甲醇－水二元混合物連續(xù)篩板精餾裝著的設計

1、浙江工業(yè)大學化 工 原 理課程設計說明書題 目： 甲醇水二元混合物連續(xù)篩板精餾裝置的設計學 院: 生環(huán)學院專 業(yè)： 環(huán)境科學年 級： 2006級設計人： 指導人： 日 期： 目 錄一、概述41設計原始條件42板式塔類型43工藝流程選定4二、精餾塔的物料衡算5三、經(jīng)濟費用估算61最小回流比Rmin（圖解法）62精餾塔氣液相負荷73精餾、提鎦段操作方程74理論塔板數(shù)N75總板效率Et和實際版數(shù)Nt76塔徑估算87年總費用估算10四、精餾塔塔體工藝尺寸計算12五、塔板主要工藝尺寸及流體力學性能計算13 塔徑初選132塔徑初步核算143堰及降液管設計154. 孔布置155漏液計算并驗證其穩(wěn)定性166塔

2、板壓降hp167. 校該液泛情況178霧沫夾帶量239計算結果整理23六、塔板相關物性數(shù)據(jù)的計算17七、描繪負荷性能圖19八、附屬設備的設計21 塔高計算212泵的設計和選型22原料預熱器244. 冷卻器選用255塔底再沸器選用256冷凝器選用257接管尺寸設計26參考文獻27學習總結28一概述1.設計原始條件：(1)操作條件 精餾塔操作壓力：常壓 蒸汽壓力（絕壓）：5 kgf/cm2 年生產(chǎn)時間：8000小時 冷卻水溫度：30 冷卻水溫升：5(2)設計數(shù)據(jù)： 原料液處理量：1.4萬噸/年 原料液初溫：30 原料液含甲醇：45%（質量） 鎦出液含甲醇：99%（質量）甲醇回收率：99.9%2.板

3、式塔類型： 氣液傳質設備主要分為板式塔和填料塔兩大類。精餾操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，板式塔為逐級接觸型氣液傳質設備，其種類繁多，根據(jù)塔板上氣液接觸元件的不同，可分為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮動舌形塔和浮動噴射塔等多種。板式塔在工業(yè)上最早使用的是泡罩塔(1813年)、篩板塔(1832年)，其后，特別是在本世紀五十年代以后，隨著石油、化學工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了大批新型塔板，如S型板、浮閥塔板、多降液管篩板、舌形塔板、穿流式波紋塔板、浮動噴射塔板及角鋼塔板等。目前從國內外實際使用情況看，主要的塔板類型為浮閥塔、篩板塔及泡罩塔，而前兩者使用尤為廣泛。 篩板塔也是

4、傳質過程常用的塔設備，它的主要優(yōu)點有： 結構比浮閥塔更簡單，易于加工，造價約為泡罩塔的60，為浮閥塔的80左右。 處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加1015。 塔板效率高，比泡罩塔高15左右。 壓降較低，每板壓力比泡罩塔約低30左右。 篩板塔的缺點是： 塔板安裝的水平度要求較高，否則氣液接觸不勻。 操作彈性較小(約23)。 小孔篩板容易堵塞。3.工藝流程選定本設計任務為分甲離醇和水的混合物，設計過程嚴格按照經(jīng)濟性，先進性，可靠性，穩(wěn)定性和可行性的原則，通過查閱資料，選用正確的公式以及合理的數(shù)據(jù)設計該乙醇水的精餾塔。（1） 對于二元混合物的分離，根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品質量要求，選用板式塔連續(xù)精餾流程

5、。塔板選用篩板塔。按一定尺寸和一定排列方式開圓形篩孔，作為氣相通道。氣相穿過篩孔進入塔板上液相，進行接觸傳質。（2） 設計中采用泡點進料，此時分離效率最好，所需塔板數(shù)最少。可通過進料泵直接進料，將原料液通過預熱器加熱至泡點后送入精餾塔內。（3） 塔頂上升蒸氣采用分凝器冷凝，其中一部分冷凝液采用自然回流方式回流至塔內，為減少鎦出液組分的揮發(fā)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至貯罐。（4） 塔底采用再沸器對釜液進行間接蒸氣加熱，此法相對直接水蒸氣加熱法，分離效率較高，傳質效率高，且設備符合相對較低。不過再沸器造價昂貴。（5） 該物系屬于易分離物系，最小回流比比較小，通過估算不同回流比式的總費用。故操作

6、回流比取最小回流比的1.1倍時。運行費用那最為經(jīng)濟核算。二精餾塔物料衡算甲醇的摩爾質量為：32.04kg/kmol水的摩爾質量為： 18.01kg/kmol 所以，原料的摩爾分率為： 鎦出液的摩爾分率為： 原料液平均摩爾質量為： 鎦出液平均摩爾質量： 原料液處理量為： 根據(jù)甲醇回收率： 塔頂流量為： 由總物料平衡方程，塔底流量為： 塔底摩爾分率為：三經(jīng)濟費用估算1.最小回流比Rmin計算（圖解法）由圖一查得，xF=0.315時，泡點進料tb=77.6 此時進料狀況參數(shù)q=1， 所以線方程為：用圖解法，在圖二上做q線，與相平衡線交與e點（0.315，0.676），所以，最小回流比為： 取操作回流

7、比為： 2.精餾塔氣、液相負荷： 精餾段： 提鎦段： 3.精餾、提鎦段操作方程： 精餾段操作方程為： 提鎦段操作方程為： 精餾線與提鎦線相交于點4.理論塔板數(shù)N 采用逐板計算法，運用擬合的相平衡方程和精餾段、提鎦段操作線方程，交替計算。相平衡方程為： 求得結果為，從第10塊板進料。5.總板效率ET和實際板數(shù)NT由圖一查得，時，時，精餾段平均溫度提鎦段平均溫度所以，全塔平均溫度，對應=3.8177.6時 總板效率為： 加料板6.塔徑估算以塔頂?shù)谝粔K板為計算對象。 6.1計算氣體、液體密度、塔頂?shù)膲毫νǔ？烧J為是一個大氣壓，常壓下甲醇沸點為64.5 氣相摩爾質量為： 由相平衡方程，計算得： 換算成

8、質量分數(shù)： 液相摩爾質量： 氣體密度為：查甲醇溶液沸點為64.5，由t=64.5，查得 甲醇密度 水的密度所以液體密度為：6.2 液體的平均表面張力計算查表，t64.5時查得甲醇 水 6.3 塔內氣速和液速計算及的確定 氣速計算： 液速計算：設板間距，則。 查圖得最大氣速為：取安全系數(shù)為0.7，則氣速為： 計算塔徑為： 圓整后為 塔截面積 實際氣速 (安全系數(shù)在充許的范圍內，符全設計要求)7.年總費用估算7.1塔體費用 元7.2 換熱器設備費用 (1)預熱器 采用絕對壓力為 5 kgf/cm2（約為490kPa）的水蒸氣逆流加熱，蒸氣溫度為150.9，利用蒸汽潛熱將原料從30加熱至77.6，水

9、蒸氣只發(fā)生相變，溫度不變。質量流量查得Cp,c,甲醇=2.48 kj/(kgK) Cp,c,水=4.183 kj/(kgK) 求得 由于逆流操作， 選擇傳熱系數(shù)K400 w/(m2K)傳熱面積為 (2)冷凝器 甲醇蒸餾出來進入冷凝器，只發(fā)生氣相到液相的變化，溫度不變。 塔頂質量流量 時，查得甲醇的汽化潛熱 水的汽化潛熱 冷凝水進水溫度 出水溫度 由于逆流操作， 冷凝器選擇傳熱系數(shù)K600 w/(m2K) 冷凝器傳熱面積 (3)冷卻器本工藝設定產(chǎn)品從64.5冷卻到40時 冷卻水從進口溫度30到35時由于逆流操作， 冷卻器傳熱系數(shù)取K600 w/(m2K) 冷卻器傳熱面積 (4)塔底再沸器 最后一

10、塊板的，查圖一，塔底溫度接近100,再沸加熱只發(fā)生相變，從液相到氣相。蒸氣從氣相到液相，溫度為150.9 100時，水的汽化潛熱 再沸器傳熱系數(shù)取K800 w/(m2K) (5)換熱器總費用 總傳熱面積 換熱器費用元7.3冷卻水費用 30時， 元/年7.4蒸氣費用150.9時，水的潛熱元/年7.5 年總費用 元/年四精餾塔塔體工藝尺寸計算1.最適回流比Ropt的求取 通過對R/Rmin與費用關系的優(yōu)化計算，選取Ropt=1.1Rmin 總費用與R/Rmin的關系如圖所示。 2.精餾塔氣、液相實際負荷： 精餾段： 提鎦段： 3.精餾、提鎦段操作方程： 精餾段操作方程為： 提鎦段操作方程為： 精餾

11、線與提鎦線相交于點4.理論塔板數(shù)N 采用逐板計算法，用擬合的相平衡方程及精餾段、提鎦段操作線方程交替計算。運用Excel求得結果為：塊，從第16塊板進料。Excel 計算過程如圖。 五、塔板主要工藝尺寸及流體力學性能計算1.塔徑初選以第一塊板氣液相組成為例， 設板間距，則。 查圖得最大氣速為：取安全系數(shù)為0.78，則氣速為： 計算塔徑為： 塔徑應該圓整為2塔徑初步核算因塔徑D=0.7m，所以可選取單溢流弓形降液管，查表，D=700mm時, 得塔截面積 塔板間距 堰長 管寬 降液管面積% a霧沫夾帶 b停留時間自以上兩項初步認為塔徑取0.7m合理3.堰及降液管設計a. 堰長b. 上清液層的計算

12、由查得液流收縮系數(shù)E1.032，則 c板上清液層高度hL的計算 設 經(jīng)圓整 d降液管底部距下一板的間距h0 4.孔布置a篩孔選擇取 則由圖得 b邊緣區(qū)確定，取 由圖得 則c孔數(shù)n 由圖得 5.漏液計算并驗其穩(wěn)定性 按漏液氣速考慮的負荷下限為設計值之48.98%6.塔板壓降hpa干板壓降 取板厚 由圖得C00.84 b有效液層阻力篩孔動能因數(shù)由圖得有效液層阻力液柱則液柱7.校該液泛情況8.霧沫夾帶10.計算結果整理計算數(shù)據(jù)整理序號項目數(shù)值序號項目數(shù)值1塔徑D0.7m10孔間距t13.6mm2板間距H0.35m11Wc35mm3塔板型式單流型12Ws65mm4空塔速度1.146m/s13孔數(shù)n13

13、80個5堰長lw0.466m14開孔面積A00.0443m26外堰高hw0.05m15塔板壓降0.0852m液柱7板上清液高度0.05473m16停留時間32.782s8降液管底與板間距h035mm17Hd0.14m9孔徑d04mm18霧沫夾帶e0.0594kg/kg氣六塔板相關物性數(shù)據(jù)計算1.計算示例：（以精餾段最后一塊板，即理論塔板第15塊板為例） 壓力根據(jù)氣液相組成分數(shù)查表，得沸點77.5 氣相密度查得 甲醇密度 水的密度 液相密度氣相流量 液相流量液體的平均表面張力計算由t77.5 查得甲醇 水液體的平均黏度計算由t77.5 查得甲醇 水2.計算結果（計算方法與示例相同） 七描繪負荷性

14、能圖（第一塊塔板） 1.漏液線根據(jù)式 （K取1） 得方程2.過量霧沫夾帶線 取eV=0.1時氣速作為設計的上限負荷，得方程3.液泛線根據(jù)式 一般得方程4.液相上限線根據(jù)式解得5.液相下限線根據(jù)式解得6.操作線根據(jù) 將操作點與原點連接即可。負荷性能圖如下：八 附屬設備的設計1.塔高計算間接蒸汽加熱裙座高度4m 塔底最后一塊板距塔底1.2m塔頂?shù)谝粔K板距塔頂0.75m理論板數(shù)22.1塊（不含塔釜），精餾段15.2塊，提餾段6.9塊。實際精餾段，取44塊，第30塊板進料，進料處板間距0.8m，每十塊板開一個人孔，板間距為0.8m，共開4個塔高 2.泵的設計和選型(1).原料泵 ：工藝流程中進料方式采

15、用泵直接進料進料溫度30，查水，甲醇假設液體流速為選取管道 即的熱軋無縫鋼管對加料板面機械能衡算，地面為基準面，假設管路總長L=25m管路上安裝2個的標準彎頭 泵排出管路上安裝一個搖板式止回閥 入塔前安裝一個半球心閥 流量計上下各安裝一個全開球心閥 預熱器阻力 所以進料口離地面高度：30時 Re在30003000000范圍內且粗糙管內徑為25mm的新鋼鐵管，可用以下公式： P= 選取泵IS5032200 汽蝕余量（2）.回流泵原料溫度為64.5,查得：甲醇 水假設流體流速為0.8m/s選取的冷拔無縫鋼管假設管路總長L=100m管路上安裝3個的標準彎頭 泵排出管路上安裝一個搖板式止回閥 回流入塔

16、前安裝一個半球心閥 流量計上下各安裝一個全開球心閥 全凝器的阻力 所以64.5時屬于湍流 所以 選取泵IS5032125 汽蝕余量名稱型號汽蝕余量m流量m3/h揚程he原料泵IS50322002.03.7513.1回流泵IS50321252.03.755.43.原料預熱器選用根據(jù)費用估算時的計算方式算得的預熱器的面積得A2.071.052.1817m2選取換熱器基本參數(shù)如下：名稱公稱直徑Dg/mm公稱壓力Pg/MPa管程數(shù)N管子根數(shù)n規(guī)格1591.6133名稱中心排管數(shù)管程流通面積/m2計算換熱面積/m2換熱管長度/mm規(guī)格70.00582.815004.冷卻器選用根據(jù)前面方法算得到的冷卻器的

17、面積 得A1.861.051.953m2選取冷卻器基本參數(shù)如下 名稱公稱直徑Dg/mm公稱壓力Pg/MPa管程數(shù)N管子根數(shù)n規(guī)格1591.6115名稱中心排管數(shù)管程流通面積/m2計算換熱面積/m2換熱管長度/mm規(guī)格50.00272.630005.塔底再沸器的選用根據(jù)前面算法算得的再沸器的面積 得A14.5971.0515.326m2名稱公稱直徑Dg/mm公稱壓力Pg/MPa管程數(shù)N管子根數(shù)n規(guī)格4001.6216名稱中心排管數(shù)管程流通面積/m2計算換熱面積/m2換熱管長度/mm規(guī)格150.014518.620006.全凝器選用蒸汽走殼程，餾出液走管程，由前面算得冷凝面積為24.8m2名稱公稱

18、直徑Dg/mm公稱壓力Pg/MPa管程數(shù)N管子根數(shù)n規(guī)格5001.62256名稱中心排管數(shù)管程流通面積/m2計算換熱面積/m2換熱管長度/mm規(guī)格180.0226292000 7.接管尺寸設計a.進料管前面已經(jīng)選取的熱軋無縫鋼管，且流速b.出料管一般可取塔底出料管的料液流速UW為0.51.5 m/s，循環(huán)式再沸器的料液流速可取1.01.5 m/s，(本設計取塔底出料管的料液流速UW為0.8 m/s) 應該選取的冷拔無縫鋼管c.塔頂升汽管操作壓力為常壓時，蒸氣導管中常用流速u為1220 m/s,設 應選取兩根并聯(lián)作為排氣管 d.回流管當塔頂冷凝器械安裝在塔頂平臺時，回流液靠重力自流入塔內，流速U

19、R可取0.20.5 m/s當用泵輸送時，可取1.52.5 m/s(本設計應用前者，回流液靠重力自流入塔內，流速UR取0.5 m/s)應選取的熱軋無縫鋼管 附： 汽液平衡數(shù)據(jù)Xyxyxy0.000.0000.150.5170.700.8700.020.1340.200.5790.800.9150.040.2340.300.6650.900.9580.060.3040.400.7290.950.9790.080.3650.500.7791.001.0000.100.4180.600.825參 考 文 獻1化工原理何潮洪 馮霄主編 科學出版社（1）附錄四 水的重要物性（2）附錄五 飽和水蒸汽的物性（3）附錄九 管子規(guī)格（4）附錄十 離心泵的規(guī)格2石油化工基礎數(shù)據(jù)手冊（5）表262 液體性質3化學化工物性數(shù)據(jù)手冊有機卷（6）表11.4.3 醇類水溶液的表面張力（7）表11.6.1 甲醇水溶液的沸點（8）表11.8.7 甲醇水溶液的比熱容（9）表11.10.1 醇類的汽化熱4化工原理課程設計板式塔指導書浙江工業(yè)大學化工原理教研室（1）表73 單流型塔板系列參數(shù)（2）圖76 弓形的寬度和面積（3）圖78