甲醇-水筛板精馏塔的设计3-下发

大连民族学院化工原理课程设计：甲醇―水筛板精馏塔设计PAGEPAGE28化工原理课程设计任务书(一)设计题目甲醇-水筛板精馏塔的设计（4）(二)设计任务及操作条件1、原料液中含甲醇27%（质量分数），其余为水；2、产品中甲醇的含量不得低于89%（质量分数）；3、馏出液中甲醇的回收率96%；4、混合液处理量为5000kg/h。5、操作条件：①精馏塔顶压强：4kPa（表压）②进料热状态：q=1③R=(1.1-2.0)Rmin④加热状态：低压蒸气⑤单板压降≯0.7kPa(三)设备类型设备类型为筛板塔(四)设计内容1、设计方案的确定及流程说明；

2、塔的工艺计算；

3、塔和塔板主要工艺尺寸的设计；

4、绘制t-x-y相平衡图、塔板负荷性能图、塔板结构示意图、工艺流程图；

5、编写设计说明书，包括设计结果汇总、设计评价和致谢等。设计任务书……………………1总论……………………3概述及设计原则…………………3设计方案简介……………………3进料状态和回流比的选择………4精馏塔的工艺设备计算………………5总体设计计算……………………5塔的工艺条件及物性数据计算…………………7塔和塔板工艺计算………………9筛板流体力学验算………………9筛板流体力学验算………………12塔板负荷性能图…………………14辅助设备选择…………17冷凝器……………17再沸器……………17设计结果………………19设计结果汇总……………………19主要符号说明及主要参考资料…………………20设计评价及致谢…………………22附录………………23参考资料…………27第一章：总论第一节概述及设计原则一．概述气液传质设备种类繁多，但基本上可以分为两大类：逐级接触式和微分接触式。板式塔便是一种应用极为广泛的逐级接触式气液传质设备。它大致可分为两类，一类是有降液管的塔板，如泡罩、浮阀、筛板、导向筛板、新型垂直筛板、舌形、S形、多降液管塔板等；另一类是无降液管塔板，如穿流式筛板(栅板)、穿流式波纹板等。筛板是在塔板上钻有均布的筛孔，上升气流经筛孔分散，鼓泡通过板上液层，形成气液密切接触的泡沫层(或喷射的液滴群)。筛板塔结构简单，制造维修方便，造价低，相同条件下生产能力高于浮阀塔，塔板效率接近浮阀塔。缺点是稳定操作范围窄，小孔经筛板易堵塞，不适宜处理粘性大的、脏的和带固体粒子的料液。但设计良好的筛板塔是具有足够宽的操作范围的。至于塞孔容易堵塞的问题，可采用大孔径筛板以得到解决。FRI的研究工作表明，设计良好的筛板是一种效率高，生产能力大的塔板，对筛板的推广应用起了很大的促进作用。目前，筛板已发展成为应用最广泛的通用塔板，故近年我国对筛板的应用也日益增多。二．设计原则为有效地实现气液两相之间的传质，筛板塔的设计应符合以下原则：①在每块塔板上气液两相必须保持密切而充分的接触,为传质过程提供足够大而且不断更新的相际接触表面，减小传质阻力；②在塔内应尽量使气液两相呈逆流流动，以提供量大的传质推动力。当气液两相进出塔设备的浓度一定时，两相逆流接触时的平均传质推动力最大。但是，在每块塔板上，由于气液两相的剧烈搅动，是不可能达到充分的逆流流动的。所以，设计的原则是总体上使两相呈逆流流动，而在每一块塔板上两相呈均匀的错流接触。第二节：设计方案简介精馏装置包括精馏塔、原料预热器、蒸馏釜(再沸器)、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。热量自塔釜输入，物料在塔内经过多次部分气化与部分冷凝进行精馏分离，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。在此过程中热能利用率很低，在确定装置流程时，要考虑余热的利用。为保持塔的操作的稳定性，流程中可采用高位槽送料，以免承受操作波动的影响。塔顶冷凝装置根据生产情况采用分凝器或全凝器。一般塔顶分凝器对上升蒸汽有一定增浓作用，若后续装置使用气态物料，宜采用分凝器，若要在工业中获得液相产品时，宜采用全凝器，以便准确控制回流比。精馏操作可在常压、减压和加压下进行。操作压强常取决于冷凝温度。一般，除热敏性物料以外，凡通过常压蒸馏不难实现分离要求，并能用江河水或循环水将馏出物冷却下来的系统，都应采用常压蒸馏；对热敏性物料或混合液沸点过高的系统宜采用减压蒸馏；对常压下馏出物的冷凝温度过低的系统，需提高塔压或采用深井水，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馏。蒸馏大多采用间接蒸气加热，设置再沸器。有时也可采用直接蒸汽加热，以节省操作费用，并节省间接加热设备，但需要在提馏段增加塔板以达到生产要求。第三节：进料热状态和回流比的选择一．进料热状态的选择进料热状态以进料热状态参数q表达，即q=使每摩尔进料变成饱和蒸气所需热量/每摩尔进料的汽化潜热有五种进料状态，即q﹥1时，为低于泡点温度的冷液进料；q=1，为泡点下的饱和液体；q=0为露点下的饱和蒸气；0﹤q﹤1，为介于泡点和露点间的气液混合物；q﹤0为高于露点的过热蒸气进料。原则上，在供热量一定的情况下，热量应尽可能由塔底输入，使产生的气相回流在全塔发挥作用，即宜冷进料。但为使塔的操作稳定，免受季节气温的影响，精、提馏段采用相同塔径以便于制造，则常采用饱和液体进料，但需增设原料预热器，若工艺要求减少塔釜加热量避免釜温过高，料液产生聚合结焦，则应采用气态进料。二．回流比的选择选择回流比，主要从经济观点出发，力求使设备费和操作费用之和最低。一般经验值为R=(1.1~2.0)Rmin式中R—操作回流比;R—最小回流比。对特殊物质与场合，则应根据实际需要选择回流比。：精馏塔的工艺设备计算第一节：总体设计计算一、设计方案的确定及工艺流程的说明本设计任务为分离醇和水的混合物，对于二元混合物的分离，应采用连续常压精馏流程。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。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，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贮罐。该物系属于易分离物系，最小回流比比较小，故操作回流比取最小回流比的1.8倍。塔底采用间接蒸气加热，塔底产品经冷却后送至贮罐。二、全塔的物料衡算（一）料液及塔顶底产品含甲醇的摩尔分率甲醇的摩尔质量为：32kg/kmol水的摩尔质量为：18kg/kmol （二）平均摩尔质量（三）料液及塔顶底产品的摩尔流率三、塔板数的确定（一）确定操作的回流比R将相平衡数据作图得曲线及曲线。在图上，因，查得，而。故有：考虑到精馏段操作线离平衡线较近，故取实际操作的回流比为最小回流比的1.8倍，即：（二）理论板塔板数NT的求取因为甲醇与水属于理想物系，可采用图解法求解（见相平衡图11）a．精馏段操作线方程精馏段操作线：=0.527x+0.3946图解得块（不含釜）。其中，精馏段块，提馏段块，第4块为加料板位置。（三）实际塔板数1.全塔效率选用公式计算。该式适用于液相粘度为0.07~1.4mPa·s的烃类物系，式中的为全塔平均温度下以进料组成表示的平均粘度。塔的平均温度为0.5(67+90.25)=78.6℃（取塔顶底的算术平均值），在此平均温度下查化工原理附录11得：，。0.3503=0.452.实际塔板数（近似取两段效率相同）精馏段：块，取9块提馏段：块，取9块总塔板数18块。第二节：塔的工艺条件及相关物性数据的计算（一）平均压强取每层塔板压降为0.6kPa计算。塔顶：加料板：平均压强（二）平均温度查表⑴可得安托尼系数ABCMin～MaxH2O7.074061657.46227.0210～168CH3OH7.197361574.99238.23-16～91H2O的安托尼方程：lgPAO=7.07406-1657.46/(tA+227.02)CH3OH的安托尼方程：lgPBO=7.19736-1574.99/(tB+238.86)甲醇的tBlg101.3=7.19736-1574.99/(tB+238.86) tB=64.5(℃)由泡点方程试差可得当tD=67.0℃时∑Kixi≈1 同理可求出tF=85.2℃时∑Kixi≈1 所以塔顶温度tD=67.0℃进料板温度tF=85.2℃精馏段平均温度tm精=(67.0+85.2)/2=76.1(℃)（三）平均分子量塔顶：0.820，（查相平衡图）加料板：，（查相平衡图）精馏段：（四）平均密度1.液相平均密度依下式（为质量分率）查表可得tD=67.0℃时ρLD,A＝745.69kg/m3ρLD,B=975.82kg/m3 tF=85.2℃时ΡLF,A＝732.15kg/m3ρLF,B=968.33kg/m3 塔顶：进料板：由加料板液相组成：xA=0.13精馏段：2.汽相平均密度（五）液体的平均表面张力液相平均表面张力依下式计算即则精馏段平均表面张力：（六）液体的平均粘度则精馏段平均表面张力：(0.341+0.328)/2=0.334mpa/s第三节：精馏段的汽液负荷计汽相摩尔流率2.116×49.40=104.530kmol/h汽相体积流量汽相体积流量0.780m3/s=2809.4m3/h液相回流摩尔流率1.116×49.40=55.1304kmol/h液相体积流量液相体积流量第四节：塔和塔板主要工艺结构尺寸的计算（一）塔径1.初选塔板间距及板上液层高度，则：2.按Smith法求取允许的空塔气速（即泛点气速）查Smith通用关联图得负荷因子泛点气速：m/s3.操作气速取4.精馏段的塔径圆整取0.8m，此时的操作气速。（二）塔板工艺结构尺寸的设计与计算1.溢流装置采用单溢流型的平顶弓形溢流堰、弓形降液管、平形受液盘，且不设进口内堰。（1）溢流堰长（出口堰长）取0.8=0.526m堰上溢流强度，满足筛板塔的堰上溢流强度要求。（2）出口堰高对平直堰由及，查化工原理图11-11得，于是：（满足要求）（3）降液管的宽度和降液管的面积由，查化原下P147图11-16得，即：0.0987m，0.497m2，0.0359m2。液体在降液管内的停留时间0.0359×0.4/0.00043=33.40s>5s（满足要求）（4）降液管的底隙高度为了保证良好的液封，又不至于使液体的阻力过大，一般取=—（0.006~0.012）m=0.0556-0.012=0.0436（不宜小于0.02m，本结果满足要求）2.塔板布置（1）边缘区宽度与安定区宽度边缘区宽度：一般为30~75mm，D>2m时，可达100mm。安定区宽度：规定m时mm；m时mm；本设计取，m。（2）开孔区面积=0.420m式中：0.796/2-(0.099+0.1166)=0.235m0.363m3.开孔数和开孔率取筛孔的孔径，正三角形排列，筛板采用碳钢，其厚度，且取。故孔心距每层塔板的开孔数0.420=2162（孔）每层塔板的开孔率（应在5~15%，故满足要求）每层塔板的开孔面积0.420=0.424m2气体通过筛孔的孔速0.780/0.0424=18.4m/s4.精馏段的塔高(9-1)×0.4=3.2m第五节：筛板流体力学验算（一）气体通过筛板压降和的验算1.气体通过干板的压降式中孔流系数由查图11-10得出，。2.气体通过板上液层的压降式中充气系数的求取如下：气体通过有效流通截面积的气速，对单流型塔板有：动能因子查化原图11-12得0.55（一般可近似取）。3.气体克服液体表面张力产生的压降4.气体通过筛板的压降（单板压降）和0.0297+0.354+0.00391=0.069m0.069=565pa=0.565kpa<0.7kPa（满足工艺要求）。（二）雾沫夹带量的验算式中：，验算结果表明不会产生过量的雾沫夹带。（三）漏液的验算漏液点的气速筛板的稳定性系数（不会产生过量液漏）（四）液泛的验算为防止降液管发生液泛，应使降液管中的清液层高度取0.5则成立，故不会产生液泛。通过流体力学验算，可认为精馏段塔径及塔板各工艺结构尺寸合适，若要做出最合理的设计，还需重选及，进行优化设计。第六节：塔板负荷性能图（一）雾沫夹带线（1）（1）式中：近似取E=1.0hw=0.0556mlw=0.594m取雾沫夹带线极限为0.1kg液/kg气，已知40.04×10-3N/mHT=0.4m并将上式代入整理得（1）在操作范围内，任取几个值，依式（1-1）算出对应的值列于下表：0.06×10-41.5×10-33×10-34.5×10-31.1771.0530.9690.9依据表中数据作出雾沫夹带线（1）（二）液泛线（2）联立式和得到（2）近似取E=1.0lw=0.594则：（前已算出）将及式（a）(b)(c)代入得在操作范围内，任取几个值，依上式算出对应的值列于下表：0.06×10-41.5×10-33×10-34.5×10-31.6451.5311.4411.352依据表中数据作出液泛线（2）（三）液相负荷上限线（3）据此可以作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线，如图线（3）所示（四）漏液线（气相负荷下限线）（4）漏液点气速，整理得：在操作范围内，任取几个值，依上式算出对应的值列于下表：0.06×10-41.5×10-33×10-34.5×10-30.4270.4600.4800.496依据表中数据作出漏液线（4）（五）液相负荷下限线（5）取平堰堰上液层高度m，。（5-5）依此值在Vs-Ls图上作线(5),即为液相负荷下限线。如下图所示：操作弹性定义为操作线与界限曲线交点的气相最大负荷与气相允许最小负荷之比，即：操作弹性=辅助设备的材料第一节冷凝器塔顶回流冷凝器通常采用管壳式换热器，有卧式、立式、管内和管外冷凝等形式。按冷凝器与塔的相对位置区分等，有以下几类。整体式及自流式对小型塔，冷凝器一般置于塔顶，冷凝液借重力回流入塔。其优点是蒸汽压降较小，可借改变气升管或塔板调节位差以保证回流与采出所需的压头，可用于冷凝液难以用泵输送或泵送有危险的场合，优点之二是节省安装面积。常用于减压蒸馏或传热面积小（500m2以下）的情况。缺点是塔顶结构复杂，维修不便。2、强制循环式当塔的处理量很大或塔板数很多时，若回流冷凝器置于塔顶将造成安装、检修等诸多不便，且造价高。可将冷凝器置于塔下部适当位置，用泵向塔顶送回流，在冷凝器和泵之间需设回流罐，即强制循环式。冷凝器置于回流罐之上，回流罐的位置应保证与泵入口高3m以上。回流罐置于冷凝器的上部，冷凝器置于地面，冷凝液借压差回流罐中，这样可以减少台架，且便于维修，主要用于常压或加压蒸馏。第二节再沸器该装置是用于加入塔底料液使之部分气化提供蒸馏过程所需热量的热交换设备，常用以下几种：内置式再沸器此系直接将加热装置设置于塔底部，可采用夹套蛇管或列管式加热器，其装料系数依物系起泡倾向取为60%--80%。釜式（罐式）再沸器对直径较大的塔，一般将再沸器置于塔外，其管束可以抽出，为保证管束浸于沸腾液中，管束末端设溢流堰，堰外空间为出料液的缓冲区，其液面以上空间为气液分离空间。虹吸式再沸器利用虹吸式原理，即再沸器内液体被加热部分气化后，气液混合物密度小于塔内液体温度，使再沸器与塔间产生静压差，促使塔底液体被“虹吸”进入再沸器，在再沸器内气化后返回塔，因而不必用泵便可使塔底液体循环。4、强制循环式再沸器对高黏度液体和热敏性材料宜用泵强制循环式再沸器，因而其流速大，停留时间短，便于控制和调节也体循环量。综合考虑，本设计采用列管式原料预热器，强制循环式列管全凝器，列管式塔顶及塔底产品冷凝器，热虹吸式再沸器。 第四章：设计结果第一节：设计结果汇总精馏塔的设计计算结果汇总一览表项目符号单位计算结果精馏段平均压强kPa108平均温度℃76.1平均流量气相m3/s0.780液相m3/s0.00043表面张力mN/m40.04液体粘度mPa·s0.341板间距HTm0.4塔段的有效高度Zm2.4塔径Dm0.8空塔气速m/s1.51塔板液流型式单流型溢流装置溢流管型式弓形堰长m0.526堰高m0.0556溢流堰宽度m0.0987底隙高度m0.0436板上清液层高度m0.060孔径mm5孔间距mm15孔数个2162开孔面积Aam20.420筛孔气速m/s18.4塔板压降kPa0.6液体在降液管中的停留时间s33.40降液管内清液层高度m0.129雾沫夹带kg液/kg气0.049负荷上限雾沫夹带控制负荷下限漏液控制气相最大负荷m3/s0.00359气相最小负荷m3/s0.000276操作弹性2.58第二节：主要符号说明及主要参考资料符号说明Aa塔板的开孔区面积，m2Af降液管的截面积,m2Ao筛孔区面积,m2AT塔的截面积m2 C负荷因子无因次 C20表面张力为20mN/m的负荷因子无因次do筛孔直径mD塔顶流出液流量Kmol/h D塔径mE液流收缩系数无因次ET全塔效率 ev液沫夹带量kg液/kg气 ET总板效率无因次F进料流量Kmol/hFa气相动能因数m/s Fo筛孔气相动能因子kg1/2/(s.m1/2)g重力加速度9.81m/s2hc与干板压降相当的液柱高度mhl进口堰与降液管间的水平距离m hd与液体流过降液管的压降相当的液注高度 hf塔板上鼓层高度m hL板上清液层高度m h1与板上液层阻力相当的液注高度m ho降液管的义底隙高度m how堰上液层高度m hW出口堰高度m hσ与克服表面张力的压降相当的液注高度mH板式塔高度mHB塔底空间高度mHd降液管内清液层高度mHD塔顶空间高度mHF进料板处塔板间距mHP人孔处塔板间距mHT塔板间距mK稳定系数无因次L塔内下降液体的流量Kmol/hLh液体体积流量m3/hLs液体体积流量m3/sLW溢流堰长长度mM平均摩尔质量kg/kmolN塔板数，理论塔板数Np实际塔板数NT理论塔板数n筛孔数目P操作压力KPa△P压力降KPa△Pp气体通过每层筛的压降KPaq进料热状态参数R回流比Rmin最小回流比S直接蒸汽量Kmol/ht筛孔中心距，mmtm平均温度℃u空塔气速m/sua按开孔区流通面积计算的气速m/suo筛孔气速m/suo’液体通过降液管底隙的速度m/su0,w漏夜点气速m/sV塔内上升的蒸汽量m3/sVh气体体积流量m3/hVs气体体积流量m3/sW釜液流量Kmol/hWc边缘无效区宽度mWd弓形降液管宽度mWs破沫区宽度mx液相中易挥发祖坟的摩尔分率开孔区宽度的的宽度my气相中易挥发组分的摩尔分率Z板式塔的有效高度m希腊字母下标A易挥发组分B难挥发组分D溜出液F原料液h小时i组分序号m平均Max最大的Min最小的L液相V气相第三节：设计评价及致谢（一）设计评价甲醇最早是用木材干馏得到的，因此又叫木醇，是一种易燃的液体，沸点64.5℃，能溶于水，毒性很强，误饮能使人眼睛失明，甚至致死。由于甲醇和水不能形成恒沸点的混合物，因此可直接用常压蒸馏法把大部分的水除去，再用金属镁处理，就得无水甲醇。甲醇在工业上主要用来制备甲醛，以及作为油漆的溶剂和甲基化剂等。本设计进行运用化工原理的设计方法实现了甲醇和水的分离，采用直径为0.8m的精馏塔，选取效率较高、塔板结构简单、加工方便的单溢流方式，并采用了弓形降液盘。该设计的优点：1．操用、调节、检修方便；２．制造安装较容易；３．处理能力大，效率较高，压强较低，从而降低了操作费用；该设计的缺点：设计中对文献的收索、查阅、记录都不完整，设备的计算及作图选型还存在着一定的问题，从而选取的操作点的范围不准确内，且操作弹性偏低，影响了设计的优良性。（二）设计心得：通过此次课程设计，我认识到了化工原理的应用性，也深切感受到了化工原理的重要性，特别是对精馏原理及其操作各方面的了解和设计，对实际单元操作设计中所涉及的个方面要注意问题都有所了解。通过此次对精馏塔的设计，不仅让我将所学的知识应用到实际中，而且对知识也是一种巩固和提升充实。在老师和同学的帮助下，及时的按要求完成了设计任务，也提高了自己的实际动手和知识的灵活运用能力。（三）致谢：设计过程中，感谢孙老师的指导，使我的设计有了方向。热心的同学们给于了我的帮助，尤其是苏柳珍同学，在我遇到问题时耐心的解答。最后要感谢同组人张琳的协助。总之，在设计过程中，有了以上的热心帮助，才使我的课程设计达到了预期的效果，在这里对于在设计过程中给于过我帮助的人再次感谢。附录表一：甲醇-水气液平衡数据t/℃xAyA1000.000.00096.40.020.13493.50.040.23491.20.060.30489.30.080.36587.70.100.41884.40.150.51