228843甲醇水溶液连续筛板精馏塔设计.docx

1、228843甲醇水溶液连续筛板精馏塔设计设计题目名称：甲醇-水溶液连续筛板精馏塔设计设计条件：1处理量：50000t/年；2料液组成（质量分数）：40%；3塔顶产品组成（质量分数）：93.0%； 4塔顶易挥发组成回收率：99.5%；5年工作生产时间：330天；6全塔总效率：60%。设计内容：设计方案的确定：（1）常压精馏；（2）进料状态：泡点进料；（3）加热方式：塔底间接加热，塔顶全凝；（4）热能的利用。工艺计算：（1）物料衡算；（2）热量衡算；（3）回流比的确定；（4）理论塔板数的确定。3 塔板及其塔的主要尺寸的设计：（1）塔板间距的确定；（2）塔径的确定；（3）塔板的布置及其板上流流程的确

2、定。4 流体力学的计算及其有关水力性质的校核。板式精馏塔辅助设备的选型。绘制带控制的点工艺流程图及精馏塔设备的条件图。编写设计说明书厂址：长沙地区设计任务完成精馏塔的工艺设计，有关附属设备的设计和选型，绘制精馏塔系统带控制点的工艺流程图及其精馏塔设备的工艺条件图，编写设计说明书。设计时间安排2006.5.29-2006.6.16附： 汽液平衡数据xyxyxy0.000.0000.150.5170.700.8700.020.1340.200.5790.800.9150.040.2340.300.6650.900.9580.060.3040.400.7290.950.9790.080.3650.5

3、00.7791.001.0000.100.4180.600.825符号说明：英文字母Aa- 塔板的开孔区面积，m2Af- 降液管的截面积, m2Ao- 筛孔区面积, m2 AT-塔的截面积 m2 PP-气体通过每层筛板的压降C-负荷因子 无因次 t-筛孔的中心距C20-表面张力为20mN/m的负荷因子do-筛孔直径 uo-液体通过降液管底隙的速度D-塔径 m Wc-边缘无效区宽度ev-液沫夹带量 kg液/kg气 Wd-弓形降液管的宽度ET-总板效率 Ws-破沫区宽度R-回流比Rmin-最小回流比 M-平均摩尔质量 kg/kmoltm-平均温度 g-重力加速度 9.81m/s2 Z-板式塔的有效

4、高度Fo-筛孔气相动能因子 kg1/2/(s.m1/2)hl-进口堰与降液管间的水平距离 m -液体在降液管内停留时间hc-与干板压降相当的液柱高度 m -粘度hd-与液体流过降液管的压降相当的液注高度 m -密度hf-塔板上鼓层高度 m -表面张力hL-板上清液层高度 m -液体密度校正系数h1-与板上液层阻力相当的液注高度 m 下标ho-降液管的义底隙高度 m max-最大的how-堰上液层高度 m min-最小的hW-出口堰高度 m L-液相的hW-进口堰高度 m V-气相的h-与克服表面张力的压降相当的液注高度 mH-板式塔高度 mHB-塔底空间高度 mHd-降液管内清液层高度 mHD

5、-塔顶空间高度 mHF-进料板处塔板间距 mHP-人孔处塔板间距 mHT-塔板间距 mH1-封头高度 mH2-裙座高度 mK-稳定系数lW-堰长 mLh-液体体积流量 m3/hLs-液体体积流量 m3/sn-筛孔数目 P-操作压力 KPaP-压力降 KPaPp-气体通过每层筛的压降 KPaT-理论板层数u-空塔气速 m/su0,min-漏夜点气速 m/suo -液体通过降液管底隙的速度 m/sVh-气体体积流量 m3/hVs-气体体积流量 m3/sWc-边缘无效区宽度 mWd-弓形降液管宽度 mWs -破沫区宽度 mZ - 板式塔的有效高度 m 希腊字母-筛板的厚度 m-液体在降液管内停留的时

6、间 s-粘度 mPa.s-密度 kg/m3-表面张力N/m-开孔率 无因次-质量分率 无因次 下标Max- 最大的Min - 最小的L- 液相的V- 气相的 目 录一、概述 51精馏操作对塔设备的要求 52板式塔类型 53精馏塔的设计步骤 6二、精馏塔的物料衡算 6三、塔板数的确定 7四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据数据的计算 7五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算 10六、塔板主要工艺尺寸的计算 12七、筛板的流体力学验算 15八、塔板负荷性能图 18九、筛板塔设计计算结果 21十、辅助设备的计算及选型 22 原料贮罐 222产品贮罐 23原料预热器 234塔顶全凝器 245塔底再沸器 246产品

7、冷凝器 257精馏塔 258管径的设计 269泵的计算及选型 27十一、参文献考 27一、概述1 精馏操作对塔设备的要求和类型对塔设备的要求精馏所进行的是气(汽)、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求： 气(汽)、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。 流体流动

8、的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。 塔内的滞留量要小。实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。板式塔类型 气液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，板式塔为逐级接触型气液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气液接触元件的不同，可

9、分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛。 筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有： 结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60，为浮阀塔的80左右。 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加1015。 塔板效率高

10、，比泡罩塔高15左右。 压降较低，每板压力比泡罩塔约低30左右。 筛板塔的缺点是： 塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。 操作弹性较小(约23)。 小孔筛板容易堵塞。2精馏塔的设计步骤 本设计按以下几个阶段进行： 设计方案确定和说明。根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、主要设备型式及其材质的选取等进行论述。 蒸馏塔的工艺计算，确定塔高和塔径。 塔板设计：计算塔板各主要工艺尺寸，进行流体力学校核计算。接管尺寸、泵等，并画出塔的操作性能图。 管路及附属设备的计算与选型，如再沸器、冷凝器。 抄写说明书。 绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图。本设计任务为分离醇和水的混合物，对于二元混

11、合物的分离，应采用连续常压精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷凝器冷却后送至贮罐。该物系属于易分离物系，最小回流比比较小，故操作回流比取最小回流比的1.8倍。塔底采用间接蒸气加热，塔底产品经冷却后送至贮罐。二、精馏塔的物料衡算 原料液及其塔顶、塔底产品的摩尔分率甲醇的摩尔质量为：32.04kg/kmol水的摩尔质量为： 18.01kg/kmolxf=(0.40/32.04)/(0.40/32.04+0.60/18.01)=0.273xd=(0.93/32.04)/(0.93/32.

12、04+0.07/18.01)=0.882 原料液及其塔顶与塔底产品的平均摩尔质量Mf=32.040.273+18.01(1-0.273)=21.84kg/molMd=32.040.882+18.01(1-0.882)=30.38kg/mol则可知：原料的处理量：F=50000/(3302421.84)=289.06kmol/h根据回收率： = xdD/(xfF)=99.5%则有： D=89.02kmol/h 由总物料衡算：F= D+W以及: xfF= xd D+Wxw容易得出： W=200.04kmol/hxw=0.00199三、塔板数的确定 理论板层数NT的求取因为甲醇与水属于理想物系，可采

13、用图解法求解（见相平衡图1-1）最小回流比及其操作回流比的求解：y=0.647，x=0.273Rmin=(xD-y)/(y-x)=(0.882-0.647)/(0.647-0.273)=0.628取操作回流比为：R=1.8Rmin=1.80.628=1.130a精馏塔的气、液相负荷L=RD=1.1389.02=100.59kmol/hV=(R+1)D=2.1389.02=189.61kmol/hL=L+F=100.59+289.06=389.65kmol/hV=V=189.61kmol/hb精馏段、提馏段操作线方程精馏段操作线：y=L/Vx+D/Vxd=0.5305x+0.414提馏段操作线：

14、y=L/VxW/Vxw=2.055x-0.002c图解法求理论塔板层数根据图一所示，可求得结果为总理论塔板数NT为8块(包括再沸器)进料板位置NF为自塔顶数起第4块 理论板层数NT的求取精馏段实际塔板数 N精=3/60%=5块提馏段实际塔板数 N提=5/60%=9块四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据数据的计算 操作压力的计算设每层塔压降： P=0.9KPa（一般情演况下，板式塔的每一个理论级压降约在0.41.1kPa）进料板压力： PF=101.3+50.9=105.8(KPa)精馏段平均压力：Pm=(101.3+105.8)/2=103.5(KPa)塔釜板压力： PW=101.3+140.9

15、=113.9(KPa)提馏段平均压力：Pm=(105.8+113.9)/2=109.85(KPa) 操作温度的计算查表可得安托尼系数ABCMinMaxH2O7.074061657.46227.0210168CH3OH7.197361574.99238.23-1691H2O的安托尼方程： lgPAO=7.07406-1657.46/(tA+227.02)CH3OH的安托尼方程： lgPBO=7.19736-1574.99/(tB+238.86)甲醇的tBlg101.3=7.19736-1574.99/(tB+238.86) tB=64.5()由泡点方程试差可得当 tD=67.0时 Kixi1 同

16、理可求出 tF=85.2时 Kixi1 tW=103.2时 Kixi1 所以 塔顶温度 tD=67.0 进料板温度 tF=85.2 塔釜温度 tW=103.2精馏段平均温度 tm=(67.0+85.2)/2=76.1() 提馏段平均温度 tm=(103.2+85.2)=94.2() 平均摩尔质量的计算a. 塔顶平均摩尔质量计算 由xD=y1=0.882 查平衡曲线(图一)得 x1=0.727 MVDm=0.88232.04+(1-0.882)18.01=30.38kg/mol MLDm=0.72732.04+(1-0.727)18.01=28.21kg/molb. 进料板平均摩尔质量计算 由y

17、F=0.600 查平衡曲线(图一)得 x1=0.220 MVFm=0.60032.04+(1-0.600)18.01=26.43kg/mol MLFm=0.22032.04+(1-0.220)18.01=21.10kg/mol c. 塔釜平均摩尔质量计算 由y1=0.006 查平衡曲线(图一)得 x1=0.001 MVWm=0.00632.04+(1-0.006)18.01=18.09kg/mol MLWm=0.00132.04+(1-0.001)18.01=18.02kg/mol d. 精馏段平均摩尔质量 MVm=(30.38+26.43)/2=28.41kg/mol MLm=(28.21+

18、21.10)/2=24.66kg/mol e. 提馏段平均摩尔质量 MVm=(26.43+18.09)/2=22.26kg/mol MLm=(21.10+18.02)/2=19.56kg/mol 平均密度的计算a. 精馏段平均密度的计算气相由理想气体状态方程得Vm=PmMvw/RTm=(103.528.41)/8.314(273.15+76.1)=1.01kg/m3液相查可得tD=67.0时 A979.4kg/m3 B=750.0kg/m3 tF=85.2时 A968.5kg/m3 B=735.0kg/m3 LDm=1/(0.93/750.0+0.07/979.4)=762.5kg/m3 进料

19、板液相的质量分率A=(0.22032.04)/(0.22032.04+0.78018.01)=0.334 LFm=1/(0.334/735.0+0.666/968.5)=875.6kg/m3精馏段液相平均密度为 Lm=(762.5+875.6)/2=819.1 kg/m3 b. 提馏段平均密度的计算 气相由理想气体状态方程得Vm=PmMvw/RTm=(109.3522.27)/8.314(273.15+94.2)=0.80kg/m3 液相查可得tw=103.2时 A956.1kg/m3 B=720.0kg/m3A=(0.00132.04)/(0.00132.04+0.99918.01)=0.0

20、018 Lwm=1/(0.0018/720.0+0.9982/956.18)=955.62kg/m3提馏段平均密度 Lm=(955.62+875.6)/2=915.6 kg/m3 平均粘度的计算 液相平均粘度依下式计算 即 lgLm=xilgia塔顶液相平均粘度的计算 由tD=67.0查得 A=0.4233mPa.s B=0.3110mPa.s lgLDm=0.882lg(0.3110)+0.118lg(0.4233) =-0.49LDm=0.323mPa.s b进料板平均粘度的计算 由tF=85.2查得 A=0.3320mPa.s B=0.2550mPa.s lgLFm=0.220lg(0.

21、2550)+0.780lg(0.3320) =-0.50 LFm=0.313mPa.s 精馏段平均粘度 Lm=(0.323+0.313)/2=0.318mPa.sc塔底液相平均粘度的计算 由tW=103.2查得 A=0.275mPa.s B=0.220mPa.s lgLWm=0.00199lg(0.220)+0.99801lg(0.275) =-0.56 LWm=0.275mPa.s 提馏段平均粘度 Lm=(0.275+0.313)/2=0.294mPa.s 平均表面张力的计算 液相平均表面张力依下式计算 即 Lm=xiia. 塔顶液相平均表面张力的计算 由tD=67.0查得 A=64.91m

22、N/m B=18.30mN/mLDm=0.88218.30+0.11864.91=23.80 mN/mb. 进料板液相平均表面张力的计算 由tF=85.2查得 A=62.22mN/m B=16.40N/mLFM=0.22016.4+0.78062.22=52.14 mN/mc. 塔底液相平均表面张力的计算 由tW=103.2查得 A=58.20mN/m B=14.40N/mLWm=0.0019914.40+0.9980158.2=58.11 mN/m 精馏段液相平均表面张力Lm=(52.14+23.80)/2=37.97 mN/m 提馏段液相平均表面张力Lm=(52.14+58.11)/2=5

23、5.13 mN/m五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算 由上面可知精馏段 L=100.59kmol/h V=189.61kmol/h a 塔径的计算 精馏段的气、液相体积流率为 VS=VMVm/3600Vm=(189.6128.405)/(36001.01)=1.481m3/s LS=LMLm/3600Lm=(100.5924.655)/(3600819.1)=0.00084m3/s式中，负荷因子由史密斯关联图查得C20再求图的横坐标为 Flv=L/V(l/v)0.5=0.0162取板间距，HT=0.40m,板上清液层高度取hL=0.05m，则HT-hL=0.35 m史密斯关联图如下由上面史密斯关联图

24、，得知C20=0.075气体负荷因子C= C20(/20)0.2=0.08526Umax=2.43取安全系数为0.8，则空塔气速为 U=0.8Umax=0.82.43=1.94m/s=0.986m按标准塔径圆整后为D=1.0m塔截面积为At=3.1411=0.785 m2实际空塔气速为U实际=1.481/0.785=1.887 m/sU实际/ Umax=1.887/2.43=0.78(安全系数在充许的范围内，符全设计要求) 由上面可知提馏段 L=389.65kmol/h V=189.61kmol/h a提馏段塔径的计算 提馏段的气、液相体积流率为 VS=VMVm/3600Vm=(189.612

25、2.26)/(36000.80)=1.4660m3/s LS=LMLm/3600Lm=(389.6519.56)/(3600915.6)=0.2200m3/s式中，负荷因子由史密斯关联图查得C20再求图的横坐标为 Flv=L/V(l/v)0.5=0.051取板间距，HT=0.40m，板上清液层高度取hL=0.06m，则HT-hL=0.34 m由史密斯关联图，得知 C20=0.076气体负荷因子 C= C20(/20)0.2=0.093Umax=3.14m/s取安全系数为0.7，则空塔气速为 U=0.7Umax=0.73.14=2.20m/s=0.921m按标准塔径圆整后为D=1.0m塔截面积为

26、At=3.1411=0.785 m2实际空塔气速为U实际=1.466/0.785=1.868 m/s U实际/ Umax=1.868/3.14=0.59(安全系数在充许的范围内，符全设计要求) 精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为 Z精=（N精-1）HT=（5-1）0.40=1.6 m提馏段有效高度为 Z提=（N提-1）HT=（9-1）0.40=3.2 m在进料板上方开一个人孔，其高度为0.8 m故精馏塔有效高度为Z=Z精+Z提+0.5=1.6+3.2+0.8=5.6m六、塔板主要工艺尺寸的计算 精馏段a溢流装置计算因塔径D=1.0m，所以可选取单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。( 此种溢流方

27、式液体流径较长，塔板效率较高，塔板结构简单，加工方便，在直径小于2.2m的塔中被广泛使用。)各项计算如下：1) 堰长lw可取lw=0.60D=0.60m2) 溢流堰高度hw由hw=hLhow选用平直堰，( 溢流堰板的形状有平直形与齿形两种，设计中一般采用平直形溢流堰板。) 堰上层液高度how由下列公式计算，即有 how=2.84/1000E(Lh/lw)(2/3)并由图液流收缩系数计算图，则可取用E= 1.0 ，则how=0.0083m取板上清液层高度hL=0.05 m故 hw=0.0417m3) 弓形降液管的宽度Wd和截面积Af由Wd/D=0.6 m 查可求得Af/AT=0.057 Wd/D

28、=0.125 Af=0.0570.785=0.0448 m2Wd=0.1251.0=0.125 m并依据下式验算液体在降液管中的停留时间，即=3600 AfHT/Lh= 3600 0.04480.40/ (36000.0084)=21.31s5s 其中HT即为板间距0.40m，Lh即为每小时的体积流量验证结果为降液管设计符合要求。4）降液管底隙高度hoho= Lh/（3600lwuo）取uo=0.07m/s则ho=0.00843600/(36000.60.07) =0.020024 m0.02m Hw-ho=0.0417-0.020024=0.021671910.006 m故降液管底隙高度设计合理选用凹形受液盘，深度hw=55mm。b塔板布置1) 塔板的分块因为D 800mm，所以选择采用分块式，查可得，塔板可分为3块。2