甲醇—水填料精餾塔設(shè)計(jì)示例

1、甲醇水分離裝置的工藝設(shè)計(jì)摘 要甲醇是一種重要的化工原料，其用途廣泛，是基礎(chǔ)的有機(jī)化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料。主要應(yīng)用于精細(xì)化工，塑料等領(lǐng)域，用來(lái)制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲脂等多種有機(jī)產(chǎn)品，也是農(nóng)藥、醫(yī)藥的重要原料之一。甲醇易于吸收水蒸汽、二氧化碳和某些其它物質(zhì)，因此只有用特殊的方法才能制得完全無(wú)水的甲醇。精餾是應(yīng)用最廣的傳質(zhì)分離操作，板式塔是目前最主要的精餾塔塔型，對(duì)它的研究一直長(zhǎng)盛不衰。篩板塔和浮閥塔成功地取代泡罩塔是效益巨大的成果。板式塔的設(shè)計(jì)已達(dá)到較高水平，設(shè)計(jì)結(jié)果比較可靠。馬倫戈尼效應(yīng)造成的界面湍動(dòng)現(xiàn)象和汽液兩相間的不同接觸工況的研究，使認(rèn)識(shí)得到了深化，對(duì)傳質(zhì)效率的研究有所促進(jìn)。具

2、有各種特點(diǎn)的新型塔板開(kāi)發(fā)研究不斷取得成果。對(duì)于塔板上汽液兩相流動(dòng)和混合狀況、霧沫夾帶及它們對(duì)效率的影響研究不斷深入，但離得到一個(gè)通用而可靠的效率估算模型尚有較大距離，特別是多元系統(tǒng)的效率。進(jìn)一步深入進(jìn)行塔中汽液兩相流動(dòng)狀況的研究，對(duì)于預(yù)測(cè)壓降、傳質(zhì)效率和塔板的可操作區(qū)域，對(duì)于認(rèn)識(shí)至今了解甚少的降液管中狀況都十分有意義。關(guān)鍵詞：甲醇；精餾；板式塔 目 錄摘 要1目 錄2前 言4第一章文獻(xiàn)綜述51.1甲醇51.1.1甲醇的性質(zhì)51.1.2甲醇的用途51.1.3甲醇工業(yè)51.1.4甲醇的下游產(chǎn)品61.2精餾原理71.3板式塔81.3.1 板式塔分類81.3.2 板式塔的結(jié)構(gòu)81.3.3 板式塔的特點(diǎn)

3、101.3.4 板式塔的作用10第二章 設(shè)計(jì)部分122.1設(shè)計(jì)任務(wù)122.2 設(shè)計(jì)方案的確定122.3 設(shè)計(jì)計(jì)算122.3.1 精餾塔的物料衡算122.3.2 精餾塔塔板數(shù)的確定132.3.3 精餾塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)的計(jì)算142.3.4 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算172.3.5 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算182.3.6 篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算202.3.7 塔板負(fù)荷性能圖23第三章 結(jié) 論27參考文獻(xiàn)29致 謝30前 言甲醇是僅次于三烯和三苯的重要基礎(chǔ)有機(jī)化工原料,尤其近年來(lái)在有些以達(dá)國(guó)家中, 甲醇以清潔燃料的身份登上了環(huán)境保護(hù)的殿堂,更使其身份倍增.因此,發(fā)達(dá)國(guó)家中甲醇產(chǎn)量?jī)H次于乙烯,丙烯,苯,居

4、第四位.。甲醇能與水、乙醇、乙醚、苯、酮類和大多數(shù)有機(jī)溶劑限混合。甲醇易于吸收水蒸汽、二氧化碳和某些其它物質(zhì)，因此只有用特殊的方法才能制得完全無(wú)水的甲醇。分離甲醇有很多方法，這次我用的分離方法是精餾塔的板式塔分離法。板式塔是目前最主要的精餾塔塔型，對(duì)它的研究一直長(zhǎng)盛不衰。篩板塔和浮閥塔成功地取代泡罩塔是效益巨大的成果。板式塔的設(shè)計(jì)已達(dá)到較高水平，設(shè)計(jì)結(jié)果比較可靠。馬倫戈尼效應(yīng)造成的界面湍動(dòng)現(xiàn)象和汽液兩相間的不同接觸工況的研究，使認(rèn)識(shí)得到了深化，對(duì)傳質(zhì)效率的研究有所促進(jìn)。具有各種特點(diǎn)的新型塔板開(kāi)發(fā)研究不斷取得成果。對(duì)于塔板上汽液兩相流動(dòng)和混合狀況、霧沫夾帶及它們對(duì)效率的影響研究不斷深入，但離得到

5、一個(gè)通用而可靠的效率估算模型尚有較大距離，特別是多元系統(tǒng)的效率。進(jìn)一步深入進(jìn)行塔中汽液兩相流動(dòng)狀況的研究，對(duì)于預(yù)測(cè)壓降、傳質(zhì)效率和塔板的可操作區(qū)域，對(duì)于認(rèn)識(shí)至今了解甚少的降液管中狀況都十分有意義。第一章文獻(xiàn)綜述1.1甲醇1.1.1甲醇的性質(zhì)甲醇是一種無(wú)色、透明、易燃、易揮發(fā)的有毒液體，常溫下對(duì)金屬無(wú)腐蝕性（鉛、鋁除外），略有酒精氣味。分子量32.04，相對(duì)密度0.792(20/4)，熔點(diǎn)-97.8，沸點(diǎn)64.5，閃點(diǎn)12.22，自燃點(diǎn)463.89，蒸氣密度 1.11，蒸氣壓 13.33KPa(100mmHg 21.2)，蒸氣與空氣混合物爆炸極限 636.5 %（體積比） ，能與水、乙醇、乙醚、

6、苯、酮、鹵代烴和許多其他有機(jī)溶劑相混溶，遇熱、明火或氧化劑易燃燒。1.1.2甲醇的用途甲醇用途廣泛，是基礎(chǔ)的有機(jī)化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料。主要應(yīng)用于精細(xì)化工，塑料等領(lǐng)域，用來(lái)制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲脂等多種有機(jī)產(chǎn)品，也是農(nóng)藥、醫(yī)藥的重要原料之一。甲醇在深加工后可作為一種新型清潔燃料，也加入汽油摻燒。1.1.3甲醇工業(yè)甲醇生產(chǎn)過(guò)程比較簡(jiǎn)單,原料來(lái)源多樣,煤、石腦油和天然氣均可制甲醇。甲醇用途廣泛,它的下游產(chǎn)品多達(dá)幾百種。近年來(lái)由于世界各國(guó)環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng),特別是美國(guó)國(guó)會(huì)于1990年11月15日通過(guò)清潔空氣法修正案以后,甲醇的身價(jià)備增,全球甲醇的需求增長(zhǎng)加快。中國(guó)甲醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度絲毫不遜于任

7、何一國(guó)，僅靠最近5年的快速發(fā)展，中國(guó)甲醇產(chǎn)量就躍居全球首位。但是，正如正在發(fā)育期的孩子一樣，只是個(gè)頭高并不能證明就是身體健康。相反，過(guò)高的個(gè)頭可能還是一種病態(tài)。甲醇屬低附加值化工產(chǎn)品。低成本是該類產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的核心，也是生產(chǎn)企業(yè)采取的重要競(jìng)爭(zhēng)戰(zhàn)略，是企業(yè)安身立命的關(guān)鍵。低成本需要優(yōu)化各種影響產(chǎn)品成本的生產(chǎn)要素，包括原料價(jià)格、工藝路線、融資成本、裝置規(guī)模和物流費(fèi)用。1.1.4甲醇的下游產(chǎn)品近年來(lái)，煤化工國(guó)產(chǎn)化技術(shù)裝備相繼取得突破，醇醚燃料、甲醇制烯烴等新興煤化工產(chǎn)業(yè)方興未艾，再加上甲醛、醋酸等傳統(tǒng)下游產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，我國(guó)甲醇需求量不斷提高。甲醇主要下游產(chǎn)品需求分析如下：甲醛：甲醛是甲醇的主要下游產(chǎn)品

8、，2005年甲醛消費(fèi)約占甲醇總消費(fèi)量的45%。根據(jù)全國(guó)甲醛行業(yè)協(xié)作組提供的數(shù)據(jù)顯示，2005年我國(guó)甲醛產(chǎn)能為1231.6萬(wàn)t，產(chǎn)量為791.0萬(wàn)t。2005年甲醛生產(chǎn)消耗甲醇301萬(wàn)t，2006年增加到381萬(wàn)t。據(jù)專家預(yù)測(cè)，”十一五”期間用于木材加工、室內(nèi)裝飾裝修的三醛膠仍是中國(guó)甲醛最大的消費(fèi)領(lǐng)域，其對(duì)于甲醛的需求量將穩(wěn)步增長(zhǎng)。此外，隨著煙臺(tái)萬(wàn)華、上海拜爾等多套MDI裝置的落成，MDI行業(yè)對(duì)甲醛的需求量將會(huì)大大增加。POM是重要的工程塑料，市場(chǎng)需求量將會(huì)逐年增長(zhǎng)。中國(guó)化工、云天化等廠家都在新建或改擴(kuò)建POM裝置，隨著這些裝置的投產(chǎn)，甲醛消費(fèi)量也會(huì)同步增加。其它產(chǎn)品，如烏洛托品、多元醇等對(duì)于甲

9、醛的需求量也會(huì)有不同程度的增長(zhǎng)。據(jù)全國(guó)甲醛行業(yè)協(xié)作組預(yù)測(cè)，截至2010年，我國(guó)將新增甲醛產(chǎn)能約200萬(wàn)t/年，總產(chǎn)能將達(dá)到約1400萬(wàn)t/年，產(chǎn)量約1000萬(wàn)t/年。按生產(chǎn)1噸甲醛需要0.47t甲醇計(jì)算，屆時(shí)甲醛生產(chǎn)大約需要消耗甲醇470萬(wàn)t。醋酸：甲醇另一主要用途是生產(chǎn)醋酸。根據(jù)全國(guó)醋酸行業(yè)協(xié)作組提供的數(shù)據(jù)顯示，2005年我國(guó)甲醇羰基合成法制醋酸產(chǎn)能約為90萬(wàn)t，產(chǎn)量76.6萬(wàn)t，消耗甲醇49萬(wàn)t；2006年產(chǎn)能約為140萬(wàn)t，產(chǎn)量118.3萬(wàn)t，消耗甲醇76萬(wàn)t。我國(guó)醋酸主要消費(fèi)領(lǐng)域是醋酸乙烯/聚乙烯醇、醋酸酯類、醋酐、對(duì)苯二甲酸(PTA)、氯乙酸等。預(yù)計(jì)”十一五”期間，受聚酯和滌綸工業(yè)快

10、速發(fā)展的帶動(dòng)，PTA需求將有較大幅度的增長(zhǎng)，其對(duì)醋酸的需求也會(huì)同步增長(zhǎng)。另外，醋酸酯類替代苯類作溶劑，有利于環(huán)境保護(hù)，將在涂料等行業(yè)中有發(fā)展空間。氯乙酸、醋酸纖維、醋酐行業(yè)對(duì)于醋酸的需求量也會(huì)有不同程度的增長(zhǎng)。醋酸乙烯與乙烯共聚樹(shù)脂也有巨大的市場(chǎng)。預(yù)計(jì)2010年，醋酸市場(chǎng)需求約500萬(wàn)t。醇醚燃料和甲醇制烯烴：發(fā)展醇醚燃料有利于緩解我國(guó)石油供需矛盾，是近期替代能源工作的重點(diǎn)。如果甲醇汽油標(biāo)準(zhǔn)能夠在2008年制定完畢，而且國(guó)家允許甲醇汽車上市，同時(shí)加油站等配套系統(tǒng)能夠得到完善，則預(yù)計(jì)2010年我國(guó)M85M100的甲醇汽車將達(dá)到1萬(wàn)輛左右，按每輛汽車每年消耗20噸甲醇計(jì)算，則共需要消耗甲醇20萬(wàn)t

11、。另外，預(yù)計(jì)到2010年我國(guó)將有2000萬(wàn)t汽油摻燒甲醇，若比例按15%計(jì)算，則需要300萬(wàn)t甲醇。以上兩部分共需要甲醇320萬(wàn)t。其他：2005年我國(guó)農(nóng)藥、醫(yī)藥行業(yè)共消費(fèi)甲醇74萬(wàn)t，其他行業(yè)如染料、溶劑以及甲胺、氯甲烷等有機(jī)原料行業(yè)共消費(fèi)甲醇112.4萬(wàn)t。根據(jù)專家預(yù)測(cè)，“十一五”期間，我國(guó)農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料等行業(yè)對(duì)于甲醇的需求將會(huì)相對(duì)穩(wěn)定；用于生產(chǎn)其他有機(jī)化工產(chǎn)品和用作溶劑的甲醇，其消費(fèi)量的增長(zhǎng)也不會(huì)太大。預(yù)計(jì)“十一五”末期，上述行業(yè)對(duì)于甲醇的需求量約為260萬(wàn)300萬(wàn)t/年。預(yù)計(jì)2010年我國(guó)甲醇需求量約為1800萬(wàn)2100萬(wàn)t。1.2精餾原理利用均相液體混合物中兩組分的揮發(fā)性不同，多次

12、且同時(shí)進(jìn)行部分汽化和部分冷凝，達(dá)到分離液體混合物的目的 。由上工序來(lái)的需分離的料液經(jīng)預(yù)熱器加熱至一定溫度后由塔中部加料板加入，在加料板上與上塊塔板的回流液匯合后逐板下流，最后進(jìn)入塔釜進(jìn)行部分加熱，產(chǎn)生的蒸汽送回塔底作為回流汽；液體作為塔底產(chǎn)品。由塔頂出來(lái)的蒸汽進(jìn)行冷凝后一部分作為回流液重新回到塔頂，另一部分進(jìn)一步冷卻后作為塔頂產(chǎn)品。精餾是應(yīng)用最廣的傳質(zhì)分離操作，其廣泛應(yīng)用促使技術(shù)已相當(dāng)成熟，但是技術(shù)的成熟并不意味著之后不再需要發(fā)展而停滯不前。稱說(shuō)技術(shù)的發(fā)展往往要花費(fèi)更大的精力，但由于其應(yīng)用的廣泛，每一個(gè)進(jìn)步，哪怕是微小的，也會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效率。正因?yàn)槿绱?，蒸餾的研究仍受到廣泛的重視，不斷取得

13、進(jìn)展。板式塔是目前最主要的精餾塔塔型，對(duì)它的研究一直長(zhǎng)盛不衰。篩板塔和浮閥塔成功地取代泡罩塔是效益巨大的成果。板式塔的設(shè)計(jì)已達(dá)到較高水平，設(shè)計(jì)結(jié)果比較可靠。馬倫戈尼效應(yīng)造成的界面湍動(dòng)現(xiàn)象和汽液兩相間的不同接觸工況的研究，使認(rèn)識(shí)得到了深化，對(duì)傳質(zhì)效率的研究有所促進(jìn)。具有各種特點(diǎn)的新型塔板開(kāi)發(fā)研究不斷取得成果。對(duì)于塔板上汽液兩相流動(dòng)和混合狀況、霧沫夾帶及它們對(duì)效率的影響研究不斷深入，但離得到一個(gè)通用而可靠的效率估算模型尚有較大距離，特別是多元系統(tǒng)的效率。所幸的是，經(jīng)廣泛實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，利用實(shí)驗(yàn)室的奧德肖小篩板塔可以比較可靠地測(cè)的工業(yè)塔中的點(diǎn)效率，可以彌合一些上述的差距。進(jìn)一步深入進(jìn)行塔中汽液兩相流動(dòng)

14、狀況的研究，對(duì)于預(yù)測(cè)壓降、傳質(zhì)效率和塔板的可操作區(qū)域，對(duì)于認(rèn)識(shí)至今了解甚少的降液管中狀況都十分有意義。1.3板式塔1.3.1 板式塔分類板式塔的型式很多，分類各不相同，如按氣液在塔板上的流向板式塔可分為：氣-液呈錯(cuò)流的塔板；氣液呈逆流的塔板；氣液呈并流的塔板。按有無(wú)溢流裝置又可分為：有溢流裝置板式塔；無(wú)溢流裝置板式塔。 按塔盤結(jié)構(gòu)又可分為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔等等。1.3.2 板式塔的結(jié)構(gòu)板式塔為逐級(jí)接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備，它主要由圓柱形殼體、塔板、溢流堰、降液管及受液盤等部件構(gòu)成。 操作時(shí)，塔內(nèi)液體依靠重力作用，由上層塔板的降液管流到下層塔板的受液盤，然后橫向流過(guò)塔板，從另一側(cè)的降液管流至下一層

15、塔板。溢流堰的作用是使塔板上保持一定厚度的液層。氣體則在壓力差的推動(dòng)下，自下而上穿過(guò)各層塔板的氣體通道（泡罩、篩孔或浮閥等），分散成小股氣流，鼓泡通過(guò)各層塔板的液層。在塔板上，氣液兩相密切接觸，進(jìn)行熱量和質(zhì)量的交換。在板式塔中，氣液兩相逐級(jí)接觸，兩相的組成沿塔高呈階梯式變化，在正常操作下，液相為連續(xù)相，氣相為分散相。工業(yè)上最早出現(xiàn)的板式塔是篩板塔和泡罩塔。篩板塔出現(xiàn)于1830年，很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)被認(rèn)為難以操作而未得到重視。泡罩塔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但容易操作，自1854年應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)以后，很快得到推廣，直到20世紀(jì)50年代初，它始終處于主導(dǎo)地位。第二次世界大戰(zhàn)后，煉油和化學(xué)工業(yè)發(fā)展迅速，泡罩塔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、

16、造價(jià)高的缺點(diǎn)日益突出，而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的篩板塔重新受到重視。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究和工業(yè)實(shí)踐，逐步掌握了篩板塔的操作規(guī)律和正確設(shè)計(jì)方法，還開(kāi)發(fā)了大孔徑篩板，解決了篩孔容易堵塞的問(wèn)題。因此，50年代起，篩板塔迅速發(fā)展成為工業(yè)上廣泛應(yīng)用的塔型。與此同時(shí)，還出現(xiàn)了浮閥塔，它操作容易，結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，同樣得到了廣泛應(yīng)用。而泡罩塔的應(yīng)用則日益減少，除特殊場(chǎng)合外，已不再新建。60年代以后,石油化工的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大,大型塔的直徑已超過(guò) 10m。為滿足設(shè)備大型化及有關(guān)分離操作所提出的各種要求，新型塔板不斷出現(xiàn)，已有數(shù)十種。 塔板1又稱塔盤，是板式塔中氣液兩相接觸傳質(zhì)的部位，決定塔的操作性能，通常主要由以下三部分組成：

17、 A.氣體通道為保證氣液兩相充分接觸，塔板上均勻地開(kāi)有一定數(shù)量的通道供氣體自下而上穿過(guò)板上的液層。氣體通道的形式很多，它對(duì)塔板性能有決定性影響，也是區(qū)別塔板類型的主要標(biāo)志。篩板塔塔板的氣體通道最簡(jiǎn)單，只是在塔板上均勻地開(kāi)設(shè)許多小孔（通稱篩孔）,氣體穿過(guò)篩孔上升并分散到液層中泡罩塔塔板的氣體通道最復(fù)雜，它是在塔板上開(kāi)有若干較大的圓孔，孔上接有升氣管，升氣管上覆蓋分散氣體的泡罩。浮閥塔塔板則直接在圓孔上蓋以可浮動(dòng)的閥片,根據(jù)氣體的流量,閥片自行調(diào)節(jié)開(kāi)度。 B.溢流堰為保證氣液兩相在塔板上形成足夠的相際傳質(zhì)表面,塔板上須保持一定深度的液層，為此,在塔板的出口端設(shè)置溢流堰。塔板上液層高度在很大程度上由

18、堰高決定。對(duì)于大型塔板，為保證液流均布，還在塔板的進(jìn)口端設(shè)置進(jìn)口堰。 C.降液管液體自上層塔板流至下層塔板的通道，也是氣（汽）體與液體分離的部位。為此，降液管中必須有足夠的空間，讓液體有所需的停留時(shí)間。此外，還有一類無(wú)溢流塔板，塔板上不設(shè)降液管，僅是塊均勻開(kāi)設(shè)篩孔或縫隙的圓形篩板。操作時(shí)，板上液體隨機(jī)地經(jīng)某些篩孔流下，而氣體則穿過(guò)另一些篩孔上升。無(wú)溢流塔板雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，板面利用率高，但操作彈性太小，板效率較低，故應(yīng)用不廣。1.3.3 板式塔的特點(diǎn)它的主要優(yōu)點(diǎn)有：A結(jié)構(gòu)比浮閥塔更簡(jiǎn)單，易于加工，造價(jià)約為袍罩塔的60%，為浮閥塔的80%左右。B處理能力大，比同塔徑的袍罩塔可增加10%15

19、%。C塔板效率高，比袍罩塔高15%左右。D壓降較低，每板壓力降比袍罩塔約低30%左右。它的缺點(diǎn)是：A塔板安裝的水平度要求較高，否則氣液接觸不均。B操作彈性較小。C小孔篩板簡(jiǎn)單堵塞。因板式塔空塔速度較大，因而生產(chǎn)能力較大，塔板效率穩(wěn)定，操作彈性大，且造價(jià)低，檢修、清洗方便，故工業(yè)上廣泛應(yīng)用。1.3.4 板式塔的作用A.塔釜的作用：為了使精餾塔連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行，必須保證塔板上有上升的蒸汽，故塔釜的作用就是提供上升蒸汽。B.回流液的作用： a、提供一定數(shù)量的液流：提供了汽液直接接觸進(jìn)行雙向傳質(zhì)的必要條件； b、向塔內(nèi)補(bǔ)充一定量的易揮發(fā)組分，維持塔內(nèi)穩(wěn)定操作。上升蒸汽越往上走，易揮發(fā)組分濃度越高，一是上升

20、的汽流中難揮發(fā)組分冷凝下來(lái)進(jìn)入液相；二是下降的液流中易揮發(fā)組分汽化進(jìn)入了汽相，如果沒(méi)有回流液，每塊塔板上的易揮發(fā)組分濃度就會(huì)下降，操作就不穩(wěn)定。C.精餾段和提餾段的作用：精餾段：原料液進(jìn)料板以上的稱精餾段，它的作用：上升蒸汽與回流液之間的傳質(zhì)、傳熱，逐步增濃氣相中的易揮發(fā)組分。可以說(shuō)，塔的上部完成了上升汽流的精制。提餾段：加料板以下的稱提餾段，它的作用：在每塊塔板下降液體與上升蒸汽的傳質(zhì)，傳熱。下降的液流中難軍發(fā)組分不斷增加，可以說(shuō)，塔下部完成了下降液流中難軍發(fā)組分的提濃。D.塔板的作用： a結(jié)構(gòu)：每一塊塔板上有降液管、出口堰、板上小孔，有的還有進(jìn)口堰。 b作用：上一塊板的液體由降液管下來(lái)，下

21、一塊板的蒸汽由板上的小孔進(jìn)入，因出口堰的存在使每一塊板上有一定厚度的液層，這樣氣液在塔板上直接接觸，進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱。第二章 設(shè)計(jì)部分2.1設(shè)計(jì)任務(wù) 在抗生素類藥物生產(chǎn)過(guò)程中，需要用甲醇溶媒洗滌晶體，洗滌過(guò)濾后生產(chǎn)廢甲醇溶媒，其組成為含甲醇46%、水54%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），另含少量的藥物固體顆粒。為使廢甲醇溶媒重復(fù)利用，設(shè)計(jì)一套板式精餾塔，以對(duì)廢甲醇溶媒進(jìn)行精餾，得到含水量0.3%的甲醇溶媒。設(shè)計(jì)要求廢甲醇溶媒的處理量為3.5萬(wàn)噸/年，塔底廢水中甲醇含量0.5%。 操作條件：（1）操作壓力 常壓 （2）進(jìn)料熱狀態(tài) 泡點(diǎn)進(jìn)料 （3）回流比 2 （4）單板壓降0.7Kpa （5）全塔效率70%2.

22、2 設(shè)計(jì)方案的確定 本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離甲醇和水的混合物，對(duì)于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)常壓精餾流程。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)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，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貯罐。該物系屬于易分離物系，最小回流比比較小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔底采用間接蒸氣加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至貯罐。2.3 設(shè)計(jì)計(jì)算2.3.1 精餾塔的物料衡算A. 原料液及其塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率甲醇的摩爾質(zhì)量為：32.04kg/kmol水的摩爾質(zhì)量為： 18.02kg/kmol=0.324B. 原料液及其塔頂與塔底產(chǎn)品的平均摩爾

23、質(zhì)量MF =0.324×32.04+(1-0.324)×18.02=22.56 kg/molMD =0.995×32.04+(1-0.995)×18.02=31.97 kg/molMw =0.003×32.04+(1-0.003)×18.02=18.02 kg/molC. 物料衡算原料的處理量：F=3.5×107/(300×24×22.56)=215.47 kmol/h由總物料衡算：F= D+W甲醇物料衡算：215.47×0.324=0.995D+0.003W得出： D=69.72 kmol/h

24、 W=145.75 kmol/h2.3.2 精餾塔塔板數(shù)的確定A. 理論板層數(shù)NT的求取a.因?yàn)榧状?水屬于理想物系2，可采用圖解法求理論板層數(shù)（見(jiàn)相平衡圖1-1）b.求最小回流比和操作回流比采用作圖法求最小回流比，在圖中對(duì)角線上e（0.324，0.324）做垂線ef，該線與平衡線交點(diǎn)坐標(biāo)為： xq=0.324 yq=0.698最小回流比： Rmin=(xD-yq)/(yq-xq)=(0.995-0.698)/(0.698-0.324)=0.794取操作回流比為： R=2Rmin=2×0.794=1.59 c.精餾塔的氣、液相負(fù)荷 L=R×D=1.59×69.72

25、=110.85kmol/h V=(R+1)×D=2.59×69.72=180.57kmol/h L=L+F=110.85+215.47=326.32kmol/h V=V=180.57kmol/h d.精餾段、提餾段操作線方程精餾段操作線：y=L/V×X+D/V×XD=0.614X+0.386提餾段操作線：y=L/V×XW/V×XW=1.81X-0.0024 e.圖解法求理論塔板層數(shù)根據(jù)圖一所示，可求得結(jié)果為：總理論塔板數(shù)NT為8塊(包括再沸器)進(jìn)料板位置NF為自塔頂數(shù)起第6塊B.實(shí)際板層數(shù)的求取精餾段實(shí)際塔板數(shù) N精=5/0.7=7.

26、18塊提餾段實(shí)際塔板數(shù) N提=3/0.7=4.35塊2.3.3 精餾塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)的計(jì)算A.操作壓力的計(jì)算 設(shè)每層塔壓降： P=0.7 kPa（一般情演況下，板式塔的每一個(gè)理論級(jí)壓降約在0.41.1kPa）塔頂操作壓力 PD=101.3KPa進(jìn)料板壓力 PF=101.3+8×0.7=106.9 KPa精餾段平均壓力 Pm=(101.3+106.9)/2=104.1 KPaB.操作溫度的計(jì)算依操作壓力由泡點(diǎn)方程通過(guò)試差計(jì)算，結(jié)果如下：塔頂溫度： tD=61.2進(jìn)料板處溫度： tF=82.8精餾段平均溫度 tM=（64.2+82.8）/2=73.5C.平均摩爾質(zhì)量的計(jì)算a. 塔頂

27、平均摩爾質(zhì)量計(jì)算 由XD=YL=0.995 查平衡曲線(圖一)得 XL=0.95 MVDm=0.995×32.04+(1-0.995)×18.02=31.97 kg/mol MLDm=0.95×34.04+(1-0.95)×18.02=31.34 kg/molb. 精餾段平均摩爾質(zhì)量 MVm=(31.97+26.34)/2=29.29kg/mol MLm=(31.34+21.30)/2=26.32kg/molD.平均密度的計(jì)算 a.氣相平均密度的計(jì)算 由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，即 Vm=PmMvw/RTm=(104.1×29.29)/8.314&

28、#215;(273.15+73.5)=1.058kg/m3 b.液相平均密度的計(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tD=64.2時(shí) 查手冊(cè)得 A756.186kg/m3 B=980.932kg/m3 LDm=1/(0.997/756.18+0.003/980.932)=756.7kg/m3 進(jìn)料板液相平均密度的計(jì)算 由 tF=82.8，查手冊(cè)得 A733.9kg/m3 B=969.98kg/m3 進(jìn)料板液相的質(zhì)量分率 A=(0.234×32.04)/(0.234×32.04+0.766×18.02)=0.352 LFm=1/(0.352/733

29、.9+0.648/969.98)=871.3kg/m3 精餾段液相平均密度為 Lm=(756.7+871.3)/2=814kg/m3E.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 Lm=xiia. 塔頂液相平均表面張力的計(jì)算 由tD=64.2，查得 A=16.85mN/m B=65.41mN/m LDm=0.995×16.85+0.005×65.41=17.09 mN/mb. 進(jìn)料板液相平均表面張力的計(jì)算 由tF=82.8，查得 A=14.72mN/m B=62.05 mN/m LFM=0.234×14.72+0.766×62.05=50.97m

30、N/m精餾段液相平均表面張力 Lm=(17.09+50.97)/2=34.03 mN/mF.平均粘度的計(jì)算 液相平均粘度依下式計(jì)算 ，即 lgLm=xilgia.塔頂液相平均粘度的計(jì)算 由tD=64.2，查得 A=0.328mPa.s B=0.441mPa.s lgLDm=0.995g(0.328)+0.005lg(0.441) 解出 LDm=0.328mPa.s b.進(jìn)料板平均粘度的計(jì)算 由tF=82，查得 A=0.269mPa.s B=0.344mPa.s lgLFm=0.234lg(0.269)+0.766lg(0.344) 解出 LFm=0.324mPa.s精餾段平均粘度 Lm=(0.

31、328+0.324)/2=0.326mPa.s2.3.4 精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算A.塔徑的計(jì)算 a.精餾段的氣、液相體積流率為 m3/s m3/s由 式中C 由式計(jì)算，其中的 C20 由圖查取8，圖的橫坐標(biāo)為 取板間距 HT =0.40m ，板上液層高度 hL = 0.06 m ，則 HT - hL =0.40-0.06=0.34 m查圖得 C 20 =0.07 m/s取空安全系數(shù)為0.8，則空塔氣速為 u =0.8×umax=0.8×2.162=1.73 m/s m按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為 D =1.2m塔截面積為 AT=/4×D2 =0.785×1.22

32、=1.13 m2 實(shí)際空塔氣速為 u =1.389/1.13=1.23 m/sB.精餾塔有效高度的計(jì)算 精餾段有效高度為 Z精=（N精-1）HT=（8-1）×0.4=2.8 m 提餾段有效高度為 Z提=（N提-1）HT=（5-1）×0.4=1.6 m 在進(jìn)料板上方開(kāi)一個(gè)人孔，其高度為0.8 m 故精餾塔有效高度為 Z=Z精+Z提+0.8=2.8+1.6+0.8=5.2m2.3.5 塔板主要工藝尺寸的計(jì)算A. 溢流裝置計(jì)算因塔徑 D = 1.4 ，可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。各項(xiàng)計(jì)算如下：a.堰長(zhǎng) lw 取 lw = 0.7D=0.7×1.2=0.84b

33、.溢流堰高度 hw 由 hw=hl-how 選用平直堰，堰上液層高度 how 由下式計(jì)算，即 how =(2.84/1000)E×(Lh/Lw)2/3 近似取 E = 1，則 how =(2.84/1000)×(0.001×3600/0.84)2/3取板上清液層高度 h L =80mm故 hw =0.08-0.0075=0.0725 mc.弓形降液管高度 Wd 和截面積 Af由 查圖3 得 故 Af =0.0942AT=0.0942×1.13=0.106 m2 Wd =0.151D=0.151×1.2=0.181 m依式驗(yàn)算液體在降液管中停留時(shí)

34、間，即 故降液管設(shè)計(jì)合理d.降液管底隙高度 ho 取 =0.1 m/s則 ho =0.001×3600/(3600×0.84×0.1)=0.012 m hw - ho =0.0725-0.012=0.0605m0.006m故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理選用凹形受液盤，深度 =50mmB.塔板布置 a.塔板的分塊因 D >= 800 mm，故塔板采用分塊式。查表得，塔板分為3塊。 b.邊緣區(qū)寬度確定取 Ws = = 0.070 m ，Wc =0.030 m c. 開(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算開(kāi)孔區(qū)面積 Aa 按式計(jì)算，即 其中 （Wd + Ws）=1.2/2-(0.181+0.0

35、7)=0.349m - Wc =1.2/2-0.03=0.597m 故 Aa =0.783d. 篩孔計(jì)算及其排列本設(shè)計(jì)所處理的物系無(wú)腐蝕性，可選用 = 3 mm 碳鋼板，取篩孔直徑 do =5mm篩孔按正三角形排列，取孔中心距 t 為 t = 3 do =3×5=15 mm篩孔數(shù)目 n 為 個(gè)開(kāi)孔率為 = 0.907（d0/t）= 0.907（0.005/0.015）2 =10.1% 氣體通過(guò)閥孔的氣速為 = 1.389/（0.101×0.783）= 17.56m/s2.3.6 篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算A.塔板壓降 a.干板阻力 hc 計(jì)算干板阻力 hc 由式計(jì)算，即 由 do/

36、= 1.6 ，查圖得，co =0.772故 液柱 b.氣體通過(guò)液層的阻力hl計(jì)算氣體通過(guò)液層的阻力hl由式計(jì)算，即 hl = hl m/s Fo = 1.356× =1.395查圖，得=0.59故 hl=hl = ( hw + how ) =0.59（0.0075+0.0725）=0.0472m液柱c. 液體表面張力的阻力 ho 計(jì)算液體表面張力所產(chǎn)生的阻力 ho 由下式計(jì)算，即 液柱 氣體通過(guò)每層塔板的液柱高度 ho 可按下式計(jì)算，即 hp = hc + hl + ho hp =0.0343+0.0472+0.0034=0.0849 m液柱氣體通過(guò)每層塔板的壓降為 Pp = hpl

37、 g = 0.0849×814×9.81=678Pa0.7KPa（設(shè)計(jì)允許值）B.液面落差對(duì)于篩板塔，液面落差很小，且塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響4。C.液沫夾帶液沫夾帶量由下式計(jì)算，即 hf =2.5hL=2.5×0.06=0.15m故 0.1故在本設(shè)計(jì)中液沫夾帶量 在允許范圍內(nèi)。D.漏液對(duì)篩板塔，漏液點(diǎn)氣速 可由下式計(jì)算，即 = =9.422m/s實(shí)際孔速 = 17.56 m/s 穩(wěn)定系數(shù)為 1.5故在本設(shè)計(jì)中無(wú)明顯漏夜。E.液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛,降液管內(nèi)液層高度Hd應(yīng)服從關(guān)系式 Hd （Hd + hw）甲醇水物系屬一般物系,取= 0.5,則

38、(Hd + hw)=（0.40+0.0725）=0.236m而 Hd = hp + hl + hd板上不設(shè)進(jìn)口堰，hd可由下式計(jì)算,即 hd = 0.153=0.153（0.1）2=0.0015m液柱 Hd =0.1+0.06+0.0015=0.162m液柱 Hd (HT+hw)故在本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象.2.3.7 塔板負(fù)荷性能圖A.漏夜線由 Hl = h w + h ow 得 = 整理得 在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)Ls，依上式計(jì)算出Vs 值，計(jì)算結(jié)果列表如下0.00020.00040.00060.00080.0010.8140.8210.8260.8310.946B.液沫夾帶線5求Vs Ls

39、 關(guān)系如下：由 = 0.977VS hf =2.5hL= 2.5×(hw+ how) hw =0.0725 how =(2.84/1000)×1×(3600LS/0.84)2/3=0.75LS2/3故 hf =0.181 + 1.88LS2/3 HT - h fS2/3 =0.1整理得 VsS2/3在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)Ls 值，依上式計(jì)算出Vs 值，計(jì)算解果列表如下0.00020.00040.00060.00080.0011.6021.5731.5491.5281.508C.液相負(fù)荷下限線對(duì)于平直堰6，取堰上液層高度 how = 0.006m 作為最小液體負(fù)荷標(biāo)

40、準(zhǔn)。由式得 =0.006 取 E =1 ，則 =0.00072據(jù)此可作出與氣體流量無(wú)關(guān)的垂直液相負(fù)荷下限線3。D.液相負(fù)荷上限線以=4s 作為液體在降液管7中停留時(shí)間的下限，由式得 故 據(jù)此可作出與氣體流量無(wú)關(guān)的垂線液相負(fù)荷上限線4。E.液泛線令 Hd = （HT +hw）由 Hd = hp + hl + hd ; hp = hl + hc +ho ; hl = hl; hl = hw + how聯(lián)立得 ht + () hw = (+ 1) how +hc +hd +ho忽略ho，將Ls，hd與Ls，hc與Vs 的關(guān)系式代入上式，并整理得 式中 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入，得 故 0.02VS2S2-1.191LS2/3 或 VS2 104 LS2 59.55 LS2/3在操作范圍內(nèi)，任取幾個(gè)Ls 值，依上式計(jì)算出Vs 值，計(jì)算結(jié)果列于表0.00020.00040.00060.00080.0012.4172.3912.3662.3432.319根據(jù)以上各線方程，可作出操作線。該篩板的操作上限為液泛控制，下限為漏液控制?？刹榈?Vs,max = 2.75 Vs,min =0.74故操作彈性為3.716第三章 結(jié) 論表3-1精餾塔設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果序號(hào)項(xiàng)目數(shù)值1平均溫度 tm，oC73.52平均壓力 Pm，kPa104