甲醇水填料塔精餾課程設(shè)計(jì)! 完整版

1、摘要：本說明書介紹了甲醇水溶液填料精餾塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容包括了此次課程設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)編程最佳回流比的優(yōu)化計(jì)算、塔的主要尺寸設(shè)計(jì)（包括塔板的板面設(shè)計(jì)、阻力損失等）、輔助設(shè)備選型、填料精餾塔圖紙的繪制等若干重要環(huán)節(jié)。本文詳細(xì)闡述了設(shè)計(jì)的思路，計(jì)算貫穿在整個(gè)設(shè)計(jì)中，最后得出一定條件下的最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并在附錄中填加了優(yōu)化設(shè)計(jì)的程序清單。關(guān)鍵詞：甲醇精餾；填料塔；優(yōu)化設(shè)計(jì)1 前言本次課程設(shè)計(jì)任務(wù)為設(shè)計(jì)一甲醇水溶液填料精餾塔，要求處理量： 20000（噸/年）、料液濃度：15%（wt%）、產(chǎn)品濃度：99.5%（wt%）、回收率： 99.9%、填料類型：鮑爾環(huán)、每年實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間：7200小時(shí)/年。通過對(duì)

2、甲醇水填料精餾塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出對(duì)于一定工藝要求的最優(yōu)化方案，從而達(dá)到節(jié)能和節(jié)省費(fèi)用的目的。在化工生產(chǎn)中，精餾是最常用的單元操作,，是分離均相液體混合物的最有效方法之一。在化學(xué)工業(yè)中，總能耗的40%用于分離過程，而其中的95%是精餾過程消耗的因此，有必要開辟多種途徑來回收利用余熱，降低再沸器能耗，實(shí)現(xiàn)精餾節(jié)能。同時(shí)，精餾所需費(fèi)用在生產(chǎn)裝置的總投資及操作費(fèi)中占了相當(dāng)大的比例。當(dāng)今世界對(duì)甲醇的需求量極大，而甲醇的精餾也越來越受到重視，因此甲醇的精餾的研究也越來越重要。甲醇精餾塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)無論是對(duì)節(jié)省投資，還是降低能耗，都具有非常重要的意義。為了使填料塔的設(shè)計(jì)獲得滿足分離要求的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)(如理論板

3、數(shù)、熱負(fù)荷等) 和最優(yōu)操作工況(如進(jìn)料位置、回流比等) ,準(zhǔn)確地計(jì)算出全塔各處的組分濃度分布(尤其是腐蝕性組分) 、溫度分布、汽液流率分布等,常采用高效填料塔成套分離技術(shù)。而且,20 世紀(jì)80 年代以來,以“高效填料及塔內(nèi)件”為主要技術(shù)代表的新型填料塔成套分離工程技術(shù)在國(guó)內(nèi)受到普遍重視。由于其具有高效、低阻、大通量等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于化工、石化、煉油及其它工業(yè)部門的各類物系分離。進(jìn)入20 世紀(jì)90 年代,高效填料塔成套分離工程技術(shù)開始向行業(yè)化、復(fù)合化、節(jié)能化、大型化方向發(fā)展,如復(fù)合塔。所謂復(fù)合塔(Compound Tray) 是指人們將塔板與填料有機(jī)地結(jié)合起來而形成的一種新型塔板。其目的在于將塔

4、板的優(yōu)點(diǎn)和填料的優(yōu)勢(shì)加以互補(bǔ)。此種復(fù)合塔具有效率高、通量大及壓降小的性能。在國(guó)內(nèi),復(fù)合塔板已在溶劑回收、酒精、丙酮和甲醇精餾中成功應(yīng)用。實(shí)踐證明，對(duì)于甲醇精餾分離能力，不能僅依靠高效能的塔內(nèi)件應(yīng)用于塔內(nèi)以達(dá)到降低能耗，而甲醇精餾工藝流程的改進(jìn)也可以明顯降低能耗2 方案論證2.1 精餾塔類型本次設(shè)計(jì)采用填料塔精餾。精餾是氣液兩相之間的傳質(zhì)過程，而傳質(zhì)過程是由能提供氣液兩相充分接觸的塔設(shè)備完成，并要求達(dá)到較高的傳質(zhì)效率。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸部件的結(jié)構(gòu)型式，可分為板式塔與填料塔兩大類。板式塔內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量塔板，氣體以鼓泡或噴射形式穿過板上液層進(jìn)行質(zhì)量、熱量傳遞，氣液相組成呈階梯變化，屬于逐級(jí)接觸逆流操作

5、過程。填料塔內(nèi)裝有一定高度的填料層，液體自塔頂填料表面下流，氣體逆流而上，（也有并流向下者）與液相接觸進(jìn)行質(zhì)量、熱量傳遞,氣液相組成沿塔高連續(xù)變化,屬于微分接觸操作過程4.工業(yè)對(duì)塔設(shè)備的主要要求：生產(chǎn)能力大；傳質(zhì)、傳熱效率高；氣流的摩擦阻力小；操作穩(wěn)定，適應(yīng)性強(qiáng)，操作彈性大；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料耗用量少；制造安裝容易，操作維修方便。此外還要求不易堵塞、耐腐蝕等。實(shí)際上，任何塔設(shè)備都難以滿足上述要求，因此，設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)塔型特點(diǎn)、物系性質(zhì)、生產(chǎn)工藝條件、操作方式、設(shè)備投資、操作與維修費(fèi)用等技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等因素，依矛盾的主次，綜合考慮，選擇適宜的塔型。2.2 精餾壓力塔的操作壓力的選擇實(shí)際上是塔

6、頂和培底溫度的選取問題5。在塔頂產(chǎn)品的組成被決定以后，塔頂?shù)臏囟群蛪毫χ荒苓x定一項(xiàng)。精餾操作通?？稍诔骸p壓和加壓下進(jìn)行。確定操作壓力時(shí)，必須根據(jù)所處理的物料性質(zhì)，兼顧技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性進(jìn)行全面考慮。操作壓力常取決于冷凝溫度。一般除熱敏性物料外，凡通過常壓蒸餾不難實(shí)現(xiàn)分離要求，并能用江河水或循環(huán)水將餾出物冷凝下來的系統(tǒng)，都應(yīng)采用常壓蒸餾；對(duì)熱敏性物料或混合液沸點(diǎn)過高的系統(tǒng)則宜采用減壓蒸餾；對(duì)常壓下餾出物的冷凝溫度過低的系統(tǒng)，需提高塔壓或采用深井水、冷凍鹽水作為冷卻劑；而常壓下呈氣態(tài)的物料必須采用加壓蒸餾。例如苯乙烯常壓沸點(diǎn)為145.2,而將其加熱到102以上就會(huì)發(fā)生聚合，故苯乙烯

7、應(yīng)采用減壓蒸餾；脫丙烷、丙烯塔操作壓力提高到1765kPa時(shí)，冷凝溫度約50，便可用江河水或循環(huán)水進(jìn)行冷凝冷卻，則運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用減少6. 本次設(shè)計(jì)的對(duì)像為甲醇水溶液物系，故采用常壓精餾。2.3 進(jìn)料方式進(jìn)料可以是過冷液體(1)、飽和液體(1)、氣液兩相(1o)、飽和蒸氣(o)或過熱蒸汽(o)。不同的進(jìn)料狀態(tài)對(duì)塔的熱負(fù)荷、塔徑和所需的培板數(shù)都有影響，但進(jìn)料狀態(tài)主要取決于系統(tǒng)的前一工序的物料狀態(tài)。從設(shè)計(jì)的角度來看，飽和液體進(jìn)料時(shí)，精餾段和提餾段的氣液流率基本相近，兩段塔徑可以相同以便于設(shè)汁和制造，操作上也比較容易控制。因此，如果原料為過冷液體，可考慮加設(shè)原料預(yù)熱器，將料液預(yù)熱至泡點(diǎn)。從操作費(fèi)用的角度來看

8、，對(duì)于高溫精餾(即塔頂用冷卻水冷凝，塔釜用低壓蒸汽加熱)，當(dāng)值大時(shí)宜采用較小的值；當(dāng)值較小時(shí)宜采用值較大的氣液相混合進(jìn)料；對(duì)于低溫精餾(如塔頂用173K液態(tài)乙烯蒸發(fā)制冷，塔釜用273K丙烯蒸汽加熱)，不論值如何，均以采用較高的值為經(jīng)濟(jì)6。對(duì)于具體情況，需要綜合考慮設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用兩方面的因素。因此，本次設(shè)計(jì)采用泡點(diǎn)進(jìn)料方式。2.4 填料類型 填料的種類很多，根據(jù)裝填方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。散裝填料是一個(gè)個(gè)具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體，一般以隨機(jī)的方式堆積在塔內(nèi)，又稱為亂堆填料或顆粒填料。散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，又可分為環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料及球形填料等。較典型

9、的散裝填料有拉西環(huán)，鮑爾環(huán)，階梯環(huán)，矩鞍形、弧鞍形，環(huán)矩鞍形等。規(guī)整填料是按一定的幾何圖形排列，整齊堆砌的填科。規(guī)整填料種類很多，根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)可分為格柵填料、波紋填料、脈沖填料等，工業(yè)上應(yīng)用的規(guī)整填料絕大部分為波紋填料。波紋填料按結(jié)構(gòu)分為網(wǎng)波紋填料和板波紋填料兩大類，可用陶瓷、塑料、金同等材質(zhì)制造。規(guī)整填料其特點(diǎn)是壓降低、分離效率高，特別適用于精密精餾及真空精餾裝置，為難分離物系、熱敏性物系的精餾提供了有效的手段。盡管其造價(jià)高，但因性能優(yōu)良仍得到了廣泛的應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)填料采用鮑爾環(huán)，方式為亂堆。鮑爾環(huán)它的結(jié)構(gòu)是在普通拉西環(huán)的壁上開一層或兩層長(zhǎng)方形孔。開孔時(shí)，孔材不完全從環(huán)上斷開，而是斷開四邊

10、形的三條邊，保留另一邊，并使其開出舌狀彎向環(huán)的中心，幾乎在環(huán)中心對(duì)接起來。上下兩層孔的位置是錯(cuò)開的。般孔的面積為整個(gè)環(huán)壁的35左右。這樣氣、液體便可從一個(gè)個(gè)孔中流過，流通性能改善，對(duì)于同樣的孔隙率流動(dòng)阻力大為降低，環(huán)的內(nèi)表面積得以充分利用。只外，由于開孔后保留的舌片向中心彎去，所以液體的分布較為均勻，改進(jìn)了拉西環(huán)使液休向壁偏流的缺點(diǎn)。正固如此，與拉西環(huán)相比鮑爾環(huán)具有生產(chǎn)能力大、阻力小、效率局、操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)。2.5 加熱方式本次設(shè)計(jì)選用直接蒸加熱。塔釜料液的加熱方式可以是間接加熱或直接加熱。通常情況下，如果要求加熱的溫度低于180，一般都采用飽和水蒸氣作為加熱劑(也可以使用其他工序的熱載體)

11、。為了避免加熱蒸汽冷凝產(chǎn)生的冷凝水與塔內(nèi)的物料混合，塔底可設(shè)再沸器采用間接方式加熱，同時(shí)管線上應(yīng)安裝冷凝水排除器(疏水器)，以便在防止蒸汽逸出的情況下及時(shí)地排除冷凝水。如果精餾的物料是水溶液，水為難揮發(fā)組分，則可采用直接蒸汽加熱的方式，塔底只需設(shè)置簡(jiǎn)單的蒸汽分布管，不需要設(shè)置再沸器。如果塔底要求加熱的溫度超過了180左右，則應(yīng)考慮采用其他的高溫?zé)嵩矗鐭煹罋獾?。關(guān)于加熱蒸汽溫度的選擇，應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)效益，傳熱溫差不宜選取得過大，以能夠使跺腳傳熱維持在核狀沸騰階段為宜。過高的蒸汽溫度或壓力不僅不利于傳熱，而且還將導(dǎo)致設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用大大增加。2.6回流比的選擇適宜的回流比是指精餾過程中設(shè)備費(fèi)用與操

12、作費(fèi)用兩方面之和為最低時(shí)的回流比。精餾過程的主要設(shè)備費(fèi)用有精餾塔，再沸器和冷凝器，當(dāng)回流比最小時(shí)，塔板數(shù)為無窮大，故設(shè)備費(fèi)用最大，當(dāng)回流比略大于最小回流比時(shí)，塔板數(shù)便從無窮多銳減到某一值，塔的設(shè)備費(fèi)用隨之銳減，當(dāng)回流比繼續(xù)增大時(shí)，塔板數(shù)仍隨之減少，但已較緩慢。但是，由于回流比的增加，導(dǎo)致上升蒸氣量隨之增加，從而使塔徑、再沸器、冷凝器等尺寸相應(yīng)增大，設(shè)備費(fèi)用隨之上升。對(duì)特殊物系的場(chǎng)合，則應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選定回流比。在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)時(shí)，也可參考同類生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)值選定，必要時(shí)可選若干個(gè)R值，利用吉利蘭圖（簡(jiǎn)捷法）5求出對(duì)應(yīng)理論塔板，曲線，從中找出適宜操作回流比。3 數(shù)學(xué)模型的建立 優(yōu)化設(shè)計(jì)模型以填料精餾塔

13、年總費(fèi)用最低為優(yōu)化目標(biāo)，用菲波那契法求解單變量?jī)?yōu)化問題，回流比R為變量建立數(shù)學(xué)模型如下： 3-1式中 填料精餾塔年總費(fèi)用，元/年； 填料精餾塔塔體年投資折舊費(fèi)及維修費(fèi)用，元/年； 冷凝器年運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用，元/年； 再沸器年運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用或加熱蒸汽費(fèi)用，元/年； 填料年折舊費(fèi)用，元/年。3.1 精餾塔塔體年投資折舊費(fèi)及維修費(fèi)用 3-2式中0.06 精餾塔年維修費(fèi)用比率； 年折舊率；一般可取折舊年限58，=0.1250.2； 塔體費(fèi)用，元； 通貨膨脹系數(shù)，缺乏數(shù)據(jù)時(shí)按年增5%計(jì)算。其中塔體費(fèi)用為： 3-3其中： ，式中 塔質(zhì)量，kg；（化工系統(tǒng)工程基礎(chǔ)） 美元與人民幣兌換率； 塔高，m； 塔壁厚，m；常壓3m

14、m，可取5mm； 碳鋼密度，； 塔徑，m； 理論塔板數(shù)； 等板高度，m； 塔兩端高度，m；包括塔頂空間、塔底空間、裙座（常用化工單元設(shè)備的設(shè)計(jì)）、及塔內(nèi)件、進(jìn)料等空間的總和。 等板高度與許多因素有關(guān)，不僅取決于填料的類型和尺寸，而且受系統(tǒng)物性、操作條件及設(shè)備尺寸的影響。目前尚無準(zhǔn)確可靠的方法計(jì)算填料的等板高度，一般采用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定，或從工業(yè)應(yīng)用的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)中選取HETP值，或從填料手冊(cè)中查得。本次設(shè)計(jì)采用下式計(jì)算：式中 液體表面張力，N/m； 液體粘度，Pa.s。式中值見下表（吳俊生，邵惠鶴精餾設(shè)計(jì)、操作和控制北京：中國(guó)石化出版社1997）填料種類填料尺寸#25（1英寸）#40（1.5英寸）#

15、50（2英寸）金屬鮑爾環(huán)1.31041.57471.8380金屬矩鞍環(huán)1.31041.54991.7482陶瓷矩鞍環(huán)1.31041.59531.9029 根據(jù)以上方法求出HETP值后，還應(yīng)給出一定的安全系數(shù)，通常在以上求的HETP值基礎(chǔ)上增加10%30%的安全系數(shù)。3.2 冷凝器年運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用 3-4式中 冷卻水價(jià)格，元/kg；可取0.000120.0004； 冷卻水用量，kg/h； 年工作時(shí)間，h/a； 冷凝器價(jià)格回歸系數(shù)； 冷凝器價(jià)格回歸指數(shù)； 冷凝器壓力校正系數(shù)； 冷凝器材質(zhì)校正系數(shù)； 冷凝器傳熱面積，。3.3 再沸器年運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用直接蒸汽加熱 3-5式中 蒸汽價(jià)格，元/kg；可取0.030.0

16、5，常壓取0.030.035。3.4 填料年折舊費(fèi) 吸收塔填料費(fèi)與填料填充體積和填料類型有關(guān)，即 3-6式中 填料層高度，m； 填料單價(jià)，元/m3。4 數(shù)學(xué)模型的求解4.1數(shù)學(xué)模型決策變量分析在完成同樣任務(wù)要求的情況下，填料精餾塔系統(tǒng)的年總費(fèi)用越小越好，這也是優(yōu)化設(shè)計(jì)的最終目的。所以本次設(shè)計(jì)中以精餾塔系統(tǒng)的年總費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型，精餾塔系統(tǒng)的年總費(fèi)用包括填料精餾塔塔體年投資折舊費(fèi)及維修費(fèi)用、冷凝器年運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用、再沸器年運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用或加熱蒸汽費(fèi)用、填料年折舊費(fèi)用。其中因變量是回流比，通過確定一最適合回流比使年總費(fèi)用最小，從而達(dá)到求解。4.2 主要工藝參數(shù)的求解4.2.1 塔徑的計(jì)算 塔徑可按

17、照下式計(jì)算 3-7式中 汽相體積流量，m3/h； 空塔氣速，m/s，其中；TD 塔頂蒸汽的露點(diǎn)溫度，； 液泛分率，無因次，可取 0.50.8，一般在0.7左右較好。泛點(diǎn)氣速可采用由貝恩霍根公式6計(jì)算 3-8式中 與填料類型有關(guān)的常數(shù)，B-H常數(shù)； 液相質(zhì)量流率，kg/m2.s； 液相粘度，Pa.s； 干填料因子，1/m。或采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算，Kessler等人則將該圖回歸成如下表達(dá)式（較9式準(zhǔn)確，時(shí) 均，汪家鼎，余國(guó)琮，陳敏恒化學(xué)工程手冊(cè)北京：化學(xué)工業(yè)出版社1996）： 3-9式中 填料因子； 液相密度校正因子（非水系統(tǒng)需校正）； 汽相質(zhì)量流率，kg/m2.s。 注意點(diǎn)： （1）在

18、填料塔中不同位置的泛點(diǎn)氣速不同，故要對(duì)塔頂和塔底進(jìn)行比較； （2）表面張力的混合規(guī)則為：（、為兩組分）； （3）由于優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果還未得到，未得到；所以在計(jì)算以上參數(shù)時(shí)，回流比可以在區(qū)間內(nèi)選擇一適宜值，它對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果沒有影響，因?yàn)榈姆秶^大。4.2.2 理論塔板數(shù)的計(jì)算4.2.2.1 相平衡關(guān)系的表示 對(duì)理想溶液，其相平衡關(guān)系為：； 對(duì)非理想溶液，其相平衡關(guān)系可以從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中利用三次樣條插值得到或通過回歸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到相平衡關(guān)系表達(dá)式，其形式主要有：（余國(guó)琮式），（阮奇式）式中、 分別為液相和汽相的摩爾組成；、 相平衡關(guān)系回歸系數(shù)。常壓下甲醇水溶液的汽液相平衡數(shù)據(jù)可回歸成4.2.2.2 的計(jì)算（

19、全凝器） 注意點(diǎn)： （1） 6.4 填料塔壓降橫坐標(biāo)縱坐標(biāo)由文獻(xiàn)7查Ekert圖可得壓力降為8.8mmH2O/m7 附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型7.1 塔頂冷凝器7.1.1 初估冷凝器傳熱面積7.1.1.1 冷凝器傳熱量 7-1式中 冷凝器傳熱量，； 精餾段汽相流量，； 冷凝器中汽相冷凝潛熱，； 塔頂產(chǎn)品流量，；、 回流比和最佳回流比。由前面數(shù)據(jù)根據(jù)式7-1可得7.1.1.2 冷凝器傳熱推動(dòng)力在冷凝器中塔頂產(chǎn)品在露點(diǎn)溫度下由汽相冷凝成液相產(chǎn)品，故冷凝器傳熱屬于一側(cè)有相變化的情況，不論冷凝器是單管程還是多管程，其對(duì)數(shù)平均溫度差均以逆流時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫度差計(jì)算，不必進(jìn)行校正。 7-2式中 冷凝器傳熱推動(dòng)力，

20、； 冷凝器汽相（第一塊塔板汽相）露點(diǎn)溫度，； 冷凝器中冷卻水進(jìn)口溫度，； 冷凝器中冷卻水最佳出口溫度，。由前面數(shù)據(jù)根據(jù)式7-2可得 若，則冷凝器應(yīng)裝有溫度補(bǔ)償裝置或采用浮頭式換熱器。7.1.1.3 初估冷凝器傳熱面積 7-3式中 冷凝器傳熱面積，； 冷凝器總傳熱系數(shù)，。取=1400 kJ/(m2. .h) 代入式7-3得=43.54其中傳熱系數(shù)是在優(yōu)化設(shè)計(jì)中初估的，它不是冷凝器中傳熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值，所以計(jì)算的傳熱面積也是初估值，根據(jù)初估的面積，可以從換熱器系列表中選擇一臺(tái)適宜的換熱器。選擇一臺(tái)固定管板式列管換熱器，其尺寸為：公稱直徑D=500mm 公稱壓力P=1MPa管程數(shù)N=2 管子根數(shù)nt=

21、164換熱面積A=56.6 管長(zhǎng)L=4.5m 管子成正三角形排列 管子規(guī)格mm7.1.2 冷凝器選型7.1.2.1 冷凝器傳熱系數(shù)的校核 由于傳熱系數(shù)在優(yōu)化設(shè)計(jì)前預(yù)先初估，它與冷凝器傳熱系數(shù)的實(shí)際值必須吻合，否則，優(yōu)化設(shè)計(jì)就失去了實(shí)際意義。 7-4式中、 冷凝器管外、內(nèi)對(duì)流給熱系數(shù)，；、 冷凝器管外、內(nèi)污垢熱阻，； 冷凝器管壁導(dǎo)熱系數(shù)，；、 冷凝器管外、內(nèi)徑，m； 冷凝器管壁平均直徑，m； 冷凝器管壁厚度，m。 冷凝器總傳熱系數(shù)，；。根據(jù)前面所選擇的換熱器，可得到、,由手冊(cè)查得。管外為有機(jī)物甲醇，管內(nèi)為未經(jīng)處理的井水，針對(duì)不同的體系可查得、； （1）管外的計(jì)算 對(duì)水平管外冷凝的對(duì)流給熱系數(shù)可用

22、下式計(jì)算 7-5其中 式中 冷凝液質(zhì)量流量，； 冷凝液平均分子量； 冷凝器管長(zhǎng)，m； 冷凝器總管數(shù)； 冷凝液粘度，；（注意：粘度、密度、導(dǎo)熱系數(shù)的混合規(guī)則） 冷凝液密度，； 冷凝液導(dǎo)熱系數(shù)，。注意：物性參數(shù)、等應(yīng)用塔頂蒸汽溫度和冷凝器壁溫的平均值計(jì)算，故應(yīng)先初估冷凝器管外側(cè)壁溫（接近）。假設(shè)冷凝器壁溫，可求得，查得此溫度下：、把以上數(shù)據(jù)代入式7-5可得 求得后根據(jù)牛頓粘性定律 7-6式中 冷凝器管外壁溫度，； 冷凝器管外表面積，。取所選冷凝器的換熱面積 =56.6代入式7-6計(jì)算得管外側(cè)壁溫=62.153， 的計(jì)算值與初估值62.15接近，迭代計(jì)算成功。所以 （2）管內(nèi)的計(jì)算 當(dāng)、時(shí)，管內(nèi)對(duì)流

23、給熱系數(shù)可用下式計(jì)算 7-7該式適用于低粘度流體（），本次設(shè)計(jì)對(duì)像為甲醇水溶液，為低粘度流體，故該式可用。當(dāng)雷諾數(shù)小于10000時(shí)，應(yīng)乘以校正因子。式中 冷卻劑（水）導(dǎo)熱系數(shù)，； 冷凝器管內(nèi)徑，m；即； 冷凝器管內(nèi)流速，m/s； 冷凝器管內(nèi)流體密度，； 冷凝器管內(nèi)流體粘度，； 冷凝器管內(nèi)流體的比熱，； 注意點(diǎn)： 的單位為，但在式（7）中應(yīng)采用單位； 物性參數(shù)、等應(yīng)由平均溫度查表或計(jì)算，； 流速的計(jì)算： 管內(nèi)流體（冷卻水）的用量：，；則流速為 7-8式中為單管程的管子數(shù)，若對(duì)雙管程共有200根管，則。計(jì)算如下：由手冊(cè)查得此此溫度下管內(nèi)液體水的物性參數(shù)如下：、；管內(nèi)徑管內(nèi)流體（冷卻水）的用量：=1

24、3661.98代入式7-8得=0.15 m/s雷諾數(shù)=4024.4310000,要進(jìn)行校核。校正因子=0.8052把以上相關(guān)數(shù)據(jù)代入式7-7得把，代入7-4得7.1.2.2 冷凝器傳熱面積的校核由1.2.1可求得，從而實(shí)際所需的冷凝器傳熱面積56.6，其裕度：所選則的換熱器可用。 7.1.2.3 冷凝器管程、殼程流動(dòng)阻力 （1）管程阻力損失 7-9其中： ，式中 每程直管壓降，； 每程局部阻力，； 殼程數(shù)； 每殼程的管程數(shù)； 冷凝器管內(nèi)流體密度，； 冷凝器管內(nèi)流體流動(dòng)阻力系數(shù)。計(jì)算如下：由7.1.2.1得=0.15 m/s, ,、；由手冊(cè)查得所選換熱器的=1，=2；管內(nèi)雷諾數(shù)=4024.43；

25、由手冊(cè)查得碳鋼的粗糙度, 所以相對(duì)粗糙度為查圖7得摩擦因素=128.33,=33.55把以上數(shù)據(jù)代入式7-9得（2）殼程阻力損失 7-10其中： ，式中 換熱器殼程內(nèi)徑，m； 折流板數(shù)目；蒸汽冷凝時(shí)折流擋板間距只有480、600mm兩種類型； 冷凝器殼程當(dāng)量直徑，m； 冷凝器殼程流速，m/s；設(shè)有折流擋板時(shí)，；無折流擋板時(shí)，； 冷凝器殼程折流擋板間距，m； 管子外徑，m； 管子中心距，m。當(dāng)換熱器管子正方形排列時(shí)，；正三角形排列時(shí)，。計(jì)算如下：所選換熱器=0.025m, 管子中心距=0.032m, =500mm；當(dāng)量直徑=0.020m蒸汽冷凝時(shí)無折流擋板，=0;=0.1158=3.15 m/s

26、塔頂=6648.20 , =0.323代入式7-10得=45.647.2 接管選型 針對(duì)不同的流體，選擇適宜的流速，由求得接管的直徑，依據(jù)它選擇合適的接管型號(hào)，最后校核接管中的實(shí)際流速，本次設(shè)計(jì)所選擇的鋼管材料均為無縫鋼管。 需選型的接管主要有： 進(jìn)料接管：0.40.8m/s，泵送1.52.5m/s 冷卻水接管：1.02.5m/s 塔頂蒸汽接管：1220m/s 塔頂產(chǎn)品接管：0.51.0m/s 塔底產(chǎn)品接管：0.51.0m/s 塔頂產(chǎn)品回流接管：0.20.5m/s，泵送1.02.5m/s 塔底加熱蒸汽接管：2040m/s(295kPa)，4060m/s(2950kPa)注意：計(jì)算中為體積流量，

27、必須針對(duì)不同流體、不同狀態(tài)（氣體），不同組成（氣體、液體）計(jì)算。計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?。7.2.1進(jìn)料接管由設(shè)計(jì)條件知=2777.78kg/m3 ,=15%由附錄一運(yùn)用內(nèi)插法得進(jìn)料溫度=88.48,由手冊(cè)查得該溫度下=727.52kg/m3, =966.29kg/ m3計(jì)算該溫度下進(jìn)料混合液體的密度為設(shè)=0.4m/s,則=51.38mm設(shè)=0.8m/s,則=36.33mm選取，則=0.66m/s7.2.2冷卻水接管由前可知冷卻水用量為13662kg/h,密度為998.2kg/m3所以求得=13.68 m3/h設(shè)=1.0m/s,則=69.59mm設(shè)=2.5m/s,則=44.01mm選取，則=1.94

28、m/s7.2.3塔頂蒸汽接管下，塔頂蒸汽密度為1.15kg/m3質(zhì)量流量=0.4188kg/s,所以=1311.11 m3/h設(shè)=12m/s,則=196.63mm設(shè)=20m/s,則=152.31mm選取，則=18.58m/s7.2.4塔頂產(chǎn)品接管塔頂產(chǎn)品為甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.5%的甲醇水溶液產(chǎn)品，可求得=0.56 m3/h設(shè)=0.5m/s,則=19.84mm設(shè)=1.0m/s,則=14.03mm選取，則=0.50m/s7.2.5塔底產(chǎn)品接管所選加熱方式為直接蒸汽加熱，所排出廢水（含微量甲醇）的量與相等7，密度按純水算可得=3.35 m3/h設(shè)=0.5m/s,則=48.69mm設(shè)=1.0m/s,則=

29、34.43mm選取，則=0.74m/s7.2.6塔頂產(chǎn)品回流接管根據(jù)前述可得塔頂產(chǎn)品回流液的=1.45m3/h設(shè)=0.2m/s,則=50.6mm設(shè)=0.5m/s,則=32mm選取，則=0.32m/s7.2.7塔底加熱蒸汽接管塔底加熱蒸汽為100水蒸汽，蒸汽用量為=1425.76m3/h設(shè)=20m/s,則=158.83mm設(shè)=40m/s,則=112.31mm選取，則=32.29m/s7.3 冷卻水輸送泵7.3.1 塔高計(jì)算 7-11式中 塔高，m； 塔頂空間高度，m； 理論塔板數(shù)； 等板高度，m； 塔內(nèi)件及人孔、手孔、進(jìn)料位置等空間的總高度； 塔釜空間高度，m；保證釜液1015min的儲(chǔ)量； 裙

30、座高度，m。由5.3知根條據(jù)條件取=1.2m, =1.8m, ,=1.3m;塔釜空間高度要保證釜液1015min的儲(chǔ)量，假設(shè)15min的儲(chǔ)量，由7.2.5有=3.35 m3/h0.056 m3/min由，可得1.667m,取1.8m代入式7-11得=19.8m7.3.2 冷卻水輸送泵選型 輸水泵的選型主要計(jì)算體積流量和揚(yáng)程。 7-12 7-13其中： ，式中 體積流量，； 揚(yáng)程，m； 冷卻水流量，kg/h； 冷卻水密度，。（由粗糙度和雷諾數(shù)計(jì)算，由接管選型得到，由和計(jì)算得到。）計(jì)算如下：冷卻水溫度為20，由手冊(cè)查得此溫度下水的，=1.005cP由7.2可知冷卻水接管為，=13.68 m3/h，

31、1.94m/s所以由式7-12得=13.69 m3/h雷諾數(shù)=96344；由手冊(cè)查得碳鋼的粗糙度, 所以相對(duì)粗糙度為查圖7得摩擦因素取管長(zhǎng)則由7.3.1知19.8m代入式7-13得=22.784查手冊(cè)可選泵的型號(hào)IS65-50-160，具體數(shù)據(jù)如下表：表2 泵的選型轉(zhuǎn)速r/min流量/m3揚(yáng)程m效率軸功率電機(jī)功率NPSH2900153554%2.655.52.07.4 填料支承結(jié)構(gòu)本次填料塔設(shè)計(jì)為散裝填料，由于塔徑為0.8m,選用分塊柵板型支承裝置，塔內(nèi)設(shè)有支承圈，支承圈為的扁鋼。7.5 填料壓緊裝置 每層填料設(shè)置一塊壓緊裝置，選用壓緊柵板，在其下方，根據(jù)填料的規(guī)格敷設(shè)一層金屬網(wǎng)，并將其與壓緊

32、柵極固定。7.6 液體分布裝置在塔內(nèi)回流液接管處設(shè)置一噴頭式液體分布器，噴頭標(biāo)準(zhǔn)為H45-0010-2.7.7 液體收集再分布裝置 為減小壁流現(xiàn)象，當(dāng)填料層較高時(shí)需進(jìn)行分段，故需設(shè)置液體收集及再分布裝置。本次填料塔設(shè)計(jì)在精餾段分段填料層之間設(shè)置一分盤式液體收集分布器，在進(jìn)料位置設(shè)置一遮板式液體收集再分布器7.8 氣體分布裝置本次填料塔設(shè)計(jì)在塔釜內(nèi)設(shè)置一孔管式氣體分布裝置，其能有效的對(duì)氣體進(jìn)行分布。填料精餾塔裝配示意圖見附錄8 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表3 工藝參數(shù)表參數(shù)數(shù)值單位參數(shù)數(shù)值單位處理量144.03Kmol/h產(chǎn)品汽化潛熱35324.3kJ/kmol進(jìn)料濃度0.0903摩爾分率塔頂蒸汽溫度6458

33、產(chǎn)品濃度09911摩爾分率塔頂產(chǎn)品流率1311Kmol/h回收率999%等板高度HETP0557m實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間7200小時(shí)/年空塔氣速08887m/s表4 精餾塔費(fèi)用表項(xiàng)目費(fèi)用 / 元/年項(xiàng)目費(fèi)用/ 元/年精餾塔塔體設(shè)備費(fèi)169104冷凝器設(shè)備費(fèi)54358精餾塔塔體年投資折舊費(fèi)用及維修費(fèi)122492冷卻水費(fèi)用19675填料年折舊費(fèi)用7270加熱蒸汽費(fèi)用214256表5 填料精餾塔參數(shù)參數(shù)參數(shù)值單位塔材料碳鋼-塔材料密度7800kg/m3塔壁厚度5mm塔徑0.8m塔高20234m填料類型鮑爾環(huán)#-填料比表面209m 2/ m 3填料層高度13925m精餾段填料層高8.355m精餾段填料層分層數(shù)2

34、-精餾段填料層第一層高度4m精餾段填料層第二層高度4.355m提餾段填料層高5.570m提餾段填料層分層數(shù)1-填料壓降8.8mmH2O/m表6 接管表接管物流型號(hào)流量m3/h流速m/s適宜流速范圍m/s進(jìn)料管15%wt甲醇水溶液2.990.660.50.8塔頂液相回流管1.450.320.20.5塔頂蒸汽管99.5%甲醇蒸汽1311.0918.581220塔頂產(chǎn)品管0.560.500.51.0冷卻水輸送管冷卻水13.681.941.02.5塔底殘液管3.350.740.51.0塔底蒸汽管1425.7632.2920409 設(shè)計(jì)心得：本次課程設(shè)計(jì)為期兩周,雖然時(shí)間有點(diǎn)緊,做的也很辛苦，不過我的收

35、獲確實(shí)不小首先，我對(duì)填料精餾有了一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也對(duì)以前學(xué)過的化工原理相關(guān)知識(shí)做了一個(gè)系統(tǒng)的復(fù)習(xí)雖然以前在化工原理課程中對(duì)填料塔有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，但所了解的內(nèi)容真的很少在這次課程設(shè)計(jì)查找資料的過程中，我清楚的認(rèn)識(shí)了填料塔的設(shè)計(jì)包括了節(jié)能效果最好的塔體的設(shè)計(jì)，塔內(nèi)件、冷凝器、離心泵的選擇等對(duì)于一些填料的類型，規(guī)格，效果等方面也有了一定的了解同時(shí)了解了國(guó)內(nèi)外對(duì)于填料塔的一些最新進(jìn)展其次，我對(duì)于精餾的整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程有了大概的了解，明白了計(jì)算機(jī)在化工過程設(shè)計(jì)的應(yīng)用前景不可限量本次設(shè)計(jì)要求用C語(yǔ)言編寫程序，由于有一年多沒有看過C語(yǔ)言，而且一開始對(duì)于整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程以及一些參數(shù)的算法沒有了解清楚，以至編程開始的第一天速度很慢通過在宿舍一晚上時(shí)間的加班，第二天終于對(duì)整個(gè)程序的設(shè)計(jì)過程有了一個(gè)比較明確的了解在老師和同學(xué)的幫助下，程序編輯運(yùn)行成功，所得出的結(jié)果與老師提供的查詢結(jié)果較吻合我也徹底明白，掌握并精通一門計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言對(duì)以后步入社會(huì)是多么的重要再次，這次課程設(shè)計(jì)中要求要