甲醇水分离过程填料精馏塔设计.docx

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甲醇水分离过程填料精馏塔设计

苏州大学材料与化学化工学部

化工原理课程设计

题目甲醇——水分离过程填料精馏塔设计

专业班级09级化学工程与工艺

学生姓名

学生学号

指导教师

2012年9月

第一章设计任务书

1.1设计题目

设计题目：

甲醇—水分离过程填料精馏塔的设计

设计要求：

年产纯度为>=99.7%的甲醇3.2万吨，塔底馏出液中含甲醇不得高于0.5%，原料液中含甲醇46%，水54% 。

1.2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）塔底加热蒸气压力0.3Mpa（表压）

1.3填料类型

因废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，以便于定期拆卸和清洗。

填料类型和规格自选

1.4工作日

每年工作日为300天，每天24小时连续运行。

1.5厂址

厂址为宁夏地区

1.6设计说明书的内容

（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计算；

（5）填料层压降的计算；

（6）液体分布器的简要设计；

（7）主要工艺接管尺寸的计算和选取

（8）绘制工艺流程图

（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

第二章设计原则

2.1确定设计方案的原则

确定设计方案总的原则是在可能的条件下，尽量采用科学技术上的最新成就，使生产达到技术上最先进、经济上最合理的要求，符合优质、高产、安全、低消耗的原则。

必须具体考虑如下几点：

2.1.1满足工艺和操作的要求

⑴首先必须保证产品达到任务规定的要求，而且质量要稳定。

这就要求各流体流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定，从而需要采取相应的措施。

⑵其次所定的设计方案需要有一定的操作弹性，各处流量应能在一定范围内进行调节，必要时传热量也可进行调整。

因此，在必要的位置上要装置调节阀门，在管路中安装备用支线。

计算传热面积和选取操作指标时，也应考虑到生产上的可能波动。

再其次，要考虑必需装置的仪表（如温度计、压强计，流量计等）及其装置的位置，以便能通过这些仪表来观测生产过程是否正常，从而帮助找出不正常的原因，以便采取相应措施。

2.1.2满足经济的要求

要节省热能和电能的消耗，减少设备及基建费用。

如前所述在蒸馏过程中如能适当地利用塔顶、塔底的废热，就能节约很多生蒸汽和冷却水，也能减少电能消耗。

同样，回流比的大小对操作费和设备费也有很大影响。

降低生产成本是各部门的经常性任务，因此在设计时，是否合理利用热能，采用哪种加热方式，以及回流比和其他操作参数是否选得合适等，均要作全面考虑，力求总费用尽可能低一些。

而且，应结合具体条件，选择最佳方案。

2.1.3满足安全生产的要求

例如甲醇属易燃有毒物料，不能让其蒸汽弥漫车间，也不能使用容易发生火花的设备。

又如，塔是指定在常压下操作的，塔内压力过大或塔骤冷而产生真空，都会使塔受到破坏，因而需要安全装置。

以上三项原则在生产中都是同样重要的。

但在化工原理课程设计中，对第一个原则应作较多的考虑，对第二个原则只作定性的考虑，而对第三个原则只要求作一般的考虑。

2.2精馏操作对塔设备的要求和类型

2.2.1　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。

2.2.2　填料塔类型

本次设计采用填料塔精馏。

精馏是气液两相之间的传质过程，而传质过程是由能提供气液两相充分接触的塔设备完成，并要求达到较高的传质效率。

根据塔内气液接触部件的结构型式，可分为板式塔与填料塔两大类。

板式塔内设置一定数量塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上液层进行质量、热量传递，气液相组成呈阶梯变化，属于逐级接触逆流操作过程。

填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶填料表面下流，气体逆流而上，（也有并流向下者）与液相接触进行质量、热量传递,气液相组成沿塔高连续变化,属于微分接触操作过程.

工业对塔设备的主要要求：

①生产能力大；②传质、传热效率高；③气流的摩擦阻力小；④操作稳定，适应性强，操作弹性大；⑤结构简单、材料耗用量少；制造安装容易，操作维修方便。

此外还要求不易堵塞、耐腐蚀等。

实际上，任何塔设备都难以满足上述要求，因此，设计者应根据塔型特点、物系性质、生产工艺条件、操作方式、设备投资、操作与维修费用等技术经济评价以及设计经验等因素，依矛盾的主次，综合考虑，选择适宜的塔型。

第三章设计步骤

3.1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。

3.2确定设计方案

本设计任务为分离甲醇——水混合物。

对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。

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。

塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分加回流至塔内，其余部分经产品冷却器后送至储罐。

塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。

第四章填料塔的工艺计算

1.精馏塔的物料衡算

计算过程

备注

1.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率

甲醇的摩尔质量：

MA=32.04kg/kmol

水的摩尔质量:

MB=18.02kg/kmol

XF=（0.46/32.04）/[0.46/32.04+0.54/18.02]=0.324

XD=（0.997/32.04）/[0.997/32.04+0.003/18.02]=0.995

XW=（0.005/32.04）/（0.005/32.04+0.995/18.02）=0.0028

1.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量

MF=0.324*32.04+（1-0.324）*18.02=22.56kg/kmol

MD=0.995*32.04+（1-0.995）*18.02=31.97kg/kmol

MW=0.0028*32.04+（1-0.0028）*18.02=18.059kg/kmol

1.3物料衡算

废甲醇溶媒的处理量为3.2W吨/年，

原料处理：

F=3.2*10^7/300*24*22.56=197Kmol/h

总物料衡算:

197=D+W

甲醇物料衡算:

197*0.324=0.995D+0.0028W

解得:

D=63.85kmol/h

W=133.37kmol/h

化工原理（第二版）下（高等教育出版社天津大学化工学部柴诚敬主编）P100-101

2.塔板数的确定

2.1.2求最小回流比及操作回流比

泡点进料，q值为1，

采用作图法求最小回流比:

在x-y图中对角线上,自点e（0.324,0.324）作垂线即为进料线.该线与平衡线的交点坐标:

yq=0.682，xq=0.327.

故最小回流比;

Rmin=（xD–yq）/（yq–xq）=（0.995-0.682）/（0.682-0.324）=0.85

R=（1.1~2.0）Rmin,故取操作回流比:

R=1.5

化工原理（第二版）下（高等教育出版社天津大学化工学部柴诚敬主编）P109~113

2.1.3求精馏塔的气液相负荷

L=R*D=1.5*63.85=95.775kmol/h

V=（R+1）*D=L+D=159.625kmol/h

L’=L+F=95.775+167=262.775kmol/h

V’=V=159.625kmol/h

气相组成:

y1=0.995液相组成:

x1=0.992

精溜段的操作线方程为y=0.6x+0.398

提溜段的操作线方程为y’=1.65x-0.002

化工原理（第二版）下（高等教育出版社天津大学化工学部柴诚敬主编）P101~103

2.1.4采用图解法求理论板数

如图所示

由图求解结果为：

总理论板数:

NT=11进料位置为:

NF=8.

绘出甲醇-水的气液平衡数据作t-x图,查得:

塔顶温度:

t=64.8℃

塔釜温度:

t=99.6℃

进料温度:

t=76.5℃

精馏段的平均温度为tm=（64.8+76.5）/2=70.65℃

提留段的平均温度为t’m=（99.6+76.5）=88.05℃

化工原理（第二版）下（高等教育出版社天津大学化工学部柴诚敬主编）P105-109

3.精馏塔的工艺条件及物性数据的计算

3.1工艺条件

塔顶压力:

P=101.3+4=105.3Kpa.

塔顶温度:

t=64.8℃

塔釜温度:

t=99.6℃

进料温度:

t=76.5℃

3.2平均摩尔质量

塔顶平均摩尔质量:

XD=y1=0.995.由曲线（X-Y图）得:

X1=0.992.

MVDm=0.995*32.04+（1-0.995）*18.02=31.97kmol/h

MLDm=0.992*32.04+（1-0.992）*18.02=31.93kmol/h

进料板层平均摩尔质量:

查X-Y图得:

YF=0.545.XF=0.17.

MVF=0.545*32.04+（1-0.545）*18.02=25.66kmol/h

MLF=0.17*32.04+（1-0.17）*18.02=20.40kmol/h

塔底平均摩尔质量:

XW=0.0028.YW=0.014

MVW=0.014*32.04+（1-0.014）*18.02=18.22kmol/h

MLW=0.0028*32.04+（1-0.0028）*18.02=18.06kmol/h

精馏段平均摩尔质量:

MVJ=（M+M）/2=（31.97+25.66）/2=28.815kmol/h

MLJ=（M+M）/2=（31.90+22.40）/2=26.165kmol/h

提馏段的平均摩尔质量

Mvt=（25.66+18.22）/2=21.94kmon/h

Mlt=（20.40+18.06）/2=19.23kmol/h

3.3平均密度计算

（1）.气相平均密度:

ρv,m=

（PmMVJ）/RTm=（101.3*28.815）/[8.314*（70.65+273.15）]=1.02kg/m3

提留段的蒸汽密度：

ρY，m=Mv，wPm/[R（T0+tT）]

=（101.3*21.94）/[8.314*（273.15+88.05）]=0.74kg/m3

（2）.液相平均密度计算:

液相平均密度依下列式计算:

1/ρlm=∑αi/ρi

塔顶液相平均密度计算:

由t=64.8℃查手册得:

ρ甲醇=753kg/m3ρ水=981kg/m3

ρlDm=1/[（0.995/753）+（0.005/977）]=756.8kg/m3

进料板液相平均密度:

由t=76.5℃,查手册得:

ρ甲醇=739kg/m3ρ水=973kg/m3

进料板液相的质量分率：

a甲醇=0.17*32.04/[（0.17*32.04）+（0.83*18.02）]=0.2352

ρlFm=1/[（0.267/739）+（0.733/973）]=897.15kg/m3

手册得在99.6℃时水的密度为：

ρ水=958kg/m3ρ甲醇=714kg/m3

ρlWm=1/[（0.003/714）+（0.997/958）]=961.28kg/m3

精馏段液相平均密度为:

ρlJ=（756.8+897.15）/2=826.97kg/m3

提留段液相平均密度：

ρlT=（897.15+961.28）/2=929.215kg/m3

化工原理（第二版）上（高等教育出版社天津大学化工学部柴诚敬主编）P9~10

3.4液体平均表面张力计算

液相平均表面张力依下式计算:

δ=∑xi/δi

塔顶液相平均表面张力的计算:

由t=64.8℃查手册得:

σH2O=64.96mN/mσCH3OH=16.58mN/m

δlDm=0.995*16.58+0.005*64.9=16.8216mN/m

进料板液相表面张力的计算:

由t=76.5℃查手册得:

σ甲醇=15.61mN/mσ水=63.8mN/m

σlFm=0.17*15.61+0.83*62.8=54.777mN/m

塔釜液体的表面张力接近水的表面张力，

由t=99.6℃查手册得：

σ水=58.9mN/mσ甲醇=13.01mN/m

σlwm=13.01*0.003+0.997*58.9=58.76mN/m

精馏段液相平均表面张力为:

σlT=（16.8216+54.777）/2=38.50mN/m

提留段液体平均表面张力为：

σlT=（58.76+54.777）/2=56.77mN/m

化工原理（第二版）上（高等教育出版社天津大学化工学部柴诚敬主编）P13~16

3.5液体平均粘度计算

液相平均粘度依下式计算,即:

lgμm=∑xilgμi

塔顶液相平均表面张力的计算:

由t=64.8℃查手册得：

μ甲醇=0.320mpasμ水=0.4355mpas

lgμlDm=0.995*lg0.32+0.005*lg0.4355

解出：

μlDm=0.3205mpas

进料板液相平均粘度的计算：

由t=76.5℃查手册得：

μ甲醇=0.272mpasμ水=0.3478mpas

lgμlFm=0.17*lg（0.272）+0.83*lg（0.3573）

解出：

μlDm=0.3336mpas

塔釜液体的粘度，由t=99.6℃查手册得：

μ甲醇=0.2280mpasμ水=0.2838mpas

lgμlwm=0.003*lg（0.2280）+0.997*lg（0.2838）

μlWm=0.284mpas

精馏段液相平均粘度为：

μlJ=（0.3573+0.3205）/2=0.3389mpas

提留段液相平均粘度为：

μlT=（0.284+0.3573）/2=0.3207mpas

化工原理（第二版）上（高等教育出版社天津大学化工学部柴诚敬主编）P11~13

4.精馏塔的塔体工艺尺寸计算

4.1塔径的计算

采用气相负荷因子法计算适宜的空塔气速

4.1.1精馏段塔径计算

L=95.775kmol/hV=159.625kmol/h

液相质量流量WL=95.775*31.93=3058.10kg/kmol

气相质量流量WV=159.625*31.97=5103.21kg/kmol

Eekert通用关联图的横坐标为：

ψ（WL/Wv）/（ρv/ρL）0.5

=（2090.57/3491.92）*（0.8086/756.8）0.5=0.02

由贝恩—霍根关联式填料的泛点气体速度可由贝恩—霍根关联式计算得

lg[（u0.2Fatρvμ0.2L）/（gξ3ρL）]=A-K（WL/WV）1/4（ρv/ρL）1/8

查表得：

A=0.1K=1.75a=109ξ=0.96

解得uF=4.1852m/s安全系数取0.8

u=0.8uF=0.8*4.1852=3.35m/s

D=（4qv,v/∏u）0.5=[4*1.1995/3.14*3.738]=0.675m圆整为700mm

此时，u=1.995*4/∏D2=（4*1.1995）/（3.14*0.7*0.7）=3.12m/s

u/uF=3.12/4.1852=0.75，在允许范围内

化工原理（第二版）下（高等教育出版社天津大学化工学部柴诚敬主编）P101~105

化工原理课程设计（天津大学出版社柴诚敬主编）P156~157

4.1.2提溜段的塔径计算：

L’=262.775kmol/hV’=159.625kmol/h

液相质量流量W’L=262.775*18.06=4745.72kg/kmol

气相质量流量W’V=159.625*18.22=2908.37kg/kmol

lg[（u0.2Fatρvμ0.2L）/（gξ3ρL）]=A-K（W’L/W’V）1/4（ρv/ρL）1/8

查表得：

A=0.1K=1.75a=109ξ=0.96

umax=4.80m/s,u=0.8umax=3.84m/s

D=（4qv,v/∏u）0.5=0.631m

液体喷淋密度校核，

精馏段的液体喷淋密度为

U=（3058.10/826.97）/（0.785*0.49）=9.614m3/（m2·h）>0.2m3/（m2·h）

精馏段的空塔速度为

u=（5103.21/1.02）/（0.785*0.49*3600）=3.613m/s

提馏段的液体喷淋密度为

U=（4745.72/929.215）/（0.785*0.49）=13.28m3/（m2·h）>0.2m3/（m2·h）

提馏段的空塔速度为

u=（2908.37/0.74）/（0.785*0.49*3600）=2.838m/s

4.2填料层高度计算

Z=HETP*NT.

精馏段的高度为：

Ln（HETP）=h-1.292lnδl+1.47lnμlHETP=0.93726

查表有:

精馏段填料层高度为：

h=7*0.9067=6.56m

Z′精=1.25*6.56=8.20m

提留段填料层高度为：

Z提=4*0.4764=2.02m

Z′提=1.25*2.02=2.382m

设计取精馏段填料层高度为9m,提留段填料层高度为3m

对于金属鲍尔环散装填料,要求h/D=5～10.hmax≤6m.

取h/D=6,则h=5*700=3500mm

化工原理（第二版）下（高等教育出版社天津大学化工学部柴诚敬主编）P73-78

5.填料层压降计算

金属鲍尔环散装填料

采用Eckert通用关联图计算填料层压降.

（u2ФΨ/g）*（ρv/ρL）μ0.2L

=[3.122*160*（ρ水/ρL）/9.81]（1.02/756.8）*0.3320.2=0.1185

查图有,横坐标为:

（Wl/Wv）（ρv/ρl）0.5=0.02.

△P/Z=80*9.81=784.8Pa/m.

精馏段填料层压降为:

ΔP精=784.8*9=7.063KPa

提留段填料层压降为:

△P/Z=25*9.81=245.25Pa/m

Δ提馏段的P提=245.25*3=0.735KPa

填料层总压降为:

ΔP=7.063+0.735=7.8KPa

6.液体分布器简要设计

散装填料，D=700mm，分布点密度选180点/m2

布点个数n=0.745*180*0.7*0.7=69.237≈70点。

按分布点几何均匀与流量均匀原则，进行布点设计。

设计结果：

二级槽共设5道，在槽侧面开孔，槽宽60mm，两槽中心距120mm，分布点采用三角形排列，实际设计布点70，如图所示：

布液计算由Ls=（π/4）d02nΦ（2g△H）0.5

Φ取0.6，△H=160mm.

得d0=[4Ls/πnΦ√2g△H）]0.5

解d0=0.0032mm,取d0=3.2mm.

化工原理（第二版）下（高等教育出版社天津大学化工学部柴诚敬主编）P80-81

化工原理课程设计（天津大学出版社柴诚敬主编）P154

7.精馏塔接管尺寸计算

7.1，出料口的计算

WV=159.625*31.97=5103.21kg/kmol

qv,s=WV/ρ=（5103.21/3600）/1.02=1.390kg/m3

饱和蒸汽进料，蒸汽速度一般28~35m/s,选u=30m/s,

d=（4qv,s/πu）0.5=（4*1.390/3.14*30）0.5=0.201m=243mm.

由化工原理上册附录十七与十八，查得，选用Φ245mmx6.5mm的无缝钢管，其内径di=（245-2*6.5）=232mm,重新核算速度，

u=[4*1.390/（3.14*0.232*0.2320]=32.90m/s符合

7.2,回流管径的计算

qv,s=Wl/ρ=（3058.10/3600）/756.8=1.122*10^-3kg/m3

重力回流，速度一般在0.8~1.5m/s,选u为1m/s

d=（4*1.122*10^-3/∏u）^0.5=0.0378

选用Φ38mmx3mm的无缝钢管,内径di=（38-2*3）=32mm,

u=[4*1.122*10^-3/（3.14*0.032*0.032）]=1.396m/s符合

化工原理课程设计（天津大学出版社柴诚敬主编）P156~157

7.3,进料口的管径的计算

ρ=897.15kg/m3,质量流量Wl=4745.72kg/h

qv,s=（4745.72/3600）/897.15=1.47x10-3。

由泵输送一般在0.5~1.5m/s，进料口u选1.5m/s

d=（4qv,s/πu）0.5=0.0353m,选用Φ50mmx3mm的无缝钢管。

u=[4*1.47x10-3/（3.14*0.044*0.044*）]=0.97m/s符合

7.4，出料口的管径的计算。

qm,s=133.37*18.06=2408.66kg/h，qv,s=（qm,s/3600）/897.15=7.46*10^-4m3/s。

出料速度一般在1.5~2.5m/s，u选1.5m/s，

d=（4qv,s/1.5π）0.5=25.17mm,选用Φ27mmx3mm的无缝钢管。

u=[4*7.46x10-4/（3.14*0.021*0.021）]=2.15m/s符合。

7.5．筒体厚度

内最大有3个大气压，内径Di=700mm,Pc=0.3MPa，

材料Q235C，[σ]t=125Mpa,Ф=0.8（局部无损检测，单面焊接）

计算厚度δ=（PcDi）/[2[σ]tΦ-Pc]=（0.