甲醇-水精餾填料塔的設計

1、課程設計說明書課程名稱： 化工原理課程設計 題 目： 甲醇水精餾填料塔的設計 學生姓名： 學號： 系 別： 專業(yè)班級： 指導老師： 年 月設計任務書甲醇水分離過程板式連續(xù)精餾塔設計1、 設計題目 在抗生素的生產(chǎn)過程中，需要用甲醇溶媒洗滌晶體，洗滌過濾后產(chǎn)生廢甲醇溶媒，其組成為含甲醇47，水53（質(zhì)量分數(shù)），另有少量的藥物固體微粒。衛(wèi)士廢甲醇溶媒重復利用，擬建立一套填料精餾塔，以對廢甲醇進行精餾，得到含水量0.3（質(zhì)量分數(shù)）的甲醇溶媒。設計要求廢甲醇的處理量為4800年，塔底廢水中甲醇含量0.5（質(zhì)量分數(shù)）2、 操作條件1. 操作壓力 常壓2. 進料熱狀態(tài) 自選3. 回流比 自選4. 塔底加熱蒸

2、汽壓力 0.3Mpa(表壓)3、 填料類型因廢甲醇溶媒中含有少量的藥物固體微粒，應選用金屬散裝填料，以便于定期拆卸和清洗，填料類型和規(guī)格自選。4、 工作日每年300天，每天24小時連續(xù)運行5、 設計內(nèi)容1. 精餾塔的物料衡算；2. 塔板數(shù)的確定；3. 精餾塔的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)的計算；4. 精餾塔的塔體工藝尺寸計算；5. 填料層壓降的計算；6. 液體分布器簡要設計；7. 精餾塔接管尺寸計算；8. 繪制生產(chǎn)工藝流程圖；9. 繪制精餾塔設計條件圖；10. 對設計過程的評述和有關問題的討論6、 設計基礎數(shù)據(jù)平衡溫度t10096.493.591.289.387.784.481.778.0液相甲醇x

3、00.020.040.060.080.100.150.200.30氣相甲醇y00.134 0.2340.3040.3650.4180.5170.5790.665平衡溫度t75.373.171.269.367.666.065.064.5液相甲醇x0.400.500.600.700.800.900.951.0氣相甲醇y0.7290.7790.8250.8700.9150.9580.9791.0其他物性數(shù)據(jù)自查目錄前 言61.設計方案的確定62.精餾塔的物料衡算72.1原料液及塔頂和塔底的摩爾分率72.2 原料液及塔頂和塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量72.3 物料衡算73 塔板數(shù)的確定73.1 甲醇水物系屬

4、理想物系，故可用圖解法求理論版層數(shù)73.1.1 求最小回流比及操作回流比73.1.2 求精餾塔的氣液相負荷83.1.3采用圖解法求理論板數(shù)83.2 全塔效率E93.3 實際塔板數(shù)的求取114 精餾塔的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)的計算114.1工藝條件114.2 平均摩爾質(zhì)量114.3 平均密度計算124.3.1.氣相平均密度:124.3.2.液相平均密度計算:124.4 液體平均表面張力計算134.5液體平均粘度計算135精餾塔的塔體工藝尺寸計算145.1 塔徑的計算145.1.1精餾段塔徑計算145.1.2提餾段的塔徑計算155.2填料層高度計算155.2.1精餾段的高度155.2.2提留段填料

5、層高度156.填料層壓降計算157.液體分布器簡要設計168精餾塔接管尺寸計算168.1 出料口的計算168.2回流管徑的計算178.3, 進料口的管徑的計算178.4出料口的管徑的計算。178.5 筒體厚度178.6 橢圓形封頭189. 工藝流程圖1810.填料塔設備條件圖1911.對設計過程的評述和有關問題的討論1912參考文獻20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(zhì)和傳熱。甲醇-水屬于難分離物系，選用填料精餾塔的分離

6、效率較高，容易滿足生產(chǎn)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，應采用連續(xù)精餾流程。設計中采用泡點進料，將原料液通過預熱器加熱至泡點后送入精餾塔內(nèi)。塔頂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內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷凝器冷卻后送至儲罐。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。精餾對塔設備的要求大致: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通過塔設備的阻力降小，可以節(jié)省動力費用，在減壓操作時易于

7、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(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。設計中采用泡點進料，將原料液通過預熱器加熱至泡點后送入精餾塔內(nèi)。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(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鮑爾環(huán)Dn25填料。

8、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。2.精餾塔的物料衡算2.1原料液及塔頂和塔底的摩爾分率 甲醇的摩爾質(zhì)量 MA=32.04kg/kmol 水的摩爾質(zhì)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 原料液及塔頂和塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)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 原料處理量 F=4800000（300×24×22.69）=29.38kmol/h 總物料衡算 29.38=D+W 甲醇物料衡算 29.38×0.333=0.995D+0.0028W 聯(lián)立解得 D=9.778kmol/h W=19.602kmol/h3 塔板數(shù)的確定3.1

10、甲醇水物系屬理想物系，故可用圖解法求理論版層數(shù)3.1.1 求最小回流比及操作回流比泡點進料，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（0.333,0.333）作垂線即為進料線.該線與平衡線的交點坐標: 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 求精餾塔的氣液相負荷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精溜段的操作線方程為y=0.6x+0.398提溜段的操作線方程為y=1.80x-0.00233.1.3采用圖解法求理論板數(shù)圖1飽和液體進料時，理論塔板數(shù)的求解由圖求解結(jié)果為：理論板數(shù)NT=153.2 全塔效率E 由甲醇-水的氣液平衡數(shù)據(jù)使用內(nèi)插法得：塔頂溫度: t=59.24 塔釜溫度:t=86.02 進料溫度: t=77.352 精餾段的平均溫度為tm=（59.24+77.35）2=68.30 提留段的平均溫度為tm=（86.02+77.35）2=81.6

12、9水的重要物理性質(zhì)溫度t/（）密度/（kg/m3）黏度/（mPa.s）張力/（mN/m）比熱容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甲醇的重要物理性質(zhì)溫度t/（）密度/（kg/m3）黏度/（mPa.s）張力/（mN/m）比熱容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由上表采用內(nèi)插法得tm=72.63下甲醇的粘度為0.2995 mPa.s，水的粘度為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根據(jù)板效率的經(jīng)驗關聯(lián)式（11-28a）E=0.49(av)-0.245=0.49(3.8349×0.3623)-0.245=0.453.3 實

14、際塔板數(shù)的求取精餾段實際板層數(shù): N=N/E=11.150.45=24.7825塊提留段實際板層數(shù): N=N/E=3.850.45=8.69塊4 精餾塔的工藝條件及有關物性數(shù)據(jù)的計算4.1工藝條件塔底加熱蒸汽壓力：0.3Mpa(表壓)操作溫度：塔頂溫度：59.23 塔釜溫度：86.02 進料溫度：77.114.2 平均摩爾質(zhì)量塔頂平均摩爾質(zhì)量: XD=y1=0.995. 由曲線(X-Y圖)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進料板層平均摩爾質(zhì)量:查X-Y圖得: 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塔底平均摩爾質(zhì)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精餾段平均摩爾質(zhì)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提餾段的平均摩爾質(zhì)量Mvt=(27.6826+18.2065)/2=22.9446kmon/hMlt=(22.7139+18.0593)/2=20.3866kmol/h4.3 平均密度計算4.3.1.氣相平均密度:精餾段蒸汽平均密度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.液相平均密度計算:液相平均密度依下列式計算:1/lm=i/i塔頂液相平均密度計算:由t=59.23查手冊得: 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進料板液相平均密度: 由t=77.11,查手冊得: 甲醇=738kg/m3 水 =972kg/m3進料板液相的質(zhì)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,查手冊得: 甲醇=727.6kg/kmol，水 =967.9kg/m3lWm=1/(0.005/727.6)+(0.995/967.9)=966.30kg/m3精餾段液相

19、平均密度為: 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 液體平均表面張力計算液相平均表面張力依下式計算: =xi/i塔頂液相平均表面張力的計算:由t=59.23查手冊得: H2O=66.20mN/m CH3OH=17.42mN/mlDm =0.995×17.42+0.005×66.20=17.6639 mN/m進料板液相表面張力的計算:由t=77.11查手冊得: 甲醇=15.51mN/m 水 =63.5mN/mlFm=0.3348×15.51+

20、0.6652×63.5=47.4329 mN/m塔釜液體的表面張力接近水的表面張力，由t= 86.02查手冊得：水 =61.50mN/m 甲醇=14.362mN/mlwm=14.362×0.0028+0.9972×61.50=61.3680mN/m精餾段液相平均表面張力為: lT=(17.6639+47.4329)/2=32.5484 mN/m提留段液體平均表面張力為： lT =(47.4329+61.3680)/2=54.4001 mN/m4.5液體平均粘度計算液相平均粘度依下式計算,即: lgm=xilgi塔頂液相平均表面張力的計算:由t=59.23查手冊得：

21、 甲醇=0.3460 mpas 水 =0.4813mpas lglDm =0.995×lg0.3460+0.005×lg0.4813 解出： lDm=0.3467 mpas進料板液相平均粘度的計算：由t=77.11查手冊得： 甲醇=0.270mpas 水 =0.3455mpas lglFm =0.3488×lg(0.270)+0.6652×lg(0.3455) 解出： lDm=0.3123 mpas塔釜液體的粘度，由t=86.02查手冊得：甲醇=0.2612mpas 水 =0.3320mpas lglwm =0.0028×lg(0.2612)+

22、0.9972×lg(0.3320)lWm=0.3318 mpas精餾段液相平均粘度為： lJ =(0.3467+0.3123)/2=0.3293mpas提留段液相平均粘度為： lT =(0.3123+0.3318)/2=0.3221 mpas5精餾塔的塔體工藝尺寸計算5.1 塔徑的計算采用氣相負荷因子法計算適宜的空塔氣速。5.1.1精餾段塔徑計算L =14.667kmol/h V =24.445kmol/h液相質(zhì)量流量WL=14.667×27.2936=400.3152kg/h氣相質(zhì)量流量WV=24.445×29.8263=729.1039kg/hEekert通用

23、關聯(lián)圖的橫坐標為：(WL/ Wv)/( v/L)0.5=(400.3152/729.1039)×(1.064/805.725)0.5=0.02由貝恩霍根關聯(lián)式 填料的泛點氣體速度可由貝恩霍根關聯(lián)式計算得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 安全系數(shù)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圓整為400mm此時，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，在允許范圍內(nèi)，5.1.2提餾段的塔徑計算L= 44.047kmol/h V=24.445kmol/h液相質(zhì)量流量WL=44.047×20.3866=897.97kg/h氣相質(zhì)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圓整為400mm5.2填料層高度計算 Z=HETP×NT.5.2.1精餾段的高度 查 資料得HETP=0.420精餾段的塔板數(shù)為25塊 Z精=25×0.420=10.5 m5.2.2提留段填料層高度查 資料得HETP=0.420精餾段的塔板數(shù)為9塊 Z提=9×0.420=3.78m設計取精餾段填料層高度為11m,提餾段填料層高度為4m對于金屬鮑爾環(huán)散裝填料, 要求h/D=510. hmax6m.取h/D=6, 則 h=6×300=1800 m.6.填料層壓降計算金屬鮑爾環(huán)散裝填

26、料采用Eckert通用關聯(lián)圖計算填料層壓降.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.查圖有,P/Z= 2500Pa/m.精餾段填料層壓降為: P精=2500×11=27.5 Kpa 提餾段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提餾段填料層壓降為: P/Z=1400Pa/m提餾段的P提=1400×4=5.6KPa填料層總壓降為:P =27.6+5.6=33.2 KPa7.液體分布器簡要設計散裝填料，D=400mm，分布點密度選100點/ m2布點個數(shù)n=100×0.4×0.4=16點。布液計算由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精餾塔接管尺寸計算8.1 出料口的計算WV=24.445×31.9699=781.504 kg/h qv,s= WV/=(781.504/3600)/1.064=0.204m3/s飽和蒸汽進料，選u=30m/s,d=(4qv,s/u)0.5=(4×0.204/3.14×30)0.5=0.093m=93mm. 由化工原理上冊附錄十六，查得，選用102mmx4mm的無縫鋼管，其內(nèi)徑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、徑的計算WV=24.445×31.8732=467.484 kg/hqv,s= WV/=(467.484/3600)/765.98=1.695×10-4 m3/su為1m, d=(4×1.695×10-4/u)0.5=(4×1.695×10-4/3.14×1)0.5=0.0147m=15mm.選用19mmx2mm的無縫鋼管, 內(nèi)徑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, 進料口的管

30、徑的計算Wl=29.38×27.6862=813.42kg/hqv,s=(813.42/3600)/845.47=2.67x10-4。進料口u選1.5m/sd=(4qv,s/u)0.5 =0.0151mm, 選用19mmx2mm的無縫鋼管。內(nèi)徑di=(192×4)=15mm,u=4×2.67x10-4/(3.14×0.015×0.015)=1.512m/s。8.4出料口的管徑的計算。qm,s=19.602×18.0593=353.998kg/h，qv,s=(qm,s/3600)/966.30=1.02x10-4m3/s。u選1.5m/

31、s，d=(4qv,s/1.5)0.5 =9.31mm, 選用10mmx0.5mm的無縫鋼管。內(nèi)徑di=(102×0.5)=9mm,u=4×1.02×10-4/(3.14×0.009×0.009)=1.60m/s。8.5 筒體厚度 內(nèi)最大有3個大氣壓，內(nèi)徑Di=400mm,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 =(0.3×400)/(2×125×0.8)-0.3=0.60C1=0.25mm C2=1.0mm,n=0.25+1.

32、0+0.60+圓整量=2mm,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 0.9se=6-1.25=4.75mm, s=235MPa, 則T=(0.375×704.75)/(2×4.75)=27.8 MPa 0.9s=0.9×0.8×235=169 MPa.可見T0.9s，所以水壓實驗強度足夠。8.6 橢圓形封頭厚度為6mm,為防止壁流效應，使氣液分部不均，還應設置液體分布裝置。精餾段需要兩個液體分布裝置，提餾段要一個。9. 工藝流程圖儲槽原料預熱器儲槽填料塔儲槽再沸器原料預熱器進料液泵冷卻塔分凝器圖2 甲醇-水

33、精餾過程流程圖10.填料塔設備條件圖11.對設計過程的評述和有關問題的討論本設計所需的各種相關資料是通過圖書館查閱資料、上網(wǎng)等各種途徑查的。通過以上的計算和設計分析，確定和優(yōu)化了一套年分離4800噸甲醇-水溶液的生產(chǎn)裝置和工藝流程。其生產(chǎn)方式采用連續(xù)式，主體設備填料塔、換熱器再沸器。對塔設備進行了物料衡算，確定了塔的塔板數(shù)，計算了精餾塔的工作條件及有關物性數(shù)據(jù)，并對塔體工藝尺寸和填料層壓降進行了計算。在設計中釜液直接排放，而經(jīng)計算釜液的溫度很高，有86.02，釜液的流量也不小，故其熱量很高，可以加以運用。如可以考慮用其加熱原料液，也可以用來加熱蒸汽。物質(zhì)的混合過程是一個不可逆過程，它可以自動進行。但將一個均勻混合物在恒溫，恒壓下分離成兩個不同組分的產(chǎn)物，則要消耗一定的功。不管用什么辦法去完成分離過程，達到一定的分離目的時所需的最小功