高分子专业化工课程设计--用填料塔分离甲醇-水的混合物

1、 化工原理课程设计 课题：用填料塔分离甲醇-水的混合物 班级： 10高分子 姓名： 殷超 学号： 目录一、 设计课题 (3 )二、 工艺流程说明 (4 )三、 精馏塔的设计计算1.由质量分率求甲醇水溶液的摩尔分率 （5）2.全塔物料衡算（5）3.采用图解法，求解rmin，r (6）4.填料塔压力降的计算 (8）5.d、z等计算（9）6.计算结果列表 （17）四、 辅助设备的选型计算7.储槽的选型计算 （17）8.换热器的选型计算 （19）9.液体分布器简要设计 （22）10.主要接管尺寸的选型计算 （22）11.泵的选型计算 （24）12.流量计选取 （26）13.温度计选取 （26）14.压

2、力计选取 （26）五、 设备一览表 （27）六、 选用符号说明 （28）七、 参考文献 （29）设计课题题目：本设计任务为分离甲醇-水混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。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馏塔内。甲醇常压下沸点为64.7，故可采用常压操作，用25的循环水进行冷凝。塔顶上升蒸汽采用全冷凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储槽。甲醇-水物系分离的难易程度适中，设计中选用金属拉西环填料常压连续精馏，泡点进料进料量：300kg/h（质量百分率30%，以甲醇计）塔顶产品含量97%釜液浓度1.6%回流比自定设计要求：1

3、）流程示意图 2）精馏塔物料衡算3）精馏塔理论塔板数 4）精馏塔直径塔高的求取5）填料层的阻力校核 6）精馏塔的热量核算7）附属设备设计 8）主要装备图一张 工艺流程说明本次设计的精馏塔是用来分离回收甲醇的，要求回收甲醇的浓度达到97，所采用的流程如图所示，含30%的原料液通过原料泵加压，再经过过滤器、原料预热器，再进精馏塔进行精馏分离，塔顶气相通过冷凝器冷凝，不凝气体放空。冷凝液一部分由回流泵压回塔内作为回流液，其余部分则作为产品输出。塔型的选择：具体选择塔型时，要根据被分离物料的性质和负荷，要求精馏过程的压力降、温度以及腐蚀程度等条件决定。目前主要有板式塔和填料塔两种。根据计算要求 该塔分

4、离效率高，压力降小，应采用填料塔。填料塔与板式塔相比，具有一定的优点：（1）生产能力大。板式塔内件的开孔率均在50%以上，而填料塔中的空隙率则超过90%，故单位塔截面积上，填料塔的生产能力一般均高于板式塔。（2）分离效率高。工业填料塔每米理论级大多在2级以上，最多可达10级以上，而常用的板式塔每米理论级最多不超过2级。研究表明，在减压和常压操作下，填料塔的分离效率明显优于板式塔。（3）压力降小。填料塔由于空隙率高，故其压降远远小于板式塔。一般情况下，板式塔的每个理论级压降约在0.41.1kpa。填料塔约为0.010.27kpa。压降低能降低操作费用，节约能耗。（4）持液量小。填料塔持液量一般小

5、于6%，而板式塔则高达8%12%。持液量大，虽可稳定操作，但增长开工时间，增加操作周期及操作费用。（5）操作弹性大。填料对负荷变化的适应性很大，而板式塔的操作弹性一般很小。（6）填料塔塔内结构简单，耐腐蚀，且灵活，价廉。目前工业上绝大多数情况均采用填料塔，只有当液体处理量特别大或有固体时，才采用板式塔。填料式精馏塔的设计计算1. 由质量分率求甲醇水溶液的摩尔分率：甲醇的摩尔质量：ma=32.04kg/kmol水的摩尔分质量：mb=18.02kg/kmol 求得各个物料的摩尔分率如下：物料塔顶进料塔釜摩尔分率0.9480.1940.0092. 全塔物料衡算f=解得 d=2.85kmol/h ,

6、w=11.61kmol/h3.采用图解法，求解rmin，r 甲醇水溶液的平衡数据及部分数据 温度t/液相中甲醇的摩尔分数x气相中的甲醇的摩尔分数y100.00.000.00096.40.020.13493.50.040.23491.20.060.30489.30.080.36587.70.100.41884.40.150.51781.70.200.57978.00.300.66575.30.400.72973.10.500.77971.20.600.82569.30.700.87067.60.800.91566.00.900.95865.00.950.97964.51.001.000 由平衡数

7、据画出甲醇水溶液的t-x-y图由上图可知n=9 ，从塔顶算起第6块塔板为进料板，塔的理论塔板数为9。原料泡点进料，故xq=xf=0.194,从图可知yq=0.573，故有：对于指定的物系，rmin只取决于分离要求，即设计型计算中达到一定分离程度所需回流比的最小值，实际操作回流比应大于最小回流比。但增大回流比，起初显著降底所需塔板层数，设备费用明显下降。再增加回流比，虽然塔板层数仍可继续减少，但下降的非常慢。与此同时，随着回流比的加大，塔内上升蒸气量也随之增加，致使塔径、塔板面积、再沸器、冷凝器等设备尺寸相应增大。因此，回流比增至某一数值时，设备费用和操作费用同时上升，回流比的采用原则是使设备费

8、用和操作费用的总费用最小。通常，适宜回流比的数值范围为r=（1.12.0）rmin。本设计中取r2rmin 。r=2 rmin =2×0.992 =1.9844. 填料塔压力降的计算各组分的饱和蒸汽压由安托尼方程求得各组分的饱和蒸汽压的计算值： 项目安托尼方程常数饱和蒸汽压abc66.37103甲醇11.96733626.55-34.29110417394391水11.68343816.44-46.1326941.1114144塔顶的压力：（ =66.37） =塔釜的压力：（ =103） =所以精馏塔的压力降为： =5. d、z计算5.1精馏段5.1.1平均温度原料液泡点进料，取 t

9、f= 82.02,假设td =66.37，则精馏段平均温度tm(精馏)= 5.1.2平均分子量塔顶： 由图可知进料板： 由图可知精馏段平均分子量： 5.1.3精馏段平均操作压力塔顶压力 106076pa， 取每层塔板压力降 1177pa，则进料板压强 11776+106076113138pa 109607pa5.1.4液相密度塔顶 由图一得 查得66.37下甲醇 水 由 得 767.79kg/m3进料板 由图知加料板液相组成 查得82.02下甲醇 水 由 得 910.61kg/m3故精馏段液相平均密度 5.1.5精馏段汽相平均密度 5.1.6液体粘度 查化学工程手册第一篇 ：项目ab甲醇555

10、.30260.64水658.25283.16 塔顶： 66.37时 进料板： 82.02时 则精馏段平均液相粘度 5.1.7气相负荷计算 5.1.8液相负荷计算 5.1.9填料选择目前市场上规整填料价格较昂贵，且甲醇水不属于难分离系统，腐蚀性较小，故采用价格低、性能优良的散装金属拉西环dn25填料，查表得填料因子257。5.1.10塔径计算(采用埃克特通用关联图计算)横坐标 查图可得纵坐标 1.167故 得 2.672m/s取安全系数0.7， 圆整塔径 取d=0.400m此时 符合0.50.85范围,所以塔径圆整适合5.2提馏段 5.2.1平均温度原料液泡点进料， 取tf= 82.02 , t

11、w =103则提馏段平均温度tm(提馏) 5.2.2平均分子量塔底 由图可， 进料板 提馏段平均分子量： 5.2.3操作压力塔釜压力116666pa， 进料板压强 113138pa 114902pa5.2.4提馏段平均液相密度塔釜 由图一得 0.009 查得103下， 甲醇密度 水由 得：950.96kg/m3进料板 910.61kg/m3故提馏段平均液相密度 5.2.5提馏段气相平均密度5.2.6提馏段平均液相粘度查化学工程手册第一篇 ： 项目ab甲醇555.30260.64水658.25283.16 塔底 103 进料板： 82.02时 则提馏段平均液相粘度 5.2.7液相负荷计算5.2.

12、8气相负荷计算5.3塔径计算(采用埃克特通用关联图计算)横坐标 查图可得纵坐标 1.027继续采用散装金属拉西环dn25填料 得 uf3.056m/s取安全系数0.7， 圆整塔径 取 d=0.400m此时 符合0.50.85范围,塔径圆整合适5.4.塔高的计算 等板高度法，取hetp0.5m5.4.1精馏段 取安全系数为1.4 5.4.2提馏段 取安全系数为1.4 z=z1+z23.5+2.86.3m 6.计算结果列表6.1.物料衡算进料口f塔顶d塔釜w进料量（mol/h）14.462.8511.61浓度（摩尔分率）0.1940.9480.009压力（pa）113138106076116666

13、温度（）82.0266.37103 6.2.填料塔参数塔径精馏段填料高度提馏段填料高度精馏塔高度0.4m3.5m2.8m6.3m辅助设备的选型计算7.1原料储槽的选型计算 原料液的存储量是要保证生产能正常进行，主要根据原料生产情况及供应周期而定的。根据经验，取储槽中的原料液温度为t=25，此时进料液中各物料的物性是：甲醇： 质量浓度水： 质量浓度 进料液体积流量在工业中为了安全起见，储槽一般要留出一定空间。取储槽安全系数为0.8（安全系数，又称装填系数，是指有效容积占储槽总容积的百分率），按大工厂计算，取24小时进料量计算，故所需的储槽实际体积为： 原料储槽工作于常温、常压下，甲醇是一级防爆产

14、品。综合以上因素，最终选用立式平底锥盖容器系列（jb1422-74），选公称容积。 7.2中间槽 中间槽是储存回流量及出料的储罐。甲醇精馏过程为连续生产，中间槽的设计依据是中间槽装液6080能保持至少12个小时的流量，该设计任务中，槽装液70，即取安全系数为0.8，保持流量2小时。取储槽中的进料液温度为t=40，此时进料液中各物料的物性是：甲醇： 质量浓度水： 质量浓度 进料液体积流量为： 选用卧式无折边球形封头容器系列(jb1427-74),选公称容积。7.3塔底冷凝液储槽仍取储槽中的料液温度为t=40， 进料液体积流量为： 选用立式平底平盖容器系列（jb1421-74），选公称容积。8.换

15、热器的选型计算在本设计任务中，甲醇浓度都比较高，在换热时不能直接与冷流体混合，所以应采用间壁式换热器。在冷、热流体的初、终温度相同的条件下，逆流的平均温差较并流的大。因此，在换热器的传热量q及总传热系数k值相同的条件下，采用逆流操作效果较好。若换热介质流量一定时，可以节省传热面积，减少设备费；若传热面积一定时，可减少换热介质的流量，降低操作费。因而，工业上多采用逆流操作。同时，若换热器两端冷、热流体的温差大，可使换热器的传热面积小，节省设备投资。但要使冷、热流体温差大，冷却剂用量就要大，增加了操作费用，故温差的取值应考虑其经济合理性，即要选择适宜的换热器两端冷、热流体温差，使投资和操作费用之和

16、最小。8.1原料液换热器根据化工设计书可知k的取值范围一般在400，由于换热器在使用过程中会形成污垢，导致k的减小， 故取k=400查化学工程手册第1篇可得：项目比热容2582.02甲醇0.569kcal/kg0.580 kcal/kg水0.998kcal/kg1.000kcal/kg 75.20进料温度为25逆流换热，采用饱和蒸汽加热： 据热量衡算可得： 查化工工艺设计手册选取: 浮头式换热器（jb/t 4714-1992），公称直径159mm，公称压力2.5mpa，单管程，排管数15根，管子为，换热管长度1500mm,换热面积为1.3,计算传热面积1.6。8.2塔顶冷凝器假设冷流体从25升

17、至40，热流体从气体冷凝为液体66.37时，查得甲醇、水的汽化潜热： 逆流换热，采用水冷却 取 据热量衡算可得： 查化工工艺设计手册上册（第一版）,浮头式换热器（jb/t 4714-1992），公称直径325mm，公称压力4.0mpa，2管程，排管数32根，管子为，换热面积为5,计算传热面积7.4。8.3塔底再沸器103时 查得甲醇、水的汽化潜热： 逆流换热， 采用130的水蒸气加热 取 查化工工艺设计手册上册（第一版），选用立式虹吸式重沸器(jb/t 4716-1992),公称直径400mm，公称压力1.0mpa，单管程，管子数32根，管子为，计算传热面积10.89.液体分布器的简要设计 该

18、精馏塔塔径较小，考虑选用管式液体分布器，且散装金属拉西环填料的比表面积较小，可以选用较小的分布点密度，设计去160点/。 布液点数为 n=点 按分布点几何均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。设计结果：主管直径为，支管直径为，采用5根支管，支管中心距为65mm，采用正方形排列，实际布点数为n=21,布液点示意如图所示 布液计算： ， 取 则 设计取10.主要接管尺寸的计算及选型管径设计是根据流体的特性、工艺要求及基建费用和运转、维修费用的经济比较确定。管径大，则壁厚，基建费用增加；管径小，流动阻力大，运转费用增加。初步选定流体流速后，通过计算确定管径，最后圆整到符合公称直径的要求。10.1进料管

19、 原料液密度 ， 原料液体积流率 取管内流速 则进料管直径 查化工原理上册，取进料管尺寸为，热轧无缝钢管 10.2塔顶气体出口管近似取精馏段体积为塔顶蒸汽体积流率, 取管内蒸汽流速 则塔顶蒸汽出口管直径 查化工原理上册 取釜液出口管尺寸为，热轧无缝钢管 10.3回流进口管回流液密度 kg/m3， 回流液体积流率 取管内流速 则回流进口管直径 查化工原理上册 取回流管尺寸为，热轧无缝钢管 10.4釜液出口管釜液流率 w=3.225 釜液密度950.96kg/m3 体积流率 取管内流速 ，则釜液出口管直径 查化工原理上册 取釜液出口管尺寸为，热轧无缝钢管10.5再沸器进口管 取管内蒸汽流速， 则再

20、沸器进口管直径 查化工原理上册 取再沸器进口管尺寸为，热轧无缝钢管 11. 泵的选型计算11.1进料液泵该工艺流程具有两个主要的泵装置，一个为进料泵，负责把液体打进填料塔；另一个为回流泵，负责把回流液打回塔内重新进行精馏。由于所设计的泵用于输送化工液体，与一般泵不同，它要求泵操作方便，运行可靠，性能良好和维修方便。泵的选型首先要根据被输送物料的基本性质，包括相态、温度、粘度、密度、挥发性和毒性等，还要考虑生产的工艺过程、动力、环境和安全要求等条件。因为料液腐蚀性较小，粘度小，温度不高，流量小，扬程高，故可采用旋涡泵。进料泵最小扬程=提馏段填料层高度+塔底预留空间及裙座高扬程 扬程 时， 质量浓

21、度 质量浓度 得： 流量 取安全系数1.3查化工工原理上册，选择ay型离心油泵， 流量为，扬程40m,转速2950r/min,轴功率1.63kw，电机功率2.2kw.11.2回流泵同种条件下选取旋涡泵扬程 料液经冷凝后温度为66.37，查得66.37下 甲醇 水由 得 流量 取安全系数1.3查化工工艺手册 选w型旋涡泵 25w25 流量为，扬程,转速2900r/min,轴功率0.378kw，电机功率0.75kw.12.流量计选取化工过程中需经常对物料进行流量和总量的测量。流量是指单位时间内通过的物料量。所选依据主要为介质的性质及流量测量范围。将料液由贮槽送往预热器处需一个测量流量的流量计。转子

22、流量计结构简单、读数方便、能量损失小，测量范围宽。料液在低压及较低温度下输送，因此选用转子流量计。料液流量0.410m3/h,查化工工艺设计手册，选用lzb型玻璃转子, 型号lzb-50, 测量比1:10，液体测量范围0.44m3/h.13.温度计选取温度计可采用双金属温度计，该温度计适用测量中、低温，可直接测量气体、液体的温度，具有易读数、坚固耐用等特点。查化工工艺设计手册，采用防护型号，选取wss-401-f,公称直径为1200mm，测量范围为0300。或根据该设计任务，温度范围在150内。根据文献，可选用镍铬铜镍(wrkk)型热电偶,分度号为e,套管材料1cr18ni9ti,外径d=2m

23、m,测量范围0300,允差值3.最高使用温度700,公称压力p500kgf/cm2。也可选用wrk240型隔爆镍铬铜镍热电偶,分度号e,结构特征:固定螺纹安装，测温范围0600,公称压力p100kgf/cm2。14.压力计选取 压力计选取，需考虑量程、精度、介质性质及使用条件等因素。安装时，应力求避免振动和高温的影响。量程为稳定压力（1/33/4）的量程上限。精度工业用在1.5级及2.5级。介质无腐蚀性不易堵塞。压力表安装的地方，取压管的内墙面与设备或管道的内壁应平整。无凸出物或毛刺以保证正确取得静压力。被测介质温度超过60时，取压口至阀门见或阀门至压力表间应有冷凝管。现选用tg1200，测量范围为01200mmh2o.精度等级1.5，最大工作压力 6mpa。设备一览表序号设备名称数量型号图号，备注1填料塔12原料槽1jb1422-743中间槽1jb1427-744回流液冷凝槽1jb1421-745原料液换热器1jb/t 4714-19926塔顶冷凝器1jb/t 4714-19927塔釜再沸器1jb/t 4716-19928进料管yb231-649塔顶气体出口管yb231-6410回流进口管yb231-6411釜液出口管yb231-6412再沸器进口管yb231-6413液体分布器主管1yb