甲醇-水精馏填料塔的设计

1、课程设计说明书课程名称： 化工原理课程设计 题 目： 甲醇水精馏填料塔的设计 学生姓名： 学号： 系 别： 专业班级： 指导老师： 年 月设计任务书甲醇水分离过程板式连续精馏塔设计1、 设计题目 在抗生素的生产过程中，需要用甲醇溶媒洗涤晶体，洗涤过滤后产生废甲醇溶媒，其组成为含甲醇47，水53（质量分数），另有少量的药物固体微粒。卫士废甲醇溶媒重复利用，拟建立一套填料精馏塔，以对废甲醇进行精馏，得到含水量0.3（质量分数）的甲醇溶媒。设计要求废甲醇的处理量为4800年，塔底废水中甲醇含量0.5（质量分数）2、 操作条件1. 操作压力 常压2. 进料热状态 自选3. 回流比 自选4. 塔底加热蒸

2、汽压力 0.3Mpa(表压)3、 填料类型因废甲醇溶媒中含有少量的药物固体微粒，应选用金属散装填料，以便于定期拆卸和清洗，填料类型和规格自选。4、 工作日每年300天，每天24小时连续运行5、 设计内容1. 精馏塔的物料衡算；2. 塔板数的确定；3. 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；4. 精馏塔的塔体工艺尺寸计算；5. 填料层压降的计算；6. 液体分布器简要设计；7. 精馏塔接管尺寸计算；8. 绘制生产工艺流程图；9. 绘制精馏塔设计条件图；10. 对设计过程的评述和有关问题的讨论6、 设计基础数据平衡温度t10096.493.591.289.387.784.481.778.0液相甲醇x

3、00.020.040.060.080.100.150.200.30气相甲醇y00.134 0.2340.3040.3650.4180.5170.5790.665平衡温度t75.373.171.269.367.666.065.064.5液相甲醇x0.400.500.600.700.800.900.951.0气相甲醇y0.7290.7790.8250.8700.9150.9580.9791.0其他物性数据自查目录前 言61.设计方案的确定62.精馏塔的物料衡算72.1原料液及塔顶和塔底的摩尔分率72.2 原料液及塔顶和塔底产品的平均摩尔质量72.3 物料衡算73 塔板数的确定73.1 甲醇水物系属

4、理想物系，故可用图解法求理论版层数73.1.1 求最小回流比及操作回流比73.1.2 求精馏塔的气液相负荷83.1.3采用图解法求理论板数83.2 全塔效率E93.3 实际塔板数的求取114 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算114.1工艺条件114.2 平均摩尔质量114.3 平均密度计算124.3.1.气相平均密度:124.3.2.液相平均密度计算:124.4 液体平均表面张力计算134.5液体平均粘度计算135精馏塔的塔体工艺尺寸计算145.1 塔径的计算145.1.1精馏段塔径计算145.1.2提馏段的塔径计算155.2填料层高度计算155.2.1精馏段的高度155.2.2提留段填料

5、层高度156.填料层压降计算157.液体分布器简要设计168精馏塔接管尺寸计算168.1 出料口的计算168.2回流管径的计算178.3, 进料口的管径的计算178.4出料口的管径的计算。178.5 筒体厚度178.6 椭圆形封头189. 工艺流程图1810.填料塔设备条件图1911.对设计过程的评述和有关问题的讨论1912参考文献20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

6、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，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。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在跑殿下一部分加回流至塔内，其余部分经产品冷凝器冷却后送至储罐。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。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

7、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鲍尔环Dn25填料。

8、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。2.精馏塔的物料衡算2.1原料液及塔顶和塔底的摩尔分率 甲醇的摩尔质量 MA=32.04kg/kmol 水的摩尔质量 MA=18.02kg/kmol XF =(0.47/32.04)/0.47/32.04+0.53/18.02=0.324 XD=(0.997/32.04)/0.997/32.04+0.003/18.02=0.995XW =(0.005/32.04)/(0.005/32.04+0.995/18.02)=0.00282.2 原料液及塔顶和塔底产品的平均摩尔质量 MF=0.333×32.04+(1

9、-0.333)×18.02=22.69kg/kmol MD=0.995×32.04+(10.995)×18.02=31.97kg/kmol MW=0.0028×32.04+(10.0028)×18.02=18.06kg/kmol2.3 物料衡算 原料处理量 F=4800000（300×24×22.69）=29.38kmol/h 总物料衡算 29.38=D+W 甲醇物料衡算 29.38×0.333=0.995D+0.0028W 联立解得 D=9.778kmol/h W=19.602kmol/h3 塔板数的确定3.1

10、甲醇水物系属理想物系，故可用图解法求理论版层数3.1.1 求最小回流比及操作回流比泡点进料，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（0.333,0.333）作垂线即为进料线.该线与平衡线的交点坐标: yq =0.692， xq =0.333.故最小回流比; R min=(xD yq)/(yq xq)=(0.995-0.692)/(0.692-0.333)=0.84R=(1.12.0)Rmin,故取操作回流比:R=1.53.1.2 求精馏塔的气液相负荷L=R×D=1.5×9.778=14.667kmol/hV=(R+1)×D= L+D=14.

11、667+9.778=24.445kmol/hL=L+F=14.667+29.38=44.047kmol/hV=V=24.445kmol/h精溜段的操作线方程为y=0.6x+0.398提溜段的操作线方程为y=1.80x-0.00233.1.3采用图解法求理论板数图1饱和液体进料时，理论塔板数的求解由图求解结果为：理论板数NT=153.2 全塔效率E 由甲醇-水的气液平衡数据使用内插法得：塔顶温度: t=59.24 塔釜温度:t=86.02 进料温度: t=77.352 精馏段的平均温度为tm=（59.24+77.35）2=68.30 提留段的平均温度为tm=（86.02+77.35）2=81.6

12、9水的重要物理性质温度t/（）密度/（kg/m3）黏度/（mPa.s）张力/（mN/m）比热容Cp /（Kj/kg.k）20998.21.00572.604.18360983.20.468866.204.17870977.80.406164.304.18780971.80.356562.604.19590965.30.316560.704.208100958.40.283858.804.220甲醇的重要物理性质温度t/（）密度/（kg/m3）黏度/（mPa.s）张力/（mN/m）比热容Cp /（Kj/kg.k）20804.80.580022.0760761.10.344017.3370749.

13、40.307016.1880737.40.277015.049072490.250013.91100712.00.228012.80tm=(59.24+86.02)2=72.63由上表采用内插法得tm=72.63下甲醇的粘度为0.2995 mPa.s，水的粘度为0.3937 mPa.s所以av=xii=0.333×0.2995+0.667×0.3937=0.3623 mPa.s=130.167833.94327=3.8349根据板效率的经验关联式（11-28a）E=0.49(av)-0.245=0.49(3.8349×0.3623)-0.245=0.453.3 实

14、际塔板数的求取精馏段实际板层数: N=N/E=11.150.45=24.7825块提留段实际板层数: N=N/E=3.850.45=8.69块4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算4.1工艺条件塔底加热蒸汽压力：0.3Mpa(表压)操作温度：塔顶温度：59.23 塔釜温度：86.02 进料温度：77.114.2 平均摩尔质量塔顶平均摩尔质量: XD=y1=0.995. 由曲线(X-Y图)得:X1=0.9881 MVDm=0.995×32.04+(1-0.995) ×18.02=31.9699kmol/h MLDm =0.9881×32.04+(1-0.90.98

15、81) ×18.02=31.8732kmol/h进料板层平均摩尔质量:查X-Y图得: YF=0.6892， XF=0.3348MVF=0.6892×32.04+(1-0.6892) ×18.02=27.6862kmol/hMLF =0.3348×32.04+(1-0.3348) ×18.02=22.7139 kmol/h塔底平均摩尔质量: XW =0.0028. YW =0.0134 MVW =0.0134×32.04+(1-0.0134) ×18.02=18.2065 kmol/h MLW =0.0028×*32

16、.04+(1-0.0028) ×18.02=18.0593kmol/h精馏段平均摩尔质量: MVJ=(M+M)/2=(31.9699+27.6862)/2=29.8263 kmol/h MLJ=(M+M)/2=(31.8732+22.7139)/2=27.2936kmol/h提馏段的平均摩尔质量Mvt=(27.6826+18.2065)/2=22.9446kmon/hMlt=(22.7139+18.0593)/2=20.3866kmol/h4.3 平均密度计算4.3.1.气相平均密度:精馏段蒸汽平均密度v,m = (PmMVJ)/RTm=（101.3×29.8263）8.3

17、14×（273.15+68.30）=1.064 kg/m3提留段的蒸汽密度Y，m=Mv，w Pm/R（T0 +tT）=101.30.788×22.94468.314×（273.15+81.69）=0.788 kg/m34.3.2.液相平均密度计算:液相平均密度依下列式计算:1/lm=i/i塔顶液相平均密度计算:由t=59.23查手册得: 甲醇=765.47 kg/m3， 水 =983.9 kg/m3a甲醇=0.995×32.04（ 0.995×32.04）+（0.005× 18.02）=0.997lDm=1/(0.997/765.47

18、)+(0.005/983.9)=765.98 kg/m3进料板液相平均密度: 由t=77.11,查手册得: 甲醇=738kg/m3 水 =972kg/m3进料板液相的质量分率：a甲醇=0.3348×32.04/(0.3348×32.04)+(0.6652×18.02)=0.472lFm =1/(0.472/738)+(0.528/972)=845.47 kg/m3塔釜液相平均密度由t=86.02,查手册得: 甲醇=727.6kg/kmol，水 =967.9kg/m3lWm=1/(0.005/727.6)+(0.995/967.9)=966.30kg/m3精馏段液相

19、平均密度为: lJ =(765.98+845.47)/2=805.725 kg/m3提留段液相平均密度：lT=（845.47+966.30）/2=905.885kg/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: =xi/i塔顶液相平均表面张力的计算:由t=59.23查手册得: H2O=66.20mN/m CH3OH=17.42mN/mlDm =0.995×17.42+0.005×66.20=17.6639 mN/m进料板液相表面张力的计算:由t=77.11查手册得: 甲醇=15.51mN/m 水 =63.5mN/mlFm=0.3348×15.51+

20、0.6652×63.5=47.4329 mN/m塔釜液体的表面张力接近水的表面张力，由t= 86.02查手册得：水 =61.50mN/m 甲醇=14.362mN/mlwm=14.362×0.0028+0.9972×61.50=61.3680mN/m精馏段液相平均表面张力为: lT=(17.6639+47.4329)/2=32.5484 mN/m提留段液体平均表面张力为： lT =(47.4329+61.3680)/2=54.4001 mN/m4.5液体平均粘度计算液相平均粘度依下式计算,即: lgm=xilgi塔顶液相平均表面张力的计算:由t=59.23查手册得：

21、 甲醇=0.3460 mpas 水 =0.4813mpas lglDm =0.995×lg0.3460+0.005×lg0.4813 解出： lDm=0.3467 mpas进料板液相平均粘度的计算：由t=77.11查手册得： 甲醇=0.270mpas 水 =0.3455mpas lglFm =0.3488×lg(0.270)+0.6652×lg(0.3455) 解出： lDm=0.3123 mpas塔釜液体的粘度，由t=86.02查手册得：甲醇=0.2612mpas 水 =0.3320mpas lglwm =0.0028×lg(0.2612)+

22、0.9972×lg(0.3320)lWm=0.3318 mpas精馏段液相平均粘度为： lJ =(0.3467+0.3123)/2=0.3293mpas提留段液相平均粘度为： lT =(0.3123+0.3318)/2=0.3221 mpas5精馏塔的塔体工艺尺寸计算5.1 塔径的计算采用气相负荷因子法计算适宜的空塔气速。5.1.1精馏段塔径计算L =14.667kmol/h V =24.445kmol/h液相质量流量WL=14.667×27.2936=400.3152kg/h气相质量流量WV=24.445×29.8263=729.1039kg/hEekert通用

23、关联图的横坐标为：(WL/ Wv)/( v/L)0.5=(400.3152/729.1039)×(1.064/805.725)0.5=0.02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(u0.2Fatv0.2L)/ (g3L)=A-K(WL/WV)1/4(v/L)1/8查表得：A=0.1 K=1.75 a=209 =0.94解得uF=3.1954m/s 安全系数取0.7u=0.7uF=0.7×3.1954=2.24m/sD=(4qv,v/u)0.5=4×0.1903/3.14×2.240.5=0.329m圆整为400mm此时，u=0

24、.435×4/D2=(4×0.1903)/(3.14×0.4×0.4)=1.52m/s u/uF=1.52/2.24=0.68，在允许范围内，5.1.2提馏段的塔径计算L= 44.047kmol/h V=24.445kmol/h液相质量流量WL=44.047×20.3866=897.97kg/h气相质量流量WV=24.445×22.9446=560.88kg/hlg(u0.2Fatv0.2L)/ (g3L)=A-K(WL/WV)1/4(v/L)1/8查表得：A=0.1 K=1.75 a=209 =0.94umax=3.2868m/s,

25、 u=0.7umax=2.30m/sD=(4qv,v/u)0.5=0.331m圆整为400mm5.2填料层高度计算 Z=HETP×NT.5.2.1精馏段的高度 查 资料得HETP=0.420精馏段的塔板数为25块 Z精=25×0.420=10.5 m5.2.2提留段填料层高度查 资料得HETP=0.420精馏段的塔板数为9块 Z提=9×0.420=3.78m设计取精馏段填料层高度为11m,提馏段填料层高度为4m对于金属鲍尔环散装填料, 要求h/D=510. hmax6m.取h/D=6, 则 h=6×300=1800 m.6.填料层压降计算金属鲍尔环散装填

26、料采用Eckert通用关联图计算填料层压降.Y=(u2/g)× ( v/L) 0.2L=3.19542×160×1.2415/9.81(1.064/805.725)×0.32930.2=0.2185X= (Wl/Wv)( v/l)0.5=0.02.查图有,P/Z= 2500Pa/m.精馏段填料层压降为: P精=2500×11=27.5 Kpa 提馏段Y=(u2/g)× ( v/L) 0.2L=3.28682×160×1.215 /9.81(0.788/905.885)×0.32210.2=0.148X=(

27、Wl/ Wv)(v/l)0.5=(897.9685715.3340)×(0.788905.885)0.5=0.036提馏段填料层压降为: P/Z=1400Pa/m提馏段的P提=1400×4=5.6KPa填料层总压降为:P =27.6+5.6=33.2 KPa7.液体分布器简要设计散装填料，D=400mm，分布点密度选100点/ m2布点个数n=100×0.4×0.4=16点。布液计算由Ls=(/4)d02nK(2gH)0.5 K取0.6，H=160mm, Ls=1.695×10-3得 d0=4Ls/n 0.5（2gH)1/4 解d0=3.56m

28、m, 8精馏塔接管尺寸计算8.1 出料口的计算WV=24.445×31.9699=781.504 kg/h qv,s= WV/=(781.504/3600)/1.064=0.204m3/s饱和蒸汽进料，选u=30m/s,d=(4qv,s/u)0.5=(4×0.204/3.14×30)0.5=0.093m=93mm. 由化工原理上册附录十六，查得，选用102mmx4mm的无缝钢管，其内径di=(1022×6)=0.091mm,重新核算速度， u=4×0.204/(3.14×0.091×0.091)=31.38m/s8.2回流管

29、径的计算WV=24.445×31.8732=467.484 kg/hqv,s= WV/=(467.484/3600)/765.98=1.695×10-4 m3/su为1m, d=(4×1.695×10-4/u)0.5=(4×1.695×10-4/3.14×1)0.5=0.0147m=15mm.选用19mmx2mm的无缝钢管, 内径di=(192×4)=15mm,重新核算速度，u=4×1.695×10-4/(3.14×0.015×0.015)=0.96m/s8.3, 进料口的管

30、径的计算Wl=29.38×27.6862=813.42kg/hqv,s=(813.42/3600)/845.47=2.67x10-4。进料口u选1.5m/sd=(4qv,s/u)0.5 =0.0151mm, 选用19mmx2mm的无缝钢管。内径di=(192×4)=15mm,u=4×2.67x10-4/(3.14×0.015×0.015)=1.512m/s。8.4出料口的管径的计算。qm,s=19.602×18.0593=353.998kg/h，qv,s=(qm,s/3600)/966.30=1.02x10-4m3/s。u选1.5m/

31、s，d=(4qv,s/1.5)0.5 =9.31mm, 选用10mmx0.5mm的无缝钢管。内径di=(102×0.5)=9mm,u=4×1.02×10-4/(3.14×0.009×0.009)=1.60m/s。8.5 筒体厚度 内最大有3个大气压，内径Di=400mm,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 =(0.3×400)/(2×125×0.8)-0.3=0.60C1=0.25mm C2=1.0mm,n=0.25+1.

32、0+0.60+圆整量=2mm,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 0.9se=6-1.25=4.75mm, s=235MPa, 则T=(0.375×704.75)/(2×4.75)=27.8 MPa 0.9s=0.9×0.8×235=169 MPa.可见T0.9s，所以水压实验强度足够。8.6 椭圆形封头厚度为6mm,为防止壁流效应，使气液分部不均，还应设置液体分布装置。精馏段需要两个液体分布装置，提馏段要一个。9. 工艺流程图储槽原料预热器储槽填料塔储槽再沸器原料预热器进料液泵冷却塔分凝器图2 甲醇-水

33、精馏过程流程图10.填料塔设备条件图11.对设计过程的评述和有关问题的讨论本设计所需的各种相关资料是通过图书馆查阅资料、上网等各种途径查的。通过以上的计算和设计分析，确定和优化了一套年分离4800吨甲醇-水溶液的生产装置和工艺流程。其生产方式采用连续式，主体设备填料塔、换热器再沸器。对塔设备进行了物料衡算，确定了塔的塔板数，计算了精馏塔的工作条件及有关物性数据，并对塔体工艺尺寸和填料层压降进行了计算。在设计中釜液直接排放，而经计算釜液的温度很高，有86.02，釜液的流量也不小，故其热量很高，可以加以运用。如可以考虑用其加热原料液，也可以用来加热蒸汽。物质的混合过程是一个不可逆过程，它可以自动进行。但将一个均匀混合物在恒温，恒压下分离成两个不同组分的产物，则要消耗一定的功。不管用什么办法去完成分离过程，达到一定的分离目的时所需的最小功