甲醇水二元混合物连续筛板精馏装置的设计

1、浙江工业大化工原理课程设计说 明书题 目：甲醇一水二元混合物连续筛板精馏装置的设计学院 :生环学院专业：环境科学年 级： 2006 级设计人：指导人：日 期：目录一、概述 . 4 41设计原始条件 . 42板式塔类型 . 43工艺流程选定 . 4二、精馏塔的物料衡算 . . 5三、经济费用估算 . . 61 最小回流比Rmin （图解法）. 62精馏塔气液相负荷 . 73精馏、提镏段操作方程 . 74理论塔板数 N . 75总板效率 Et 和实际版数 Nt . 76塔径估算 . 87年总费用估算 . 10四、精馏塔塔体工艺尺寸计算 . . 12五、塔板主要工艺尺寸及流体力学性能计算 . .1.

2、塔径初选. 132塔径初步核算 . 143堰及降液管设计 . 154.孔布置 . 155漏液计算并验证其稳定性 . 166塔板压降 hp . 167. 校该液泛情况 . 178雾沫夹带量 .9计算结果整理 .六、 塔板相关物性数据的计算 . .七、 描绘负荷性能图 . .八、附属设备的设计 . . 211 塔高计算 .2泵的设计和选型 .3 原料预热器 . 244. 冷却器选用 . 255塔底再沸器选用 . 256冷凝器选用 . 257接管尺寸设计 . 26参考文献 .学习总结 . . 28图一数据 见附录一化工原 理附录 四，附录六一概述1.设计原始条件：（1）操作条件精馏塔操作压力：常压蒸

3、汽压力（绝压）：5 kgf/cm 2年生产时间：8000小时冷却水温度：30 E冷却水温升：5C（2）设计数据：原料液处理量：万吨/年原料液初温：30 E原料液含甲醇：45% （质量） 镏出液含甲醇：99% （质量） 甲醇回收率：%2.板式塔类型：气-液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，板式塔为逐级接触型气-液传质设备， 其种类繁多，根据塔板上气-液接触元件的不同， 可分为泡罩塔、浮 阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等 多种。板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔（1813年）、筛板塔（1832 年），其后，特别是在本世纪五十年代

4、以后，随着石油、化学工业生 产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如 S型板、浮阀塔板、多 降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板 等。目前从国内外实际使用情况看， 主要的塔板类型为浮阀塔、筛板 塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛。筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60%,为浮阀塔的80%左右。 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加 1015%。 塔板效率咼，比泡罩塔咼15%左右。 压降较低，每板压力比泡罩塔约低 30%左右。筛板塔的缺点是： 塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。操作弹性较小（约23）。小孔筛

5、板容易堵塞。3.工艺流程选定本设计任务为分甲离醇和水的混合物，设计过程严格按照经济 性，先进性，可靠性，稳定性和可行性的原则，通过查阅资料，选用 正确的公式以及合理的数据设计该乙醇一水的精馏塔。（1） 对于二元混合物的分离，根据生产规模和产品质量要求， 选用板式塔连续精馏流程。塔板选用筛板塔。按一定尺寸 和一定排列方式开圆形筛孔，作为气相通道。气相穿过筛 XW孔进入塔板上液相，进行接触传质。（2）设计中采用泡点进料，此时分离效率最好，所需塔板数最 少。可通过进料泵直接进料，将原料液通过预热器加热至 泡点后送入精馏塔内。（3）塔顶上升蒸气采用分凝器冷凝，其中一部分冷凝液采用自 然回流方式回流至塔

6、内，为减少镏出液组分的挥发，其余 部分经产品冷却器冷却后送至贮罐。（4） 塔底采用再沸器对釜液进行间接蒸气加热，此法相对直接 水蒸气加热法，分离效率较高，传质效率高，且设备符合 相对较低。不过再沸器造价昂贵。（5）该物系属于易分离物系，最小回流比比较小，通过估算不 同回流比式的总费用。故操作回流比取最小回流比的倍 时。运行费用那最为经济核算。精馏塔物料衡算甲醇的摩尔质量为：kmol水的摩尔质量为：kmol所以，原料的摩尔分率为：镏出液的摩尔分率为：原料液平均摩尔质量为：镏出液平均摩尔质量：原料液处理量为：根据甲醇回收率：n DXD 999%FXF塔顶流量为：由总物料平衡方程，塔底流量为：塔 底

7、 摩 尔 分 率 为 ：78.02 0.31525 0.98253.020.00046经济费用估算1.最小回流比Rmin计算（图解法）由图一查得，XF=时，泡点进料tb=C此时进料状况参数q=1，所以q线方程为：x Xf用图解法，在图二上做q线，与相平衡线交与e点（，），所以，最小回流比为：取操作回流比为：2.精馏塔气、液相负荷：精馏段：L R D 1.19 2529.7（kmol/h）ET总板效率为:提镏段：L L qF 30.75 78.02107.72(kmol / h)3.精馏、提镏段操作方程：精馏段操作方程为：提镏段操作方程为：精馏线与提镏线相交于点d 0.315,0.6204.理论

8、塔板数N采用逐板计算法，运用拟合的相平衡方程和精馏段、提镏段操 作线方程，交替计算。相平衡方程为：求得结果为，N 16.5块，从第10块板进料。5.总板效率ET和实际板数NT由图一查得，xD0.982 时，tD 66 C , XW 0.0005 时,tW 100 C精馏段平均温度t,66 77.6 2 71.8 C提镏段平均温度t277.6 100 2 88.8 C所以，全塔平均温度t (71.8 88.8) 280.3 C,对应=f 0.49() 02451.1 0.49 (3.81 0.3398) 0.2450.506加料板 NT1N；0.1506 19.8 206.塔径估算以塔顶第一块板

9、为计算对象计算气体、液体密度塔顶的压力通常可认为是一个大气压，常压下甲醇沸点为C气相摩尔质量为：MV MD 31.79(kg/kmol)由相平衡方程 x 2.2589y 1.263，0.5 x 1，计算得：x1 2.2589 0.982 1.263 0.956换算成质量分数：液相摩尔质量：气体密度为：0.365cp甲醇 0.285cp气速计算：VsVM V3600 v液速计算：LSLML3600 L设板间距HT350mm ,hL50 mm，则 H ThL 0.3m o取安全系数为,则气速为:0.78u0.78 1.471.147(m/s)计算塔径为: 圆整后为D0.7m塔截面积A3.140.7

10、 2 2jr0.385(m2)实际气速u实查甲醇溶液沸点为C,由t= C,查得 甲醇密度763.62kg/m3 水的密度980.77kg/m3 所以液体密度为：液体的平均表面张力计算查表，t =C时查得甲醇16.81mN/m 水 65.36mN/m塔内气速和液速计算及C2o的确定54.69 31.790.421(m3/s)3600 1.14729.7 31.410.00034( m3/s)3600 764.64查图得C200.058最大气速为:Vs/At 0.421/0.3851.109(m/s)(安全系数在充许的范围内，符全设计要求)7.年总费用估算塔体费用CDCD13290D1.2N 13

11、290 0.71.2 33 285862 元换热器设备费用(1)预热器采用绝对压力为5 kgf/cm 2 (约为490kPa)的水蒸气逆流加 热，蒸气温度为C,利用蒸汽潜热将原料从 30 C加热至C,水蒸气 只发生相变，温度不变。质量流量 mF 140000000.486(kg/s)8000 * 3600查得 Gc，甲醇=kj/(kg K) C p,c,水=kj/(kg K) xF 0.45求得 Q1mCpc(tc2 5) 0.486 3.42 (77.6 30) 79.06kw10由于逆流t164.5 3529.5 Ct240 3010 Ctm上2 bln t2t1空工卫18.02 Cln

12、295th150.9 Ctc1 30 Ctc2 77.6 C由于逆流操作,t1thtc273.3 Ct2th tc1120.9 Ctt2t1tmrlnt1120.9 73.3,120.9ln _73.395.12 C2选择传热系数3 400 w/(m K)79.06 1000400 95.12传热面积为 A Q1 (K tm)(2)冷凝器甲醇蒸馏出来进入冷凝器, 变。2.08m2只发生气相到液相的变化，温度不塔顶质量流量mV VMV360054.69 31.7936000.483(kg / s)t 64.5 C时，查得甲醇的汽化潜热r甲1101kj/kg水的汽化潜热r水2344.6kj / k

13、g冷凝水进水温度tc130 C出水温度tc235 Ct164.5 3529.5 Ct264.5 3034.5 Ctmt2t1t2lnt134.5 29.531.93 C .34.5 ln-29.5冷凝器选择传热系数冷凝器传热面积A22K 600 w/(m K),537.77 1000Q2 (K tm)-600 31.93228.07m30 C到35 C时由于逆流操作,冷却器本工艺设定产品从C冷却到40C时冷却水从进口温度冷却器传热系数取冷却器传热面积A3K 600 w/(m K)13.41 10002Q3 (K tm) - 1.86m400 18.02(4)塔底再沸器最后一块板的xN0.000

14、5 ,查图一，塔底温度接近100C,蒸气从气相到液相，温度为c30C时，CR水4.174kj /(kg K)再沸加热只发生相变，从液相到气相。t 150.9 100 50.9 C冷却水费用Cw 26.41 3600 8000 0.5/1000 380312元/ 年 蒸气费用C时，水的潜热150.921 15.4kj/kgCs 0.3553 3600 8000 70/1000 716372 元/ 年 年总费用C 0.33 (CD CF) 1.05Cs CW 1258862 元/ 年四精馏塔塔体工艺尺寸计算1.最适回流比Ropt的求取通过对R/Rmin与费用关系的优化计算，选取 Ropt= 总费用

15、与R/Rmin的关系如图所示。2.精馏塔气、液相实际负荷：精馏段：L R D 0.93 2523.33(kmol / h)提镏段：L L qF 23.33 1 78.02101.35(kmol / h)3.精馏、提镏段操作方程：精馏段操作方程为： 提镏段操作方程为：精馏线与提镏线相交于点d 0.315,0.6564.理论塔板数N采用逐板计算法，用拟合的相平衡方程及精馏段、提镏段操作 线方程交替计算。运用Excel求得结果为：N 22.1块，从第16块 板进料。Excel计算过程如图。再沸器传热系数取K 800 w/(m K)(5)换热器总费用总传热面积A AA2A3A448.52m2换热器费用

16、CF 2000A200097046元2258.4kj / kg100C时，水的汽化潜热A。五、塔板主要工艺尺寸及流体力学性能计算1.塔径初选 以第一块板气液相组成为例，设板间距 HT 350mm，hL 50mm，贝U HT hL 0.3m。查图得C200.0575最大气速为：取安全系数为，则气速为： 计算塔径为： 塔径应该圆整为D 0.7m2 塔径初步核算 因塔径D=所以可选取单溢流弓形降液管，查表，D=700m时,得塔截面积 AT 0.7854m2 塔板间距 HT 350mm堰长 lw 466mm管宽 Wd 87mm降液管面积 Af 0.0248m2Af / AT 6.9% lw/D 0.6

17、66a.雾沫夹带 b停留时间 自以上两项初步认为塔径取合理3.堰及降液管设计a.堰长 lw 650mmb.上清液层how的计算由查得液流收缩系数E=，则c.板上清液层高度hL的计算设 hL0.05mhw IV how 0.05 0.00473 0.045272m经圆整取hw=50mmhL hw hw 0.050 0.00473 0.05473md.降液管底部距下一板的间距 ho4.孔布置a.筛孔选择取 do 4mmt/d 3.4 则t 13.6mm由图得 A/Aa 0.082b.边缘区确定，取 WS 0.065mWC 0.035m由图得Aa 0.23m2则 A00.23 0.082 0.019

18、m2c.孔数nn nAa由 图 得 n 6000个n 6000 0.23 1380个5.漏液计算并验其稳定性按漏液气速考虑的负荷下限为设计值之 %6.塔板压降hpa.干板压降hc取板厚 3mm d。/1.133 由图得b.有效液层阻力hl筛孔动能因数 F。W。、19.73 1.147 21.13 1由图得有效液层阻力h 0.043m液柱贝U hp hc h 0.04220.0430.0852m液柱7.校该液泛情况8.雾沫夹带10.计算结果整理计算数据整理序号项目数值序号项目数值1塔径D10孔间距t2板间距H11Wc35mm3塔板型式单流型12Ws65mm4空塔速度s13孔数n1380 个5堰长

19、Iw14开孔面积A06外堰咼hw15塔板压降液柱7板上清液咼度16停留时间8降液管底与板间距h035mm17Hd9孔径d04mm18雾沫夹带ekg气六塔板相关物性数据计算1.计算示例：（以精馏段最后一块板，即理论塔板第15块板为例）压力 P 101.3 （15 1）hp 101.3 14 0.725 111.45kpa根据气液相组成分数查表，得沸点c气相密度 v PMv 111.45 27.521.052kg/m3RT8.31477.5273.15查得 甲醇密度763.62kg /m3水的密度980.77kg/m3液相密度后士口、k 曰、，VMv 48.33 27.52 小 cl, 3 ,气相

20、流量VS0.351m /s3600 v 3600 1.052、升屮、头曰LML23.33 22.47小一小 3 ,液相流量 LS0.000167m /s3600 L 3600 868.757液体的平均表面张力计算根据式WOM4.4C。0.0056 0.13hLh LW0WOM（K 取 1）得方程V22/3404733.626724.87 L得方程332.46（厉）3.2270.702 14.67L根据式HT hw根据式Af HTLS5s由 t =C 查得甲醇15.325mN/m 水 63.01mN/m液体的平均黏度计算由 t =C 查得甲醇0.285mPa/s 水 63.01mPa/s2.计算

21、结果（计算方法与示例相同）七描绘负荷性能图（第一块塔板）1.漏液线2.过量雾沫夹带线取=时气速作为设计的上限负荷,V3.液泛线0.5得方程 487.6L2/3 3.3978L20.00235V2107004.液相上限线解得 L 6.2496m3/h5.液相下限线根据式 誥 1.032*）2/3 how 6mm解得 L 1.365m3 / h6.操作线根据 LS 0.0002652m3/s VS 0.372m3/s将操作点与原点连接即可。负荷性能图如下：NET八附属设备的设计1.塔高计算间接蒸汽加热裙座高度4m塔底最后一块板距塔底塔顶第一块板距塔顶理论板数块(不含塔釜)，精馏段块，提馏段块。实际

22、精馏段43.67块，取44块，第30块板进料，进料处板间距,0.506每十块板开一个人孔，板间距为，共开 4个塔高4 1.20.750.8 4(43 4) 0.35 44 0.00322.94m2.泵的设计和选型(1).原料泵：工艺流程中进料方式采用泵直接进料进料温度 30C，查水 995.7kg/m3，甲醇 794.3kg /m3假设液体流速为1.2m/s选取管道d 32mm b 3.5mm 即32 3.5mm的热轧无缝钢管对加料板面机械能衡算，地面为基准面，假设管路总长L=25m管路上安装2个90的标准弯头=0.752 1.5泵排出管路上安装一个摇板式止回阀2入塔前安装一个半球心阀9.5流

23、量计上下各安装一个全开球心阀6.42 12.8预热器阻力9.6所以 总= 1.5 29.5 12.89.635.4进料口离地面高度：30 C 时 水=0.8007cp已醇=0.503cpRe在3000-3000000范围内且粗糙管内径为 25mm的新钢铁可用以下公式：hp 0.7252kPaA P=29 0.725221.03kPa选取泵 IS50 32- 200汽蚀余量 h 2.0m Q 3.75m3/hhe 13.1m(2).回流泵原料温度为C,查得：甲醇763.62kg/m3 水3980.77kg/m假设流体流速为s选取25mm 2mm的冷拔无缝钢管假设管路总长L=100m管路上安装3个

24、90的标准弯头泵排出管路上安装一个摇板式止回阀 回流入塔前安装一个半球心阀 流量计上下各6.4 2 12.8全凝器的阻力12所以总=2.25 29.512.8 1238.550时水=0.4386cp甲醇=0.327cp只。d u 0021 767.908 30.766 37217.7430.3319 10所以 0.1 （O.。095 R：）0.23 0.0258选取泵 IS50 32- 125名称型号汽蚀余量m流量nVh扬程he原料泵IS50 32 200回流泵IS50 32 1255.4me3.原料预热器选用汽蚀余量 h 2.0m Q 3.75m3/hh,根据费用估算时的计算方式算得的预热器

25、的面积A 2.07m得 A=X =名称公称直径公称压力管程数N管子根数n选取换热器基本参数如下:=0.75 3 2.254000属于湍流29.5开球心阀Dg/mmPg/MPa规格159133名称中心排管数管程流通面积/m2计算换热面积/m2换热管长度/mm规格715004.冷却器选用根据前面方法算得到的冷却器的面积 A 1.86m2得 A=X =选取冷却器基本参数如下名称公称直径Dg/mm公称压力Pg/MPa管程数N管子根数n规格159115名称中心排管数管程流通面积/m2计算换热面积/m2换热管长度/mm规格530005.塔底再沸器的选用根据前面算法算得的再沸器的面积 A 14.597m2得

26、 A=X =名称公称直径Dg/mm公称压力Pg/MPa管程数N管子根数n规格400216名称中心排管数管程流通面积/m2计算换热面积/m2换热管长度/mm规格1520006.全凝器选用蒸汽走壳程，馏出液走管程，水定性温度30 35 /232.5 C,由前面算得冷凝面积为名称公称直径Dg/mm公称压力Pg/MPa管程数N管子根数n规格5002256名称中心排管数管程流通面积/m2计算换热面积/m2换热管长度/mm规格182920007.接管尺寸设计a.进料管前面已经选取 32mm 3.5mm的热轧无缝钢管，且流速u 1.142m/s符合要求b.出料管一般可取塔底出料管的料液流速 UW为 m/s，

27、循环式再沸 器的料液流速可取 m/s,(本设计取塔底出料管的料液流速 UW为 m/s)应该选取18mm 1.5mm的冷拔无缝钢管c.塔顶升汽管操作压力为常压时，蒸气导管中常用流速u为1220 m/s,设u 10m/s应选取两根114mm 4mm并联作为排气管d.回流管当塔顶冷凝器械安装在塔顶平台时，回流液靠重力自 流入塔内，流速 UR可取 m/s当用泵输送时，可取 m/s(本设计应用前者，回流液靠重力自流入塔内，流速LR 取 m/s)应选取32mm 2.5mm的热轧无缝钢管附：汽液平衡数据Xyxyxy参考文献1 1 .化工原理何潮洪冯霄主编科学出版社(1) 附录四水的重要物性(2) 附录五 饱和水蒸汽的物性(