a0.6万吨年分离甲醇水混合液的填料精馏塔设计.doc

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1、辽宁石油化工大学毕业设计（论文）0.6万吨/年分离甲醇-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离操作，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、装置灵活、压降小、持液量少、生产能力大、分离效率高、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，既提高了塔的通过能力和分离效能又保持了压降小及性能稳定的特点。因此，填料塔已被推广到大型气液操作中，在

2、某些场合还代替了传统的板式塔。从设备设计的角度看，不论板式塔还是填料塔，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，既提高了塔的通过能力和分离效能又保持了压降小以性能稳定等特点。因此填料塔已被推广到大型汽液操作中，在某些场合还代替了传统的板式塔。但国内在这方面的研究则较少, 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。随着对填料塔的研究和开发，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AbstractDistillation through reflux technol

3、ogy 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 is divided in

4、to 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 Department o

5、f 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 capacity and separation efficiency while maintaining low pressur

6、e drop 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 packing, n

7、ot 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-liquid operations, in some cases instead of the traditional plate tower. Domestic research in this area is less, how t

8、o 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 industri

9、al production.Keywords: Distillation, packed tower, equipment design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第二章 填料塔设计计算102.1 操作条件与基础数据102.1.1 操作压力102.1.2 气液平衡关系及平衡数据102.1.3 物料平衡计算112.2 填料塔工艺计算122.2.1 物料衡算122.2.2 热量衡算132.2.3 理论板数计算172.3 填料

10、塔主要尺寸的设计计算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 填料的选择242.5 塔径和填料层计算242.5.1 塔径设计计算242.5.2 填料层计算262.6 附属设备及主要附件的选型计算282.6.1 冷凝器282.6.2 加热器282.6.3 塔内管径的计算及选型292.6.4 液体分布装置302.6.5 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离甲醇-水混合液，

11、处理量不大，故选用填料塔。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，用于吸收、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。所以塔设备的研究一直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.拉西首先采用高度与直径相等的陶瓷环填料（现称拉西环）推动了填料塔的发展。此后，多种新填料相继出现，填料塔的性能不断得到改善，近30年来,填料塔的研究及其应用取得巨大进展,不仅开发了数十种新型高效填料，还较好地解决了设备放大问

12、题。到60年代中期，直径数米乃至十几米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。填料塔自它发明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巨大的冲击, 在国内外引起众多研究者的极大兴趣, 在近几年的文献中, 国外有大量的规整填料研究报道。它因其高通量, 低压降, 操作稳定而广泛地用于气-液,液-液接触的塔设备中, 如蒸馏、吸收、萃取等诸多领域。特别是在气液接触中, 已越来越多地被采用, 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

13、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、空隙率及几何尺寸存在差异, 这样在选择填料时, 应根据体系物性, 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，用于吸收、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。所以塔设备的研究一直是国内外学者普遍关注的重要课题 。填料塔的优点有：（1）压降非常小。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

14、孔的阻力。在正常情况下，规整填料的阻力只有相应筛板塔阻力的1/51/6； （2）热、质交换充分，分离效率高，使产品的提取率提高；（3）操作弹性大，不产生液泛或漏液，所以负荷调节范围大，适应性强。负荷调节范围可以在30%110%，筛板塔的调节范围在70%100%；（4）液体滞留量少，启动和负荷调节速度快； （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减少6.5%左右；（6）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

15、板塔的板间距为110160mm，而规整填料的等板高为250300mm，因此填料塔的高度会增加。 一般都选择铝作为规整填料的材料，这样可减轻重量和减少费用，但必须控制好填料金属表面残留润滑油量小于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，处理量小时采用填料塔。近年来由于填料塔结构的改进，新型的、高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离效能又保持了压降小以性能稳定等特点。因此填料塔已被推广到大型汽液操作中。在某些场合还代替了传统的板式塔。如今，直径几米甚至几十米

16、的大型填料塔在工业上已非罕见。随着对填料塔的研究和开发，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，它具有结构简单、安装方便、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，故选用填料塔。 塔型的选择因素很多。主要因素有物料性质、操作条件、塔设备的制造安装和维修等。与物性有关的因素：（1）易起泡的物系在板式塔中有较严重的雾沫夹带现象或引起液泛，故选用填料塔为宜。因为填料不易形成泡沫。本设计为分离甲醇和水，故选用填料塔。 （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，则可

17、选金属性质或塑料填料，而本设计分离甲醇和水，腐蚀性小可选用金属填料。 与操作条件有关的因素：（1）传质速率受气膜控制的系统，选用填料塔为宜。因为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）难分离物系与产品纯度要求较高，塔板数很多时，可采用高效填料。 （3）若塔的高度有限制，在某些情况下，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。采用高位槽加料，通过控制液位高度，可以得到稳定的流量和流速。通过重力加料，可以节省一笔

18、动力费用。但由于多了高位槽，建设费用增加；采用泵加料，受泵的影响，流量不太稳定，流速也忽大忽小，从而影响了传质效率，但结构简单、安装方便；如采自动控制泵来控制泵的流量和流速，其控制原理较复杂，且设备操作费用高。本次实验采用高位槽进料。 1.2.2 进料状况 进料状况一般有冷液进料、泡点进料。对于冷液进料，当组成一定时，流量一定，对分离有利，节省加热费用。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。采用泡点进料，不仅对稳定塔操作较为方便，且不受季节温度影响。综合考虑，设计采用泡点进料。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

19、较为方便。 1.2.3 塔顶冷凝方式 塔顶冷凝采用全凝器，用水冷凝。甲醇和水不反应。且容易冷凝，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。此次分离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控制较难。如果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。在这种情况下，可采用强制回流，塔顶上升蒸汽采用冷凝冷却器以冷回流流入塔中。由于本次设计为小型塔，故采用重力回流。 1.2.5

20、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，维持原来的浓度，以减少理论板数，缺点是增加加热装置。本次实验采用间接蒸汽加热。1.2.6 加热器采用U型管蒸汽间接加热器，用水蒸汽作加热剂。因为塔小，可将加热器放在塔内，即再沸器，这样釜液部分汽化，维持了原有浓度，减少了理论板数。第二章 填料塔设计计算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

21、力影响非常大。当压力增大时，混合液的相对挥发度将减小，对分离不利；当压力减小时，相对挥发度将增大，对分离有利。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用常压蒸馏。当常压下无法完成操作时，则采用加压或减压蒸馏。对于甲醇-水系统在常压下相对挥发度相差较大，较易分离，故本设计采用常压精馏。2.1.2 气液平衡关系及平衡数据 表2-1 甲醇-水溶液的平衡数据（101.3KPa）平衡温度t 10092.990.388.985.081.678.0液相甲醇x 05.317.769.2613.1520.8328.18气相甲醇y 028.3440.0143.5354.5562.736

22、7.75平衡温度t 76.773.872.771.370.066.964.7液相甲醇x 33.3346.2052.9259.3768.4987.411.00气相甲醇y 69.1877.5679.7181.8384.9291.941.002.1.3 物料平衡计算 (1)物料衡算 已知： ,（质量百分数），摩尔分数： （2-1） （2-2） （2-3）进料平均相对分子质量: (2)根据甲醇和水的气液平衡表1，利用内插法求塔顶温度 , , 塔釜温度 ,进料温度 。 塔顶温度 , 塔釜温度 进料温度 回流比确定由图可知进料平衡曲线为不正常平衡曲线，作图求最小回流比由点a()向平衡线作切线，交轴于b（）

23、，精馏段操作线截距,所以=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发度=4.352.2 填料塔工艺计算 2.2.1 物料衡算 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:塔顶产品的平均相对分子质量 （2-5）塔顶产品流量： （2-6） 塔釜产品的平均相对分子质量 （2-7）塔釜产品流量: 物料衡算结果汇总如下表2-2 物料衡算结果表参数单位进料F塔顶D塔釜W物料流量kg/h830.756588.957241.799kmol/h31.9818.66813.312百分组成质量分数70%98%2%摩尔分数56.

24、83%96.5%1.13%2.2.2 热量衡算 （1） 热量衡算 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，可以通过改变蒸汽的压力准确地控制加热温度。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，加热温度控制困难。本设计选用300kPa（温度为133.3）的饱和水蒸气作加热介质，水蒸气易获得、清洁、不易腐蚀加热管，不但成本会相应降低，塔结构也不复杂。 b. 冷却剂的选择 常用的冷却剂是水和空气，应因地制宜加以选用。受当地气温限制，

25、冷却水一般为1025。如需冷却到较低温度，则需采用低温介质，如冷冻盐水、氟利昂等。 本设计建厂地区为沈阳。沈阳市夏季最热月份日平均气温为24。故选用24的冷却水，选升温10，即冷却水的出口温度为34。 (2) 冷凝器的热负荷 冷凝器的热负荷 （2-8）式中: 塔顶上升蒸汽的焓； 塔顶馏出液的焓。 （2-9）式中：甲醇的蒸发潜热； 水的蒸发潜热。 蒸发潜热与温度的关系： 其中对比温度。 表2-3 沸点下蒸发潜热列表沸点/蒸发潜热/（kcalkmol-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

26、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 （2-11）代入数据得： (3) 冷却介质消耗量 (4) 加热器的热负荷及全塔热量衡算 选用300kPa（温度为133.3）的饱和水蒸气为加热介质 计算甲醇、水在不同温度下混合的比热容单位：kcal/ (kg)表2-4 甲醇和水在不同温度下的比热容温度/65.3171.86平均值98.5271.86平均值甲醇/0.7200.7420.7310.8310.7420.787水/111111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

27、基准做热量衡算 （2-13）塔釜热损失为10%，则，则式中加热器理想热负荷； 加热器实际热负荷； 塔顶馏出液带出热量； 塔底带出热量。 加热蒸汽消耗量 (333K,300KPa)表2-5 热量衡算数据结果列表 /kcal.h-1 /kg.h-1/kcal.h-1 /kcal.h-1/kcal.h-1/kcal.h-1/kg.h-10-2838.776418.83808.572.2.3 理论板数计算 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，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

28、7块。2.3 填料塔主要尺寸的设计计算 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温度/ 5060708090100甲醇750741731721713704水988983978972965958表2-7 查图整理得甲醇-水特殊点粘度物质粘度mPas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 ， 气相平均相对分子质量 液相平均相对分子质量 气相密度 液相密度 ,查表2-7，由内插法得：所以 液相粘度 查表2-7得：， 塔顶出料口质量流量 表2-8 塔顶数

29、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 ， 液相相对分子质量：气相密度： (2-14)液相密度： 视同纯水，查表2-6， 液相粘度 查表2-7得：, 塔底流量 表2-9 塔底数据结果表18.018.00.5919580.270239.616 13.3122.3.3 进料条件下的流量及物性参数 ， 查表2-1，得如下的平衡数据： (表头和标题)52.92 56.8 59.37 79.71 y 81.83由内插法，得： 气相平均相对分子质量： 液相平均相对分子质量 气相密度 液相密度 由表2-6数据， , 同上用内插法，求出：所

30、以 液相粘度 查表2-7得： ， 进料流量 表2-10 进料数据结果表符号数值29.3725.981.04789.2040.348833.3331.982.3.4 精馏段流量及物性参数 气相平均相对分子质量： (2-15)液相平均相对分子质量： (2-16)气相密度： （2-17）液相密度： （2-18）液相粘度： （2-19）气相流量： （2-20）液相流量： （2-21）表2-11 精馏段数据结果表主 要 参 数提馏段气相平均相对分子质量 30.68液相平均相对分子质量 28.79气相密度 1.093液相密度 764.29气相摩尔流量 /75.605气相质量流量/2302.93液相粘度/0

31、.341液相摩尔流量/56.94液相质量流量/1639.302.3.5 提馏段流量及物性参数 气相平均相对分子质量： (2-22)液相平均相对分子质量： (2-23)气相密度： （2-24）液相密度： （2-25）液相粘度： （2-26）气相流量： （2-27）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液相摩尔流量/88.92液相质量流量/1955.352.4 填料的选择填料是填料塔的核心构

32、件，它提供了气液两相相接触传质与传热的表面，与塔内件一起决定了填料塔的性质。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均匀图形排布、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，同时还可以提供更大的比表面积，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，规整填料结构均匀、规则、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

33、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。 （3）工业生产中气液质均可能带入“第三相”物质，导致散装填料及某些板式塔无法维持操作。鉴于250Y型填料整齐的几何结构，显示出良好的抗堵性能，因而能在某些散装填料塔不适宜的场合使用，扩大了填料塔的应用范围。 鉴于以上250Y型的特点，本设计采用Mellapok-250Y型填料，因本设计塔中压力很低。 2.5 塔径和填料层计算2.5.1 塔径设计计算(1) 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： 塔径:圆整后：，空塔气速提馏段塔径计算 已知： ， ，V=1791.08 解得： 空塔气速