甲醇—水連續(xù)填料精餾塔的設(shè)計

1、 化工原理課程設(shè)計說明書設(shè)計題目： 甲醇水連續(xù)填料精餾塔 設(shè)計者： 專業(yè)： 化工工藝 學號： 指導老師： 2005年07月20日目錄一、 前言 (3)二、 工藝流程說明(4)三、 精餾塔的設(shè)計計算1.由質(zhì)量分率求甲醇水溶液的摩爾分率（5）2.全塔物料衡算（5）3.采用圖解法，求解RMin，R (5）4.填料塔壓力降的計算(6）5.D、Z、計算（7）6.計算結(jié)果列表 （14）四、 輔助設(shè)備的選型計算7.儲槽的選型計算 （15）8.換熱器的選型計算 （16）9.主要接管尺寸的選型計算 （19）10.泵的選型計算 （21）11.流量計選取 （21）12.溫度計選取 （22）13.壓力計選取 （22）

2、五、 設(shè)備一覽表 （23）六、 選用符號說明 （24）七、 參考文獻 （25）八、 結(jié)束語 (25)前 言甲醇俗稱木醇，木精，是一種大宗有機化學品，它不僅容易運輸和儲藏，而且可以作為很多有機化學品的中間原料。由它可以加工成的有機化學品有100余種，廣泛用于有機合成、染料、醫(yī)藥、涂料和國防等工業(yè)。隨著近年來技術(shù)的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的改變，甲醇開辟了新的用途。甲醇是較好的人工合成蛋白質(zhì)的原料，目前，世界上已經(jīng)有30萬噸的甲醇制蛋白質(zhì)的工業(yè)裝置在運行。甲醇是容易運輸?shù)那鍧嵢剂?，可以單獨或與汽油混合作為汽車燃料，從而開辟了由煤轉(zhuǎn)換為汽車燃料的途徑。用孟山都法可以將甲醇直接合成醋酸。隨著近年來碳一化學工業(yè)的

3、發(fā)展，甲醇制乙醇、乙烯、乙二醇、甲苯、醋酸乙烯、醋酐、甲酸甲酯和氧分解性能好的甲醇樹脂等產(chǎn)品，正在研究開發(fā)和工業(yè)化中。此外，甲醇在工業(yè)應用和實驗室中是十分重要的溶劑。許多反應在甲醇作為溶劑時產(chǎn)率非常好。雖然有一定的毒性，但相對于其它有機溶劑來說，還是比較安全的。本次設(shè)計的精餾塔是用來分離回收甲醇的，所以塔釜排出的水中含有的甲醇含量不大于0.002（wt），以提高甲醇的回率，減少對環(huán)境的污染；塔頂?shù)玫降募状嫉臐舛葹?8.5（wt），可以代替純的甲醇直接使用，這說明塔的效率是很好的。采用填料式精餾塔，因為隨著填料塔技術(shù)的不斷完善，在性能上比板式塔要好很多，而且填料塔的結(jié)構(gòu)比較簡單，制造、維修難度和

4、造價比板式塔低很多，所以選用填料塔，可以減少設(shè)計、制造、操作費用。也是符合實際生產(chǎn)需要的。工藝流程說明本次設(shè)計的精餾塔是用來分離回收甲醇的，要求回收甲醇的濃度達到98.5，所采用的流程如圖所示，含19%的原料液通過原料泵加壓，再經(jīng)過過濾器、原料預熱器，再進精餾塔進行精餾分離，塔頂氣相通過冷凝器冷凝，不凝氣體放空。冷凝液一部分由回流泵壓回塔內(nèi)作為回流液，其余部分則作為產(chǎn)品輸送到罐場包裝。塔形的選擇：具體選擇塔型時，要根據(jù)被分離物料的性質(zhì)和負荷，要求精餾過程的壓力降、溫度以及腐蝕程度等條件決定。目前主要有板式塔和填料塔兩種。根據(jù)計算要求該塔分離效率高，壓力降小，應采用填料塔。填料塔與板式塔相比，具

5、有一定的優(yōu)點：（1） 生產(chǎn)能力大。板式塔內(nèi)件的開孔率均在50%以上，而填料塔中的空隙率則超過90%，故單位塔截面積上，填料塔的生產(chǎn)能力一般均高于板式塔。（2） 分離效率高。工業(yè)填料塔每米理論級大多在2級以上，最多可達10級以上，而常用的板式塔每米理論級最多不超過2級。研究表明，在減壓和常壓操作下，填料塔的分離效率明顯優(yōu)于板式塔。（3） 壓力降小。填料塔由于空隙率高，故其壓降遠遠小于板式塔。一般情況下，板式塔的每個理論級壓降約在0.41.1Kpa。填料塔約為0.010.27KPa。壓降低能降低操作費用，節(jié)約能耗。（4） 持液量小。填料塔持液量一般小于6%，而板式塔則高達8%12%。持液量大，雖可

6、穩(wěn)定操作，但增長開工時間，增加操作周期及操作費用。（5） 操作彈性大。填料對負荷變化的適應性很大，而板式塔的操作彈性一般很小。（6） 填料塔塔內(nèi)結(jié)構(gòu)簡單，耐腐蝕，且靈活，價廉。目前工業(yè)上95%以上采用填料塔，只有當液體處理量特別大或有固體時，才采用板式塔。主機（精餾塔）的設(shè)計計算1.由質(zhì)量分率求甲醇水溶液的摩爾分率： 求得各個物料的摩爾分率如下：物料塔頂進料塔釜摩爾分率0.97360.11650.2.全塔物料衡算F= 則有：解得 W=25.956 D=3.4943.采用圖解法，求解RMin，R 甲醇水溶液的平衡數(shù)據(jù)及部分數(shù)據(jù)。溫度t/液相中甲醇摩爾分數(shù)xA 汽相中甲醇摩爾分數(shù)yA溫度t/液相中

7、甲醇摩爾分數(shù)xA 汽相中甲醇摩爾分數(shù)yA1000.00.075.30.400.72996.40.020.13473.10.500.77993.50.040.23471.20.600.82591.20.060.30469.30.700.87089.30.080.36567.60.800.91587.70.100.41866.00.900.95884.40.150.51765.00.950.97981.70.200.57964.51.01.078.00.300.665由平衡數(shù)據(jù)在坐標紙上描點，畫出甲醇水溶液的x-y圖 （附圖在后）。由圖讀知N=12-1=11 ，從塔頂算起第7塊塔板為進料板，塔的理

8、論塔板數(shù)為11。原料泡點進料，故xq=xF=0.1165,從圖可知yq=0.440，故有：對于指定的物系，RMin只取決于分離要求，即設(shè)計型計算中達到一定分離程度所需回流比的最小值，實際操作回流比應大于最小回流比。但增大回流比，起初顯著降底所需塔板層數(shù)，設(shè)備費用明顯下降。再增加回流比，雖然塔板層數(shù)仍可繼續(xù)減少，但下降的非常慢。與此同時，隨著回流比的加大，塔內(nèi)上升蒸氣量也隨之增加，致使塔徑、塔板面積、再沸器、冷凝器等設(shè)備尺寸相應增大。因此，回流比增至某一數(shù)值時，設(shè)備費用和操作費用同時上升，回流比的采用原則是使設(shè)備費用和操作費用的總費用最小。通常，適宜回流比的數(shù)值范圍為R=（1.12.0）RMin

9、。本設(shè)計中取R2RMin 。R=2 RMin =21.649 =3.2984. 填料塔壓力降的計算 各組分的飽和蒸汽壓由安托尼方程求得各組分的飽和蒸汽壓的計算值： 項目安托尼方程常數(shù)飽和蒸汽壓ABC67103甲醇11.96733626.55-34.29水11.68343816.44-46.1327171.8塔頂?shù)膲毫Γ?09.5 kPa 塔釜的壓力：（ =103） =所以精餾塔的壓力降為： =5. D、Z、計算5.1精餾段5.1.1平均溫度料液泡點進料，取,假設(shè)，則精餾段平均溫度5.1.2平均分子量塔頂： ，由圖可知0.9500.04+（1-0.9736）18.0231.67kg/kmol0.

10、95032.04+(1-0.950)18.02=31.34kg/kmol進料板： ， 由圖可知0.44032.04（1-0.440）18.0224.12kg/kmol0.04+(1-0.1165)18.02=19.65kg/kmol精餾段平均分子量： 25.495kg/kmol =27.9895kg/kmol5.1.3精餾段平均操作壓力塔頂壓力Pa，取每層塔板壓力降238.36Pa，則進料板壓強 238.367+Pa Pa5.1.4液相密度塔頂 由圖一得 查得下甲醇 水由 得：760.050kg/m3進料板 由圖知加料板液相組成查得下甲醇 水 由 得：915.988kg/m3故精餾段液相平均密

11、度 5.1.5精餾段汽相平均密度 5.1.6液體粘度 AB甲醇555.30260.64水658.25283.16查化學工程手冊第一篇 ： 塔頂： 時 進料板： 時 則精餾段平均液相粘度 5.1.7汽相負荷計算 5.1.8液相負荷計算 5.1.9填料選擇目前市場上規(guī)整填料價格較昂貴，且甲醇水不屬于難分離系統(tǒng)，腐蝕性較小，故采用價格低、性能優(yōu)良的散裝金屬拉西環(huán)DN25填料，查表得填料因子257。5.1.10塔徑計算(采用?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖計算)橫坐標 查化工傳質(zhì)與分離過程 圖433可得縱坐標 1.17故 得 2.305m/s取安全系數(shù)0.7， 圓整塔徑 取D=0.400m此時符合0.50.85范圍,

12、所以塔徑圓整適合5.2提餾段 5.2.1平均溫度料液泡點進料，取, 則提餾段平均溫度 5.2.2平均分子量塔底 由圖可，0.0023 0.04+（1-0.0023）18.0218.05kg/kmol0.04+(1-0.)18.02=18.04kg/kmol進料板 0.44032.04（1-0.440）18.0224.33kg/kmol0.04+(1-0.1165)18.02=19.61kg/kmol提餾段平均分子量： kg/kmol =21.19kg/kmol5.2.3操作壓力塔釜壓力Pa，則進料板壓強 Pa .5Pa5.2.4提餾段平均液相密度塔釜 由圖一得 0. 查得103下，甲醇密度 水

13、由 得：956.080kg/m3進料板 915.988kg/m3故提餾段平均液相密度 5.2.5提餾段汽相平均密度5.2.6提餾段平均液相粘度AB甲醇555.30260.64水658.25283.16查化學工程手冊第一篇 ： 塔底 103 0.2663cp 進料板： 時 =0.3182cp則提餾段平均液相粘度 塔板效率ET=0.17-0.616lg=0.487N=NT/ET=22.6實際塔板數(shù)應取23塊。5.2.7液相負荷計算5.2.8汽相負荷計算5.3塔徑計算(采用?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖計算)橫坐標 查化工傳質(zhì)與分離過程 圖433可得縱坐標 1.022 繼續(xù)采用散裝金屬拉西環(huán)DN25填料 得uF3

14、.698m/s取安全系數(shù)0.7， 圓整塔徑 取 D=0.400m此時 符合0.50.85范圍,塔徑圓整合適5.4.塔高的計算 等板高度法，取HETP0.5m5.4.1精餾段 取安全系數(shù)為1.4 5.4.2提餾段 取安全系數(shù)為1.4 Z=Z1+Z23.5+4.27.7m 5.5壓降的計算5.5.1精餾段查?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖得： 5.5.2提餾段查?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖得： 檢驗： 0.05 所以假設(shè)成立，D0.400m6.計算結(jié)果列表6.1.物料衡算進料口F塔頂D塔釜W進料量（mol/s）29.453.49425.956濃度（摩爾分率）0.11650.97360.壓力（Pa）溫度（）8567103 6.

15、2.填料塔參數(shù)塔徑DN填料層高度H填料層壓降誤差分析0.40m7.7m3927.9Pa1.56%輔機（輔助設(shè)備）的選型計算7.1原料儲槽的選型計算 原料液的存儲量是要保證生產(chǎn)能正常進行，主要根據(jù)原料生產(chǎn)情況及供應周期而定的。根據(jù)經(jīng)驗，取儲槽中的原料液溫度為t=25，此時進料液中各物料的物性是：甲醇： 質(zhì)量濃度水： 質(zhì)量濃度 進料液體積流量在工業(yè)中為了安全起見，儲槽一般要留出一定空間。取儲槽安全系數(shù)為0.7（安全系數(shù)，又稱裝填系數(shù)，是指有效容積占儲槽總?cè)莘e的百分率），按大工廠計算，取24小時進料量計算，故所需的儲槽實際體積為： 原料儲槽工作于常溫、常壓下，甲醇是一級防爆產(chǎn)品。綜合以上因素，最終選

16、用立式平底錐蓋容器系列（JB1422-74），選公稱容積，圖號為：R22-00-15。7.2中間槽 中間槽是儲存回流量及出料的儲罐。甲醇精餾過程為連續(xù)生產(chǎn)，中間槽的設(shè)計依據(jù)是中間槽裝液6080能保持至少12個小時的流量，該設(shè)計任務中，槽裝液70，即取安全系數(shù)為0.7，保持流量2小時。取儲槽中的料液溫度為t=40，此時進料液中各物料的物性是：甲醇： 質(zhì)量濃度水： 質(zhì)量濃度 進料液體積流量為： 選用臥式無折邊球形封頭容器系列，標準號JB1427-74，選公稱容積，圖號為：R22-0.7-21。7.3塔底冷凝液儲槽仍取儲槽中的料液溫度為t=40， 進料液體積流量為： 選用立式平底平蓋容器系列，標準號

17、JB1421-74，選公稱容積，圖號為：R21A-00-15。8.換熱器的選型計算在本設(shè)計任務中，甲醇濃度都比較高，在換熱時不能直接與冷流體混合，所以應采用間壁式換熱器。在冷、熱流體的初、終溫度相同的條件下，逆流的平均溫差較并流的大。因此，在換熱器的傳熱量Q及總傳熱系數(shù)K值相同的條件下，采用逆流操作效果較好。若換熱介質(zhì)流量一定時，可以節(jié)省傳熱面積，減少設(shè)備費；若傳熱面積一定時，可減少換熱介質(zhì)的流量，降低操作費。因而，工業(yè)上多采用逆流操作。同時，若換熱器兩端冷、熱流體的溫差大，可使換熱器的傳熱面積小，節(jié)省設(shè)備投資。但要使冷、熱流體溫差大，冷卻劑用量就要大，增加了操作費用，故溫差的取值應考慮其經(jīng)濟

18、合理性，即要選擇適宜的換熱器兩端冷、熱流體溫差，使投資和操作費用之和最小。8.1原料液換熱器根據(jù)化工設(shè)計書可知K的取值范圍一般在400，由于換熱器在使用過程中會形成污垢，導致K的減小， 故取K=400進料溫度查化學工程手冊第1篇可得： 甲醇/Kg 甲醇/Kg 水 /Kg 水 /Kg 75.50進料溫度為25攝氏度。如圖所示：2585100t逆流換熱，采用飽和蒸汽加熱： 據(jù)熱量衡算可得： 查化工工藝設(shè)計手冊選取: 浮頭式換熱器，型號為：FB3255402，公稱直徑325mm，公稱壓力40，2管程，排管數(shù)32根，管子為，換熱面積為5m,計算傳熱面積7.4m。標準圖號為：JF001。 8.2塔頂冷凝

19、器假設(shè)冷流體從25升至40，熱流體從氣體冷凝為液體254067t67時，查得甲醇、水的汽化潛熱： 逆流換熱，采用水冷卻 取 據(jù)熱量衡算可得： 查化工工藝設(shè)計手冊上冊（第一版） 選取U型管式換熱器 型號為YA 325-25-64/64-4圖號為JY0068.3塔底再沸器103時 查得甲醇、水的汽化潛熱： 逆流換熱， 采用130的水蒸氣加熱 取 查化工工藝設(shè)計手冊上冊（第一版），選用立式虹吸式重沸器，型號為：GCH6001630，公稱直徑600mm，公稱壓力16，管子數(shù)32根，標準圖號為：JB114671。計算值大于所需的實際傳熱面積，故符合要求。9.主要接管尺寸的選型計算管徑設(shè)計是根據(jù)流體的特性

20、、工藝要求及基建費用和運轉(zhuǎn)、維修費用的經(jīng)濟比較確定。管徑大，則壁厚，基建費用增加；管徑小，流動阻力大，運轉(zhuǎn)費用增加。初步選定流體流速后，通過計算確定管徑，最后圓整到符合公稱直徑的要求。9.1進料管已知料液流率為12000噸/年 料液密度為915.988Kg/m3,則料液體積流率，0.00064取管內(nèi)流速，則進料管直徑 查化工流體流動與傳熱上冊 取進料管尺寸為，熱軋無縫鋼管 標準型號為YB-231-649.2塔頂氣體出口管近似取精餾段體積為塔頂蒸汽體積流率, =31.55kg/kmol1.2222取管內(nèi)蒸汽流速，則塔頂蒸汽出口管直徑 查化工流體流動與傳熱上冊 取釜液出口管尺寸為，熱軋無縫鋼管 標

21、準型號為YB-231-649.3回流進口管回流液密度kg/m3， 30.92kg/kmol回流液體積流率 0.7584取管內(nèi)流速，則回流進口管直徑 查化工流體流動與傳熱上冊 取回流管尺寸為，熱軋無縫鋼管 標準型號為YB-231-649.4釜液出口管釜液流率 W=25.956 釜液密度956.081kg/m3 18.02kg/kmol體積流率 取管內(nèi)流速，則釜液出口管直徑 查化工流體流動與傳熱上冊 取釜液出口管尺寸為，熱軋無縫鋼管，標準型號為YB-231-649.5再沸器進口管 18.05kg/kmol取管內(nèi)蒸汽流速，則再沸器進口管直徑 查化工流體流動與傳熱上冊 取再沸器進口管尺寸為，熱軋無縫鋼

22、管 ，標準型號為YB-231-6410. 泵的選型計算10.1進料液泵該工藝流程具有兩個主要的泵裝置，一個為進料泵，負責把液體打進填料塔；另一個為回流泵，負責把回流液打回塔內(nèi)重新進行精餾。由于所設(shè)計的泵用于輸送化工液體，與一般泵不同，它要求泵操作方便，運行可靠，性能良好和維修方便。泵的選型首先要根據(jù)被輸送物料的基本性質(zhì)，包括相態(tài)、溫度、粘度、密度、揮發(fā)性和毒性等，還要考慮生產(chǎn)的工藝過程、動力、環(huán)境和安全要求等條件。因為料液腐蝕性較小，粘度小，溫度不高，流量小，揚程高，故可采用旋渦泵。進料泵最小揚程=提餾段填料層高度+塔底預留空間及裙座高揚程揚程時， 質(zhì)量濃度 質(zhì)量濃度 得：951.915流量

23、取安全系數(shù)1.3，查化工工藝手冊 選W型旋渦泵 32W30 流量為，揚程,轉(zhuǎn)速2900r/min,軸功率0.735KW，電機功率1.5KW.10.2回流泵同種條件下選取旋渦泵揚程料液經(jīng)冷凝后溫度為，查得下甲醇 水由 得 流量取安全系數(shù)1.3，查化工工藝手冊 選W型旋渦泵 25W25 流量為，揚程,轉(zhuǎn)速2900r/min,軸功率0.378KW，電機功率0.75KW.11.流量計選取化工過程中需經(jīng)常對物料進行流量和總量的測量。流量是指單位時間內(nèi)通過的物料量。所選依據(jù)主要為介質(zhì)的性質(zhì)及流量測量范圍。將料液由貯槽送往預熱器處需一個測量流量的流量計。轉(zhuǎn)子流量計結(jié)構(gòu)簡單、讀數(shù)方便、能量損失小，測量范圍寬。

24、料液在低壓及較低溫度下輸送，因此選用轉(zhuǎn)子流量計。料液流量1.75m3/h,查化工工藝設(shè)計手冊，選用LZB型玻璃轉(zhuǎn)子, 型號LZB-4, 測量比1:10，液體測量范圍110m3/h.回流液送往精餾塔處亦需流量計，采用轉(zhuǎn)子流量計?；亓饕毫髁?.7584 m3/h,查化工工藝設(shè)計手冊，選用LZB型玻璃轉(zhuǎn)子, 型號LZB-50, 測量比1:10，液體測量范圍0.44m3/h.12.溫度計選取溫度計可采用雙金屬溫度計，該溫度計適用測量中、低溫，可直接測量氣體、液體的溫度，具有易讀數(shù)、堅固耐用等特點。查化工工藝設(shè)計手冊，采用防護型號，選取WSS-401-F,公稱直徑為1200mm，測量范圍為0300?；蚋?/p>

25、據(jù)該設(shè)計任務，溫度范圍在150內(nèi)。根據(jù)文獻，可選用鎳鉻銅鎳(WRKK)型熱電偶,分度號為E,套管材料1Cr18Ni9Ti,外徑d=2mm,測量范圍0300,允差值3.最高使用溫度700,公稱壓力P500kgf/cm2。也可選用WRK240型隔爆鎳鉻銅鎳熱電偶,分度號E,結(jié)構(gòu)特征:固定螺紋安裝，測溫范圍0600,公稱壓力P100kgf/cm2。13.壓力計選取 壓力計選取，需考慮量程、精度、介質(zhì)性質(zhì)及使用條件等因素。安裝時，應力求避免振動和高溫的影響。量程為穩(wěn)定壓力（1/33/4）的量程上限。精度工業(yè)用在1.5級及2.5級。介質(zhì)無腐蝕性不易堵塞。壓力表安裝的地方，取壓管的內(nèi)墻面與設(shè)備或管道的內(nèi)壁應平整。無凸出物或毛刺以保證正確取得靜壓力。被測介質(zhì)溫度超過60時，取壓口至閥門見或閥門至壓力表間應有冷凝管?，F(xiàn)選用TG1200，測量范圍為01200mmH2O.精度等級1.5，最大工作壓力 6Kgf/cm2。設(shè)備一覽表序號設(shè)備名稱數(shù)量型號圖號，備注1填料塔12原料槽1JB1422-74R2200153原料液換熱器1FB325-5-40-2JF0014塔頂