2022年6万吨分离甲醇水混合液的填料精馏塔设计.docx

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1、精品学习资源0.6 万吨/ 年分别甲醇 - 水混合液的填料精馏塔设计摘 要精馏是借助回流技术来实现高纯度和高回收率的分别操作，在抗生素药物生产 中，需要甲醇溶媒洗涤晶体，洗涤过滤后产生废甲醇溶媒，然后对甲醇溶媒进行精 馏；操作一般在塔设备中进行，塔设备分为两种，板式塔和填料塔；填料塔结构简 单、装置敏捷、压降小、持液量少、生产才能大、分别效率高、耐腐蚀，且易于处 理易气泡、易热敏、易结垢物系等优点，同时也有投资费用较高、填料易堵塞等缺 点；近年来由于填料塔结构的改进，新型的高负荷填料的开发，既提高了塔的通过 才能和分别效能又保持了压降小及性能稳固的特点；因此，填料塔已被推广到大型 气液操作中，

2、在某些场合仍代替了传统的板式塔；从设备设计的角度看，不论板式 塔仍是填料塔，基本上由塔体、内件、裙座、和附件构成；近年来由于填料塔结构 的改进，新型的、高负荷填料的开发，既提高了塔的通过才能和分别效能又保持了 压降小以性能稳固等特点；因此填料塔已被推广到大型汽液操作中，在某些场合仍 代替了传统的板式塔；但国内在这方面的讨论就较少,如何设计规整填料蒸馏塔已成为一个重要的课题 ,它对自行设计 ,改进现有设备生产状况都较为重要；随着对填料塔的讨论和开发，性能优良的填料塔必将大量用于工业生产中；关键词 ：精馏，填料塔，设备设计欢迎下载精品学习资源AbstractDistillation through

3、 reflux technology to achieve the separation of high purity and high recovery operation in the production of antibiotics, methanol solvent washing crystal, washing the filtered waste methanol solvent, and then the methanol solvent distillation.The operation generally tower equipment, tower equipment

4、 is divided into two types,plate tower and packed tower. Packed tower structure is simple, flexible devices, low pressure drop, hold less liquid, large production capacity, and high separation efficiency, corrosion resistance, and easy to handle and easy bubble, easy to thermal, easy to scale in the

5、 Department of advantages,but also investment costs higher filler easy to plug the shortcomings. In recent years, due to the improvement of the packed tower structure, the development of new high-load packing, both to improve the tower through the capacityand separation efficiency while maintaining

6、low pressuredrop and stable performance characteristics. Therefore, the packed tower has been extended to large-scale gas-liquid operations, in some cases instead of the traditional plate tower. In recent years, due to the improvement of the packed tower structure, the development of new, high-load

7、packing, not only improves the tower capacity and separation efficiency, while maintaining the pressure drop and small to stable performance. Packed tower has been extended to the large vapor-liquidoperations, in some cases instead ofthe traditional plate tower.Domestic research in this area is less

8、, how to design a structured packing distillation tower has become an important issue, its own design, improvement of existing equipment conditions are more important. With the research and development of the packed tower, the excellent performance of the packed tower is bound to a large number of i

9、ndustrial production.Keywords :Distillation, packed tower, equipment design欢迎下载精品学习资源目录前言 5第一章填料塔的简介 61.1 概述 61.2 流程确定和说明 81.2.1 加料方式 81.2.2 进料状况 81.2.3 塔顶冷凝方式 81.2.4 回流方式 91.2.5 加热方式 91.2.6 加热器 9其次章填料塔设计运算 10欢迎下载精品学习资源2.1 操作条件与基础数据102.1.1 操作压力 102.1.2 气液平稳关系及平稳数据 102.1.3 物料平稳运算 112.2 填料塔工艺运算 122.2.

10、1 物料衡算 122.2.2 热量衡算 132.2.3 理论板数运算 172.3 填料塔主要尺寸的设计运算 172.3.1 塔顶条件下的流量及物性参数 182.3.2 塔底条件下的流量物性参数 192.3.3 进料条件下的流量及物性参数 192.3.4 精馏段流量及物性参数202.3.5 提馏段流量及物性参数222.4 填料的挑选 242.5 塔径和填料层运算 242.5.1 塔径设计运算 242.5.2 填料层运算 262.6 附属设备及主要附件的选型运算282.6.1 冷凝器 282.6.2 加热器 282.6.3 塔内管径的运算及选型29欢迎下载精品学习资源2.6.4 液体分布装置 30

11、2.6.5 除沫器 32第三章精馏塔主要设计参数汇总表32第四章总结 34致谢 35参考文献 36前言本设计目的是分别甲醇 - 水混合液，处理量不大，应选用填料塔；填料塔，是一类用于气液和液液系统的微分接触传质设备，主要由圆筒形塔体和堆放在塔内对传质起关键作用的填料等组成，用于吸取、蒸馏和萃取，也可用于接触式换热、增湿、减湿和气液相反应过程；所以塔设备的讨论始终是国内外学者普遍关 注 的 重 要 课 题；填料塔的应用始于 19 世纪中叶，起初在空塔中填充碎石、砖块和焦炭等块状物，以增强气液两相间的传质；1914 年德国人 F. 拉西第一采纳高度与直径相等的陶瓷环填料 现称拉西环）推动了填料塔的

12、进展；此后，多种新填料相继显现，填料塔的性能不断得到改善，近30 年来, 填料塔的讨论及其应用取得庞大进展 , 不仅开发了数十种新型高效填料，仍较好地解决了设备放大问题；到60 岁月中期，直径数 M乃至十几 M的填料塔已不足为奇；现在，填充塔已与板式塔并驾齐驱，成为广泛应用的传质设备；填料塔自它创造以来已广泛地应用于化工生产的各个领域；近二十年 ,规整填料塔对板式塔、散装填料以及其它多种塔设备产生了庞大的冲击, 在国内外引起众多讨论者的极大爱好 ,在近几年的文献中 ,国外有大量的规整填料 讨论报道；它因其高通量 ,低压降 ,操作稳固而广泛地用于气- 液, 液- 液接触的塔设备中,如蒸馏、吸取、

13、萃取等诸多领域；特殊是在气液接触中,已越来越多地被采纳,如已有设备通过利用规整填料来更换塔内构件,从而达到提高塔负荷的目 的；规整填料种类较多 ,有板波纹填料、格栅填料、丝网填料等 ,材质有金属、塑料、陶瓷等；即使同样的种类亦有不同的规格,它们的比表面、间隙率及几何尺寸欢迎下载精品学习资源存在差异 ,这样在挑选填料时 ,应依据体系物性 ,操作负荷 ,压降要求 ,同时兼顾材料性能等 ,进行综合考虑 ,保证既经济又能正常生产；第一章填料塔的简介1.1 概述填料塔，是一类用于气液和液液系统的微分接触传质设备，主要由圆筒形塔体和堆放在塔内对传质起关键作用的填料等组成，用于吸取、蒸馏和萃取，也可用于接触

14、式换热、增湿、减湿和气液相反应过程；所以塔设备的讨论始终是国内外学者普遍关注的重要课题 ；填料塔的优点有：1）压降特别小；气相在填料中的液相膜表面进行对流传热、传质，不存在塔板上清液层及筛孔的阻力；在正常情形下，规整填料的阻力只有相应筛板塔阻力的 1/5 1/6 ；2）热、质交换充分，分别效率高，使产品的提取率提高；3）操作弹性大，不产生液泛或漏液，所以负荷调剂范畴大，适应性强；负荷调剂范畴可以在 30%110%，筛板塔的调剂范畴在 70%100%；4）液体滞留量少，启动和负荷调剂速度快；5）可节约能源；由于阻力小，空气进塔压力可降低0.07MPa左右，因而使空气压缩能耗削减 6.5%左右；6

15、）塔径可以减小；此外，应用规整填料后，由于当量理论塔板的压差减小，全精馏制氩可能实现，氩提取率提高 10%15%；规整填料精馏塔一般分为 35 段填料层，每段之间有液体收集器和再分布器，传统筛板塔的板间距为110160mm，而规整填料的等板高为 250 300mm，因此填料塔的高度会增加；一般都挑选铝作为规整填料的材 料，这样可减轻重量和削减费用，但必需掌握好填料金属表面残留润滑油量小于欢迎下载精品学习资源50mg/m2；在这样条件下，可认为铝填料塔和铝筛板塔用于氧精馏是同样安全的；塔设备按其结构形式基本上可分为两类：板式塔和填料塔；以前，在工业生产中， 当处理量大时多用板式塔，处理量小时采纳

16、填料塔；近年来由于填料塔结构的改 进，新型的、高负荷填料的开发，既提高了塔的通过才能和分别效能又保持了压降小以性能稳固等特点；因此填料塔已被推广到大型汽液操作中；在某些场合仍代替了传统的板式塔；如今，直径几M甚至几十 M的大型填料塔在工业上已非罕见；随着对 填料 塔的讨论和开发， 性能优良的 填料塔必将大 量用于工业 生产中；填料塔为逐级接触式汽液传质设备，它具有结构简洁、安装便利、操作弹性大 、 持液 量 小 等 优 点 ； 同 时 也 有 投 资 费 用 较 高 、 填 料 易 堵 塞 等 缺 点 ；本 设 计 目 的 是 分 离 甲 醇 - 水 混 合 液 ， 处 理 量 不 大 ， 故

17、 选 用 填 料 塔 ；塔型的挑选因素许多；主要因素有物料性质、操作条件、塔设备的制造安装和修理等；与物性有关的因素：1）易起泡的物系在板式塔中有较严峻的雾沫夹带现象或引起液泛，应选用填料塔为宜；由于填料不易形成泡沫；本设计为分别甲醇和水，应选用填料塔；2）对于易腐蚀介质，可选用陶瓷或其他耐腐蚀性材料作填料，对于不腐蚀的介质，就可选金属性质或塑料填料，而本设计分别甲醇和水，腐蚀性小可选用金属填料；与操作条件有关的因素：1）传质速率受气膜掌握的系统，选用填料塔为宜；由于填料塔层中液相为膜状流、气相湍动，有利于减小气膜阻力；2） 难分别物系与 产品 纯度要求较高， 塔板 数很 多时， 可采纳高 效

18、填料 ；3）如塔的高度有限制，在某些情形下，选用填料塔可降低塔高，为了节约能耗，故本设计选用填料塔；4）要求塔内持液量、停留时间短、压强小的物系，宜用规整填料；1.2 流程确定和说明1.2.1 加料方式加料方式有两种：高位槽加料和泵直接加料；采纳高位槽加料，通过掌握液位欢迎下载精品学习资源高度，可以得到稳固的流量和流速；通过重力加料，可以节约一笔动力费用；但由于多了高位槽，建设费用增加；采纳泵加料，受泵的影响，流量不太稳固，流速也忽大忽小，从而影响了传质效率，但结构简洁、安装便利；如采自动掌握泵来掌握泵的流量和流速，其掌握原理较复杂，且设备操作费用高；本次试验采纳高位槽进料；1.2.2 进料状

19、况进料状况一般有冷液进料、泡点进料；对于冷液进料，当组成肯定时，流量肯定，对分别有利，节约加热费用；但冷液进料受环境影响较大，对于合肥地区来 说，存在较大温差，且增加塔底蒸汽上升量，增大建设费用；采纳泡点进料，不仅对稳固塔操作较为便利，且不受季节温度影响；综合考虑，设计采纳泡点进料；泡点进料时，基于恒摩尔流假定精馏段和提馏段塔径基本相等，制造上较为便利；1.2.3 塔顶冷凝方式塔顶冷凝采纳全凝器，用水冷凝；甲醇和水不反应；且简洁冷凝，故使用全凝器；塔顶出来的气体温度不高，冷凝后产品温度不高无需进一步冷却；此次分别也是想得到液体甲醇，选用全凝器符合要求；1.2.4 回流方式回流方式可分为重力回流

20、和强制回流；对于小型塔，回流冷凝器一般安装在塔顶；其优点是回流冷凝器无需支撑结构，其缺点是回流冷凝器回流掌握较难；假如需要较高的塔处理量或塔板数较多时，回流冷凝器不适合于塔顶安装；且塔顶冷凝器不易安装、检修和清理；在这种情形下，可采纳强制回流，塔顶上升蒸汽采纳冷凝冷却器以冷回流流入塔中；由于本次设计为小型塔，故采纳重力回流；欢迎下载精品学习资源1.2.5 加热方式加热方式分为直接蒸汽和间接蒸汽加热；直接蒸汽加热是用蒸汽直接由塔底进入塔内；由于重组分是水，故省略加热装置；但理论塔板数增加，费用增加；间接蒸汽加热是通过加热器使釜液部分汽化；上升蒸汽与回流下来的冷液进行传质，其优点是使釜液部分汽化，

21、维护原先的浓度，以削减理论板数，缺点是增加加热装 置；本次试验采纳间接蒸汽加热；1.2.6 加热器采纳 U型管蒸汽间接加热器，用水蒸汽作加热剂；由于塔小，可将加热器放在塔内，即再沸器，这样釜液部分汽化，维护了原有浓度，削减了理论板数；欢迎下载精品学习资源其次章填料塔设计运算2.1 操作条件与基础数据2.1.1 操作压力精馏操作按操作压力分为常压、加压和减压操作；精馏操作中压力影响特别 大；当压力增大时，混合液的相对挥发度将减小，对分别不利；当压力减小时，相对挥发度将增大，对分别有利；但当压力不太低时，对设备的要求较高，设备费用增加；因此在设计时一般采纳常压蒸馏；当常压下无法完成操作时，就采纳加

22、压或减压蒸馏；对于甲醇 - 水系统在常压下相对挥发度相差较大，较易分别，故本设计采纳常压精馏；2.1.2 气液平稳关系及平稳数据表 2-1甲醇 - 水溶液的平稳数据物料衡算已 知 ：, 质 量 百 分 数 ） ，摩尔分数：2-1 ）2-2） 依据甲 醇和水的气液 平稳表1，利用内插法求塔顶温度,塔釜温度, 进料温度；错误 .塔顶温度,错误 .塔釜温度错误 .进料温度回流比确定由图可知进料平稳曲线为不正常平稳曲线，作图求最小回流比由点a向平稳线作切线，交轴于b），精馏段操作线截距, 所欢迎下载精品学习资源以=31.8 所以操作回流比可取为最小回流比的1.1到 2.0倍所以，回流比确当为平均相对挥

23、发度 =4.352.2 填料塔工艺运算2.2.1 物料衡算错误 .已 知 ：， 年 开 工300天 ，进料 摩尔 流量：2-4 ）,总物料衡算：易挥发组分衡算： 解得:错误 .塔顶产品的平均相对分子质量2-5 ）塔顶产品流量：2-6）错误 .塔釜产品的平均相对分子质量2-7 ）塔釜产品流量 :欢迎下载精品学习资源错误 .物料衡算结果汇总如下表 2-2物料衡算结果表欢迎下载精品学习资源参数单位进料 F塔顶 D塔釜 W欢迎下载精品学习资源物料流量kg/h830.756588.957241.799质量分数70%98%2%摩尔分数56.83%96.5%1.13%kmol/h31.9818.66813.

24、312欢迎下载精品学习资源百分组成2.2.2 热量衡算欢迎下载精品学习资源1）热量衡算错误 .加热介质和冷却剂的选择a. 加热介质的选择常用的加热介质有饱和水蒸气和烟道气；饱和水蒸气是一种应用最广的加热剂；由于饱和水蒸气冷凝时的传热膜系数很高，可以通过转变蒸汽的压力精确地掌握加热温度；燃料燃烧所排放的烟道气温度可达1001000，适用于高温加热；缺点是烟道气的比热容及传热膜系数很低，加热温度掌握困难；本设计选用300kPa冷 凝 器 的 热 负 荷冷凝器的热负荷塔塔顶顶上馏升出蒸2-8汽液的的）式中:焓；焓；2-9）式中：甲醇的蒸发潜热；欢迎下载精品学习资源水的蒸发潜热；蒸发潜热与温度的关系：

25、 其中对比温度；表 2-3沸点下蒸发潜热列表沸点 / 蒸发潜热/kcal kmol -1 ）甲醇64.658430512.6水1009729647.3由沃森公式计算塔顶温度下的潜热2-10）65.66时，对甲醇：蒸发潜热对水，同理得：，蒸发潜热对全凝器作热量衡算忽略热量损失）选 择 泡 点 回 流 ， 因 为 塔 顶 甲 醇 含 量 很 高 ， 与 露 点 相 接 近 ， 所 以冷 却 介 质 消 耗 量欢迎下载精品学习资源4加热器的热负荷及全塔热量衡算选 用 300kPa表 2-4甲醇和水在不同温度下的比热容65.3171.86平均值98.5271.86平均值0.7200.7420.7310

26、.8310.7420.787111111温度 / 甲醇 /水/根据表2-2，,对全塔进行热量衡算：2-12） 为 了 简 化 计 算 ， 以 进 料 焓 ， 即 88.55 时 的 焓 值 为 基 准 做 热 量 衡 算表 2-5热量衡算数据结果列表欢迎下载精品学习资源/kcal.h-1/kg.h-1/kcal.h-1/kcal.h-1/kcal.h-1/kcal.h-1/kg.h-1 0-2838.776418.83808.57欢迎下载精品学习资源2.2.3 理论板数运算由于本次设计的相对挥发度是变化的，所以不能用简捷法求理论板数，应用图解法；精馏段操作线方程截距连接与 q 线交于 d 点，

27、连接 与 d 点，得提留段操作线 ；求得理论塔板数 10，提留段 3 块，精馏段 7 块；2.3 填料塔主要尺寸的设计运算精馏塔设计的主要依据和条件 :表 2-6不同温度下甲醇和水的密度物质密度 kg/m3欢迎下载精品学习资源温度 / 5060708090100甲醇750741731721713704水988983978972965958表 2-7查图整理得甲醇 - 水特殊点粘度粘度 mPas物质塔顶 65.31 塔底 98.52 进料 71.86 甲醇0.3320.2250.295水0.4550.2560.4102.3.1 塔顶条件下的流量及物性参数，错误 .气相平均相对分子质量欢迎下载精品

28、学习资源液相平均相对分子质量错误 .欢迎下载精品学习资源错误 .气相密度错误 .液 相 密 度,查表2-7，由内插法得：所以错误 .液相粘度查表2-7得：，错误 . 塔 顶欢迎下载精品学习资源出料口质量流量表 2-8塔顶数据结果表31.5531.551.135739.380.33618.6682.3.2 塔底条件下的流量物性参数，错误 .液相相对分子质量：错误 .气相密度：2-14错误 .液相密度：视 同 纯 水 ， 查 表2-6，错误 .液 相 粘 度查表 2-7得： ,错误 . 塔底流量表 2-9塔底数据结果表18.018.00.5919580.270239.616 13.312欢迎下载精

29、品学习资源2.3.3 进料条件下的流量及物性参数，查表 2-1 ，得如下的平稳数据： 表头和标题 52.9256.859.3779.71y81.83由内插法，得：错误 .气相平均相对分子质量：错误 .液相平均相对分子质量错误 .气相密度错误 .液相密度由 表2-6数 据 ， ,同 上 用 内 插 法 ， 求 出 ：所以错误 .液相粘度查表2-7得：，错误 . 进 料流量表 2-10进料数据结果表欢迎下载精品学习资源符号数值29.3725.981.04789.2040.348833.3331.982.3.4 精馏段流量及物性参数错误 .气相平均相对分子质量：2-15错误 .液相平均相对分子质量：

30、2-16错误 .气相密度：2-17）错误 .液相密度：2-18）错误 .液相粘度：2-19）错误 .气相流量：2-20）错误 .液相流量：错误 .液相平均相对分子质量：2-23错误 .气相密度：2-24）错误 .液相密度：2-25）错误 .液相粘度：欢迎下载精品学习资源2-26）错误 .气相流量：2-27）错误 .液相流量：2-28）表 2-11提馏段数据结果表主 要 参 数提馏段气相平均相对分子质量23.9液相平均相对分子质量21.99气相密度0.82液相密度873.6气相摩尔流量 /75.605气相质量流量 /1791.08液相粘度 /0.30欢迎下载精品学习资源液相摩尔流量 /88.92

31、液相质量流量 /1955.352.4 填料的挑选填料是填料塔的核心构件，它供应了气液两相相接触传质与传热的表面，与塔内件一起打算了填料塔的性质；目前，填料的开发与应用仍是沿着散装填料与规整填料两 个方面 进行；本 设 计 选 用 规 整 填 料 ， 金 属 板 波 纹 250Y 型 填 料 ；规整填料是一种在塔内按匀称图形排布、整齐堆砌的填料，规定了气液流路，改善了沟流和壁流现象，压降可以很小，同时仍可以供应更大的比表面积，在同等溶剂中可以达到更高的传质、传热效果；与散装填料相比，规整填料结构匀称、规章、有对称性，当与散装填料有相同的比表 面 积 时 ， 填 料 空 隙 率 更 大 ， 具 有

32、 更 大 的 通 量 ， 单 位 分 离 能 力 大 ；250Y 型波纹填料是最早研制并应用于工业生产的板波填料，它具有以下特点：1）比表面积与通用散装填料相比，可提高近1 倍，填料压降较低，通量和传质效率均有较大幅度提高；2）与各种通用板式塔相比，不仅传质面积大幅度提高，而且全塔压降及效率有很大改善；精馏段塔径计算由气速关联式2-29）式中：干填料因子；液体粘度，；常数，250Y型为0.291； 液体、气体质量流量，；液体、气体密度 ,； 重力加速度，；已 知 ：，,代入式中求解得： 空塔气速：体 积 流 量 ：塔欢迎下载精品学习资源径:圆整后：，空塔气速提馏段塔径运算已 知 ：，V=179

33、1.08解 得 ：空塔气速体积流量：2-30）塔径:2-31）圆整后：，空塔气速填料层高度所以：气动因子查得 P/Z=1.07010 Pa/m欢迎下载精品学习资源精馏段总压降 P=P/Z）=1.0702-33）精馏段总压降 P= 填料层总压降填料层的总压降为： 填料总高度 填料层高度和压降运算汇总如下表 2-12填料层高度和压降运算结果表精馏段提馏段全塔参数欢迎下载精品学习资源气动因子 /1.4851.793欢迎下载精品学习资源压降总压降填料层高度1.07欢迎下载精品学习资源2.6 附属设备及主要附件的选型运算2.6.1 冷凝器本设计冷凝器采纳重力回流直立或管壳式冷凝器；对于蒸馏塔的冷凝器，一

34、般选用列管式，空冷凝螺旋板式换热器；因本设计冷凝器与被冷凝流体温差不大，所以选用管壳式冷凝器，被冷凝气体走管间，以便于准时排出冷凝液；冷却水循环与气体方向相反，即逆流式；当气体流入冷凝器时，使其液膜厚度减薄 ， 传热 系 数 增 大 ， 利 于 节 省 面 积 ， 减 少 材 料 费 ； 取 冷 凝 器 传 热 系 数）沈阳 地区 夏季 最高 平均水 温24 ， 温升10 逆 流 ： T ： 65.3165.16t：24 34 2-36）传热面积：冷凝器选型如下：表 2-13冷凝器的选型参数值表公称直径 /mm管程数管数管长 /mm换热面积 /m2公称压力 /MPa7001179300040/41.750.62.6.2 加热器选用 U 型管加热器，经处理后，放在塔釜内；蒸汽挑选130饱和水蒸气，传热系数）；由表2-5得欢迎下载精品学习资源 进料管2-38）经圆整内管重kg/m）501201501.11回流管对于直立回流一般 0.20.5m/s, 取