甲醇回收塔

1南京工业大学浦江学院《化工原理》课程设计设计题目甲醇回收塔学生姓名班级、学号指导教师姓名课程设计时间2013年6月17日-2013年6月28日课程设计成绩考察内容评分设计说明书及设计图纸质量（70分）独立工作能力、综合能力、设计过程表现、设计答辩及回答问题情况（30分）设计最终成绩（五级分制）指导教师签字2南京工业大学化工原理课程设计任务书专业：班级：姓名：设计日期：2013年6月17日至2013年6月28日设计题目：甲醇回收塔设计条件：进料量：F=150吨/天进料组成：Xf=9.5%(w%)进料状态：25℃回收率:η=99%操作条件：直接蒸汽加热指导教师：年月日3目录一、前言---------------------------------------------------------------------3二、设计说明书符号表---------------------------------------------------5三、流程设计---------------------------------------------------------------7四、物性参数---------------------------------------------------------------8五、工艺计算--------------------------------------------------------------11六、塔径的计算-----------------------------------------------------------13七、填料层高度计算-----------------------------------------------------14八、填料塔的流体力学性能--------------------------------------------15九、塔设计计算参数总汇-----------------------------------------------21十、辅助设备的选择-----------------------------------------------------21十一、参考资料-------------------------------------------------------------244一前言甲醇用途广泛，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。5二、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。Q——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)。6Umin——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。7三、流程设计图3.1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。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。8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。四、物性数据表4.1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水的物性参数：M水=18.02kg/kmol表4.2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4.3甲醇的物性参数压强p×10-5温度t密度ρ比热容cp×10-3黏度μ×105表面张力σ×1039Pa℃kg/m3J/kg·KPa·sN/m1.0108092.3660.82524.50108012.4580.70023.29207922.5120.60022.07307822.5500.52420.87407722.5720.47019.67507642.6180.40018.50607542.6750.51017.33707462.7300.31916.19807362.7700.27815.04907252.8310.24513.921007142.8920.22512.80水蒸汽的物性参数：M水蒸汽=18.02kg/kmol4.1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4.4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：10相平衡关系y=1.1214x0.411800.10.20.30.40.50.60.70.80.9100.10.20.30.40.50.6xy4.2理论板数的计算例：PrivateSubCommand1_Click()DimyAsDouble,xAsDouble,cAsDouble,nAsIntegery=0.3382x=0.0557c=0.3382n=0DoWhile(x0.000557)x=(y/1.1214)^(1/0.4118)y=c/0.05514*(x-0.000557)n=n+1Printx;yLoopPrintnEndSubCX(XXw)理论板数N气相摩尔流量V（吨/天）0.34123.113×10ˆ（-6）1024.240.34112.848×10ˆ（-4）924.240.34095.802×10ˆ（-6）924.260.34021.019×10ˆ（-5）824.310.33824.328×10ˆ（-6）724.460.33791.120×10ˆ（-6）724.480.3321.434×10