甲醇-水分离过程填料精馏塔设计

《甲醇-水分离过程填料精馏塔设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《甲醇-水分离过程填料精馏塔设计（18页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、 化工原理课程设计 起止时间2010年12月27日2011年1月7日 题 目甲醇-水分离过程填料精馏塔设计 学院名称 核资源与核燃料工程学院 学生姓名 林江平 班 级 核 化082 指导教师 肖志海 职 称 副教授 院 长 谭 凯 旋 2010年12月27日甲醇水分离过程填料精馏塔设计目 录 一，设计任务.3 二，中英文摘要.4 三，前 言.5 四，设计方案的确定.6 五， 设计计算.8 1,精馏塔的物料衡算.8 2,塔板数的确定.8 3,精馏塔的工艺条件及物性数据的计算.10 4,精馏塔的塔体工艺尺寸计算.11 5,填料层压降计.13 6，设计一览表.13 六，设计过程心得.14 七，参考文

2、献.16一 设计任务书1处理量：8000 （吨/年） 2. 料液浓度：45 （wt%）3产品浓度：98 （wt%） 4易挥发组分回收率：99.55每年实际生产时间：7200小时/年 6操作条件 1） 塔顶压力： 4KPa（表压） 2） 进料热状况：饱和液体进料 3） 回流比： 4 4） 塔底加热蒸汽压力： 0.3MPa（表压） 7. 填料类型： 金属阶梯环填料 8设计内容 a） 精馏塔的物料衡算； b） 塔板数的确定； c） 精馏的工艺条件及有关物性数据的计算； d） 精馏塔的塔体工艺尺寸计算； e） 填料层压降计算；f） 绘制生产工艺流程图； g） 绘制精馏塔设计条件图； h） 对设计过程的

3、评述和有关问题的讨论。 甲醇水溶液汽液相平衡数据（摩尔） x y x y x y0.00 0.0000.15 0.5170.70 0.8700.02 0.134 0.20 0.579 0.80 0.9150.40 0.2340.30 0.6650.90 0.9580.60 0.3040.40 0.7290.95 0.9790.80 0.3650.50 0.7791.00 1.0000.10 0.4180.60 0.825甲醇水分离过程填料精馏塔设计林江平（南华大学核资源与核燃料工程学院，衡阳，421001）摘要：本设计对甲醇水分离过程填料精馏塔装置进行了设计，主要进行了以下工作：1、对主要生产

4、工艺流程进行了选择和确定。2、对生产的主要设备填料塔进行了工艺计算设计,其中包括：精馏塔的物料衡算；塔板数的确定；精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；精馏塔的塔体工艺尺寸计算；填料层压降的计算。3、绘制了生产工艺流程图和精馏塔设计条件图。4、对设计过程中的有关问题进行了讨论和评述。本设计简明、合理，能满足生产工艺的需要，有一定应用价值。关键字：甲醇水；分离过程；精馏塔 The Design of Filled-Fractionating Tower about the Separating Process of Methyl Alcohol-Waterlinjiangping ( Colle

5、ge of nuclear chemistry and nuclear fuel Engineering,Nanhua University,Hengyang,421001) Director: xiaozhihai Abstract: The design of a continuous distillation filled-rectification column, in the material, product requirements and the main physical parameters and the tower plank number and to determi

6、ne the size, process design . And production craftwork flow chart and design condition chart of the rectification tower has been drawn, completion of the methyl -water distillation process and equipment design theme. The design is concise and reasonable, and can satisfy the request of the craftwork.

7、 It has the applied value.Keyword: methyl -alcohol separating process fractionating tower design三 前言1 混合物的分离是化工生产中的重要过程。蒸馏是分离液体混合物的典型单元操作。它是通过加热造成气液两相物系，利用物系中各组分的挥发度不同的特性以实现分离目的。填料塔结构简单，压降小，填料易用耐腐蚀材料制造。过去，由于填料本体及塔内构件不够完善，填料塔大多局限于处理腐蚀性介质或不适宜安装塔板的小直径塔。近年来，由于填料结构的改进和新型高效、高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离效率，又保持了压力

8、降小及性能稳定的特点，因此，填料塔已经被推广到许多大型气液传质的操作中。 精馏塔操作的基本要求是在连续定态和最经济的条件下处理更多的原料液，达到预定的分离要求或组分的回收率，即在允许范围内采用较小的回流比和比较大的再沸器传热量。所以在设计精馏塔的过程中，必须保持精馏定态操作的条件如：塔压稳定；进、出塔系统的物料量平衡和稳定；进料组成和热状况稳定；回流比恒定；再沸器和冷凝器的传热条件稳定；塔系统与环境间散热稳定等。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

9、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。四 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包括：1，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。2，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。3，流动阻力小，流体通过塔设

10、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。4，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。5，结构简单，造价低，安装检修方便。6，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

11、负荷适中。设计中选用金属散装阶梯环Dn50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

12、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Dn50规格的。五 设计计算 (一)精馏塔的物料衡算1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率甲醇的摩尔质量 MA=32.04kg/kmol水的摩尔质量 MA=18.02 kg/kmolD=800045%99.5%/98%=3655.1吨/年F=D+W W=4344.9吨/年 ww（质量）800045%0.5/4344.90.0414 xF=0.45/32.04/(0.45/32.04+0.55/18.02)=0.3151 xD=0.98/32.04/(0.98/32.04+0.

13、2/18.02)=0.965 xw=0.000414/32.04/(0.000414/32.04+0.999586/18.02)=0.0002332.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量MF=0.315132.04+(1-0.3151)18.02=22.44kg/kmolMD=0.96532.04+(1-0.965)18.02=31.549kg/kmolMW=0.00023332.04+(1-0.000233)18.02=18.02 kg/kmol 3.物料衡算 F=80001000/(720022.44)=49.51kmol/hD=3655.11000/(720031.549)=16.091

14、kmol/hW=4344.91000/(720018.02)=33.488kmol/h（二）塔板数的确定21.利用平衡数据，在直角坐标图上绘平衡曲线及对角线，如下图：在图上定出点a(xD ,xD)、点e(xF ,xF)和 c(xW ,xW)三点。2.精馏段操作线截距xD/(R+1)=0.965/5=0.193,在y轴上定出点b。连ab,即得到精馏段操作线。q=1,q线垂直于x轴，q线与精馏段操作线交与点d.3. q=1,q线垂直于x轴，q线与精馏段操作线交与点d.4.连cd,即为提馏段操作线。在图上定出点a(xD ,xD)、点e(xF ,xF)和 c(xW ,xW)三点。2.精馏段操作线截距x

15、D/(R+1)=0.965/5=0.193,在y轴上定出点b。连ab,即得到精馏段操作线。q=1,q线垂直于x轴，q线与精馏段操作线交与点d.3. q=1,q线垂直于x轴，q线与精馏段操作线交与点d.4.连cd,即为提馏段操作线。5.自点 a开始在操作线和平衡线之间绘梯级，得理论板层数为8块（包括再沸器），自塔顶往下数第5层为加料板。（三）精馏的工艺条件及有关物性数据的计算 塔顶温度： tD=64.5塔釜温度： tw=99.2 进料板温度： tF=76.91. 精馏段塔顶第1块板有关参数 R=L/D=4 L=4D=416.091=64.364kmol/hV=L+D=64.364+16.091=

16、80.455kmol/h气相流量： V1=80.455 kmol/h液相流量： L1=64.364 kmol/h气相组成： y1=xD=0.965液相组成： x1=0.9100气相平均摩尔质量：MV1=(80.4550.96532.04+80.455(1-0.965)18.02) /80.455=31.299液相平均摩尔质量：ML1=(64.3640.9132.04+94.364(1-0.91)18.02) /64.364=31.53气相密度： rrv1MV/22.4=31.55/22.4=1.4085kg/m3 塔顶温度为64.9时甲醇与水的密度由内插法得：3液相密度： rrL1752.39

17、4 kg/m3由t=64.9查手册3得：m甲0.330mpa.s m水0.4355mpa.SLgml10.98lg0.330.2lg0.4355液相粘度： mmL1=0.3318mPas2. 提馏段塔釜最后一块板有关参数L=L+F=64.364+49.51=113.87kmol/hV=V= 80.455 kmol/h气相流量： V = 80.455 kmol/h液相流量： L =113.87kmol/h气相组成： x=0.000233液相组成： y=0.000233气相平均摩尔质量：MV=(80.455*0.000233*32.04+80.455*(1-0.000233)*18.02) /80

18、.455=18.03液相平均摩尔质量：ML=18.016气相密度： rrv= MV/22.4=0.8043kg/m3塔底液相，由于产品中易吸收组分回收率为99.5，则近似为水得密度，r水957.4kg/m3液相密度： rrL=957.4 kg/m3液体的粘度在釜底近似于水的粘度3：液相粘度： mmL=0.2866 mPas（4） 精馏塔的塔体工艺尺寸计算（5） 采用Eckert通用关联图计算填料层压降(如图)：1精馏段塔径液相质量流量为 wL=64.36431.53=2029.40kg/h气相质量流量为 wV=80.45531.299=2518.16 kg/h (wL/wV)(rV/rL)0.

19、5=(2029.40/2518.16)(1.4085/752.294)0.5=0.035 查图得、(u2max Fy/g)(rV/rL)mmL0.2=0.211用DN 50的金属阶梯环填料4，fF=140 yY=r水/rL=957.4/752.394=1.272umax=(0.210rLg/uL0.2rVFY)0.5 =(0.210752.3949.81/0.33180.21.4085140 1.272)0.5 =2.688m/su=0.7umax=0.72.688=1.8816m/sD=(4VS/pu)0.5VS=31.29980.455/(1.40853600)=0.4966m/sD=(4

20、0.4966/(3.141.8816)0.5=579.9mm 圆整为600mm.u=4VS/pD2=0.49664/(3.140.602)=1.7573m/s.Umin=(LW)minat=0.08109=8.72m3/(m2h)U=Lh/0.785D2=64.36431.366/(752.3940.7850.602)=9.45 m3/(m2h)则，UUmin. D=600mm.2.提馏段塔径液相质量流量为 wL=113.870.000233 ， 气相质量流量为 wV=80.4550.000233(wL/wV)(rV/rL)0.5=（113.87/80.455）（0.8049/957.4）0.

21、5=0.041查图得、(u2maxFy/g)(rV/rL)mL0.2=0.182umax=（0.182957.429.81/（0.28660.20.8049140957.4)） 0.5=4.41m/su=4.410.7=3.087m/sVS=80.77518.03/(0.80493600)=0.5007m/s D=(4VS/pu)0.5D=(40.5007/(3.143.087)0.5=454mm. 圆整为500mm.u=4VS/pD2=40.5007/(3.140.52)=2.551m/sU=Lh/0.785D2=113.8718.03/(957.40.7850.52)=10.92 m3/(

22、m2h)UUmin, D=500mm3.填料层高度计算直径为50mm的填料，等板高度接近1m；直径在0.6m以下的填料塔，等板高度约与塔径相等。Z=HETPNTLg(HETP)=h-1.292lndl+1.47lnml 查表有h7.0653对于阶梯环填料，要求h/D815，h6mHETP精0.6mHETP提0.5mZ精0.642.4m Z精=1.252.4=3mZ提0.531.5m Z提=1.251.5=1.875m （五）填料层压降计算1精馏段横坐标 (wL/wV)(rV/rL)0.50.035纵坐标 (u2Fy/g)(rV/rL)mL0.21.778520.030.00950Dp/Z=90

23、9.77=879.3Pa/m Dp=9879.3=7.914Kpa3. 提馏段 横坐标 (wL/wV)(rV/rL)0.50.041 纵坐标 (u2Fy/g)(rV/rL)mL0.22.7729.7510-30.075 p/Z=709.79=685.3Pa/m Dp=2.5689.7=1.724 Kpa(六）设计一览表 名 称 数 据名称数据摩尔分数原料液（xF）0.3151理论板数8层塔顶产品（xD)0.965进料板层5层塔底产品（xW)0.000233精馏段塔径600mm塔顶温度64.5提馏段塔径500mm塔釜温度99.2精馏段填料高度300mm进料板温度76.9提馏段填料高度188mm精

24、馏段填料层压降7.914kpa提馏段填料压降1.1724kpa7 液体分布器的简要设计7.1 该精馏塔塔径较小,故此选用管式液体分布器.7.2 分布点密度计算. 该精馏塔塔径较小,且DN50金属环矩鞍的比表面积较小,故应选用较小分布点密度,设计中取分布点密度为220点/ m2 布液点数: n=(/4)*D*D*200=0.785*0.45*0.45*220=34.9点=35点 按分布点几何均匀的原则进行布点设计,设计结果为:主管径48*4.5,支管直径28*4,采用7根支管,支管中心距为65mm,采用正方形排列,实际布点数为n=37,布液点示意图如图所示:7.3 布液计算: LS=(/4)*

25、do2N(2gH) 0.5 取=0.60 H=160mm do =4 LS/(n(2gH) 0.5 ) 0.5 =4*829.44/（839.69*3600*3.14*37*0.6*(2*9.81*0.16) 0.5) 0.5 =0.003m 设计取do =3.0mm8 生产工艺流程图9精馏塔设计条件图（见手绘图）六 设计过程心得 本设计所需的各种相关资料是通过图书馆查阅资料、上网等各种途径查找的。通过以上的计算和设计分析，确定和优化了一套年分离五千吨甲醇-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

26、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99.2，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总可以通过一个假象的可逆过程来计算出来。因为由热力学第二定律必然应该得出这样的结论，即完成同一变化的任何可逆过程所需的功均相等。而实际过程所需的功一定大于可逆过程时的值。所需的最小功决定于要分离的混

27、合物的组成、压力和温度以及分离所得产品的浓度、压力和温度。 提高精馏过程热力学效率的途径要降低分离过程的能耗就应提高其热力学效率。一般精馏过程的不可逆性表现为以下几个方面： 在流体流动时有压力降： 塔内上升蒸汽与下流液体直接接触产生热交换时有温差，以及在再沸器和冷凝器中传热介质与物料之间存在温差； 上升蒸汽与下流液进行传质过程时，两相浓度与平衡浓度的差别。要使上述这三个过程（流体流动、传热、传质）有较大的速率，就得有一定的推动力，而推动力越大，则不可逆性就越大。反之，要提高热力学效率就必须减小压差，降低温差和缩小化学位的差别。当塔板数较多时，一般说来，压力降也要加大，同时塔釜与塔顶的温差也会增

28、大。按式W净=QT0（1/TL-1/TH），W净就增大。原则上要降低压力降可增大塔径，降低板面液层厚度。但增大塔径意味着加大设备投资；降低板面液层厚度则使板效率变小。因此，实际上要综合考虑这些因素以确定塔径。进出每块塔板的气液相在组成与温度上的相互不平衡是使精馏过程热力学效率下降的重要因素。由下一块板上来的蒸汽比上一块下来的液体温度要高些，其易挥发组分的含量小于下流液体平衡时之值。要降低净功必须减小各板传热和板质上午推动力。这可以归结为应尽量使操作线与平衡线相接近。在工业实践中，使用中间再沸器以利用低压蒸汽或其它低品位的加热介质，以及采用中间冷凝器以利用温度较高的冷却介质，其吸引力却常常都不很

29、大。但在低温精馏时，例如裂解气分离中的脱甲烷塔等，使用中间再沸器，实际上不是使用低品位加热介质的问题，而是可以借此回收一部分冷量；中间冷凝器的使用则可使冷却介质的冷冻级位不致太低。采用两效或多效精馏是充分利用能级的一个办法，泵流程是另一种有效的提高热力学效率的手段。塔顶蒸汽经过压缩，使其冷凝温度高于釜液的沸点，冷凝时所释放的热量供给釜液蒸发之用。冷凝器和再沸器就是同一个设备，因而减小了传热中的不可逆性。在计算的过程中遇到了不少问题 ，深感知识的不足。一般的书上对填料精馏塔的设计中的一些问题都是用计算机计算的，而我是用手工计算的，所以会有很多不足的地方，还请老师多多指导。七 参考文献 1 刘道德等长沙：化工设备的选择与设计，20032 贾绍义，柴诚敬等化工原理课程设计天津：天津大学出版社，20023 刘光启，马连湘等编化学化工物性参数手册 北京：化学工业出版社，20024 姚玉英等化工原理，下册天津：天津大学出版社，20055 王明辉 化工单元过程课程设计. 北京 化学工业出版社 ，200218