回收塔课程设计.docx

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1、合肥学院Hefei University化工原理课程设计in甲醇一一水分离板式精馏塔设计题目系别专业学号姓名 指导教师2012年2月14日目录课程设计任务书11. 概述21.1. 设计方案的选择21.2. 设计流程说明32. 塔的工艺计算42.1. 物性参数42.2. 回收塔的物料衡算52.2.1. 原料液及塔顶和塔底产品的组成52.2.2. 物料衡算52.3. 物料的进料热状态62.4. 理论板层数的求取72.4.1. 求操作线方程72.4.2. 求相对挥发度72.4.3. 逐板法求理论板层数82.5. 实际板层数的求取82.5.1. 塔板效率的估算82.5.2. 实际塔板数的计算93. 主

2、要设备工艺尺寸设计93.1. 各设计参数93.1.1. 操作压力的计算93.1.2 .操作温度的计算93.1.3. 平均摩尔质量计算103.1.4. 气相平均密度计算103.1.5. 液相平均密度计算103.1.6 .液体平均表面张力计算113.1.7 .液体平均黏度113.2. 塔体工艺尺寸计算123.2.1. 塔径的计算123.2.2. 塔有效高度的计算133.3. 塔板主要工艺尺寸的计算143.3.1. 溢流装置的计算143.3.2. 塔板布置153.4. 塔板的流体力学验算163.4.1. 塔板压降163.4.2 .液面落差173.4.3 .液沫夹带173.4.4. 漏液173.4.5

3、. 液泛183.5. 塔板负荷性能图183.5.1. 漏液线183.5.2. 液沫夹带线193.5.3. 液相负荷下限线203.5.4. 液相负荷上限线203.5.5 .液泛线203.6. 接管尺寸的确定223.6.1. 蒸汽管223.6.2. 进料管23233.6.3. 塔底出料管234. 辅助设备选型与计算4.1. 原料储罐和产品储罐234.2. 原料预热器254.3. 塔底再沸器255. 设计结果汇总266. 设计评述277. 参考文献288. 主要符号说明289. 附图30一、设计题目甲醇一水分离板式精馏塔设计二、任务书及操作条件1. 设计任务生产能力(进料量)40000吨/年操作周期

4、 7200 小时/年进料组成 5.2% (质量分数，下同)塔顶产品组成N28%塔底产品组成 W0.2%2. 操作条件操作压力塔顶为常压进料热状况自选加热蒸汽低压蒸汽设备型式筛板、浮阀塔板3. 厂址 安徽三、设计内容1. 设计方案的选择及流程说明2. 塔的工艺计算3. 要设备工艺尺寸设计(1) 塔径、塔高及塔板结构尺寸的确定(2) 塔的流体力学性能图(3) 塔板的负荷性能图(4) 总塔高、总压降及接管尺寸的确定4. 辅助设备选型与计算5. 设计结果汇总6. 设计评述7. 工艺流程图及精馏塔条件图1. 概述醇在工业、医药、民用等方面，都有很广泛的应用，是很重要的一种原料。在很 多方面，要求甲醇有不

5、同的纯度，有时要求纯度很高，因为甲醇极具挥发性，也极具 溶解性，所以，想要得到高纯度的甲醇很困难。要想把低纯度的甲醇水溶液提升到高纯度，可采用连续精馏的方法，因为甲醇和 水的挥发度相差较大。精馏是传质分离过程，利用混合液中组分挥发度的差异，实现 组分高纯度分离的多级蒸馏操作，即同时进行多次部分汽化和冷凝的过程。实现精馏 操作的主要设备是精馏塔。为达到混合液的高纯度分离，除了精馏塔具有足够层数塔 板以外，还必须从塔顶引入“回流液”和从塔顶产生上升蒸汽流，以建立气液两相体 系。精馏过程与其他蒸馏过程最大的区别，是在塔两端同时提供纯度较高的液相和气 相回流，为精馏过程提供了传质的必要条件。提供高纯度

6、的回流，使在相同理论板的 条件下，为精馏实现高纯度的分离时，始终能保证一定的传质推动力。所以，只要理 论板足够多，回流足够大时，在塔顶可能得到高纯度的轻组分产品，而在塔底获得高 纯度的重组分产品。精馏广泛应用于石油，化工，轻工等工业生产中，是液体混合物分 离中首选分离方法。精馏塔主体、塔顶冷凝器、塔底再沸器、回流泵及其他辅助设备安装组合，便构 成了精馏操作流程。塔设备是最常采用的精馏装置，无论是填料塔还是板式塔都在化工生产过程中都 得到了广泛的应用，因此我们进行板式塔的设计以熟悉单元操作设备的设计流程和应 注意的事项是非常必要的。1.1.设计方案的选择本次课程设计的任务是分离甲醇和水的混合物。

7、对于二元混合物的分离，应采用 常压下的连续精馏装置。设计中采用冷液进料。确定设计方案总的原则是在可能的条 件下，尽量采用科学技术上的最新成就，使生产达到技术上最先进、经济上最合理的 要求，符合优质、高产、安全、低消耗的原则。必须具体考虑如下几点：(1) 满足工艺和操作的要求。首先必须保证产品达到任务规定的要求，而且质量 要稳定。这就要求各流体流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定，从而需要采 取相应的措施。其次所定的设计方案需要有一定的操作弹性，各处流量应能在一定范 围内进行调节，必要时传热量也可进行调整。(2) 满足经济的要求。要节省热能和电能的消耗，减少设备及基建费用。回流比 的大小对操

8、作费和设备费也有很大影响。降低生产成本是各部门的经常性任务，因此 在设计时，是否合理利用热能，采用哪种加热方式，以及回流比和其他操作参数是否 选得合适等，均要作全面考虑。(3) 满足安全生产的要求。甲醇属易燃有毒物料，不能让其蒸汽弥漫车间，也不 能使用容易发生火花的设备。塔是指定在常压下操作的，塔内压力过大或塔骤冷而产 生真空，都会使塔受到破坏，因而需要安全装置。1.2.设计流程说明原料由泵进入预热器进行预热使其达到设定的温度然后从塔顶进入精馏塔，塔底 通加热蒸汽直接加热，塔顶上升蒸汽由全凝器冷凝。该物系属易挥发物系，最小回流 比较小，塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。本设计按以

9、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。2. 塔的工艺计算2.1.物性参数表1水的物性参数压强 pX10-5 Pa温度 tc密度P kg/m3比热容c X10-3 j/kgK黏度UX105Pas表面张力oX103N/m1.010999.94.212178.7875.6110999.74.191

10、130.5374.1420998.24.183100.4272.6730995.74.17480.1271.2040992.24.17465.3269.6350988.14.17454.9367.6760983.24.17846.9866.2070977.84.16740.6064.3380971.84.19535.5062.5790965.34.20831.4860.71100958.44.22028.2458.84表2甲醇的物性参数压强 pX10-5 Pa温度 t c密度P kg/m3比热容c X10-3 j/kgK黏度 11X103 Pas表面张力0X103N/m1.0108092.36

11、60.82524.50108012.4580.70023.29207922.5120.60022.07307822.5500.52420.87407722.5720.47019.67507642.6180.40018.50607542.6750.51017.33707462.7300.31916.19807362.7700.27815.04907252.8310.24513.921007142.8920.22512.802.2. 回收塔的物料衡算2.2.1. 原料液及塔顶和塔底产品的组成甲醇的摩尔质量M = 32.04kg /kmolA水的摩尔质量Mb = 18.02kg /kmol七二0.0

12、52七二0.28七二0.002平均摩尔质量为：Mf = 0.052x32.04+(1 0.052)x 18.02 = 18.75kg / kmol2.2.2. 物料衡算40000x10007200 x 18.75=296.30kmol / h总物料衡算勺疽qnD*qnW易挥发组分物料衡算q x = q x + q xn, F Fn, D D nW W联立解得上式可得 q D = 53.29kmol / hq = 243.01kmol / hn, W2.3. 物料的进料热状态因为是冷液进料，需具体算出q的值。需要用到的相图数据如下表所示:表3水一甲醇体系平衡数据XYt/C0.0000.00010

13、0.00.0200.13496.40.0400.23093.50.0600.30491.20.0800.36589.30.1000.41887.7xyt/C0.1500.51784.40.2000.57981.70.3000.66578.00.4000.72975.30.5000.77973.10.6000.82571.2xYt/C0.7000.87069.30.8000.91567.50.9000.95866.00.9500.97965.01.0001.00064.5可得t-x-y平衡图:水-甲醇体系t-x-y图Cx(y)图1水-甲醇平衡体系t-x-y图由图再结合产品组成可得tb= 92.1

14、2C, tD = 78.13C, W = 99.60C由tF = 40C，可查表1得：C = 2.572 x 32.04 = 82.41灯 / (kmol K)CpB = 4.174x18.02 = 75.21kJ /(kmol K)则 Cp = xCp A + (1- XF )Cp B = 0.052X 82.41+(1 0.052)x 75.21 = 75.58kJ /(kmol. K )又rA = 1149 x 32.04 = 36814J / kmolr,= 2401x18.02 = 43266kJ / kmolr = x r + (1- x )r = 0.052x 36814+(1

15、- 0.052)x 43266 = 42930kJ / kmolF AF B从而算得H - H _C。T+ r _ 75.58x(92.12- 40)+ 42930 与弱 ，H - H；r42930.2.4. 理论板层数的求取2.4.1. 求操作线方程q , = q l + qq f = 1.09 x 296.30 = 322.97kmol / hq= q d-(1 - q)q f = q - q w = 322.97- 228.34 = 94.63kmol/ hy= nX -nwx = 322.97 X - 263.23 x0.002 = 3.413x -0.0056m+1q m q W 9

16、4.63 m 94.63m2.4.2. 求相对挥发度再根据上表3可得下表:y, (1 -x )=eyTt ,A A表4水-甲醇体系相对挥发度与温度的对应值温度相对挥发度96.47.58293.57.33292.17.09091.26.84389.36.61087.76.46484.46.06681.75.50180.15.209从而得：a = 9a a a .a = 6.4762.4.3 .逐板法求理论板层数a xn1 + (a-1) xn6.476xn1 + 5.476xny = x = 0.28yiv =0.28 /x = 0 0566 yi +a (1 - yi) 0.28 + 6.47

17、6 x(1 0.28)y2 = 3.413x1 - 0.0056 = 3.413 x 0.0566 - 0.0056 = 0.188重复算下去直至x 45 = 0.49 x(6.476 x 0.315)-0-245 = 0.41152.5.2 .实际塔板数的计算由逐板计数法求得理论塔板数为：七=6块实际塔板数为：N = 土 = = 14.58注15块（全塔板数圆整） p Et 0.41153. 主要设备工艺尺寸设计3.1. 各设计参数3.1.1. 操作压力的计算塔顶操作压力Pd= 101.3kPa每层塔板压降AP = 0.7 kPa塔底压力% =(101.3+0.7 x15)kPa = 111

18、.8kPa平均操作压力p 101.3 +111.8,P =kPa = 106.55kPam23.1.2 .操作温度的计算塔顶温度tD = 78.13C塔底温度匕=99.60C平均操作温度t = M = 783 + 99.60 = 88.87C m 223.1.3. 平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算:xd = y1 = 0.280, x1 = 0.0566MD = 0.280x 32.04+(1 0.280)x 18.02 = 21.95 / kmolMD = 0.0566x 32.04+(1 0.0566)x 18.02 = 18.81kg/ kmol塔底平均摩尔质量计算：y = 0.00

19、84, x = 0.002M = 0.0084x 32.04 + (1 0.0084)x 18.02 = 18.14kg / kmolM = 0.002x 32.04 + (1 0.002)x 18.02 = 18.05kg / kmol平均摩尔质量为:2195 +18.142=20.045kg / kmolMLmM + MLDLW218.81 +18.052=18.43kg / kmol3.1.4 .气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即:pVm=PMmRT104.1 x 20.0458.314 x(90.29 + 273.15)=0.691kg / m3塔顶液相平均密度计算:查手册再利

20、用内插法得:W =XdMaD x M +(1 x3.1.5 .液相平均密度计算七=78.13C, Xd = 0.22pD = 736.9kg /m3, pB = 973.1kg /m30.28 x 32.04= 0.409)M0.28 x 32.04 + (1 0.28 )x 18.02B10.409 0.5917369 + 973 1 n p = 860.3kg / m3LD .塔底液相平均密度计算:t = 99.60C , xw = 0.002W =XwMawxMa +(1-x)M1PLW0.00355 0.996451715.3957.8nPLW956.6kg / m3查手册再利用内插法

21、得:Paw = 715.3kg /m3, p = 957.8kg /m3 0.002x32.04_000355 0.003550.002 x 32.04 + (1 0.002)x 18.02W B液体平均密度为:PLmp +pLDLW2860.3 + 956.62908.45kg / m33.1.6 .液体平均表面张力计算塔顶液相平均表面张力计算：tD 78.13C, xD= 0.28查手册再利用内插法得：b 0.0149N / mq 0.0626N / mq ld 0.28 x 0.0149+(1 0.28)x 0.0626 0.04924N / m塔底液相平均表面张力计算：tw 99.60

22、C , xw 0.002查手册再利用内插法得:baw 0.0122N / m,b 0.0584N / mb lw 0.002x 0.0122+ (1 0.002)x 0.0584 0.05831N / m液相平均表面张力为:b +bb = LD 2LW-0.04924 + 0.0583120.05378N / m3.1.7.液体平均黏度塔顶物料黏度计算:七78.13C, 乂。 0.28查手册再利用内插法得:日 0.306mPa - s,日 0.311mPa - s1g 匕D = 0.28lg0.306 +(1 0.28)lg0.311 n %D = 0.311mPa - s塔底物料黏度计算：查

23、手册再利用内插法得:W = 99.60C ,、= 0.002日 =0.495mPa - s,日 =0.352mPa - s1g 匕w = 0.0021g0.495 +(1 0.002)1g0.352 n 匕即=0.352mPa - s液相平均黏度为：.311 + .352 = 0.3315mPa s日 +日|LX = LD 2LW-3.2.塔体工艺尺寸计算3.2.1. 塔径的计算回收塔的气、液相体积流率为:V = d3600pVm94.63 x 20.0453600 x 0.691=0.763m3 / sL =二=322.97x18.43 = 0.00182m3/ s s 3600P3600

24、x 908.45Lm取板间距H.= 0.40 m，一般常压塔板上液层高度取为= 0.05m=0.40 0.05 = 0.35mL fp上V PVm J0.00182 (908.45x0.763I 0.691 J12 = 0.086查史密斯关联图:可查得：c = 0.06620，b 、0.20.05548、Lm-0.066 x10.02 JL 0.02 J由于C = q。0.2= 0.081八p -P 八 e 908.45-0.691/0.691u = C j =0.081x=2.936m/smax V pY Vm取安全系数为0.7,则空塔气速为: = 0.7= 0.7 x 2.936 = 2.

25、055m/smaxD =3.14x2.0554x0.763=0.688m按标准塔径圆整后为:D = 0.8m塔截面积为:71A = 一 Z）2T 4=一x（0.8）2 = 0.3848m24实际空塔气速为:V 0.7631 eg ,u = 1.982m / sA 0.3848T3. 2.2.塔有效高度的计算回收塔的有效高度为Z=(15-1) X0. 4=5. 6m3.3.塔板主要工艺尺寸的计算331.溢流装置的计算因塔径D = 0.8m *= L0.00182 x 3600. ss/a弓形降液管的参数故降液管设计合理(4)降液管底隙高度h0h0 = 36001 uW 0贝 g h = #0 3

26、600铲0.00182 业=0.02167 m3600 x 0.56 x 0.15h - h0 = 0.03536 - 0.02167 = 0.01369m 0.006m故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度h = 0.05mW3.3.2. 塔板布置(1) 塔板的分块因D 800mm，故塔板采用整块式。(2) 边缘区宽度确定取 W= 0.063, W= 0.035(3) 开孔区面积计算开孔区面积A按式A = 2 xr2 -尤2 +-2sin-1纣计算 a a 180 r)其中 x = D-(W + W)=号-(0.112 + 0.063) = 0.175mr = D W = 0.035

27、 = 0.315mir .，、 、 l 丸 X 0.3152 .0.175=0.449m2故 A = 2 0.175xd0.3152 -0.1752 +sin-11800.315)(4) 筛孔计算及排列本设计所处理的物系无腐蚀性，可选用5 = 3mm碳钢板，取利孔直径d0 = 5mm , 筛孔按正三角形排列。取孔中心距t为：t = 3d = 3x5 = 15mm筛孔数目 n 为：n = 1.155A0 = ”55X0449 = 2305 个0.0152开孔率为：4 = 0.907改f = 0.9070005f =10.1%t ) 0.015)气体通过阀孔的气速为：u = 匕 =一0.763一

28、= 16.83m/s0 4 A00.101x 0.4493.4.塔板的流体力学验算3.4.1. 塔板压降(1) 干板阻力勺计算ru fD 。、干板阻力h由式h = 0.051 -0DVm计算。1 DU由d0 /6 = 5/3 = 1.67，查干筛孔得流量系数图得，c0 = 0.772+后 7 A AC1 ( 16.83 )2 r 0.691) CC1O、/方士王故 h = 0.051 x x = 0.018m 液柱c 10.772)1908.45)(2) 气体通过液层的阻力h计算l0.763气体通过液层的阻力气由式h1 = p七计算 =s = 2.1788m / saAt - A 0.3848

29、 - 0.0346F =-妃=2.1788x J0.677 = .793kgm /(s-m”)查充气系数关联图，得P = 0.40h1 = p (hw + hg) = 0.40x(0.03565 + 0.01464) = 0.0201m 液柱(3) 液体表面张力的阻力h。计算液体表面张力的阻力h。可按式h。= 了景 计算，即 Lm 0h = 4。Lm =4 x 0.05378= 0.00483m 液柱。Dl gd0908.45 x 9.81 x 0.005气体通过没层塔板的液柱高度hp可按下式计算，即h = h + h + h = 0.05 + 0.0201 + 0.00483 = 0.074

30、93m 液柱 P c 1 b气体通过每层塔板的压降为：AP = h p g = 0.07493 x 908.45 x 9.81 = 667.77Pa 0.7kPa （设计允许值）3.4.2. 液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且本设计的塔径和液流量均不大，故可忽略液面落 差的影响。3.4.3 .液沫夹带液沫夹带量由下式计算，即5.7 x10-6 eVbLm(一.uh、3.2% = 2.5匕=2.5 x 0.05 = 0.125 m-5 7 x10-6 2 1788 、3.2.一故ev = 53 78x03 x040 0 125 j = 0.07974kg液/kg气 u .稳定系数为： K =

31、= _ 1.603 1.5u 10.502 0,min故在本设计中无明显液漏。3.4.5 .液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高度Hd应服从下式的关系，即H *区 + hw)甲醇一水物系属一般物系，取中=0.5，则(H + hw ) = 0.5 x(0.40+0.03536)= 0.218m 液柱而七=h + + hd板上不设进口堰，hd可由下式计算，即hd = 0.153( 0)2 = 0.153 x (0.15)2 = 0.00344m 液柱气=0.08503 + 0.05 + 0.00344 = 0.13847 m 液柱由上知：H (HT + hw )故在本设计中不会发生液泛现象。3.

32、5.塔板负荷性能图3.5.1. 漏液线由 u= 4.4C (0.0056 + 0.13h h ) p / p = V/ (A )0,min0、L b L V S ,min 0七=.可+ hwh=世 E(L)2/3OW 1000 lw，一284L得 V= 4.4CA 0.0056+0.13h + E(-r)2/3 h p / ps ,min0 0w 1000 lb Lm Vmw=4.4 x 0.772 x 0.101x 0.321x0.0056 + 0.013 x 0.03536 + 284 x 1x (3600匕)2/3 - 0.00483x 908.54 / 0.69110000.56整理得

33、 V= 0.110j16.783L/3 +1.6166在操作数据内，任取几个匕值，依上式计算出匕值，计算结果见表4表4漏液线数据表Ls(X10-3ms/s)0.613.04.56.0V s (m3/s)0.1450.1470.1540.1580.162由上表数据即可作出漏液线(1)3.5.2 .液沫夹带线以e =0.1kg液/kg气为限，求V -L关系如下由 e = Bl (_)3.2v b l 气-七0.7630.3848 - 0.0346=2.179Vhf = 2.5匕=2.5(h + h )h = 土 x1xf 冬ow 1000 0.56 )=0.9819L 2/3故气=2.5 x (0

34、.03536+0.9819L 2/3) = 2.25479L 2/3 + 0.0884H 七=0.4 0.1354 - 1.9353L 杰=0.31362.25479L 杰5.7x10-6 (2.179V53.78 x10-3 0.3136 - 2.25479L 疆)3.2=0.1整理得匕=1.224 - 8.799L疆在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果见表5Ls(X10-3 m 3/s)0.613.04.56.0V s (m3/s)1.1611.1361.0410.9840.933表5液沫夹带线数据表由上表数据即可作出液沫夹带线（2）3.5.3 .液相负荷下限线对于平直堰，取

35、堰上液层高度h =0.005m作为最小液体负荷标准。ow,x za2.84由式得，h =Eow 10002/3=0.005取E=1，则Ls ,min(0.005 X1000 Y5 0.56/ X= 0.0004453m3 / s3600I 2.84；据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3.5.4 .液相负荷上限线以0 = 4s作为液体在降液管中停留时间的下限，由0 = fr = 4得LsLs,maxAH = 0.0346 X 回=0.00346 s 4据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线（4）3.5.5.液泛线令 气 机气+ h )由 H = h + h + h ; h = h

36、 + h + h ; h = p h ; h = h + h d p L dp c 1 b 1L L w ow联立得 中H + (甲P1)h = (p+ 1)h + h + 气 + h忽略h，将h与L , h与L , h与V的关系式代入上式，并整理得 bow S d S c S式中 a0.051 o、(头)(A0c0)2 PLb =甲 H + (-P - 1)hTwc，= 0.153 7(/ h0)2d = 2.84 x10-3E(1+ P )(3600I)2/3将有关的数据代入，得0.051(0.691、(0.101 x 0.449 x 0.772)21908.45 )=0.031650.1

37、53b = 0.5 x 0.40 + (0.5 0.4 -1) x 0.03536 = 0.16464=2276.319(0.56 x 0.01464)2d = 2.84 x10-3 x 1x (1+ 0.4) x(3600 )2/3、0)=1.375故 0.03165V2 = 0.16464 - 2276.319L2 -1.375Ln在操作范围内，任取几个LS值，依上式计算出VS值，计算结果列于表6表6液泛线数据表L X10-3 (ms/s)0.613.04.56.0Vg ms/s2.2072.1671.9111.6001.085由上表数据即可作出液泛线（5）根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图所示在负荷性能图上，作出操作点A,连接OA,即作出操作线，由图可看出，该筛板 的操作上限为液泛控制，下限为液漏控制，由上图查得匕=1.070686匕.=0.1865618故操作弹性为VS ,maxVS ,min1.0706860.18656185.73903.6. 接管尺寸的确定3.6.1.蒸汽管=；d2u d为蒸汽管的直径，为气体速度，取为30m/s4Vs = ；4x 0.763 = 0.1799m = 179.9 mm 兀 u3.14x 30经圆整选取