甲醇水分离填料精馏

1、甲醇一-水分离填料精馆作者: 日期:课程设计课程名称:设计题目:甲醇-水分离过程填料精锚塔设计院 系:学生姓名：张雪喑学 号：_29专业班级:化工1 0 0 2班指导教师：史彬2013年 01月1 2 日甲醇-水分离过程填料精馅塔设计目 录前言。31 设计方案的确定32 精 馅 塔 的 物 料 衡算42.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率42.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量523物料衡W53 塔板数的确定53. 1 解 析 法 求 理 论 板 层数.63.2全塔效率E73.3 实 际 塔 板 数 的 求取94 精镭塔的工艺条件及物性数据的计 篡94.1工艺条住942平均摩尔质量943平

2、均密度计算1044 液体平均表面张力计篡114 5 液 体 平 均 粘 度 计M125精馆塔的塔体工艺尺寸计算125.1塔径的计算125 .2 填 料 层 高 度 计算146填料层压降计算1 47附属设备及主要附件的选型计算1弘7.1,塔顶出料口管径的计算147.2, 回流管径的计算1 57.3, 进料口的管径的计算157.4 塔釜出料口的管径的计算1575筒体厚度157.6 封头1777冷 凝器177.8加热器178小结179全章主要符号说明19前言填料塔操作时，液体自塔上部进入，通过液体分布装置均匀淋洒于填料层上, 继而沿填料表面缓慢下流。气体自塔下部进入，穿过栅板沿着填料间隙上升。这 样

3、，气液两相沿着塔高在填料表面与填料自山空间连续逆流接触，进行传质和传 热。甲醇一水属于难分离物系，选用填料精镭塔的分离效率较高，容易满足生产 要求。1设计方案的确定本设计任务为。分离中醇-水混合物，对于二元混合物的分离,一般采用连续 精憎流程。精憾是分离液体混合物最常用的一种操作，它通过汽、液两相的直接 接触，利用组分挥发度的不同，使易挥发组分山液相向汽相传递，难挥发组分山汽 相向液相传递，是汽、液两相之间的传质过程。精憎对塔设备的要求大致：生产能力大:即单位塔截面可通过较大的汽、液相流率，不会产生液泛等 不正常流动。二：效率高:汽、液两相在塔内流动时能保持充分的密切接触，具有 较高的塔板效率

4、或较大的传质速率。三：流动阻力小:流体通过塔设备的阻力降 小,可以节省动力费用，在减压操作时易于达到要求的真空度。四：有一定的操作 弹性：当汽、液相流率有一定的波动时,两相均能维持正常的流动，且不会使效率 产生较大的变化。五：结构简单，造价低，安装检修方便。六:能满足物性每些工 艺特性，如腐蚀性、热敬性、气泡性等特殊要求。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精谓塔内。屮 醇常压下的沸点为64. TC，故可采用常压操作。用30C的循环水进行冷凝。塔 顶上升蒸汽用全冷凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产 品冷凝器冷却后送至储槽。因所分离物系的重组分为水，故选用直

5、接蒸汽加热方 式，釜残液直接排放。屮醇一水物系分离难易程度适中，气液负荷适中。设计中选用金属散装阶梯环Dn 3 8填料。因废屮醇溶液中含有少量的药物固体微粒，应选用金属散装填料，以便定期拆卸和清洗。阶梯环是对鲍尔环的改 进。与鲍尔环相比，阶梯环高度减少一半，并在一端增加了一个锥型翻边。由于 高经比减少，使的气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层 的阻力。锥型翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料之间山线接触为主变 为点接触为主，这样不但增加了填料间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的 汇集点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优 于鲍尔环，成为目前

6、所使用的环型填料中最为优良的一种。同类填料，尺寸越小, 分离效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用增加很多。而大尺寸的填料应 用于小直径塔中，乂会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低， 根据讣算故选用D=3 8规格的。温度/C液相中甲醇气相中甲醇 温度/C1 000096. 40.020. 13 493. 50. 040. 23491.20.060. 3 0489. 30. 080. 36 587. 70. 10.41884. 40. 150. 5 1 781. 70. 20 . 579780. 30. 665的摩尔分数的摩尔分数的摩尔分数的摩尔分数75. 30. 40. 729

7、7 3. 10. 50. 77971. 20.60. 82 569. 30. 708767. 60.80.915660. 90.95 86 50. 950. 9796 4.511液相中甲醇气相中甲醇2精馆塔的物料衡算21原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率甲醇的摩尔质量：=32kg/kmol水的摩尔质量：M=18kg/kmolXF =(0.46 / 32)/0.46 / 32 + 0.54/18)= 0.324Xd =(0.997 / 32)/(0.997/32 + 0.003/18 = 0.995Xr =(0.005 / 32)/0.005 732 + 0.995/18 = 0.00282.2原

8、料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量Mf =0.324*32 + (1-0.324)*18 = 22.54kg / kmolMd = 0.995 *32+(1-0.995)* 18 = 31.93kg / kmol Mw = 0.0028*32 + (1-0.0028)* 18 = 18.04kg / kmol2. 3物料衡算废屮醇溶媒的处理量为3.2万吨/年，每年工作日为3 0 0天，每天 2 4小 时连续运行。原料 处理： F = 32000000 /(300 * 24 * 22.54)= 197.18kiwl/h 总物料衡算：197.18 = D + W甲醇物料衡算：197.18*0.32

9、4 = 0.9950+0.0028W解得： D = 63.83kmol/h W= 133.35kmol/ h3塔板数的确定3. 1. 1求最小回流比及操作回流比泡点进料，q值为1,采用作图法求最小回流比:在x-y图中对角线上，自点(0. 3 24,0. 3 24)作垂线 即为进料线.该线与平衡线的交点坐 标：yq =0.682 Xq= 0.324 故最小回流比；心in = (xD-yq)/(yq-xq)=(0.995 -0.682)/(0.682-0.324)=0.87/? = (1.1 2.0)/?min故取操作回流比：R = l53. 1. 2求精馅塔的气液相负荷厶=/? * ) = 1.

10、5 * 63.83 = 95.75kmol/ hV = (/? + l)*D = 2.5 * 63.83 = 159.58kmol/hl=L + F = 29293kmoHhV = V = 159.58kmol/h气相组成：y, = 0995 液相组成：X = 0.992精溜段的操作线方程为y = 6x + 0.398提溜段的操作线方程为y =1.84x-0.00233.1.3采用解析法求理论板数Y1 =XD =0.995 X =0.992; y2 =0.993 X2 = 0.965；y3= 0.977x严 0.945；y4 = 0.965= 0.907;5 = 0.942 X5 = 0.85

11、4; y6 = 0.910 X6 =0.770;y7 = 0.860 X7 = 0.620; y8 = 0.766= 0.450;y9 = 0.668 X9 = 0.308 = 0.324;所以，第9块板为进料板。提憎段：X i=0.308 y 2 = 0.564 X 2 = 0.156;y 3 = 0.270 X 3 =0.045; y 4 = 0.081 X 4 =0.009;y5 = 0.013 X 5 = 0.0024 8. 7 2 m3 /( m2 h)精憎段的空塔速度为U= (4 7 29. 95/ 1 . 0 5) / (0. 7 8 5 * 0. 4 9 *3 6 0 0)=3

12、. 2 5 m/s提t段的液体喷淋密度为U= (59 0 8 . 4 0 / 905. 3 ) / (0. 785*0. 4 9 )= 1 6. 9 7 m/m2 -h8. 7 2m/mh,提镭段的空塔速度为u= (3633. 64/0.7 7 ) /(0. 785* 0 . 4 9*3600)=3. 4 1 m /s5. 2填料层高度计算Z=HE TP*NT.精憾段的高度为：HETP=1.0m精憎段填料层高度为：Z二8*1.0二8OmZ精二 1.2* 8.0 二 9. 6m提留段填料层高度为：Z 提=5* 1 . 0=5. OmZ提二 1. 2*5. 0=6. Om设讣取精憎段填料层高度为1

13、0m,提留段填料层高度为6m对于金属阶梯环散装填料，要求h/D二815。hmaxW6m.取 h/D=8,贝ij h =8* 7 0 0 = 56 0 0 mm.6填料层压降计算金属阶梯环散装填料采用Ec k ert通用关联图计算填料层压降.精憎段(U“ 屮 /g)*( P V/PL) U二3. 1 0=17 3 (p 水/pL) /9 811(1.05 / 803. 7)*0. 3297 2=0. 21 1查图有， 横坐标为：(Wl/ Wv) ( Pv/Pl) 5=0. 02. P/Z二200*9. 8 1 =1962Pa/m.精憎段填料层压降为：AP 精二 1 962*8=15. 70KPa

14、提憎段(1?屮/&)*( Pv/pL) U 0 = 2 . 7 52*173( P 水/ P L) /9. 81 ( 0. 77/9 0 5. 3)*0. 3205 2=0. 13查图有， 横坐标为：(Wl/ Wv) ( P v/pl)O5=O. 047.提留段填料层压降为： AP / Z= 1 0 0*9. 81=981Pa/mA提憎段的P蛊二9 8 1*5=49KPa填料层总压降为：AP 二 15. 7+4. 9=20. 6KPa液体分布器简要设计，散装填料,D=7 0 Omm,分布点密度选I 8 0点/ m 2,回流管径的计算 V s 二 W v/ P =(2594. 8 3/ 3 6

15、0 0)/803 7 =布点个数 n=180*0. 7*0. 7=88. 28 9 点。布液计算由 Ls=(n/4)do2nO (2gAH)05 取 0. 6 , AH=16 0 mm.得 d0=4Ls/JinOV2g H) 5 解 d。二 0 . 0 0 37m, 取 do=3. 7mm.7附属设备及主要附件的选型计算7.1,塔顶出料口管径的计算Wv=l 5 9. 58*31.93=5 0 95.4 k g/hV s = Wv/P= (50 9 5. 4 / 3 6 0 0) / 1.05=1. 3 5kg/m9. OxlOkg/m3选 u= 3 Om/s,d= (4Vs/nu)05=(4

16、*1.35/3. 1 4* 3 0) 5=O. 2 4 m=24 0 mm.由化工原理上册附录十七与十八，查得，选用024 5 mmx 6. 5mm的无缝钢 管，其 内径d ,= ( 245-2*6.5) =0. 2 32mm,重新核算速度，u 二4* 1. 35/(3. 14*0. 2 32* 0.2 3 2) =3 2. Om /选 u 为 0. 4m/s,d= (4*9. O*lO-4/nu)0=(4*9. 0*10_73. 14*0.4) o5=O. 054 m=5 4 mm.选用34mm x 3mm的无缝钢管，内径&二(54-2*3)二48mm,重新核算速度,u=4*9. OxlO_

17、7(3. 1 4*0.048 *0. 0 4 8)=0. 50m/s7. 3,进料口的管径的计算P =853. 5kg/m3，质量流量W讦5908. 4kg/ hV = (590 8 . 4/36 0 0)/853.5 = 1.90x102 进料口 u 选 0. 6m/ sd=(4Vs/Jiu)0 5=0. 0 63m/s ,选用68mmx3mm 的无缝钢管。u二4*1. 90x1 07 (3. 14*0. 0 62*0.062) =0 . 6 3m/ s。7.4, 塔釜出料口的管径的计算。W= 1 3 3.35*18.03=2404. 3 k g/hVs =(2404. 3/3 6 00)/

18、9 03.5=7.3 9 x 1 0 _,m7 s。u 选 0. 6 m/s, d= ( 4 V-/3. 1 4*0. 6) =40mm,选用 O 4 2mmx3mm 的无 缝钢管。u= 4*7. 3 9 X 1 0 _7 (3.14* 0.036* 0. 0 36)=0. 73m/so7. 5.筒体厚度，内最大有3个大气压，内径Di二600mm, Pc二0. 3 MPa,材料Q2 3 5 C , o 125Mpa,二0.8(局部无损检测，单面焊接)计算厚度 二(PcD i ) / 2。上 一 P c二(0.3*6 0 0)/L (2*125*0. 8)-0. 3=0. 9C1二0. 2 5

19、mm C2=l. 0mm,6 n二02 5+1. 0+0. 9+圆整量二3 mm,炭素钢的厚度要大于4mm,所以取5校核水压实验强度，oP(Di+6e) /26e WO. 9。sJe=5 1. 25=3. 75mm, o s 二235MP a ,则 Ot二(0. 3*604. 7 5)/( 2 *3. 75)=2 4. 2 MPa0. 9 o s =0. 9*0. 8*235二 169 MPa.可见 ot0 9 o s,所以水压实验强度足够。7.6封头采用椭圆形封头，厚度为5mm,为防止壁流效应，使气液分部不均，还应设置 液体分布装置。精镭段需要一个液体分布装置，提憎段要一个。7. 7冷凝器本

20、设计冷凝器重力回流直立或管壳式冷凝器原理。对于蒸镭塔的冷凝器,一 般选用列管式，本设计采用管壳式冷凝器，被冷凝气体走管外。冷却水循环与气体方向相反，即逆流式。取冷凝器传热系数K=5 5 0kcaI/(m 8加热器 选用U形管加热器，经处理后放在塔釜。蒸汽选择1 3 3C饱和蒸汽,传热系 h-C)o武汉地区夏季最高平均水温2 5C,温升10C逆流：T 6 4.5C-6 4. 5Ct 2 5C-35CAtin =出芈=ZUQ 二25 = 34.26Cm , At,i 64.5-35In -InAt,64.5-25传热面积：人=7.52 m2Os/CAt3.61X105-1000 x33=10.9m

21、2 *&小结:本次化工原理课程设计历时两周，是学习化工原理以来笫一次独立的工 业设讣。化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节,通过课 程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法，学会各种手册 的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧，掌握各种结果的校核，能 画出工艺流程、塔板结构等图形,理解讣算机辅助设计过程，利用编程使计算 效率提高。在设讣过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全 性和经济合理性。在短短的两周里，从开始的一头雾水，到同学讨论，再进行整 个流程的计算，再到对工业材料上的选取论证和后期的程序的编写以及流程图 的绘制等过程的培养，我真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体 会到了利用所学的有限的理论知识去解决实际中各种问题的不易。我们小组 的课程设计是屮醇一一水分离填料精镭塔设计图。在开始时我们不知道如何 下手，书中的计算步骤看起来比较简单，但其书上的计算步骤与我们自己的计 算步骤有少许差异，在这些差异面前，我们显得有些不知所措。通过查阅化 工原理，化工工艺设计手册，化工原理课程设计等书籍和在网上搜 索到的理论和经验数据。我们慢慢地找到了符合我们课程设计是实验数据。并 逐渐建立了自己的模版，自己的讣算过