化工原理甲醇—水精馏塔设计

1、沈阳化工大学化工原理课程设计说明书专业：制药工程班级：制药1102学生姓名：黄奎兴学 号：11220223指导老师：王国胜设计时间：2014.5.20-2014.6.20成绩：化工原理课程设计任务书设计题目：分离甲醇-水混合液的填料精储塔二原始数据及条件生产能力：年生产量甲醇 1万吨(年开工300天)原料：甲醇含量为30% (质量百分数，下同)的常温液体分离要求：塔顶甲醇含量不低于95%塔底甲醇含量不高于0.3%。建厂地区：沈阳三设计要求(一).一份精储塔设计说明书，主要内容要求：(1) .前言(2) .流程确定和说明(3) .生产条件确定和说明(4) .精储塔设计计算(5) .主要附属设备及

2、附件选型计算(6) .设计结果列表(7) .设计结果的自我总结与评价(8) .注明参考和试用的设计资料（二）.绘制一份带控制点工艺流程图。（三）.制一份精储塔设备条件图四.设计日期：2013年5月20日至6月20日 Z 、. 刖百精储塔分为板式塔和填料塔两大类。填料塔又分为散堆填料 和规整填料两种。板式塔虽然结构较简单，适应性强，宜于放大, 在空分设备中被广泛采用。但是，随着气液传热、传质技术的发 展，对高效规整填料的研究，一些效率高、压降小、持液量小的 规整填料的开发，在近十多年内，有逐步替代筛板塔的趋势。实际生产中，在精微柱及精储塔中精储时，上述部分气化和部分 冷凝是同时进行的。对理想液态

3、混合物精储时， 最后得到的储液 （气相冷却而成）是沸点低的B物质，而残液是沸点高的 A物质, 3 / 22精微是多次简单蒸储的组合。精微塔底部是加热区，温度最高； 塔顶温度最低。精储结果，塔顶冷凝收集的是纯低沸点组分，纯 高沸点组分则留在塔底。精储塔的优点：归纳起来，规整填料塔与板式塔相比，有以下优点：1）压降非常小。气相在填料中的液相膜表面进行对流传热、 传质, 不存在塔板上清液层及筛孔的阻力。 在正常情况下，规整填料的 阻力只有相应筛板塔阻力的1/51/6 ;2）热、质交换充分，分离效率高，使产品的提取率提高；3）操作弹性大，不产生液泛或漏液，所以负荷调节范围大，适应 性强。负荷调节范围可

4、以在30%- 110%筛板塔的调节范围在70%-100%4）液体滞留量少，启动和负荷调节速度快；5）可节约能源。由于阻力小，空气进塔压力可降低 0.07MPa左右, 因而使空气压缩能耗减少 6.5%左右；6）塔径可以减小。此外，应用规整填料后，由于当量理论塔板的压差减小，全精储制僦可能实现，僦提取率提高 10%- 15%本文以甲醇和水的混合液为研究对象，因为甲醇和水在常压下相对挥发度较大，较易分离。根据物理性质，操作条件等因素 条件下选用泡点进料，塔顶再沸器和塔顶回流的方式， 将甲醇和 水进行分离的填料精储塔。本课程设计者能力有限，在设计中难免会有不足之处，恳请 老师和读者给予批评指正。化工原

5、理课程设计任务书 2前言3符号说明8第一章 流程与生产条件的确定和说明 11第一节流程的确定和说明111 .力口料方式 112 .进料状况123 .塔顶冷凝方式124 .回流方式135 .加热方式 136 .加热器13第二节 生产条件确定和说明 .错误！未定义书签,一.塔内操作压力的选择 .错误！未定义书签,二.塔顶全凝剂的选择 错误！未定义书签,三.塔底加热介质的选择 .错误！未定义书签,四.回流状态及操作回流比的选择错误！未定义书签,第二章精微塔设计计算错误！未定义书签,一.操作压力的选择 错误！未定义书签,二.气液平衡关系及数据 .错误！未定义书签,第三章 塔板的工艺设计 错误！未定义书

6、签,第一节物料衡算 错误！未定义书签,一.精储塔全塔物料衡算 .错误！未定义书签,二.精微塔物性数据计算 .错误！未定义书签,第二节热量衡算 错误！未定义书签,一.冷凝器的热负荷 错误！未定义书签,二.冷却介质消耗量 错误！未定义书签,三.加热器的热负荷及全塔热量衡算错误！未定义书签四.加热蒸汽消耗量 错误！未定义书签,第三节 精微塔主要尺寸的设计.错误！未定义书签,一.塔顶条件下的物性参数 错误！未定义书签,二.塔釜条件下的流量及物性参数错误！未定义书签,三.进料条件下的流量计物性参数错误！未定义书签,四.精储段的流量及物性参数 .错误！未定义书签。五.提微段 错误！未定义书签。第四章 理论

7、塔板的计算 错误！未定义书签。1 .回流比的计算 错误！未定义书签。2 .气液相负荷 错误！未定义书签。3 .塔板效率及实际塔板数.错误！未定义书签。4 塔径的初步设计 错误！未定义书签。5 .填料层的计算 错误！未定义书签。第五章 附属设备及主要附件的选型计算错误！未定义书签一.冷凝器的选用 错误！未定义书签。二、加热器的选用 错误！未定义书签。三、塔内管径的计算及选择错误！未定义书签。4 .除雾沫器 错误！未定义书签。5 .液体分布器的选取 错误！未定义书签。6 .塔斧设计 错误！未定义书签。7 .填料支撑板的选择 错误！未定义书签。8 .塔的顶部空间高度 错误！未定义书签。第六章设计结果

8、及个人总结 错误！未定义书签。第七章自我评价与说明 错误！未定义书签。第八章参考文献 错误！未定义书签。7 / 22符号说明英文字母A塔截面积 m2C计算Umax时的负荷系数，无因次8 / 22Co流量系数，无因次D塔顶微出物流量kmol/sD塔径mdo阀孔直径mE液流收缩系数，无因次Et总板效率(全塔效率)，无因次Fo阀孔动能因数，kg1/2/(sm1/2)F进料流量kmol/hG重力加速度m/s2H塔高mh浮阀的开度mho降液管底隙高度mhL板上液层高度mha与克服表面张力的压强降相当的液柱高度， m液柱K物性系数，量纲为1LS塔内液体流量 m3/hN一层塔板上的浮阀总数Np实际板层数Nt

9、理论板层数卸压强降Pap操作压强PaRRminuMW x yZ希腊字母a6NL:VCT W下标 max minL回流比最小回流比空塔气速m/s分子量kg/mol塔底产品（釜残液）流量 kmol/s液相中易挥发组分的摩尔分数气相中易挥发组分的摩尔分数塔高m相对挥发度，量纲为1液体在降液管内停留时间 s黏度mPa s液相密度kg/m3气相密度 kg/m3液体表面张力N/m;液体密度矫正系数，量纲为 1系数，量纲为1；填料因子1/m最大最小液相9 / 22V气相1 精微段2 提微段A易挥发组分B难挥发组分F原料液第一章 流程与生产条件的确定和说明第一节 流程的确定和说明一.加料方式加料方式有两种：高

10、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。 但由于多了高位槽，建设费用也相 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，但其结构简单，安装方便，如采用11 / 22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。本次试验采用泵直接加料O二.进料状况进料状况一般有冷液进料、泡点进料。对于冷液进料，当组成一定时，流量一定，对分离不利，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， 增大建设费用。采用泡点

11、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，精储段和提储段上升蒸汽的摩尔流量相等，故精微段和提储段塔径基本相等，制造上较为方便。三.塔顶冷凝方式塔顶冷凝采用全凝器，用水冷凝。甲醇和水不反应，且容易冷凝，故使用全凝器。塔顶出来的气体温度不高， 冷凝后回流液和产品温度不高，无需进一步冷却，此次分离是希望得到甲醇，选用全凝器符合要求。四.回流方式回流方式可分为重力回流或理量或塔板数较多时，回流冷凝器不易安装在塔顶。而且塔顶冷凝器不易安装、 检修和清理。在这种情况下，可采用强制回流，塔顶上升蒸汽采用冷凝器冷却以 回流流入塔中。由于本

12、次设计为小型塔，故采用强制回流。五.加热方式加热方式可采用间接蒸汽加热或直接蒸汽加热。直接蒸汽加热，蒸汽直接由塔底进入塔内。 由于总组分是水，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，13 / 22使理论塔板数增加，费用增加。液部分汽化，维持原来的浓度,间接蒸汽加热是通过加热器使釜以减少理论塔板数，缺点是增加加热装置。本次设计采用间接蒸汽加热。六.加热器用水蒸气作加热剂。因为塔较采用U型管蒸汽间接加热器 小，可将加热器放在塔内，即再沸器。这样釜液部分汽化，维持 了原有浓度，减少理论塔板数。14 / 22第二节生产条件确定和说明一.塔内操作压力的选择一般来说，主要根据物

13、料的性质、原料的性质，对 产品浓度的要求、设备来源、工厂的生产规模、能量综 合利用等情况。因此，选择合理的操作条件，对本设计 采用常压蒸储，即在1atm压力条件下操作。二.塔顶全凝剂的选择全凝器的冷却剂用循环水，因塔顶蒸汽温度较高，用自来水做冷 却剂方便且便宜，为了冷却作用完全，塔顶蒸汽和冷却水间必须保 持适宜的温度差（冷却水温度一般为 1025C）。三.塔底加热介质的选择饱和水蒸气是一种应用最广泛的加热剂，它冷凝时的传热系数很 高，可以通过改变蒸汽的压力准确的控制加热温度。四.回流状态及操作回流比的选择回流液体为饱和液体，回流比的大小不仅影响所需要的理论板 数、塔径、塔板的结构尺寸，还影响加

14、热蒸汽和冷却水消耗量，回 流比选择原则是使塔的设备费用和操作费用的综合最低。同时也考 虑到操作条件的弹性，变精微操作回流比，从而调节塔的分离能力。在设计时若选用的回流比过大，此时所需要的理论板数很小，但这 样的精储塔在操作时，改变回流比所起的调节作用很小，不利于操 作调节。因此，本设计中取 R = 1.5Rmin ,不宜取得过大。精微段操作线斜率：k = Rmin = xD 一 "Rmin 1 xD - Xq第二章精储塔设计计算一.操作压力的选择精储操作常在常压、减压下进行。操作压力常取决于冷凝温 度，一般除热敏物质外，凡通过常压蒸储难以实现分离要求，并能 用循环水将储出物冷凝下来的

15、系统，均宜采用减压蒸储；对常压下 储出的冷凝温度过低的系统，需提高塔压或采用冷冻盐水作为冷却 剂；而常压下呈气态的物料必须采用加压蒸储。本设计对象是甲醇 一水混合液，建厂地址为沈阳，因此常采用常压蒸储，操作压力为 1atm。二.气液平衡关系及数据温度t/ C甲醇摩尔分数温度t/ C甲醇摩尔分数液相x/ %气相y/%液相X/%气相y/%1000073.846.2077.5692.95.3128.3472.752.9279.7190.37.6740.0171.359.3781.8388.99.2643.5370.068.4984.9285.013.1554.5568.085.6289.6281.6

16、20.8362.7366.987.4191.9478.028.1867.7564.710010076.733.3369.18表一 甲醇水汽液相平衡数据表摘自化工工艺设计手册下册P110表19-38 (8)图一 甲醇-水-X-Y图第三章塔板的工艺设计第一节物料衡算一.精储塔全塔物料衡算1.原料液及塔顶，塔底产品的摩尔分率已知F=1万吨质量分数Xf=30% XD=95% Xw=0.3%水的摩尔质量M水=18.02 kg/kmol甲醇的摩尔质量M甲醇=32.04 kg/kmolF'= 10000 103 ;1388.89 kg/h300 24进料液、储出液、釜残液的摩尔分数分别为 XfxD、

17、Xw :30/32.0430/32.04 70/18.02= 0.194298/32.0498/32.04 2/18.02= 0.91440.3/32.040.3/32.04 99.7/18.02= 0.00162 .原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量M =0.1942 M32.04 十(1 0.1942) x 18.02 =20.72 kg/kmolMD =32.0 0.9144 18.02 (1 -0.9144)= 30.80 kg/kmolM w =32.04 0.0016 18.02 (1 -0.0016)=18.04 kg/kmolWd=MdD=30.80 14.15 =435.8

18、2 kg/hWw =MwW=52.88 18.04 =953.96 kg/h3 .物料衡算原处理量 'F 1388.89F = 67.03 kmol / hM 20.72物料衡算 f=d+w(1)Fxf=Dxd+Wxw(2)联立(1) (2)解得 W=52.88 kmol/hD=14.15 kmol/h塔顶进料塔斧质量分数（%91.4419.420.16摩尔质里Kg/kmol30.8020.7218.04摩尔流量 kmol / h14.1567.0352.88质里流里kg/h435.821388.89952.89表二 物料衡算结果表温度t/ C甲醇摩尔分数温度t/ C甲醇摩尔分数液相x

19、/ %气相y/%液相X/%气相y/ %1000073.846.2077.5692.95.3128.3472.752.9279.7190.37.6740.0171.359.3781.8388.99.2643.5370.068.4984.9285.013.1554.5568.085.6289.6281.620.8362.7366.987.4191.9478.028.1867.7564.710010076.733.3369.18.精储塔物性数据计算21 / 221.操作温度计算tD、tW利用上表一中的数据由内插法可求得tF、进料:59.37 -52.9271.3 -72.719.42 -52.92 tF -72.7=tF =82.22 C塔顶:91.44 -87.41 tLD -66.9 = 100 -87.41 64.7 -66.9 -tLD =66.195塔釜:100 -91.4464.7 - tvD100 -91.94 64.7 -66.9 -0 -0.16100 -tw0 5.31100 92.9tvD = 67.04= tw = 99.78 C则精微段的平均温度t；=生%=74.71 C2提微段的平均