甲醇-水分離過(guò)程填料精餾塔設(shè)計(jì).doc

化工原理課程設(shè)計(jì) 起止時(shí)間2010年12月27日2011年1月7日 題 目甲醇-水分離過(guò)程填料精餾塔設(shè)計(jì) 學(xué)院名稱 核資源與核燃料工程學(xué)院 學(xué)生姓名 林江平 班 級(jí) 核 化082 指導(dǎo)教師 肖志海 職 稱 副教授 院 長(zhǎng) 譚 凱 旋 2010年12月27日甲醇水分離過(guò)程填料精餾塔設(shè)計(jì)目 錄 一，設(shè)計(jì)任務(wù).3 二，中英文摘要.4 三，前 言.5 四，設(shè)計(jì)方案的確定.6 五， 設(shè)計(jì)計(jì)算.8 1,精餾塔的物料衡算.8 2,塔板數(shù)的確定.8 3,精餾塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)的計(jì)算.10 4,精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算.11 5,填料層壓降計(jì).13 6，設(shè)計(jì)一覽表.13 六，設(shè)計(jì)過(guò)程心得.14 七，參考文獻(xiàn).16一 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)1處理量：8000 （噸/年） 2. 料液濃度：45 （wt%）3產(chǎn)品濃度：98 （wt%） 4易揮發(fā)組分回收率：99.55每年實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間：7200小時(shí)/年 6操作條件 1） 塔頂壓力： 4KPa（表壓） 2） 進(jìn)料熱狀況：飽和液體進(jìn)料 3） 回流比： 4 4） 塔底加熱蒸汽壓力： 0.3MPa（表壓） 7. 填料類型： 金屬階梯環(huán)填料 8設(shè)計(jì)內(nèi)容 a） 精餾塔的物料衡算； b） 塔板數(shù)的確定； c） 精餾的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算； d） 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算； e） 填料層壓降計(jì)算；f） 繪制生產(chǎn)工藝流程圖； g） 繪制精餾塔設(shè)計(jì)條件圖； h） 對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的評(píng)述和有關(guān)問(wèn)題的討論。 甲醇水溶液汽液相平衡數(shù)據(jù)（摩爾） x y x y x y0.00 0.0000.15 0.5170.70 0.8700.02 0.134 0.20 0.579 0.80 0.9150.40 0.2340.30 0.6650.90 0.9580.60 0.3040.40 0.7290.95 0.9790.80 0.3650.50 0.7791.00 1.0000.10 0.4180.60 0.825甲醇水分離過(guò)程填料精餾塔設(shè)計(jì)林江平（南華大學(xué)核資源與核燃料工程學(xué)院，衡陽(yáng)，421001）摘要：本設(shè)計(jì)對(duì)甲醇水分離過(guò)程填料精餾塔裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行了以下工作：1、對(duì)主要生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行了選擇和確定。2、對(duì)生產(chǎn)的主要設(shè)備填料塔進(jìn)行了工藝計(jì)算設(shè)計(jì),其中包括：精餾塔的物料衡算；塔板數(shù)的確定；精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算；精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算；填料層壓降的計(jì)算。3、繪制了生產(chǎn)工藝流程圖和精餾塔設(shè)計(jì)條件圖。4、對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了討論和評(píng)述。本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明、合理，能滿足生產(chǎn)工藝的需要，有一定應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵字：甲醇水；分離過(guò)程；精餾塔 The Design of Filled-Fractionating Tower about the Separating Process of Methyl Alcohol-Waterlinjiangping ( College of nuclear chemistry and nuclear fuel Engineering,Nanhua University,Hengyang,421001) Director: xiaozhihai Abstract: The design of a continuous distillation filled-rectification column, in the material, product requirements and the main physical parameters and the tower plank number and to determine the size, process design . And production craftwork flow chart and design condition chart of the rectification tower has been drawn, completion of the methyl -water distillation process and equipment design theme. The design is concise and reasonable, and can satisfy the request of the craftwork. It has the applied value.Keyword: methyl -alcohol separating process fractionating tower design三 前言1 混合物的分離是化工生產(chǎn)中的重要過(guò)程。蒸餾是分離液體混合物的典型單元操作。它是通過(guò)加熱造成氣液兩相物系，利用物系中各組分的揮發(fā)度不同的特性以實(shí)現(xiàn)分離目的。填料塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壓降小，填料易用耐腐蝕材料制造。過(guò)去，由于填料本體及塔內(nèi)構(gòu)件不夠完善，填料塔大多局限于處理腐蝕性介質(zhì)或不適宜安裝塔板的小直徑塔。近年來(lái)，由于填料結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和新型高效、高負(fù)荷填料的開(kāi)發(fā)，既提高了塔的通過(guò)能力和分離效率，又保持了壓力降小及性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，因此，填料塔已經(jīng)被推廣到許多大型氣液傳質(zhì)的操作中。 精餾塔操作的基本要求是在連續(xù)定態(tài)和最經(jīng)濟(jì)的條件下處理更多的原料液，達(dá)到預(yù)定的分離要求或組分的回收率，即在允許范圍內(nèi)采用較小的回流比和比較大的再沸器傳熱量。所以在設(shè)計(jì)精餾塔的過(guò)程中，必須保持精餾定態(tài)操作的條件如：塔壓穩(wěn)定；進(jìn)、出塔系統(tǒng)的物料量平衡和穩(wěn)定；進(jìn)料組成和熱狀況穩(wěn)定；回流比恒定；再沸器和冷凝器的傳熱條件穩(wěn)定；塔系統(tǒng)與環(huán)境間散熱穩(wěn)定等。填料塔操作時(shí)，液體自塔上部進(jìn)入，通過(guò)液體分布裝置均勻淋灑于填料層上，繼而沿填料表面緩慢下流。氣體自塔下部進(jìn)入，穿過(guò)柵板沿著填料間隙上升。這樣,氣液兩相沿著塔高在填料表面與填料自由空間連續(xù)逆流接觸，進(jìn)行傳質(zhì)和傳熱。 甲醇-水屬于難分離物系，選用填料精餾塔的分離效率較高，容易滿足生產(chǎn)要求。四 設(shè)計(jì)方案的確定本設(shè)計(jì)任務(wù)為：分離甲醇-水混合物。對(duì)于二元混合物的分離，一般采用連續(xù)精餾流程。精餾是分離液體混合物最常用的一種操作，它通過(guò)汽、液兩相的直接接觸，利用組分揮發(fā)度的不同，使易揮發(fā)組分由液相向汽相傳遞，難揮發(fā)組分由汽相向液相傳遞，是汽、液兩相之間的傳質(zhì)過(guò)程。精餾對(duì)塔設(shè)備的要求大致包括：1，生產(chǎn)能力大，即單位塔截面可通過(guò)較大的汽、液相流率，不會(huì)產(chǎn)生液泛等不正常流動(dòng)。2，效率高，汽、液兩相在塔內(nèi)流動(dòng)時(shí)能保持充分的密切接觸，具有較高的塔板效率或較大的傳質(zhì)速率。3，流動(dòng)阻力小，流體通過(guò)塔設(shè)備的阻力降小，可以節(jié)省動(dòng)力費(fèi)用，在減壓操作時(shí)易于達(dá)到要求的真空度。4，有一定的操作彈性，當(dāng)汽、液相流率有一定的波動(dòng)時(shí)，兩相均能維持正常的流動(dòng)，且不會(huì)使效率產(chǎn)生較大的變化。5，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，安裝檢修方便。6，能滿足物性每些工藝特性，如腐蝕性、熱敏性、氣泡性等特殊要求。設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過(guò)預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送入精餾塔內(nèi)。甲醇常壓下的沸點(diǎn)為64.7，故可采用常壓操作。用30的循環(huán)水進(jìn)行冷凝。塔頂上升蒸汽用全冷凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷凝器冷卻后送至儲(chǔ)槽。因所分離物系的重組分為水，故選用直接蒸汽加熱方式，釜?dú)堃褐苯优欧拧＜状?水物系分離難易程度適中，氣液負(fù)荷適中。設(shè)計(jì)中選用金屬散裝階梯環(huán)Dn50填料。因廢甲醇溶液中含有少量的藥物固體微粒，應(yīng)選用金屬散裝填料，以便定期拆卸和清洗。階梯環(huán)是對(duì)鮑爾環(huán)的改進(jìn)。與鮑爾環(huán)相比，階梯環(huán)高度減少一半，并在一端增加了一個(gè)錐型翻邊。由于高經(jīng)比減少，使的氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短，減少了氣體通過(guò)填料層的阻力。錐型翻邊不僅增加了填料的機(jī)械強(qiáng)度，而且使填料之間由線接觸為主變?yōu)辄c(diǎn)接觸為主，這樣不但增加了填料間的空隙，同時(shí)成為液體沿填料表面流動(dòng)的匯集點(diǎn)，可以促進(jìn)液膜的表面更新，有利于傳質(zhì)效率的提高。階梯環(huán)的綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)，成為目前所使用的環(huán)型填料中最為優(yōu)良的一種。同類填料，尺寸越小，分離效率越高，但阻力增加，通量減小，填料費(fèi)用增加很多。而大尺寸的填料應(yīng)用于小直徑塔中，又會(huì)產(chǎn)生液體分布不良及嚴(yán)重的壁流，使塔的分離效率降低，根據(jù)計(jì)算故選用Dn50規(guī)格的。五 設(shè)計(jì)計(jì)算 (一)精餾塔的物料衡算1原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率甲醇的摩爾質(zhì)量 MA=32.04kg/kmol水的摩爾質(zhì)量 MA=18.02 kg/kmolD=800045%99.5%/98%=3655.1噸/年F=D+W W=4344.9噸/年 ww（質(zhì)量）800045%0.5/4344.90.0414 xF=0.45/32.04/(0.45/32.04+0.55/18.02)=0.3151 xD=0.98/32.04/(0.98/32.04+0.2/18.02)=0.965 xw=0.000414/32.04/(0.000414/32.04+0.999586/18.02)=0.0002332.原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量MF=0.315132.04+(1-0.3151)18.02=22.44kg/kmolMD=0.96532.04+(1-0.965)18.02=31.549kg/kmolMW=0.00023332.04+(1-0.000233)18.02=18.02 kg/kmol 3.物料衡算 F=80001000/(720022.44)=49.51kmol/hD=3655.11000/(720031.549)=16.091kmol/hW=4344.91000/(720018.02)=33.488kmol/h（二）塔板數(shù)的確定21.利用平衡數(shù)據(jù)，在直角坐標(biāo)圖上繪平衡曲線及對(duì)角線，如下圖：在圖上定出點(diǎn)a(xD ,xD)、點(diǎn)e(xF ,xF)和 c(xW ,xW)三點(diǎn)。2.精餾段操作線截距xD/(R+1)=0.965/5=0.193,在y軸上定出點(diǎn)b。連ab,即得到精餾段操作線。q=1,q線垂直于x軸，q線與精餾段操作線交與點(diǎn)d.3. q=1,q線垂直于x軸，q線與精餾段操作線交與點(diǎn)d.4.連cd,即為提餾段操作線。在圖上定出點(diǎn)a(xD ,xD)、點(diǎn)e(xF ,xF)和 c(xW ,xW)三點(diǎn)。2.精餾段操作線截距xD/(R+1)=0.965/5=0.193,在y軸上定出點(diǎn)b。連ab,即得到精餾段操作線。q=1,q線垂直于x軸，q線與精餾段操作線交與點(diǎn)d.3. q=1,q線垂直于x軸，q線與精餾段操作線交與點(diǎn)d.4.連cd,即為提餾段操作線。5.自點(diǎn) a開(kāi)始在操作線和平衡線之間繪梯級(jí)，得理論板層數(shù)為8塊（包括再沸器），自塔頂往下數(shù)第5層為加料板。（三）精餾的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 塔頂溫度： tD=64.5塔釜溫度： tw=99.2 進(jìn)料板溫度： tF=76.91. 精餾段塔頂?shù)?塊板有關(guān)參數(shù) R=L/D=4 L=4D=416.091=64.364kmol/hV=L+D=64.364+16.091=80.455kmol/h氣相流量： V1=80.455 kmol/h液相流量： L1=64.364 kmol/h氣相組成： y1=xD=0.965液相組成： x1=0.9100氣相平均摩爾質(zhì)量：MV1=(80.4550.96532.04+80.455(1-0.965)18.02) /80.455=31.299液相平均摩爾質(zhì)量：ML1=(64.3640.9132.04+94.364(1-0.91)18.02) /64.364=31.53氣相密度： rrv1MV/22.4=31.55/22.4=1.4085kg/m3 塔頂溫度為64.9時(shí)甲醇與水的密度由內(nèi)插法得：3液相密度： rrL1752.394 kg/m3由t=64.9查手冊(cè)3得：m甲0.330mpa.s m水0.4355mpa.SLgml10.98lg0.330.2lg0.4355液相粘度： mmL1=0.3318mPas2. 提餾段塔釜最后一塊板有關(guān)參數(shù)L=L+F=64.364+49.51=113.87kmol/hV=V= 80.455 kmol/h氣相流量： V = 80.455 kmol/h液相流量： L =113.87kmol/h氣相組成： x=0.000233液相組成： y=0.000233氣相平均摩爾質(zhì)量：MV=(80.455*0.000233*32.04+80.455*(1-0.000233)*18.02) /80.455=18.03液相平均摩爾質(zhì)量：ML=18.016氣相密度： rrv= MV/22.4=0.8043kg/m3塔底液相，由于產(chǎn)品中易吸收組分回收率為99.5，則近似為水得密度，r水957.4kg/m3液相密度： rrL=957.4 kg/m3液體的粘度在釜底近似于水的粘度3：液相粘度： mmL=0.2866 mPas（4） 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算（5） 采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算填料層壓降(如圖)：1精餾段塔徑液相質(zhì)量流量為 wL=64.36431.53=2029.40kg/h氣相質(zhì)量流量為 wV=80.45531.299=2518.16 kg/h (wL/wV)(rV/rL)0.5=(2029.40/2518.16)(1.4085/752.294)0.5=0.035 查圖得、(u2max Fy/g)(rV/rL)mmL0.2=0.211用DN 50的金屬階梯環(huán)填料4，fF=140 yY=r水/rL=957.4/752.394=1.272umax=(0.210rLg/uL0.2rVFY)0.5 =(0.210752.3949.81/0.33180.21.4085140 1.272)0.5 =2.688m/su=0.7umax=0.72.688=1.8816m/sD=(4VS/pu)0.5VS=31.29980.455/(1.40853600)=0.4966m/sD=(40.4966/(3.141.8816)0.5=579.9mm 圓整為600mm.u=4VS/pD2=0.49664/(3.140.602)=1.7573m/s.Umin=(LW)minat=0.08109=8.72m3/(m2h)U=Lh/0.785D2=64.36431.366/(752.3940.7850.602)=9.45 m3/(m2h)則，UUmin. D=600mm.2.提餾段塔徑液相質(zhì)量流量為 wL=113.870.000233 ， 氣相質(zhì)量流量為 wV=80.4550.000233(wL/wV)(rV/rL)0.5=（113.87/80.455）（0.8049/957.4）0.5=0.041查圖得、(u2maxFy/g)(rV/rL)mL0.2=0.182umax=（0.182957.429.81/（0.28660.20.8049140957.4)） 0.5=4.41m/su=4.410.7=3.087m/sVS=80.77518.03/(0.80493600)=0.5007m/s D=(4VS/pu)0.5D=(40.5007/(3.143.087)0.5=454mm. 圓整為500mm.u=4VS/pD2=40.5007/(3.140.52)=2.551m/sU=Lh/0.785D2=113.8718.03/(957.40.7850.52)=10.92 m3/(m2h)UUmin, D=500mm3.填料層高度計(jì)算直徑為50mm的填料，等板高度接近1m；直徑在0.6m以下的填料塔，等板高度約與塔徑相等。Z=HETPNTLg(HETP)=h-1.292lndl+1.47lnml 查表有h7.0653對(duì)于階梯環(huán)填料，要求h/D815，h6mHETP精0.6mHETP提0.5mZ精0.642.4m Z精=1.252.4=3mZ提0.531.5m Z提=1.251.5=1.875m （五）填料層壓降計(jì)算1精餾段橫坐標(biāo) (wL/wV)(rV/rL)0.50.035縱坐標(biāo) (u2Fy/g)(rV/rL)mL0.21.778520.030.00950Dp/Z=909.77=879.3Pa/m Dp=9879.3=7.914Kpa3. 提餾段 橫坐標(biāo) (wL/wV)(rV/rL)0.50.041 縱坐標(biāo) (u2Fy/g)(rV/rL)mL0.22.7729.7510-30.075 p/Z=709.79=685.3Pa/m Dp=2.5689.7=1.724 Kpa(六）設(shè)計(jì)一覽表 名 稱 數(shù) 據(jù)名稱數(shù)據(jù)摩爾分?jǐn)?shù)原料液（xF）0.3151理論板數(shù)8層塔頂產(chǎn)品（xD)0.965進(jìn)料板層5層塔底產(chǎn)品（xW)0.000233精餾段塔徑600mm塔頂溫度64.5提餾段塔徑500mm塔釜溫度99.2精餾段填料高度300mm進(jìn)料板溫度76.9提餾段填料高度188mm精餾段填料層壓降7.914kpa提餾段填料壓降1.1724kpa7 液體分布器的簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)7.1 該精餾塔塔徑較小,故此選用管式液體分布器.7.2 分布點(diǎn)密度計(jì)算. 該精餾塔塔徑較小,且DN50金屬環(huán)矩鞍的比表面積較小,故應(yīng)選用較小分布點(diǎn)密度,設(shè)計(jì)中取分布點(diǎn)密度為220點(diǎn)/ m2 布液點(diǎn)數(shù): n=(/4)*D*D*200=0.785*0.45*0.45*220=34.9點(diǎn)=35點(diǎn) 按分布點(diǎn)幾何均勻的原則進(jìn)行布點(diǎn)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)結(jié)果為:主管徑48*4.5,支管直徑28*4,采用7根支管,支管中心距為65mm,采用正方形排列,實(shí)際布點(diǎn)數(shù)為n=37,布液點(diǎn)示意圖如圖所示:7.3 布液計(jì)算: LS=(/4)* do2N(2gH) 0.5 取=0.60 H=160mm do =4 LS/(n(2gH) 0.5 ) 0.5 =4*829.44/（839.69*3600*3.14*37*0.6*(2*9.81*0.16) 0.5) 0.5 =0.003m 設(shè)計(jì)取do =3.0mm8 生產(chǎn)工藝流程圖9精餾塔設(shè)計(jì)條件圖（見(jiàn)手繪圖）六 設(shè)計(jì)過(guò)程心得 本設(shè)計(jì)所需的各種相關(guān)資料是通過(guò)圖書(shū)館查閱資料、上網(wǎng)等各種途徑查找的。通過(guò)以上的計(jì)算和設(shè)計(jì)分析，確定和優(yōu)化了一套年分離五千噸甲醇-水溶液的生產(chǎn)裝置和工藝流程。其生產(chǎn)方式采用連續(xù)式，主體設(shè)備填料塔、換熱器再沸器。對(duì)塔設(shè)備進(jìn)行了物料衡算，確定了塔的塔板數(shù)，計(jì)算了精餾塔的工作條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)，并對(duì)塔體工藝尺寸和填料層壓降進(jìn)行了計(jì)算。 在設(shè)計(jì)中釜液直接排放，而經(jīng)計(jì)算釜液的溫度很高，有99.2，釜液的流量也不小，故其熱量很高，可以加以運(yùn)用。如可以考慮用其加熱原料液，也可以用來(lái)加熱蒸汽。物質(zhì)的混合過(guò)程是一個(gè)不可逆過(guò)程，它可以自動(dòng)進(jìn)行。但將一個(gè)均勻混合物在恒溫，恒壓下分離成兩個(gè)不同組分的產(chǎn)物，則要消耗一定的功。 不管用什么辦法去完成分離過(guò)程，達(dá)到一定的分離目的時(shí)所需的最小功總可以通過(guò)一個(gè)假象的可逆過(guò)程來(lái)計(jì)算出來(lái)。因?yàn)橛蔁崃W(xué)第二定律必然應(yīng)該得出這樣的結(jié)論，即完成同一變化的任何可逆過(guò)程所需的功均相等。而實(shí)際過(guò)程所需的功一定大于可逆過(guò)程時(shí)的值。所需的最小功決定于要分離的混合物的組成、壓力和溫度以及分離所得產(chǎn)品的濃度、壓力和溫度。 提高精餾過(guò)程熱力學(xué)效率的途徑要降低分離過(guò)程的能耗就應(yīng)提高其熱力學(xué)效率。一般精餾過(guò)程的不可逆性表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面： 在流體流動(dòng)時(shí)有壓力降： 塔內(nèi)上升蒸汽與下流液體直接接觸產(chǎn)生熱交換時(shí)有溫差，以及在再沸器和冷凝器中傳熱介質(zhì)與物料之間存在溫差； 上升蒸汽與下流液進(jìn)行傳質(zhì)過(guò)程時(shí)，兩相