甲醇和水分離過程篩板精餾塔設計

新疆工業(yè)高等?？茖W校課程設計任務書2學年2學期 2011年7月5日專業(yè)應用化工技術 班級 應化°9_4（2）班課程名稱精餾塔設計設計題目篩板精餾塔的設計指導教師李培起止時間2011/7/4—2011/7/9 周數(shù)1設計地點教學樓設計目的：1著重加深學生對于化工原理理論知識的掌握。2積極引導學生去思考，培養(yǎng)他們靈活運用所學知識去解決問題的能力，以及查閱資料、處理數(shù)據的能力。設計任務或主要技術指標：設計個生產能力為5000kg/h，原料中甲醇含量為45%（摩爾分數(shù)，以下同），分離要求為塔頂甲醇含量不低于95%；塔底甲醇含量不高于1%；常壓下操作，塔頂采用全凝器，飽和液體進料的篩板精餾塔。設計進度與要求：1擬訂題目和課程設計指導書（包括課程設計目的、內容、要求、進度、成績評定等），制定具體考核形式（一般應采用平常情況和答辯相結合方式）并于課程設計開始時向學生公布。2完整的課程設計應由設計草稿書和任務書組成。草稿書不上交系里，是備指導老師檢查之用，以督促學生按時完成設計及防止學生間抄襲。任務書應上交按照指定格式編排好的電子版及打印版。7月8日前上交系里。主要參考書及參考資料：陳敏恒等?；ぴ?，上、下冊，第三版.北京：化學工業(yè)出版社，2006《化學工程手冊》編輯委員會.化學工程手冊，第一版，第一篇，第13篇.北京：化學工業(yè)出版社，1979陳英南。常用化工單兀設備的設計.上海：華東理工大學出版社，2005盧煥章。石油化工基礎數(shù)據手冊.北京：化學工業(yè)出版社，1982祁存謙等?；ぴ?，上、下冊，第二版.北京：化學工業(yè)出版社，2009張立新等。傳質與分離技術.北京：化學工業(yè)出版社，2009摘要精餾是利用液體混合物中各組分揮發(fā)性的差異對其進行加熱，然后進行多次混合蒸氣的部分冷凝和混合液的部分加熱汽化以達到分離目的的一種化工單元操作。精餾操作應在塔設備中完成，塔設備提供氣液兩相充分接觸的場所，有效地實現(xiàn)氣液兩相間的傳熱、傳質，以達到理想的分離效果，因此它在石油化工生產中得到廣泛應用。該設計選用逐級接觸式的篩板塔作為分離設備，一個完整的板式塔主要是由圓柱形塔體、塔板、降液管、溢流堰、受液盤及氣體和液體進、出口管等部件組成，這就需要對各個部件做出選擇并給出合理的工藝尺寸，因此我們對精餾塔進行物料衡算，由—X-J間的關系并差取相關數(shù)據，確定相對揮發(fā)度和回流比求出相平衡方程和操作線方程，然后通過逐板計算法算得理論塔板數(shù)并由全塔效率確定實際塔板數(shù)，最后對塔高、塔徑、溢流裝置等各個部件進行計算與核算校驗（如負荷性能圖），最終得到符合工藝要求的精餾塔并能完成生產任務。關鍵詞：精餾篩板塔、相平衡方程、操作線方程、回流比、圖解法目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1.綜述 1\o"CurrentDocument"1.1塔設備的化工生產中的作用和地位 1\o"CurrentDocument"1.2設計方案 1\o"CurrentDocument"1.3工藝流程 1\o"CurrentDocument"1.4設計方案簡介 1\o"CurrentDocument"2主要物性數(shù)據 2\o"CurrentDocument"3工藝計算 3\o"CurrentDocument"3.1精餾塔的物料衡算 3\o"CurrentDocument"3.2塔板數(shù)的確定 33.3實際塔板數(shù)的求取 43.4塔和塔板的主要工藝尺寸計算 63.5溢流裝置的設計 83.6塔板板面布置 93.7塔板校核 103.7.1降液管液泛 --3.7.2液沫夾帶 -3.7.3漏液 -—3.8負荷性能圖 123.8.1氣液流量的流體力學上下限線 123.8.2塔板工作線 --4設計總結 15參考文獻 191.綜述1.1塔設備的化工生產中的作用和地位塔設備是化工、石油化工和煉油等生產中最重要的設備之一。它可使氣（或汽）液或液液兩相進行緊密接觸，達到相際傳質及傳熱的目的?？稍谒O備中完成的常見操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。此外，工業(yè)氣體的冷卻與回收、氣體的濕法靜制和干燥，以及兼有氣液兩相傳質和傳熱的增濕、減濕等。在化工廠、石油化工廠、煉油廠等中，塔設備的性能對于整個裝置的產品產量、質量、生產能力和消耗定額，以及三廢處理和環(huán)境保護等各個方面，都有重大的影響。據有關資料報道，塔設備的投資費用占整個工藝設備投資費用的較大比例；它所耗用的鋼材重量在各類工藝設備中也屬較多。因此，塔設備的設計和研究，受到化工煉油等行業(yè)的極大重視。1.2設計方案本設計任務為分離甲醇-水混合物。對于二元混合物的分離，應采用連續(xù)精餾。1.3工藝流程如圖1所示。原料液由高位槽經過預熱器預熱后進入精餾塔內。操作時連續(xù)的從再沸器中取出部分液體作為塔底產品（釜殘液）再沸器中原料液部分汽化，產生上升蒸汽，依次通過各層塔板。塔頂蒸汽進入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后進入貯槽再經過冷卻器冷卻。并將冷凝液借助重力作用送回塔頂作為回流液體，其余部分經過冷凝器后被送出作為塔頂產品。為了使精餾塔連續(xù)的穩(wěn)定的進行，流程中還要考慮設置原料槽。產品槽和相應的泵，有時還要設置高位槽。且在適當位置設置必要的儀表（流量計、溫度計和壓力表）。以測量物流的各項參數(shù)。數(shù)。圖1精餾過程的工藝流程1.4設計方案簡介設計中采用泡點進料，塔頂上升蒸汽采用全冷凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內，其余部分經產品冷卻器冷卻后送至儲罐。該物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產品經冷卻后送至儲罐。具體如下：塔型的選擇本設計中采用篩板塔。篩板塔的優(yōu)點是結構比浮閥塔更簡單，易于加工，造價約為泡罩塔的60%，為浮閥塔的80%左右。處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加10?15%。塔板效率高，比泡罩塔高15%左右。壓降較低。缺點是塔板安裝的水平度要求較高，否則氣液接觸不勻。加料方式和加料熱狀況的選擇：加料方式采用直接流入塔內。雖然進料方式有多種，但是飽和液體進料時進料溫度不受季節(jié)、氣溫變化和前段工序波動的影響，塔的操作比較容易控制；此外，飽和液體進料時精餾段和提餾段的塔徑相同，無論是設計計算還是實際加工制造這樣的精餾塔都比較容易，為此，本次設計中采取飽和液體進料設計的依據與技術來源：本設計依據于精餾的原理（即利用液體混合物中各組分揮發(fā)度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝使輕重組分分離），并在滿足工藝和操作的要求，滿足經濟上的要求，保證生產安全的基礎上，對設計任務進行分析并做出理論計算。目前，精餾塔的設計方法以嚴格計算為主，也有一些簡化的模型，此次設計采用精確計算與軟件驗算相結合的方法。2主要物性數(shù)據表1甲醇、水的物理性質項目分子式分子量沸點。C甲醇ACHOH32647水BHO18100表二不同塔徑的板間距塔徑D/mm800—12001400—24002600—6600板間距H/mmT300、350、400、450、500400、450、500、550、600、650、700450、500、550、600、650、700、750、800

3工藝計算3.1精餾塔的物料衡算甲醇的分子式為CH3OH，千摩爾質量為32kg!kmo1，水的分子式為H°，千摩爾質量為18kgkmo1。原料液的平均千摩爾質量為Mf=xMa+(1-x.)M=0.45x32+(1-0.45)x18=24.3kg/kmol所以F=迎0=205.76kmol/h所以即采出率為：由上式求出塔頂餾出液量為D，二=回5-即采出率為：由上式求出塔頂餾出液量為D，二=回5-0.01=0.468Xd-x 0.95-0.01D=0.468F=0.468x205.76=96.296kmolih則塔釜殘液量為W=F-D=205.76-96.3=109.46kmol/h3.2塔板數(shù)的確定查化工手冊得甲醇和水的t-x-y關系T/，CxT/，Cxy1000092.90.05310.283482.30.18180.577574.20.44030.765966.90.87410.919464.511圖2甲醇和水的t-x-y由可得q線與平衡線的交點坐標(xq，yq)為(0.45,0.65)，則最小回流比為

Rmin，=0.95一0.64=1.63y-x0.64-Rmin取回流比RT6Rmin=L6X1,64=2'624則精餾塔的氣液負荷:精餾段:V=(R+1)D=(2.624+1)x96.296=348.98kmol/hL=RD=2.624x96.296=252.68kmol/h提餾段：由于泡點進料q=1所以V'=V=348.98kmol/hL'=L+F=252.68+205.76=458.44kmol/h精餾段操作線方程：Rxy=——x+—^=0.724x+0.262n+1R+1nR+1 n圖3理論板數(shù)圖解由x-y畫梯級可得理論板數(shù)為9（不包含塔釜），進料板為第5塊板。圖3理論板數(shù)圖解由x-y畫梯級可得理論板數(shù)為9（不包含塔釜），進料板為第5塊板。已知q=1，故根據提餾段和q線方程用圖解法解得理論塔板數(shù).塔板效率是氣、液兩相的傳質速率、混合和流動狀況，以及板間反混（液沫夾帶、氣泡夾帶和漏液所致）的綜合結果。板效率為設計的重要數(shù)據。板效率與塔板結構、操作條件、物質的物理性質及流體力學性質有關，它反映了實際塔板上傳質過程進行的程度。蒸餾塔可用相對揮發(fā)度與液相黏度的乘積作為參數(shù)來關聯(lián)全塔效率，其經驗式為：E=0.49（xr）-0.245式中a——相對揮發(fā)度；匕 液相黏度，mPa?s。上式中a、匕的數(shù)據均取塔頂、塔底平均溫度下的值。由t-x-y曲線可知?=65筆、七-98°C、、廣7穴RLFRLF=0.45X0.015+(1-0.45)X0.3610=0.2503同理RD=0.029R5=0.358同理RD=0.029R5=0.358_0.2503+0.029+0.358_0212平均黏度*L 3 .0.2834x(1-0.0531)0.0531x(1—0.2834)_7.0520.5775x(1-0.1818)_61522—0.1818x(1—0.5775)—.0.7659x(1-0.4403)0.4403x(1—0.7659)_4.159a_0.9194xd-。8741)_164340.8741x(1-0.9194) ?a+a+a+a,…

—1234_4.752組分甲醇水黏度R(mPa?s)0.01150.3610查手冊得平均溫度下的液相中各組分的黏度則有全塔效率Et=0.49+(4.752X0.212)-0.254=0.489計算實際塔板數(shù)N=：=-^注15精餾段尸精Et0.489N=斗=-^牝7提餾段蜓Et0.489故全塔實際所需塔板數(shù)N=22塊，加料板位置在第16塊3.4塔和塔板的主要工藝尺寸計算塔頂物料平均千摩爾質量為:M=XM+(1-X)M=0.95x32+0.05xl8=31.3kg[kmol塔頂氣相密度為PM &■RT=PM &■RT=1.128kg.m38.314x(273+65)塔頂液相密度及表面張力近似甲醇計算。由《化工原理》上冊附錄二可查得20c下苯甲醇的密度P=791kgm3,體積膨脹系數(shù)&=12.2X10-4C-1。計算可得79c卜苯的密度P= ^0 = f =737.89kg?m3l1+pG-,）1+12.2x10-4x（79-20）由《化工原理》上冊附錄十五可查得79°C下甲醇的表面張力°=0.0181Nm精餾段上升與下降的氣液體積流量為348.98x348.98x31.31.128=9684m3.,h=2.69m3sT7LM252.68x31.3V= d= =10.72m3.h=2.98x10-3m3lp737.89L初選板間距Ht=400mm hL=0.07m，則分離空間為Ht-hL=0.40-0.07=0.33m

氣液動能參數(shù)為=0.018匕匕_9.9x10-4737.89芹\：苛-1.39=0.018『Pl『Pl、心圖4史密斯關聯(lián)圖由圖4查得氣體負荷因子C20=0.066,因表面張力的差異，氣體負荷因子校正為C 20 (C 20 (0.020M20.066/丫2"0.0181)=0.064mis計算最大允許速率為umax=Cumax=C:Pl_Pg=0.064x￥P1g737.89-1.128,?.=1.63m；s1.128取空塔速率為最大允許速率的0.62倍，則空塔速率為u=0.62"皿廣0.7x1.63=1.141m]s則塔徑為：4V：4VD:4x2.69\：3.14x1.206=1.69m根據標準塔徑圓整為D=1.7m再由表五可見，當塔徑為1.7m時，其板間距可取4°°mm，因此，所設板間距可用。塔高Z=(Np-1吧=(18-1)x0.4=6.8m3.5溢流裝置的設計對平直堰，選堰長與塔徑之比為0.7，即°7D，于是堰長為l^=0.7D=0.7x1.7=0.98m5..8x10-40.982.5x36005..8x10-40.982.5x3600=3.5WhOW(V丫；=0.00284E廣=0.00284x1x/333"0.98)=0.0065m于是于是h=h-h=0.07—0.0065=0.0635m=63.5mmh0=h-10=63.5-10=53.5mm1 _ 1A^=)兀D2=x3.14x1.42=1.54m2T4 4T

l_0.98—w= D1.7根據=0.7,圖6弓形降液管的寬度和面積由圖6確定降液管橫截面積Af根據=0.7,圖6弓形降液管的寬度和面積A了=0.09TAt=0.09At=0.09X1.54=0.138m3.6塔板板面布置取w=0.07mW=0.05mE=0.15由圖4確定D即 W=0.15D=0.15X1.7=0.21mD 1.4……X=—-(W+W)=~2--(0.21+0.07)=0.42mD1.4r=—-Wc=-^-0.05=0.65m一— .XA=2x(X\;r2-X2+r2arcsin—)=2x(0.42x寸0.652-0.422+0.652x二arcsin些)180 0.65=1.01m篩孔按正三角形排列，取孔徑d0=5mm，td0=3.°則

開孔率篩孔數(shù)(dy開孔率篩孔數(shù)(P=0.907x1-^1=0.907x=10.1匕…LA…L1.01L,C

n—1.15x——=1.15x =5162” 0.0152篩孔總面積氣=怛=10.1匕xl.01=0.102m23.7塔板校核取板厚6=0.60』 8/d=0.60o， 'o，A

e

A-2ATf0.1021.54—2x0.138=0.0807圖7取板厚6=0.60』 8/d=0.60o， 'o，A

e

A-2ATf0.1021.54—2x0.138=0.0807圖7史密斯關聯(lián)圖查圖7,確定空流系數(shù)Co=°75則通過篩孔的氣速VU——板0A01.39

0.0807=11.224m/s干板壓降1pfwVn= s-—e-d2gp{C)L'0/1 1.128 x

2x9.8737.89,17.224)2x "0.75)=0.04Im液柱所以氣體速率為VU= g?A—2Atf1.391.54-2x0.138故氣相動能因子F=UP0.5=1.1x1.12805=1.168kg05aag

確定充氣系數(shù)3=0.64氣體通過塔板的壓降hp=氣+3七=0.041+0.64x0.07=0.0858m液柱f925xf925x10-4]

"0.98x0.0535J2=2.7x10-3m液柱Vh=0.153（浦）2=0.153xw0計算降液管內清夜層高度Hd,并取泡沫相對密度中=0.5,Hd=h+h+h=0.041+0.07+2.7x10-3=0.159m%+?=0.45+0.0635=0257m而 "* 2 .m可見，滿足H2（Hr+hw）降液管內不會發(fā)生液泛。降液管內停留時間t=A也=0」38x0」59=19.3255s可見停留時間足夠長，V 9.25x10-4L不會發(fā)生氣泡夾帶現(xiàn)象。 A3.7.2液沫夾帶e液沫夾帶將導致塔板效率下降。通常塔板上液沫夾帶量V要求低于0.1kg液體/kg干氣體，則有3.25.7x10-6f3.25.7x10-6fu'x —"H廣hf、3.25.7x10-6 xbA-Af

E1 Jf1.39F=5x10-6x 1.54—0.138—0.0181 0.45-2.5x0.07I J=0.00191kg液體kg干氣0.1kg液體kg干氣可見液沫夾帶量可以允許Y3.7.3漏液克服液體表面張力的作用引起的壓降

4b4x0.0181h= = =0.002秫液柱89.81p/0 9.81x737.894b4x0.0181h= = =0.002秫液柱89.81p/0 9.81x737.89x0.005則漏液點氣速(0.0056+0.13h,—hjp,Pg:(0.0056+0.13x0.07—0.002)x737.89=4.4x0.75x.: 1.128=9.51m：sK=孔=17224=1.811.5u^ 9.51可見不會發(fā)生嚴重漏液現(xiàn)象。由塔板校核結果可見，塔板結構參數(shù)選擇基本合理，所設計的各項尺寸可用。3.8負荷性能圖3.8.1氣液流量的流體力學上下限線3.8.1.1漏液線（氣相負荷下限線）第一點取設計點的液體流量匕=9.25x10—4m3/s=3.56m3/h，故uow=9.51m/s，于是，相應漏液點的氣體體積流量為V=u^A0=9.51x0.0807x3600=2763m^h第二點取液體流量為匕=10m3.h匕=M=35.8612.5 0.62.5w則由圖5可知E=L°7h^=0.00284h^=0.00284E23=0.00284x1.07x10.6J23=0.0198mhL=h+hg=0.0635+0.0134=0.077m則對應的漏點氣速為

(0.0056+0.13h,—hjp,Pg「(0.0056+0.13x0.077—0.002)x737.891.128=4.4x0.75x.： 1.128=9.88m/s故 y2=u^^A^=9.88x0.0807x3600=2870.3m3/h根據(3.56,2763)和(10,2870)兩點，作直線①即為漏液線。3.8.1.2液體流量下限線h^=0.0284E23h^=0.0284E23=0.006,=p^il"0.00284E)w[°.006 ]k0.00284x1.07)x0.98=2.29m3..h在負荷性能圖匕=2.29m3h處作垂直線，即為液體流量下限線②。3.8.1.3液體流量上限線取降液管內液體停留時間為3s，則匕=7=匕=7=0.138x0.45x3600=74.52m3..'h在負荷性能圖匕=74.52m3h處作垂直線，即為液體流量上限線③。3.8.1.4過量液沫夾帶線第一點取設計點的液體流量VL=3'33m^'h，5.7x5.7x10-6 x、3.2=0.1則由解出u，=[ —卜2(H—h)=f0.1x0.0181]32x(0.45—0.175)=1.66m/sk5.7x10-6) tf"5.7x10-6)于是V=u'(AT-Af)=1.66x(1.54—0.138)x3600=8378m3/h第二點取液體流量為VL=10m3功，hL=0.077m氣=2.5匕=2.5x0.077=0.1925m

(0.1。 \(0.1。 \V5.7x10-6)3.2(H -h)Tf=[0.1x0.0181F(0.45-0.1925)V5.7X10-6)=1.6ms于是V=u'(A-A)=1.6x(1.54-0.138)x3600=8076m3h

g Tf -于是根據(3.56,8378)和(10,8076)兩點，在負荷性能圖上作出液沫夾帶線④。3.8.1.5液泛線第一點為設計點V第一點為設計點V=3.56m3：'hLh=0.07m&=0.64L ，=h+ph=—匕f%12+0.64x0.07dL2gPlVC0)已求得h=已求得h=2.7x10-3農液柱H=h+ph+h=—匕f+0.64x0.07+2.7x10-3dPLr 2gpVC)L、0/=%+、=0.40+0.0635=0232m一T2W2 .m可見1pf可見1pfu]2

公苛V才JL0+0.64x0.07+2.7x10-3=0.257mfufu1*C0VC0)2+0.64x0.077u=36.48m/s故V=u0A0=36.48x0.102x3600=13394ms/h第二點取液體流量為VL=10mE，hL=0,077隊1ph=h+ph=gVh=0.153(萬)Vh=0.153(萬)2=0.153xw01036000.6x68.5x10-3=0.0007m液柱1p(u￥H=h+h+h=——盤-o+0.64x0.077+0.077+4.29x10-4=0.257Pc'2gPLE°J-0=34.73m/s故y=-0A0=34.73x0.102x3600=12753m^h由(3.56,13394)和(10,12753)兩點，在負荷性能圖上作出液泛線⑤。根據①②③④⑤畫出塔板負荷性能圖圖8塔板負荷性能圖3.8.2塔板工作線,一一，一，- …、.y269在負荷性能圖上做出斜率為f=一.6^=902.7的直線OAB，塔板工作y 2.98x10-3L線。此線與流體力學上下限線相交于A、B兩點，讀出A、B兩點的縱坐標值即為(y).和(y)并求出操作彈性.操作彈性_(匕))8300259gmin和gmax，并求出操作彈I土：操作彈I土 gmax 2.59(y)i3200由圖可見，按本設計的塔板結構較理想。液泛線低于過量液沫夾帶線，液體流量上限線靠近塔板工作線。因此，操作彈性符合。此外，操作下限沒有落在液體流量下限線說明堰長l取得合適，降液面積取得合理，且設計點處于正常工作區(qū)域W內。4設計總結因為甲醇和水不能形成恒沸點的混合物所以可直接采用傳統(tǒng)的精餾法制備高純度的甲醇溶液，本設計進行甲醇和水的分離，采用直徑為1.4米的精餾塔，選用效率較高、結構簡單、加工方便的單溢流方式、并采用了弓形降液盤。由于在設計過程中，對板式塔只有一個整體的直觀認識以及簡單的工作原理的了解，而對于設備中重要部件一一塔板、管路等缺乏了解，查詢了各種相關書籍，走了很多彎路，但終于通過自己努力解決了其中的難題。在設計過程中，考慮到設計踏板所構成的板式塔，不但要具有應有的生產能力，滿足工藝要求，還要考慮到能耗，經濟，污染等問題，為今后走向工作崗位很有價值。篩板塔工藝設計計算結果匯總

序號項目符號單位計算數(shù)據1平均溫度t°C792氣相流量 m Vm3/s2.693液相流量gVLm3/s2.98x10-34實際塔板數(shù)N—225有效高度PZm7.56塔徑Dm1.77板間距H T m0.458堰長lm0.989堰高Whm0.063510板上清液層高度whm0.0711堰上清液層高度Lhm0.006512降液管壓降OWhm2.7x10-513降液管內清夜層高度rHm0.155914塔板壓降dhm0.083015降液管底隙高度Phm0.068516氣相動能因子uFkg0.5/(mu.5-s)1.6817弓形降液管寬度計Wm0.2118篩孔總面積dAm21.0119篩孔直徑udm0.00520篩孔數(shù)目un—516221孔中心距tm0.012522開孔率中 < 10.123篩孔氣速um；s17.22424穩(wěn)定系數(shù)uK—1.8125停留時間Ts19.3226液沫夾帶eKg液/kg氣0.019127氣相負荷上限V(V)m3/s880028氣相負荷下限gmax(V)m3/s280029操作彈性 gmin ——3.14符號說明英文字母A——一塔板開孔區(qū)面枳，m2e液沫夾帶量，kg液/kg氣A——一降液管截面積，m2M——-平均摩爾質量，kg/kmol工A——師孔區(qū)面枳，m2d—-篩孔直徑，moA————T 一塔的截面積，m2oD——塔徑，mC——-負荷因子，無因次R一-最