甲醇―水分離過程填料精餾塔設(shè)計

1、課 程 設(shè) 計 說 明 書課程名稱：設(shè)計題目：院 系：學(xué)生姓名：學(xué) 號：專業(yè)班級：指導(dǎo)教師：年 月 日 課程設(shè)計任務(wù)書 摘要:化工生產(chǎn)中所處理的原料中間產(chǎn)品幾乎都是由若干組分組成的混合物，其中大部分是均相混合物。生產(chǎn)中為滿足要求需將混合物分離成較純的物質(zhì)。float valve tower(column 以浮閥作為塔盤上氣液接觸元件的一種板式塔。塔盤主要由塔板、溢流堰、受液盤及降液管組成。塔板上裝有一定數(shù)量的浮閥，按等腰三角形或正方形排列，浮閥用支腿在塔盤上定位并予以導(dǎo)向。浮閥蓋在閥孔上，氣體依靠壓力使浮閥升起并鼓泡而穿過液層，進(jìn)行氣液兩相傳。浮閥塔板在蒸氣負(fù)荷、操作彈性、效率和造價等方面都比

2、較優(yōu)越。浮閥塔是最早應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的設(shè)備之一，五十年代之后通過大量的工業(yè)實(shí)踐逐步改進(jìn)了設(shè)計方法和結(jié)構(gòu)近年來與浮閥塔一起成為化工生中主要的傳質(zhì)設(shè)備為減少對傳質(zhì)的不利影響可將塔板的液體進(jìn)入?yún)^(qū)制成突起的斜臺狀這樣可以降低進(jìn)口處的速度使塔板上氣流分布均勻。浮閥塔多用不銹鋼板或合金制成，使用碳剛的比率較少。實(shí)際操作表明，篩板塔在一定程度的漏夜?fàn)顟B(tài)下操作使其板效率明顯下降其操作的負(fù)荷范圍較袍罩塔窄，但良好的塔其操作彈性仍可達(dá)到2-3。蒸餾是分離均相混合物的單元操作，精餾是最常用的蒸餾方式，是組成化工生產(chǎn)過程的主要單元操作。精餾是典型的化工操作設(shè)備之一。進(jìn)行此次課程設(shè)計的目的是為了培養(yǎng)綜合運(yùn)用所學(xué)知識, 來

3、解決實(shí)際化工問題的能力, 到能獨(dú)立進(jìn)行化工設(shè)計初步訓(xùn)練，為以后從事設(shè)計工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目 錄前 言. 51設(shè)計方案的確定. 52精餾塔的物料衡算. 62.1原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率. 62.2 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量. 72.3物料衡算. 73塔板數(shù)的確定. 83.1甲醇-水屬理想物系, 故可用圖解法求理論板層數(shù). . 93.2全塔效率E . 94 精餾塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)的計算. 104.1工藝條件. 104.2平均摩爾質(zhì)量. 104.3平均密度計算. 114.4液體平均表面張力計算. 114.5液體平均粘度計算. 125精餾塔的塔體工藝尺寸計算. 135.1 塔

4、徑的計算. 135.2填料層高度計算. 146填料層壓降計算. 147. 小結(jié).168. 全章主要主要符號說明.16前 言填料塔操作時，液體自塔上部進(jìn)入，通過液體分布裝置均勻淋灑于填料層上，繼而沿填料表面緩慢下流。氣體自塔下部進(jìn)入，穿過柵板沿著填料間隙上升。這樣, 氣液兩相沿著塔高在填料表面與填料自由空間連續(xù)逆流接觸，進(jìn)行傳質(zhì)和傳熱。甲醇-水屬于難分離物系，選用填料精餾塔的分離效率較高，容易滿足生產(chǎn)要求1設(shè)計方案的確定本設(shè)計任務(wù)為。分離甲醇-水混合物，對于二元混合物的分離，一般采用連續(xù)精餾流程。精餾是分離液體混合物最常用的一種操作，它通過汽、液兩相的直接接觸，利用組分揮發(fā)度的不同，使易揮發(fā)組分

5、由液相向汽相傳遞，難揮發(fā)組分由汽相向液相傳遞，是汽、液兩相之間的傳質(zhì)過程。精餾對塔設(shè)備的要求大致:一：生產(chǎn)能力大：即單位塔截面可通過較大的汽、液相流率，不會產(chǎn)生液泛等不正常流動。二：效率高：汽、液兩相在塔內(nèi)流動時能保持充分的密切接觸，具有較高的塔板效率或較大的傳質(zhì)速率。三：流動阻力?。毫黧w通過塔設(shè)備的阻力降小，可以節(jié)省動力費(fèi)用，在減壓操作時易于達(dá)到要求的真空度。四：有一定的操作彈性：當(dāng)汽、液相流率有一定的波動時，兩相均能維持正常的流動，且不會使效率產(chǎn)生較大的變化。五：結(jié)構(gòu)簡單，造價低，安裝檢修方便。六：能滿足物性每些工藝特性，如腐蝕性、熱敏性、氣泡性等特殊要求。設(shè)計中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過

6、預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送入精餾塔內(nèi)。甲醇常壓下的沸點(diǎn)為64.7，故可采用常壓操作。用30的循環(huán)水進(jìn)行冷凝。塔頂上升蒸汽用全冷凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷凝器冷卻后送至儲槽。因所分離物系的重組分為水，故選用直接蒸汽加熱方式，釜?dú)堃褐苯优欧?。甲?水物系分離難易程度適中，氣液負(fù)荷適中。設(shè)計中選用金屬散裝階梯環(huán)D n 38填料。因廢甲醇溶液中含有少量的藥物固體微粒，應(yīng)選用金屬散裝填料，以便定期拆卸和清洗。階梯環(huán)是對鮑爾環(huán)的改進(jìn)。與鮑爾環(huán)相比，階梯環(huán)高度減少一半，并在一端增加了一個錐型翻邊。由于高經(jīng)比減少，使的氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短，減少了氣體通過填料層的阻力。錐型

7、翻邊不僅增加了填料的機(jī)械強(qiáng)度，而且使填料之間由線接觸為主變?yōu)辄c(diǎn)接觸為主，這樣不但增加了填料間的空隙，同時成為液體沿填料表面流動的匯集點(diǎn)，可以促進(jìn)液膜的表面更新，有利于傳質(zhì)效率的提高。階梯環(huán)的綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)，成為目前所使用的環(huán)型填料中最為優(yōu)良的一種。同類填料，尺寸越小，分離效率越高，但阻力增加，通量減小，填料費(fèi)用增加很多。而大尺寸的填料應(yīng)用于小直徑塔中，又會產(chǎn)生液體分布不良及嚴(yán)重的壁流，使塔的分離效率降低，根據(jù)計算故選用D n 38規(guī)格的。溫度/ 液相中甲醇?xì)庀嘀屑状紲囟? 液相中甲醇的的摩爾分?jǐn)?shù) 的摩爾分?jǐn)?shù) 摩爾分?jǐn)?shù)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精餾塔的物料衡算2.1原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率甲醇的摩爾質(zhì)量： M A =32.04kg/kmol 水的摩爾質(zhì)量: M B =18.02kg/kmol氣相中甲醇的摩爾分?jǐn)?shù) 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 原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量廢甲醇溶媒的處理量為3噸/小時，原料處理：F 3000/22.56=132.98kg/h 總物料衡算: 132.98=D+W 泡點(diǎn)進(jìn)料，q 值為1，采用作圖法求最小回流比:在x-y 圖中對角線上，自點(diǎn)e （0.324,0.324）作垂線即為進(jìn)料線. 該線與平衡線的交點(diǎn)坐標(biāo): yq =0.

10、682， xq =0.327. 故最小回流比; ,由圖求解結(jié)果為：總理論板數(shù): NT =11 進(jìn)料位置為: NF =8.3.2全塔效率E繪出甲醇-水的氣液平衡數(shù)據(jù)作t-x 圖, 查得: 塔頂溫度: t=64.8 塔釜溫度:t=99.6 進(jìn)料溫度: t=76.5精餾段的平均溫度為t m =(64.8+76.5/2=70.65 提留段的平均溫度為t m =(99.6+76.5=88.05 3.3實(shí)際塔板數(shù)的求取精餾段實(shí)際板層數(shù): N=N/E=7/0.47=14.815塊 提留段實(shí)際板層數(shù): N =N/E=4/0.47=8.59 塊.4 精餾塔的工藝條件及物性數(shù)據(jù)的計算4.1工藝條件塔頂壓力: P=

11、101.3+4=105.3Kpa.操作溫度: 塔頂溫度: t=64.8塔釜溫度:t=99.6 進(jìn)料溫度: t=76.54.2平均摩爾質(zhì)量塔頂平均摩爾質(zhì)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 提餾段的平均摩爾質(zhì)量M vt =(25.66+18.22/2=21.94kmon/h M lt =(20.40+18.06/2=19.23kmol/h4.3平均密度計算(1.氣相平均密度: v,m =Y ，m =Mv ，w Pm /R

12、（T 0 +tT ）塔頂液相平均密度計算: 由t=64.8查手冊得: 甲醇=753 kg/m3 3水 =981kg/mlDm =1/(0.995/753+(0.005/977=756.8 kg/m3進(jìn)料板液相平均密度: 由t=76.5, 查手冊得: 甲醇=739kg/m3 水 =973kg/m3進(jìn)料板液相的質(zhì)量分率：lFm =1/(0.267/739+(0.733/973=897.15 kg/m3手冊得在99.6時水的密度為： 水=958 kg/m3 甲醇=714kg/m3lWm =1/(0.003/714+(0.997/958=961.28kg/m3精餾段液相平均密度為: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液體平均表面張力計算液相平均表面張力依下式計算: =x i /i塔頂液相平均表面張力的計算:由t=64.8查手冊得: H2O =64.96mN/m CH3OH =16.58mN/m進(jìn)料板液相表面張力的計算: 由t=76.5查手冊得: 甲醇=15.61mN/m 水 =63.8mN/m塔釜液體的表面張力接近水的表面張力， 由t= 99.6查手冊得：水 =58.9mN/m 甲醇=13.01mN/m精餾段液相平均表面張力為:lT =(16.8216+54.777

14、/2=38.50 mN/m 提留段液體平均表面張力為：lT =(58.76+54.777/2=56.77 mN/m4.5液體平均粘度計算液相平均粘度依下式計算, 即:lg m =x i lg i塔頂液相平均表面張力的計算: 由t=64.8查手冊得： 甲醇=0.320 mpas 水 =0.4355mpaslg 解出： lDm =0.3205 mpas進(jìn)料板液相平均粘度的計算：由t=76.5查手冊得： 甲醇=0.272mpas 水 =0.3478mpaslg lFm =0.17*lg(0.272+0. 83*lg(0.3573解出： lDm =0.3336 mpas塔釜液體的粘度，由t=99.6查

15、手冊得： 甲醇=0.2280 mpas 水 =0.2838mpaslg lwm =0.003*lg(0.2280+0.997*lg(0.2838lWm =0.284 mpas精餾段液相平均粘度為：lJ =(0.3573+0.3205/2=0.3389mpas提留段液相平均粘度為：lT =(0.284+0.3573/2=0.3207 mpas5精餾塔的塔體工藝尺寸計算 5.1 塔徑的計算L =65.535kmol/h V =109.225kmol/h由貝恩霍根關(guān)聯(lián)式 填料的泛點(diǎn)氣體速度可由貝恩霍根關(guān)聯(lián)式計算得 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 液體噴淋密度校核， 精餾段的液體噴淋密度為精餾段的空塔速度為設(shè)計取精餾段填料層高度為9m, 提留段填料層高度為3m 對于金屬鮑爾環(huán)散裝填料, 要求h/D=510. hmax 6m. 取h/D=6, 則 h=5*700=3500 mm. 6. 填料層壓降計算 金屬鮑爾環(huán)散裝填料采用Eckert 通用關(guān)聯(lián)圖計算填料層壓降. (u2/g*( v

17、/L 0.2L提留段填料層壓降為: P/Z=25*9.81=245.25 Pa/m 提餾段的P 提=245.25*3=0.735KPa填料層總壓降為: P =7.063+0.735=7.8 KPa布液計算由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. 管徑的計算 6.1，出料口的計算qv,s= WV /=(3491.92/3600/1.02=0.951kg/m3 飽和蒸汽進(jìn)料，選u=30m/s,由化工原理上冊附錄十七與十八，查得，選用203mmx6mm 的無縫鋼管，其內(nèi)徑d

18、 i =(203-2*6=0.191mm,重新核算速度，6.2, 回流管徑的計算qv,s= WV /=(2092.53/3600/756.8=7.67x10-4kg/m36.3, 進(jìn)料口的管徑的計算=897.15kg/m3 ,質(zhì)量流量W l =3585.18kg/h6.4，出料口的管徑的計算。6.5筒體厚度，內(nèi)最大有3個大氣壓，內(nèi)徑Di=700mm,Pc=0.3MPa， 材料Q235C ，t =125Mpa, =0.8(局部無損檢測，單面焊接計算厚度=（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+圓整量=3mm,炭素鋼的厚度要大于4mm, 所以取6mm校核水壓實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度， t =p(Di+e /2e 0.9sLS umax HT hL C20 C u 液相體積流率 最大空塔氣速 板間距