甲醇回收塔基本工艺专业课程设计.doc

一 前言甲醇用途广泛，是基本有机化工原料和优质燃料。重要应用于精细化工，塑料等领域，用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲脂等各种有机产品，也是农药、医药重要原料之一。塔设备是化工，制药，环保等生产中广泛应用气液传质设备。依照塔内气液接触部件形式，可以分为填料塔和板式塔。板式塔属于逐级接触逆流操作，填料塔属于微分接触操作。工业上对塔设备重要规定：（1）生产能力大（2）分离效率高（3）操作弹性大（4）气体阻力小构造简朴、设备取材面广等。塔型合理选取是做好塔设备设计首要环节，选取时应考虑物料性质、操作条件、塔设备性能以及塔设备制造、安装、运转和维修等方面因素。板式塔研究起步较早，其流体力学和传质模型比较成熟，数据可靠。尽管与填料塔相比效率较低、通量较小、压降较高、持液量较大，但由于构造简朴、造价较低、适应性强、易于放大等特点，因而在70年代此前很长一段时间内，塔板研究始终处在领先地位。然而，70年代初期浮现世界能源危机迫使填料塔技术在近来获得了长足进展。由于性能优良新填料相继问世，特别是规整填料和新型塔内件不断开发应用和基本理论研究不断进一步，使填料放大技术有了新突破，变化了以板式塔为主局面。在国内，随着石油化工不断发展，传质分离工程学研究不断进一步，使填料塔技术及其应用进入了一种崭新时期，其工业应用与发达国家并驾齐驱，进入世界先进行列。评价塔设备基本性能指标重要有：1、产量和通量：前者指单位时间解决物料量，而后者指单位塔截面上单位时间物料解决量。2、分离效率：对板式塔是指每层塔板所能达到分离限度。填料塔则是单位填料层高度分离能力。3、适应能力及操作弹性：对各种物料性质适应性及在负荷波动时维持操作稳定而保持较高分离效率能力。4、流体阻力：气相通过每层塔板或单位高度填料层压降。除上述几项重要性能外，塔造价高低、安装、维修难易以及长期运转可靠性等因素，也是必要考虑实际问题。填料塔由填料、塔内件及筒体构成。填料分规整填料和散装填料两大类。塔内件有不同形式液体分布装置、填料固定装置或填料压紧装置、填料支承装置、液体收集再分布装置及气体分布装置等。与板式塔相比，新型填料塔性能具备如下特点：生产能力大、分离效率高、压力降小、操作弹性大、持液量小等长处。本设计综合考虑流程，产量，分离规定，操作控制等因素，采用填料塔实现甲醇回收目的。二 设计题目设计甲醇回收塔及附属设备，可按水甲醇二元物系设计。原料量为 60吨/天，原料含甲醇为 13 % (质量百分数)，别的为水。原料温度为25。常压操作，塔釜用直接蒸汽加热。规定甲醇回收率不不大于98%。三 设计阐明书符号表a质量比例。a填料比表面积，m2/m3。A面积，m2。cp比热容，kJ/kgK。d管径，mm。D塔顶产品流量，kmol/h。D塔径，m。Di圆筒内径，mm。DN公称直径，mm。F进料量流量，kmol/h。g重力加速度，m/s2。G汽相摩尔流率，kmol/(sm2)H扬程，m。Hb塔底空间高度，m。Hd塔顶空间高度（不涉及封头），m。Hf液体再分布器空间高度，m。h0封头直边高度，mm。HETP等板高度，m。hf沿程阻力，J/kg。K传热系数，W/(m2)。l管长，m。L液相摩尔流量，kmol/h。Lh液体喷淋量，m3/h。Lh,min最小液体喷淋量，m3/h。Lw,min最小润湿率，m3/(mh)。M摩尔质量，kg/kmol。n填料层分层数。NT理论塔板数。p压强，Pa。p压降，Pa。PN公称压力，Pa。Q换热器热负荷，W。R回流比。Re雷诺数，无量纲。Rmin最小回流比。t温度，。tm对数平均温度差，。T绝对温度，K。u空塔气速，m/s。uf空塔气体泛速，m/s。U喷淋密度，m3/(m2h)。Umin最小喷淋密度，m3/(m2h)。V汽相摩尔流量，kmol/h。W塔底产品流量，kmol/h。W质量流量，kg/h。Wh热流体质量流量，kg/h。x液相摩尔分数。xD塔顶产品浓度。xF进料浓度。xW塔底产品浓度。y气相摩尔分数。Z高度，m。组分相对挥发度。汽化潜热，kJ/kg。空隙率。管壁绝对粗糙度，m。密度，kg/m3。流体粘度，Pas。摩擦系数，无量纲。局部阻力系数，无量纲。回收率。表面张力，N/m。d圆筒设计厚度，mm。填料因子，m2/m3。焊接头系数。全凝器四 流程设计原料回收塔预热器饱和蒸汽精馏塔塔底产品塔顶产品塔顶产品塔底产品再沸器进料泵图4.1 精馏流程图对于给定低浓度甲醇水溶液，采用两塔流程回收甲醇，如图4.1所示。流程概述如下：原料为浓度很低甲醇水溶液，经预热器加热到泡点进入回收塔；经回收塔将原料中大量水和杂质从塔底排出，塔顶得到浓度较高甲醇蒸汽；甲醇蒸气直接引入精馏塔精馏，精馏塔顶可获得高纯度甲醇。回收塔塔底产品为甲醇含量极低水，可直接排放。回收塔目是初步提纯甲醇并除去大量水，这样在精馏塔中可减少解决量，相比单塔精馏，能耗更低，操作弹性也更大。针对回收塔规定有很高甲醇回收率，但不规定塔顶浓度很高。本设计采用提馏塔形式，原料从塔顶直接加入，不设回流装置。此外考虑到塔底浓度已经接近水，本设计采用直接蒸汽加热，省去了再沸器简化了附属设备。采用直接蒸汽另一种好处是对蒸汽压规定更低，这是由于省去了间接加热温度差。本流程在回收塔前设立原料预热器，这样可减少原料温度波动对塔分离性能影响。加热介质采用低压蒸汽，通过蒸汽压很容易调节加热效果稳定流程工况。考虑到塔釜排放液中杂质较多，故不运用回收塔塔底排放液热能。综合前述考虑，本设计拟定甲醇回收塔工况如下：将25下质量百分数为13%甲醇水溶液预热到泡点；经回收塔浓缩，塔顶产品甲醇回收率不不大于98%，塔顶产品浓度和流量将通过优选拟定； 回收塔用直接蒸汽加热。五 物性参数水物性参数：M水 = 18.02 kg/kmol表5.1 水物性参数压强p10-5Pa温度t密度kg/m3比热容cp10-3J/kgK黏度105Pas表面张力103N/m1.010999.94.212178.7875.6110999.74.191130.5374.1420998.24.183100.4272.6730995.74.17480.1271.2040992.24.17465.3269.6350988.14.17454.9367.6760983.24.17846.9866.2070977.84.16740.6064.3380971.84.19535.5062.5790965.34.20831.4860.71100958.44.22028.2458.84甲醇物性参数：M甲醇 = 32.04 kg/kmol表5.2 甲醇物性参数压强p10-5Pa温度t密度kg/m3比热容cp10-3J/kgK黏度105Pas表面张力103N/m1.0108092.3660.82524.50108012.4580.70023.29207922.5120.60022.07307822.5500.52420.87407722.5720.47019.67507642.6180.40018.50607542.6750.51017.33707462.7300.31916.19807362.7700.27815.04907252.8310.24513.921007142.8920.22512.80水蒸汽物性参数：M水蒸汽 = 18.02 kg/kmol表5.3 水蒸汽物性参数温度t压强p10-5Pa密度kg/m3汽化潜热kJ/kg100101.330.59702258.4六 工艺计算6.1汽液平衡数据和汽液平衡（t-x-y）图由6水甲醇体系平衡数据：表6.1 水甲醇体系平衡数据xyt/xyt/xyt/0.0000.000100.0 0.1500.51784.4 0.7000.87069.3 0.0200.13496.4 0.2000.57981.7 0.8000.91567.5 0.0400.23093.5 0.3000.66578.0 0.9000.95866.0 0.0600.30491.2 0.4000.72975.3 0.9500.97965.0 0.0800.36589.3 0.5000.77973.1 1.0001.00064.5 0.1000.41887.7 0.6000.82571.2 可得t-x-y平衡图：图6.1 水-甲醇平衡体系t-x-y图6.2 物料衡算6.2.1 数据换算M甲醇 = 32.04 kg/kmolM水 = 18.02 kg/kmol F = 60吨/天 = 126 kmol/h原料液甲醇摩尔分率：xF =0.07756.2.2 物料衡算F = D + W W = F = 126 kmol/h塔釜产品甲醇摩尔分率：xW=0.00155 图6.2 x-y平衡图 图6.3 局部放大x-y平衡图6.3 理论板数计算本设计采用图解法初步拟定理论板数和加热蒸汽量。最后采用化工模仿软件ASPEN进行严格法计算验算。 由图6.4可见，进料板为提馏线第一块板，进料构成xf=0.0775。在回收率拟定状况下，加热蒸汽量变化将变化提馏线斜率，进而影响塔顶产量，浓度和所需理论板数。加热蒸汽量加大，斜率小，所需理论板数少，设备投资小。但塔顶产品量大，浓度低，能耗大。并且会给后续精馏塔操作增大承担。反之，减小气量设备投资变大。由提馏线方程可知，当蒸汽进量V0= V=26.84kmol/h，直线斜率=F/V=4.673。xw= 0.00155，yw=0，xF= 0.0775，yF= 0.3565时，所需理论板数 NT。因而必要依照理论塔板数，选取最适当蒸汽用量。对两组分非抱负体系，采用图解法拟定理论板数是以便而有效办法，本设计用计算机图解分析了加热气量对理论板数影响。 图6.4至图6.7.为全塔和局部放大图解成果。y11y17y15y13xFxw图6.4 气相构成为y13、y15、y17图解法y11y17y15y13xw图6.5 局部放大气相构成为y13、y15、y17图解法y18y16y14y12xFxw图6.6 气相构成为y12、y14、y16、y18图解法y18y16y14y12xw图6.7 局部放大气相构成为y12、y14、y16、y18图解法由图解法得到进气量与塔顶产品浓度关系如表6.2所示，进气量与理论板数关系如表6.3和图6.8所示。其规律和前面分析一致。表6.2 进气量变化相应y1不同取值序号V0（kmol/h）F/Vy1126.844.6940.3565228.154.4770.34331.903.9500.30436.813.4230.26543.502.8970.22653.172.3700.18768.361.8430.14895.701.3170.10表6.3 进气量变化与理论板数关系V0（kmol/h）NT28.15 1031.90 736.81 643.50 553.17 468.36 395.70 3图6.8 进气量变化与理论板数关系由图6.4可见，在流量达到43.50 kmol/h后，增长气量对理论板数影响不大，且进气量越大，塔顶汽相构成越小，塔径越大，因而选取理论塔板数NT = 5，进气量V0 = 43.50 kmol/h。提馏线方程：y=2.897x-0.00448986.4 ASPEN模仿软件验算ASPEN PLUS模仿软件是国际知名化工模仿软件，并被诸多知名公司定为公司原则10。 考虑到本设计解决体系是非抱负物系，且前述图解法采用了恒摩尔流假设等近似。本节对回收塔应用ASPEN PLUS软件进行模仿，采用塔器模仿中RADFRC办法进行了验算。这种办法是按严格热力学模型和精馏分离算法模仿过程。图6.9为回收塔模型图。给定条件来自上节选定成果，即：理论板数为5块，原料进塔温度90，蒸汽用量43.5kmol/h ，进塔蒸汽1.5atm（绝压）。图 6.9 aspen甲醇回收塔图表6.4 aspen计算成果流股数据FV0DW进塔进塔出塔出塔LIQUIDVAPORVAPORLIQUIDSubstream：MIXED Mole Flow kmol/hr METHANOL10.14291010.058230.0846782 WATER120.731143.532.76568131.4654Total Flow kmol/hr130.87443.542.82391131.5501Total Flow kg/hr2500.006783.6647912.57032371.1Total Flow l/min46.6816815267.2721486.6643.06357Temperature K363.15384.9496366.8793373.042Pressure atm1.11.511Vapor Frac0110Liquid Frac1001由表6.4可见，甲醇回收率=10.058/10.143=99%. 满足给定设计指标。表6.5 aspen计算成果塔内各板参数StageTemperatureLiquid flowVapor flowMETHANOLWATERkmol/hrkmol/hr193.7293381131.10430942.82391030.2348740.765126296.9414561131.5139743.05419460.190.879901398.7507401131.79017943.46385550.0507290.949271499.5645731131.9231843.74006460.0183550.981645599.8920221131.55011543.8730650.0051190.994881依照ASPEN 验算选定蒸汽量V0 = 43.50 kmol/h，理论板数为5时，可满足工艺规定。通过回收塔进入精馏塔气量减小为原料量1/3。七 塔重要工艺尺寸计算7.1塔内物性拟定7.1.1 平均分子量计算7.1.1.1 进料板平均分子量7.1.1.2塔底平均分子量7.1.1.3 提馏段平均分子量7.1.2平均密度计算7.1.2.1 液相平均密度依照进料板构成查水-甲醇平衡体系t-x-y图，得进料板温度tF = 89.54，塔底温度tW = 99.72，第三块理论板温度t3 = 98.91运用物性数据参数表查得：在89.54下，甲醇密度与水密度： 在98.91下，甲醇密度与水密度： 在99.72下，甲醇密度与水密度： 因而，甲醇平均密度、水平均密度取t3 = 98.91温度下甲醇密度与水密度， 其中进料甲醇质量比例 a1 = 0.13塔底甲醇质量比例 a2 = 0.00275第三块理论板甲醇质量比例 a3 = 0.01069进料液相密度： 塔底液相密度： 提馏段液相平均密度：7.1.2.2气相平均密度进料板压力：进料板气相平均密度：塔釜气相平均密度： 提馏段气相平均密度：7.2 塔径计算甲醇回收操作，为防止堵塞选取散装填料。采用效率高、阻力小、公称直径为25mm金属鲍尔环填料，其特性数据如下表，表7.1 金属鲍尔环填料特性数据填料名称公称直径/mm外径和高/mmh比表面积/ m2/m3空隙率/ 泛点填料因子/ m2/m3每m3填料个数堆积密度kg/m3金属鲍尔环2525*256.85052099416061.5103480液相质量流量：WL = 2280.6 kg/h 气相质量流量：WG = 808.67 kg/h 温度为t3 = 98.91时，L,重组分 = 0.2871 mPasL,轻组分 = 0.2308 mPaslg(L) = x3lg(L,轻组分) + (1x3)lg(L,重组分) 液体粘度L0.2867 mPas查埃克特通用关联图（即通用压降关联图）得，可得泛点气速uf = 1.961 m/s，取u = 0.5uf = 0.9806 m/s (u = 0.5 0.8 uf )，得D = 0.1621 m，圆整后D = 0.3 m 此时，塔径与填料尺寸之比，以便气、液分布均匀。7.3 填料层高度计算散装填料，提馏段高度：L = x3L,轻组分 +（1x3）L,重组分 液体表面张力：L = 0.0586 N/m液体粘度：L 0.2867 mPasHETP = exp (h-1.292lnL + 1.47lnL) = 0.23m其中：HETP 等板高度，mL 液体表面张力，N/mL 液体粘度，Pash 常数（见上表）Z提馏段 = NT * HETP 1.15 m 圆整后 Z提馏段= 1.5 m7.4 填料塔流体力学性能7.4.1 压降散装填料：提馏段：查埃克特通用关联图得压降P/Z 14mmH2O/m = 137.3 Pa/mPZ*P/Z 206.0 Pa因而可忽视设备中压力变化，均视为常压。7.4.2 气速 提馏段 u = 0.9806 m/s7.4.3 喷淋量提馏段：液体喷淋量：Lh 2.37 m3/h喷淋密度：U = Lh/（0.785D2） = 33.55 m3/(m2h)最小喷淋密度：Umin = (Lw)min a= 16.72 m3/(m2h)最小喷淋量：Lh,min = Umin0.785D2 = 1.18 m3/h式中：a 填料比表面积，m2/m3；Umin 最小喷淋密度，m3/（m2h）；Lw,min 最小润湿率，m3/（mh）。Lw,min取值： 算得液体喷淋量最小喷淋量7.5 塔内附件选取7.5.1液体喷淋装置选取填料塔操作规定液体沿同一塔截面均匀分布。为使液流分布均匀，液体在塔顶初始分布必要均匀。图7.1 直管喷孔式分布器因塔径为300mm，在此选用直管喷孔式分布器，直管上小孔直径取48mm，可有35排。小孔积总和约等于直管截面积。7.5.2 填料支撑装置选取图7.2 波纹板网支承板散装填料支撑装置构造最简朴是栅板，由竖立扁钢焊在钢圈上制得。为防止在栅板处积液导致液泛，栅板自由截面率应不不大于50。此外，效果较好是具备圆形或条形升气管筛板式支承板，液体从板上筛孔流下，气体通过升气管由管壁小孔流出，气液分布较均匀，又因在支承装置处逆流气液相各有通道，可避免因支承装置而引起积液现象。选用不锈钢波纹板网支承板。表7.2 不锈钢波纹板网支承板设计参照数据塔径D/mm外板径D1/mm板高/mm300294257.5.3 液体再分布装置选取 （）则 = 1.2 即每隔1.2m需安装一种液体再分布装置由于Z = 1.5 m，因而不需要装液体再分布装置7.5.4 填料压紧装置又称填料压板，自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧，合用与散装填料。压板应具备高自由截面，空隙率应不不大于70%。依照塔径，选取丝网压板，其直径为280mm，高100mm。图7.3 丝网压板7.6 管道设计与选取取：液体流速：uL = 0.11 m/s蒸汽流速：u0 = 3050m/s7.6.1 塔顶蒸汽出口管取u0 = 40 m/s则蒸汽出口管管径： 圆整后d = 150mm7.6.2 进料管管径取uL = 0.82m/s则进料管管径：圆整后d = 25mm7.6.3塔釜出料管取uL = 0.82m/s则出料管管径：圆整后d = 25 mm7.6.4塔底蒸汽进管取u0 = 40 m/s 则蒸汽进口管管径： 圆整后d = 150 mm7.6.5 管道规格汇总表7.3管道规格表塔顶蒸汽出口管进料管管径塔釜出料管塔底蒸汽进管管径/mm1505252.5252.515057.7 其她部件7.7.1 筒体7.7.1.1 设计壁厚圆筒计算厚度，考虑到介质对筒壁腐蚀作用，在设计筒体所需厚度时，还应在计算厚度基本上，增长腐蚀裕度C2。由此得到筒体设计厚为式中：d 圆筒设计厚度，mm； Di 圆筒内径，mm； p 容器设计压力，MPa；f焊接头系数。由于p与t比很小，采用简写式： . 依照表8-62，设计温度为98.91100，采用碳素钢钢板，查得钢号为Q235-B，钢板原则为GB912，在此设计温度下许用应力为113MPa，计算压力圆筒内径： 焊接头系数：则，圆整后为4mm，在钢号为Q235-B，钢板原则为GB912厚度34mm范畴内。7.7.1.2 筒体参数依照表8-62 选取如下参数：表7.3 压力容器用碳素钢钢板需用压力钢号钢板原则使用状态厚度mm常温强度指标100下许用应力MPabMPasMPaQ235-BGB912热轧34mm3752351137.7.2 封头 选用原则椭圆形封头。这种封头是由半个椭圆球和一段高度为h0圆柱形筒节构成。公称直径：曲面深度：依照表8-122，封头直边高度，壁厚4mm选用EHB325椭圆形封头，其参数如下， 表7.4 EHB椭圆形封头内表面积、容积、质量公称直径DNmm总高度Hmm名义厚度nmm内表面积Am2容积Vm3质量Mkg32510660.12920.00586.15297.7.3 法兰由于在常压下操作，所有法兰均采用原则管法兰平焊法兰。由公称压力PN=1.0MPa。填料筒法兰查表10-42选取如下参数：表7.5 PN=1.0MPa甲型平焊法兰尺寸与质量公称直径DN/mm法兰/mm螺柱对接筒体最小厚度/mm连接尺寸法兰盘厚度高颈尺寸质量/kg规格数量DD1D2D3D4d甲型平焊Hh12R3004153803503403371826852512221212.5M161647.7.4 耳式支座依照表13-52，AN型耳式支座参数如下：表7.6 AN型耳式支座尺寸/mm支座号支座本体容许载荷Q/(kN)合用容器公称直径DN高度H底板筋板螺栓(孔)支座质量/kgl1b11s1l2b22d螺纹110300600125100606308080424M200.77.8塔总高度计算塔有效高度Z = Z提馏段 + 0.8 = 2.3 mH = Hd + Z + (n-1)Hf + Hb = 1.5 + 2.3 + 1.5 = 5.3 m 圆整后 H = 6 m式中：Hd 塔顶空间高度（不涉及封头），m。取1.5 m。Hf 液体再分布器空间高度，m。取0.8 m。Hb 塔底空间高度，m。取1.5 m。n 填料层分层数。八 塔设计计算参数总汇表8.1 塔设计计算参数总汇项目符号单位计算数据提馏段平均压强PmkPa101.325平均温度t99.72平均流量气相Vsm3/s0.6354液相Lsm3/s0.0006750理论塔板数NT块5塔有效高度Zm2.3塔径Dm0.3空塔气速um/s0.9806九 辅助设备选取9.1 预热器选取表9.1 预热器设计参数预热器名称介质温度进出进料预热器壳程常压下饱和蒸汽100100管程2589.54Q=FMFcp(tb-tF)进料温度：tF = 25 泡点温度：tb = 89.54 F = 126kmol/h查液体比热容图得：cp,甲醇 = 2.569 kJ/(kgK)，cp ,水 = 4.173 kJ/(kgK) kJ/(kgK) 查1表4-8（K值得大体范畴）：取总传热系数K = 1500 W/(m2)Q = FMFcp(tb-tF) = J/s 由于热流体为饱和蒸汽冷凝， Q = Wh = F MF(tb - tF)查表得t = 100时， = 2258.4 kJ/kg 则，Wh = 277 kg/h传热面积：圆整后 在1附录中选取换热器：表9.2 固定管板式热互换器系列参数外壳直径D/mm273公称压强pg/(kgf/cm2)25公称面积A/m24管子排列办法正三角排列管长l/m2管子外径d0/mm25管子总数N/根32管程数2壳程数1管程通道面积/m20.00503换热器实际传热面积：W/(m2)定性温度为t =（25+89.54）/ 2 = 57.27，查表得， = 0.97595 g/m3， = 0.56mPas， = 0.5446 W/(mK)，cp = 4.2059 kJ/(kgK)W/(m2) W/(m2)经计算，在传热任务所规定换热条件下，实际面积不不大于所需面积安全系数=表白该换热器可用于原料预热。9.2进料泵选取圆整后 V = 3 m3/h表9.3 扬程计算有关参数数值uL/m/s1.0Re51602 Z/m6/d0.000877 /mm0.050.0335d/mm200.75Lm/kg/m3961.3Hf/ m0.519 L/mPas0.56换热器4.9损失/m涉及换热器压头损失为圆整后 H = 12 m则查1选取IS80-65-125型号泵,其参数为：表9.4 IS80-65-125型离心泵性能参数泵型号流量/(m3/h)扬程/m转速/(r/min)气蚀余量/m泵效率/%功率/kW参照价格/元泵外形尺寸（长宽高）/mm泵口径/mm轴功率配带功率吸入排出IS50-32-2503.7520.514502.0230.91158506003204055032十 参照文献1 管国锋，赵汝溥。化工原理。第二版。北京：化学工业出版社，.2 董大勤。化工设备机械基本。北京：化学工业出版社，.3 刘光启，马连湘。化学化工物性数据手册，有机卷。北京：化学工业出版社，.4 潘国昌，郭庆丰。化工设备设计。北京：清华大学出版社，1996. 5 潘红良，郝俊文。过程设备机械设计。上海：华东理工大学出版社，.6 时均，汪家鼎。化学工程手册。第二版。北京：化学工业出版社，1996. 7 王树楹。当代填料塔技术指南。北京：中华人民共和国石化出版社，1998. 8 顾芳珍，陈国桓。化工设备设计基本。天津：天津大学出版社，1994.9 化工设备设计全书编委会。塔设备设计。上海：上海科学技术出版社，1989.10 汤吉海。ASPEN PLUS 在化工设计过程中应用。南京：南京工业大学教材。