甲醇水筛板精馏塔化工原理课程设计.doc

甲醇-水二元筛板精馏塔设计 化工与材料工程学院 化工原理专业课程设计 设计题目 常压甲醇水筛板精馏塔设计 课程设计时间2011、11、252011、12、14化 工 原 理 课 程 设 计 任 务 书设计题目： 常 压 甲醇水 筛 板 精 馏 塔 的 设 计 设计条件： 常压 P=1atm（绝压） 处理量：95kmol/h 进料组成0.55 馏出液组成0.965 釜液组成0.035 （以上均为摩尔分率） 加料热状况 q=1.0 塔顶全凝器 泡点回流 回流比 R=(1.12.0)Rmin 单板压降 0.7kPa设计任务：1 完成该精馏塔的工艺设计（包括物料衡算、热量衡算、筛板塔的设计计算）。2 画出带控制点的工艺流程图（2号图纸）、精馏塔工艺条件图（2号图纸）。3 写出该精馏塔的设计说明书，包括设计结果汇总和设计评价。 专业：化工与材料工程学院班级：化工0906姓名：于清波 设计日期： 2011 年 11 月 25 日至 2011 年 12 月 14 日一前言51.精馏与塔设备简介52.体系介绍53.筛板塔的特点64.设计要求:6二、设计说明书7三设计计算书81.设计参数的确定81.1进料热状态81.2加热方式81.3回流比（R）的选择81.4 塔顶冷凝水的选择82.流程简介及流程图82.1流程简介83.理论塔板数的计算与实际板数的确定93.1理论板数计算93.1.1物料衡算93.1.2 q线方程93.1.3平衡线方程103.1.4 Rmin和R的确定103.1.5精馏段操作线方程的确定103.1.6精馏段和提馏段气液流量的确定103.1.7提馏段操作线方程的确定103.1.8逐板计算103.1.9图解法求解理论板数如下图:123.2实际板层数的确定124精馏塔工艺条件计算124.1操作压强的选择124.2操作温度的计算134.3塔内物料平均分子量、张力、流量及密度的计算134.3.1 密度及流量134.3.2液相表面张力的确定：144.3.3 液体平均粘度计算154.4塔径的确定154.4.1精馏段154.4.2提馏段174.5塔有效高度174.6整体塔高175.塔板主要工艺参数确定185.1溢流装置185.1.1堰长lw185.1.2出口堰高hw185.1.3弓形降液管宽度Wd和面积Af185.1.4降液管底隙高度h0195.2塔板布置及筛孔数目与排列195.2.1塔板的分块195.2.2边缘区宽度确定195.2.3开孔区面积Aa计算195.2.4筛孔计算及其排列206.筛板的力学检验206.1塔板压降206.1.1干板阻力hc计算206.1.2气体通过液层的阻力Hl计算216.1.3液体表面张力的阻力计算h计算216.1.4气体通过每层塔板的液柱高hp216.2 筛板塔液面落差可忽略216.3液沫夹带216.4漏液226.5液泛227.塔板负荷性能图227.1漏液线227.2液沫夹带线237.3液相负荷下限线247.4液相负荷上限线247.5液泛线247.6操作弹性258. 辅助设备及零件设计268.1塔顶冷凝器（列管式换热器）268.1.1方案：垂直管268.1.2方案：水平管298.2各种管尺寸的确定308.2.1进料管308.2.2釜残液出料管308.2.3回流液管318.2.4再沸器蒸汽进口管318.2.5 塔顶蒸汽进冷凝器出口管318.2.6冷凝水管328.3冷凝水泵329.设计结果汇总3310. 参考文献及设计手册35四设计感想35 一前言1.精馏与塔设备简介蒸馏是分离液体混合物的一种方法，是传质过程中最重要的单元操作之一，蒸馏的理论依据是利用溶液中各组分蒸汽压的差异，即各组分在相同的压力、温度下，其探发性能不同（或沸点不同）来实现分离目的。例如，设计所选取的甲醇-水体系，加热甲醇（沸点64.5）和水（沸点100.0）的混合物时,由于甲醇的沸点较水为低,即甲醇挥发度较水高,故甲醇较水易从液相中汽化出来。若将汽化的蒸汽全部冷凝，即可得到甲醇组成高于原料的产品，依此进行多次汽化及冷凝过程，即可将甲醇和水分离。这多次进行部分汽化成部分冷凝以后，最终可以在汽相中得到较纯的易挥发组分，而在液相中得到较纯的难挥发组分，这就是精馏。在工业中，广泛应用精馏方法分离液体混合物，从石油工业、酒精工业直至焦油分离，基本有机合成，空气分离等等，特别是大规模的生产中精馏的应用更为广泛。 蒸馏按操作可分为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏等多种方式。按原料中所含组分数目可分为双组分蒸馏及多组分蒸馏。按操作压力则可分为常压蒸馏、加压蒸馏、减压（真空）蒸馏。此外，按操作是否连续蒸馏和间歇蒸馏。工业中的蒸馏多为多组分精馏，本设计着重讨论常压下的双组分精馏，即苯-甲苯体系。在化学工业和石油工业中广泛应用的诸如吸收，解吸，精馏，萃取等单元操作中，气液传质设备必不可少。塔设备就是使气液成两相通过紧密接触达到相际传质和传热目的的气液传质设备之一。塔设备一般分为阶跃接触式和连续接触式两大类。前者的代表是板式塔，后者的代表则为填料塔。筛板塔在十九世纪初已应用与工业装置上，但由于对筛板的流体力学研究很少，被认为操作不易掌握，没有被广泛采用。五十年代来，由于工业生产实践，对筛板塔作了较充分的研究并且经过了大量的工业生产实践，形成了较完善的设计方法。筛板塔和泡罩塔相比较具有下列特点：生产能力大于10.5%，板效率提高产量15%左右；而压降可降低30%左右；另外筛板塔结构简单，消耗金属少，塔板的造价可减少40%左右；安装容易，也便于清理检修。本设计讨论的就是筛板塔。2. 体系介绍甲醇水体系汽液平衡数据 (101.325kPa)：x00.05310.07670.09260.12570.13150.16740.18180.20830.2319y00.28340.40010.43530.48310.54550.55850.57750.62730.6485t/10092.990.388.986.685.083.282.381.680.2x0.28180.29090.33330.35130.46200.52920.59370.68490.77010.87411.00y0.67750.68010.69180.73470.77560.79710.81830.84920.89620.91941.00t/78.077.876.776.273.872.771.370.068.066.964.7甲醇、水密度、粘度、表面张力在不同温度下的值：5060708090100甲醇760751743734725716水988.1983.2977.8971.8965.3958.4甲醇0.3500.3060.2770.2510.225水0.4790.4140.3620.3210.288甲醇18.7617.8216.9115.8214.89水66.264.362.660.758.83.筛板塔的特点筛板塔板简称筛板，结构持点为塔板上开有许多均匀的小孔。根据孔径的大小，分为小孔径筛板(孔径为38mm)和大孔径筛板(孔径为1025mm)两类。工业应用小以小孔径筛板为主，大孔径筛板多用于某些特殊场合(如分离粘度大、易结焦的物系)。 筛板的优点足结构简单，造价低；板上液面落差小，气体压降低，生产能力较大；气体分散均匀，传质效率较高。其缺点是筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料。 应予指出，尽管筛板传质效率高，但若设计和操作不当，易产生漏液，使得操作弹性减小，传质效率下降故过去工业上应用较为谨慎。近年来，由于设计和控制水平的不断提高，可使筛板的操作非常精确，弥补了上述不足，故应用日趋广泛。在确保精确设计和采用先进控制手段的前提下，设计中可大胆选用。4.设计要求:设计条件：体系：甲醇-水体系 常压 P=1atm（绝压）处理量：95kmol/h进料组成0.55 馏出液组成0.965釜液组成0.035 （以上均为摩尔分率）加料热状况 q=1.0塔顶全凝器 泡点回流回流比 R=(1.12.0)Rmin单板压降 0.7kPa二、设计说明书（1） 设计单元操作方案简介 蒸馏过程按操作方式的不同，分为连续蒸馏和间歇蒸馏两种流程。连续蒸馏具有生产能力大，产品质量稳定等优点，工业生产中以连续蒸馏为主。间歇蒸馏具有操作灵活、适应性强等优点，但适合于小规模、多品种或多组分物系的初步分离。故分离苯-甲苯混合物体系应采用连续精馏过程。蒸馏是通过物料在塔内的多次部分气化与多次部分冷凝实现分离的，热量自塔釜输入，由冷凝器和冷却剂中的冷却介质将余热带走。塔顶冷凝装置可采用全凝器、分凝器-全凝器两种不同的设置。工业上以采用全凝器为主，以便准确控制回流比。（2） 筛板塔设计须知（1）筛板塔设计是在有关工艺计算已完成的基础上进行的。对于气、液恒摩尔流的塔段，只需任选其中一块塔板进行设计，并可将该设计结果用于此塔段中。例如，全塔最上面一段塔段，通常选上面第一块塔板进行设计；全塔最下面一段塔段，通常选最下面一块塔板进行设计。这样计算便于查取气液相物性数据。 （2）若不同塔段的塔板结构差别不大，可考虑采用同一塔径，若不同塔段塔板的筛孔数、空心距与筛孔直径之比t/d0可能有差异。对筛孔少、塔径大的塔段，为减少进塔壁处液体“短路”，可在近塔壁处设置挡板。只有当不同塔段的塔径相差较大时才考虑采用不同塔径，即异径塔。（3） 筛板塔的设计程序（1）选定塔板液流形式、板间距 HT、溢流堰长与塔径之比lw/D、降液管形式及泛点百分率。（2）塔径计算。（3）塔板版面布置设计及降液管设计。（4）塔板操作情况的校核计算作负荷性能图及确定确定操作点。三设计计算书1.设计参数的确定1.1进料热状态泡点进料时，塔的操作易于控制，不受环境影响。饱和液体进料时进料温度不受季节、气温变化和前段工序波动的影响，塔的操作比较容易控制。此外，泡点进料，提馏段和精馏段塔径大致相同，在设备制造上比较方便。冷液进塔虽可减少理论板数，使塔高降低，但精馏釜及提馏段塔径增大，有不利之处。所以根据设计要求，泡点进料，q1。1.2加热方式精馏塔的设计中多在塔底加一个再沸器以采用间接蒸汽加热以保证塔内有足够的热量供应；由于甲醇-水体系中，甲醇是轻组分由塔顶冷凝器冷凝得到，水为重组分由塔底排出。所以本设计应采用再沸器提供热量，采用3kgf/cm2（温度130）间接水蒸汽加热。1.3回流比（R）的选择实际操作的R必须大于Rmin，但并无上限限制。选定操作R时应考虑，随R选值的增大，塔板数减少，设备投资减少，但因塔内气、液流量L，V，L，V增加，势必使蒸馏釜加热量及冷凝器冷却量增大，耗能增大，既操作费用增大。若R值过大，即气液流量过大，则要求塔径增大，设备投资也随之有所增大。其设备投资操作费用与回流比之间的关系如下图所示。总费用最低点对应的R值称为最佳回流比。设计时应根据技术经济核算确定最佳R值，常用的适宜R值范围为：R（1.22）Rmin。1.4 塔顶冷凝水的选择 采用深井水，温度t122.流程简介及流程图 2.1流程简介含甲醇0.55（摩尔分数）的甲醇-水混合液经过预热器，预热到泡点进料。进入精馏塔后分离，塔顶蒸汽冷凝后有一部分作为产品（含甲醇0.965），一部分回流再进入塔中，塔底残留液给再沸器加热后，部分进入塔中，部分液体作为产品排出塔体（含甲醇0.035）。2.2简略流程图如下：3.理论塔板数的计算、实际板数的确定及热量衡算3.1理论板数计算3.1.1物料衡算已知进料量F95kmol/h，进料组成XF0.55，进料q1设计要求：XD0.965，Xw=0.035衡算方程 ： F=D+W 95=D+W D=52.61Kmol/hFXF=DXD+WXW 95*0.55=0.965D+0.035W W=42.39Kmol/h3.1.2 相对挥发度的确定纯组分的饱和蒸汽压与温度的关系AB甲醇水sat=A-（）用表示，P用Hg表示。顶=4.169 底=3.573= =3.860Xe=0.55代入公式的：（Xe,Ye）=(0.55,0.825)3.1.3Rmin和R的确定RN1.10.5610.03270.61014.7951.20.6120.06330.59013.8781.30.6630.11900.55012.5561.40.7140.1270.51011.4491.50.7650.14450.50211.2001.60.8160.16850.49010.9611.70.8670.16980.48510.7301.80.91820.21270.46510.2961.90.9690.23310.45110.0912.01.0200.25250.44810.050根据图可知R=1.138在(1.12.0)之间，符合要求。3.1.4精馏段操作线方程的确定精馏段操作线方程：3.1.5精馏段和提馏段气液流量的确定已知 D52.61kmol/h R0.765精馏段：LRD40.247kmol/h V（R1）D92.857kmol/h提馏段：LLqF135.247kmol/h VV（1q）FV92.857kmol/h3.1.6提馏段操作线方程的确定提馏段操作线方程：采用逐板计算法： XD=y1=0.965 x1=0.877 y2=0.9268 x2=0.7663 y3=0.8788 x3=0.6527 y4=0.8296 x4=0.5577 y5=0.7884 x5=0.49120.55因x5xq，第五块上升的气相组成由提馏段操作方程计算， y6=0.6995 x6=0.3762 y7=0.5320 x7=0.2275 y8=0.3153 x8=0.1066 y9=0.1393 x9=0.0402 y10=0.0426 x10=0.01145s 故降液管尺寸可用。5.1.4降液管底隙高度，取则精馏段：提镏段：故降液管底隙高度设计合理5.2塔板布置及筛孔数目与排列5.2.1塔板的分块D800mm，故塔板采用分层，查表塔板分为3块。5.2.2边缘区宽度确定取5.2.3开孔区面积计算5.2.4筛孔计算及其排列物系无腐蚀性，选用=3mm碳钢板，取筛孔直径。筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为开孔率为=0.907筛孔数目n为个 精馏段气体通过阀孔的气速:提馏段气体通过阀孔的气速: 6.筛板的力学检验 6.1塔板压降6.1.1干板阻力计算由/=1.67查图得=0.84精馏段：m提馏段：m 6.1.2气体通过液层的阻力Hl计算精馏段：由图查取板上液层充气系数提馏段：4由图查取板上液层充气系数6.1.3液体表面张力的阻力计算计算精馏段：=液柱提馏段：=液柱6.1.4气体通过每层塔板的液柱高可按下计算精馏段=0.050+0.029+0.00184=0.08084m液柱提馏段=0.033+0.031+0.00184=0.06584m液柱6.2 液面落差对于D1.6m的筛板，液面落差可以忽略不计。6.3液沫夹带 (kg液/kg气)精馏段：提馏段：本设计液沫夹带量在允许范围0.1 kg液/kg气内,符合要求.6.4漏液的验算筛板塔,漏液点气速带入数据得：精馏段，提馏段实际孔速:精馏段,提馏段，稳定系数:精馏段，提馏段均大于1.5小于2,所以设计无明显液漏符合要求.6.5液泛的验算为防止塔内发生液泛,降液管内清液层高Hd()对于设计中的甲醇-水体系=0.5, Hd0.5=0.197m由于板上不设进口堰精馏段液柱提馏段所以不会发生淹泛现象以上各项流力学验算可认为精馏段、提溜段塔径及各项工艺尺寸是适合的。7.塔板负荷性能图7.1漏液线由得精馏段：=得=提馏段：=得=精馏段0.340.360.380.39提馏段0.300.330.350.367.2雾沫夹带线以kg液/kg气为限求-关系：由精馏段： 整理得提馏段： 整理得精馏段0.110.00890.0810.073提馏段0.1130.0990.090.0827.3液相负荷下限线对于平流堰，取堰上液层高度how=0.006m作为最小液体负荷标准，由式计算精馏段： 提馏段：7.4液相负荷上限线以=4s作为液体在降液管中停留的下限故精馏段： 提镏段：7.5液泛线Hd=()由，得其中带入数据精馏段 提馏段所以精馏段提馏段精馏段1.251.181.131.09提馏段0.420.390.350.297.6操作弹性由以上各线的方程式，可画出图塔的操作性能负荷图。根据生产任务规定的气液负荷，可知操作点在正常的操作范围内，作出操作线由图，故精馏段操作弹性为/=3.56由图，故提馏段操作弹性为/=4.93精馏段提馏段操作弹性均大于3小于5,符合要求。8. 辅助设备及零件设计8.1塔顶冷凝器（列管式换热器）甲醇-水走壳程，冷凝水走管程，采用逆流形式8.1.1.1估计换热面积甲醇-水冷凝蒸汽的数据tD=65.05冷凝蒸汽量：由于甲醇摩尔分数为0.965,所以可以忽略水的冷凝热,r=1100.18KJ/kg 冷凝水始温为12，取冷凝器出口水温为20，在平均温度物性数据如下（甲醇在膜温40.3下，水在平均温度16下）（kg/m3）Cp(KJ/k.)kg(s.m)(w/(m.)甲醇-水1.1562.5964510-50.1888水998.84.1862111110-50.5887a. 设备的热参数：b水的流量：c平均温度差：根据“传热系数K估计表”取K=2000W/(m2.) 传热面积的估计值为：安全系数取1.2 换热面积A=1.2*12.2=14.64m2管子尺寸取25mm 水流速取ui=1.0m/s管数：个管长：取管心距壳体直径取600mm折流板：采用弓形折流板取折流板间距B=200mm由上面计算数据，选型如下：公称直径D/mm600管子尺寸/mm25公称压力 PN/（MPa）1.6管子长l/m1.5管程数Np2管数n/根113壳程数Ns1管心距t/mm31.25管子排列正三角排列核算管程、壳程的流速及Re:（一）管程流通截面积：管内水的流速（二）壳程流通截面积： 取=11壳内甲醇-水流速 当量直径 8.1.1.2计算流体阻力管程流体阻力设管壁粗糙度为0.1mm，则/d=0.005,查得摩擦系数=0.022 符合一般要求壳程流体阻力 Re=661.2500，故管子排列为正三角形排列，取F=0.5挡板数 块 代入得 取污垢校正系数F=1.0=8376.9Pa10kPa故管壳程压力损失均符合要求8.1.1.3计算传热系数管程对流给热系数膜的雷诺数所以为垂直湍流管=3.89104壳程对流给热系数Re=661.2Pr0=8=0.36=837.8计算传热系数取污垢热阻 Rs0.15m/kW Rs=0.58 m/kW以管外面积为基准 则K=2.357kW/(m2.)计算传热面积 A=m2所选换热器实际面积为A=n=13.3m2裕度所选换热器合适釜式再沸器：计算热负荷：考虑到5%的热损失后 选用0.2MPa饱和水蒸气加热，因两侧均为恒温相变 取传热系数K=1000W/（m2.K）估算传热面积取安全系数0.8，实际传热面积A=172.9/0.8=216.12m2原料预热器原料加热：采用压强为270.25kPa的饱和水蒸汽加热，温度为130，冷凝温度至130流体形式，采用逆流加热 查表Cp甲醇=2.48 kJ/(kgK) Cp水=4.183 kJ/(kgK)摩尔分数 xF=0.20根据上式可知：Cpc=2.480.2+4.1380.8=3.8064kJ/(kgK)设加热原料温度由20到81.7 考虑到5%的热损失后选择传热系数K=800 w/(m2K)计算传热面积：取安全系数为0.8 A实际=5.23/0.8=6.6m28.2.2釜残液出料管釜残液的体积流量：取适宜的输送速度uw=1.6m/s则经圆整选取热轧无缝钢管，规格：12mm2.5mm 8.2.3回流液管回流液体积流量利用液体的重力进行回流，取适宜的回流速度，那么经圆整选取热轧无缝钢管，规格：20mm3.5mm 8.2.4再沸器蒸汽进口管V=0.02318/0.65=0.637设蒸汽流速为23m/s, 经圆整选取热轧无缝钢管，规格：188mm12.5mm 8.2.5 塔顶蒸汽进冷凝器出口管V=0.02332.04/1.147=0.64设蒸汽流速为20m/s, 经圆整选取热轧无缝钢管，规格：202m13mm m 8.2.6冷凝水管深井水温度为12，水的物性数据：=999.4kg/m3,=1.2363,深井水的质量流率，取流速为2m/s管径选取 1594.5mm热轧无缝钢管实际流速为 8.2. 1 进料管经圆整选取热轧无缝钢管，规格：70mm2mm 8.2.2塔底出料管经圆整选取热轧无缝钢管，规格：60mm2mm 8.2.3回流液管利用液体的重力进行回流，取适宜的回流速度，那么经圆整选取热轧无缝钢管，规格：62mm2mm8.2.4再沸器蒸汽进口管经圆整选取热轧无缝钢管，规格：68mm8mm 8.2.5 塔顶蒸汽进冷凝器出口管, 经圆整选取热轧无缝钢管，规格：1918mm m 8.2.6冷凝水管深井水温度为12，水的物性数据：=999.4kg/m3,=1.2363,深井水的质量流率，取流速为2m/s管径选取 1594.5mm热轧无缝钢管实际流速为8.3冷凝水泵雷诺数取=0.01，,查图摩擦系数=0.0315各管件及阀门阻力系数如下:名称水管入口进口阀90弯头4半开型球阀0.560.7549.5设管长为5米,=4.44扬程 取20m 流量选择IS100-65-250型离心泵,参数为流量V=120,扬程,H=74.5m转速泵效率,=73%轴功率Na=33.3kW9.设计结果汇总筛板塔设计计算结果及符号汇总表参数符号参数名称精馏段提馏段T m (C)平均温度68.583.19P m (kpa)平均压力104.45111.45M Lm(kg/kmol)液相平均摩尔质量28.6122.01M Vm(g/kmol)气相平均摩尔质量35.50924.054lm (kg/m)液相平均密度798.20893.28vm (kg/m)气相平均密度1.08960.982m (dyn/cm)液体平均表面张力27.8147.91m (mpas)液体平均粘度0.35330.2846Vs(m/s)气相流量0.72210.6580Ls (m/s)液相流量0.000400650.00063552N