甲醇回收塔工艺课程设计

1一前言甲醇用途广泛，是基础的有机化工原料和优质燃料。主要应用于精细化工，塑料等领域，用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲脂等多种有机产品，也是农药、医药的重要原料之一。塔设备是化工，制药，环保等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触部件的形式，可以分为填料塔和板式塔。板式塔属于逐级接触逆流操作，填料塔属于微分接触操作。工业上对塔设备的主要要求：（1）生产能力大（2）分离效率高（3）操作弹性大（4）气体阻力小结构简单、设备取材面广等。塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节，选择时应考虑物料的性质、操作的条件、塔设备的性能以及塔设备的制造、安装、运转和维修等方面的因素。板式塔的研究起步较早，其流体力学和传质模型比较成熟，数据可靠。尽管与填料塔相比效率较低、通量较小、压降较高、持液量较大，但由于结构简单、造价较低、适应性强、易于放大等特点，因而在70年代以前的很长一段时间内，塔板的研究一直处于领先地位。然而，70年代初期出现的世界能源危机迫使填料塔技术在近20年来取得了长足进展。由于性能优良的新填料相继问世，特别是规整填料和新型塔内件的不断开发应用和基础理论研究的不断深入，使填料的放大技术有了新的突破，改变了以板式塔为主的局面。在我国，随着石油化工的不断发展，传质分离工程学的研究不断深入，使填料塔技术及其应用进入了一个崭新的时期，其工业应用与发达国家并驾齐驱，进入世界先进行列。评价塔设备的基本性能的指标主要有：1、产量和通量：前者指单位时间处理物料量，而后者指单位塔截面上的单位时间的物料处理量。2、分离效率：对板式塔是指每层塔板所能达到的分离程度。填料塔则是单位填料层高度的分离能力。3、适应能力及操作弹性：对各种物料性质的适应性及在负荷波动时维持操作稳定而保持较高分离效率的能力。4、流体阻力：气相通过每层塔板或单位高度填料层的压降。除上述几项主要性能外，塔的造价高低、安装、维修的难易以及长期运转的可靠性等因素，也是必须考虑的实际问题。填料塔由填料、塔内件及筒体构成。填料分规整填料和散装填料两大类。塔内件有不同形式的液体分布装置、填料固定装置或填料压紧装置、填料支承装置、液体收集再分布装置及气体分布装置等。与板式塔相比，新型的填料塔性能具有如下特点：生产能力大、分离效率高、压力降小、操作弹性大、持液量小等优点。本设计综合考虑流程，产量，分离要求，操作控制等因素，采用填料塔实现甲醇回收目标。2二设计题目设计甲醇回收塔及附属设备，可按水—甲醇二元物系设计。原料量为60吨/天，原料含甲醇为13%(质量百分数)，其余为水。原料温度为25℃。常压操作，塔釜用直接蒸汽加热。要求甲醇回收率不小于98%。三设计说明书符号表a——质量百分比。a——填料的比表面积，m2/m3。A——面积，m2。cp——比热容，kJ/kg·K。d——管径，mm。D——塔顶产品流量，kmol/h。D——塔径，m。Di——圆筒内径，mm。DN——公称直径，mm。F——进料量流量，kmol/h。g——重力加速度，m/s2。G——汽相摩尔流率，kmol/(s·m2)H——扬程，m。Hb——塔底空间高度，m。Hd——塔顶空间高度（不包括封头），m。Hf——液体再分布器的空间高度，m。h0——封头直边高度，mm。HETP——等板高度，m。Σhf——沿程阻力，J/kg。K——传热系数，W/(m2·℃)。l——管长，m。L——液相摩尔流量，kmol/h。Lh——液体喷淋量，m3/h。Lh,min——最小液体喷淋量，m3/h。Lw,min——最小润湿率，m3/(m·h)。M——摩尔质量，kg/kmol。n——填料层分层数。NT——理论塔板数。p——压强，Pa。Δp——压降，Pa。PN——公称压力，Pa。3Q——换热器的热负荷，W。R——回流比。Re——雷诺数，无量纲。Rmin——最小回流比。t——温度，℃。Δtm——对数平均温度差，℃。T——绝对温度，K。u——空塔气速，m/s。uf——空塔气体泛速，m/s。U——喷淋密度，m3/(m2·h)。Umin——最小喷淋密度，m3/(m2·h)。V——汽相摩尔流量，kmol/h。W——塔底产品流量，kmol/h。W——质量流量，kg/h。Wh——热流体质量流量，kg/h。x——液相摩尔分数。xD——塔顶产品浓度。xF——进料浓度。xW——塔底产品浓度。y——气相摩尔分数。Z——高度，m。α——组分的相对挥发度。γ——汽化潜热，kJ/kg。ε——空隙率。ε——管壁绝对粗糙度，m。ρ——密度，kg/m3。μ——流体粘度，Pa·s。λ——摩擦系数，无量纲。ξ——局部阻力系数，无量纲。η——回收率。σ——表面张力，N/m。δd——圆筒设计厚度，mm。φ——填料因子，m2/m3。φ——焊接头系数。4四流程设计图4.1精馏流程图对于给定的低浓度甲醇水溶液，采用两塔流程回收甲醇，如图4.1所示。流程概述如下：原料为浓度很低的甲醇水溶液，经预热器加热到泡点进入回收塔；经回收塔将原料中大量的水和杂质从塔底排出，塔顶得到浓度较高的甲醇蒸汽；甲醇蒸气直接引入精馏塔精馏，精馏塔顶可获得高纯度的甲醇。回收塔塔底产品为甲醇含量极低的水，可直接排放。回收塔的目的是初步提纯甲醇并除去大量的水，这样在精馏塔中可减少处理量，相比单塔精馏，能耗更低，操作弹性也更大。针对回收塔要求有很高的甲醇回收率，但不要求塔顶浓度很高。本设计采用提馏塔的形式，原料从塔顶直接加入，不设回流装置。此外考虑到塔底浓度已经接近水，本设计采用直接蒸汽加热，省去了再沸器简化了附属设备。采用直接蒸汽的另一个好处是对蒸汽压要求更低，这是因为省去了间接加热的温度差。本流程在回收塔前设置原料预热器，这样可减少原料温度的波动对塔分离性能的影响。加热介质采用低压蒸汽，通过蒸汽压很容易调节加热效果稳定流程工况。原料回收塔预热器饱和蒸汽精馏塔塔底产品塔顶产品塔顶产品塔底产品再沸器进料泵全凝器5考虑到塔釜排放液中杂质较多，故不利用回收塔塔底排放液的热能。综合前述考虑，本设计确定甲醇回收塔的工况如下：将25℃下质量百分数为13%的甲醇水溶液预热到泡点；经回收塔浓缩，塔顶产品甲醇回收率不小于98%，塔顶产品浓度和流量将通过优选确定；回收塔用直接蒸汽加热。五物性参数水的物性参数：M水=18.02kg/kmol表5.1水的物性参数压强p×10-5Pa温度t℃密度ρkg/m3比热容cp×10-3J/kg·K黏度μ×105Pa·s表面张力σ×103N/m1.010999.94.212178.7875.6110999.74.191130.5374.1420998.24.183100.4272.6730995.74.17480.1271.2040992.24.17465.3269.6350988.14.17454.9367.6760983.24.17846.9866.2070977.84.16740.6064.3380971.84.19535.5062.5790965.34.20831.4860.71100958.44.22028.2458.84甲醇的物性参数：M甲醇=32.04kg/kmol表5.2甲醇的物性参数压强p×10-5Pa温度t℃密度ρkg/m3比热容cp×10-3J/kg·K黏度μ×105Pa·s表面张力σ×103N/m1.0108092.3660.82524.50108012.4580.70023.29207922.5120.60022.07307822.5500.52420.876407722.5720.47019.67507642.6180.40018.50607542.6750.51017.33707462.7300.31916.19807362.7700.27815.04907252.8310.24513.921007142.8920.22512.80水蒸汽的物性参数：M水蒸汽=18.02kg/kmol表5.3水蒸汽的物性参数温度t℃压强p×10-5Pa密度ρkg/m3汽化潜热γkJ/kg100101.330.59702258.4六工艺计算6.1汽液平衡数据和汽液平衡（t-x-y）图由[6]的水—甲醇体系平衡数据：表6.1水—甲醇体系平衡数据xyt/℃xyt/℃xyt/℃0.0000.000100.00.1500.51784.40.7000.87069.30.0200.13496.40.2000.57981.70.8000.91567.50.0400.23093.50.3000.66578.00.9000.95866.00.0600.30491.20.4000.72975.30.9500.97965.00.0800.36589.30.5000.77973.11.0001.00064.50.1000.41887.70.6000.82571.2可得t-x-y平衡图：7水-甲醇体系t-x-y图55.060.065.070.075.080.085.090.095.0100.0105.00.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0x(y)t/℃图6.1水-甲醇平衡体系t-x-y图6.2物料衡算6.2.1数据换算M甲醇=32.04kg/kmolM水=18.02kg/kmolF=60吨/天=126kmol/h原料液甲醇的摩尔分率：xF=0.07756.2.2物料衡算F=D+WW=F=126kmol/h198%WFWxFx塔釜产品甲醇的摩尔分率：xW=0.0015580.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00.000.050.100.150.200.250.300.350.000.010.020.030.040.050.060.070.08图6.2x-y平衡图图6.3局部放大的x-y平衡图6.3理论板数的计算本设计采用图解法初步确定理论板数和加热蒸汽量。最后采用化工模拟软件ASPEN进行严格法计算验算。由图6.4可见，进料板为提馏线第一块板，进料组成xf=0.0775。在回收率确定的情况下，加热蒸汽量改变将改变提馏线斜率，进而影响塔顶产量，浓度和所需的理论板数。加热蒸汽量加大，斜率小，所需理论板数少，设备投资小。但塔顶产品量大，浓度低，能耗大。并且会给后续精馏塔操作增大负担。反之，减小气量设备投资变大。由提馏线方程可知，当蒸汽进量V0=V’=26.84kmol/h，直线的斜率=F/V’=4.673。xw=0.00155，yw=0，xF=0.0775，yF=0.3565时，所需理论板数NT→∞。因此必须根据理论塔板数，选择最适宜的蒸汽用量。对两组分非理想体系，采用图解法确定理论板数是方便而有效的方法，本设计用计算机图解分析了加热气量对理论板数的影响。图6.4至图6.7.为全塔和局部放大图解结果。90.000.050.100.150.200.250.300.350.000.010.020.030.040.050.060.070.08图6.4气相组成为y13、y15、y17的图解法0.000.030.060.090.120.150.0000.0050.0100.0150.020图6.5局部放大的气相组成为y13、y15、y17的图解法xwxFy13y15y17y13y15y17xwy11y11100.000.050.100.150.200.250.300.350.000.020.040.060.08图6.6气相组成为y12、y14、y16、y18的图解法0.000.030.060.090.120.150.0000.0050.0100.0150.020图6.7局部放大的气相组成为y12、y14、y16、y18的图解法xwxFy12y14y12y18y16y18y16y14xw11由图解法得到的进气量与塔顶产品浓度的关系如表6.2所示，进气量与理论板数的关系如表6.3和图6.8所示。其规律和前面分析一致。表6.2进气量变化对应y1的不同取值序号V0（kmol/h）F/V'y1126.844.