化工原理課程設(shè)計(jì)-甲醇—水分離過程填料精餾塔的設(shè)計(jì)

1、化工原理課程設(shè)計(jì)-甲醇水分離過程填料精餾塔的設(shè)計(jì) 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書課程名稱 化工原理課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目 甲醇水分離過程填料精餾塔的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 專業(yè)班級(jí) 化學(xué)工程與工藝2班 指導(dǎo)教師 2011 年 11 月 15 日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)題目甲醇水分離過程填料精餾塔的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名陳強(qiáng)所在院系化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院專業(yè)年級(jí)班09化學(xué)工程與工藝2班設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)要求對(duì)甲醇水分離過程填料精餾塔裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)主要進(jìn)行了以下工作1對(duì)主要生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行了選擇和確定2對(duì)生產(chǎn)的主要設(shè)備填料塔進(jìn)行了工藝計(jì)算設(shè)計(jì)其中包括1液相中甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)氣相中甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)溫度液相中甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)氣相中甲醇的摩爾

2、分?jǐn)?shù)100007530407299640020134731050779935004023471206082591200603046930708789300803656760809158770104186609095884401505176509509798170205796451178030665在抗生素類藥物生產(chǎn)過程中需要用甲醇溶媒洗滌晶體洗滌過濾后產(chǎn)生的廢甲醇溶媒其組成為含甲醇46水56質(zhì)量分?jǐn)?shù)另含少量的藥物固體顆粒為使廢甲醇溶媒重復(fù)利用擬建立一套填料精餾塔以對(duì)廢甲醇溶媒進(jìn)行精餾得到含水量03質(zhì)量分?jǐn)?shù)的甲醇溶媒設(shè)計(jì)要求甲醇溶媒的處理量為3噸小時(shí)塔底廢水中甲醇含量05質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)

3、料甲醇常壓下的沸點(diǎn)為648故可采用常壓操作塔頂上升蒸汽用全冷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儲(chǔ)槽因所分離物系的重組分為水故選用直接蒸汽加熱方式釜?dú)堃褐苯优欧旁O(shè)計(jì)中選用金屬散裝鮑爾環(huán)Dn50填料因廢甲醇溶液中含有少量的藥物固體微粒應(yīng)選用金屬散裝填料大尺寸的填料應(yīng)用于小直徑塔中又會(huì)產(chǎn)生液體分布不良及嚴(yán)重的壁流使塔的分離效率降低根據(jù)計(jì)算故選用Dn50規(guī)格的精餾塔的物料衡算11原料液及塔頂塔底產(chǎn)品的摩爾分率甲醇的摩爾質(zhì)量 MA 3204kgkmol水的摩爾質(zhì)量 MB 1802kgkmol XF 0463204 04632040541802 0324 XD 09973

4、204 0997320400031802 0995XW 00053204 0005320409951802 0002812 原料液及塔頂塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 MF 03243204 1-0324 1802 2256kg kmol MD 09953204 1-0995 1802 3197kgkmol MW 000283204 1-00028 1802 18059kgkmol13物料衡算廢甲醇溶媒的處理量為3噸小時(shí)原料處理F 30002256 13298kgh總物料衡算 13298 DW甲醇物料衡算 132980324 0995D00028W解得 D 4369kmolh W 8929kmolh2

5、1塔板數(shù)的確定31甲醇-水屬理想物系故可用圖解法求理論板層數(shù)311由以知的甲醇-水物系的氣液平衡數(shù)據(jù)繪出x-y圖22求最小回流比及操作回流比泡點(diǎn)進(jìn)料q值為1采用作圖法求最小回流比在x-y圖中對(duì)角線上自點(diǎn)e03240324作垂線即為進(jìn)料線該線與平衡線的交點(diǎn)坐標(biāo) yq 0682 xq 0327故最小回流比 R min xD yq yq xq 0995-0682 0682-0324 085R 1120 Rmin故取操作回流比R 1523求精餾塔的氣液相負(fù)荷L RD 154369 65535kmolhV R1 D LD 109225kmolhL LF 6653513298 198515kmolhV V

6、 109225kmolh氣相組成 y1 0995 液相組成 x1 0992 精溜段的操作線方程為y 06x0398提溜段的操作線方程為y 182x-000422采用圖解法求理論板數(shù)如圖所示由圖求解結(jié)果為總理論板數(shù) NT 11 進(jìn)料位置為 NF 831全塔效率E 繪出甲醇-水的氣液平衡數(shù)據(jù)作t-x圖查得塔頂溫度 t 648塔釜溫度t 996進(jìn)料溫度 t 765精餾段的平均溫度為tm 648765 2 7065提留段的平均溫度為tm 996765 8805水的重要物理性質(zhì)溫度t密度kgm3黏度mPas張力mNm比熱容Cp Kjkgk209982100572604183609832046886620

7、417870977804061643041878097180356562604195909653031656070420810095840283858804220甲醇的重要物理性質(zhì)溫度t密度kgm3黏度mPas張力mNm比熱容Cp Kjkgk208048058002207607611034401733707494030701618807374027701504907249025001391100712002280128032實(shí)際塔板數(shù)的求取精餾段實(shí)際板層數(shù) N NE 7047 14815塊提留段實(shí)際板層數(shù) N NE 4047 859 塊4 精餾塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)的計(jì)算41工藝條件 塔頂壓力

8、 P 10134 1053Kpa操作溫度 塔頂溫度 t 648塔釜溫度t 996進(jìn)料溫度 t 76542平均摩爾質(zhì)量 塔頂平均摩爾質(zhì)量 XD y1 0995 由曲線 X-Y圖 得X1 0992 MVDm 09953204 1-0995 1802 3197kmolh MLDm 0993204 1-099 1802 3193kmolh進(jìn)料板層平均摩爾質(zhì)量查X-Y圖得 YF 0545 XF 017MVF 05453204 1-0545 1802 2566kmolhMLF 0173204 1-017 1802 2040 kmolh塔底平均摩爾質(zhì)量 XW 00028 YW 0014 MVW 001432

9、04 1-0014 1802 1822 kmolh MLW 000283204 1-00028 1802 1806 kmolh精餾段平均摩爾質(zhì)量 MVJ MM 2 31972566 2 28815 kmolh MLJ MM 2 31902240 2 26165kmolh提餾段的平均摩爾質(zhì)量Mvt 25661822 2 2194kmonhMlt 20401806 2 1923kmolh43平均密度計(jì)算 1 氣相平均密度vm PmMVJ RTm 101328815 8314 706527315 102kgm3提留段的蒸汽密度Ym Mvw PmRT0 tT 10132194 8314 2731588

10、05 074kgm3 2 液相平均密度計(jì)算液相平均密度依下列式計(jì)算1lm ii塔頂液相平均密度計(jì)算由t 648查手冊(cè)得 甲醇 753 kgm3 水 981kgm3lDm 1 0995753 0005977 7568 kgm3進(jìn)料板液相平均密度 由t 765查手冊(cè)得 甲醇 739kgm3 水 973kgm3進(jìn)料板液相的質(zhì)量分率a甲醇 0173204 0173204 0831802 02352lFm 1 0267739 0733973 89715 kgm3手冊(cè)得在996時(shí)水的密度為水 958 kgm3 甲醇 714kgm3lWm 1 0003714 0997958 96128kgm3精餾段液相平均

11、密度為 lJ 756889715 2 82697 kgm3提留段液相平均密度 lT 89715961282 929215kgm344液體平均表面張力計(jì)算液相平均表面張力依下式計(jì)算 xii塔頂液相平均表面張力的計(jì)算由t 648查手冊(cè)得 H2O 6496mNm CH3OH 1658mNmmNm進(jìn)料板液相表面張力的計(jì)算由t 765查手冊(cè)得 甲醇 1561mNm 水 638mNm塔釜液體的表面張力接近水的表面張力由t 996查手冊(cè)得水 589mNm 甲醇 1301mNm精餾段液相平均表面張力為提留段液體平均表面張力為 lT 587654777 2 5677 mNm45液體平均粘度計(jì)算液相平均粘度依下式

12、計(jì)算即 lgm xilgi塔頂液相平均表面張力的計(jì)算由t 648查手冊(cè)得 甲醇 0320 mpas 水 04355mpas lglDm 0995lg0320005lg04355 解出 lDm 03205 mpas進(jìn)料板液相平均粘度的計(jì)算由t 765查手冊(cè)得 甲醇 0272mpas 水 03478mpas lglFm 017lg 0272 0 83lg 03573 解出 lDm 03336 mpas塔釜液體的粘度由t 996查手冊(cè)得甲醇 02280 mpas 水 02838mpas lglwm 0003lg 02280 0997lg 02838 lWm 0284 mpas精餾段液相平均粘度為 l

13、J 0357303205 2 03389mpas提留段液相平均粘度為 lT 028403573 2 03207 mpas5精餾塔的塔體工藝尺寸計(jì)算51 塔徑的計(jì)算采用氣相負(fù)荷因子法計(jì)算適宜的空塔氣速511精餾段塔徑計(jì)算L 65535kmolh V 109225kmolh液相質(zhì)量流量WL 655353190 209057kgkmol氣相質(zhì)量流量WV 1092253197 349192 kgkmol Eekert通用關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)為 WL Wv vL 05 209057349192 080867568 05 002由貝恩霍根關(guān)聯(lián)式 填料的泛點(diǎn)氣體速度可由貝恩霍根關(guān)聯(lián)式計(jì)算得lg u02Fatv02

14、L g3L A-K WLWV 14 vL 18查表得A 01 K 175 a 109 096解得uF 41852ms 安全系數(shù)取08u 08uF 0741852 335 msD 4qvv此時(shí)u 095094D2 411995 3140707 247msuuF 312534 058在如許范圍內(nèi)提溜段的塔徑計(jì)算L 198515kmolh V 109225kmolh液相質(zhì)量流量WL 1985151806 358518kgkmol氣相質(zhì)量流量WV 1092251822 196823 kgkmol lg u02Fatv02L g3L A-K WLWV 14 vL 18查表得A 01 K 175 a 10

15、9 096u 480ms u 08 u 384msD 4qvvu 05 0495m液體噴淋密度校核精餾段的液體噴淋密度為U 209258826970785049 6578m3 m2·h 02m3 m2·h 精餾段的空塔速度為u 349192102 07850493600 2488ms提餾段的液體噴淋密度為u 358518929215 0785049 1003ms提餾段的空塔速度為u 196823074 07850493600 192ms52填料層高度計(jì)算 Z HETPNT精餾段的高度為 Ln HETP h-1292lnl147lnl HETP 093726 查表有 精餾段填

16、料層高度為 h 709067 656m Z精 125656 820 m提留段填料層高度為 Z提 404764 202mZ提 125202 2382m 設(shè)計(jì)取精餾段填料層高度為9m提留段填料層高度為3m對(duì)于金屬鮑爾環(huán)散裝填料 要求hD 510 h6m取hD 6 則 h 5700 3500 mm6填料層壓降計(jì)算金屬鮑爾環(huán)散裝填料采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算填料層壓降 u2g vL 02L 3122160 水L 981 1027568 033202 01185查圖有 橫坐標(biāo)為 Wl Wv vl 05 002 PZ 80981 7848 Pam 精餾段填料層壓降為 P精 78489 7063 KPa

17、提留段填料層壓降為 PZ 25981 24525 Pam提餾段的P提 245253 0735KPa填料層總壓降為P 70630735 78 KPa液體分布器簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)散裝填料D 700mm分布點(diǎn)密度選180點(diǎn) m2布點(diǎn)個(gè)數(shù)n 1800707 88289點(diǎn)布液計(jì)算由Ls 4 d02n 2gH 05 取06 H 160mm得 d0 4Lsn2gH 05 解d0 00032mm 取d0 32mm管徑的計(jì)算1出料口的計(jì)算WV 1092253197 349192 kgkmol qvs WV 3491923600 102 0951kgm3飽和蒸汽進(jìn)料選u 30msd 4qvsu 05 4095131430

18、05 0201m 201mm 由化工原理上冊(cè)附錄十七與十八查得選用203mmx6mm的無縫鋼管其內(nèi)徑di 203-26 0191mm重新核算速度 u 409591 31401910191 332ms2回流管徑的計(jì)算 qvs WV 2092533600 7568 767x10-4kgm3 選u為1m d 4767x10-4u 05 4767x10-43141 05 00301m 31mm選用32mmx3mm的無縫鋼管 內(nèi)徑di 32-23 26mm重新核算速度u 4767x10-4 31400260026 1445ms3 進(jìn)料口的管徑的計(jì)算 89715kgm3 質(zhì)量流量Wl 358518kghq

19、vs 3585183600 89715 111x10-3進(jìn)料口u選15msd 4qvsu 05 00307ms 選用50mmx3mm的無縫鋼管u 4111x10-3 31400420042 08ms4出料口的管徑的計(jì)算 質(zhì)量流量qms 89291806 1612577kghqvs qms3600 89715 499x10-4m3s u選15msd 4qvs15 05 2059mm 選用25mmx3mm的無縫鋼管 u 4499x10-4 31400190019 176ms5筒體厚度內(nèi)最大有3個(gè)大氣壓內(nèi)徑Di 700mmPc 03MPa 材料Q235Ct 125Mpa 08 局部無損檢測(cè)單面焊接 計(jì)算厚度 PcDi2t-Pc 03700 212508 -03 105C1 025mm C2 10mm n 025101