課程設(shè)計(jì)甲醇—水連續(xù)填料精餾塔

1、 化工原理課程設(shè)計(jì) 題目： 甲醇水連續(xù)填料精餾塔 專(zhuān)業(yè)： 制藥工程 班級(jí)： 制藥1102 學(xué)號(hào)： 11220222 學(xué)生： 曹崇 指導(dǎo)老師： 王國(guó)勝 2014年 6 月20日目 錄前言 1符號(hào)說(shuō)明 2一、 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 4二、設(shè)計(jì)的方案介紹 . 4三、工藝流程圖及其簡(jiǎn)單說(shuō)明 . 5四、操作條件及精熘塔工藝計(jì)算 . 7五、精熘塔工藝條件及有關(guān)物性的計(jì)算 . 15六、精餾塔塔體工藝尺寸計(jì)算 20七、附屬設(shè)備及主要附件的選型計(jì)算 . 23八、精餾塔設(shè)計(jì)參數(shù)匯總表 29九、課程設(shè)計(jì)心得 30十、參考文獻(xiàn) 31 前言 精餾塔分為板式塔和填料塔兩大類(lèi)。填料塔又分為散堆填料和規(guī)整填料兩種。板式塔雖然結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單

2、，適應(yīng)性強(qiáng)，宜于放大，在空分設(shè)備中被廣泛采用。但是，隨著氣液傳熱、傳質(zhì)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高效規(guī)整填料的研究，一些效率高、壓降小、持液量小的規(guī)整填料的開(kāi)發(fā)，在近十多年內(nèi)，有逐步替代篩板塔的趨勢(shì)。實(shí)際生產(chǎn)中，在精餾柱及精餾塔中精餾時(shí)，上述部分氣化和部分冷凝是同時(shí)進(jìn)行的。對(duì)理想液態(tài)混合物精餾時(shí)，最后得到的餾液(氣相冷卻而成)是沸點(diǎn)低的B物質(zhì)，而殘液是沸點(diǎn)高的A物質(zhì)，精餾是多次簡(jiǎn)單蒸餾的組合。精餾塔底部是加熱區(qū)，溫度最高；塔頂溫度最低。精餾結(jié)果，塔頂冷凝收集的是純低沸點(diǎn)組分，純高沸點(diǎn)組分則留在塔底。精餾塔的優(yōu)點(diǎn)： 歸納起來(lái)，規(guī)整填料塔與板式塔相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：1)壓降非常小。氣相在填料中的液相膜表面進(jìn)行對(duì)

3、流傳熱、傳質(zhì)，不存在塔板上清液層及篩孔的阻力。在正常情況下，規(guī)整填料的阻力只有相應(yīng)篩板塔阻力的1/51/6；2)熱、質(zhì)交換充分，分離效率高，使產(chǎn)品的提取率提高；3)操作彈性大，不產(chǎn)生液泛或漏液，所以負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大，適應(yīng)性強(qiáng)。負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍可以在30%110%，篩板塔的調(diào)節(jié)范圍在70%100%；4)液體滯留量少，啟動(dòng)和負(fù)荷調(diào)節(jié)速度快；5)可節(jié)約能源。由于阻力小，空氣進(jìn)塔壓力可降低0.07MPa左右，因而使空氣壓縮能耗減少6.5%左右；6)塔徑可以減小。此外，應(yīng)用規(guī)整填料后，由于當(dāng)量理論塔板的壓差減小，全精餾制氬可能實(shí)現(xiàn)，氬提取率提高10%15%。符號(hào)說(shuō)明英文字母 塔截面積 C 計(jì)算時(shí)的負(fù)荷系數(shù)，無(wú)

4、因次Co 流量系數(shù)，無(wú)因次D 塔頂餾出物流量 kmol/sD 塔徑 m 閥孔直徑 m E 液流收縮系數(shù)，無(wú)因次 總板效率（全塔效率），無(wú)因次 Fo 閥孔動(dòng)能因數(shù)， F 進(jìn)料流量 kmol/h G 重力加速度 H 塔高 m h 浮閥的開(kāi)度 m 降液管底隙高度 m 板上液層高度 m 與克服表面張力的壓強(qiáng)降相當(dāng)?shù)囊褐叨龋琺液柱 K 物性系數(shù)，量綱為1 Ls 塔內(nèi)液體流量 N 一層塔板上的浮閥總數(shù) 實(shí)際板層數(shù) 理論板層數(shù) 壓強(qiáng)降 Pa p 操作壓強(qiáng) Pa R 回流比 最小回流比u 空塔氣速 m/sM 分子量 kg/molW 塔底產(chǎn)品（釜?dú)堃海┝髁?kmol/sx 液相中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)y 氣相中

5、易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)Z 塔高 m希臘字母 相對(duì)揮發(fā)度，量綱為1 液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間 s 黏度 液相密度 氣相密度 液體表面張力 N/m； 液體密度矯正系數(shù)，量綱為1 系數(shù)，量綱為1； 填料因子 1/m下標(biāo)max 最大min 最小L 液相V 氣相1 精餾段2 提餾段A 易揮發(fā)組分B 難揮發(fā)組分F 原料液 一、設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)甲醇規(guī)整填料精餾塔設(shè)計(jì)：1、處理量：12000 噸/年(年生產(chǎn)時(shí)間以7200小時(shí)計(jì)算)2、原料液狀態(tài)：常溫常壓3、進(jìn)料濃度： 41.3%(甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 塔頂出料濃度： 98.5%(甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 塔釜出料濃度： 0.05%(甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù))4、填料類(lèi)型：金屬板波紋250Y

6、型填料5、廠(chǎng)址位于沈陽(yáng)地區(qū)二、設(shè)計(jì)的方案介紹1、進(jìn)料的熱狀況精餾操作中的進(jìn)料方式一般有冷液加料、泡點(diǎn)進(jìn)料、汽液混合物進(jìn)料、飽和蒸汽進(jìn)料和過(guò)熱蒸汽加料五種。本設(shè)計(jì)采用的是泡點(diǎn)進(jìn)料。這樣不僅對(duì)塔的操作穩(wěn)定較為方便，不受廈門(mén)季節(jié)溫度影響，而且基于恒摩爾流假設(shè)，精餾段與提餾段上升蒸汽的摩爾流量相等，因此塔徑基本相等，在制造上比較方便。2、精熘塔的操作壓力在精餾操作中，當(dāng)壓力增大，混合液的相對(duì)揮發(fā)度減小，將使汽相和液相的組成越來(lái)越接近，分離越來(lái)越難；而當(dāng)壓力減小，混合液的相對(duì)揮發(fā)度增大，值偏離1的程度越大，分離越容易。但是要保持精餾塔在低壓下操作，這對(duì)設(shè)備的要求相當(dāng)高，會(huì)使總的設(shè)備費(fèi)用大幅度增加。在實(shí)際

7、設(shè)計(jì)中，要充分考慮這兩個(gè)方面的影響，我們一般采用的是常壓精餾。如果在常壓下無(wú)法完成操作，可以在一定條件下進(jìn)行小幅度的減壓或者增壓來(lái)改變混合液的相對(duì)揮發(fā)度，實(shí)現(xiàn)精餾分離。對(duì)于甲醇水二元混合物系統(tǒng)在常壓的情況下，相對(duì)揮發(fā)度的差異很大，容易分離。因此在考慮多方面因素之后，本設(shè)計(jì)采用的常壓精餾，即塔頂?shù)牟僮鲏毫刂圃?01.325kpa下。由于本設(shè)計(jì)精餾塔不是很高，故可近似忽略每層塔板的壓降。在實(shí)際計(jì)算當(dāng)中，將全塔近似看做是在恒壓下操作。3、精餾塔加熱與冷卻介質(zhì)的確定 在實(shí)際加熱中，由于飽和水蒸氣冷凝的時(shí)候傳熱的膜系數(shù)很高，可以通過(guò)改變蒸汽壓力準(zhǔn)確控制加熱溫度。水蒸氣容易獲取，環(huán)保清潔不產(chǎn)生環(huán)境污染，

8、并且不容易使管道腐蝕，成本降低。因此，本設(shè)計(jì)是以133.3 總壓是300 kpa的飽和水蒸汽作為加熱介質(zhì)。 冷卻介質(zhì)一般有水和空氣。在選擇冷卻介質(zhì)的過(guò)程中，要因地制宜充分考慮。廈門(mén)市地處亞熱帶，夏天室外平均氣溫25。因此，計(jì)算選用25 的冷卻水，選擇升溫10，即冷卻水的出口溫度為35。4、回流比的確定塔頂回流是保證精餾塔連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作的必要條件之一，并且回流比是影響精餾分離設(shè)備投資費(fèi)用和操作費(fèi)用的重要因素，也影響混合液的分離效果。適宜的回流比是操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用之和為最低時(shí)候的回流比。通常適宜回流比的數(shù)值范圍為：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，考慮操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用兩方面因素，因此選用。 5、填料的選擇填料是填料塔的

9、核心構(gòu)件，它提供了氣液兩相相接觸傳質(zhì)與傳熱的表面，與塔內(nèi)件一起決定了填料塔的性質(zhì)。填料按裝填方式可分為散裝填料和規(guī)整填料。本設(shè)計(jì)選用規(guī)整填料金屬板波紋250Y型填料。三、工藝流程圖及其簡(jiǎn)單說(shuō)明1、工藝流程簡(jiǎn)介來(lái)自貯槽的原料液經(jīng)高壓泵進(jìn)入預(yù)熱器預(yù)熱到一定溫度之后進(jìn)入精餾塔，塔頂冷凝器將上升蒸汽冷凝成液體，其中一部分作為塔頂產(chǎn)品取出，另一部分重新引回塔頂作為回流液。最終塔頂出來(lái)的甲醇產(chǎn)品再經(jīng)過(guò)一個(gè)冷卻器冷卻后進(jìn)入甲醇貯槽。塔釜設(shè)有再沸器。加熱的液體產(chǎn)生蒸汽再次回到塔底，沿塔上升，同樣在每層塔板上進(jìn)行汽液兩相的熱質(zhì)交換。塔釜的另一部分釜液經(jīng)冷卻器后排入下水道。加熱蒸汽分為兩路，分別進(jìn)入預(yù)熱器和再沸器

10、作為加熱介質(zhì)。降溫后的液體水或者是部分水蒸汽隨管道排進(jìn)下水道。同樣，冷卻水分為三路，分別進(jìn)入冷凝器、甲醇產(chǎn)品的冷卻器和塔釜的冷卻器，充分換熱均勻之后，全部排入下水道。在流程設(shè)計(jì)傷，釜出液為100左右的高溫水，熱值高，將其送回?zé)崴h(huán)管路用于高爐產(chǎn)蒸汽，具有節(jié)能的特點(diǎn)。塔頂采用分段冷凝泡點(diǎn)回流，也是出于節(jié)能考慮。在流量控制上采用自動(dòng)控制，有利于節(jié)約勞動(dòng)力，并使過(guò)程控制精確，并可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，有利于連續(xù)生產(chǎn)。在檢修方面充分考慮到泵的日常維護(hù)，因此運(yùn)用雙泵設(shè)計(jì)便于實(shí)際生產(chǎn)中的不停車(chē)檢修。2、精餾塔塔頂?shù)睦淠绞剿斃淠捎萌?，用水冷凝。甲醇和水不反?yīng)，并且也容易被水冷凝，塔頂出來(lái)的汽相溫度不高

11、，故本設(shè)計(jì)選用全凝器。 3、塔頂?shù)幕亓鞣绞?對(duì)于小型塔采用重力回流，回流冷凝器一般安裝在比精熘塔略高的地方，液體依靠自身的重力回流。但是必須保證冷凝器內(nèi)有一定持液量，或加入液封裝置防止塔頂汽相逃逸至冷凝器內(nèi)。本設(shè)計(jì)采用重力回流，全凝器放置略高于塔頂?shù)奈恢?，并且設(shè)置流量計(jì)檢測(cè)和保證冷凝器內(nèi)的液面高度。4、精熘塔塔釜的加熱方式加熱方式分為直接蒸汽和間接蒸汽加熱。間接蒸汽加熱是通過(guò)再沸器使釜液部分汽化，維持原來(lái)的濃度，重新再進(jìn)入塔底。使上升蒸汽與回流下來(lái)的冷液再進(jìn)行熱質(zhì)交換。這樣減少了理論板數(shù)，從而降低了成本，但是也存在著增加加熱裝置的缺點(diǎn)。綜合考慮以上兩方面因素，本設(shè)計(jì)選用間接蒸汽加熱。4、 操作

12、條件及精熘塔工藝計(jì)算： (一)操作條件與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)1、 操作壓力 精餾操作按操作壓力分為常壓、加壓和減壓操作。精餾操作中壓力影響非常大。當(dāng)壓力增大時(shí)，混合液的相對(duì)揮發(fā)度將減小，對(duì)分離不利；當(dāng)壓力減小時(shí)，相對(duì)揮發(fā)度將增大，對(duì)分離有利。但當(dāng)壓力不太低時(shí)，對(duì)設(shè)備的要求較高，設(shè)備費(fèi)用增加。因此在設(shè)計(jì)時(shí)一般采用常壓蒸餾。當(dāng)常壓下無(wú)法完成操作時(shí)，則采用加壓或減壓蒸餾。對(duì)于甲醇-水系統(tǒng)在常壓下相對(duì)揮發(fā)度相差較大，較易分離，故本設(shè)計(jì)采用常壓精餾。 2、物料衡算 已知：F=12000t/y ,質(zhì)量分?jǐn)?shù)：x/F=41.3%, x/D98.5% ， x/w0.05% 甲醇的摩爾質(zhì)量：MA32 kg/k mol 水的摩

13、爾質(zhì)量： MB18 kg/k mol所以 原料處理量：F12×106 / 7200）/21.96975.86kmol/h 總物料衡算：75.86 D W 甲醇物料衡算：75.86×28.35% D×97.36% W×0.028% 得 D22.074kmol/h W53.786kmol/h MF28.35% ×32 71.65% ×1821.969kg/k mol MD97.36%×322.64%×1831.63 kg/k mol MW0.028%×32 99.972%×1818.891 kg/k

14、 mol 質(zhì)量流量：F=F×MF=75.86×21.969=1666.57kg/h D=D×MD22.074×31.63=698.20kg/h WW×MW18.891×53.786=1016.07kg/h X F (x/F/ MA ) / x/F/MA (1x/F)/ MB (41.3/ 32) / (41.3/ 32 58.7/ 18 ) 28.35% X D (x/D / MA ) / x/D /MA (1x/D) / MB (98 .5/ 32) / ( 98.5 / 32 1.5 / 18 ) 97.36% X W (x/W

15、/ MA ) / x/W / MA (1x/W) / MB (0.05 / 32) / ( 0.05 / 32 99.95 / 18 ) 0.028%表1 塔頂、塔底、進(jìn)料液的物料衡算結(jié)果表塔頂X D98.5%X D97.36%MD31.63 kg/k molD22.074k mol/hD=698.20kg/h進(jìn)料XF41.3 %X F28.35%MF21.969kg/k molF75.86kmol/hF=1666.57kg/h塔底XW0.05%X W0.028%MW18.891kg/k molW53.786kmol/hW=1016.07kg/h(二)理論塔板數(shù)的確定 甲醇水屬于理想物系，可采

16、用以下三種方法求解理論塔板數(shù)：1、擬合相平衡曲線(xiàn)后圖解法 在101.3kpa的總壓下，甲醇和水的混合物系的xy圖是建立在汽液平衡數(shù)據(jù)下，表示的是不同溫度下互成平衡的汽液兩相組成y與x的關(guān)系。對(duì)于理想物系，汽相組成y恒大于液相組成x，因此相平衡線(xiàn)位于yx對(duì)角線(xiàn)上方。平衡線(xiàn)偏離對(duì)角線(xiàn)越遠(yuǎn)，表示該溶液越容易分離。如果已知甲醇和水的混合物系的汽液平衡關(guān)系，即汽液平衡數(shù)據(jù)，則離開(kāi)理論板的互成平衡、溫度相等的汽液兩相組成yn與xn之間的關(guān)系就可以確定。若知道由該板下降的液體組成xn及由它的下一層塔板上升的汽相組成yn+1之間的關(guān)系，從而塔內(nèi)各板的汽液相組成可逐板予以確定，從而便可以求得在指定分離條件下的理

17、論板層數(shù)。（1）由手冊(cè)查出甲醇水氣液相平衡數(shù)據(jù)，擬合出相平衡x-y圖如下 表2甲醇水汽液相平衡數(shù)據(jù)溫度t/°C液相中甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)汽相中甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)溫度t/°C液相中甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)汽相中甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)1000078.140.29420.665899.410.00170.012576.520.35240.704499.250.00350.025075.340.40210.734197.800.01230.088974.220.45430.759597.350.01410.097573.210.50220.785396.920.01980.121471.950.56280.8

18、12395.820.02580.158970.900.62430.835095.060.03300.188269.150.71730.877394.130.03570.214568.070.78980.909892.240.05250.274667.570.82310.922590.000.07400.356067.170.84260.930088.570.08720.395066.900.85740.938586.930.10790.440066.890.87200.942285.370.12890.477665.980.91850.963883.380.16350.537065.730.9

19、2950.968281.950.19120.572465.710.93800.971280.250.23270.616264.680.98850.994779.060.26840.648364.6511 圖1 甲醇水汽液相平衡(2) 求最小回流比及操作回流比由于本設(shè)計(jì)采用的是露點(diǎn)進(jìn)料，q0， y qx F0.2835,由內(nèi)插法可得到 y q0.054最小回流比 R min(x Dy q) / (y q x q) 可得到 R min3.007 所以回流比 R1.2Rmin1.2×3.0073.608(3)求精熘塔的汽、液相負(fù)荷 LRD3.608×22.07479.643kmo

20、l/h V(R1) D4.608×22.074101.717kmol/h LL79.643kmol/h VVF25.875kmol/h(4)精熘段和提熘段的操作線(xiàn)方程精熘段操作線(xiàn)方程為： y(R/ R+1)x x D/（R+1）(3.608/4.608)x 0.9736/3.6080.783x 0.2698提熘段操作線(xiàn)方程為：y(L/V)x (W/ V)x W (79.643/25.857)x(53.786/25.857)×0.000283.080x0.000582（5）由以上數(shù)據(jù)用CAI軟件作圖結(jié)果如下 圖2 理論塔板數(shù)圖 由上圖可知，精餾塔理論塔數(shù)為14塊，提餾段7塊，

21、精餾段7塊，加料板進(jìn)料位置在第7塊板。由經(jīng)驗(yàn)塔效率46.2%，求得實(shí)際所需塔板數(shù)(三)熱量衡算1、求塔頂溫度t D，塔釜溫度t W，進(jìn)料溫度t F(1)塔頂溫度t D(內(nèi)插法)溫度t/°C液相中甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)汽相中甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)65.710.93800.9712t D/0.973664.680.98850.9947 (0.97120.9947）/(0.97120.9736)=(65.71-64.68)/(65.71-t D )可得：t D 65.6 t LD65.10 t VD65.62(2)塔釜溫度t W溫度t/°C液相中甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)汽相中甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)10000t W

22、/0.0002899.410.00170.0125 （來(lái)源自表2） 可得： (00.00125) / (00.00028) (10099.41) / (100t W) t W99.93°C(3)塔進(jìn)料溫度t F溫度t/°C液相中甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)汽相中甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)92.240.05250.2746t F/0.283590.000.07400.3560 （來(lái)源自表2）可得： (0.35600.2746) / (0.35600.2835) (90.0092.24) / ( 90.00t F) t F92.0°C精餾段平均溫度：提餾段平均溫度：2、熱量衡算(1)冷凝器的熱

23、負(fù)荷冷凝器的熱負(fù)荷 Q c(R1) D (IVDILD) 其中 IVD 塔頂上升的蒸汽的焓 ILD 塔頂熘出液的焓 IVDILDx D HV甲(1x D) HV水其中 HV甲 甲醇的蒸發(fā)潛熱 HV水 水的蒸發(fā)潛熱蒸發(fā)潛熱與溫度的關(guān)系：H V2 HV1 (1Tr2) / (1Tr1) 0.38 表3 沸點(diǎn)下蒸發(fā)潛熱列表3組分沸點(diǎn)t /°C蒸發(fā)潛熱 H v / (k J/ kg)Tc / K甲醇 64.71105513.15水1002257648.15 塔頂溫度下的潛熱計(jì)算：t D65.6°C時(shí)對(duì)甲醇，Tr2T2/ Tc(273.1565.6) / 513.150.660Tr1

24、T1/ Tc(273.1564.7) / 513.150.658蒸發(fā)潛熱HV甲1105×(10.660) / (10.658) 0.381102.540 k J/kg 對(duì)水，同理可得，Tr2T2 / Tc0.523 Tr1T1 / Tc0.576蒸發(fā)潛熱HV水2257×(10.523)/(10.576)0.382360.313kJ/kg 對(duì)全凝器做熱量衡算(忽略熱量損失) Q c(R1) D (IVDILD) 露點(diǎn)回流，塔頂含甲醇量高，可得 IVDILDx D H甲(1x D)H水 0.9736×1102.540(10.9736)× 2360.31311

25、35.745kJ/kgQ c(R1)D(IVDILD)4.608×698.20×1135.7453.65× k J/h(2)冷卻水消耗量當(dāng)，C pc4.25kJ /(kg°C) 可得 Wc Q c/ C pc(t2t1)(3.65×)/ 4.25×(3525)8.60× kg/h(3)加熱器的熱負(fù)荷及全塔熱量衡算表4 甲醇、水不同溫度下的比熱容單位：k J/(kg°C) 組分t D 65.6 °Ct F92.0°Ct W99.93 °C°C=95.97甲醇3.0263.412

26、3.4833.2123.446水4.2614.2824.2894.2704.285 精餾段：甲醇 ×(t LDt F)3.212×(65.1092)86.403kJ/kg 水 ×(t LDt F)4.270×(65.1092)114.863kJ/kg 提餾段：甲醇 ×(t W t F)3.446×(99.9392)27.327kJ/kg 水 ×(t W t F)4.285×(99.9392)33.980kJ/kg塔頂流出液的比熱容 Cp1 XD(1x D)3.212×0.9850.015×4.2

27、703.228k J/(kg °C)塔釜鎦出液的比熱容 Cp2Xw(1XW)3.446×0.00054.285×0.99954.285k J/(kg °C)為簡(jiǎn)化計(jì)算，現(xiàn)以進(jìn)料焓，即92時(shí)的焓值為基準(zhǔn) D698.20 kg/h W1016.07 kg/h QDDCp1dt 698.20×3.228×(65.1092)60626.94kJ/h QWWCp2dt1016.07×4.285×(99.9392)34526.11kJ/h對(duì)全塔進(jìn)行熱量衡算 QFQSQDQWQC QF0 所以 QS60626.9434526.1

28、13.65×1063.62×106kJ/h塔釜熱損失為10，QS QS / 0.9 = 4.02×106kJ/h其中 QS 加熱器理想熱負(fù)荷 QS 加熱器實(shí)際熱負(fù)荷 QD 塔頂熘出液帶出熱量 QW 塔底帶出熱量加熱蒸汽消耗量：當(dāng)T406.45K ，p=300kPa ，Hr水蒸氣 2168.1kJ/kg W h QS/ Hr水蒸氣 = 4.02×106 / 2168.1 = 1854.16 kg/h（4）熱量衡算結(jié)果表5 熱量衡算數(shù)據(jù)結(jié)果表符號(hào)QCWC QF QD QWQSW h數(shù)值3.65×106 kg/h8.6×104kg/h060

29、626.94 k J/h34526.11k J/h4.02×106 k J/h1854.16kg/h5、 精熘塔工藝條件及有關(guān)物性的計(jì)算 表6 不同溫度下甲醇和水的密度 物質(zhì) 密度kg/m3溫度/ 5060708090100甲醇 760751743734725716水 988.1983.2977.8971.8965.3958.4 表7 甲醇-水在特殊點(diǎn)的粘度（m Pa·s）物質(zhì) 粘度 mPa·s塔頂65.10 塔底99.93 進(jìn)料92 甲醇 0.3320.2260.213水 0.4550.2840.3101、塔頂條件下的流量及物性參數(shù) XD0.9736 ， xD0

30、.985 ，D22.074kmol/h ， (1)氣相平均相對(duì)分子質(zhì)量 M甲XD+M水(1-XD)32.04*0.9736+18.02×(1-0.9736）31.67 kg/k mol(2)液相平均相對(duì)分子質(zhì)量=31.67kg/k mol (3) 氣相密度VD××=31.67/22.4×273.15/(273.15+65.6) =1.140 kg/m3 (4) 液相密度 =65.10,查表7，用內(nèi)插法算得：甲 =746.75kg/m3 水=980.24kg/m3 解得LD=749.43kg/m3(5)液相粘度：查表7可得：65.10°C 時(shí)，&

31、#181;甲0.332mpas µ水0.455mpas =0.332×0.9736+0.455×0.0264=0.336mpas (6) 塔頂出料的質(zhì)量流量 D=D=22.074×31.63=698.20kg/h 表8 塔頂數(shù)據(jù)結(jié)果表符號(hào)VDLD µLDDD數(shù)值31.63 kg/kmol31.63 kg/kmol1.140 kg/m3749.43kg/m30.336 mpas698.20kg/h22.074kmol/h2、塔釜條件下的流量及物性參數(shù)：Xw 0.05% ，xW 0.028% ，MVW MLW18.00315 kg/kmol ， W

32、53.786 kmol/h ，tW99.93°C(1)液相相對(duì)分子質(zhì)量：(2)液相密度：tW99.93°C ，查表7，用內(nèi)插法算得 = =958.57kg/m3 (3)氣相密度： tW99.93°C (4) 塔釜出料的質(zhì)量流量 W=W=53.786×18.02=969.22kg/h(5)液相粘度：tW99.93°C ，查飽和水的物性參數(shù)表可得，µ水0.284mPas µLW µ水0.284mPas表9 塔釜數(shù)據(jù)結(jié)果表符號(hào)VWLW µLWWW數(shù)值18.02 kg/kmol18.02 kg/kmol0.589

33、 kg/m3958.6 kg/m30.284 mpas53.786 kmol/h969.22 kg/h3 、進(jìn)料條件下的流量及物性參數(shù)： F75.86kmol/h xF 0.413 ，xF 0.2835 查表一得 XF 0.2684 0.2835 0.2942 YF0.6483YF 0.6658(1)氣相平均相對(duì)分子量：=27.27(2) 液體平均相對(duì)分子量：=21.99(3)氣相密度：(4)液相密度： tF=92°C時(shí)，用內(nèi)插法求得：甲 723.2kg/m3 水966.7 kg/m3 LF 848.69kg/m3(5)液相粘度：tF92°C ，µ甲醇0.213m

34、Pas ，µ水0.310mPas ，µLF0.283mPas （6）進(jìn)料質(zhì)量流量：F=12000×1000/72000=1670kg/h表10 進(jìn)料數(shù)據(jù)結(jié)果表符號(hào)VFLF µLFFF數(shù)值27.27 kg/kmol21.99 kg/kmol0.91 kg/m3848.69 kg/m30.283 mpas75.86 kmol/h1670 kg/h4、精熘段的流量及物性參數(shù)：(1) 汽相平均相對(duì)分子質(zhì)量 () /2 (31.6327.27)/2 29.45kg/kmol(2) 液相平均相對(duì)分子質(zhì)量 () /2 (31.6321.99)/2 26.81kg/km

35、ol(3) 汽相密度 V精(VDVF) /2 (1.1400.91)/21.025 kg/m3(4) 液相密度 L精(LDLF) /2 (749.43848.69)/2799.06 kg/m3(5) 液相粘度 µL精(µLDµLF) /2 (0.3360.283)/20.310mPas(6) 汽相流量 V精(R1)D4.608×22.074101.717kmol/h V精101.717×29.452995.57kg/h (7) 液相流量 L精RD3.608×22.07479.64kmol/h L精79.64×26.81213

36、5.15 kg/h表11 精熘段數(shù)據(jù)結(jié)果表符號(hào) V精L精VVLL µLF數(shù)值29.45 kg/kmol26.81 kg/kmol1.025 kg/m3799.06 kg/m3101.717 kmol/h2995.57 kg/h79.64Kmol/h2135.15kg/h0.283 mpas5.提熘段的流量及物性參數(shù)：(1) 氣相平均相對(duì)分子質(zhì)量 ()/2 (27.2718.02)/222.645kg/kmol(2) 液相平均相對(duì)分子質(zhì)量 ()/2 (21.9918.02)/220.005kg/kmol(3) 液相密度 L提(LFLW) /2(848.69958.6)/2903.645

37、5kg/m3(4) 氣相密度 V提(VFVW) /2(0.910.589)/20.750 kg/m3(5) 液相粘度 µL提(µLWµLF)/2(0.2840.283)/20.2835mPas(6) 氣相流量 摩爾流量 V精V提（q-1)F=V提+F V提V精+(q-1)F=V精-F=101.717-75.86=25.857kmol/h q=0 質(zhì)量流量 V提 = V提·=25.857×22.645=585.53kg/h(7) 液相流量 摩爾流量 L提L精+q F= L 精L 精79.64kmol/h 質(zhì)量流量 L提L提·=79.64

38、×20.0051593.20kg/h表12 提熘段數(shù)據(jù)結(jié)果表符號(hào)V提L提V提V提 L提 L提 µL提數(shù)值22.65 kg/kmol20.01 kg/kmol0.75 kg/m3903.65kg/m325.857 kmol/h585.53 kg/h79.64Kmol/h1593.20kg/h0.2835 mpas六、精餾塔塔體工藝尺寸計(jì)算1、塔徑的計(jì)算填料是填料塔的核心構(gòu)件，它提供了氣液兩相相接觸傳質(zhì)與傳熱的表面，與塔內(nèi)件一起決定了填料塔的性質(zhì)。目前，填料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用仍是沿著散裝填料與規(guī)整填料兩個(gè)方面進(jìn)行。 本設(shè)計(jì)選用規(guī)整填料，金屬板波紋250Y型填料。 規(guī)整填料是一種在塔內(nèi)

39、按均勻圖形排布、整齊堆砌的填料，規(guī)定了氣液流路，改善了溝流和壁流現(xiàn)象，壓降可以很小，同時(shí)還可以提供更大的比表面積，在同等溶劑中可以達(dá)到更高的傳質(zhì)、傳熱效果。 與散裝填料相比，規(guī)整填料結(jié)構(gòu)均勻、規(guī)則、有對(duì)稱(chēng)性，當(dāng)與散裝填料有相同的比表面積時(shí)，填料空隙率更大，具有更大的通量，單位分離能力大。 250Y型波紋填料是最早研制并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的板波填料，它具有以下特點(diǎn)： 第一、比表面積與通用散裝填料相比，可提高近1倍，填料壓降較低，通量和傳質(zhì)效率均有較大幅度提高。 第二、與各種通用板式塔相比，不僅傳質(zhì)面積大幅度提高，而且全塔壓降及效率有很大改善。 第三、工業(yè)生產(chǎn)中氣液質(zhì)均可能帶入“第三相”物質(zhì)，導(dǎo)致散裝

40、填料及某些板式塔無(wú)法維持操作。鑒于250Y型填料整齊的幾何結(jié)構(gòu)，顯示出良好的抗堵性能，因而能在某些散裝填料塔不適宜的場(chǎng)合使用，擴(kuò)大了填料塔的應(yīng)用范圍。 鑒于以上250Y型的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用Mellapok-250Y型填料，因本設(shè)計(jì)塔中壓力很低。 填料塔直徑依據(jù)流量公式計(jì)算，即式中的氣體體積流量VS由設(shè)計(jì)任務(wù)給定，因此主要是確定空塔氣速u(mài)。本設(shè)計(jì)采用的泛點(diǎn)氣速法確定。泛點(diǎn)氣速是填料塔操作氣速的上限，填料塔的操作空塔氣速與泛點(diǎn)氣速之間的關(guān)系：泛點(diǎn)氣速采用貝恩霍根關(guān)聯(lián)式計(jì)算，即查得，Y250金屬環(huán)矩鞍散裝填料，m2/m3，(1)精餾段空塔氣速及塔徑計(jì)算： V精1.025kg/m3，L精799.06k

41、g/m3，µL精0.310mPasL精2135.15 kg/h，V精2995.57 kg/h代入上式可以求得: UF3.71 m/s空塔氣速u(mài)可?。?.60.8）uf：u0.8uf0.8×3.71=2.968 m/s體積流量：Vs=2995.57/(3600×1.025)=0.812 m3/s可得D = 4Vs / (u) 1/2 = 4×0.812 / (3.14×2.968) 1/2 = 0.59 m圓整后，D=600 mm ， 對(duì)應(yīng)的空塔氣速u(mài)=2.87 m/s校核D / d=600 / 25 = 24 >8，符合條件。(2)提餾段

42、空塔氣速及塔徑計(jì)算將V提0.75 kg/m3，L提903.645 kg/m3，µL提0.2835mPasL提1593.2 kg/h，V提585.53 kg/h代入上式可以求得: uf3.585m/s空塔氣速： u0.6uf0.6×3.585=2.15 m/s體積流量：Vs=585.53 / (3600×0.75)=0217 m3/s D= 4Vs/ (u) 1/2 = 4×0.217/ (3.14×2.15) 1/2 = 0.358m圓整后，D=400mm ，對(duì)應(yīng)的空塔氣速u(mài)=1.73m/s校核D / d = 500 / 25 = 20 >

43、;8，符合條件。(3)全塔塔徑的確定精餾段塔徑圓整后，D=600mm，提餾段塔徑圓整后，D=400mm。因此，選用D=600mm為精餾塔的塔徑。2、填料層高度設(shè)計(jì)計(jì)算1.填料層高度的計(jì)算（需查表得每米理論級(jí)數(shù)（NTSM）（1.）精餾段動(dòng)能因子經(jīng)查每米理論級(jí)數(shù)（NTSM）=2.4m-1精餾段填料層高度（2） 提餾段經(jīng)查每米理論級(jí)數(shù)（NTSM）=2.8m 2.填料層壓降的計(jì)算（1） 精餾段液體負(fù)荷 m³/(·h)用精餾段動(dòng)能因子F查液體負(fù)荷L分別為10和20時(shí)的每米填料壓降，在用內(nèi)插法算得L=13.26m3/(m2·h)時(shí)的每米壓降 L 10 20 p/Z 0.22

44、0.25 當(dāng)L=13.26時(shí)，p/Z=0.230kpa/m 所以，精餾段壓降 p精=p/Z ×Z=0.230×2.92=0.672kpa/m（2） 提餾段m³/(·h)同理，用提餾段動(dòng)能因子F查液體負(fù)荷L分別為5和10時(shí)的每米填料壓降，在用內(nèi)插法算得L=5.18m3/(m2.h)時(shí)的每米壓降 L 5 10 p/Z 0.0049 0.0051 當(dāng)L=5.18時(shí)，p/Z=0.166kpa/m p提=p/Z ×Z=0.166×2.5=0.415kpa/m p= p精+p提=0.672+0.415=1.087kpa/m 表13 精熘段、提餾段

45、各參數(shù)表參數(shù) 精餾段 提餾段 全塔 氣體動(dòng)能因子F/（m/s(kg/m3)½2.911.50每米壓降 p/Z(kPa/m)0.2300.166填料壓降p/kPa0.6720.4151.087填料層高度Z/m2.922.505.42七、附屬設(shè)備及主要附件的選型計(jì)算1、 冷凝器的選用取全凝器的傳熱系數(shù)K=2302kJ /(m2h)，選擇逆流操作。冷卻水進(jìn)口溫度是25，出口溫度是35。原料液是泡點(diǎn)回流，進(jìn)出口溫度基本相等。逆流： T 65.10 65.62 t 25 35t2 = 65.1025=40.10 t1= 65.623530.62tm=(t2t1) / In(t2 / t1) =

46、 35.15A=Qc / (Ktm ) = 3.65×106 / (2302×35.15)45.11m2 表14公稱(chēng)直徑 mm管程數(shù)管數(shù)管長(zhǎng) mm換熱面積 M2公稱(chēng)壓力 Mpa600IV242300025注：摘自金屬設(shè)備上冊(cè)P118表2-2-5和P132表2-2-8 標(biāo)準(zhǔn)圖號(hào)：JB-1145-71-2-48 設(shè)備型號(hào)：G600-25-552、加熱器的選用由于本設(shè)計(jì)選擇的是133.3 總壓是300 kpa的飽和水蒸汽作為加熱介質(zhì)，取傳熱系數(shù)K=4186kJ/m2*h*。 t = 133.310033.3A= QS / (Kt ) =4.02×106 / (4186&

47、#215;33.3)28.84 m2 表15公稱(chēng)直徑 mm管程數(shù)管數(shù)管長(zhǎng) mm換熱面積 M2公稱(chēng)壓力 Mpa600242300025注：摘自金屬設(shè)備上冊(cè)P118表2-2-5和P132表2-2-8 標(biāo)準(zhǔn)圖號(hào)：JB-1145-71-2-48 設(shè)備型號(hào)：G600-25-553、塔內(nèi)管徑的計(jì)算及選擇 本設(shè)計(jì)選用的是熱軋無(wú)縫鋼管。(1) 進(jìn)料管：選用WF=0.6m/s dF = 4F/ (3600WFLF) 1/2 = 4×1666.57 / (3600×3.14×0.6×848.69) 1/2 = 0.034m 圓整后選用的是 = 38mm 表16 進(jìn)料管參數(shù)表內(nèi)管外管半徑R內(nèi)管重38×3.589×41202.98 注：摘自浮閥塔p197表5-3(2) 回流管：選用WR=0.4m/s dR = 4L / (36