基于AspenPlus的甲醇与水筛板板精馏塔设计书

1 基于 甲醇与水筛板板精馏塔设计书 第一章 流程确定和说明 板类型 1）精馏塔的塔板类型有三种：泡罩塔板，筛孔塔板，浮阀塔板。 筛板塔板具有结构简单，制造方便，造价低等优点； 2）本设计采用筛板精馏塔； 3）加料方式 本精馏塔加料选择泵接加料，结构简单，安装方便，而且可以引入自动控制系统来实时调节流量及流速。 料状况 本精馏塔选择泡点进料，常温原料经换热后进料。 顶冷凝方式 甲醇与水不反应，且容易冷凝，故本精馏塔塔顶选择全凝器，可用水冷凝。 釜加热方式 塔釜使用 200的饱和蒸汽间接加热。 流比 该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的 2 倍，本设计规定回流比取最小回流比的 流方式 本设计处理量大，所需塔板数多，塔较高，回流冷凝器不适宜塔顶安装，故采用强制回流。 作压力 甲醇 此在常压下也比较容易分离，故本设计采用常压精馏。 2 艺流程确定 如图 1是甲醇 图 水分离工艺流程 3 第二章 塔板工艺设计 馏塔全塔物料衡算 表 处理量（万吨 /年） 量分数， %) 量分数， %) 量分数， %) R/5 原料液级塔顶、塔底产品的摩尔分率 已知：甲醇的摩尔质量 K m o /， 水的摩尔质量 K m /。 原料液组成 尔分数，下同 ) 塔顶组成 塔底组成 0 0 1 6 x 底产品的平均摩尔质量 k g / k m o ）（ k g / k m o 3 3 ）（ k g / k m o 1 1 ）（ 塔物料衡算 一年以 300天，一天以 24小时计，计算可得 进料 流率： k m o l / 4 年万吨 4 全塔物料衡算式： 联立代入求解： D=h， W=h 顶回收率 甲醇回收率： 水回收率： ( )1(D x 用 拟进行塔 工艺计算过程 压下甲醇 利用 水体系的 图 2。依据进料摩尔分数，求得体系的泡点进料温度为 图 水气液平衡组成与温度关系图 醇 是从反应混合物中从塔顶分离甲醇。首先用简捷计算方法求出完成指定分离任务需要的最小回流比、最小理论塔板数和进料位置，为严格计算提供初值。 5 图 3. 甲醇 捷塔模块 点击 条上的“ 选择“ 块，拖放到工艺流程图窗口，用物流线与反应器连接，并用物流线连接精馏塔的两出口。为便于阅读，对精馏塔的两出口物流更改名称。 点击“ 钮，进行化学组分的定义。点击“ 在弹出的对话框的“ 中填入组分名称“ 后点击“ 后点击“ 以此类推，定义甲醇、水组分。 点击“ 钮，选择热力学方法。在 的“ 拉框中选上“ 点击“ 钮，点击“ 进行流股信息的设置，把题目给定的进料物流信息填 6 入对应栏目中。 点击“ 钮，出现精馏塔的简捷计算设置窗口。填入 R/顶、底压力分别是 11030醇和水为轻、重关键组分， 至此“ 块设置结束，点击“ 钮，运行计算程序，显示计算收敛。在“ 子目录窗口的“ 面，可看到完成指定分离任务，精馏塔简捷计算的结果。可见最小回流比 小理论塔板数 流比 的实际塔板数 14，对应的进料位置 9；精馏塔的顶、底温度分别为 7 在“ 子目录窗口的“ 面，可看到精馏塔进、出口物流各组分的流率、组成和多种物性。塔顶流率 h，底流率为 h，甲醇摩尔分数达 足分离要求。 醇 由以上简捷计算，取回流比 D/据奥康奈公式： 4 5 ）（）（ ，初步估计板效率为 45%，得到精馏段板数： 8/馏段板数： 5/板数： 18+12+1=31；第 19块塔板为进料板。 点击 选择“ 块，拖放到工艺流程图窗口，用物流线连接精馏塔的进、出口。为便于阅读，对精馏塔的进、出口物流更改名称。 8 图 4 严格塔模型 双击“ 块，出现精馏塔严格计算的子目录设置窗口。在 “ 面，把简捷计算结果填入相应的空格内，如下图所示。 在“ 面，填入进料位置为 19 9 在“ 面，填入塔顶压力和板压降 点击 的 的 择默弗里效率（单板效率） 点击 置板效率 至此，精馏塔严格计算需要的信息已经全部设置完毕。点击“ 钮，软件询问是否运行计算，点击“确定”。在“ 以查看物料计算结果，塔顶甲醇的摩尔分数达到 塔底甲醇的摩尔分数为 达到题目的设计要求。 10 在“ 子目录窗口的“ 面，可看到精馏塔内各板上的温度分 布和两相流率分布。观察浓度变化，发现第 19 块塔板组成与进料组成接近，无需修改进料位置。 11 在“ 子目录窗口的“ 面，可看到精馏塔严格计算部分结果。在“ 中选择 “ op 可看到塔顶的计算结果，塔顶温度为 冷凝器负荷为 在“ 中选择“ 可看到塔底的计算结果。塔釜再沸器的温度为 C，再沸器热 负荷为 在“ 子目录窗口的“ 面，可看到精馏塔内各板上的温度分布和两相流率分布。 kW hr 2 0 1 12 12 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 以查看液相组成图： 13 查看运算结果，见表 2，塔顶甲醇的质量分数 塔底水质量分数为 塔顶温度为 塔釜温度为 满足题目分离要求。 表 塔顶（甲醇）数据 进料数据 塔釜（水）数据 0 0 kg/l/ 2O 择 看 力学 )数据。 利用 表 平均值 精馏段 提馏段 进料 参数 单位 液相 气相 液相 气相 液相 温 度 量流量 kg/h 积流量 m3/s 子 量 度 kg/ 度 面张力 mN/m 14 第三章 塔板塔体工艺尺寸计算 径计算 精馏段的气、液相体积流率为 / /0 0 1 2 7 6 提馏段气、液相体积流率为 / /0 0 2 3 2 9 取板间距： 仅能对精馏塔的物料衡算进行模拟计算，利用“ 能还能对模型进行塔盘以及塔板的流体力学验算进行设计计算。 1） 塔盘参数的设计 该塔从塔顶分出甲醇馏分，因甲醇的 馏分流量小，气相负荷小，塔径小，采用单流型筛板。 在“ 目录，再点击“ 钮，创建一个塔板模拟对象，点击“ 在“ 面，根据精馏塔的实际塔板数，扣去冷凝器和再沸器两块板，从第 2 板到第 30 板计算塔板性质。选择 板塔）。在下图中，设置塔板间距 15 然后点击运行，观察计算结果。在“ 目录的“ 面。可以查看塔盘直径为 ，堰长为 ， 。 在“ 面，列出了各塔板降液管上的截面积数据： 表 0 1 2 3 4 16 15 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 上圆整塔径，取塔径为 截面积为 2T 精馏段实际空塔气速 1 2 m / 9 51 提馏段实际空塔气速 m / 9 51 馏塔有效高度计算 35 块塔板，需要三个人孔，每个人孔高度为 精馏塔有效高度为： ）（）（ 板主要工艺尺寸的计算 因塔径 D=选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各计算如下。 17 （ 1） 堰长 计算结果可知，当塔盘直径为 ，堰长为 7 9 l 。 （ 2）溢流堰高度 口堰高：本设计采用平直堰，堰上液高度 下式计算 3/似取 E=1） k g / 5 0 0 0. 00973 7854. 975210002. 842 / 3h 0 . 0 5 0 2 7 0 0 9 7 30 . 0 6 k g / 0. 01206 7856. 865210002. 842 / 3h 0 . 0 4 7 9 4 0 1 2 0 60 . 0 6 (3)弓形降液管的宽度和横截面 已知： l，查图 5： 18 得到： ， ，则： 2F 验算降液管内停留时间： 精馏段： 提馏段： 停留时间 5s， 故降液管可使用。 (4)降液管底隙高度 取 降液管底隙流速 s，则 1 h 8 1 0 2 故降液管底隙高度设计合理。 选用凹形受液盘，深度 0mm 取降液管底隙流速 u0=s，则 9 h 8 1 9 7 9 故降液管底隙 高度设计合理。 选用凹形受液盘，深度 hW=50 塔板布置 （ 1）塔板的分块 本设计塔径 D=用分块式塔板，以便通过人孔装拆塔板。根据查表 5，塔板分3 块。 表 塔径 /板分块数 8001200 3 14001600 4 18002000 5 22002400 6 19 （ 2）边缘度宽度确定 如图是塔板的结构示意图： 图 取边缘区宽度 沫区宽度 （ 3） 开孔区面积计算 开孔区面积 下式计算： )a r cs 0(2A 222a (D x 其中 r 2222a 1 r c s i 05 1 A （ 4）筛孔计算及其排列 选用 =2筛孔直径为 孔按正三角形排列，取孔中心距 15m 筛孔数目 2 t A a 20 开孔率为 %20 t 精馏段气体通过筛孔的气速 2 2 m / 6 1 40 11 8 2提馏段气体通过筛孔的气速 2 0 m / 6 1 40 11 8 9 21 第四章 筛板流体力学验算 板校核 核算“塔径 1m” 时的压降。点击“ 目录，再点击“ 钮，创建一个塔板模拟对象，点击“ 在“ 面，填入“塔径 数据。然后点击运行，观察计算结果。 在“ 目录的“ 面，可见塔径 1.1 m 时的最大液泛因子 于 全塔压降 合题目要求；最大降液管液位 /板间距为 间） 3。塔板校核通过。 22 在 “ 页面，可看到各板上液泛因子、降液管流速、降液管持液量、压降等数据。 表 m/ 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 23 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 板压降 干板阻力计算式： 0 5 1 由 =5/2=干筛孔的流量系数图 图 得到 051 2 24 051 2 体通过液层的阻力 计算： hL 1 . 6 4 8 m / 0 9 50 . 9 51 . 4 0 8 9)m/( 8 5 6 k 2 6 81 . 6 4 8 / 21 / 2 查图 8 图 得 = 液柱 3 LL 1 . 5 2 2 m / 0 9 50 . 9 51 . 3 0 1 4)m/( 4 6 4 k 9 2 51 . 5 2 2 / 21 / 2 查图 7，得 = 液柱 6 LL 液体表面张力所产生的阻力 25 0 气体通过每层塔板的也柱高度 液柱 3 1 气体通过每层塔板的液柱高度 下式计算 0 . 8 8 k P 6 P 71 1 （设计允许值） 液体表面张力所产生的阻力 0 气体通过每层塔板的也柱高度 液柱 5 4 9 6 4 2 气体通过每层塔板的液柱高度 下式计算 0 . 8 8 k P 90 8 5 （设计允许值） 面落差 对于筛板塔，液面落差很小，且本塔的塔径和液流量不大，故可以忽略液面落差的影响。 沫夹带 液沫夹带量计算： Lf h 汽/ 1 汽/ 1 故本设计液沫夹带量 液 对筛板塔，漏液点气速 u0, /)m i n,0 26 m /m i n,0 实际孔速 su0,稳定系数 i n,00 m /m i n,0 实际孔速 u0=su0,稳定系数 0 泛 为防止塔内发生液泛，降液管内液层高 )(H d WT 其中液0 0 1 5 20 甲醇 =0.5 5 0 2 .0)T W m 液液1 5 2 3 d 4 7 9 .0)T W 液柱 3 6 5 d )(H d WT ，故本设计中不会发生液泛。 27 第五章 塔板负荷性能图 液线 由 /)m i n,0 0m m ， ， 3/ / 0 5 0 0 L 化简得到： 3/2m i n,s / 0 5 0 0 L 化简得到： 3/2m i n,s 沫夹带线 以 /为限，求 系 由 0 9 50 . 9 5u )5 (5 ， W 28 3/23/2 2 / 3 3H 汽/ 1 k 3 /3 . 1 7 0 0 9 50 . 9 5u )5 (5h ， W 3/23/2 2 / 3 37 8 3 7 9 H 汽/ 1 k 3 /3 相负荷下限 对于平直堰，取堰上液层高度 为最小液体负荷标准。 E=1 /2/3m i n,s 相负荷上限 以 =4， 0 1 0 6 m i n,s A 29 泛线 计算： )1()1(忽略h，将各个关系式代入，整理得： 3/222 其中： 200 )( 1( 20/153.0 3/23 3 6 0 0)1( ， ， ， 3/222 7 4 9 4 11 7 5 6.4 ， ， ， 3/222 3 1 7 0 45 7 7 3.6 根据以上计算，用几何画板软件，分别画精馏段和提馏段的筛板塔负荷性能图。结果如图 9 和图 10。由图看出，该筛板的操作上限液沫夹带线控制，下限由液相负荷下限控制。 查图可得： /m ax,s ， /m in,s ，故操作弹性为： m a m a 30 图 图 31 第六章 塔换热器设计 料预热器设计 根据 工艺计算结果，对精馏塔的进料前换热器进行设备设计计算，为一步严格计算提供数据。 在 作界面选择 块，物流交换如下图所示： 图 11 原料进料换热器设计模块 1） 进行预热器的简捷计算。 首先添加换热介质 水到计算系统中。 添加进口物流性质。加入塔顶进入冷凝器蒸汽性质。由“ 填写如下数据： 32 热水流量暂时写作 300h，然后用 “ 能求取准确值。 在“ 目录，有 4 个页面，只需要填写“ 面。规定进料物流换热后的温度达到进入精馏塔的为泡点。 33 模拟计算运行并查看结果。在“ 目录有 5 个页面。在“ 面可看到两流体进、出口的性质参数，其中高温蒸汽出口温度变为 在“ 面，可看到热负荷 要的换热面积 热系数 热温差 数据。 由上述结果给出热负荷 要换热面积 16传热系数 sm2k 、传热温差等 数据，选择浮头式换热器。 34 凝器的选择 输入冷却水物流信息 输入塔顶物料信息 35 设置目标 运行，查看结果 查看换热器面积为 90 选择 5 06 0 浮头式换热器。 36 沸器的选择 输入塔底物料信息 选用 200的饱和水蒸气加热 37 设定目标 查看结果 查看换热器面积为 择釜式换热器，型号： G 38 第七章 塔附件设计 管 进料管的结构类型很多，有直管进料管、弯管进料管、 径计算如下： 取 s， F= 6 0 3 - 查标准系列选取 70 4 70 4 4查表取 60 4 顶蒸汽出料管 直管出气，取出口气速 u=20m/s，则 9 0 0023 .