甲醇―水分离过程填料精馏塔设计

1、课 程 设 计 说 明 书课程名称：设计题目：院 系：学生姓名：学 号：专业班级：指导教师：年 月 日 课程设计任务书 摘要:化工生产中所处理的原料中间产品几乎都是由若干组分组成的混合物，其中大部分是均相混合物。生产中为满足要求需将混合物分离成较纯的物质。float valve tower(column 以浮阀作为塔盘上气液接触元件的一种板式塔。塔盘主要由塔板、溢流堰、受液盘及降液管组成。塔板上装有一定数量的浮阀，按等腰三角形或正方形排列，浮阀用支腿在塔盘上定位并予以导向。浮阀盖在阀孔上，气体依靠压力使浮阀升起并鼓泡而穿过液层，进行气液两相传。浮阀塔板在蒸气负荷、操作弹性、效率和造价等方面都比

2、较优越。浮阀塔是最早应用于工业生产的设备之一，五十年代之后通过大量的工业实践逐步改进了设计方法和结构近年来与浮阀塔一起成为化工生中主要的传质设备为减少对传质的不利影响可将塔板的液体进入区制成突起的斜台状这样可以降低进口处的速度使塔板上气流分布均匀。浮阀塔多用不锈钢板或合金制成，使用碳刚的比率较少。实际操作表明，筛板塔在一定程度的漏夜状态下操作使其板效率明显下降其操作的负荷范围较袍罩塔窄，但良好的塔其操作弹性仍可达到2-3。蒸馏是分离均相混合物的单元操作，精馏是最常用的蒸馏方式，是组成化工生产过程的主要单元操作。精馏是典型的化工操作设备之一。进行此次课程设计的目的是为了培养综合运用所学知识, 来

3、解决实际化工问题的能力, 到能独立进行化工设计初步训练，为以后从事设计工作打下坚实的基础。目 录前 言. 51设计方案的确定. 52精馏塔的物料衡算. 62.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率. 62.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量. 72.3物料衡算. 73塔板数的确定. 83.1甲醇-水属理想物系, 故可用图解法求理论板层数. . 93.2全塔效率E . 94 精馏塔的工艺条件及物性数据的计算. 104.1工艺条件. 104.2平均摩尔质量. 104.3平均密度计算. 114.4液体平均表面张力计算. 114.5液体平均粘度计算. 125精馏塔的塔体工艺尺寸计算. 135.1 塔

4、径的计算. 135.2填料层高度计算. 146填料层压降计算. 147. 小结.168. 全章主要主要符号说明.16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, 气液两相沿着塔高在填料表面与填料自由空间连续逆流接触，进行传质和传热。甲醇-水属于难分离物系，选用填料精馏塔的分离效率较高，容易满足生产要求1设计方案的确定本设计任务为。分离甲醇-水混合物，对于二元混合物的分离，一般采用连续精馏流程。精馏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

5、由液相向汽相传递，难挥发组分由汽相向液相传递，是汽、液两相之间的传质过程。精馏对塔设备的要求大致:一：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、热敏性、气泡性等特殊要求。设计中采用泡点进料，将原料液通过

6、预热器加热至泡点后送入精馏塔内。甲醇常压下的沸点为64.7，故可采用常压操作。用30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，故选用直接蒸汽加热方式，釜残液直接排放。甲醇-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D n 38填料。因废甲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

7、翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料之间由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，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低，根据计算故选用D n 38规格的。温度/ 液相中甲醇气相中甲醇温度/ 液相中甲醇的的摩尔分数 的摩尔分数 摩尔分数100 0 0 75.3 0.4 96.4 0.02 0.134 73.1

8、 0.5 93.5 0.04 0.234 71.2 0.6 91.2 0.06 0.304 69.3 0.7 89.3 0.08 0.365 67.6 0.8 87.7 0.1 0.418 66 0.9 84.4 0.15 0.517 65 0.95 81.7 0.2 0.579 64.5 1 78 0.3 0.6652精馏塔的物料衡算2.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率甲醇的摩尔质量： M A =32.04kg/kmol 水的摩尔质量: M B =18.02kg/kmol气相中甲醇的摩尔分数 0.729 0.779 0.825 0.87 0.915 0.958 0.979 1X F =(0

9、.46/32.04/0.46/32.04+0.54/18.02=0.324 X D =(0.997/32.04/0.997/32.04+0.003/18.02=0.995X W =(0.005/32.04/(0.005/32.04+0.995/18.02=0.00282.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量废甲醇溶媒的处理量为3吨/小时，原料处理：F 3000/22.56=132.98kg/h 总物料衡算: 132.98=D+W 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e （0.324,0.324）作垂线即为进料线. 该线与平衡线的交点坐标: yq =0.

10、682， xq =0.327. 故最小回流比; ,由图求解结果为：总理论板数: NT =11 进料位置为: NF =8.3.2全塔效率E绘出甲醇-水的气液平衡数据作t-x 图, 查得: 塔顶温度: t=64.8 塔釜温度:t=99.6 进料温度: t=76.5精馏段的平均温度为t m =(64.8+76.5/2=70.65 提留段的平均温度为t m =(99.6+76.5=88.05 3.3实际塔板数的求取精馏段实际板层数: N=N/E=7/0.47=14.815块 提留段实际板层数: N =N/E=4/0.47=8.59 块.4 精馏塔的工艺条件及物性数据的计算4.1工艺条件塔顶压力: P=

11、101.3+4=105.3Kpa.操作温度: 塔顶温度: t=64.8塔釜温度:t=99.6 进料温度: t=76.54.2平均摩尔质量塔顶平均摩尔质量:X W =0.0028. Y W =0.014M VJ =(M+M/2=(31.97+25.66/2=28.815 kmol/h M LJ =(M+M/2=(31.90+22.40/2=26.165kmol/h 提馏段的平均摩尔质量M vt =(25.66+18.22/2=21.94kmon/h M lt =(20.40+18.06/2=19.23kmol/h4.3平均密度计算(1.气相平均密度: v,m =Y ，m =Mv ，w Pm /R

12、（T 0 +tT ）塔顶液相平均密度计算: 由t=64.8查手册得: 甲醇=753 kg/m3 3水 =981kg/mlDm =1/(0.995/753+(0.005/977=756.8 kg/m3进料板液相平均密度: 由t=76.5, 查手册得: 甲醇=739kg/m3 水 =973kg/m3进料板液相的质量分率：lFm =1/(0.267/739+(0.733/973=897.15 kg/m3手册得在99.6时水的密度为： 水=958 kg/m3 甲醇=714kg/m3lWm =1/(0.003/714+(0.997/958=961.28kg/m3精馏段液相平均密度为:lJ =(756.8

13、+897.15/2=826.97 kg/m3 提留段液相平均密度： lT =（897.15+961.28）/2=929.215kg/m34.4液体平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算: =x i /i塔顶液相平均表面张力的计算:由t=64.8查手册得: H2O =64.96mN/m CH3OH =16.58mN/m进料板液相表面张力的计算: 由t=76.5查手册得: 甲醇=15.61mN/m 水 =63.8mN/m塔釜液体的表面张力接近水的表面张力， 由t= 99.6查手册得：水 =58.9mN/m 甲醇=13.01mN/m精馏段液相平均表面张力为:lT =(16.8216+54.777

14、/2=38.50 mN/m 提留段液体平均表面张力为：lT =(58.76+54.777/2=56.77 mN/m4.5液体平均粘度计算液相平均粘度依下式计算, 即:lg m =x i lg i塔顶液相平均表面张力的计算: 由t=64.8查手册得： 甲醇=0.320 mpas 水 =0.4355mpaslg 解出： lDm =0.3205 mpas进料板液相平均粘度的计算：由t=76.5查手册得： 甲醇=0.272mpas 水 =0.3478mpaslg lFm =0.17*lg(0.272+0. 83*lg(0.3573解出： lDm =0.3336 mpas塔釜液体的粘度，由t=99.6查

15、手册得： 甲醇=0.2280 mpas 水 =0.2838mpaslg lwm =0.003*lg(0.2280+0.997*lg(0.2838lWm =0.284 mpas精馏段液相平均粘度为：lJ =(0.3573+0.3205/2=0.3389mpas提留段液相平均粘度为：lT =(0.284+0.3573/2=0.3207 mpas5精馏塔的塔体工艺尺寸计算 5.1 塔径的计算L =65.535kmol/h V =109.225kmol/h由贝恩霍根关联式 填料的泛点气体速度可由贝恩霍根关联式计算得 lg(u0.2F a t v 0.2L / (g3L =A-K(WL /WV 1/4(

16、v/L 1/80.2L / (g3L =A-K(WL /WV 1/4(v/L 1/8查表得：A=0.1 K=1.75 a=109 =0.96 u max =4.80m/s, u=0.8 umax =3.84m/s D=(4qv,v /u 0.5=0.495m 液体喷淋密度校核， 精馏段的液体喷淋密度为精馏段的空塔速度为设计取精馏段填料层高度为9m, 提留段填料层高度为3m 对于金属鲍尔环散装填料, 要求h/D=510. hmax 6m. 取h/D=6, 则 h=5*700=3500 mm. 6. 填料层压降计算 金属鲍尔环散装填料采用Eckert 通用关联图计算填料层压降. (u2/g*( v

17、/L 0.2L提留段填料层压降为: P/Z=25*9.81=245.25 Pa/m 提馏段的P 提=245.25*3=0.735KPa填料层总压降为: P =7.063+0.735=7.8 KPa布液计算由Ls=(/4d02n (2g H 0.5 取0.6， H=160mm. 得 d 0=4Ls/n 2g H 0.5 解d 0=0.0032mm, 取d 0=3.2mm. 管径的计算 6.1，出料口的计算qv,s= WV /=(3491.92/3600/1.02=0.951kg/m3 饱和蒸汽进料，选u=30m/s,由化工原理上册附录十七与十八，查得，选用203mmx6mm 的无缝钢管，其内径d

18、 i =(203-2*6=0.191mm,重新核算速度，6.2, 回流管径的计算qv,s= WV /=(2092.53/3600/756.8=7.67x10-4kg/m36.3, 进料口的管径的计算=897.15kg/m3 ,质量流量W l =3585.18kg/h6.4，出料口的管径的计算。6.5筒体厚度，内最大有3个大气压，内径Di=700mm,Pc=0.3MPa， 材料Q235C ，t =125Mpa, =0.8(局部无损检测，单面焊接计算厚度=（PcDi ）/2t -Pc =(0.3*700/(2*125*0.8-0.3=1.05C 1=0.25mm C2=1.0mm,n =0.25+1.0+1.05+圆整量=3mm,炭素钢的厚度要大于4mm, 所以取6mm校核水压实验强度， t =p(Di+e /2e 0.9sLS umax HT hL C20 C u 液相体积流率 最大空塔气速 板间距