甲醇-水分離過(guò)程填料精餾塔設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、化工原理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)題目：甲醇-水分離過(guò)程填料精餾塔設(shè)計(jì)姓名： * 班級(jí)：* 學(xué)號(hào)： * 指導(dǎo)老師：* 設(shè)計(jì)時(shí)間：* 甲醇-水分離過(guò)程填料精餾塔設(shè)計(jì) 摘 要精餾是借助回流技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高純度和高回收率的分離操作，在抗生素藥物生產(chǎn)中，需要甲醇溶媒洗滌晶體，洗滌過(guò)濾后產(chǎn)生廢甲醇溶媒，然后對(duì)甲醇溶媒進(jìn)行精餾。操作一般在塔設(shè)備中進(jìn)行，塔設(shè)備分為兩種，板式塔和填料塔。填料塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝置靈活、壓降小、持液量少、生產(chǎn)能力大、分離效率高、耐腐蝕，且易于處理易氣泡、易熱敏、易結(jié)垢物系等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也有投資費(fèi)用較高、填料易堵塞等缺點(diǎn)。近年來(lái)由于填料塔結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，新型的高負(fù)荷填料的開(kāi)發(fā)，既提高了塔的通過(guò)能力和分離

2、效能又保持了壓降小及性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。因此，填料塔已被推廣到大型氣液操作中，在某些場(chǎng)合還代替了傳統(tǒng)的板式塔。從設(shè)備設(shè)計(jì)的角度看，不論板式塔還是填料塔，基本上由塔體、內(nèi)件、裙座、和附件構(gòu)成。近年來(lái)由于填料塔結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，新型的、高負(fù)荷填料的開(kāi)發(fā)，既提高了塔的通過(guò)能力和分離效能又保持了壓降小以性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。因此填料塔已被推廣到大型汽液操作中，在某些場(chǎng)合還代替了傳統(tǒng)的板式塔。但國(guó)內(nèi)在這方面的研究則較少, 如何設(shè)計(jì)規(guī)整填料蒸餾塔已成為一個(gè)重要的課題, 它對(duì)自行設(shè)計(jì), 改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)備生產(chǎn)狀況都較為重要。隨著對(duì)填料塔的研究和開(kāi)發(fā)，性能優(yōu)良的填料塔必將大量用于工業(yè)生產(chǎn)中。關(guān)鍵詞： 甲醇-水；精餾 ；填料塔 ；設(shè)

3、備設(shè)計(jì)前言本設(shè)計(jì)目的是分離甲醇-水混合液，處理量不大，故選用填料塔。填料塔是一類(lèi)用于氣液和液液系統(tǒng)的微分接觸傳質(zhì)設(shè)備，主要由圓筒形塔體和堆放在塔內(nèi)對(duì)傳質(zhì)起關(guān)鍵作用的填料等組成，用于吸收、蒸餾和萃取，也可用于接觸式換熱、增濕、減濕和氣液相反應(yīng)過(guò)程。所以塔設(shè)備的研究一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍關(guān)注的重要課題 。填料塔的應(yīng)用始于19世紀(jì)中葉，起初在空塔中填充碎石、磚塊和焦炭等塊狀物，以增強(qiáng)氣液兩相間的傳質(zhì)。1914年德國(guó)人F.拉西1首先采用高度與直徑相等的陶瓷環(huán)填料（現(xiàn)稱拉西環(huán)）推動(dòng)了填料塔的發(fā)展。此后，多種新填料相繼出現(xiàn)，填料塔的性能不斷得到改善，近來(lái)填料塔的研究及其應(yīng)用取得巨大進(jìn)展,不僅開(kāi)發(fā)了數(shù)十種新型

4、高效填料，還較好地解決了設(shè)備放大問(wèn)題。到60年代中期，直徑數(shù)米乃至十幾米的填料塔已不足為奇?，F(xiàn)在，填充塔已與板式塔并駕齊驅(qū)，成為廣泛應(yīng)用的傳質(zhì)設(shè)備。填料塔自它發(fā)明以來(lái)已廣泛地應(yīng)用于化工生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。近二十年, 規(guī)整填料塔對(duì)板式塔、散裝填料以及其它多種塔設(shè)備產(chǎn)生了巨大的沖擊, 在國(guó)內(nèi)外引起眾多研究者的極大興趣, 在近幾年的文獻(xiàn)中, 國(guó)外有大量的規(guī)整填料研究報(bào)道 2 。它因其高通量, 低壓降, 操作穩(wěn)定而廣泛地用于氣-液,液-液接觸的塔設(shè)備中, 如蒸餾、吸收、萃取等諸多領(lǐng)域。特別是在氣液接觸中, 已越來(lái)越多地被采用, 如已有設(shè)備通過(guò)利用規(guī)整填料來(lái)更換塔內(nèi)構(gòu)件, 從而達(dá)到提高塔負(fù)荷的目的。規(guī)整填料

5、種類(lèi)較多, 有板波紋填料、格柵填料、絲網(wǎng)填料等, 材質(zhì)有金屬、塑料、陶瓷等。即使同樣的種類(lèi)亦有不同的規(guī)格, 它們的比表面、空隙率及幾何尺寸存在差異, 這樣在選擇填料時(shí), 應(yīng)根據(jù)體系物性, 操作負(fù)荷, 壓降要求, 同時(shí)兼顧材料性能等, 進(jìn)行綜合考慮, 保證既經(jīng)濟(jì)又能正常生產(chǎn)。 目錄摘 要I前言I1 填料塔的簡(jiǎn)介及設(shè)計(jì)方案的確定11.1 概述11.2 流程確定和說(shuō)明21.2.1設(shè)計(jì)要求及條件21.2.2加料方式41.2.3 進(jìn)料狀況41.2.4 塔頂冷凝方式41.2.5 回流方式41.2.6 加熱方式41.2.7 加熱器52 精餾塔的工藝設(shè)計(jì)52.1 物料衡算52.2 塔板數(shù)的確定62.2.1 相

6、對(duì)揮發(fā)度的求取62.2.2 求最小回流比及操作回流比72.2.3 求精餾塔的氣、液相負(fù)荷72.2.4 采用逐板法求理論板層數(shù)82.3 實(shí)際板層數(shù)的求取92.3.1液相的平均粘度92.3.2 全塔效率ET 和實(shí)際塔板數(shù)103 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算103.1操作壓力的計(jì)算103.2 粘度的計(jì)算103.3操作溫度計(jì)算103.4平均摩爾質(zhì)量計(jì)算113.5平均密度計(jì)算113.5.1氣相平均密度計(jì)算123.5.2液相平均密度計(jì)算123.6 液體平均表面張力的計(jì)算134 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算134.1塔徑的計(jì)算134.2精餾塔有效高度的計(jì)算144.3填料層壓降的計(jì)算154.3.1精餾段1

7、54.4 封頭的計(jì)算165 液體分布器簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)165.1選型165.2分布點(diǎn)密度計(jì)算165.3布液計(jì)算176 設(shè)計(jì)一覽表187 有關(guān)附屬設(shè)備的計(jì)算和選型187.1塔頂蒸汽管187.2回流管197.3輸料管197.4塔釜出液管207.5 蒸汽噴出器管徑217.6飽和蒸汽管計(jì)算227.6.1釜液飽和蒸氣管227.6.2 進(jìn)料管237.7 管路匯總表237.8 再沸器247.9料液預(yù)熱器247.10 塔頂回流冷凝器247.11 塔頂產(chǎn)品冷卻器257.12 塔底產(chǎn)品冷卻器257.13 輔助設(shè)備計(jì)算匯總268 貯罐的計(jì)算268.1原料罐268.2 塔頂產(chǎn)品罐268.3 塔底產(chǎn)品罐278.4 液料輸送泵的

8、選型279 繪圖2810 設(shè)計(jì)過(guò)程的評(píng)述和有關(guān)問(wèn)題的討論28參考文獻(xiàn)29主要符號(hào)說(shuō)明29設(shè)計(jì)過(guò)程中的收獲和致謝301 填料塔的簡(jiǎn)介及設(shè)計(jì)方案的確定1.1 概述填料塔是一類(lèi)用于氣液和液液系統(tǒng)的微分接觸傳質(zhì)設(shè)備，主要由圓筒形塔體和堆放在塔內(nèi)對(duì)傳質(zhì)起關(guān)鍵作用的填料等組成，用于吸收、蒸餾和萃取，也可用于接觸式換熱、增濕、減濕和氣液相反應(yīng)過(guò)程。所以塔設(shè)備的研究一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍關(guān)注的重要課題3-4 。填料塔的優(yōu)點(diǎn)有：（1）壓降非常小。氣相在填料中的液相膜表面進(jìn)行對(duì)流傳熱、傳質(zhì)，不存在塔板上清液層及篩孔的阻力。在正常情況下，規(guī)整填料的阻力只有相應(yīng)篩板塔阻力的1/51/6； （2）熱、質(zhì)交換充分，分離效率

9、高，使產(chǎn)品的提取率提高；（3）操作彈性大，不產(chǎn)生液泛或漏液，所以負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大，適應(yīng)性強(qiáng)。負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍可以在30%110%，篩板塔的調(diào)節(jié)范圍在70%100%；（4）液體滯留量少，啟動(dòng)和負(fù)荷調(diào)節(jié)速度快； （5）可節(jié)約能源。由于阻力小，空氣進(jìn)塔壓力可降低0.07MPa左右，因而使空氣壓縮能耗減少6.5%左右；（6）塔徑可以減小。此外，應(yīng)用規(guī)整填料后，由于當(dāng)量理論塔板的壓差減小，全精餾制氬可能實(shí)現(xiàn)，氬提取率提高10%15%。規(guī)整填料精餾塔一般分為35段填料層，每段之間有液體收集器和再分布器，傳統(tǒng)篩板塔的板間距為110160mm，而規(guī)整填料的等板高為250300mm，因此填料塔的高度會(huì)增加。一般都選擇

10、鋁作為規(guī)整填料的材料，這樣可減輕重量和減少費(fèi)用，但必須控制好填料金屬表面殘留潤(rùn)滑油量小于50mg/m2。在這樣條件下，可認(rèn)為鋁填料塔和鋁篩板塔用于氧精餾是同樣安全的。塔設(shè)備按其結(jié)構(gòu)形式基本上可分為兩類(lèi)：板式塔和填料塔。以前，在工業(yè)生產(chǎn)中，當(dāng)處理量大時(shí)多用板式塔，處理量小時(shí)采用填料塔。近年來(lái)由于填料塔結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，新型的、高負(fù)荷填料的開(kāi)發(fā)，既提高了塔的通過(guò)能力和分離效能又保持了壓降小以性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。因此填料塔已被推廣到大型汽液操作中。在某些場(chǎng)合還代替了傳統(tǒng)的板式塔。如今，直徑幾米甚至幾十米的大型填料塔在工業(yè)上已非罕見(jiàn)。隨著對(duì)填料塔的研究和開(kāi)發(fā)，性能優(yōu)良的填料塔必將大量用于工業(yè)生產(chǎn)中。 填料塔為逐

11、級(jí)接觸式汽液傳質(zhì)設(shè)備，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、操作彈性大、持液量小等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)也有投資費(fèi)用較高、填料易堵塞等缺點(diǎn)。 本設(shè)計(jì)目的是分離甲醇-水混合液，處理量不大，故選用填料塔。 塔型的選擇因素很多。主要因素有物料性質(zhì)、操作條件、塔設(shè)備的制造安裝和維修等。與物性有關(guān)的因素：（1）易起泡的物系在板式塔中有較嚴(yán)重的霧沫夾帶現(xiàn)象或引起液泛，故選用填料塔為宜。因?yàn)樘盍喜灰仔纬膳菽１驹O(shè)計(jì)為分離甲醇和水，故選用填料塔。 （2）對(duì)于易腐蝕介質(zhì)，可選用陶瓷或其他耐腐蝕性材料作填料，對(duì)于不腐蝕的介質(zhì)，則可選金屬性質(zhì)或塑料填料，而本設(shè)計(jì)分離甲醇和水，腐蝕性小可選用金屬填料。 與操作條件有關(guān)的因素：（1）傳質(zhì)速率受

12、氣膜控制的系統(tǒng)，選用填料塔為宜。因?yàn)樘盍纤又幸合酁槟盍?、氣相湍?dòng)，有利于減小氣膜阻力。 （2）難分離物系與產(chǎn)品純度要求較高，塔板數(shù)很多時(shí)，可采用高效填料。 （3）若塔的高度有限制，在某些情況下，選用填料塔可降低塔高，為了節(jié)約能耗，故本設(shè)計(jì)選用填料塔。 （4）要求塔內(nèi)持液量、停留時(shí)間短、壓強(qiáng)小的物系，宜用規(guī)整填料。 1.2 流程確定和說(shuō)明1.2.1設(shè)計(jì)要求及條件 （一）設(shè)計(jì)條件1.處理量： （20000+100X）噸/年注：X代表學(xué)號(hào)最后兩位數(shù)，本設(shè)計(jì)者學(xué)號(hào)后為14，故處理量為21400頓/年。 2.料液組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：甲醇46%、水54% 3.塔頂產(chǎn)品組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：含水量0.3% 4

13、.塔底廢水中甲醇含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：0.5% 5.操作壓力：常壓 6.進(jìn)料熱狀況：自選 7.回流比：自選 8.塔底加熱蒸汽壓力：0.3Mpa（表壓） 9.工作日：每年300天，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。 （二）設(shè)備選型填料類(lèi)型 因廢甲醇溶媒中含有少量的藥物固體微粒，應(yīng)選用金屬散裝填料，以便于定期拆卸和清洗。填料類(lèi)型和規(guī)格自選。 （三）設(shè)計(jì)任務(wù) 1. 設(shè)計(jì)方案確定及流程說(shuō)明 2. 完成精餾塔的工藝設(shè)計(jì) （1） 物料衡算 （2） 塔板數(shù)的確定 （3） 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算 （4） 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算 （5） 填料層壓降的計(jì)算 （6） 流體分布器簡(jiǎn)要設(shè)計(jì) 3. 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 4.

14、有關(guān)附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)和選型 （1） 再沸器（即蒸餾釜）；（2） 塔頂回流冷凝器；（3） 料液預(yù)熱器；（4） 塔頂 、塔底產(chǎn)品冷凝器；（5） 主要接管尺寸及法蘭：包括塔頂蒸汽出口管、回流液管 、料液排出管、加料管 、飽和水蒸氣管的管徑 及各接管的法蘭。（6） 蒸汽噴出器。 5. 繪圖： （1） 繪制帶控制點(diǎn)的生產(chǎn)工藝流程圖 （2） 繪制精餾塔設(shè)計(jì)條件圖 6. 對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的評(píng)述和有關(guān)問(wèn)題的討論 1.2.2加料方式 加料方式有兩種：高位槽加料和泵直接加料。采用高位槽加料，通過(guò)控制液位高度，可以得到穩(wěn)定的流量和流速。通過(guò)重力加料，可以節(jié)省一筆動(dòng)力費(fèi)用。但由于多了高位槽，建設(shè)費(fèi)用增加；采用泵加料，受泵的影

15、響，流量不太穩(wěn)定，流速也忽大忽小，從而影響了傳質(zhì)效率，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便；如采自動(dòng)控制泵來(lái)控制泵的流量和流速，其控制原理較復(fù)雜，且設(shè)備操作費(fèi)用高。本次實(shí)驗(yàn)采用高位槽進(jìn)料。 1.2.3 進(jìn)料狀況 進(jìn)料狀況一般有冷液進(jìn)料、泡點(diǎn)進(jìn)料。對(duì)于冷液進(jìn)料，當(dāng)組成一定時(shí)，流量一定，對(duì)分離有利，節(jié)省加熱費(fèi)用。但冷液進(jìn)料受環(huán)境影響較大，對(duì)于合肥地區(qū)來(lái)說(shuō)，存在較大溫差，且增加塔底蒸汽上升量，增大建設(shè)費(fèi)用。采用泡點(diǎn)進(jìn)料，不僅對(duì)穩(wěn)定塔操作較為方便，且不受季節(jié)溫度影響。綜合考慮，設(shè)計(jì)采用泡點(diǎn)進(jìn)料。泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)，基于恒摩爾流假定精餾段和提餾段塔徑基本相等，制造上較為方便。 1.2.4 塔頂冷凝方式 塔頂冷凝采用全凝器，用水

16、冷凝。甲醇和水不反應(yīng)。且容易冷凝，故使用全凝器。塔頂出來(lái)的氣體溫度不高，冷凝后產(chǎn)品溫度不高無(wú)需進(jìn)一步冷卻。此次分離也是想得到液體甲醇，選用全凝器符合要求。 1.2.5 回流方式回流方式可分為重力回流和強(qiáng)制回流。對(duì)于小型塔，回流冷凝器一般安裝在塔頂。其優(yōu)點(diǎn)是回流冷凝器無(wú)需支撐結(jié)構(gòu)，其缺點(diǎn)是回流冷凝器回流控制較難。如果需要較高的塔處理量或塔板數(shù)較多時(shí)，回流冷凝器不適合于塔頂安裝。且塔頂冷凝器不易安裝、檢修和清理。在這種情況下，可采用強(qiáng)制回流，塔頂上升蒸汽采用冷凝冷卻器以冷回流流入塔中。由于本次設(shè)計(jì)為小型塔，故采用重力回流。 1.2.6 加熱方式 加熱方式分為直接蒸汽和間接蒸汽加熱。直接蒸汽加熱是用

17、蒸汽直接由塔底進(jìn)入塔內(nèi)。由于重組分是水，故省略加熱裝置。但理論塔板數(shù)增加，費(fèi)用增加。間接蒸汽加熱是通過(guò)加熱器使釜液部分汽化。上升蒸汽與回流下來(lái)的冷液進(jìn)行傳質(zhì)，其優(yōu)點(diǎn)是使釜液部分汽化，維持原來(lái)的濃度，以減少理論板數(shù)，缺點(diǎn)是增加加熱裝置。本次實(shí)驗(yàn)采用間接蒸汽加熱。1.2.7 加熱器采用U型管蒸汽間接加熱器，用水蒸汽作加熱劑。因?yàn)樗?，可將加熱器放在塔?nèi)，即再沸器，這樣釜液部分汽化，維持了原有濃度，減少了理論板數(shù)。2 精餾塔的工藝設(shè)計(jì)2.1 物料衡算已知：F=21400t，年開(kāi)工300天。進(jìn)料組成： （2-1） 釜液組成： （2-2）餾出液組成： （2-3）原料液的平均摩爾質(zhì)量： （2-4）原料液的

18、流量： （2-5）由公式：解得 D=39.4 Kmol/h，W=82.4 Kmol/h塔頂產(chǎn)品的平均相對(duì)分子質(zhì)量 （2-6）塔頂產(chǎn)品流量： （2-7） 塔釜產(chǎn)品的平均相對(duì)分子質(zhì)量 2-8）塔釜產(chǎn)品流量 (2-9) （2-10）物料衡算結(jié)果匯總?cè)缦卤?-1 物料衡算結(jié)果表參數(shù)單位進(jìn)料F塔頂D塔釜W物料流量 kmol/h 121.882.439.4kg/h2747.81259.61488.1百分組成質(zhì)量分?jǐn)?shù)54.0%99.7%0.5%摩爾分?jǐn)?shù)32.4%99.5%0.28%2.2 塔板數(shù)的確定 2.2.1 相對(duì)揮發(fā)度的求取由，再根據(jù)表1數(shù)據(jù)可得到不同溫度下的揮發(fā)度，見(jiàn)表2-2表2-2 不同溫度下甲醇

19、的揮發(fā)度溫度/揮發(fā)度溫度/揮發(fā)度96.47.582784.63293.57.33275.34.03591.26.84373.13.52589.36.61071.23.14387.76.46469.32.86884.46.06667.62.69181.75.501662.534所以2.2.2 求最小回流比及操作回流比泡點(diǎn)進(jìn)料：泡點(diǎn)進(jìn)料：由q線與平衡線的交點(diǎn)e（xe，ye），有表2-4作圖5可得： 圖2-1 操作線圖在上圖中我們可以得到q線與平衡線的交點(diǎn)為e（xe，ye）=（0.324，0.678）故最小回流比為= （2-10）取操作回流比為 R=2=2*0.893=1.786 （2-11）2.2

20、.3 求精餾塔的氣、液相負(fù)荷 （2-12） （2-13） （2-14） （2-15）精餾段操作線方程為=+=+= 0.641+0.357 （2-16）提餾段操作線方程 （2-17）2.2.4 采用逐板法求理論板層數(shù)使用逐板法6求理論塔板數(shù)結(jié)果精確讀較高由 得 將 =4.45 代入得相平衡方程 （2-18）聯(lián)立（2-16）、（2-17）、（2-18）式，可自上而下逐板計(jì)算所需理論板數(shù)。因塔頂全，則 （2-19）由（2-18）式求得第一塊板下降液體組成 （2-20）利用（2-16）式計(jì)算第二塊板上升蒸汽組成為 （2-21）交替使用式（2-17）和式（2-18）直到，然后改用提餾段操作線方程，直到為

21、止，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2-3。表2-3 理論塔板數(shù)與相對(duì)的汽液摩爾分?jǐn)?shù) 板號(hào)xy板號(hào)xy10.978 0.995 70.1715 0.4794 20.932 0.984 80.0871 0.2981 30.826 0.955 90.0383 0.1505 40.636 0.886 100.0154 0.0649 50.422 0.765 110.0057 0.0248 60.275xF 0.628 120.0018 xW 0.0079 精餾塔的理論塔板數(shù)為=11（不包括再沸器）進(jìn)料板位置 2.3 實(shí)際板層數(shù)的求取2.3.1液相的平均粘度表2-4 甲醇-水溶液汽液相平衡數(shù)據(jù)（表中液相組成x與汽相組成y

22、均為摩爾分?jǐn)?shù)）溫度/Xy溫度/xy1000.000.0075.30.400.72996.40.020.13473.10.500.77993.50.040.23471.20.600.82591.20.060.30469.30.700.87089.30.080.36567.60.800.91587.70.100.41866.00.900.95884.40.150.51765.00.950.97981.70.200.57964.51.001.0078.00.300.665根據(jù)甲醇和水的氣液平衡表2-4，利用內(nèi)插法求塔頂溫度 , 塔釜溫度 ,進(jìn)料溫度 。 塔頂溫度 （2-22） 塔釜溫度 （2-23）

23、 進(jìn)料溫度 （2-24）則塔頂、塔底的平均溫度=（64.8+99.6）/2 =82.2 （2-25）2.3.2 全塔效率ET 和實(shí)際塔板數(shù)全塔效率可用奧爾康公式6：計(jì)算所以全塔 （2-26）精餾段實(shí)際板層數(shù) 塊 （2-27）提餾段實(shí)際板層數(shù) 塊 （2-28）全塔實(shí)際板層數(shù) N=14+12=26塊3 精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算3.1操作壓力的計(jì)算 塔頂操作壓力 每層塔板壓降 進(jìn)料板壓力 （3-1）精餾段平均壓力 （3-2） 3.2 粘度的計(jì)算在tm =82.2時(shí)，查6得H2O =0.347, CH3OH=0.272則由求出m =0.331 （3-3）3.3操作溫度計(jì)算由前面內(nèi)插法求得溫

24、度：塔頂溫度 進(jìn)料板溫度 精餾段平均溫度 3.4平均摩爾質(zhì)量計(jì)算塔頂平均摩爾質(zhì)量計(jì)算由， （3-4） （3-5）進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 （3-6） （3-7）塔釜平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 由氣液平衡關(guān)系： 得 （3-8） （3-9） （3-10）精餾段平均摩爾質(zhì)量 （3-11） （3-12）提餾段平均摩爾質(zhì)量 （3-13） （3-14）3.5平均密度計(jì)算3.5.1氣相平均密度計(jì)算由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，即 （3-15）3.5.2液相平均密度計(jì)算液相平均密度依下式計(jì)算，即 塔頂液相平均密度的計(jì)算由，查手冊(cè)7得石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊(cè)上 （3-16）進(jìn)料板液相平均密度的計(jì)算由,查手冊(cè)得 進(jìn)料板液相的質(zhì)量分率

25、（3-17）進(jìn)料板液相的密度 （3-18） 精餾段液相平均密度為 （3-19）由，查手冊(cè)3得 釜底的液相液流密度 （3-20）提餾段液相平均密度為 （3-21）3.6 液體平均表面張力的計(jì)算液相平均表面張力依下式計(jì)算，即 塔頂液相平均表面張力的計(jì)算由，查手冊(cè)7得 （3-22）進(jìn)料板液相平均表面張力為 由，查手冊(cè)2得 （3-22）精餾段液相平均表面張力 （3-23）4 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算 4.1塔徑的計(jì)算精餾段的氣、液相體積流率為 （4-1） （4-2） 由 ，適中的C由式計(jì)算，其中由史密斯關(guān)聯(lián)圖6查取，圖的橫坐標(biāo)為 取板間距，板上液層高度，則 （4-3）查史密斯關(guān)聯(lián)圖3得=0.068 （

26、4-4） （4-5）取安全系數(shù)為0.6，則空塔氣速為 （4-6）按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為 D=1.0m塔截面積為 （4-7）實(shí)際空塔氣速為 （4-8）4.2精餾塔有效高度的計(jì)算填料塔高度計(jì)算8 采用的25mm鋼質(zhì)拉西環(huán)，HEPT取0.5米。精餾段高度 （4-9） 提餾段高度 （4-10） （4-11）根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則，塔底預(yù)留3min液體塔底預(yù)留液體體積 塔底預(yù)留高度 （4-12）在塔頂和塔底還要預(yù)留一定的高度，取0.85m塔的裙座取1.2m所以塔的總高度 （4-13）4.3填料層壓降的計(jì)算4.3.1精餾段橫坐標(biāo) X=()()=0.057 縱坐標(biāo)(u2Fy/g)(rV/rL)mL0.2 = 0.0277

27、 p/Z=909.77=879.3Pa/m Dp=9879.3=7.914Kpa查Eckert圖6得每米填料的壓力降為93.75Pa,所以填料層的壓力降為=93.75 （4-14）4.3.2提餾段橫坐標(biāo) X=（）（）=0.052縱坐標(biāo) Y=(u2Fy/g)(rV/rL)mL0.2 =0.145查Eckert圖得每米填料的壓力降為75Pa,所以填料層的壓力降為 =75*4.375=328.125Pa （4-15） 4.4 封頭的計(jì)算本設(shè)計(jì)選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，其厚度計(jì)算為其中： ， ， 取 ，許用應(yīng)力所以： （4-16）參照橢圓形封頭參數(shù)表得：曲面高度h1=250mm，直邊高度h2=25mm5 液

28、體分布器簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)5.1選型本設(shè)計(jì)采用槽盤(pán)式液體分布器，它兼有集液和分液的功能，而且操作彈性大。5.2分布點(diǎn)密度計(jì)算按照Eckert建議值，D=1000設(shè)計(jì)取分布點(diǎn)密度為100點(diǎn)/，布液點(diǎn)數(shù)n=0.7851100=78.5點(diǎn)79點(diǎn)按照分布點(diǎn)幾何均勻與流量均勻的原則，進(jìn)行布點(diǎn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果為：二級(jí)槽共設(shè)5 道，在槽側(cè)面開(kāi)孔。兩槽中心間距200mm,槽寬度100mm,槽高度為210mm.，實(shí)際設(shè)計(jì)布點(diǎn)數(shù)為n=7,布液點(diǎn)示意圖如下圖 圖5-15.3布液計(jì)算依據(jù)公式 (5-1)對(duì)塔頂和精餾段分段處的液體再分布，相關(guān)數(shù)據(jù)為n=70 g=9.81取=0.60，H=130將上述數(shù)據(jù)代入公式（5-1）得精餾段分

29、段處的液體再分布器對(duì)進(jìn)料處的液體再分布，相關(guān)數(shù)據(jù)為n=70 ，g=9.81取=0.60，=130將上述數(shù)據(jù)代入公式（1）得 （5-2）6 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）0.324理論板數(shù)11塊塔頂產(chǎn)品（xD)0.995進(jìn)料板層6塊塔底產(chǎn)品（xW)0.精餾段塔徑1000mm塔頂溫度64.8提餾段塔徑1000mm塔釜溫度99.6精餾段填料高度8400mm進(jìn)料板溫度77.0提餾段填料高度7200mm精餾段填料層壓降7.914kpa提餾段填料壓降1.1724kpa7 有關(guān)附屬設(shè)備的計(jì)算和選型7.1塔頂蒸汽管，其中為蒸汽速度，取=16m/s，=0.826得=0.256m.根據(jù)G

30、B816387，選用規(guī)格為mm，則此時(shí)核算 （在1520 m/s內(nèi)，合格）則，此管選用全平面板式平焊管法蘭，其參數(shù)（查HG/T20593-97）如表7-1，PN 0.25Mpa表7-1公稱直徑DN（mm）管子外徑A（mm）連接尺寸（mm）法蘭厚度C（mm）法蘭內(nèi)徑B（mm）法蘭理論質(zhì)量（kg）法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)量n螺紋Th2502733753351812M1624276.58.967.2回流管，試中為回流管內(nèi)液流速度（有泵輸送），取=2m/s,所以，根據(jù)GB816387，選用規(guī)格為mm，則 核算速度=1.67m/s（在1.52.5 m/s內(nèi)合格）則，此管選用的全平

31、面板式平焊管法蘭參數(shù)（查HG/T20593-97）如表7-2，PN 0.25MPa表7-2公稱直徑DN（mm）管子外徑A（mm）連接尺寸（mm）法蘭厚度C（mm）法蘭內(nèi)徑B（mm）法蘭理論質(zhì)量（kg）法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)量n螺紋Th253210075114M1014330.737.3輸料管設(shè)料液由泵輸送，取進(jìn)料速度 ，則根據(jù)GB816387，選用規(guī)格為mm，則 核算速度：（在1.52.5 m/s內(nèi)，合格）則，此管選用的全平面板式平焊管法蘭參數(shù)（查HG/T20593-97）如表7-3，PN 0.25Mpa表7-3公稱直徑DN（mm）管子外徑A（mm）連接尺寸（mm）法

32、蘭厚度C（mm）法蘭內(nèi)徑B（mm）法蘭理論質(zhì)量（kg）法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)量n螺紋Th253210075114M1014330.737.4塔釜出液管取塔釜液流出速度，=流出量則根據(jù)GB/T17395-2008，選用規(guī)格為mm，則此時(shí)核算速度(0.51.0)此管選用全平面板式平焊管法蘭，其參數(shù)（查HG/T20593-97）如表7-4，PN 0.25Mpa表7-4公稱直徑DN（mm）管子外徑A（mm）連接尺寸（mm）法蘭厚度C（mm）法蘭內(nèi)徑B（mm）法蘭理論質(zhì)量（kg）法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)量n螺紋Th5060.3140110144M1216

33、591.51 7.5 蒸汽噴出器管徑當(dāng)用于加熱釜液時(shí):本方案采用401.3KPa（絕壓）水蒸氣為熱源，其溫度ts=143.5，再沸器內(nèi)將釜液由99.5加熱到溫度為100的蒸汽，其吸收的熱量：由（2-8）有Q放=Q吸=M1r=933.6KW由化工原理附錄九由內(nèi)差法得：壓力為401.3Kpa（絕壓）的飽和水蒸氣，其汽化潛熱為r=2138.16KJ/Kg,密度為2.1683Kg/m3。故 其體積流量 ，取管內(nèi)蒸汽速度為u=20m/s,則由得根據(jù)GB816387，選用規(guī)格為mm，則此時(shí)核算（在2025m/s內(nèi)，合格）則，此管選用全平面板式平焊管法蘭，其參數(shù)（查HG/T20593-97）如表7-5，PN

34、 0.25Mpa表7-5公稱直徑DN（mm）管子外徑A（mm）連接尺寸（mm）法蘭厚度C（mm）法蘭內(nèi)徑B（mm）法蘭理論質(zhì)量（kg）法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)量n螺紋Th114121240200188M16201354.53當(dāng)用于加熱料液時(shí),其吸收的熱量Q吸為： Q放=Q吸=M2r=324.43KW故，其體積流量取管內(nèi)蒸汽速度為u=20m/s,則由得根據(jù)GB816387，選用規(guī)格為mm，則，此時(shí)核算u=22.5m/s(2025) 則，此管選用全平面板式平焊管法蘭，其參數(shù)（查HG/T20593-97）如表7-6，PN 0.25MPa表7-6公稱直徑DN（mm）管子外徑A（

35、mm）連接尺寸（mm）法蘭厚度C（mm）法蘭內(nèi)徑B（mm）法蘭理論質(zhì)量（kg）法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)量n螺紋Th63 68160130144M1216781.857.6飽和蒸汽管計(jì)算7.6.1釜液飽和蒸氣管當(dāng)用于加熱釜液時(shí):由前面計(jì)算可得其體積流量，取管內(nèi)蒸汽速度為u=40m/s,則由得根據(jù)GB816387，選用規(guī)格為mm，則此時(shí)核算 (4060,符合要求)則，此管選用全平面板式平焊管法蘭，其參數(shù)（查HG/T20593-97）如表7-7，PN 0.25MPa表7-7公稱直徑DN（mm）管子外徑A（mm）連接尺寸（mm）法蘭厚度C（mm）法蘭內(nèi)徑B（mm）法蘭理論質(zhì)量（

36、kg）法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)量n螺紋Th7583240200188M16201304.537.6.2 進(jìn)料管當(dāng)用于加熱料液時(shí):由前面計(jì)算可得其體積流量，取管內(nèi)蒸汽速度為u=40m/s,則由得根據(jù)GB816387，選用規(guī)格為mm，則此時(shí)核算（在4060m/s內(nèi)，合格）則，此管選用全平面板式平焊管法蘭，其參數(shù)（查HG/T20593-97）如表7-8，PN 0.25Mpa表7-8公稱直徑DN（mm）管子外徑A（mm）連接尺寸（mm）法蘭厚度C（mm）法蘭內(nèi)徑B（mm）法蘭理論質(zhì)量（kg）法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)量n螺紋Th4045130100144M

37、1216461.387.7 管路匯總表管路匯總表表7-9管路用途流速/（m/s）管規(guī)格輸料管塔頂蒸汽管回流管塔釜出液管釜液蒸汽噴出器釜液飽和蒸氣管進(jìn)料管1.817.411.670.742045.555.8323.523711.5323.560.35.151213.5834452.57.8 再沸器采用401.3Kpa（絕壓）水蒸氣為熱源，其溫度ts=143.5，再沸器內(nèi)將釜液由99.5加熱到溫度為100的蒸汽，選取傳熱系數(shù)k=2500w/(m2/K),溫差釜液可視為純水，水的沸點(diǎn)為100，與釜液溫度相近，故可用純水沸點(diǎn)下的汽化潛熱代替釜液的汽化潛熱。水汽化潛熱交換熱量傳熱面積7.9料液預(yù)熱器采用

38、401.3Kpa（絕壓）水蒸氣為熱源，其溫度ts=143.5，假設(shè)原料液為25，將原料液由25加熱至泡點(diǎn)77.6，采取逆流換熱，則：溫差取傳熱系數(shù)97.10 塔頂回流冷凝器取江河水冷凝劑，逆流冷卻，傳熱系數(shù)k= 600W/（m2k）9；由安托尼方程計(jì)算得塔頂蒸汽溫度為67.2，回流液溫度為64.6；則回流冷凝器內(nèi)熱蒸汽由67.2降至64.6，而冷卻水則由25升高至35溫差：被冷凝蒸汽可視為純甲醇蒸汽，甲醇在64.6下的汽化潛熱為甲醇蒸汽的流量傳熱面積7.11 塔頂產(chǎn)品冷卻器取江河水為冷凝劑，逆流冷卻，傳熱系數(shù)為k=600W/(m2K)；塔頂產(chǎn)品由64.6冷卻至30，冷卻水由25升至35溫差：7

39、.12 塔底產(chǎn)品冷卻器取江河水為冷凝劑，逆流冷卻，傳熱系數(shù)k=600W/(m2K)；塔頂產(chǎn)品由99.5冷卻至30，冷卻水由25升至35取江河水為冷凝劑，逆流冷卻，傳熱系數(shù)k=600W/(m2K)；塔頂產(chǎn)品由99.5冷卻至30，冷卻水由25升至35溫差： 7.13 輔助設(shè)備計(jì)算匯總輔助設(shè)備匯總表表7-10序號(hào)換熱器名稱熱物流溫度/冷物流溫度/傳熱流量Q/KW傳熱面積A/m2進(jìn)口出口進(jìn)口出口E-101E-102E-103E-104E-105進(jìn)料預(yù)熱器塔頂冷凝器塔底再沸器塔頂產(chǎn)品冷卻器塔底產(chǎn)品冷卻器143.567.2143.564.699.5143.564.6143.53030252599.5252

40、577.6351003535324.431112.011243.6230.13368.583.1252.2111.383.6026.368 貯罐的計(jì)算8.1原料罐原料罐中通過(guò)的物流量為 原料液密度 設(shè)原料在原料罐中的停留時(shí)間為0.5h，罐的填充系數(shù)取0.7，則該罐的容積V計(jì)算如下： 圓整后，可取原料罐V-101容積為3.0m38.2 塔頂產(chǎn)品罐塔頂產(chǎn)品罐中通過(guò)的物流量為 塔頂產(chǎn)品的密度為 ，設(shè)塔頂產(chǎn)品在罐中的停留時(shí)間為72h，罐的填充系數(shù)取0.7，則該罐的容積V計(jì)算如下： 圓整后，可取塔頂產(chǎn)品罐V-102的容積為200m38.3 塔底產(chǎn)品罐塔底產(chǎn)品罐中通過(guò)的物流量為塔底產(chǎn)品的密度為設(shè)塔底產(chǎn)品在

41、罐中的停留時(shí)間為72h，罐的填充系數(shù)取0.7，則該罐的容積V計(jì)算如下：圓整后，可取塔底產(chǎn)品罐V-103的容積為200m3,，匯總為表8-1.主管估算結(jié)果匯總表表8-1序號(hào)位號(hào)名稱停留時(shí)間/h容積/m31V-101原料貯罐0.53.02V-102塔頂產(chǎn)品罐722003V-103塔底產(chǎn)品罐722008.4 液料輸送泵的選型為確定泵輸送一定流量所需的揚(yáng)程H，應(yīng)對(duì)輸送系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械能衡算。本方案選擇V-101內(nèi)的液面與進(jìn)料口處的管截面建立機(jī)械能衡算式：H= 式中，為兩截面處位頭差；為兩截面處?kù)o壓頭之差； 為兩截面處動(dòng)壓頭之差； 為直管阻力；為管件、閥門(mén)局部阻力。根據(jù)前面的數(shù)據(jù)對(duì)上式各項(xiàng)進(jìn)行估算= = 較

42、小可以忽略，將各項(xiàng)代入上式中，計(jì)算泵的揚(yáng)程H=27.15（m） 由前面數(shù)據(jù)可知其流量Q=查化工原理（上）6附錄十七，可確定泵的選型為：IS 50-32-200，n=2900r.min-19 繪圖 （1） 繪制帶控制點(diǎn)的生產(chǎn)工藝流程圖（A3號(hào)圖紙，附于說(shuō)明書(shū)后）； （2） 繪制精餾塔設(shè)計(jì)條件圖（A3號(hào)圖紙，附于說(shuō)明書(shū)后）。 10 設(shè)計(jì)過(guò)程的評(píng)述和有關(guān)問(wèn)題的討論 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，確定一套年分離兩萬(wàn)多噸甲醇-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

43、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，以及輔助設(shè)備的簡(jiǎn)單計(jì)算，確定了最佳的生產(chǎn)方案。 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

44、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)，兩相濃度與平衡濃度的差別。要使上述這三個(gè)過(guò)程（流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)）有較大的速率，就得有一定的推動(dòng)力，而推動(dòng)力越大，則不可逆性就越大。反之，要提高熱力學(xué)效率就必須減小壓差，降低溫差和縮小化學(xué)位的差別。當(dāng)塔板數(shù)較多時(shí)，一般說(shuō)來(lái)，壓力降也要加大，同時(shí)塔釜與塔頂?shù)臏夭钜矔?huì)增大。按式W =QT0（1/TL-1/TH），W就增大。原則上要降低壓力降可增大塔徑，降低板面液層厚度。但增大塔徑意味著加大設(shè)備投資；降低板面液層厚度則使板效率變小。因此，實(shí)際上要綜合考慮這些因素以確定塔徑。進(jìn)出每塊塔板的氣液相在組成與溫度上的相互不平衡是使精餾過(guò)程熱力學(xué)效率下降的重要因素。由下一塊板上來(lái)的蒸汽比上一塊下來(lái)的液體溫度要高些，其易揮發(fā)組分的含量