甲醇—水分離過程填料精餾塔塔設(shè)計

1、4場支序重慶大學(xué)課程設(shè)計報告課程設(shè)計題目：甲醇一水分離過程填料精微塔塔設(shè)計學(xué)院：化學(xué)化工學(xué)院專業(yè)：制藥工程01班年級：2008級姓名:XXX學(xué)號：XXXX完成時間：2016年7月6日成績：平時成績（20%）:圖紙成績（40%）:報告成績（40%）:指導(dǎo)老師：張紅晶1、設(shè)計簡要1.1 設(shè)計任務(wù)及概述在抗生素類藥物生產(chǎn)中，需要甲醇溶液洗滌晶體，洗滌過濾后產(chǎn)生廢甲醇溶液，其組成為含甲醇50%、水50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），另含有少量的藥物固體微粒。為使廢甲醇溶液重復(fù)利用，擬建一套填料精儲塔，對廢甲醇進行精儲，得到含水量三0.3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的甲醇溶液。設(shè)計要求廢甲醇溶液處理量為日產(chǎn)3噸，塔底廢水中甲醇含量三

2、0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。操作條件：（1）常壓；（2）拉西環(huán)，填料規(guī)格。1.2 設(shè)計方案填料塔簡介填料塔是提供氣-液、液-液系統(tǒng)相接觸的設(shè)備。填料塔外殼一般是圓筒形，也可采用方形。材質(zhì)有木材、輕金屬或強化塑料等。填料塔的基本組成單元有：殼體（外殼可以是由金屬（鋼、合金或有色金屬）、塑料、木材，或是以橡膠、塑料、磚為內(nèi)層或襯里的復(fù)合材料制成。雖然通入內(nèi)層的管口、支承和磚的機械安裝尺寸并不是決定設(shè)備尺寸的主要因素，但仍需要足夠重視；：填料（一節(jié)或多節(jié)，分布器和填料是填料塔性能的核心部分。為了正確選擇合適的填料，要了解填料的操作性能，同時還要研究各種形式填料的形狀差異對操作性能的影響）；：填料支承（填料

3、支承可以由留有一定空隙的柵條組成，其作用是防止填料墜落；也可以通過專門的改進設(shè)計來引導(dǎo)氣體和液體的流動。塔的操作性能的好壞無疑會受填料支承的影響）；：液體分布器（液體分布的好壞是影響填料塔操作效率的重要因素。液體分布不良會降低填料的有效濕潤面積，并促使液體形成溝流）；：中間支承和再分布器（液體通過填料或沿塔壁流下一定的高度需要重新進行分布）；：氣液進出口。塔的結(jié)構(gòu)和裝配的各種機械形式會影響到它的設(shè)計并反映到塔的操作性能上，應(yīng)該力求在最低壓降的條件下，采用各種辦法提高流體之間的接觸效率，并設(shè)法減少霧沫夾帶或壁效應(yīng)帶來的效率損失。與此同時，塔的設(shè)計必須符合由生產(chǎn)過程和塔的結(jié)構(gòu)形式所決定的經(jīng)濟性原則

4、1.3 填料精儲塔流程圖2、設(shè)計所需基本數(shù)據(jù)本設(shè)計依據(jù)于教科書的設(shè)計實例，對所提出的題目進行分析并做出理論計算。表1甲醇水溶液體系的平衡數(shù)據(jù)（101.3Kp）a液相中甲醇的含汽相中甲醇的含液相中甲醇的含汽相中甲醇的含量（摩爾分?jǐn)?shù)）量（摩爾分?jǐn)?shù)）量（摩爾分?jǐn)?shù)）量（摩爾分?jǐn)?shù)）0.05310.28340.29090.68010.07670.40010.33330.69180.09260.43530.35130.73470.12570.48310.46200.77560.13150.54550.52920.79710.16740.55850.59370.81830.18180.57750.68490.

5、84920.20830.62730.77010.89620.23190.64850.87410.91940.28180.6775表2瓷拉西環(huán)的結(jié)構(gòu)特性參數(shù)（亂堆）外15高X厚/mmXmm比表面積金M-TH-11空隙率E/m1'm3個數(shù)口，個，nT堆枳窗度加/kg*干填料因子（口川）/小濕步料因子l/m_|6.4L4X0.87890.73.31100007372030240088XL51570'0.64146500075。2170250010I10X1,5I4400.70720000?0012801500151SX23300.7025000069096010201616X2305

6、0.73192500730?849402525X2.519057849000575M。4504040X151260.7512700S773053505050X4.5930-81600045717720580巾80X9.5760.681910714243280不常用.因為需要處理的廢甲醇溶液中另含有少量的藥物固體微粒，為了便于清洗，所以采用亂堆填料表3甲醇的物理性質(zhì)溫度C汽化熱密度熱容表面張力粘度卡/克分子克/厘米3卡/克分子.c達(dá)因/厘米厘泊095140.825217.9624.500.7991093670.815118.5223.280.6772092130.804818.9322.070.

7、5803090500.794319.3920.860.5034088800.783519.9019.670.4395087020.772520.4618.500.3876085160.761121.0917.330.3447083210.749421.7716.180.3078081160.737422.5215.040.2779079030.724923.3313.910.25010076790.712024.2012.800.228表4水的物理性質(zhì)溫度/C密度P/kPa比熱容cpp.11/(kJkg-K-)動力粘度u/（uPas）表面張力仃/（mN/m）汽化潛熱r/(kJ/kg)0999.

8、94.212178875.612491.310999.74.191130574.142468.620998.24.183100472.672446.330995.74.174801.271.202423.740992.24.174653.269.632401.150988.14.174549.267.672378.160983.24.178469.866.202355.170977.84.167406.064.332331.280971.84.19535562.572307.390965.34.208314.860.712283.1100958.44.220282.458.842258.4注意

9、：1克分子=1摩爾1卡=4.187焦耳1達(dá)因=10-5牛頓1厘泊=1毫帕秒3、設(shè)計計算計算之前進行對物性數(shù)據(jù)的查詢，部分物性數(shù)據(jù)列于表1、表2、表3、表4中，其它數(shù)據(jù)見參考資料與互聯(lián)網(wǎng)上資源。4、物料衡算4.1 工藝物料計算甲醇的摩爾質(zhì)量：M甲醇=32.04kg/kmol水的摩爾質(zhì)量：M水=18.02kg/kmol原料液中輕組分（甲醇）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為CDF=0.50,其摩爾分率0.5032.040.5032.040.5018.02=0.3600F/M甲醇Xf二F/M甲醇+(1-f)/M7K甲醇/M甲醇XD=X甲醇=：甲醇/M甲醇3k0.997/32.04=0.9947塔頂輕組分（甲醇）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為D

10、=缶甲醇=0.997,其摩爾分率/M水0.997/32.04+0.003/18.02塔底輕組分（甲醇）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為口=甲醇=0.005,其摩爾分率甲醇/M甲醇0.005/32.04XW=海醇=甲醇/M甲醇+水/M水0.005/32.04+0.995/18.02=0.00284.2 原料液的平均摩爾質(zhì)量Mf=0.3600X32.04+(1-0.3600)乂18.02=23.067kg/kmol4.3 物料的衡算廢甲醇溶液的處理量為日產(chǎn)3噸原料處理：F=3000/23.067/24=5.419Kmol/hF=D+WF*Xf=D*Xd+W*Xw把已知數(shù)據(jù)帶入上式，得5.419=D+W5.419*0.3

11、600=D*0.9947+W*0.0028解得：D=1.951kmol/hW=3.468kmol/h5、熱量衡算5.1求相對揮發(fā)度LogPo=A-B/(t+C)查表得ABC甲醇7.878631473.1111230.0水8.107651750.286235.0當(dāng)P=101.325KPa（常壓P=760mmHg）時水的沸點為99.87C,甲醇的沸點為64.75C。01473.11log*醇=7.87863-2.881”64.75+230.00降醇=760.3KFa01750.286logP7K=8.10765-2.26864.75+235.00Fp<=185.4mmHg0P甲醇a頂=0=4

12、.1Pk同理可求的a底=3.44.1+3.42=3.755.2回流比R平衡線方程為:y=a*x1(a-1)*x_3.75*x12.75x泡點進料q=1,中冷=0.3600yq=I75*。3600.6784'q12.75*0.3600最小回流比Rmin：Rmin1RminXd-VeXd-Xe0.9947-0.67840.9947-0.3600-0.4983.Rmin=0.9932（此處操作回流比取最小回流比的2倍）二R=2%訪=1.9865.3 精微塔的氣液相負(fù)荷精儲段L=RDV=(R1)D提儲段L=LqFV=L-W5.4 操作線方程精儲段操作線方程為：yn1=R-*4+包2=0.665

13、+0.3331RR1提儲段操作線方程為:Vn1=RDqF(R1)D-(1-q)FXnF-D(R1)D-(1-q)Fxw=1.595xn-0.00175.5 平衡線方程:*x,3.75xy=y=1(：-1)*x12.75x5.6 采用逐板計算法求理論塔板數(shù)平衡線方程：y=3.75X式12.75x操作線方程：精儲段yn書=0.665xn+0.333式精微段yn書=1.5954-0.0017式泡點進料q=l,xq=xF=0.3600解析過程如下：I第一塊塔板上升蒸汽組成：yi=Xd=0.9947從第一塊塔板上下降的液體組成由式求?。簒i=y=0.98043.75-2.75yiII由式得：y2=0.6

14、65X0.9804+0.333=0.9850由式得：x2=0.9460同理可求得：y3=0.9621x3=0.8713y4=0.9124x4=0.7353y5=0.8220x5=0.5519y6=0.7000x6=0.3836y7=0.5881x7=0.2758x7<0.3600第8塊板上升的氣相組成由式計算：y8=1.595X0.27580.0017=0.4382x8=0.1722y9=0.2730x9=0.0910y10=0.1434xio=0.0427yn=0.0664xii=0.0186y12=0.0280xi2=0.0076y13=0.0104xi3=0.00279<xw

15、故所需總理論板數(shù)位13塊，第7塊板加料，精儲段需6塊板。5.7 塔頂產(chǎn)品產(chǎn)量、釜液量、及加熱蒸汽量的計算每天開車24小時計，進料量為：F=3000/23.067/24=5.419Kmol/h由全塔的物料衡算方程可得（設(shè)加熱蒸汽量為Vo,直接蒸汽加熱）：FVo=DWVoyoFxf=DxdWxwWtL=LqFtRDqF可知yo=0,q=1,代入數(shù)據(jù)解得：D=1.9315molhW=9.2612molhV0=5.7718mOlhL=RD=1.9861.935=3.843kmolhV=(R1)D=5.778kmolh5.8 全凝器冷凝介質(zhì)的消耗量塔頂全凝器白向熱負(fù)荷:QC-(R1)D(Ivd-Ild)

16、可以查得Ivd=1266kJ/kg,ILD=253.9kJ/kg,所以:QC=(1.9861)1.93531.97(1266-253.9)=186955kJ/h取水為冷凝介質(zhì)，具進出冷凝器的溫度分別為25c和35c則平均溫度下的比熱cpc=4.174kJ/kgoC,于是冷凝水用量可求：WC=QcCpc(t2T)1869554.174(35-25)=4479kg.h6、主體設(shè)備的計算6.1 塔徑的計算6.1.1 填料層高度的計算塔型填料H.E.T.P(m)精帽塔直徑25mm0.46直徑38mm0.66直徑50mm0.9選填料層的的直徑為25mm所以HETP=0.46m所以Z=HETPNt=0.4

17、613=5.98取安全系數(shù)1.2,則填料層的設(shè)計高度Z=1.22=7.18m6.1.2 溫度的計算由溫度組成圖，得：塔底溫度tW=99.870C塔頂溫度tD=64.750C進料口溫度tF=81.000C塔底、頂溫度平均值t=82.310C溫度組成圖10095A.1SOA_E580.L：750?j1015202530354045505560657075808590956.1.3 泛點氣速的計算計算泛點氣速采用?？颂胤狐c氣速關(guān)聯(lián)圖法，先求得橫坐標(biāo):X二曳（上嚴(yán)GV'L然后查?？颂胤狐c氣速關(guān)聯(lián)圖得對應(yīng)的縱坐標(biāo)，有:GV；-,0.2_尸叫g(shù);Lg，j02L根據(jù)縱坐標(biāo)的計算式可以求出泛點氣速u,

18、再根據(jù)D=J4V就可求出塔徑。;二D冷凝器為全凝器，故可得：y1=x0=xD取第一塊塔板作近似計算，將物料近似當(dāng)作純甲醇，則可計算得精儲段的氣相負(fù)荷：V=5.778nol"hW5M.778=32.041$g液h相負(fù)荷：L-3.843kmol/h,WL=3.84332.04-123.13kg/h(101.3255)32.04RT8.315m(273.15+64.75+273.15+81.00)一=1.184kg/m3/2液相平均密度依下式計算，即塔頂液相平均密度的計算由tD=64.75七，查手冊得PA=756.02kg/m3：B=980.64kg/m3=756.54kg/10.997/

19、756.020.003/980.64進料板液相平均密度的計算由tF=81.00七,查手冊得：A=736.53kg/m3R=971.40kg/m30.50/736.530.50/971.40_3口837.82kg/m3精儲段液相平均密度為:L=(756.54837.82)/2=797.18kg/m3利用?？颂仃P(guān)聯(lián)圖查泛點氣速:橫坐標(biāo):V05123.131.18405*)=(-)(-)=0.0256：L185.13797.18從?？颂貓D上查得縱坐標(biāo)Y=0.23u21-：即u(%)屋=0.23,gl由表2查得25x25M2.5mm勺拉西環(huán)，濕填料因子e二450m中P水971.8二二二1.22：L79

20、7.18查得塔頂粘度:N水=0.460mPas,醇=0.338mPas,同樣根據(jù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算:也lza£=.=J=0.390mPas腺醇N水九查得塔底粘度：N水=0.355mPa，s,味醇=0.275mPa，s,用相同方法計算:_a_Is生=J=0.310mPas%醇%,0.3900.310L0.350mPas2U2,：、，cc由Y=u一甲2代入以上數(shù)據(jù)解得:g：lu=1.85m/s,即泛點氣速uf=1.85皿$設(shè)計氣速取泛點氣速的70%則設(shè)計氣速u=1.850.7=1.30m：s6.1.4 塔徑及填料塔壓降的計算氣體的體積流量：VsWv185.13=0.0434m3/s所需塔徑40

21、.04343.141.303600：v36001.184=0.206m驗算：D/d=206；'25>8符合要求塔徑圓整為400mm在設(shè)計氣速下U1M©2j.3b450討221(08345.2=0.114g：I9.81797.18在?？颂貙嶒炃€中，縱坐標(biāo)為0.114,橫坐標(biāo)為0.0256的點落在每米填料VP=1KFa的等壓線上，即此時每米填料層壓降為1Kpa。整個填料塔壓降P=17.18=7.18KPa6.1.5 驗算液體噴淋密度Umin=(Lw)mina因為填料直徑<75mm,所以(Lw)min=0.08m3/(m'h)Umin=(Lw)mina=0.0

22、8190-15.2m/h-0.00422m/s精微段液相流量L=3.843kmol/h=0.00107kmol/s,近似當(dāng)作純甲醇處理,則實際噴淋密度u=O0010732.04=O00465m/s736.53D24提儲段液相流量L=9.262kmol/h=0.00257kmol/s,近似當(dāng)做純水處理，M實際噴淋密度u=0.00257_18.02=0.00483m/s:二2958.4-D24實際噴淋密度均大于最小噴淋密度，故以上選擇符合條件。6.2塔高的計算H=HdZ（n-1）HfHb式中：Hd-塔頂空間高度（不包括封頭），一般取11.5mHf-液體再分布器的空間高度（不包括封頭），mHb-塔底

23、空間高度（不包括封頭），一般取1015min的持液量，mn-填料分層數(shù)取Hd=1.2m,Hb取10min的持液量，則、，0.0mM05M7sM/s10K6g0k1m8o.l02c/V0=.32nb力-H0,m0.95k8g3.n4/2D4計算得：塔的總高度H=1.27.180.23=8.61m6.3塔主要附屬構(gòu)件結(jié)構(gòu)尺寸計算設(shè)計6.3.1 液體分布器槽式液體分布器具有較大的操作彈性和好的抗污堵性，具有優(yōu)良的分布性能，應(yīng)用廣泛，故選用槽式液體分布器。噴淋點密度選擇60點/m2。6.3.2 支承板由于填料層高度較高，需分層，但不需液體再分布器。選用開氣管式支承板，需要兩塊。6.3.3 除沫器選用絲網(wǎng)除沫器。7.主要輔