2022年甲醇—水连续填料精馏塔的方案 .pdf

个人资料整理仅限学习使用化工原理课程设计说明书设计题目：甲醇水连续填料精馏塔设计者：专业：化工工艺学号：指导老师：2005 年 07 月 20 日精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 26 页个人资料整理仅限学习使用目录一、 前言(3 二、 工艺流程说明(4 三、 精馏塔的设计计算1. 由质量分率求甲醇水溶液的摩尔分率5）2.全塔物料衡算5）3.采用图解法，求解RMin，R (5）4.填料塔压力降的计算(6 ）5.D、Z、计算7）6. 计算结果列表14）四、 辅助设备的选型计算7.储槽的选型计算15）8.换热器的选型计算16）9.主要接管尺寸的选型计算19）10.泵的选型计算21）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 26 页个人资料整理仅限学习使用11.流量计选取21）12.温度计选取22）13. 压 力 计 选 取22）五、 设备一览表23）六、 选用符号说明24）七、 参考文献 前 言甲醇俗称木醇，木精，是一种大宗有机化学品，它不仅容易运输和储藏，而且可以作为很多有机化学品的中间原料。由它可以加工成的有机化学品有100 余种，广泛用于有机合成、染料、医药、涂料和国防等工 业 。 随着 近 年 来 技 术 的 发 展 和能 源 结 构 的 改 变 ，甲 醇 开 辟了 新 的用途。甲醇是较好的人工合成蛋白质的原料，目前，世界上已经有30 万吨的甲醇制蛋白质的工业装置在运行。甲醇是容易运输的清洁燃料，可以单独或与汽油混合作为汽车燃料，从而开辟了由煤转换为汽车燃料的途径。用孟山都法可以将甲醇直接合成醋酸。随着近年来碳一化学工业的发展，甲醇制乙醇、乙烯、乙二醇、甲苯、醋酸乙烯、醋酐、甲酸甲酯和氧分解性能好的甲醇树脂等产品，正在研究开发和工业化中。此外，甲醇在工业应用和实验室中是十分重要的溶剂。许多反应在甲醇作为溶剂时产率非常好。虽然有一定的毒性，但相对于其它有机溶剂来说，还是比较安全的。本次设计的精馏塔是用来分离回收甲醇的，所以塔釜排出的水中含有的甲醇含量不大于0.002 wt ），以提高甲醇的回率，减少对环境的污染；塔顶得到的甲醇的浓度为98.5 wt ），可以代替纯的甲醇直接使用，这说明塔的效率是很好的。采用填料式精馏塔，因为随着填料塔技术的不断完善，在性能上比板式塔要好很多，而且填料塔的结构比较简单，制造、维修难度和造价比板式塔低很多，所以选用填料塔，可以减少设计、制造、操作费用。也是符合实际生产需要的。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 26 页个人资料整理仅限学习使用工艺流程说明本次设计的精馏塔 是用来 分 离回收 甲 醇的，要求回收 甲醇的浓度达到 98.5 ，所采用的流程如图所示，含19% 的原料液通过原料泵加压，再经过过滤器、原料预热器，再进精馏塔进行精馏分离，塔顶气相通过冷凝器冷凝，不凝气体放空。冷凝液一 部分 由回流泵压回塔内作为回流液，其余部分则作为产品输送到罐场包装。塔形的选择：具体选择塔型时，要根据被分离物料的性质和负荷，要求精馏过程的压力降、温度以及腐蚀程度等条件决定。目前主要有板式塔和填料塔两种。根据计算要求该塔分离效率高，压力降小，应采用填料塔。填料塔与板式塔相比，具有一定的优点：（1）生产能力大。板式塔内件的开孔率均在50%以上，而填料塔中的空隙率则超过90%，故单位塔截面积上，填料塔的生产能力一般均高于板式塔。（2）分离效率高。工业填料塔每M 理论级大多在2 级以上，最多可达 10 级以上，而常用的板式塔每M 理论级最多不超过2级。研究表明，在减压和常压操作下，填料塔的分离效率明显优于板式塔。（3）压力降小。填料塔由于空隙率高，故其压降远远小于板式塔。一般情况下，板式塔的每个理论级压降约在0.41.1Kpa。填料塔约为0.010.27KPa。压降低能降低操作费用，节约能耗。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 26 页个人资料整理仅限学习使用（4）持液量小。填料塔持液量一般小于6%，而板式塔则高达8%12%。持液量大，虽可稳定操作，但增长开工时间，增加操作周期及操作费用。（5） 操作弹性大。填料对负荷变化的适应性很大，而板式塔的操作弹性一般很小。（6） 填料塔塔内结构简单，耐腐蚀，且灵活，价廉。目前工业上95%以上采用填料塔，只有当液体处理量特别大或有固体时，才采用板式塔。主机精馏塔）的设计计算1. 由质量分率求甲醇水溶液的摩尔分率：求得各个物料的摩尔分率如下：2.全塔物料衡算F=则有：物料塔顶进料塔釜摩尔分率0.9736 0.1165 0.001127 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 26 页个人资料整理仅限学习使用解得 W=25.956 D=3.4943.采用图解法，求解RMin，R 甲醇水溶液的平衡数据及部分数据。温度t/液相中甲醇摩尔分数xA 汽相中甲醇摩尔分数yA温度t/液相中甲醇摩尔分数xA汽相中甲醇摩尔分数yA100 0.0 0.0 75.3 0.40 0.729 96.4 0.02 0.134 73.1 0.50 0.779 93.5 0.04 0.234 71.2 0.60 0.825 91.2 0.06 0.304 69.3 0.70 0.870 89.3 0.08 0.365 67.6 0.80 0.915 87.7 0.10 0.418 66.0 0.90 0.958 84.4 0.15 0.517 65.0 0.95 0.979 81.7 0.20 0.579 64.5 1.0 1.0 78.0 0.30 0.665 由平衡数据在坐标纸上描点，画出甲醇水溶液的x-y 图 附图在后）。由图读知N=12-1=11 ，从塔顶算起第7 块塔板为进料板，塔的理论塔板数为11。原料泡点进料，故xq=xF=0.1165,从图可知 yq=0.440，故有：对于指定的物系， RMin只取决于分离要求，即设计型计算中达到一定分离程度所需回流比的最小值，实际操作回流比应大于最小回流比。但增大回流比，起初显著降底所需塔板层数，设备费用明显下降。再增加回流比，虽然塔板层数仍可继续减少，但下降的非常慢。与此同时，随着回流比的加大，塔内上升蒸气量也随之增加，致使塔径、塔板面积、再沸器、冷凝器等设备尺寸相精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 26 页个人资料整理仅限学习使用应增大。因此，回流比增至某一数值时，设备费用和操作费用同时上升，回流比的采用原则是使设备费用和操作费用的总费用最小。通常，适宜回流比的数值范围为 R=1.12.0）RMin。本设计中取 R2RMin 。R=2 RMin =21.649 =3.298 4. 填料塔压力降的计算各组分的饱和蒸汽压由安托尼方程求得各组分的饱和蒸汽压的计算值：塔顶的压力： 109.5 kPa 塔釜的压力： =103） =所以精馏塔的压力降为： =5. D、Z、计算5.1精馏段5.1.1平均温度料液泡点进料，取, 假设，则精馏段平均温度工程安托尼方程常数饱和蒸汽压A B C 67103 甲醇11.9673 3626.55 -34.29 111025 387425 水11.6834 3816.44 -46.13 27171.8 112060 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 26 页个人资料整理仅限学习使用5.1.2 平均分子量塔顶：，由图可知0.950 0.973632.04+18.02=31.34 kg/kmol 进料板：， 由图可知0.44032.0418.02=19.65kg/kmol 精馏段平均分子量：25.495kg/kmol =27.9895kg/kmol 5.1.3精馏段平均操作压力塔顶压力109500Pa，取每层塔板压力降238.36Pa ，则进料板压强238.36 7+109500111169Pa110334Pa 5.1.4 液相密度塔顶由图一得查得下甲醇水由得：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 26 页个人资料整理仅限学习使用760.050kg/m3进料板 由图知加料板液相组成查得下甲醇水由得：915.988kg/m3故精馏段液相平均密度5.1.5精馏段汽相平均密度5.1.6液体粘度查 化 学 工 程 手 册 第 一 篇：塔顶：时进料板：时A B 甲醇555.30 260.64 水658.25 283.16 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 26 页个人资料整理仅限学习使用则精馏段平均液相粘度5.1.7 汽相负荷计算5.1.8液相负荷计算5.1.9填料选择目前市场上规整填料价格较昂贵，且甲醇水不属于难分离系统，腐蚀性较小，故采用价格低、性能优良的散装金属拉西环DN25 填料，查表得填料因子257。5.1.10塔径计算 (采用埃克特通用关联图计算 横坐标查化工传质与分离过程图 433可得纵坐标 1.17 故得2.305m/s 取安全系数 0.7，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 26 页个人资料整理仅限学习使用圆整塔径取 D=0.400m 此时符合 0.50.85范围,所以塔径圆整适合5.2 提馏段5.2.1 平均温度料液泡点进料，取,则提馏段平均温度5.2.2 平均分子量塔底由图可，0.0023 0.002332.04+18.02=18.04kg/kmol 进料板0.44032.0418.02=19.61kg/kmol 提馏段平均分子量：kg/kmol =21.19kg/kmol 5.2.3操作压力塔釜压力112703Pa ，则进料板压强112370Pa 111769.5Pa 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 26 页个人资料整理仅限学习使用5.2.4 提馏段平均液相密度塔釜由图一得0.001127 查得 103下，甲醇密度水由得：956.080kg/m3进料板915.988kg/m3故提馏段平均液相密度5.2.5提馏段汽相平均密度5.2.6提馏段平均液相粘度查 化 学 工 程 手 册 第 一 篇：塔底 1030.2663cp 进料板：时A B 甲醇555.30 260.64 水658.25 283.16 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 26 页个人资料整理仅限学习使用=0.3182cp 则提馏段平均液相粘度塔板效率ET=0.17-0.616lg=0.487 N=NT/ET=22.6 实际塔板数应取23 块。5.2.7液相负荷计算5.2.8汽相负荷计算5.3塔径计算 (采用埃克特通用关联图计算 横坐标查化工传质与分离过程图 433可得纵坐标 1.022 继续采用散装金属拉西环DN25 填料得 uF3.698m/s 取安全系数 0.7，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 26 页个人资料整理仅限学习使用圆整塔径取 D=0.400m 此时符合 0.50.85范围,塔径圆整合适5.4.塔高的计算等板高度法，取 HETP0.5m 5.4.1精馏段取安全系数为 1.4 5.4.2提馏段取安全系数为 1.4 Z=Z1+Z23.5+4.27.7m 5.5压降的计算5.5.1精馏段查埃克特通用关联图得：5.5.2提馏段精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 26 页个人资料整理仅限学习使用查埃克特通用关联图得：检验：0.05 所以假设成立， D0.400m 6.计算结果列表6.1.物料衡算进料口 F塔顶 D 塔釜 W 进料量 mol/s ）29.45 3.49425.956 浓 度 摩 尔 分率）0.1165 0.9736 0.001127 压力Pa）111169109500 112370 温度）8567 103 6.2. 填料塔参数塔径 DN填料层高度 H 填料层压降误差分析0.40m 7.7m 3927.9Pa 1.56% 辅机辅助设备）的选型计算7.1 原料储槽的选型计算精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 26 页个人资料整理仅限学习使用原料液的存储量是要保证生产能正常进行，主要根据原料生产情况及供应周期而定的。根据经验，取储槽中的原料液温度为t=25 ，此时进料液中各物料的物性是：甲醇：质量浓度水：质量浓度 进料液体积流量在工业中为了安全起见，储槽一般要留出一定空间。取储槽安全系数为0.7安全系数，又称装填系数，是指有效容积占储槽总容积的百分率），按大工厂计算，取 24 小时进料量计算，故所需的储槽实际体积为：原料储槽工作于常温、常压下，甲醇是一级防爆产品。综合以上因素，最终选用立式平底锥盖容器系列JB1422-74），选公称容积，图号为： R22-00-15。7.2 中间槽中间槽是储存回流量及出料的储罐。甲醇精馏过程为连续生产，中间槽的设计依据是中间槽装液60 80能保持至少12 个小时的流量，该设计任务中，槽装液 70，即取安全系数为0.7 ，保持流量 2 小时。取储槽中的料液温度为t=40，此时进料液中各物料的物性是：甲醇：质量浓度水：质量浓度 进料液体积流量为：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 26 页个人资料整理仅限学习使用选用卧式无折边球形封头容器系列，标准号JB1427-74，选公称容积，图号为： R22-0.7-21 。7.3 塔底冷凝液储槽仍取储槽中的料液温度为t=40，进料液体积流量为：选用立式平底平盖容器系列，标准号JB1421-74，选公称容积，图号为： R21A-00-15。8. 换热器的选型计算在本设计任务中，甲醇浓度都比较高，在换热时不能直接与冷流体混合，所以应采用间壁式换热器。在冷、热流体的初、终温度相同的条件下，逆流的平均温差较并流的大。因此，在换热器的传热量Q 及总传热系数K 值相同的条件下，采用逆流操作效果较好。若换热介质流量一定时，可以节省传热面积，减少设备费；若传热面积一定时，可减少换热介质的流量，降低操作费。因而，工业上多采用逆流操作。同时，若换热器两端冷、热流体的温差大，可使换热器的传热面积小，节省设备投资。但要使冷、热流体温差大，冷却剂用量就要大，增加了操作费用，故温差的取值应考虑其经济合理性，即要选择适宜的换热器两端冷、热流体温差，使投资和操作费用之和最小。8.1 原料液换热器根据化工设计书可知K 的取值范围一般在400，由于换热器在使用过程中会形成污垢，导致K的减小，故取 K=400进料温度查化学工程手册第1 篇可得：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 26 页个人资料整理仅限学习使用甲醇/Kg甲醇/Kg水/Kg水/Kg75.50进料温度为 25 摄氏度。如图所示：逆流换热，采用饱和蒸汽加热：据热量衡算可得：查化工工艺设计手册选取: 浮头式换热器，型号为：FB3255402，公称直径325mm，公称压力40， 2 管程，排管数32 根，管子为，换热面积为 5m,计算传热面积 7.4m。标准图号为： JF001。8.2塔顶冷凝器2585100t精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 26 页个人资料整理仅限学习使用假设冷流体从 25升至 40，热流体从气体冷凝为液体67时，查得甲醇、水的汽化潜热：逆流换热，采用水冷却取据热量衡算可得：查化工工艺设计手册上册第一版）选取 U 型管式换热器型号为 YA 325-25-64/64-4图号为 JY0068.3 塔底再沸器103时 查得甲醇、水的汽化潜热：逆流换热，采用 130的水蒸气加热取254067t精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 26 页个人资料整理仅限学习使用查化工工艺设计手册上册 型热电偶 ,分度号为E,套管材料1Cr18Ni9Ti, 外径d=2mm,测量范围0300, 允差值3. 最高使用温度700, 公称压力P500kgf/cm2。也可选用 WRK240 型隔爆镍铬铜镍热电偶,分度号 E,结构特征 :固定螺纹安装，测温范围 0600, 公称压力 P100kgf/cm2。13.压力计选取压力计选取，需考虑量程、精度、介质性质及使用条件等因素。安装时，应力求避免振动和高温的影响。量程为稳定压力 填料因子 m-1D 直径 m 塔顶产品摩尔流量kmol/h 液体密度校正系数上下标说明F 进料摩尔流量 kmol/h A 甲醇g 重力加速度 m/s2 B 水HETP 填料层等板高度 m D 塔顶产品K 传热系数 w/(m2 F 进料M 物料质量流量 kg/h 摩尔质量 kg/kmol f 泛点N 理论板数i 纯组分P 压力 Pa L 液体Q 传热量 kJ/h Min 最小量r 汽化潜热 kJ/kg m 平均值S 换热器面积 m2 s 饱和蒸汽T 绝对温度 K V 气体或蒸汽t 摄氏温度平均u 流体流速 m/s 提馏段V 容器体积 m 塔内蒸汽量 mol/s 体积流量 m3/sW 塔釜产品摩尔流量kmol/h x 物料摩尔分率Z 填料层高度 m 参考文献1甲醇工学房鼎立，宋维端，肖任坚合编，朱炳辰审定，化学工业出版社2化工传质与分离过程贾绍义，柴诚敬主编，化学工业出版社3化工流体流动与传热柴诚敬，张国亮主编，化学工业出版社4化工热力学陈钟秀，顾飞燕，胡望明编著 化学工业出版社5化工设计黄璐，王保国化学工业出版社， 255页6化工工艺设计手册 上册）国家医药管理局上海医药设计院编化学工业出版社7. 中国化工机械设备大全蔡源众 主编，成都科技大学出版社精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页，共 26 页个人资料整理仅限学习使用精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 26 页，共 26 页