甲醇水填料塔精馏课程设计完整版模板.doc

甲醇水填料塔精馏课程设计完整版712020年4月19日文档仅供参考摘要：本说明书介绍了甲醇水溶液填料精馏塔的优化设计，主要内容包括了此次课程设计的计算机编程最佳回流比的优化计算、塔的主要尺寸设计（包括塔板的板面设计、阻力损失等）、辅助设备选型、填料精馏塔图纸的绘制等若干重要环节。本文详细阐述了设计的思路，计算贯穿在整个设计中，最后得出一定条件下的最优化设计方案，并在附录中填加了优化设计的程序清单。关键词：甲醇精馏；填料塔；优化设计1 前言本次课程设计任务为设计一甲醇水溶液填料精馏塔，要求处理量： 0（吨/年）、料液浓度：15%（wt%）、产品浓度：99.5%（wt%）、回收率： 99.9%、填料类型：鲍尔环、每年实际生产时间：7200小时/年。经过对甲醇水填料精馏塔的优化设计，提出对于一定工艺要求的最优化方案，从而达到节能和节省费用的目的。在化工生产中，精馏是最常见的单元操作,，是分离均相液体混合物的最有效方法之一。在化学工业中，总能耗的40%用于分离过程，而其中的95%是精馏过程消耗的因此，有必要开辟多种途径来回收利用余热，降低再沸器能耗，实现精馏节能。同时，精馏所需费用在生产装置的总投资及操作费中占了相当大的比例。当今世界对甲醇的需求量极大，而甲醇的精馏也越来越受到重视，因此甲醇的精馏的研究也越来越重要。甲醇精馏塔的优化设计无论是对节省投资，还是降低能耗，都具有非常重要的意义。为了使填料塔的设计获得满足分离要求的最佳设计参数(如理论板数、热负荷等) 和最优操作工况(如进料位置、回流比等) ,准确地计算出全塔各处的组分浓度分布(特别是腐蚀性组分) 、温度分布、汽液流率分布等,常采用高效填料塔成套分离技术。而且,20 世纪80 年代以来,以“高效填料及塔内件”为主要技术代表的新型填料塔成套分离工程技术在国内受到普遍重视。由于其具有高效、低阻、大通量等优点,广泛应用于化工、石化、炼油及其它工业部门的各类物系分离。进入20 世纪90 年代,高效填料塔成套分离工程技术开始向行业化、复合化、节能化、大型化方向发展,如复合塔。所谓复合塔(Compound Tray) 是指人们将塔板与填料有机地结合起来而形成的一种新型塔板。其目的在于将塔板的优点和填料的优势加以互补。此种复合塔具有效率高、通量大及压降小的性能。在国内,复合塔板已在溶剂回收、酒精、丙酮和甲醇精馏中成功应用。实践证明，对于甲醇精馏分离能力，不能仅依靠高效能的塔内件应用于塔内以达到降低能耗，而甲醇精馏工艺流程的改进也能够明显降低能耗2 方案论证2.1 精馏塔类型本次设计采用填料塔精馏。精馏是气液两相之间的传质过程，而传质过程是由能提供气液两相充分接触的塔设备完成，并要求达到较高的传质效率。根据塔内气液接触部件的结构型式，可分为板式塔与填料塔两大类。板式塔内设置一定数量塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上液层进行质量、热量传递，气液相组成呈阶梯变化，属于逐级接触逆流操作过程。填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶填料表面下流，气体逆流而上，（也有并流向下者）与液相接触进行质量、热量传递,气液相组成沿塔高连续变化,属于微分接触操作过程4.工业对塔设备的主要要求：生产能力大；传质、传热效率高；气流的摩擦阻力小；操作稳定，适应性强，操作弹性大；结构简单、材料耗用量少；制造安装容易，操作维修方便。另外还要求不易堵塞、耐腐蚀等。实际上，任何塔设备都难以满足上述要求，因此，设计者应根据塔型特点、物系性质、生产工艺条件、操作方式、设备投资、操作与维修费用等技术经济评价以及设计经验等因素，依矛盾的主次，综合考虑，选择适宜的塔型。2.2 精馏压力塔的操作压力的选择实际上是塔顶和培底温度的选取问题5。在塔顶产品的组成被决定以后，塔顶的温度和压力只能选定一项。精馏操作一般可在常压、减压和加压下进行。确定操作压力时，必须根据所处理的物料性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行全面考虑。操作压力常取决于冷凝温度。一般除热敏性物料外，凡经过常压蒸馏不难实现分离要求，并能用江河水或循环水将馏出物冷凝下来的系统，都应采用常压蒸馏；对热敏性物料或混合液沸点过高的系统则宜采用减压蒸馏；对常压下馏出物的冷凝温度过低的系统，需提高塔压或采用深井水、冷冻盐水作为冷却剂；而常压下呈气态的物料必须采用加压蒸馏。例如苯乙烯常压沸点为145.2,而将其加热到102以上就会发生聚合，故苯乙烯应采用减压蒸馏；脱丙烷、丙烯塔操作压力提高到1765kPa时，冷凝温度约50，便可用江河水或循环水进行冷凝冷却，则运转费用减少6. 本次设计的对像为甲醇水溶液物系，故采用常压精馏。2.3 进料方式进料能够是过冷液体(1)、饱和液体(1)、气液两相(1o)、饱和蒸气(o)或过热蒸汽(o)。不同的进料状态对塔的热负荷、塔径和所需的培板数都有影响，但进料状态主要取决于系统的前一工序的物料状态。从设计的角度来看，饱和液体进料时，精馏段和提馏段的气液流率基本相近，两段塔径能够相同以便于设汁和制造，操作上也比较容易控制。因此，如果原料为过冷液体，可考虑加设原料预热器，将料液预热至泡点。从操作费用的角度来看，对于高温精馏(即塔顶用冷却水冷凝，塔釜用低压蒸汽加热)，当值大时宜采用较小的值；当值较小时宜采用值较大的气液相混合进料；对于低温精馏(如塔顶用173K液态乙烯蒸发制冷，塔釜用273K丙烯蒸汽加热)，不论值如何，均以采用较高的值为经济6。对于具体情况，需要综合考虑设备费用和操作费用两方面的因素。因此，本次设计采用泡点进料方式。2.4 填料类型 填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。较典型的散装填料有拉西环，鲍尔环，阶梯环，矩鞍形、弧鞍形，环矩鞍形等。规整填料是按一定的几何图形排列，整齐堆砌的填科。规整填料种类很多，根据其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等，工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填料。波纹填料按结构分为网波纹填料和板波纹填料两大类，可用陶瓷、塑料、金同等材质制造。规整填料其特点是压降低、分离效率高，特别适用于精密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏性物系的精馏提供了有效的手段。尽管其造价高，但因性能优良仍得到了广泛的应用。本次设计填料采用鲍尔环，方式为乱堆。鲍尔环它的结构是在普通拉西环的壁上开一层或两层长方形孔。开孔时，孔材不完全从环上断开，而是断开四边形的三条边，保留另一边，并使其开出舌状弯向环的中心，几乎在环中心对接起来。上下两层孔的位置是错开的。般孔的面积为整个环壁的35左右。这样气、液体便可从一个个孔中流过，流通性能改进，对于同样的孔隙率流动阻力大为降低，环的内表面积得以充分利用。只外，由于开孔后保留的舌片向中心弯去，因此液体的分布较为均匀，改进了拉西环使液休向壁偏流的缺点。正固如此，与拉西环相比鲍尔环具有生产能力大、阻力小、效率局、操作弹性大等优点。2.5 加热方式本次设计选用直接蒸加热。塔釜料液的加热方式能够是间接加热或直接加热。一般情况下，如果要求加热的温度低于180，一般都采用饱和水蒸气作为加热剂(也能够使用其它工序的热载体)。为了避免加热蒸汽冷凝产生的冷凝水与塔内的物料混合，塔底可设再沸器采用间接方式加热，同时管线上应安装冷凝水排除器(疏水器)，以便在防止蒸汽逸出的情况下及时地排除冷凝水。如果精馏的物料是水溶液，水为难挥发组分，则可采用直接蒸汽加热的方式，塔底只需设置简单的蒸汽分布管，不需要设置再沸器。如果塔底要求加热的温度超过了180左右，则应考虑采用其它的高温热源，如烟道气等。关于加热蒸汽温度的选择，应考虑经济效益，传热温差不宜选取得过大，以能够使跺脚传热维持在核状沸腾阶段为宜。过高的蒸汽温度或压力不但不利于传热，而且还将导致设备费用和操作费用大大增加。2.6回流比的选择适宜的回流比是指精馏过程中设备费用与操作费用两方面之和为最低时的回流比。精馏过程的主要设备费用有精馏塔，再沸器和冷凝器，当回流比最小时，塔板数为无穷大，故设备费用最大，当回流比略大于最小回流比时，塔板数便从无穷多锐减到某一值，塔的设备费用随之锐减，当回流比继续增大时，塔板数仍随之减少，但已较缓慢。可是，由于回流比的增加，导致上升蒸气量随之增加，从而使塔径、再沸器、冷凝器等尺寸相应增大，设备费用随之上升。对特殊物系的场合，则应根据实际需要选定回流比。在进行课程设计时，也可参考同类生产的经验值选定，必要时可选若干个R值，利用吉利兰图（简捷法）5求出对应理论塔板，曲线，从中找出适宜操作回流比。3 数学模型的建立 优化设计模型以填料精馏塔年总费用最低为优化目标，用菲波那契法求解单变量优化问题，回流比R为变量建立数学模型如下： 3-1式中 填料精馏塔年总费用，元/年； 填料精馏塔塔体年投资折旧费及维修费用，元/年； 冷凝器年运转费用，元/年； 再沸器年运转费用或加热蒸汽费用，元/年； 填料年折旧费用，元/年。3.1 精馏塔塔体年投资折旧费及维修费用 3-2式中0.06 精馏塔年维修费用比率； 年折旧率；一般可取折旧年限58，=0.1250.2； 塔体费用，元； 通货膨胀系数，缺乏数据时按年增5%计算。其中塔体费用为： 3-3其中： ，式中 塔质量，kg；（化工系统工程基础） 美元与人民币兑换率； 塔高，m； 塔壁厚，m；常压3mm，可取5mm； 碳钢密度，； 塔径，m； 理论塔板数； 等板高度，m； 塔两端高度，m；包括塔顶空间、塔底空间、裙座（常见化工单元设备的设计）、及塔内件、进料等空间的总和。 等板高度与许多因素有关，不但取决于填料的类型和尺寸，而且受系统物性、操作条件及设备尺寸的影响。当前尚无准确可靠的方法计算填料的等板高度，一般采用实验的方法测定，或从工业应用的实际经验中选取HETP值，或从填料手册中查得。本次设计采用下式计算：式中 液体表面张力，N/m； 液体粘度，Pa.s。式中值见下表（吴俊生，邵惠鹤精馏设计、操作和控制北京：中国石化出版社1997）填料种类填料尺寸#25（1英寸）#40（1.5英寸）#50（2英寸）金属鲍尔环1.31041.57471.8380金属矩鞍环1.31041.54991.7482陶瓷矩鞍环1.31041.59531.9029 根据以上方法求出HETP值后，还应给出一定的安全系数，一般在以上求的HETP值基础上增加10%30%的安全系数。3.2 冷凝器年运转费用 3-4式中 冷却水价格，元/kg；可取0.000120.0004； 冷却水用量，kg/h； 年工作时间，h/a； 冷凝器价格回归系数； 冷凝器价格回归指数； 冷凝器压力校正系数； 冷凝器材质校正系数； 冷凝器传热面积，。3.3 再沸器年运转费用直接蒸汽加热 3-5式中 蒸汽价格，元/kg；可取0.030.05，常压取0.030.035。3.4 填料年折旧费 吸收塔填料费与填料填充体积和填料类型有关，即 3-6式中 填料层高度，m； 填料单价，元/m3。4 数学模型的求解4.1数学模型决策变量分析在完成同样任务要求的情况下，填料精馏塔系统的年总费用越小越好，这也是优化设计的最终目的。因此本次设计中以精馏塔系统的年总费用为目标函数，建立数学模型，精馏塔系统的年总费用包括填料精馏塔塔体年投资折旧费及维修费用、冷凝器年运转费用、再沸器年运转费用或加热蒸汽费用、填料年折旧费用。其中因变量是回流比，经过确定一最适合回流比使年总费用最小，从而达到求解。4.2 主要工艺参数的求解4.2.1 塔径的计算 塔径可按照下式计算 3-7式中 汽相体积流量，m3/h； 空塔气速，m/s，其中；TD 塔顶蒸汽的露点温度，； 液泛分率，无因次，可取 0.50.8，一般在0.7左右较好。泛点气速可采用由贝恩霍根公式6计算 3-8式中 与填料类型有关的常数，B-H常数； 液相质量流率，kg/m2.s； 液相粘度，Pa.s； 干填料因子，1/m。或采用Eckert通用关联图计算，Kessler等人则将该图回归成如下表示式（较9式准确，时 均，汪家鼎，余国琮，陈敏恒化学工程手册北京：化学工业出版社1996）： 3-9式中 填料因子； 液相密度校正因子（非水系统需校正）； 汽相质量流率，kg/m2.s。 注意点： （1）在填料塔中不同位置的泛点气速不同，故要对塔顶和塔底进行比较； （2）表面张力的混合规则为：（、为两组分）； （3）由于优化设计结果还未得到，未得到；因此在计算以上参数时，回流比能够在区间内选择一适宜值，它对优化设计结果没有影响，因为的范围较大。4.2.2 理论塔板数的计算4.2.2.1 相平衡关系的表示 对理想溶液，其相平衡关系为：； 对非理想溶液，其相平衡关系能够从实验数据中利用三次样条插值得到或经过回归实验数据得到相平衡关系表示式，其形式主要有：（余国琮式），（阮奇式）式中、 分别为液相和汽相的摩尔组成；、 相平衡关系回归系数。常压下甲醇水溶液的汽液相平衡数据可回归成4.2.2.2 的计算（全凝器） 注意点： （1） 6.4 填料塔压降横坐标纵坐标由文献7查Ekert图可得压力降为8.8mmH2O/m7 附属设备的设计与选型7.1 塔顶冷凝器7.1.1 初估冷凝器传热面积7.1.1.1 冷凝器传热量 7-1式中 冷凝器传热量，； 精馏段汽相流量，； 冷凝器中汽相冷凝潜热，； 塔顶产品流量，；、 回流比和最佳回流比。由前面数据根据式7-1可得7.1.1.2 冷凝器传热推动力在冷凝器中塔顶产品在露点温度下由汽相冷凝成液相产品，故冷凝器传热属于一侧有相变化的情况，不论冷凝器是单管程还是多管程，其对数平均温度差均以逆流时的对数平均温度差计算，不必进行校正。 7-2式中 冷凝器传热推动力，； 冷凝器汽相（第一块塔板汽相）露点温度，； 冷凝器中冷却水进口温度，； 冷凝器中冷却水最佳出口温度，。由前面数据根据式7-2可得 若，则冷凝器应装有温度补偿装置或采用浮头式换热器。7.1.1.3 初估冷凝器传热面积 7-3式中 冷凝器传热面积，； 冷凝器总传热系数，。取=1400 kJ/(m2. .h) 代入式7-3得=43.54其中传热系数是在优化设计中初估的，它不是冷凝器中传热系数的实验值，因此计算的传热面积也是初估值，根据初估的面积，能够从换热器系列表中选择一台适宜的换热器。选择一台固定管板式列管换热器，其尺寸为：公称直径D=500mm 公称压力P=1MPa管程数N=2 管子根数nt=164换热面积A=56.6 管长L=4.5m 管子成正三角形排列 管子规格mm7.1.2 冷凝器选型7.1.2.1 冷凝器传热系数的校核 由于传热系数在优化设计前预先初估，它与冷凝器传热系数的实际值必须吻合，否则，优化设计就失去了实际意义。 7-4式中、 冷凝器管外、内对流给热系数，；、 冷凝器管外、内污垢热阻，； 冷凝器管壁导热系数，；、 冷凝器管外、内径，m； 冷凝器管壁平均直径，m； 冷凝器管壁厚度，m。 冷凝器总传热系数，；。根据前面所选择的换热器，可得到、,由手册查得。管外为有机物甲醇，管内为未经处理的井水，针对不同的体系可查得、； （1）管外的计算 对水平管外冷凝的对流给热系数可用下式计算 7-5其中 式中 冷凝液质量流量，； 冷凝液平均分子量； 冷凝器管长，m； 冷凝器总管数； 冷凝液粘度，；（注意：粘度、密度、导热系数的混合规则） 冷凝液密度，； 冷凝液导热系数，。注意：物性参数、等应用塔顶蒸汽温度和冷凝器壁温的平均值计算，故应先初估冷凝器管外侧壁温（接近）。假设冷凝器壁温，可求得，查得此温度下：、把以上数据代入式7-5可得 求得后根据牛顿粘性定律 7-6式中 冷凝器管外壁温度，； 冷凝器管外表面积，。取所选冷凝器的换热面积 =56.6代入式7-6计算得管外侧壁温=62.153， 的计算值与初估值62.15接近，迭代计算成功。因此 （2）管内的计算 当、时，管内对流给热系数可用下式计算 7-7该式适用于低粘度流体（），本次设计对像为甲醇水溶液，为低粘度流体，故该式可用。当雷诺数小于10000时，应乘以校正因子。式中 冷却剂（水）导热系数，； 冷凝器管内径，m；即； 冷凝器管内流速，m/s； 冷凝器管内流体密度，； 冷凝器管内流体粘度，； 冷凝器管内流体的比热，； 注意点： 的单位为，但在式（7）中应采用单位； 物性参数、等应由平均温度查表或计算，； 流速的计算： 管内流体（冷却水）的用量：，；则流速为 7-8式中为单管程的管子数，若对双管程共有200根管，则。计算如下：由手册查得此此温度下管内液体水的物性参数如下：、；管内径管内流体（冷却水）的用量：=13661.98代入式7-8得=0.15 m/s雷诺数=4024.4310000,要进行校核。校正因子=0.8052把以上相关数据代入式7-7得把，代入7-4得7.1.2.2 冷凝器传热面积的校核由1.2.1可求得，从而实际所需的冷凝器传热面积56.6，其裕度：所选则的换热器可用。 7.1.2.3 冷凝器管程、壳程流动阻力 （1）管程阻力损失 7-9其中： ，式中 每程直管压降，； 每程局部阻力，； 壳程数； 每壳程的管程数； 冷凝器管内流体密度，； 冷凝器管内流体流动阻力系数。计算如下：由7.1.2.1得=0.15 m/s, ,、；由手册查得所选换热器的=1，=2；管内雷诺数=4024.43；由手册查得碳钢的粗糙度, 因此相对粗糙度为查图7得摩擦因素=128.33,=33.55把以上数据代入式7-9得（2）壳程阻力损失 7-10其中： ，式中 换热器壳程内径，m； 折流板数目；蒸汽冷凝时折流挡板间距只有480、600mm两种类型； 冷凝器壳程当量直径，m； 冷凝器壳程流速，m/s；设有折流挡板时，；无折流挡板时，； 冷凝器壳程折流挡板间距，m； 管子外径，m； 管子中心距，m。当换热器管子正方形排列时，；正三角形排列时，。计算如下：所选换热器=0.025m, 管子中心距=0.032m, =500mm；当量直径=0.020m蒸汽冷凝时无折流挡板，=0;=0.1158=3.15 m/s塔顶=6648.20 , =0.323代入式7-10得=45.647.2 接管选型 针对不同的流体，选择适宜的流速，由求得接管的直径，依据它选择合适的接管型号，最后校核接管中的实际流速，本次设计所选择的钢管材料均为无缝钢管。 需选型的接管主要有： 进料接管：0.40.8m/s，泵送1.52.5m/s 冷却水接管：1.02.5m/s 塔顶蒸汽接管：1220m/s 塔顶产品接管：0.51.0m/s 塔底产品接管：0.51.0m/s 塔顶产品回流接管：0.20.5m/s，泵送1.02.5m/s 塔底加热蒸汽接管：2040m/s(295kPa)，4060m/s(2950kPa)注意：计算中为体积流量，必须针对不同流体、不同状态（气体），不同组成（气体、液体）计算。计算结果汇总如表6。7.2.1进料接管由设计条件知=2777.78kg/m3 ,=15%由附录一运用内插法得进料温度=88.48,由手册查得该温度下=727.52kg/m3, =966.29kg/ m3计算该温度下进料混合液体的密度为设=0.4m/s,则=51.38mm设=0.8m/s,则