分离甲醇-水混合液(混合气)的填料精馏塔课程设计

1、精品资料化工原理课程设计任务书专业：化学工程与工艺 班级： 设计人： 一、设计题目分离 甲醇-水 混合液（混合气）的 填料 精馏塔二、设计数据及条件生产能力：年处理 甲醇-水 混合液（混合气）： 7 万吨（开工率300天/年）；原 料： 甲醇 含量为 30 %（质量百分率，下同）的常温液体（气体）；分离要求： 塔顶 甲醇 含量不低于（不高于） 95 %；塔底 甲醇 含量不高于（不低于） 0.3 %。建厂地址： 沈阳三、设计要求（一）编制一份设计说明书，主要内容包括：1、前言；2、流程的确定和说明（附流程简图）；3、生产条件的确定和说明；4、精馏（吸收）塔的设计计算；5、附属设备的选型和计算；6

2、、设计结果列表；7、设计结果的讨论与说明；8、注明参考和使用的设计资料；9、结束语。（二）绘制一个带控制点的工艺流程图（2#图）（三）绘制精馏（吸收）塔的工艺条件图四、设计日期： 2016年05月20日至2016年06月12日沈阳化工大学化工原理课程设计 目 录化工原理课程设计任务书1目 录2前言4第一章 流程确定和说明51.1加料方式的确定51.2进料状况的确定51.3冷凝方式的确定51.4回流方式的确定51.5加热方式的确定61.6加热器的确定6第二章 精馏塔设计计算72.1操作条件与基础数据72.1.1操作压力72.1.2气液平衡关系与平衡数据72.2精馏塔工艺计算82.2.1物料衡算8

3、2.2.2 热量衡算112.2.3理论塔板数计算152.3 精馏塔主要尺寸的设计计算162.3.1精馏塔设计主要依据和条件162.3.2塔径设计计算232.3.3填料层高度的设计计算25第三章 附属设备及主要附件的选型计算283.1 冷凝器283.2 加热器293.3 塔内其他构件293.3.1接管管径的选择293.3.2除沫器323.3.3液体分布器323.3.4液体再分布器343.3.5填料及支撑板的选择353.3.6塔釜设计353.3.7塔的顶部空间高度363.4精馏塔高度计算36第四章 设计结果自我总结和评价374.1精馏塔主要工艺尺寸与主要设计参数汇总374.2 自我评价和总结374

4、.21满足工艺和操作的要求374.2.2满足经济上的要求384.2.3保证生产安全384.3总结38附录39一、符号说明39二、参考文献41前言在化学工业和石油工业中广泛应用的诸如吸收、解吸、精馏、萃取等单元操作中，气液传质设备必不可少。塔设备就是使气液成两相通过精密接触达到相际传质和传热目的的气液传质设备之一。填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设

5、气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。 填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量

6、小，操作弹性大等优点。填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。但近年来又倾向于认为在一定塔径范围内，采用新型高效填料（如鲍尔环或鞍型填料）可以得到很好的经济效果。总之根据不同的具体情况（特别是在小直径塔，或压降有一定限制，或有腐蚀情况时），填料塔还是具有很多适用的。本次课程设计就是针对甲醇-水体系而进行的常压二元填料精馏塔的设计及相关设备选型。由于此次设计时间紧张，本人水平有限，难免有遗漏谬误之处，恳请老师指出以便修正。第一章 流程确定和说明 选择精馏设备，首先应从

7、经济考虑，在充分考虑整个系统热能的利用，降低操作费用。另外还应考虑到它对操作稳定性的影响，塔的操作如不稳定就不能保证产品质量的均匀，具体情况如下：1.1加料方式的确定加料方式有两种：高位槽加料和泵直接加料。采用高位槽加料，通过控制液位高度，可以得到稳定的流量和流速，通过重力加料，可以节省一笔动力费用，但由于多了高位槽，建设费用相应增加；采用泵加料，受泵的影响，流量不太稳定，流速也忽大忽小，从而影响了传质效率，但结构简单，安装方便。如果采用自动控制泵来控制泵的流量和流速，其控制原理较复杂，且设备操作费用高。本设计采用高位槽进料。1.2进料状况的确定进料状况一般有冷液进料和泡点进料。对于冷液进料，

8、当组成一定时，流量一定，对分离有利，节省加热费用。但冷液进料受环境影响较大，对于沈阳地区来说，存在较大温差，冷液进料会增加塔底蒸汽上升量，增加建筑费用。采用泡点进料，不仅对稳定塔操作较为方便，且不受季节温度影响。综合考虑，设计上采用泡点进料。泡点进料时，基于恒摩尔流假定，精馏段和提馏段上升蒸汽的摩尔流量相等，故精馏段和提馏段塔径基本相等，制造上较为方便。1.3冷凝方式的确定塔顶冷凝采用全冷凝器，用水冷凝，在常压下乙醇和水不反应，且容易冷凝，故用全冷凝器符合要求。1.4回流方式的确定 回流方式可分为重力回流和强制回流。对于小塔型，回流冷凝器一般安装在塔顶，其优点是回流冷凝器无需支撑结构，其缺点是

9、回流冷凝器回流控制较难。如果需要较高的塔处理量或塔板数较多时，回流冷凝器不适合于塔顶安装，且塔顶冷凝器不易安装、检修和清理。在此情况下，可采用强制回流，塔顶上升蒸汽量采用冷凝器以冷回流流入塔中。本次设计为小型塔，故采用重力回流。1.5加热方式的确定加热方式分为直接蒸汽加热和间接蒸汽加热，直接蒸汽加热时蒸汽直接由塔底进入塔内，由于重组分是水，故省略加热装置。但在一定的回流比条件下塔底蒸汽对回流液有稀释作用，使理论塔板数增加，费用增加。间接蒸汽加热时通过加热器使釜液部分汽化，维持原来的浓度，以减少理论板数，缺点是增加加热装置。本次设计采用间接蒸汽加热。1.6加热器的确定 采用U形管蒸汽间接加热器，

10、用水蒸气做加热剂。因为塔小，可将加热器放在塔内，即再沸器，这样釜液部分气化，维持了原有浓度，减少理论塔板数。第二章 精馏塔设计计算2.1操作条件与基础数据2.1.1操作压力精馏操作按操作压力可分为常压、加压和减压操作。精馏操作中压力影响非常大，当压力增大时，混合液的相对挥发度将减小，对分离不利；当压力减小时，对分离有利。但当压力太低时，对设备要求太高，设备费用增加。因此在设计时一般采用常压蒸馏乙醇水系统在常压下挥发度相差较大，较易分离，故本设计采用常压精馏。2.1.2气液平衡关系与平衡数据 表2-1 常压下甲醇-水的气液平衡与温度关系液相甲醇摩尔百分数(x)气相甲醇摩尔百分数(y)温度/001

11、00.05.3128.3492.97.6740.0190.39.2643.5388.913.1554.5585.020.8362.7381.628.1867.7578.033.3369.1876.746.2077.5673.852.9279.7172.759.3781.8371.368.4984.9270.085.6289.6268.087.4191.9466.910010064.7注：摘自化工原理课程设计 P710表19-38（2）。2.2精馏塔工艺计算2.2.1物料衡算 物料衡算图图2-1 物料衡算图原料流量，； 馏出液流量，；釜液流量，； 原料中易挥发组分的摩尔分数；馏出液中易挥发组分的

12、摩尔分数；釜液中易挥发组分的摩尔分数。 物料衡算质量分数： =32.04kg/kmol =18.02kg/kmol 所以： 原料处理量： 总物料衡算：469.29 D W 甲醇物料衡算：469.2919.42% D98.16% W0.017% 得 D49.769kmol/h W419.521kmol/h(3)物料衡算结果表2-2 物料衡算结果表塔顶出料塔底出料进料摩尔流量/（kmol/h）49.769419.521469.29摩尔分数/（%）98.160.01719.42（4）塔顶气相、液相，进料和塔底的温度分别为：，查表2-1，用内插法解得塔顶： 解得： 解得：塔釜： 解得：进料： 解得：精

13、馏段平均温度： 提馏段平均温度：（5）相对挥发度的计算取x-y曲线上两端点的温度下的平均值。查表2-1得：t=92.9时，所以，(6)求最小回流比及操作回流比 图2-2 操作线图由图2-2可知： 2.2.2 热量衡算1.加热介质的选择常用的加热剂有饱和水蒸气和烟道气。饱和水蒸气是一种应用最广的加热剂。由于饱和水蒸气冷凝时的传热系数很高，可以通过改变蒸汽压力准确地控制加热温度。燃料燃烧所排放的烟道气温度可达到1001000，适用于高温加热。烟道气的缺点是比热容及传热系数很低，加热温度控制困难。本设计选用选用300KPa(温度为133)的饱和水蒸气作加热介质。原因，水蒸气易获得、清洁、不易腐蚀加热

14、管，不但成本相应降低，塔结构也不复杂。2. 冷凝剂的选择常用的冷却剂是水和空气，应因地制宜地加以选用。受当地气温限制，冷却水一般为1025。如需冷却到较低温度，则需采用低温介质，如冷冻盐水、氟利昂等。本设计建厂地区为沈阳。沈阳市夏季最热月份平均气温为。故选用的冷却水的冷却水，选升温，故冷却水的出口温度是。3.热量衡算（1）冷凝器的热负荷 式中 塔顶上升蒸汽的焓; 塔顶馏出液的焓。又 式中甲醇的蒸发潜热；水的蒸发潜热。蒸发潜热的计算：蒸发潜热与温度的关系：式中：对比温度。 表2 沸点下蒸发潜热列表 沸点/C 蒸发潜热 甲醇 64.7 1105 513.15水 100 2257 648.15注：摘

15、自化工原理修订版，上册附录4（P328329）及附录18（P350351）。66.88时，甲醇：蒸发潜热：同理，水:蒸发潜热：所以：所以：（2） 冷却水消耗量：式中：所以:此温度下冷水的比热容 所以：（3） 加热器热负荷及全塔热量衡算列表计算甲醇和水在不同温度下混合物的比热容(单位：)塔顶塔釜进料精馏段提馏段甲醇（1）3.0373.4493.2973.1793.373水（2）4.2624.2684.2804.2754.283精馏段：甲醇：水：提馏段：甲醇：水：质量分数的计算：塔顶镏出液的比热容:塔釜镏出液的比热容：为简化计算，现以进料焓，即84.62时的焓值为基准。根据表2-2可得：，对全塔进

16、行热量衡算：所以：由于塔釜热损失为,则所以:式中：（4） 热量衡算的结果表2-4 热量衡算结果表符号数值2.2.3理论塔板数计算本次设计采用图解法。精馏段操作线方程为 即：本次所选为冷夜进料，所以。图2-3 塔板数图由图2-3可知，精馏塔理论塔板数为块，其中精馏段块，提馏段块。2.3 精馏塔主要尺寸的设计计算 2.3.1精馏塔设计主要依据和条件表2-5 甲醇-水在不同温度下的密度温度甲醇水50760988.160751983.270743977.880734971.890725965.3100716958.4表2-6 甲醇-水在特殊点的粘度物质甲醇水塔顶：塔底：进料：塔顶条件下的流量及物性参数

17、 ,(1) 气相平均相对分子质量（2） 液相平均相对分子质量（3） 气相密度（4） 液相密度,查表2-5，用内插法得：，解得：（5） 液相粘度查表2-6得：时，（6） 塔顶出料的质量流量表2-7 塔顶数据结果表符号数值塔釜条件下的流量及物性参数,(1)液相相对分子质量（2）气相密度（3）液相密度查表2-5，内插法算得：，解得：(4)塔釜出料的质量流量(5)液相密度查表2-6可得：，表2-8 塔釜数据结果表符号数值进料条件下的流量及物性参数，查表2-1得：由内插法可得：解得：（1） 气相平均相对分子质量(2) 液相平均相对分子质量（3）气相密度（4）液相密度查表2-5，内插法算得：，解得：（5）

18、液相粘度查表2-6得：，(6) 进料的质量流量表2-9 进料数据结果表符号数值精馏段的流量及物性参数（1） 气相平均相对分子质量（2）液相平均相对分子质量(3) 气相密度(4)液相密度(5)液相粘度(6)气相流量摩尔流量 质量流量 （7）液相流量摩尔流量 质量流量 表2-10 精馏段数据结果表符号数值提馏段数据及物性参数（1）气相平均相对分子质量（2）液相平均相对分子质量（3）气相密度(4)液相密度(5)液相粘度(6)气相流量摩尔流量 因为 所以 式中 (冷夜进料)质量流量 （7）液相流量摩尔流量 质量流量 表2-11 提馏段数据结果表符号数值2.3.2塔径设计计算1.填料选择填料是填料塔的核

19、心构件，它提供了气液两相接触传质和传热的表面，与塔内件一起决定了填料塔的性质。目前，填料的开发与应用仍是沿着散装填料与规整填料两个方向进行。本设计选用规整填料，金属板波纹250Y型填料。规整填料是一种在塔内按均匀几何图形排布、整齐堆砌的填料，规定了气液流路，改善了沟流和整流现象，压降可以很小，同时还可以提供更大的比表面积，在同等溶剂中可以达到更高的传质、传热效果。与散装填料相比，规整填料结构均匀、规则、有对称性，当与散装填料有相同的比表面积时，填料空隙率更大，具有更大的通量，单位分离能力大。250Y型填料是最早研制并应用于工业生产的板波纹填料，它具有以下特点：第一，比表面积与通用散装填料相比，

20、可提高近1倍，填料压降降低，通量和传质效率均有较大幅度提高。第二，与各种通用板式塔相比，不仅传质面积大幅度提高，而且全塔压降及效率有很大改善。第三，工业生产中气液介质均可能带入“第三相”物质，导致散装填料及某些板式塔无法维持操作。鉴于250Y型填料整齐的几何结构，显示出良好的抗堵性能，因而能在某些散装填料塔不适宜的场合使用，扩大了填料塔的应用范围。鉴于以上250Y型填料的特点，本设计采用Mellapok-250Y型填料，因本设计塔中压力很低。2.塔径设计计算精馏段空塔气速及塔径计算查表2-10可知 ，得：解得：因为空塔气速可取所以又 所以 塔径 圆整后：，代入上式可计算出此时的空塔气速提馏段空

21、塔气速及塔径计算查表2-11可知 ，得：解得：因为空塔气速可取所以又 所以 塔径 圆整后：，代入上式可计算出此时的空塔气速选取整塔塔径提馏段及精馏段圆整后，为精馏塔的塔径。2.3.3填料层高度的设计计算填料层高度计算（1） 精馏段动能因子 经查每米理论级数所以精馏段填料层高度为式中 精馏段理论塔板数。（2） 提馏段动能因子 经查每米理论级数所以提馏段填料层高度为式中 精馏段理论塔板数。填料层总高度填料层压降计算（1） 精馏段液体负荷 用精馏段动能因子查液体负荷分别为和时的每米填料层压降，再用内插法算得时的每米压降。当时，所以精馏段的压降：（2） 提馏段液体负荷 用提馏段动能因子查液体负荷分别为

22、和时的每米填料层压降，再用内插法算得时的每米压降。当时，所以提馏段的压降：全塔填料层总压降：填料层持液量的计算（1）精馏段由上可知：液体负荷气体动能因子由内插法算得：当时的的值：所以 （2）提馏段由上可知：液体负荷气体动能因子由内插法算得：当时的的值：所以 表2-12 精馏段、提馏段各参数表精馏段提馏段全塔气体动能因子每米填料塔压降填料压降填料层高度持液量第三章 附属设备及主要附件的选型计算3.1 冷凝器本设计冷凝器选用重力回流直立或管壳式冷凝器原理。对于蒸馏塔的冷凝器，一般选用列管式，空冷凝螺旋板式换热器。因本设计冷凝器与被冷凝流体温差不大，所以选用管壳式冷凝器，被冷凝气体走管间，以便于及时

23、排除冷凝液。冷却水循环与气体方向相反，即逆流式。当气体流入冷凝器时，使其液膜厚度减薄，传热系数增大，利于节省面积，减少材料费。取冷凝器传热系数 本设计建厂地址为沈阳，沈阳市夏季最热月份平均气温为。冷却剂用深井水，冷却水出口温度一般不超过，否则易结垢，选择升温为，即冷却水出口温度为。T1 t2T2逆流：t1查取有关数据如下表3-1 管程数管数 注：摘自金属设备上册P118表2-2-5和P132表2-2-8标准图号： 设备型号：3.2 加热器选用型加热器，经处理后放在塔釜内。蒸汽选用饱和水蒸气，传热系数由表2-4可得：换热面积：表3-2管程数管数注：摘自金属设备上册P118表2-2-5和P132表

24、2-2-8。标准图号： 设备型号：3.3 塔内其他构件3.3.1接管管径的选择1.进料管本次加料选用高位槽进料，所以可取0.40.8 m/s（见浮阀塔P195）。本次设计取。式中 进料液质量流量，； 进料条件下的液体密度，。圆整后内管重/(kg/m)表3-3 进料管参数表内管外管半径 内管重注：摘自浮阀塔P197表5-3。2. 回流管冷凝管安装在塔顶是，回流液在管道中的流速一般不能过高，否则冷凝器高度也要相应提高，对于重力回流，一般取速度为，本次设计取。式中 回流液体质量流量， 塔顶液相密度，圆整后表3-4 回流管参数表内管 外管半径 注：摘自浮阀塔P197表5-3。3.塔顶蒸气接管从塔顶至冷

25、凝器的蒸气导管，尺寸必须适合，以免产生过压降，特别在减压过程中，过大压降会影响他的真空度。操作压力为常压，蒸气速度，本次设计取。，式中： 塔顶蒸汽质量流量，； 塔顶气相密度，。圆整后4. 塔釜出料管塔釜流出液体的速度一般可取，本次设计取。式中：塔釜蒸汽质量流量， 塔釜气相密度，。圆整后：表3-5 塔釜蒸气管参数表内管外管半径 3.3.2除沫器为了确保气体的纯度，减少液体的夹带损失，选用除沫器。常用的除沫器装置有折板除沫器、丝网除沫器以及旋流板除沫器。本设计塔径较小，且气液分离，故采用小型除沫器，装入设备上盖。气速计算式中 常数，取0.107；、精馏段气体和液体密度。除沫气体器直径计算：式中，气

26、体处理量 所以 3.3.3液体分布器采用莲蓬头式喷淋器。选用此装置能使截面积的填料表面较好的润湿。结构简单，制造了和维修方便，喷洒比较方便，安装方便。1.回流液分布器测量系数取，本次设计取，推动力液柱高度可取以上，本次设计取。则小孔中液体流速小孔输液能力计算由得小孔总面积 所以，小孔数式中 小孔流速，； 小孔总面积，； H推动力液柱高度，取； 小孔直径，一般取,视介质污洁而异，本次设计取； 流速系数，取； 小孔总数； 小孔输液能力，。喷洒器球面中心到填料表面距离计算式中 喷射圆周半径，； 喷射角，即小孔中心线与垂直轴线间的夹角，取2. 进料液分布器由前知，小孔流速 小孔的输液能力取，小孔总面积

27、 所以，小孔数因为莲蓬头直径可取，本设计选3.3.4液体再分布器由于规整填料本身就具有使液体均与分布的性能，故本次设计不需另外设液体再分布器对液体再次分布。3.3.5填料及支撑板的选择本设计采用波纹板网板支撑板，板网支撑的结构简单，重量轻，自由截面大，但强度较低。本设计填料高度较低，所以此支撑板适用。表3-6 梁型气体喷射式支撑的设计参数表 注：摘自塔设备设计P272表5-36。表3-7 支撑圈尺寸参数表（采用不锈钢）注：摘自塔设备设计P273表5-41。3.3.6塔釜设计料液在釜内停留，装料系统取塔底高塔底料液量 塔底体积 因为 ， 所以 3.3.7塔的顶部空间高度塔的顶部空间高度是指塔顶第

28、一层塔盘到塔顶封头切线的距离。为了减少塔顶出口气体中夹带的液体量，顶部空间一般取，本设计取。3.4精馏塔高度计算表3-8 精馏塔各部分高度列表 单位：mm塔顶空隙塔顶接管高度填料层高度塔釜鞍式支座喷淋高度塔釜法兰高喷头弯曲半径喷头上方空隙群座本次设计的填料塔的实际高度为：第四章 设计结果自我总结和评价4.1精馏塔主要工艺尺寸与主要设计参数汇总表4-1 精馏塔主要工艺尺寸与主要设计参数汇总表名称塔顶D塔釜W进料F精馏段提馏段摩尔分数/%0.98160.00170.1942平均分子质量错误!不能通过编辑域代码创建对象。30.9218.4425.79温度66.0995.9984.6275.7590.

29、31气体摩尔流量361.55583.99液体摩尔流量224.081558.73液相平均密度754.516944.65918.72836.633931.685气相平均密度1.10880.6090.8790.99390.744液体粘度0.33910.2940.3270.3330.31054.2 自我评价和总结工程设计本身存在一个多目标优化问题，同时又是政策性很强的工作。设计者在进行工程设计时应综合考虑诸多影响因素，使生产达到技术先进、经济合理的要求，符合优质、高产、安全、低能耗的原则，具体考虑以下几点。4.21满足工艺和操作的要求 所设计出来的流程和设备能保证得到质量稳定的产品。由于工业上原料的浓度、温度经常有变化，因此设计的流程与设备需要一定的操作弹性，可方便地进行流量和传热量的调节。设置必需的仪表并安装在适宜部位，以便能通过这些仪表来观测和控制生产过程。4.2.2满足经济上的要求 要节省热能和电能的消耗，减少设备与基建的费用，如合理利用塔顶和塔底的废