0.999WF=204.618kmo

4、l/h D=142.114kmol/h W=62.504kmol/h(5) 對塔及塔頂、塔底產品的摩爾分率水的摩爾質量 M水 = 18 kg/kmol正丁醇的摩爾質量 MC4H9OH =74 kg/kmolXF = 0.022XD = 0.249XW = 256PPM物料衡算：F=D+W對正丁醇物料衡算：F XF =D XD +W XWF=102.087kmol/hD=8.331kmol/hW=93.756kmol/h熱量衡算1.3 原料熱量衡算查Aspen物性數據庫的t = 40 水和正丁醇定壓比熱容：Cp水 = 71.056 kJ/kmolK CpC4H9OH=215.059 kJ/kmo

5、lKQ1 = =156.260.4215.059(313.15-293.15) +156.260.671.056(313.15-293.15) =112kw1.4 塔塔頂冷卻器熱量衡算查Aspen的冷卻器的結果得到在93 冷卻到40 過程中：Q2 = 1899.1227kw1.5 塔塔釜再沸器熱量衡算查Aspen物性數據庫水和正丁醇在117.6 的汽化潛熱： rC4H9OH= 43090.92 kJ/kkmol r水 = 39945.5 kJ/kmolQ3 = =62.50443090.92=748.154kW1.6 塔塔釜再沸器熱量衡算查Aspen物性數據庫水和C4H9OH在99.8 的汽化

6、潛熱：r水 = 40813.26 kJ/kmol rC4H9OH = 45256.62 kJ/kmolQ4 = = 0.99993.75640813.26 + 0.00193.75645256.62 = 1063.03 kW1.7 分層器的熱量衡算Q5 =7.33kW1.8 物料裝置帶出的熱量查Aspen物性數據庫水和C4H9OH在27 的定壓比熱容：Cp水 = 3.86 kJ/kgK CpC4H9OH = 2.814 kJ/kgKQ6 = =4631.3312.814（303.15-298.15）+ 1694.6493.86（303.15-298.15） =27.2 kW1.9 系統熱量衡算

7、Q加 = Q移 + Q損外界向系統提供的熱量- Q加物料離開系統帶走的熱量- Q移系統損失的熱量- Q損Q加 = Q1 + Q3 + Q4 + Q5= 112+748.154+1063.03+7.33=1930.514kwQ移 = Q2 + Q6 =1899.1227+27.2=1926.3227kwQ損= Q加 + Q移 =1930.5141926.3227=4.1913kw 3精餾塔的設計3.1精餾塔的工藝計算（1） 塔板數NT 最小回流比及操作回流比的確定利用Aspen工程軟件中的精餾捷算模塊（DSTWU）模擬出雙塔精餾5萬噸/正丁醇脫水工藝，使塔頂與塔釜產品的質量分數都達到99.9%。

8、 理論板數求取用Aspen工程軟件中的嚴格計算的模塊（RadFrac）建立雙塔精餾的連續流程，調整各塔的塔板數、進料板位置、塔壓、板壓降和各塔塔頂餾出流量來實現兩個塔的塔頂產品與最終塔釜產品的質量分數達到99.9%。并實現塔之間冷凝放熱與再沸需熱的熱集成。得出理論板數：塔 總理論板數 NT =7(包括再沸器) NF = 1 塔 總理論板數 NT =5(包括再沸器) NF =1 實際板數的求取全塔效率為50%塔 提餾段實際板數 N提 =7/0.5 =14塔 提餾段實際板數 N提 = 5/0.5 =10 (2)精餾塔的工藝條件及相關物性數據的計算 操作壓力計算塔 塔頂操作壓力 PD1 =101.3

9、25 kPa 進料板壓力 PF1 = 101.325kPa 塔釜操作壓力 PW1 = 101.325 kPa 精餾段操作壓力 P精1 =101.325 kPa 提餾段操作壓力 P提1=101.325kPa塔 塔頂操作壓力 PD2 = 101.325 kPa 進料板壓力 PF2 = 101.325 kPa 塔釜操作壓力 PW2 = 1101.325Pa 精餾段操作壓力 P精2 = 101.325 kPa 提餾段操作壓力 P提2= 101.325 kPa 操作溫度計算塔 塔頂溫度 tD1 =366.103 K 進料板溫度 tF1 = 366.103 K 塔釜溫度 tW1 = 390.74 K 精餾

10、段平均溫度 t精1 = 366.103 K 提餾段平均溫度 t提1= 378.42K塔 塔頂溫度 tD2 = 365.59 K 進料板溫度 tF2 = 365.59 K 塔釜溫度 tW2 =372.61 K 精餾段平均溫度 t精2 = 365.59 K 提餾段平均溫度 t提2= 369.1K 平均摩爾質量計算塔 塔頂平均摩爾質量 MVD1 = 0.24574 + (1-0.245) 18 = 31.72 kg/kmolMLD1 = 0.46174 + (1-0.461) 18 = 43.816 kg/kmol進料板平均摩爾質量MVF1 = 0.24574 + (1-0.245) 18 = 31

11、.72 kg/kmol MLF1 =0.46174 + (1-0.461) 18 = 43.816 kg/kmol塔釜平均摩爾質量 MVD1 = 0.99674 + (1-0.996) 18 = 73.77 kg/kmolMLD1 = 0.9994674 + (1-0.99946) 18 = 73.97 kg/kmol精餾段平均摩爾質量MV精1 =31.72 kg/kmolML精1 = 43.648 kg/kmol提餾段平均摩爾質量MV提1 = = 52.745 kg/kmolML提1 = = 58.9 kg/kmol塔 塔頂平均摩爾質量 MVD2 =0.25874 + (1-0.258) 1

12、8 = 32.448 kg/kmolMLD2 = 0.039574 + (1-0.0395) 18 = 20.212 kg/kmol進料板平均摩爾質量 MVD2 =0.25874 + (1-0.258) 18 = 32.448 kg/kmolMLD2 = 0.039574 + (1-0.0395) 18 = 20.212 kg/kmol塔釜平均摩爾質量 MVD2 = 0.020774 + (1-0.0207) 18 = 19.16kg/kmolMLD2 = 0.0010774 + (1-0.00107) 18 = 18.06 kg/kmol精餾段平均摩爾質量MV精2 =32.448kg/kmo

13、lML精2 = 20.212z kg/kmol提餾段平均摩爾質量MV提2 = = 25.44 kg/kmolML提2 = = 18.906 kg/kmol 平均密度計算塔 氣相密度 精餾段 V精1 = = = 1.056 kg/m3 提餾段 V提1 = = = 1.70 kg/m3液相平均密度塔頂液相密度 LD1 = 790.14 kg/m3進料板液相密度 LF1 = 790.14 kg/m3塔釜液相密度 L W1 = 715.55 kg/m3精餾段液相平均密度 L精1 =790.14 kg/m3提餾段液相平均密度 L提1 = = 752.845 kg/m3塔 氣相密度 精餾段 V精2 = =

14、 = 1.08 kg/m3 提餾段 V提2 = = = 0.84 kg/m3液相平均密度塔頂液相密度 LD2 = 895.230kg/m3進料板液相密度 LF1 = 895.230kg/m3塔釜液相密度 L W1 = 917.48 kg/m3精餾段液相平均密度 L精2 = 895.230 kg/m3提餾段液相平均密度 L提2 = = 906.355 kg/m3 液體表面張力塔 塔頂液相表面張力 LD1 = 40.65 mN/m 進料板液相表面張力 LF1 = 40.65mN/m 塔釜液相表面張力 LW1 =16.48mN/m 精餾段液相平均表面張力 L精1 = 40.65 mN/m提餾段液相平

15、均表面張力 L提1 = = 28.565 mN/m塔 塔頂液相表面張力 LD2 = 58.05 mN/m 進料板液相表面張力 LF2 = 58.05 mN/m 塔釜液相表面張力 LW2 = 58.27 mN/m 精餾段液相平均表面張力 L精2 =58.05 mN/m提餾段液相平均表面張力 L提2 = = 58.16 mN/m 液體平均粘度塔 塔頂液相粘度 LD1 = 0.41881 mPas 進料板液相粘度 LF1 =0.41881 mPas塔釜液相粘度 LW1 = 0.38907 mPas精餾段液相平均粘度 L精1 =0.41881 mPas提餾段液相平均粘度 L提1 = = 0.40394

16、 mPas塔 塔頂液相粘度 LD2 = 0.31316 mPas 進料板液相粘度 LF2 = 0.31316 mPas塔釜液相粘度 LW2 = 0.28137mPas精餾段液相平均粘度 L精2 = 0.31316 mPas提餾段液相平均粘度 L提2 = = 0.297235mPas3.2精餾塔的塔體工藝尺寸計算（1） 塔徑的計算塔精餾段的氣、液相體積流率為：V = (R+1)D = 2.7142.114= 383.71 kmol/hL = RD = 1.7142.114 = 241.6 kmol/hVs = = =3.202 m3/sLs = = =3.71 10-3 m3/s由化工原理下冊

17、式10-29umax = C取板間距HT = 0.3 m 板上液層高度 hL = 0.05 m查化工原理下冊圖10-42得 C20 = 0.06由化工原理下冊式10-28C = umax = C= 1.89m/s取安全系數為0.7，則空塔氣速為：U=0.7umax = 0.71.89 = 1.324 m/sD=按標準塔徑圓整后為：D = 1.8 m塔截面積：AT = 0.7851.82 =2.5434 m2u =塔 按塔的塔徑計算方法得出塔圓整后的塔徑：D = 1.8 m根據塔徑選取板間距HT = 0.3 m（2） 精餾塔有效高度的計算塔提餾段有效高度為： 在進料板上方留0.8m的空間，故精餾

18、塔的有效高度為： 塔提餾段有效高度為： 在進料板上方留0.8m的空間，故精餾塔的有效高度為： 3.3塔板主要工藝尺寸（1） 溢流裝置計算 因塔徑D =1.8 m ，科選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。 堰長 取溢流堰高度由，選用平直堰化工原理下冊 式10-34近似取，則=0.015m 所以選取齒形堰化工原理下冊 10-35設齒深 =0.017 m板上液層高度弓形降液管寬度和截面積由，查化工原理下冊 圖10-40得; 驗算液體正在降液管中停留時間，即：故設計合理 降液管底隙高度由化工原理課程設計式3-14選用凹形受液盤，深度（2） 塔板布置 塔板的分塊因D =1.8 m，故塔板不分塊 邊緣區

19、寬度確定取WS = WS = 0.065 m WC = 0.035 m 開孔面積計算 開孔面積按化工原理下冊 式10-34，即：其中故 =2.025 篩孔算及其排列本設計任務中的物系無腐蝕性，可選用= 3mm碳鋼板，取篩孔的直徑d0 =15 mm。篩孔按正三角形排列，取孔中心據t為：篩孔數目n為：開孔率為：氣體通過篩孔的氣速為：3.4篩板的流體力學驗算（1） 干板阻力hC計算干板阻力hC由化工原理課程設計 式3-26計算由 查化工原理下冊 圖10-45得C0=0.75 = 0.0295m（2） 氣體通過液層的阻力h1計算氣體通過液層的阻力h1由化工原理課程設計式3-31計算 = 1.33 m/

20、s查化工原理下冊 圖10-46得（3） 液體表面張力的阻力計算液體表面張力所產生的阻力由化工原理課程設計式3-34計算 = 0.001166 m氣體通過每層塔板的液柱高度hp = 0.06367 m氣體通過每層塔板的壓降為：3.5塔板負荷性能圖（1） 漏液線由化工原理課程設計式3-38 得： （2） 液沫夾帶線以為限，求關系如下：由化工原理課程設計式3-36 整理的：（3） 液相負荷下限線 取堰上液層高度，齒深0.15m得：（4） 液相負荷下限線以作為液體在降液管中停留時間的下限得:(5) 液泛線令 由 聯立得：忽略，將與，與，與的關系式帶入上式，并整理得：式中： =0.6 其中取0.45 =

21、0.65將相關的數據帶入整理，得：圖2 塔塔板負荷性能圖4設備選型4.1罐體選型（1） 原料罐原料罐以儲存5天的量計安全系數為0.8 則根據HG21502.1-92 鋼制圓筒形固定頂儲罐系列公稱容積 1000m3公稱直徑 11500mm公稱高度 10650mm（2） 塔釜產品罐產品以儲存1天的量計安全系數為0.8 則根據HG5-1579-85 立式儲罐公稱容積 200 m3公稱直徑 6550mm公稱高度 6500mm（3） 塔釜產品罐產品以儲存1天的量計安全系數為0.8 則根據HG5-1580-85 臥式儲罐公稱容積 63m3公稱直徑 2800mm公稱長度 9400mm4.2換熱設備（1） 原

22、料預熱器 確定物性數據（物性數據查Aspen物性數據庫）原料 飽和水蒸氣 水在130的相關物性密度 935.0kg/m3定壓比熱容 導熱系數 粘度 汽化潛熱 2182 kJ/kg 計算總傳熱系數熱流量 =112kw平均傳熱溫度 蒸汽用量 傳熱面積假設傳熱系數傳熱面積考慮15%的面積裕度 工藝結構尺寸的計算化工原理換熱器系列標準（JB/T 4714-92，JB/T 4715-92）換熱管為19mm的換熱器基本參數(管心距25mm)公稱直徑DN/mm 219公稱壓力PN/MPa 1.6管程數N 1管子根數n 33中心排管數 7管程流通面積/m2 0.0058換熱管長度L/mm 1500計算換熱面積

23、/m2 2.8折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為 ，故可取取折流板間距，則，故B取100mm折流板數（2） 塔塔釜再沸器熱流體 93117.6冷凝水 140140 設 考慮15%的裕度面積 化工原理換熱器系列標準（JB/T 4714-92，JB/T 4715-92）換熱管為19mm的換熱器基本參數(管心距25mm)公稱直徑DN/mm 325公稱壓力PN/MPa 4管程數N 4管子根數n 68中心排管數 11管程流通面積/m2 0.0030換熱管長度L/mm 6000計算換熱面積/m2 23.9蒸汽用量流量（3） 塔塔頂冷卻器熱流體 9340冷凝水

24、2530 設 考慮15%的裕度面積 化工原理換熱器系列標準（JB/T 4714-92，JB/T 4715-92）換熱管為19mm的換熱器基本參數(管心距25mm)公稱直徑DN/mm 400公稱壓力PN/MPa 0.6管程數N 4管子根數n 146中心排管數 14管程流通面積/m2 0.0065換熱管長度L/mm 4500計算換熱面積/m2 38.3冷凝水流量（4） 塔塔釜再沸器熱流體 92.899.8塔釜液 120120 設 考慮15%的裕度面積 化工原理換熱器系列標準（JB/T 4714-92，JB/T 4715-92）換熱管為19mm的換熱器基本參數(管心距25mm)公稱直徑DN/mm 3

25、25公稱壓力PN/MPa 1.6管程數N 1管子根數n 99中心排管數 11管程流通面積/m2 0.0175換熱管長度L/mm 6000計算換熱面積/m2 34.9蒸汽用量流量4.3 泵的選型（1）原料泵原料的體積流量 揚程 查化工原理IS型單級單吸離心泵性能表IS型單級單吸離心泵型號 IS50-32-125轉速n/(r/min) 1450流量m3/s 7.5揚程H/m 4.6效率/% 55軸功率kW 0.17電機功率kW 0.55必需汽蝕余量(NPSH)r/m 2.5質量(泵/底座)/kg 32/38（4） I塔塔釜產品泵液體的體積流量 揚程 查化工原理IS型單級單吸離心泵性能表IS型單級單

26、吸離心泵型號 IS50-32-125轉速n/(r/min) 1450流量m3/s 7.5揚程H/m 4.6效率/% 55軸功率kW 0.17電機功率kW 0.55必需汽蝕余量(NPSH)r/m 2.5質量(泵/底座)/kg 32/38(7) II塔塔釜產品泵體的體積流量 查化工原理IS型單級單吸離心泵性能表IS型單級單吸離心泵型號 IS50-32-125轉速n/(r/min) 1450流量m3/s 3.75揚程H/m 5.4效率/% 43軸功率kW 0.13電機功率kW 0.55必需汽蝕余量(NPSH)r/m 2.0質量(泵/底座)/kg 32/385管徑計算與選型（摘自GB8163-88）5

27、.1物料管道的計算和選型（1） 原料輸送管道設計管內物質的流速：管內的體積流量V確定管徑：選型：382.5無縫鋼管（2） 塔的物料管道 I塔塔頂蒸汽出料管設計管內物質的流速：管內的體積流量V確定管徑：選型：1905無縫鋼管 I塔塔釜出料管道設計管內物質的流速：管內的體積流量V確定管徑：選型：542.5無縫鋼管 塔進料管道設計管內物質的流速：管內的體積流量V確定管徑：選型：382.5無縫鋼管（3）物料管道II塔釜出料管道設計管內物質的流速：管內的體積流量V確定管徑：選型：322.5無縫鋼管II塔物料管道設計管內物質的流速：管內的體積流量V確定管徑：選型：322.5無縫鋼管II塔頂出料管道設計管內物質的流速：管內的體積流量V確定管徑：選型：733無縫鋼管（4）I塔的冷卻器出料管道設計管內物質的流速：管內的體積流量V確定管徑：選型：383無縫鋼管1國家醫藥管理局上海醫藥設計院編.化工設計手冊M.上下冊.2版.北