0.6萬(wàn)噸年分離甲醇水混合液的填料精餾塔設(shè)計(jì)

1、0.6 萬(wàn)噸/年分離甲醇-水混合液的填料精餾塔設(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

2、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：精餾，填料塔，設(shè)備設(shè)計(jì) abstract distillation through reflux tech

3、nology to achieve the separation of high purity and high recovery operation in the production of antibiotics, methanol solvent washing crystal, washing the filtered waste methanol solvent, and then the methanol solvent distillation. the operation generally tower equipment, tower equipment is divided

4、 into two types, plate tower and packed tower. packed tower structure is simple, flexible devices, low pressure drop, hold less liquid, large production capacity, and high separation efficiency, corrosion resistance, and easy to handle and easy bubble, easy to thermal, easy to scale in the departmen

5、t of advantages, but also investment costs higher filler easy to plug the shortcomings. in recent years, due to the improvement of the packed tower structure, the development of new high-load packing, both to improve the tower through the capacity and separation efficiency while maintaining low pres

6、sure drop and stable performance characteristics. therefore, the packed tower has been extended to large-scale gas-liquid operations, in some cases instead of the traditional plate tower. in recent years, due to the improvement of the packed tower structure, the development of new, high-load packing

7、, not only improves the tower capacity and separation efficiency, while maintaining the pressure drop and small to stable performance. packed tower has been extended to the large vapor-liquid operations, in some cases instead of the traditional plate tower. domestic research in this area is less, ho

8、w to design a structured packing distillation tower has become an important issue, its own design, improvement of existing equipment conditions are more important. with the research and development of the packed tower, the excellent performance of the packed tower is bound to a large number of indus

9、trial production. keywords: distillation, packed tower, equipment design 目錄 前言前言.5 第一章第一章 填料塔的簡(jiǎn)介填料塔的簡(jiǎn)介.6 1.1 概述 .6 1.2 流程確定和說(shuō)明 .8 1.2.1 加料方式.8 1.2.2 進(jìn)料狀況.8 1.2.3 塔頂冷凝方式.8 1.2.4 回流方式.9 1.2.5 加熱方式.9 1.2.6 加熱器.9 第二章第二章 填料塔設(shè)計(jì)計(jì)算填料塔設(shè)計(jì)計(jì)算.10 2.1 操作條件與基礎(chǔ)數(shù)據(jù) .10 2.1.1 操作壓力.10 2.1.2 氣液平衡關(guān)系及平衡數(shù)據(jù).10 2.1.3 物料平衡計(jì)算.

10、11 2.2 填料塔工藝計(jì)算 .12 2.2.1 物料衡算.12 2.2.2 熱量衡算.13 2.2.3 理論板數(shù)計(jì)算.17 2.3 填料塔主要尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算 .17 2.3.1 塔頂條件下的流量及物性參數(shù).18 2.3.2 塔底條件下的流量物性參數(shù).19 2.3.3 進(jìn)料條件下的流量及物性參數(shù).19 2.3.4 精餾段流量及物性參數(shù).20 2.3.5 提餾段流量及物性參數(shù).22 2.4 填料的選擇 .24 2.5 塔徑和填料層計(jì)算 .24 2.5.1 塔徑設(shè)計(jì)計(jì)算.24 2.5.2 填料層計(jì)算.26 2.6 附屬設(shè)備及主要附件的選型計(jì)算 .28 2.6.1 冷凝器.28 2.6.2 加熱器.

11、28 2.6.3 塔內(nèi)管徑的計(jì)算及選型.29 2.6.4 液體分布裝置.30 2.6.5 除沫器.32 第三章第三章 精餾塔主要設(shè)計(jì)參數(shù)匯總表精餾塔主要設(shè)計(jì)參數(shù)匯總表.32 第四章第四章 總結(jié)總結(jié).34 致謝致謝.35 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).36 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

12、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.拉西首先采用高度與直徑相等的陶瓷環(huán) 填料（現(xiàn)稱(chēng)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 30 年來(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。現(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,

13、 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。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)。 第一章 填料塔的簡(jiǎn)介 1.1

14、 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 。 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)

15、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/

16、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

17、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?。本設(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盍鳌?氣相湍動(dòng)

18、，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 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

19、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。 1.2.2 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。 1.2.3 塔頂冷凝方式 塔頂冷凝采用全凝器，用水冷凝。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)

20、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。 1.2.4 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。 1.2.5 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

21、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。 1.2.6 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?塔內(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)。 第二章 填料塔設(shè)計(jì)計(jì)算 2.1 操作條件與基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 2.1.1 操作壓力 精餾操作按操作壓力分為常壓、加壓和減壓操作。精餾操作中壓力影響非常大。 當(dāng)壓力增大時(shí)，混合液的相對(duì)揮發(fā)度將減小，對(duì)分離不利；當(dāng)壓力減小時(shí)，相對(duì)揮 發(fā)度將增大，對(duì)分離有利。但當(dāng)

22、壓力不太低時(shí)，對(duì)設(shè)備的要求較高，設(shè)備費(fèi)用增加。 因此在設(shè)計(jì)時(shí)一般采用常壓蒸餾。當(dāng)常壓下無(wú)法完成操作時(shí)，則采用加壓或減壓蒸 餾。對(duì)于甲醇-水系統(tǒng)在常壓下相對(duì)揮發(fā)度相差較大，較易分離，故本設(shè)計(jì)采用常壓 精餾。 2.1.2 氣液平衡關(guān)系及平衡數(shù)據(jù) 表表 2-12-1 甲醇甲醇- -水溶液的平衡數(shù)據(jù)（水溶液的平衡數(shù)據(jù)（101.3kpa101.3kpa） 平衡溫度 t 10092.990.388.985.081.678.0 液相甲醇 x 0 5.317.769.2613.1520.8328.18 氣相甲醇 y 0 28.3440.0143.5354.5562.7367.75 平衡溫度 t 76.7 73

23、.872.771.370.066.964.7 液相甲醇 x 33.33 46.2052.9259.3768.4987.411.00 氣相甲醇 y 69.18 77.5679.7181.8384.9291.941.00 2.1.3 物料平衡計(jì)算 (1)物料衡算 已知： 6000f t,%70 x , %98 dx , %2 wx （質(zhì)量百分?jǐn)?shù)） ， kmolkgm hch /04.32 0 3 ， kmolkgm oh /02.18 2 摩爾分?jǐn)?shù)： %8 .56 02.183004.3270 04.3270 f x （2-1） %5 .96 02.18204.3298 04.3298 d x （

24、2-2） %13. 1 02.189804.322 04.322 w x （2-3） 進(jìn)料平均相對(duì)分子質(zhì)量: kmolkgm/26.0618.020.43204.32568 . 0 (2)根據(jù)甲醇和水的氣液平衡表 1，利用內(nèi)插法求塔頂溫度 ld t , vd t , 塔釜溫度 w t ,進(jìn)料溫度 f t 。 塔頂溫度 ld t , vd t 1 31.65 9 . 66 7 . 64 9 . 66 41.87100 41.875 .96 ld ld t t 66.65 9 . 92100 7 . 64 94.91100 5 . 96100 vd vd t t 塔釜溫度 w t 2 49.98

25、9 .92100 100 31 . 5 0 13 . 1 0 w w t t 進(jìn)料溫度 f t 3 86.71 7 . 72 7 . 72 3 . 71 92.52 8 . 56 92.5237.59 f f t t 回流比確定 由圖可知進(jìn)料平衡曲線為不正常平衡曲線，作圖求最小回流比 min r 由點(diǎn) a( dd xx , )向平衡線作切線，交軸于 b（ 8 . 31, 0 ） ，精餾段操作線截距 8 . 31 1 r xd ,所 以 1 5 . 96 min r =31.8 所以 03 . 2 min r 操作回流比可取為最小回流比的 1.1 到 2.0 倍 所以，回流比確當(dāng)為 05 . 3

26、 r 平均相對(duì)揮發(fā)度 =4.35 2.2 填料塔工藝計(jì)算 2.2.1 物料衡算 已知： 6000f t，年開(kāi)工 300 天， kmolkg /26.06m 1 進(jìn)料摩爾流量： 43 0.6 1010 /31.98/ 300 24 26.06 fkmol hkmol h （2-4） % 8 . 56 f x , %5 .96 d x , 1.13% w x 總物料衡算： w df 易揮發(fā)組分衡算： wdf wxdxfx 解得: 18.668/dkmol h 13.312/wkmol h 塔頂產(chǎn)品的平均相對(duì)分子質(zhì)量 2 kmolkgm/549.31% 5 . 96102.18%5 .9604.32

27、）（ （2-5） 塔頂產(chǎn)品流量： 18.668 31.549588.957/dkg h （2-6） 塔釜產(chǎn)品的平均相對(duì)分子質(zhì)量 3 kmolkgm/178.18%)013. 11 (02.18%13 . 1 04.32 （2-7） 塔釜產(chǎn)品流量: 13.312 18.187241.799/wkg h 830.756/fdwkg h 物料衡算結(jié)果匯總?cè)缦?4 表 2-2 物料衡算結(jié)果表 參數(shù)單位進(jìn)料 f塔頂 d塔釜 w kg/h830.756588.957241.799 物料流量 kmol/h31.9818.66813.312 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 70%98%2% 百分組成 摩爾分?jǐn)?shù) 56.83%96.5

28、%1.13% 2.2.2 熱量衡算 （1） 熱量衡算 加熱介質(zhì)和冷卻劑的選擇 1 a. 加熱介質(zhì)的選擇 常用的加熱介質(zhì)有飽和水蒸氣和煙道氣。飽和水蒸氣是一種應(yīng)用最廣的加熱劑。 由于飽和水蒸氣冷凝時(shí)的傳熱膜系數(shù)很高，可以通過(guò)改變蒸汽的壓力準(zhǔn)確地控制加 熱溫度。燃料燃燒所排放的煙道氣溫度可達(dá) 1001000，適用于高溫加熱。缺點(diǎn) 是煙道氣的比熱容及傳熱膜系數(shù)很低，加熱溫度控制困難。本設(shè)計(jì)選用 300kpa（溫 度為 133.3）的飽和水蒸氣作加熱介質(zhì)，水蒸氣易獲得、清潔、不易腐蝕加熱管， 不但成本會(huì)相應(yīng)降低，塔結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜。 b. 冷卻劑的選擇 常用的冷卻劑是水和空氣，應(yīng)因地制宜加以選用。受當(dāng)?shù)貧?/p>

29、溫限制，冷卻水一 般為 1025。如需冷卻到較低溫度，則需采用低溫介質(zhì)，如冷凍鹽水、氟利昂等。 本設(shè)計(jì)建廠地區(qū)為沈陽(yáng)。沈陽(yáng)市夏季最熱月份日平均氣溫為 24。故選用 24 的冷卻水，選升溫 10，即冷卻水的出口溫度為 34。 (2) 冷凝器的熱負(fù)荷 冷凝器的熱負(fù)荷 ) ldvdc iidq（) 1(r （2-8） 式中: vd i 塔頂上升蒸汽的焓； ld i 塔頂餾出液的焓。 水甲 （ vdvdldvd hxhxii)1 （2-9） 式中： 甲v h 甲醇的蒸發(fā)潛熱； 水v h 水的蒸發(fā)潛熱。 蒸發(fā)潛熱與溫度的關(guān)系： 38 . 0 1 2 12 1 1 r r v t t hh 其中 r t

30、對(duì)比溫度。 表 2-3 沸點(diǎn)下蒸發(fā)潛熱列表 沸點(diǎn)/ 蒸發(fā)潛熱 v h /（kcalkmol-1） /ktc 甲醇 64.658430512.6 水 1009729647.3 由沃森公式計(jì)算塔頂溫度下的潛熱 38 . 0 1 2 12 1 1 r r t t hh （2-10） 65.66時(shí)，對(duì)甲醇： 2 2 273.1565.66 0.661 512.6 r c t t t 1 1 273.1564.7 0.659 512.6 r c t t t 蒸發(fā)潛熱 kmolkcalhv/177.8411 659. 01 661 . 0 1 8430 38 . 0 甲 對(duì)水，同理得： 523 . 0 2

31、 r t ， 576 . 0 1 r t 蒸發(fā)潛熱 kmolkcalh/338.10174 576 . 0 1 523. 01 9729 38 . 0 水 對(duì)全凝器作熱量衡算（忽略熱量損失） ) 1)(riidq ldvdc （ 選擇泡點(diǎn)回流，因?yàn)樗敿状己亢芨?，與露點(diǎn)相接近，所以 水甲 （ vdvdldvd hxhxii)1 （2-11） 代入數(shù)據(jù)得： kmolkcalii ldvd /888.8472338.10174)965 . 0 1 (117.8411965 . 0 (3.05 1) 18.668 8472.888640596.086/ c qkcal h (3) 冷卻介質(zhì)消耗量

32、21 640596.086 64059.6086/ ()1 (3424) c c pc q wkg h ctt (4) 加熱器的熱負(fù)荷及全塔熱量衡算 選用 300kpa（溫度為 133.3）的飽和水蒸氣為加熱介質(zhì) 計(jì)算甲醇、水在不同溫度下混合的比熱容單位：kcal/ (kg) 表 2-4 甲醇和水在不同溫度下的比熱容 溫度/ 65.3171.86 平均值 98.5271.86 平均值 甲醇/ p1 c 0.7200.7420.7310.8310.7420.787 水/ p2 c 111111 0.731 0.980.02 1(65.31 71.86)4.82/ p c dtkcal kg kg

33、kcaldtcp/574.26)86.7152.98(1)02. 01 (02 . 0 789 . 0 根據(jù)表 2-2， 588.957/dkg h , 241.799/wkg h 588.957 ( 4.82)2838.77/ dpp qd c dtd ctkcal h 241.791 26.5476418.83/ wpp qw c dtw ctkcal h 對(duì)全塔進(jìn)行熱量衡算： cwdsf qqqqq （2-12） 為了簡(jiǎn)化計(jì)算，以進(jìn)料焓，即 88.55時(shí)的焓值為基準(zhǔn)做熱量衡算 fcwds qqqqq （2-13） 2838.776418.83640596.0860 5 6.44 10/k

34、cal h 塔釜熱損失為 10%，則 9 . 0 ，則 5 5 6.44 10 7.16 10/ 0.9 s s q qkcal h 式中 s q 加熱器理想熱負(fù)荷； s q 加熱器實(shí)際熱負(fù)荷； d q 塔頂餾出液帶出熱量； w q 塔底帶出熱量。 加熱蒸汽消耗量 kgkcalh/ 1 . 2168 水蒸汽 (333k,300kpa) 5 4.174 10 1387.02/ 2168.14.2 s h q wkg h h 水蒸汽 表 2-5 熱量衡算數(shù)據(jù)結(jié)果列表 /kcal.h-1 /kg.h-1 /kcal.h -1 /kcal.h-1 /kcal.h -1 /kcal. h-1 /kg.

35、h-1 5 6.41 10 4 6.41 100-2838.776418.83 5 7.16 10808.57 2.2.3 理論板數(shù)計(jì)算 由于本次設(shè)計(jì)的相對(duì)揮發(fā)度是變化的，所以不能用簡(jiǎn)捷法求理論板數(shù)，應(yīng)用圖解法。 精餾段操作線方程 11 r x x r r y d 截距 238. 0 105 . 3 965. 0 1 r xd 連接（ dd xx , ）,( 1 , 0 r xd )與 q 線交于 d 點(diǎn)，連接（ ww xx , )與 d 點(diǎn)，得提留段操作 線 。 求得理論塔板數(shù) 10，提留段 3 塊，精餾段 7 塊。 2.3 填料塔主要尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算 精餾塔設(shè)計(jì)的主要依據(jù)和條件 : 表 2-

36、6 不同溫度下甲醇和水的密度 密度 kg/m3 物質(zhì) 溫度/ 50 60708090100 甲醇 750741731721713704 水 988983978972965958 表 2-7 查圖整理得甲醇-水特殊點(diǎn)粘度 粘度 mpas 物質(zhì) 塔頂 65.31塔底 98.52 進(jìn)料 71.86 甲醇 0.3320.2250.295 水 0.4550.2560.410 2.3.1 塔頂條件下的流量及物性參數(shù) 965. 0 d x ， 98 . 0 d x ， 18.668/dkmol h 氣相平均相對(duì)分子質(zhì)量 1 kmolkgxmxmm ddvd /55.31)965 . 0 1 (02.1896

37、5 . 0 04.32)1 ( 水甲 液相平均相對(duì)分子質(zhì)量 2 kmolkgmm vdld /55.31 氣相密度 3 3 0 0 /135 . 1 31.6515.273 15.273 4 .22 55.31 4 .22 mkg p p t tmvd vd 液相密度 4 31.65 ld t ,查表 2-7，由內(nèi)插法得： 33 /34.980,/69.735mkgmkg 水甲 34.980 02 . 0 69.735 98 . 0 1 水 水 甲 甲 xx ld 所以 3 /38.739mkg ld 液相粘度 5 查表 2-7 得： 31.65 ld t ， smpasmpa455. 0,3

38、32 . 0 水甲 smpaxx ddld 336 . 0 )965 . 0 1 (455. 0965 . 0 332. 0)1（ 水甲 塔頂出料口質(zhì)量流量 6 18.668 31.55588.975/dkg h 表 2-8 塔頂數(shù)據(jù)結(jié)果表 1 kmolkg mld 1 kmolkg mvd 3 mkg vd 3 mkg ld smpa ld )/( 1 hkmol d流量 31.5531.551.135739.380.33618.668 2.3.2 塔底條件下的流量物性參數(shù) 0113 . 0 w x ， 02. 0 w 液相相對(duì)分子質(zhì)量： 1 kmolkgmmm vwlw /.18 水 氣相

39、密度： 52.98 w t 2 3 0 0 /591 . 0 52.9815.273 15.273 4 . 22 18 4 . 22 mkg p p t tmvw vw (2-14) 液相密度： 52.98 w t 100 3 視同純水，查表 2-6， 3 lw /958mkg 水 液相粘度 4 查表 2-7 得： 52.98 w t , smpasmpa ld 256. 0,256 . 0 水 塔底流量 5 13.312 18239.616/wkg h 表 2-9 塔底數(shù)據(jù)結(jié)果表 1 kmolkg mlw 1 kmolkg mvw 3 mkg vw 3 mkg lw smpa lw )(/

40、11 hkmolhkg w ）質(zhì)量 流量 18.018.00.5919580.270239.616 13.312 2.3.3 進(jìn)料條件下的流量及物性參數(shù) 31.98/fkmol h ， % 8 . 56 f x ， 70 . 0 f 查表 2-1，得如下的平衡數(shù)據(jù)： (表頭和標(biāo)題) 52.92 56.8 59.37 79.71 y 81.83 由內(nèi)插法，得： 840 . 0 %00.84y 氣相平均相對(duì)分子質(zhì)量： 1 kmolkgymymm ffvf /80.29)84 . 0 1 (02.1804.32840. 0)1 ( 水甲 液相平均相對(duì)分子質(zhì)量 2 kmolkgxmxmm fflf /

41、98.25)568. 01 (02.18 4 . 32568. 0)1 ( 水甲 氣相密度 3 3 0 0 /05 . 1 86.7115.273 15.273 4 . 22 80.29 4 .22 mkg p p t tmvf vf 液相密度 4 由表 2-6 數(shù)據(jù)， 55.88 f t , 同上用內(nèi)插法，求出： 33 729.14/,976.88/kg mkg m 甲水 110.71 0.7 0.0013 729.14976.88 lf xx 甲甲 甲水 所以 3 /204.789mkg lf 液相粘度 5 查表 2-7 得： 86.71t ， smpasmpa405. 0,305 . 0

42、 水甲 smpaxx fflf 345 . 0 568. 01 (410. 0568 . 0 295 . 0 )1 (） 水甲 進(jìn)料流量 6 3 3 6000 10 833.33/ 300 24 fkg m 表 2-10 進(jìn)料數(shù)據(jù)結(jié)果表 符號(hào) 1 kmolkg mlf 1 kmolkg mvf 3 mkg vf 3 mkg lf smpa lf )/(/ )/( 11 hkmolhkg f 摩爾質(zhì)量 流量 數(shù)值 29.3725.981.04789.2040.348833.3331.98 2.3.4 精餾段流量及物性參數(shù) 氣相平均相對(duì)分子質(zhì)量： 1 kmolkg mm m vfvd vj /68

43、.30 2 80.2955.31 2 (2-15) 液相平均相對(duì)分子質(zhì)量： 2 kmolkg mm m lfld lj /79.28 2 98.2555.31 2 (2-16) 氣相密度： 3 3 /093. 1 2 05. 1135 . 1 2 mkg vfvd lj （2-17） 液相密度： 4 3 /29.764 2 204.78938.739 2 mkg lfld lj （2-18） 液相粘度： 5 smpa lfld lj 341 . 0 2 345. 0336. 0 2 （2-19） 氣相流量： 6 (118.668 (3.05 1)75.605/vd rkmol h） （2-20

44、） 75.605 30.462302.9283/vkg h 液相流量： 7 3.05 18.66856.94/lrdkmol h （2-21） 56.94 28.791639.30/lkg h 表 2-11 精餾段數(shù)據(jù)結(jié)果表 主 要 參 數(shù)提餾段 氣相平均相對(duì)分子質(zhì)量 )/ 1 kmolkgmv（ 30.68 液相平均相對(duì)分子質(zhì)量 )/ 1 kmolkgml（ 28.79 氣相密度 )/( 3 mkg v 1.093 液相密度 )/( 3 mkg l 764.29 氣相摩爾流量 / ) 1 hkg（ 75.605 氣相質(zhì)量流量/ )( 1 hkg 2302.93 液相粘度/ )(smpa 0.

45、341 液相摩爾流量/ )( 1 hkmol 56.94 液相質(zhì)量流量/ )( 1 hkg 1639.30 2.3.5 提餾段流量及物性參數(shù) 氣相平均相對(duì)分子質(zhì)量： 1 kmolkg mm m vfvw vt /69.23 2 188 .29 2 (2-22) 液相平均相對(duì)分子質(zhì)量： 2 kmolkg mm m lflw lf /99.21 2 1898.25 2 (2-23) 氣相密度： 3 kmolkg vfvw lt /60.873 2 204.789958 2 （2-24） 液相密度： 4 3 /82 . 0 2 591 . 0 05 . 1 2 mkg lflw vt （2-25）

46、液相粘度： 5 smpa lflw lt 30. 0 2 345 . 0 256. 0 2 （2-26） 氣相流量： 6 (175.605/vvqfvkmol h） （2-27） 75.605 23.691791.08/vkg h 液相流量： 7 31.9856.9488.92/lqflflkmol h （2-28） 88.92 21.991955.35/lkg h 表 2-11 提餾段數(shù)據(jù)結(jié)果表 主 要 參 數(shù)提餾段 氣相平均相對(duì)分子質(zhì)量 )/ 1 kmolkgmv（ 23.9 液相平均相對(duì)分子質(zhì)量 )/ 1 kmolkgml（ 21.99 氣相密度 )/( 3 mkg v 0.82 液相密

47、度 )/( 3 mkg l 873.6 氣相摩爾流量 / ) 1 hkg（ 75.605 氣相質(zhì)量流量/ )( 1 hkg 1791.08 液相粘度/ )(smpa 0.30 液相摩爾流量/ )( 1 hkmol 88.92 液相質(zhì)量流量/ )( 1 hkg 1955.35 2.4 填料的選擇 填料是填料塔的核心構(gòu)件，它提供了氣液兩相相接觸傳質(zhì)與傳熱的表面，與塔內(nèi)件 一起決定了填料塔的性質(zhì)。目前，填料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用仍是沿著散裝填料與規(guī)整填料 兩個(gè)方面進(jìn)行。 本設(shè)計(jì)選用規(guī)整填料，金屬板波紋 250y 型填料。 規(guī)整填料是一種在塔內(nèi)按均勻圖形排布、整齊堆砌的填料，規(guī)定了氣液流路， 改善了溝流和壁流現(xiàn)

48、象，壓降可以很小，同時(shí)還可以提供更大的比表面積，在同等 溶劑中可以達(dá)到更高的傳質(zhì)、傳熱效果。 與散裝填料相比，規(guī)整填料結(jié)構(gòu)均勻、規(guī)則、有對(duì)稱(chēng)性，當(dāng)與散裝填料有相同 的比表面積時(shí)，填料空隙率更大，具有更大的通量，單位分離能力大。 250y 型波紋填料是最早研制并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的板波填料，它具有以下特點(diǎn)： （1）比表面積與通用散裝填料相比，可提高近 1 倍，填料壓降較低，通量和傳質(zhì)效 率均有較大幅度提高。 （2）與各種通用板式塔相比，不僅傳質(zhì)面積大幅度提高，而且全塔壓降及效率有很 大改善。 （3）工業(yè)生產(chǎn)中氣液質(zhì)均可能帶入“第三相”物質(zhì)，導(dǎo)致散裝填料及某些板式塔無(wú) 法維持操作。鑒于 250y 型填

49、料整齊的幾何結(jié)構(gòu)，顯示出良好的抗堵性能，因而能在 某些散裝填料塔不適宜的場(chǎng)合使用，擴(kuò)大了填料塔的應(yīng)用范圍。 鑒于以上 250y 型的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用 mellapok-250y 型填料，因本設(shè)計(jì)塔中壓 力很低。 2.5 塔徑和填料層計(jì)算 2.5.1 塔徑設(shè)計(jì)計(jì)算 (1) 精餾段塔徑計(jì)算 由氣速關(guān)聯(lián)式 8 1 4 1 2 . 0 3 2 75 . 1 lg l g l l gf g l a a g u （2-29） 式中： 3 a 干填料因子； l 液體粘度， smpa ； a 常數(shù)，250y 型為 0.291； gl, 液體、氣體質(zhì)量流量， hkg / ； gl , . 液體、氣體密度, 3

50、/ mkg ； g 重力加速度， 2 /sm 。 已知： 3 /093 . 1 mkg g ， 3 /29.764mkg l ， 1639.30/lkg h ， 2302.93/gkg h ， smpa l 341. 0 ， 97 . 0 ， 32 /250mma ， 291 . 0 a , 2 /8 . 9smg 代入式中求解得： 3.486/ f um s 空塔氣速： 0.50.5 3.4861.743/ f uum s 6 .68 2 31.6586.71 2 df tt t 體積流量： 3 3 5 75.605 8.314 (68.6273.15) 10 0.546/ 1.093 10

51、3600 s vms 塔徑: 44 0.546 0.632 3.14 1.743 s v dm u 圓整后： 700dmm ，空塔氣速 1.42/um s 提餾段塔徑計(jì)算 已知： 3 /82. 0mkg v ， 3 /69.873mkg l ， 1955.35/lkg h ，v=1791.08 hkg / 8 1 4 1 2 . 0 3 2 75 . 1 lg l g l l gf g l a a g u 11 2 48 0.2 3 2500.821955.350.82 lg0.300.291 1.75 9.80.97873.601791.38873.60 f u 解得： 4.10/ f um

52、 s 空塔氣速 0.50.5 4.102.05/ f uum s 19.85 2 52.9886.71 2 wf tt t 體積流量： 3 3 5 75.605 8.314 (85.19273.15) 10 0.762/ 0.82 103600 s vms （2-30） 塔徑: 44 0.762 0.688 3.14 2.05 s v dm u （2-31） 圓整后： 700dmm ，空塔氣速 1.98/um s （3）選取整塔塔徑 提餾段和精餾段塔徑圓整后 d=700mm，為精餾塔的塔徑。 2.5.2 填料層計(jì)算 (1) 填料層高度 3 1.42/ ,1.093/ vv um skg m 所

53、以：氣動(dòng)因子 1 3 2 1.421.0931.485/ jvv fukg m 查得p/z=1.07010 2 (pa/m) ）（ ）（ ）（ 精 精 精 m ntsm n z t 5 . 2 8 . 2 7 )( 精餾段總壓降p精=（p/z） 精 z =1.070 pa 22 1068 . 2 5 . 210 （2-32） 提餾段 3 1.98/ ,0.82/ vv um skg m 1 3 2 1.980.821.793/ ggv fukg m 查得p/z=0.9610 2 (pa/m) ）（ ）（ ）（ 提 提 提 m ntsm n z t 07. 1 81 . 2 3 )( （2-33

54、） 精餾段總壓降p提=（p/z） 提 z =0.96 pa 22 1002 . 1 07 . 1 10 (2) 填料層總壓降 填料層的總壓降為： pappp 22 107 . 31002 . 1 68 . 2 ）（ 提精 （2-34） (3) 填料總高度 mzzz57 . 3 07. 15 . 2 提精 （2-35） (4) 填料層高度和壓降計(jì)算匯總?cè)缦?表 2-12 填料層高度和壓降計(jì)算結(jié)果表 參 數(shù) 精餾段提餾段全塔 氣動(dòng)因子/ 2 1 3) /(mkg 1.4851.793 壓降 mpa/ 2 10070 . 1 2 1096 . 0 2 1003. 2 總壓降 pa/ 2 1068 .

55、 2 2 1002 . 1 2 107 . 3 填料層高度 m/5 . 2 1.07 57 . 3 2.6 附屬設(shè)備及主要附件的選型計(jì)算 2.6.1 冷凝器 本設(shè)計(jì)冷凝器采用重力回流直立或管殼式冷凝器。對(duì)于蒸餾塔的冷凝器， 一般選用列管式，空冷凝螺旋板式換熱器。因本設(shè)計(jì)冷凝器與被冷凝流體溫差不大， 所以選用管殼式冷凝器，被冷凝氣體走管間，以便于及時(shí)排出冷凝液。 冷卻水循環(huán)與氣體方向相反，即逆流式。當(dāng)氣體流入冷凝器時(shí)，使其液膜厚度減薄， 傳熱系數(shù)增大，利于節(jié)省面積，減少材料費(fèi)。取冷凝器傳熱系數(shù) hmkcalk 2 /(550 ） 沈陽(yáng)地區(qū)夏季最高平均水溫 24，溫升 10 逆流：t： 65.31

56、65.16 t： 2434 99.35 2431.65 3416.65 ln )2431.65()3416.65( ln 1 2 12 t t tt tm （2-36） 傳熱面積： 2 640596.086 32.36 550 35.99 c m q am kt 冷凝器選型如下： 表 2-13 冷凝器的選型參數(shù)值表 公稱(chēng)直徑/mm管程數(shù)管數(shù)管長(zhǎng)/mm換熱面積/m2公稱(chēng)壓力/mpa 7001179300040/41.750.6 2.6.2 加熱器 選用 u 型管加熱器，經(jīng)處理后，放在塔釜內(nèi)。蒸汽選擇 130飽和水蒸氣，傳熱系 數(shù) hmkcalk 2 /(1000 ） 。 3 .33100 3 .

57、 133t 由表 2-5 得 hkcalqs/1075 . 3 5 5 2 7.16 10 21.50 1000 33.3 s q am kt （2-37） 2.6.3 塔內(nèi)管徑的計(jì)算及選型 (1) 進(jìn)料管 44 833.33 0.0249 36003600 3.14 0.6 789.24 f flf f dm w （2-38） 經(jīng)圓整 25 f dmm 22 sd 內(nèi)管 11 sd 外管 r1 h 2 h內(nèi)管重（kg/m） 25 35 . 37 . 5501201501.11 回流管 對(duì)于直立回流一般 0.20.5m/s,取 smwr/40 . 0 44 1939.30 0.044 3600

58、3600 3.14 0.4 764.29 r rlj v dm w （2-39） 取正后 50 r dmm 22 sd 內(nèi)管 11 sd 外管 r1 h 2 h內(nèi)管重（kg/m） 50 3476751201501.63 (3) 塔頂蒸汽接管 操作為常壓，取蒸汽速度 smwv/20 ，則蒸汽接管直徑為： 44 2302.93 0.193 36003600 3.14 20 1.093 v vv v dm w （2-40） 經(jīng)圓整后 v d = mm194 22 sd 內(nèi)管 11 sd 外管 r1 h 2 h內(nèi)管重（kg/m） 194 5226 5.532515020010.26 (4) 塔釜出料

59、取塔釜流出液體速度 smwv/6 . 0 ，則出料接管直徑為： 44 239.616 0.0127 36003600 3.14 0.6 873.60 w wl w dm w （2-41） 經(jīng)圓整選取 13 w dmm 22 sd 內(nèi)管 11 sd 外管 r1 h 2 h內(nèi)管重（kg/m） 13 357 3.5501201501.11 2.6.4 液體分布裝置 液體分布器的選型 液體分布裝置的種類(lèi)多樣，有噴頭式、盤(pán)式、槽式或槽盤(pán)式等。工業(yè)應(yīng)用以管式、 槽式及槽盤(pán)式為主。 采用蓮蓬頭式噴淋器。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，安裝簡(jiǎn)便。 回流液分布器 流速系數(shù)取 0.820.5，h 取 0.06 )/(89 .

60、 0 06 . 0 81. 9282. 02smghw （2-42） 小孔輸液能力計(jì)算 42 1639.30 5.96 10 (/ ) 3600764.29 3600 l l qms （2-43） 4 42 5.96 10 8.17 10 (/ ) .0.82 0.89 q fms w 2 102.87103() 4 f n d 孔 式中 小孔輸液能力。小孔直徑取 推動(dòng)力液柱 小孔數(shù)；小孔點(diǎn)面積； ；孔系數(shù)取小孔流速， qmmd mmhh nf smw ;3 ;60 82. 0;/ 噴灑球面中心到填料表面距離計(jì)算 22 2 sin2 cot w gr rh （2-44） 式中 噴射角。噴射圓周