合肥学院填料精馏塔设计模板

1目录第1章设计任务……………………………………………………………………41.1设计依据……………………………………………………………………41.1.1设计题目…………………………………………………………………41.1.2设计任务……………………………………………………………………41.1.3操作条件……………………………………………………………………41.2设计内容……………………………………………………………………41.2.1填料精馏塔设计说明书的编写…………………………………………51.2.2填料精馏塔工艺流程图的绘制…………………………………………51.2.3填料精馏塔主题设备图的绘制…………………………………………5第2章填料塔概述………………………………………………………………62.1与物性有关的因素………………………………………………………………72.2与操作条件有关的因素………………………………………………………8第3章流程的确定和说明…………………………………………………………93.1加料方式………………………………………………………………93.2进料状况………………………………………………………………93.3塔顶冷凝方式………………………………………………………………93.4加热方式………………………………………………………………93.5加热器………………………………………………………………10第4章填料塔设计计算……………………………………………………………114.1操作条件与基础数据…………………………………………………………114.1.1操作压力………………………………………………………………1124.1.2气液平衡关系及平衡数据………………………………………………114.1.3物料平衡计算……………………………………………………………114.2填料塔工艺计算…………………………………………………………124.2.1物料衡算…………………………………………………………124.2.2热量衡算…………………………………………………………144.2.3理论板数计算…………………………………………………………184.3填料塔主要尺寸的设计计算……………………………………………184.3.1塔顶条件下的流量及物性参数………………………………………194.3.2塔底条件下的流量及物性参数………………………………………204.3.3进料条件下的流量及物性参数………………………………………214.3.4提馏段流量及物性参数………………………………………………224.4填料的选择…………………………………………………………244.5塔径设计计算…………………………………………………………254.6填料层计算…………………………………………………………26第5章附属设备及主要附件的选型计算……………………………………295.1冷凝器………………………………………………………………295.2加热器………………………………………………………………295.3塔内管径的计算及选型………………………………………………………305.4填料支撑装置………………………………………………………………315.5填料压紧装置………………………………………………………………315.6液体分布装置………………………………………………………………315.7除沫器………………………………………………………………333第6章填料塔主要设计参数汇总表…………………………………………34第7章结论…………………………………………………………36附录参考文献…………………………………………………………36致谢…………………………………………………………37附图4填料精馏塔设计第1章设计任务书1．1设计依据1.1.1设计题目甲醇-水填料精馏塔设计1.1.2设计任务生产能力（进料量）：年处理甲醇-水混合液30000吨操作周期：每年7200小时进料组成：甲醇含量为15%（质量百分比，下同）的常温液体分离要求：塔顶甲醇含量不低于43%，塔底甲醇含量不高于0.08%1.1.3操作条件操作压力：塔顶为常压进料热状况：泡点进料加热方式：间接蒸汽加热填料的选择：250Y金属波纹填料建厂地址：合肥1.2设计内容51.2.1填料精馏塔设计说明书的编写其主要内容如下：（1）设计方案的选择及流程说明（2）生产条件确定和说明（3）塔体工艺尺寸设计○1塔径的确定○2填料层高度的确定○3填料层压降的确定（4）辅助设备选型与计算（5）设计结果汇总1.2.2填料精馏塔工艺流程图的绘制1.2.3填料精馏塔主体设备图的绘制6第2章填料塔概述填料塔，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一液,液一液接触的塔设备中,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。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。规整填料种类较多,有板波纹填料、格栅填料、丝网填料等,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。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1/5～1/6；（2）热、质交换充分，分离效率高，使产品的提取率提高；7（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3～5段填料层，每段之间有液体收集器和再分布器，传统筛板塔的板间距为110～160mm，而规整填料的等板高为250～300mm，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。2.1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，8则可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。2.2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。9第3章流程确定和说明3.1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。3.2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，制造上较为方便。3.3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。3.4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。10本次实验采用间接蒸汽加热。3.5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11第4章填料塔设计计算4.1操作条件与基础数据4.1.1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。4.1.2气液平衡关系及平衡数据表1甲醇-水溶液的平衡数据（101.3KPa）平衡温度t10096.491.287.781.778.075.3液相甲醇x00.020.060.100.200.300.40气相甲醇y00.1340.3040.4180.5790.6650.729平衡温度t73.171.269.367.666.065.064.5液相甲醇x0.500.600.700.