30kta甲醇精餾工藝設(shè)計畢業(yè)論文

1、 30kt/a甲醇精餾工藝設(shè)計 the design of 30kt/a methanol distillation process 目 錄摘要iabstractii引 言1第1章 概述2第2章 甲醇工藝流程4 2.1 精餾反應(yīng)設(shè)計方案的選擇4 2.2精餾原理以及塔設(shè)備的選擇5 2.2.1 精餾原理5 2.2.2進行精餾反應(yīng)的塔設(shè)備的選擇7 2.2.3塔板的類型與選擇9 2.3 工藝流程簡介11第3章 精餾塔設(shè)備的主要計算13 3.1 設(shè)計任務(wù)和基本的物性數(shù)據(jù)13 3.2 設(shè)計方案的確定及流程說明13 3.2.1精餾塔的物料衡算13 3.2.2塔板數(shù)的確定14 3.3精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性

2、數(shù)據(jù)的計算18 3.3.1操作壓力的計算18 3.3.2操作溫度計算18 3.3.3平均摩爾質(zhì)量計算18 3.3.4平均密度計算19 3.3.5液體平均表面張力的計算19 3.3.6 液體平均粘度20 3.4 精餾塔的塔體工藝尺寸計算20 3.4.1 塔徑的計算20 3.4.2 精餾塔有效高度的計算21 3.5 塔板主要工藝尺寸的計算21 3.5.1 溢流裝置計算21 3.6 塔板布置23 3.7 塔板的流體力學(xué)驗算24 3.7.1塔板壓降24 3.7.2 液面落差25 3.7.3 液沫夾帶25 3.7.4 漏液25 3.7.5 液泛25 3.8 塔板負(fù)荷性能圖26 3.8.1 漏液線26 3

3、.8.2 液沫夾帶線27 3.8.3 液相負(fù)荷下限線27 3.8.4 液相負(fù)荷上限線28 3.8.5 液泛線28 3.9 篩板塔設(shè)計計算結(jié)果30 3.10 精餾塔接管尺寸計算31 3.10.1 塔頂蒸氣出口管的直徑31 3.10.2 回流管的直徑31 3.10.3 進料管的直徑32 3.10.4 塔底出料管的直徑32結(jié) 論33致 謝34參考文獻35附錄36 30kt/a甲醇精餾工藝設(shè)計摘要：甲醇作為極其重要的有機化工原料，是碳一會化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)品，在國民經(jīng)濟中占有重要的地位。在化工生產(chǎn)中，甲醇可用于制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲胺等。在世界范圍內(nèi)的所有化工產(chǎn)品中，其產(chǎn)量僅次于乙烯、丙烯、苯，居第

4、四位。廣泛用于有機中間體，是碳一化學(xué)的基礎(chǔ)產(chǎn)品，并還用作溶劑和工業(yè)及民用燃料等。本文論述了甲醇的精餾工段。在抗生素類藥物生產(chǎn)過程中，需要用甲醇溶媒洗滌晶體，洗滌過濾后產(chǎn)生廢甲醇溶媒，含有少量的藥物固體微粒。為使廢甲醇溶媒重復(fù)利用，擬建立一套板式精餾塔，詳細(xì)介紹了各種精餾工藝，根據(jù)各個工藝的優(yōu)缺點和本設(shè)計的需要，選擇了與設(shè)計需，要相適應(yīng)的工藝和設(shè)備，并進行了計算。在甲醇精餾中選用了常壓、單塔操作方式，選擇的是篩板精餾塔，塔的有效高度是8米，塔徑為1.2米。本設(shè)計分離效果良好，工藝流程簡單，投資少，具有較高的是實用價值。關(guān)鍵詞：甲醇 化工原料 篩板塔 塔徑 精餾 the design of 30k

5、t/a methanol distillation processabstract: as an extremely important organic chemical raw material, methanol is the basic product of carbon chemistry industry, occupying an important position in the national economy. in chemical production, the methanol can be used in the manufacture of formaldehyde

6、, acetic acid, methyl chloride, and methylamine and so on. in all chemical products worldwide, its production is second only to the ethylene, propylene, benzene, ranking fourth place. besides, methanol is widely used in organic intermediates and also used as a solvent and industrial and civil fuel.

7、this paper discusses the methanol distillation section. in antibiotic production process, methanol solvent is needed to wash the crystals. washing and filtering produces waste methanol solvent which contains a small amount of the drug particles. in order to make the waste methanol solvent recycle, t

8、he paper establishes a set of plate distillation column. it introduces a variety of distillation process in detail. according to the advantages and disadvantages of the process and the design need, it chooses and designs the technology and equipment needed and calculates.in methanol rectification, t

9、he choice is single tower atmospheric operation mode and sieve plate distillation column. the bottom of the tower is 8 meters high. the diameter of the column is 1.2 meters. the design is of a good separation effect, simple process flow. and the design has less investment and a high practical value.

10、key words:methanol;chemical raw materials;sieve plate tower;diameter of the column;rectification引 言 甲醇用途廣泛，是基礎(chǔ)的有機化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料。主要應(yīng)用于精細(xì)化工，塑料等領(lǐng)域，用來制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲酯等多種有機產(chǎn)品，也是農(nóng)藥、醫(yī)藥的重要原料之一。我國甲醇消費結(jié)構(gòu)與國外類似，最大消費領(lǐng)域是甲醛生產(chǎn)，消費比例約為40%，在抗生素類藥物生產(chǎn)過程中，需要用甲醇溶媒洗滌晶體，洗滌過濾后產(chǎn)生廢甲醇溶媒，其組成為含甲醇46%、水54%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），另含有少量的藥物固體微粒。由于甲醇消費市

11、場的不斷擴大，促使了甲醇生產(chǎn)工藝和提純工藝的不斷改進，使其成本生產(chǎn)規(guī)模日益擴大，生產(chǎn)成本不斷下降。因此如果能有一套分離效率高，所花成本又低的工藝設(shè)備來有效進行廢甲醇溶媒的甲醇分離是具有極為重要的經(jīng)濟意義的?；谝陨细鞣N原因以及需求現(xiàn)狀，為使廢甲醇溶媒重復(fù)利用，節(jié)約資源。由于篩板塔結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，氣體壓降小，板上液面落差也較小，生產(chǎn)能力及板效率較高，所以做下面的板式塔精餾工藝設(shè)計。 第1章 概述 甲醇是最簡單的化學(xué)品之一，是重要的化工基礎(chǔ)原料和清潔液體燃料，廣泛應(yīng)用于有機合成、染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、涂料、汽車和國防等工業(yè)中。甲醇最早由木材和木質(zhì)素干餾制得，故俗稱木醇。木材在長時間加熱碳化過程中，

12、產(chǎn)生可凝和不可凝的揮發(fā)性物質(zhì)，這種被稱為焦木酸的可凝性液體中含有甲醇、乙酸和焦油。除去焦油的焦木酸可通過精餾分離出天然甲醇和乙酸。生產(chǎn)1kg的甲醇大約需要60-80kg的木材。這是生產(chǎn)甲醇的最古老的方法。 甲醇是一種無色、透明、易燃、易揮發(fā)的有毒液體，常溫下對金屬無腐蝕性（鉛、鋁除外），略有酒精氣味。分子量32.04，相對密度為0.792(20/4)，熔點-97.8，沸點64.5，燃燒熱725.76kj/mol，閃點12.22，自燃點463.89，蒸氣密度1.11，蒸氣壓13.33kpa(100mmhg 21.2)，蒸氣與空氣混合物爆炸極限為636.5 %（體積比），能與水、乙醇、乙醚、苯、酮

13、、鹵代烴和許多其他有機溶劑相混溶，遇熱、明火或氧化劑易燃燒。燃燒反應(yīng)式為：choh + o co + ho 甲醇用途廣泛，是基礎(chǔ)的有機化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料。主要應(yīng)用于精細(xì)化工，塑料等領(lǐng)域，用來制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲酯等多種有機產(chǎn)品，也是農(nóng)藥、醫(yī)藥的重要原料之一。甲醇在深加工后可作為一種新型清潔燃料，也加入汽油燃燒。甲醇和氨反應(yīng)可以制造一甲胺。甲醇的生產(chǎn)，主要是合成法，尚有少量從木材干餾作為副產(chǎn)回收。合成的化學(xué)反應(yīng)式為：2h + co choh。合成甲醇可以固體（如煤、焦炭）液體（如原油、重油、輕油）或氣體（如天然氣及其他可燃性氣體）為原料，經(jīng)造氣凈化（脫硫）變換，除去二氧化碳，配

14、制成一定的合成氣（一氧化碳和氫）。在不同的催化劑存在下，選用不同的工藝條件。單產(chǎn)甲醇（分高壓法低壓和中壓法），或與合成氨聯(lián)產(chǎn)甲醇（聯(lián)醇法）。將合成后的粗甲醇，經(jīng)預(yù)精餾脫除甲醚，精餾而得成品甲醇。高壓法為basf最先實現(xiàn)工業(yè)合成的方法，但因其能耗大，加工復(fù)雜，材質(zhì)要求苛刻，產(chǎn)品中副產(chǎn)物多，今后將由ici低壓和中壓法及l(fā)urgi低壓和中壓法取代。 甲醇生產(chǎn)過程比較簡單,原料來源多樣,煤、石腦油和天然氣均可制甲醇。甲醇用途廣泛,它的下游產(chǎn)品多達幾百種。近年來由于世界各國環(huán)保意識的加強,特別是美國國會于1990年11月15日通過清潔空氣法修正案以后,甲醇的身價備增,全球甲醇的需求增長加快。據(jù)全國化學(xué)工

15、程技術(shù)委員會副主任、中石化寧波工程有限公司副總工程師唐宏青介紹，國內(nèi)煤基甲醇每噸產(chǎn)品能耗為5060吉焦，耗煤1.6噸左右，耗水2230噸。以天然氣為原料生產(chǎn)的甲醇每噸產(chǎn)品能耗約為40吉焦，耗天然氣9001150立方米，耗水1620噸。我國小型聯(lián)醇裝置每噸產(chǎn)品耗能則高達70吉焦。而國外大型甲醇裝置基本都以天然氣為原料，并且每噸產(chǎn)品能耗只有2530吉焦，耗天然氣760920立方米，耗水1015噸。未來甲醇生產(chǎn)裝置將具有一下特點：低投資成本為前提的大型、單列裝置；可靠性較高的先進技術(shù)；環(huán)境污染小的生產(chǎn)技術(shù)。 甲醇作為一種原材料用于甲醛的生產(chǎn)中，甲醛后來又用為多羥基化合物的原材料。因為在廢液中分離的甲

16、醇和甲醛有很高的產(chǎn)品收率，所以在用于分離那些混合物的時候被認(rèn)為是更經(jīng)濟和節(jié)約的方法，并且可以被用在各自工藝流程的原材料。這種精心研究的分離技術(shù)是精餾。這種精餾工藝的主要目標(biāo)是：通過實驗室精餾學(xué)習(xí)到關(guān)于分離的知識；通過比較試驗數(shù)據(jù)來模擬系統(tǒng)和完善模型；估計分離流程的設(shè)備規(guī)格和費用。 合成甲醇，首先是制備原料氫和碳的氧化物。一般以含碳?xì)浠蚝嫉馁Y源如天然氣、石油氣、石腦油、重質(zhì)油、煤和乙炔尾氣等，用蒸汽轉(zhuǎn)化或部分氧化加以轉(zhuǎn)化，使其生成主要由氫、一氧化碳、二氧化碳組成的混合氣體，甲醇合成氣要求（hco）/（co+co）=2.1左右。合成氣中還含有未經(jīng)轉(zhuǎn)化的甲烷和少量氮，顯然，甲烷和氮不參加甲醇合成反

17、應(yīng)，其含量越低越好，但這與制備原料氣的方法有關(guān)；另外，根據(jù)原料不同，原料氣中還可能含有少量有機和無機硫的化合物。 為了滿足氫碳比例，如果原料氣中氫碳不平衡，當(dāng)氫多碳少時（如以甲烷為原料），則在制造原料氣時，還要補碳，一般采用二氧化碳。 第2章 甲醇工藝流程2.1 精餾反應(yīng)設(shè)計方案的選擇 精餾裝置包括精餾塔、原料預(yù)熱器，再沸器、冷凝器、釜液冷卻器和產(chǎn)品冷卻器等設(shè)備。精餾過程按操作方式的不同，分為連續(xù)精餾和間歇精餾兩種流程。連續(xù)精餾具有生產(chǎn)能力大，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點，工業(yè)生產(chǎn)中以連續(xù)精餾為主。間歇精餾具有操作靈活，適應(yīng)性強等優(yōu)點，適合于小規(guī)模、多品種或多組分物系的初步分離。精餾是通過物料在塔內(nèi)的多

18、次部分氣化與多次部分冷凝實現(xiàn)分離的，熱量自塔釜輸入，由冷凝器和冷卻器中的冷卻介質(zhì)將余熱帶走。在此過程中，熱能利用率很低，為此，在確定裝置流程時應(yīng)考慮余熱的利用。譬如，用原料作為塔頂產(chǎn)品冷卻器的冷卻介質(zhì)，既可將原料預(yù)熱，又可節(jié)約冷卻介質(zhì)。另外，為保持塔的操作穩(wěn)定性，流程中除用泵直接送入塔原料外也可采用高位槽送料，以免受泵操作波動的影響。塔頂冷凝裝置可采用全凝器、分凝器-全凝器兩種不同的設(shè)置。工業(yè)上以采用全凝器為主，以便于準(zhǔn)確地控制回流比。塔頂分凝器對上升蒸汽有一定的增濃作用，若后續(xù)裝置使用氣態(tài)物料，則宜用分凝器?？傊?，確定流程時要較全面、合理的兼顧設(shè)備、操作費用、操作控制及安全諸因素。操作壓力的

19、選擇：精餾過程按操作壓力不同，分為常壓精餾、減壓精餾和加壓精餾。一般除熱敏性物系外，凡通過常壓精餾能夠?qū)崿F(xiàn)分離要求，并能用江河水或循環(huán)水將餾出物冷凝下來的物系，都應(yīng)采用常壓精餾；對熱敏系物系或者混合物泡點過高的物系，則宜采用減壓蒸餾；對常壓下餾出物的冷凝溫度過低的物系，需提高塔壓或者采用深井水、冷凍鹽水作為冷卻劑；而常壓下呈氣態(tài)的物系必須采用加壓精餾。例如苯乙烯常壓沸點為145.2，而將其加熱到102以上就會發(fā)生聚合，故苯乙烯應(yīng)采用減壓蒸餾；脫丙烷塔操作壓力提高到1765kpa時，冷凝溫度約為50，便可用江河水或者循環(huán)水進行冷卻，則運轉(zhuǎn)費用減少；石油氣常壓呈氣態(tài)，必須采用加壓精餾。進料熱狀況的

20、選擇： 精餾操作有五種進料熱狀況，進料熱狀況不同，影響塔內(nèi)各層塔板的氣、液相負(fù)荷。工業(yè)上多采用接近泡點的液體進料和液體進料，通常用釜殘液預(yù)熱原料。若工藝要求減少塔釜的加熱量，以避免釜溫過高，料液產(chǎn)生聚合或結(jié)焦，則應(yīng)采用氣態(tài)進料。加熱方式的選擇：蒸餾大多采用間接蒸汽加熱，設(shè)置再沸器。有時也可采用直接蒸汽加熱，例如精餾釜殘液中的主要組分是水，且在低濃度下輕組分的相對揮發(fā)度較大時（如乙醇與水混合液）宜用直接蒸汽加熱，其優(yōu)點是可以利用壓力較低的加熱蒸汽以節(jié)省操作費用，并省掉間接加熱設(shè)備。但由于直接蒸汽的加入，對釜內(nèi)溶液起一定稀釋作用，在進料條件和產(chǎn)品純度、輕組分收率一定的前提下，釜液濃度相應(yīng)降低，故需

21、要在提餾段增加塔板以達到生產(chǎn)要求?；亓鞅鹊倪x擇：回流比是精餾操作的重要工藝條件，其選擇的原則是使設(shè)備費和操作費用之和最低。設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)實際需要選定回流比，也可參考同類生產(chǎn)的經(jīng)驗值選定。必要時可選用若干個r值，利用簡捷法求出對應(yīng)理論板數(shù)n，作出n-r曲線，從中找出適宜操作回流比r,也可作出r對精餾操作費用的關(guān)系線，從中確定適宜回流比r。2.2精餾原理以及塔設(shè)備的選擇2.2.1 精餾原理 精餾是多級蒸餾過程。精餾是利用混合液中組分揮發(fā)度的差異，實現(xiàn)組分高純度分離的多級蒸餾操作，即同時進行多次部分汽化和部分冷凝的過程。為了使廢液中的甲醇和水得到較好的分離，使廢甲醇溶媒重復(fù)利用，應(yīng)對廢甲醇溶媒進行精

22、餾。溶液的氣液平衡是蒸餾過程的熱力學(xué)基礎(chǔ)，是精餾操作分析和過程計算的重要依據(jù)。氣液平衡可用氣液平衡方程或相圖表示。精餾是利用混合液中組分揮發(fā)度的差異，實現(xiàn)組分高純度分離的多級蒸餾操作，即同時進行多次部分汽化和部分冷凝和部分冷凝的過程。精餾過程原理可以用如圖2-1所示物系的t-x-y相圖來說明。 圖2-1將組成為xf的混合液升溫至泡點以上使其部分汽化，并將氣液分開，兩相的組成分別為y1和x1。由圖看出，y1xfx1。兩相的量由杠桿規(guī)則確定。若將組成為x1的液相繼續(xù)進行部分汽化，則可得到組成為y2,的氣相和組成為x2的液相。如此將液體混合物進行多次部分汽化，在液相中可得到高純度的難揮發(fā)組分產(chǎn)品。同

23、時，將組成為y1的氣相進行多次部分冷凝，在氣相可獲得高純度的易揮發(fā)組分產(chǎn)品5。上述分別進行液相部分汽化和氣相部分冷凝的過程，原理上可以獲得混合物高純度的分離，但因產(chǎn)生大量中間餾分而使所得產(chǎn)品量極少，收率極低。工業(yè)上的精餾過程是在精餾塔內(nèi)將部分汽化和部分冷凝過程有機耦合而進行操作的。2.2.2進行精餾反應(yīng)的塔設(shè)備的選擇塔器是一種高徑比很大的設(shè)備，它可使汽液、氣液或液液兩相之間進行緊密接觸，達到相際間傳熱的目的，因此是化工、煉油生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。精餾、吸收、解吸和萃取等單元操作都可以在塔設(shè)備中完成。按照塔內(nèi)氣液流動的方式，可將塔板分為錯流式與逆流式。錯流式上帶有降液管，在每層塔板上保持一定的

24、液層厚度，氣體垂直穿過液層，但對整個塔來說，兩相為逆流流動。錯流式塔板廣泛應(yīng)用于精餾、吸收等傳質(zhì)操作中。逆流塔板也稱為穿流板，板上不設(shè)降液管，汽液兩相同時由板上孔道逆向穿流而過6。這種塔板的結(jié)構(gòu)雖簡單，板面利用率也高，但需要較高的氣速才能維持板上液層，操作范圍較小，分離效率也低，工業(yè)上應(yīng)用較少。塔板是板式塔的主要構(gòu)件，在幾種主要類型錯流塔板中，應(yīng)用最早的是泡罩塔，目前應(yīng)用最廣的是篩板塔和浮閥塔板7。同時，各種新型高效塔板不斷問世。泡罩塔板的優(yōu)點是因生氣管高出液層，不易發(fā)生漏液現(xiàn)象，液氣比范圍大，有較大的操作彈性，即當(dāng)氣液流量有較大的波動時，仍能維持幾乎恒定的板效率；塔板不易堵塞，適宜處理各種物

25、料。泡罩塔板的缺點是塔板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，金屬耗量大，造價高，塔板壓降大，生產(chǎn)能力及板效率均較低。在本次的設(shè)計中用的是篩孔塔板來進行甲醇和水的分離。篩孔塔板簡稱篩板，塔板上開有許多均勻分布的小孔。根據(jù)孔徑大小，可以分為小孔徑篩板和大孔徑篩板兩類。篩孔在塔板上通常做正三角形排列。在正常的操作氣速下，通過篩孔上升的氣流，應(yīng)能阻止液體經(jīng)篩孔向下泄露。篩板塔的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，氣體壓降小，板上液面落差也較小，生產(chǎn)能力及板效率均較泡罩塔高。其主要缺點是：操作彈性小，篩孔小時容易堵塞。采用大孔徑篩板可避免堵塞，而且由于氣速的提高，生產(chǎn)能力增大。近年來篩板的應(yīng)用日趨廣泛。塔設(shè)備是化工、煉油生產(chǎn)中最重要的設(shè)

26、備之一。它可使氣（或汽）液或液液兩相之間進行緊密接觸，達到相際傳質(zhì)及傳熱的目的常見的、可在塔設(shè)備中完成的單元操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。此外，工業(yè)氣體的冷卻與回收，氣體的濕法凈制和干燥，以及兼有氣液兩相傳質(zhì)和傳熱的增濕、減濕等8。工業(yè)上，塔設(shè)備主要用于蒸餾和吸收傳質(zhì)單元操作過程。傳統(tǒng)的設(shè)計中，整流過程多選用板式塔，而吸收過程多選用填料塔。近年來，隨著塔設(shè)備設(shè)計水平的提高及新型塔構(gòu)件的出現(xiàn)，上述傳統(tǒng)已逐漸打破。在蒸餾過程中采用填料塔及在吸收過程中采用板式塔已有不少應(yīng)用范例，尤其是填料塔在經(jīng)流過程中的應(yīng)用已非常普遍。 對于一個具體的分離過程，設(shè)計中選擇何種塔型，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)能力，分離效率，塔壓

27、降，操作彈性等要求，并結(jié)合制造、維修、造價等因素綜合考慮9。例如，對于熱敏物系的分離，要求塔壓降盡可能低，選用填料塔較為適宜；對于有側(cè)線進料和出料的工藝過程，選用板式塔較為適宜；對于有懸浮物或容易聚合物系的分離，為防止堵塞，宜選用板式塔；對于液體噴淋密度極小的工藝過程，若采用填料塔，填料層得不到充分潤濕，使其分離效率明顯下降，故宜選用板式塔；對于易發(fā)泡物系的分離，因填料層具有破碎泡沫的作用，宜選用填料塔。 精餾裝置包括精餾塔、原料預(yù)熱器，再沸器、冷凝器、釜液冷卻器和產(chǎn)品冷氣等設(shè)備。精餾過程按操作方式的不同，分為連續(xù)精餾和間歇精餾兩種流程10。連續(xù)精餾具有生產(chǎn)能力大，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點，工業(yè)生產(chǎn)

28、中以連續(xù)精餾為主。間歇精餾具有操作靈活，適應(yīng)性強等優(yōu)點，適合于小規(guī)模、多品種或多組分物系的初步分離。精餾是通過物料在塔內(nèi)的多次部分氣化與多次部分冷凝實現(xiàn)分離的，熱量自塔釜輸入，由冷凝器和冷卻器中的冷卻介質(zhì)將余熱帶走。在此過程中，熱能利用率很低，為此，在確定裝置流程時應(yīng)考慮余熱的利用。另外，為保持塔的操作穩(wěn)定性，流程中除用泵直接送入塔原料外也可采用高位槽送料，以免受泵操作波動的影響11?？傊_定流程時要較全面、合理地兼顧設(shè)備、操作費用、操作控制及安全等因素。甲醇和水物系的分離應(yīng)該采用多次蒸餾。在化工或煉油廠中，塔設(shè)備的性能對于整個裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)能力和消耗定額，以及三廢處理和環(huán)境保護

29、等各個方面都有重大的影響據(jù)有關(guān)資料報道，塔設(shè)備的投資費用占整個工藝設(shè)備投資費用的較大比例（見表）因此，塔設(shè)備的設(shè)計和研究，受到化工、煉油等行業(yè)的極大重視12。 表2-1 化工生產(chǎn)裝置中各類工藝設(shè)備所占投資的比例裝置名稱工藝設(shè)備類別攪拌設(shè)備 反應(yīng)設(shè)備 換熱設(shè)備 塔設(shè)備 合計化工和石油化工 6.15 22.91 45.55 25.39 100%煤油和煤化工 2.63 13.02 49.50 34.84 100%人造纖維 12.19 2.30 40.61 44.90 100%藥物和制藥 33.61 30.60 25.92 9.87 100%油脂工業(yè) 19.58 8.99 50.94 20.49 10

30、0%油漆和涂料 53.66 22.03 12.91 11.40 100%橡膠 15.38 12.04 57.47 15.11 100% 作為主要用于傳質(zhì)過程的塔設(shè)備，首先必須使氣（汽）液兩相充分接觸，以獲得較高的傳質(zhì)效率。此外，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，塔設(shè)備還得考慮下列各項傳質(zhì)效率。此外，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，塔設(shè)備還得考慮下列各項要求：生產(chǎn)能力大。在較大的氣（汽）液流速下，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞正常操作的現(xiàn)象。操作穩(wěn)定、彈性大。當(dāng)塔設(shè)備的氣（汽）液負(fù)荷量有較大的波動時，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進行穩(wěn)定的操作。并且塔設(shè)備應(yīng)保證能長期連續(xù)操作。流體流動的阻力小。即流體通過塔設(shè)

31、備的壓力降小。這將大大節(jié)省生產(chǎn)中的動力消耗，以及降低經(jīng)常操作費用。對于減壓蒸餾操作，較大的壓力降還使系統(tǒng)無法維持必要的真空度。2.2.3塔板的類型與選擇塔板是板式塔的主要構(gòu)件，分為錯流式塔板與逆流式塔板兩類。工業(yè)上應(yīng)用以錯流式塔板為主，常用的錯流式塔板主要有下列幾種。泡罩塔板泡罩塔板是工業(yè)上應(yīng)用最早的塔板，其主要元件為生氣管及泡罩。泡罩安裝在升氣管的頂部，分圓形和條形兩種，國內(nèi)應(yīng)用較多的是圓形泡罩。泡罩尺寸分為80mm, 100mm, 150mm三種，可根據(jù)塔徑的大小選擇。通常塔徑小于1000mm,選用80mm的泡罩；塔徑大于2000mm,選用150mm的泡罩。泡罩塔板的主要優(yōu)點是操作彈性較大

32、，液氣比范圍大，不易堵塞，適于處理各種物料，操作穩(wěn)定可靠。其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高；板上液層厚，塔板壓降大，生產(chǎn)能力及板效率較低。近年來，泡罩塔板已逐漸被篩板、浮閥塔板所取代。在設(shè)計中除特殊需要(如分離粘度大，易結(jié)焦等物系)外一般不宜選用。篩孔塔板篩孔塔板簡稱篩板，結(jié)構(gòu)特點為塔板上開有許多均勻的小孔。根據(jù)孔徑的大小，分為小孔徑篩板（孔徑為3-8mm）和大孔徑篩板（孔徑為10-25mm）兩類。工業(yè)應(yīng)用中以小孔徑篩板為主，大孔徑篩板多用于某些特殊場合（如分離粘度大，易結(jié)焦的物系）。篩板的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，造價低；板上液面落差小，氣體壓降低，生產(chǎn)能力較大；氣體分散均勻，傳質(zhì)效率較高。其缺點是篩孔宜堵塞

33、，不宜處理易結(jié)焦、粘度大的物料【15】。應(yīng)予指出，盡管篩板傳質(zhì)效率高，但若設(shè)計和操作不當(dāng)，易產(chǎn)生漏液，使得操作彈性減小，傳質(zhì)效率下降，故過去工業(yè)上應(yīng)用較為謹(jǐn)慎。近年來，由于設(shè)計和控制水平的提高，可使篩板的操作非常精確，彌補了上述不足，故應(yīng)用日趨廣泛。在確保精確設(shè)計和采用先進控制手段的前提下，設(shè)計中可大膽選用。浮閥塔板浮閥塔板是在泡罩塔板和篩孔塔板的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它吸收了兩種塔板的優(yōu)點。其結(jié)構(gòu)特點是在塔板上開有若干個閥孔，每個閥孔裝有一個可以上下浮動的閥片。氣流從浮閥周邊水平地進入塔板上液層，浮閥可根據(jù)氣流流量的大小而上下浮動，自行調(diào)節(jié)。浮閥塔板的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、造價低；塔板開孔率

34、大，生產(chǎn)能力大；由于閥片可隨氣量變化自由升降，故操作彈性大；因上升氣流水平吹入液層，氣液接觸時間較長，故塔板效率較高。其缺點是處理易結(jié)焦、高粘度的物料時，閥片易與塔板粘結(jié)；在操作過程中有時會發(fā)生閥片脫落或卡死等現(xiàn)象，使塔板效率和操作彈性下降。應(yīng)予指出，以上介紹的僅是幾種較為典型的浮閥形式。由于浮閥具有生產(chǎn)能力大，操作彈性大及塔板效率高等優(yōu)點，且加工方便，故有關(guān)浮閥塔板的研究開發(fā)遠(yuǎn)較其他型式的塔板廣泛，是目前新型塔板研究開發(fā)的主要方向。近年來研究開發(fā)出的新型浮閥有船型浮閥、管型浮閥、梯型浮閥、雙層浮閥、v-v浮閥、混合浮閥等，其共同特點是加強了流體的導(dǎo)向作用和氣體的分散作用，使氣液兩相的流動更趨

35、于合理，操作彈性和塔板效率得到進一步的提高。但應(yīng)指出，在工業(yè)應(yīng)用中，目前還多采用f1型浮閥，其原因是f1型浮閥已有系列化標(biāo)準(zhǔn)，各種設(shè)計數(shù)據(jù)完善，便于設(shè)計和對比16。而采用新型浮閥，設(shè)計數(shù)據(jù)不夠完善，給設(shè)計帶來一定的困難，但隨著新型浮閥性能測定數(shù)據(jù)的不斷發(fā)表及工業(yè)應(yīng)用的增加，其設(shè)計數(shù)據(jù)會逐步完善，在有較完善的性能數(shù)據(jù)下，設(shè)計中可選用新型浮閥。本設(shè)計應(yīng)采用篩板塔。提高傳質(zhì)速率是對傳質(zhì)設(shè)備性能的根本要求。為此，應(yīng)保證分散相的良好分散，兩相的適當(dāng)湍動和最大可能地接近逆流流動，以期獲得大的傳質(zhì)面積、增大傳質(zhì)系數(shù)、提高傳質(zhì)推動力。篩孔塔板的相對生產(chǎn)能力為1.21.4，相對塔板效率為1.1，操作彈性和壓力降

36、低，結(jié)構(gòu)簡單，成本為0.40.5【17】。與其他類型的塔板相比，選擇篩板塔能獲得更大的效率。2.3 工藝流程簡介 如圖2-2為連續(xù)操作的板式精餾塔(c-101)流程示意圖。原料液自塔(c-101)中部的適當(dāng)位置加入塔內(nèi)，塔頂冷凝器(e-103)將上升的蒸汽冷凝成液體，其中一部分作為塔頂產(chǎn)品（冷凝液）采出，另一部分引入塔頂作為“回流液”，在塔板上建立液層。塔的底部裝有再沸器(e-102)，加熱液體產(chǎn)生蒸汽回到塔底，再沿塔上升。加料口將精餾塔分成兩段，上段為精餾段，加料口以下為提餾段。在精餾段的各層塔板上，氣相與液相密切接觸，在溫度差和組成差的存在下傳熱、傳質(zhì)推動力，氣相進行部分冷凝，使其中部分難

37、揮發(fā)組分轉(zhuǎn)入液相；同時，氣相冷凝時釋放的潛熱使液體部分汽化，部分易揮發(fā)組分轉(zhuǎn)入氣相中。經(jīng)過每層塔板后，凈的結(jié)果是氣相中易揮發(fā)組分的含量增高，液相中難揮發(fā)組分增濃。只要精餾段有足夠的塔板層數(shù)，在塔頂即可獲得指定純度的易揮發(fā)組分產(chǎn)品。同理，只要提餾段有足夠的塔板層數(shù)，在塔底可得到高純度的難揮發(fā)組分產(chǎn)品18。塔內(nèi)的每層塔板為一個氣液接觸單元，若離開某層塔板的氣相和液相在組成上達到平衡，則將這種塔板稱為理論塔板。從以上分析可知，為達到混合液的高純度分離，除了精餾塔具有足夠?qū)訑?shù)塔板以外，還必須從塔頂引入“回流液”和從塔底產(chǎn)生上升蒸汽流，以建立氣液兩相體系。因此，塔底液相回流和塔底上升蒸汽流是精餾過程連續(xù)

38、進行的必要條件。精餾塔操作流程由精餾塔主體、塔頂冷凝器、塔底再沸器、回流泵及其他輔助設(shè)備安裝組合而成。 工藝流程圖2-2 第3章 精餾塔設(shè)備的主要計算3.1 設(shè)計任務(wù)和基本的物性數(shù)據(jù)本設(shè)計任務(wù)為分離甲醇水混合物。對于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。設(shè)計中采用泡點進料，將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分加回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲罐。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。（一天24小時，一年可連續(xù)工作300天）進料組成 甲醇：46% 水：54% 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 分離純度 塔頂甲醇含量95% 塔釜甲醇含量3% 質(zhì)

39、量分?jǐn)?shù)塔板類型 篩板塔操作壓力 常壓塔底加熱蒸汽：0.3mpa水文：水量充沛，一次水tmax30 3.2 設(shè)計方案的確定及流程說明 3萬噸甲醇的精餾。來自合成工段的粗甲醇首先與適量的軟水混合，甲醇和水混合液經(jīng)原料預(yù)熱器加熱至泡點后送入精餾塔。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝后，一部分作為回流，其余為塔頂產(chǎn)品，經(jīng)冷卻器冷卻后送至貯槽。3.2.1精餾塔的物料衡算 原料液及塔頂和塔底的摩爾分率甲醇的摩爾質(zhì)量 =32.04kg/kmol水的摩爾質(zhì)量 =18.02kg/kmol 原料液及塔頂和塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 =0.32432.04+(1-0.324) 18.02=22.56kg/kmol=0.9143

40、2.04+(1-0.914) 18.02=30.83kg/kmol=0.01732.04+(1-0.017) 18.02=18.26kg/kmol物料衡算原料處理量 總物料衡算 184.693=d+w苯物料衡算 聯(lián)立解得 d=63.212kmol/h w=121.481kmol/h3.2.2塔板數(shù)的確定理論板層數(shù)的 相對揮發(fā)度的求取由，再根據(jù)表119數(shù)據(jù)可得到不同溫度下的揮發(fā)度，見表3-2 表3-1溫度/ 液相中甲醇 氣相中甲醇 溫度/ 液相中甲醇 氣相中甲醇 摩爾分?jǐn)?shù) x 摩爾分?jǐn)?shù) y 摩爾分?jǐn)?shù) x 摩爾分?jǐn)?shù) y 100 0.00 0.00 75.3 0.40 0.72996.4 0.02

41、0.134 73.1 0.50 0.77993.5 0.04 0.234 71.2 0.60 0.82591.2 0.06 0.304 69.3 0.70 0.87089.3 0.08 0.365 67.6 0.80 0.91587.7 0.10 0.418 66.0 0.90 0.95884.4 0.15 0.517 65.0 0.95 0.97981.7 0.20 0.579 64.5 1.00 1.0078.0 0.30 0.665表3-2溫度/ 揮發(fā)度 溫度/ 揮發(fā)度96.4 7.582 78 4.63293.5 7.33 75.3 4.03591.2 6.843 73.1 3.525

42、89.3 6.610 71.2 3.14387.7 6.464 69.3 2.86884.4 6.066 67.6 2.69181.7 5.501 66 2.534所以求最小回流比及操作回流比 泡點進料： 故最小回流比為= 取操作回流比為 r=2=20.653=1.306求精餾塔的氣、液相負(fù)荷 求操作線方程 精餾段操作線方程為=+=+=0.566+0.396 3-1 提餾段操作線方程 3-2 采用逐板法求理論板層數(shù)由 得 將=4.45 代入得相平衡方程 3-3 聯(lián)立（3-1）、（3-2）、（3-3）式，可自上而下逐板計算所需理論板數(shù)。因塔頂為全凝則由（3-3）式求得第一塊板下降液體組成利用（3

43、-1）式計算第二塊板上升蒸汽組成為交替使用式（3-1）和式（3-3）直到，然后改用提餾段操作線方程，直到為止，計算結(jié)果見表3。 表3-3板號 12345678y0.9140.7950.6600.5430.3730.2020.0850.023x0.7050.4660.304xf0.2110.1180.0540.0200.005xw 精餾塔的理論塔板數(shù)為 =8（包括再沸器）進料板位置 實際板層數(shù)的求取 液相的平均粘度進料黏度：根據(jù)表1，用內(nèi)插法求得查手冊20得 求得塔頂物料黏度：用內(nèi)插法求得，查手冊21得 求得塔釜物料黏度：用內(nèi)插法求得，查手冊得 求得精餾段液相平均黏度：提餾段液相平均黏度：精餾段

44、和提餾段的相對揮發(fā)度根據(jù)表3-2，用內(nèi)插法求得 則精餾段的平均揮發(fā)度 提餾段的平均揮發(fā)度 全塔效率et 和實際塔板數(shù)全塔效率可用奧爾康公式：計算所以精餾段 提餾段精餾段實際板層數(shù) 塊提餾段實際板層數(shù) 塊3.3精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算3.3.1操作壓力的計算 塔頂操作壓力 每層塔板壓降 進料板壓力 精餾段平均壓力 3.3.2操作溫度計算 依據(jù)操作壓力，由泡點方程通過試差法計算出泡點溫度，其中甲醇、水的飽 和蒸氣壓由安托尼方程計算。計算結(jié)果如下：塔頂溫度 進料板溫度 精餾段平均溫度 3.3.3平均摩爾質(zhì)量計算 塔頂平均摩爾質(zhì)量計算由，進料板平均摩爾質(zhì)量計算 精餾段平均摩爾質(zhì)量3.3.4

45、平均密度計算 氣相平均密度計算由理想氣體狀態(tài)方程計算，即 液相平均密度計算液相平均密度依下式計算，即 塔頂液相平均密度的計算由，查手冊22得 進料板液相平均密度的計算由，查手冊得 進料板液相的質(zhì)量分率 精餾段液相平均密度為 3.3.5液體平均表面張力的計算 液相平均表面張力依下式計算，即 塔頂液相平均表面張力的計算由，查手冊21得 進料板液相平均表面張力為 由，查手冊21得 精餾段液相平均表面張力為3.3.6 液體平均粘度 計算見第18頁精餾段液相平均黏度3.4 精餾塔的塔體工藝尺寸計算 3.4.1 塔徑的計算 精餾段的氣、液相體積流率為由 式中的c由式計算，其中由史密斯關(guān)聯(lián)圖查取，圖的橫坐標(biāo)

46、為 取板間距，板上液層高度，則查史密斯關(guān)聯(lián)圖22得=0.068 取安全系數(shù)為0.6，則空塔氣速為按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為 d=1.2m塔截面積為實際空塔氣速為3.4.2 精餾塔有效高度的計算 精餾段有效高度為提餾段有效高度為在進料板上方開一人孔，其高度為：0.8m故精餾塔的有效高度為3.5 塔板主要工藝尺寸的計算3.5.1 溢流裝置計算 因塔徑d1.2m，可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。各項計算如下： 堰長取 溢流堰高度 由選用平直堰，堰上液層高度由式近似取e=1，則取板上清液層高度故 弓形降液管寬度和截面積 由 查弓形降液管的參數(shù)圖22，得 故 依式驗算液體在降液管中停留時間，即 故降液管

47、設(shè)計合理。降液管底隙高度取 則 故降液管底隙高度設(shè)計合理。選用凹形受液盤，深度。3.6 塔板布置 塔板的分塊因，故塔板采用分塊板。查塔板分塊表得，塔板分為3塊。邊緣區(qū)寬度確定取 開孔區(qū)面積計算開孔區(qū)面積按式計算其中 故 篩孔計算及排列本設(shè)計所處理的物系無腐蝕性，可選用碳鋼板，取利孔直徑篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為篩孔數(shù)目n為個開孔率為 氣體通過閥孔的氣速為3.7 塔板的流體力學(xué)驗算3.7.1塔板壓降干板阻力計算干板阻力由式計算由，查干篩孔得流量系數(shù)圖21得， 故 液柱氣體通過液層的阻力計算氣體通過液層的阻力由式計算 查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖，得0.62。液柱液體表面張力的阻力計算液體表面張力的阻力可按式計算，即 液柱氣體通過沒層塔板的液柱高度可按下式計算，即 液柱 氣體通過每層塔板的壓降為 （設(shè)計允許值）3.7.2 液面落差 對于篩板塔，液面落差很小，且塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。3.7.3 液沫夾帶 液沫夾帶量由下式計算，即 故 故在本設(shè)計中液沫夾帶量在允許范圍內(nèi)。3.7.4 漏液 對篩板塔，漏液點氣速可由下式計算，即 實際孔速穩(wěn)定系數(shù)為故在本設(shè)計中無明顯液漏。3.7.5 液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高度應(yīng)服從下式的關(guān)系，即 甲醇水物系屬一般物系，取，則而 板上不設(shè)進口堰，可由下