甲醇—水填料精馏塔---正式版.doc
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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date甲醇水填料精馏塔-正式版前言 化工原理课程设计说明书设计题目: 甲醇水填料精馏塔 设计者: 刘瑞、董敬苗、邵朱凤专业: 应用化学学号: 13071340022、13071340024、13071340020指导老师:2016年 5月20日 目 录一、设计任务书.1二、设计的方案介绍.1三、工艺流程图及其简单说明.3四、精馏塔的工艺条件计算.31.汽液平衡数据和汽液平衡
2、相图.32.精馏塔物料衡算.43.精馏塔塔顶、进料和塔釜温度.54.回流比的确定.65.精馏段和提馏段操作线方程的计算.66.理论板数的计算.77.精馏塔的热量衡算.10五、 精馏塔全塔物性数据计算.101.塔顶、进料和塔釜条件下的物性数据计算.102.精馏段的流量和物性数据计算.123.提馏段的流量和物性数据计算.13六、精馏塔塔体工艺尺寸计算.141.塔径的计算.142.塔高的计算.163.填料层压力降的计算.17七、附属设备及主要附件的选型计算.18八、参考文献.21甲醇水填料精馏塔一、设计任务书甲醇散堆填料精馏塔设计:1、处理量:180000 吨/年2、原料液状态:常温常压3、进料浓度
3、: 35%(甲醇的质量分数) 塔顶出料浓度: 98.5%(甲醇的质量分数) 塔釜出料浓度: 0.8%(甲醇的质量分数)4、年生产时间以7200小时计算5、厂址位于潍坊地区6、填料类型:DN25金属环矩鞍散堆填料二、设计的方案介绍1、操作压力的确定在精馏操作中,压力的影响非常大。当压力增大的时候,混合液的相对挥发度减小,这样有可能会使得汽相和液相的组成越来越接近,分离越来越难;而当压力减小的时候,混合液的相对挥发度增大,值偏离1的程度越大,分离越容易。但是要保持精馏塔在低压下操作,这对设备的要求相当高,会使总的设备费用大幅度增加。在实际设计中,要充分考虑这两个方面的影响,我们一般采用的是常压精馏
4、。如果在常压下无法完成操作,可以在一定条件下进行小幅度的减压或者增压来改变混合液的相对挥发度,实现精馏分离。对于甲醇水二元混合物系统在常压的情况下,相对挥发度的差异很大,容易分离。因此在考虑多方面因素之后,本设计采用的常压精馏,即塔顶的操作压力控制在101.325kpa下。由于本设计精馏塔不是很高,故可近似忽略每层塔板的压降。在实际计算当中,将全塔近似看做是在恒压下操作。2、进料的热状况 精馏操作中的进料方式一般有冷液加料、泡点进料、汽液混合物进料、饱和蒸汽进料和过热蒸汽加料五种。本设计采用的是泡点进料。这样不仅对塔的操作稳定较为方便,不受潍坊四季变化的温度影响,而且在恒摩尔流假设下,精馏段与
5、提馏段上升蒸汽的摩尔流量相等,因此塔径基本相等,在制造上比较方便。3、精馏塔加热与冷却介质的确定 在实际加热中,由于饱和水蒸气冷凝的时候传热的膜系数很高,可以通过改变蒸汽压力准确控制加热温度。因此,本设计是以140 总压是361.47kpa的饱和水蒸汽作为加热介质。水蒸气容易获取,环保清洁不产生环境污染,并且不容易使管道腐蚀,成本降低。 冷却介质一般有水和空气。在选择冷却介质的过程中,要充分考虑当地的气候状况。潍坊市地处温带,属季风性气候。年平均气温为21,二月最冷, 平均气温12;八月份最热,平均气温28。因此,考虑选用25的冷却水,升温15,冷却器出口温度40。4、回流比的确定塔顶回流是保
6、证精馏塔连续稳态操作的必要条件之一,并且回流比是影响精馏分离设备投资费用和操作费用的重要因素,也影响混合液的分离效果。适宜的回流比是操作费用和设备费用之和为最低时候的回流比。通常适宜回流比的数值范围为: 由于厂址选择是在潍坊,甲醇和水也容易分离。因此选用。三、工艺流程图及其简单说明1、工艺流程图(见附图一)2、工艺流程简介由贮槽流出的原料液经高压泵进入预热器预热到一定温度之后进入精馏塔,塔顶冷凝器将上升蒸汽冷凝成液体,其中一部分作为塔顶产品取出,另一部分重新引回塔顶作为回流液。最终甲醇产品再进入一个冷却器进行冷却后进入甲醇贮槽。塔釜设有再沸器。加热的液体产生蒸汽再次回到塔底,沿塔上升,同样在每
7、层塔板上进行汽液两相的热质交换。塔釜的另一部分液体经过冷却器后排入下水道。加热蒸汽分为两路,分别进入预热器和再沸器作为加热介质。降温后的液体水或者是部分水蒸汽随管道排进下水道。同样,冷却水分为三路,分别进入冷凝器、甲醇产品的冷却器和塔釜的冷却器,充分换热均匀之后,全部排入下水道。3、精馏塔的冷凝方式和加热方式由于之前选择的冷却介质是水,甲醇和水不反应,容易冷凝,并且塔顶出来的汽相温度不高,因此本设计选用全凝器。加热方式分为直接蒸汽和间接蒸汽加热。本设计选用的是间接蒸汽加热。间接蒸汽加热是通过再沸器使釜液部分汽化,维持原来的浓度,重新再进入塔底。使上升蒸汽与回流下来的冷液再进行热质交换。这样减少
8、了理论板数,从而降低了成本。四、精馏塔的工艺条件计算1、汽液平衡数据和汽液平衡相图在101.3kpa的总压下,甲醇和水的混合物系的x-y图是建立在汽液平衡数据下,表示的是不同温度下互成平衡的汽液两相组成y与x的关系。对于理想物系来看,汽相组成y恒大于液相组成x,因此相平衡线位于y=x对角线上方。平衡线偏离对角线越远,表示该溶液越容易分离。如果已知甲醇和水的混合物系的汽液平衡关系,即汽液平衡数据,则离开理论板的互成平衡、温度相等的汽液两相组成yn与xn之间的关系就可以确定。若知道由该板下降的液体组成xn及由它的下一层塔板上升的汽相组成yn+1之间的关系,从而塔内各板的汽液相组成可逐板予以确定,从
9、而便可以求得在指定分离条件下的理论板层数。因此,在作精馏塔的设计过程中,甲醇和水汽液平衡数据是设计的基础。平衡温度t/10096.493.591.289.387.784.481.778.0液相中甲醇的摩尔分数0.00.020.040.060.080.100.150.200.30汽相中甲醇的摩尔分数0.00.1340.2340.3040.3650.4180.5170.5790.665平衡温度t/75.373.171.269.367.666.065.064.5液相中甲醇的摩尔分数0.400.500.600.700.800.900.951.0汽相中甲醇的摩尔分数0.7290.7790.8250.87
10、00.9150.9580.9791.0甲醇和水二元混合物汽液平衡数据 2、精馏塔物料衡算已知:吨/年 kg/kmol kg/kmol甲醇摩尔分率的转换:平均相对分子质量:kg/kmolkg/kmolkg/kmol原料液、塔顶馏出液和塔底釜残液摩尔流量: kmol/h 将以上所得到的数据代入: kmol/h kmol/h原料液、塔顶馏出液和塔底釜残液质量流量:kg/h kg/h kg/h塔顶kg/kmolkmol/hkg/h进料kg/kmolkmol/hkg/h塔釜kg/kmolkmol/hkg/h3、精馏塔塔顶、进料和塔釜温度精馏塔塔顶温度的确定由于确定了塔顶操作压力和液相组成,可以采用试差法
11、计算。精馏塔塔釜温度的确定塔顶:(0.974-0.8741)/(1-0.8741)=(-0.669)/(0.647-0.669) =65.15 (1-0.974)/(1-0.95)=(0.645-)/(1-0.964)=62.63 根据汽液平衡数据表,利用内插法求出塔釜温度tW. 精馏塔进料液温度的确定同样根据汽液平衡数据表,利用内插法求出塔釜温度tF 精馏段平均温度: =(+)/2=(62.63+79.14)/2=70.87提馏段平均温度: =(+)/2=(99.99+79.14)/2=89.56由于本设计采用的是泡点进料,q=1,即xF=xq。(4)、平均相对挥发度在温度下甲醇和水的饱和蒸
12、汽压分别为:精馏段:=70.87 (79.14-90.3)/(72.7-90.3)=(x1-0.1315)/(0.0926-0.1315)=(y1-0.5455)/(0.4353-0.5455)x1=0.1068 y1=0.4756精馏段:=89.56(89.56-90.3)/(92.9-90.3)=(x2-0.0767)/(0.0531-0.0767)=(y2-0.4001)/(0.2834-0.4001)x2=0.08342 y2=0.4333将分别代入得1=7.58 2=8.4012 7.98 (5)、回流比的确定 由于是泡点进料,=0.2325 =7.98*0.2325/(1+6.98
13、*0.2325)=0.7074 =(0.974-0.7074)/(0.7074-0.2325)=1.47一般操作回流比取最小回流比的1.12倍,本设计取1.5倍。即R=1.5=1.51.47=2.214、精馏段和提馏段操作线方程的计算精馏段操作线方程: 由,kmol/h,可得kmol/h 所以精馏段操作线方程是:提馏段操作线方程: kmol/h kmol/h L=V+W W=895.77 所以提馏段操作线方程是: 5、理论板数的计算连续精馏塔设计型计算的基本步骤是在规定分离要求后,确定操作条件,利用平衡关系和操作关系计算所需要的理论板数。通常,计算理论板数有逐板计算法和图解法,但是图解法存在有
14、一定的误差,而且也不是很方便操作。因此,本设计选用的是逐板计算法。在逐板计算的过程当中,一般是从塔顶开始算起,一直算到塔釜为止。但是因为本设计求解出来的相平衡方程由y而求x不是很方便,因此本设计采用的是从塔釜开始算起,一直算到塔顶。下面简要介绍逐板计算的基本方法,规定塔釜是第一层塔板,从下往上依次命名为第2、3n块。一连续精馏塔,泡点进料,塔釜间接蒸汽加热。根据理论板的概念,从塔釜下降的液相组成xW与y1应互成平衡,就可以利用相平衡方程求出y1.从第二层塔板上升的蒸汽组成y1与x2符合提馏段操作关系,故可用提馏段操作线方程由y1求得x2。同理,x2与y2为平衡关系,可以用平衡方程由x2求得y2
15、,再用提馏段操作线方程由y2求得x3。如此交替利用平衡方程及提馏段操作线方程进行逐板计算,直到x7xF时,则第6块板是加料板。值得注意的是对于间接蒸汽加热,再沸器内汽液两相可视为平衡,再沸器相当于一层塔板。因此提馏段所需的理论板层数是5。然后改用精馏段操作线方程由y6求得x7,再利用相平衡方程由x7求得y7。如此重复计算,直到计算到x12xD为止。因此,精馏段所需的理论板层数是6。在计算过程当中,每使用一次平衡关系,便对应一层理论板。逐板计算的结果是精馏塔理论塔数为17块,提馏段5块,精馏段12块,进料板是第5块(不包括再沸器)。序号xY备注10.0002250.012027再沸器20.004
16、2480.037051用提馏段操作线方程30.0127760.08715440.0298530.17632650.0602460.30348560.1035850.431091进料板70.2638950.636349改用精馏段操作线方程80.5332640.79878190.7464290.886119100.8610460.937162110.9280310.970826120.9722110.9885276、精馏塔的热量衡算加热器的热负荷本设计选用140 总压是361.47kpa的饱和水蒸汽作为加热介质。工艺流程中,加热器有再沸器和预热器。下面分别计算这两个加热装置的热负荷。在20、65.
17、19、79.14和99.99下查得甲醇和水的比热。2065.1979.1499.99甲醇(kJ/kg)2.4833.0093.2223.498水(kJ/kg)4.1834.1854.0874.188 热器的热负荷设原料液的温度是20,则进料的温度79.14。 kJ/kg kJ/h 沸器的热负荷塔釜的温度是99.99。 kJ/kgkJ/h冷凝器的热负荷 本设计选用25的冷却水,升温15,冷却器出口温度40。全凝器的热负荷 查得甲醇和水在其沸点下的蒸发潜热,列下表:沸点/蒸发潜热Hr/(kJ/kg)Tc/K甲醇64.735286.731512.6水10040724.152647.3由沃森公式计算塔
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