甲醇-水精馏浮阀塔的设计

1化工原理课程设计甲醇—水连续精馏浮阀塔设计学生姓名XXX学号XXXXXXXXXXXXX指导教师XXXXXXXXXX院、系、中心化学化工学院专业年级09化学工程与工艺上交日期2009年9月19日2前言化学工业中塔设备是化工单元操作中重要的设备之一，化学工业和石油工业中广泛应用的诸如吸收、解吸、精馏、萃取、增湿、减湿等单元操作中，精馏操作是最基本的单元操作之一，它是根据混合液中各组分的挥发能力的差异进行分离的。塔设备一般分为级间接触式和连续接触式两大类。前者的代表是板式塔，后者的代表则为填料塔。一般，与填料塔相比，板式塔具有效率高、处理量大、重量轻及便于检修等特点，但其结构较复杂，阻力降较大。在各种塔型中，当前应用最广泛的是筛板塔和浮阀塔。浮阀塔的特点：1．生产能力大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，其开孔面积大于泡罩塔板，生产能力比泡罩塔板大20%～40%，与筛板塔接近。2．操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此维持正常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔，泡罩塔都大。3．塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故气液接触时间较长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。4．气体压降及液面落差小，因气液流过浮阀塔板时阻力较小，使气体压降及液面落差比泡罩塔小。5．塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的50%～80%，但是比筛板塔高20%～30。但是，浮阀塔的抗腐蚀性较高（防止浮阀锈死在塔板上），所以一般采用不锈钢作成，致使浮阀造价昂贵，推广受到一定限制。随着科学技术的不断发展，各种新型填料，高效率塔板的不断被研制出来，浮阀塔的推广并不是越来越广。近几十年来，人们对浮阀塔的研究越来越深入，生产经验越来越丰富，积累的设计数据比较完整，因此设计浮阀塔比较合适。本次设计就是针对甲醇——水体系，而进行的常压浮阀精馏塔的设计及其辅助设备的选型。2012年9月1日3课程设计任务书1工艺条件:生产能力：20000吨/年（料液）年工作日：300天原料组成：30%甲醇，70%水（质量分率，下同）产品组成：馏出液95%甲醇，釜液1.5%甲醇操作压力：塔顶压强为常压进料温度：泡点进料状况：泡点加热方式：直接蒸汽加热2基本要求和内容:(1)确定精馏装置流程，绘出流程示意图。(2)工艺参数的确定(3)主要设备的工艺尺寸计算(4)流体力学计算(5)主要附属设备设计计算及选型4目录第一章总体操作方案的确定◆1.1操作压强的选择…………………………………………5◆1.2物料的进料热状态………………………………………5◆1.3回流比的确定……………………………………………5◆1.4塔釜的加热方式…………………………………………6◆1.5回流的方式方法…………………………………………6第二章精馏塔塔板数的确定◆2.1物料衡算…………………………………………………7◆2.2最小回流比及实际回流比的确定………………………7◆2.3理论塔板数的确定………………………………………9◆2.4实际塔板数的确定………………………………………10第三章塔体主要设备工艺尺寸的确定◆3.1各设计参数………………………………………………12◆3.2板间距、塔高、塔径的计算……………………………15◆3.3溢流装置的设计…………………………………………17◆3.4塔板布置…………………………………………………18第四章流体力学计算◆4.1塔板流体力学验算………………………………………21◆4.2塔板负荷性能图和操作弹性……………………………23◆4.3浮阀塔板工艺设计计算结果……………………………26第五章主要附属设备设计计算及选型◆5.1塔顶全凝器设计计算……………………………………285.1.1热负荷……………………………………………………285.1.2载热体用量………………………………………………305.1.3冷凝器选型………………………………………………30◆5.2料液泵设计计算…………………………………………30第六章塔附件的设计◆6.1接管工艺尺寸的确定……………………………………32◆6.2塔体附件工艺尺寸的确定………………………………32◆6.3塔体总高度的确定………………………………………33第七章流程图及精馏塔装配图…………………………35总结及参考文献……………………………......................375第一章总体操作方案的确定1.1操作压强的选择精馏可以常压，加压或减压条件下进行。确定操作压力时主要是根据处理物料的性质，技术上的可行性和经济上的合理性来考虑的。对于沸点低，常压下为气态的物料必须在加压条件下进行操作。在相同条件下适当提高操作压力可以提高塔的处理能力，但是增加了塔压，也提高了再沸器的温度，并且相对挥发度液会下降。对于热敏性和高沸点的物料常用减压蒸馏。降低操作压力，组分的相对挥发度增加，有利于分离。减压操作降低了平衡温度，这样可以使用较低位的加热剂。但是降低压力也导致了塔直径的增加和塔顶冷凝温度的降低，而且必须使用抽真空设备，增加了相应的设备和操作费用。本次任务是甲醇和水体系，甲醇-水这一类的溶液不是热敏性物料，且沸点又不高，所以不需采用减压蒸馏。这类溶液在常压下又是液态，塔顶蒸气又可以用普通冷却水冷凝，因而也不需采用加压蒸馏。所以为了有效降低设备造价和操作费用对这类溶液可采用常压蒸馏。∴操作压强:P=1atm=0.1MPa=1.013×103KPa1.2物料的进料热状态进料热状态有五种，即冷液进料，泡点进料，饱和蒸汽进料，过热蒸汽进料，汽液混合物进料。原则上，在供热一定的情况下，热量应尽可能由塔底输入，使产生的气相回流在全塔发挥作用，即宜冷液进料。但为使塔的操作稳定，免受季节气温的影响，常采用泡点进料。这样，塔内精馏段和提留段上升的气体量变化较小，可采用相同的塔径，便于设计和制造。但将原料预热到泡点，就需要增设一个预热器，使设备费用增加。综合考虑各方面因素，决定采用泡点进料，即q=1。1.3回流比的确定对于一定的分离任务，当回流比较大时，每层塔板的分离效率会提高，所以增大回流比所需的理6论塔板数减少，反之塔板数增多。但是随着回流比的增大，塔釜加热剂的消耗量和塔顶冷凝剂的消耗量也随之增加，操作费用增加，且回流比太大的情况下得到的产品较少，所以操作费用和设备折旧费用之和为最低时的回流比，是最适宜的回流比。在本次设计任务中，综合各种因素，最后采用最小回流比的1.5倍作为操作回流比，即R=1.5Rmin1.4塔釜的加热方式塔釜可采用直接蒸汽加热和间接蒸汽加热两种方式。直接蒸汽加热的优点是：可利用压强较低的加热蒸汽，并省掉间接加热设备，也即再沸器，以节省操作费用和设备费用。直接蒸汽加热适用于釜中残液是水或与水不互溶而易于分离的物料，所以本次采用直接蒸汽加热的方式。1.5回流的方式方法液体回流可借助位差采用重力回流或用泵强制回流。采用重力回流可节省一台回流泵，节省设备费用，但用泵强制回流，便于控制回流比。考虑各方面综合因素，决定采用重力回流。7第二章精馏塔塔板数的确定2.1物料衡算甲醇的摩尔质量MA=32.04kg/kmol水的摩尔质量MB=18.02kg/kmolXF=﹙0.3/32.04﹚/﹙0.3/32.04+0.7/18.02﹚=0.194XD=﹙0.95/32.04﹚/﹙0.95/32.04+0.05/18.02﹚=0.914XW=﹙0.015/32.04﹚/﹙0.015/32.04+0.985/18.02﹚=0.008原料液及塔底、塔顶产品的平均摩尔质量MF=0.194×32.04＋﹙1－0.194﹚×18.02=20.74kg/kmolMD=0.914×32.04＋﹙1－0.914﹚×18.02=30.83kg/kmolMW=0.008×32.04＋﹙1－0.008﹚×18.02=18.13kg/kmol原料处理量F=20000000/﹙365×24×20.74﹚=133.93kmol/h总物料衡算133.93＋V0=D＋W甲醇物料衡算133.93×0.194=0.914D＋0.008W提馏段操作线斜率近似为2.8，即W/V0=2.8联立解得D=26.97kmol/hW=166.38kmol/hV0=59.42kmol/h2.2最小回流比以及实际回流比的确定常压下甲醇—水溶液体系的平衡数据tXYTXy1000077.80.29090.680192.90.05310.283476.70.33330.6918890.30.07670.400176.20.35130.734788.90.09260.435373.80.46200.775686.60.12570.483172.70.52920.797185.00.13150.545571.30.59370.818383.20.16740.558570.00.68490.849282.30.18180.577568.00.85620.896281.60.20830.627366.90.87410.919480.20.23190.648564.71178.00.28180.6775采用作图法求最小回流比，在图一中对角线上，自点e﹙0.194,0.194﹚作垂线ef即为进料线﹙q线﹚，该线与平衡线的交点坐标为yq=0.595xq=0.194故最小回流比为Rmin=﹙XD－yq﹚/﹙yq－xq﹚=﹙0.914－0.595﹚/﹙0.595－0.194﹚=0.796取操作回流比为R=1.5Rmin=2×0.796=1.2图一92.3理论塔板数的确定塔的气、液相负荷L=RD=1.2×26.97=32.36kmol/hV=﹙R＋1﹚D=﹙1.2＋1﹚×26.97=59.33kmol/hL’=L＋F=32.36＋133.93=166.29kmol/hV’=V=59.33kmol/h求操作线方程精馏段操作线方程为y=RR+1x+XDR+1=0.545x＋0.415q线方程为X=0.194q线方程与精馏段操作线方程的交点为﹙0.194,0.521﹚因为采用直接蒸汽加热的方式，提馏段操作线的斜率近似为2.8，则可求得提馏段操作线方程为y=2.8x－0.022逐板计算法求理论板层数精馏段理论板层数平衡线方程为y=αx1+(α-1)x，根据甲醇—水气液平衡组成和相对挥发度公式x1y1xy，1*2*3......nmaaaana，可求得α=4.83，则平衡线方程为y=4.83x/﹙1＋3.83x﹚自上而下逐板计算，自y1=XD=0.914开始到x首次小于0.194为止第一块塔板上升的气相组成y1=XD=0.914第一块塔板下降的液相组成x1=0.688第二块塔板上升的气相组成y2=0.545×0.688＋0.415=0.79第二块塔板下降的液相组成x2=0.438y3=0.654x3=0.28110y4=0.568x4=0.214y5=0.532x5=0.191＜0.194因为x5xq，所以第六块塔板上升的气相组成由提馏段操作线方程来求y6=2.8×0.191－0.022=0.513x6=0.179y7=0.479x7=0.160y8=0.426x8=0.133y9=0.351x9=0.1y10=0.260x10=0.068y11=0.168x11=0.04y12=0.09x12=0.02y13=0.03x13=0.006＜0.008所以所需要的理论塔板数NT=13，进料板位置NF=5，精馏段需4块板2.4实际塔板数的确定﹙1﹚总板效率ET的计算由甲醇和水在不同温度下的平衡数据，由内插法求的塔顶和塔釜温度tD，tW(0.0531-0.008)/(0.0531-0)=(92.9-tW)/(92.9-100)得tW=98.9℃同理可求得tD=67.04℃平均温度t=﹙98.9＋67.04﹚/2=82.97℃查表得82.97℃下甲醇和水的粘度分别为0.29mPa·s，0.339mPa·s在82.97℃下甲醇的摩尔分率为0.1711，则加料液的粘度为μ=0.1711×0.29＋﹙1－0.