甲醇―水分離過程填料精餾塔設計

1、課 程 設 計 說 明 書課程名稱：設計題目：院 系：學生姓名：學 號：專業(yè)班級：指導教師：年 月 日 課程設計任務書 摘要:化工生產中所處理的原料中間產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。生產中為滿足要求需將混合物分離成較純的物質。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，進行氣液兩相傳。浮閥塔板在蒸氣負荷、操作彈性、效率和造價等方面都比

2、較優(yōu)越。浮閥塔是最早應用于工業(yè)生產的設備之一，五十年代之后通過大量的工業(yè)實踐逐步改進了設計方法和結構近年來與浮閥塔一起成為化工生中主要的傳質設備為減少對傳質的不利影響可將塔板的液體進入區(qū)制成突起的斜臺狀這樣可以降低進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。實際操作表明，篩板塔在一定程度的漏夜狀態(tài)下操作使其板效率明顯下降其操作的負荷范圍較袍罩塔窄，但良好的塔其操作彈性仍可達到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，是組成化工生產過程的主要單元操作。精餾是典型的化工操作設備之一。進行此次課程設計的目的是為了培養(yǎng)綜合運用所學知識, 來

3、解決實際化工問題的能力, 到能獨立進行化工設計初步訓練，為以后從事設計工作打下堅實的基礎。目 錄前 言. 51設計方案的確定. 52精餾塔的物料衡算. 62.1原料液及塔頂、塔底產品的摩爾分率. 62.2 原料液及塔頂、塔底產品的平均摩爾質量. 72.3物料衡算. 73塔板數的確定. 83.1甲醇-水屬理想物系, 故可用圖解法求理論板層數. . 93.2全塔效率E . 94 精餾塔的工藝條件及物性數據的計算. 104.1工藝條件. 104.2平均摩爾質量. 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.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，進行傳質和傳熱。甲醇-水屬于難分離物系，選用填料精餾塔的分離效率較高，容易滿足生產要求1設計方案的確定本設計任務為。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、液兩相之間的傳質過程。精餾對塔設備的要求大致:一：生產能力大：即單位塔截面可通過較大的汽、液相流率，不會產生液泛等不正常流動。二：效率高：汽、液兩相在塔內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速率。三：流動阻力?。毫黧w通過塔設備的阻力降小，可以節(jié)省動力費用，在減壓操作時易于達到要求的真空度。四：有一定的操作彈性：當汽、液相流率有一定的波動時，兩相均能維持正常的流動，且不會使效率產生較大的變化。五：結構簡單，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。設計中采用泡點進料，將原料液通過

6、預熱器加熱至泡點后送入精餾塔內。甲醇常壓下的沸點為64.7，故可采用常壓操作。用30的循環(huán)水進行冷凝。塔頂上升蒸汽用全冷凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內，其余部分經產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，釜殘液直接排放。甲醇-水物系分離難易程度適中，氣液負荷適中。設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。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械強度，而且使填料之間由線接觸為主變?yōu)辄c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，可以促進液膜的表面更新，有利于傳質效率的提高。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，填料費用增加很多。而大尺寸的填料應用于小直徑塔中，又會產生液體分布不良及嚴重的壁流，使塔的分離效率降低，根據計算故選用D n 38規(guī)格的。溫度/ 液相中甲醇氣相中甲醇溫度/ 液相中甲醇的的摩爾分數 的摩爾分數 摩爾分數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、塔底產品的摩爾分率甲醇的摩爾質量： M A =32.04kg/kmol 水的摩爾質量: M B =18.02kg/kmol氣相中甲醇的摩爾分數 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、塔底產品的平均摩爾質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 泡點進料，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e （0.324,0.324）作垂線即為進料線. 該線與平衡線的交點坐標: yq =0.

10、682， xq =0.327. 故最小回流比; ,由圖求解結果為：總理論板數: NT =11 進料位置為: NF =8.3.2全塔效率E繪出甲醇-水的氣液平衡數據作t-x 圖, 查得: 塔頂溫度: t=64.8 塔釜溫度:t=99.6 進料溫度: 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實際塔板數的求取精餾段實際板層數: N=N/E=7/0.47=14.815塊 提留段實際板層數: N =N/E=4/0.47=8.59 塊.4 精餾塔的工藝條件及物性數據的計算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 進料溫度: t=76.54.2平均摩爾質量塔頂平均摩爾質量: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進料板液相平均密度: 由t=76.5, 查手冊得: 甲醇=739kg/m3 水 =973kg/m3進料板液相的質量分率：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由貝恩霍根關聯式 填料的泛點氣體速度可由貝恩霍根關聯式計算得 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 通用關聯圖計算填料層壓降. (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, 進料口的管徑的計算=897.15kg/m3 ,質量流量W l =3585.18kg/h6.4，出料口的管徑的計算。6.5筒體厚度，內最大有3個大氣壓，內徑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校核水壓實驗強度， 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