甲醇-水分离过程填料精馏塔设计

化工原理课程设计起止时间2010年12月27日～2011年1月7日题目甲醇-水分离过程填料精馏塔设计学院名称核资源与核燃料工程学院学生姓名林江平班级核化082指导教师肖志海职称副教授院长谭凯旋2010年12月27日2甲醇—水分离过程填料精馏塔设计目录一，设计任务..............................................3二，中英文摘要............................................4三，前言..............................................5四，设计方案的确定........................................6五，设计计算.............................................81,精馏塔的物料衡算...................................82,塔板数的确定.......................................83,精馏塔的工艺条件及物性数据的计算...................104,精馏塔的塔体工艺尺寸计算..........................115,填料层压降计......................................136，设计一览表.......................................13六，设计过程心得..........................................14七，参考文献...............................................163一设计任务书1．处理量：8000（吨/年）2.料液浓度：45％（wt%）3．产品浓度：98％（wt%）4．易挥发组分回收率：99.5％5．每年实际生产时间：7200小时/年6．操作条件1）塔顶压力：4KPa（表压）2）进料热状况：饱和液体进料3）回流比：44）塔底加热蒸汽压力：0.3MPa（表压）7.填料类型：金属阶梯环填料8．设计内容a）精馏塔的物料衡算；b）塔板数的确定；c）精馏的工艺条件及有关物性数据的计算；d）精馏塔的塔体工艺尺寸计算；e）填料层压降计算；f）绘制生产工艺流程图；g）绘制精馏塔设计条件图；h）对设计过程的评述和有关问题的讨论。甲醇－水溶液汽液相平衡数据（摩尔）xyxyxy0.000.0000.150.5170.700.8700.020.1340.200.5790.800.9150.400.2340.300.6650.900.9580.600.3040.400.7290.950.9790.800.3650.500.7791.001.0000.100.4180.600.825400.20.40.60.811.200.511.5系列1系列2系列3系列4系列5系列6系列700.20.40.60.811.200.511.5系列1系列2系列3系列4系列5系列6系列7500.20.40.60.811.200.511.5系列1系列2系列3系列4系列5系列6系列7甲醇—水分离过程填料精馏塔设计林江平（南华大学核资源与核燃料工程学院，衡阳，421001）摘要：本设计对甲醇—水分离过程填料精馏塔装置进行了设计，主要进行了以下工作：1、对主要生产工艺流程进行了选择和确定。2、对生产的主要设备—填料塔进行了工艺计算设计,其中包括：①精馏塔的物料衡算；②塔板数的确定；③精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；④精馏塔的塔体工艺尺寸计算；⑤填料层压降的计算。3、绘制了生产工艺流程图和精馏塔设计条件图。4、对设计过程中的有关问题进行了讨论和评述。本设计简明、合理，能满足生产工艺的需要，有一定应用6价值。关键字：甲醇—水；分离过程；精馏塔TheDesignofFilled-FractionatingTowerabouttheSeparatingProcessofMethylAlcohol-Waterlinjiangping(CollegeofnuclearchemistryandnuclearfuelEngineering,NanhuaUniversity,Hengyang,421001)Director:xiaozhihaiAbstract:Thedesignofacontinuousdistillationfilled-rectificationcolumn,inthematerial,productrequirementsandthemainphysicalparametersandthetowerplanknumberandtodeterminethesize,processdesign.Andproductioncraftworkflowchartanddesignconditionchartoftherectificationtowerhasbeendrawn,completionofthemethyl-waterdistillationprocessandequipmentdesigntheme.Thedesignisconciseandreasonable,andcansatisfytherequestofthecraftwork.Ithastheappliedvalue.Keyword:methyl-alcoholseparatingprocessfractionatingtowerdesign三前言[1]混合物的分离是化工生产中的重要过程。蒸馏是分离液体混合物的典型单元操作。它是通过加热造成气液两相物系，利用物系中各组分的挥发度不同的特性以实现分离目的。填料塔结构简单，压降小，填料易用耐腐蚀材料制造。过去，由于填料本体及塔内构件不够完善，填料塔大多局限于处理腐蚀性介质或不适宜安装塔板的小直径塔。近年来，由于填料结构的改进和新型高效、高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离效率，又保持了压力降小及性能稳定的特点，因此，填料塔已经被推广到许多大型气液传质的操作中。精馏塔操作的基本要求是在连续定态和最经济的条件下处理更多的原料液，达到预定的分离要求或组分的回收率，即在允许范围内采用较小的回流比和比较大的再沸器传热量。所以在设计精馏塔的过程中，必须保持精馏定态操作的条件如：塔压稳定；进、出塔系统的物料量平衡和稳定；进7料组成和热状况稳定；回流比恒定；再沸器和冷凝器的传热条件稳定；塔系统与环境间散热稳定等。填料塔操作时，液体自塔上部进入，通过液体分布装置均匀淋洒于填料层上，继而沿填料表面缓慢下流。气体自塔下部进入，穿过栅板沿着填料间隙上升。这样,气液两相沿着塔高在填料表面与填料自由空间连续逆流接触，进行传质和传热。甲醇-水属于难分离物系，选用填料精馏塔的分离效率较高，容易满足生产要求。四设计方案的确定本设计任务为：分离甲醇-水混合物。对于二元混合物的分离，一般采用连续精馏流程。精馏是分离液体混合物最常用的一种操作，它通过汽、液两相的直接接触，利用组分挥发度的不同，使易挥发组分由液相向汽相传递，难挥发组分由汽相向液相传递，是汽、液两相之间的传质过程。精馏对塔设备的要求大致包括：1，生产能力大，即单位塔截面可通过较大的汽、液相流率，不会产生液泛等不正常流动。2，效率高，汽、液两相在塔内流动时能保持充分的密切接触，具有较高的塔板效率或较大的传质速率。3，流动阻力小，流体通过塔设备的阻力降小，可以节省动力费用，在减压操作时易于达到要求的真空度。4，有一定的操作弹性，当汽、液相流率有一定的波动时，两相均能维持正常的流动，且不会使效率产生较大的变化。5，结构简单，造价低，安装检修方便。6，能满足物性每些工艺特性，如腐蚀性、热敏性、气泡性等特殊要求。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。甲醇常压下的沸点为64.7℃，故可采用常压操作。用30℃的循环水进行冷凝。塔顶上升蒸汽用全冷凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷凝器冷却后送至储槽。因所分离物系的重组分为水，故选用直接蒸汽加热方式，釜残液直接排放。甲醇-水物系分离难易程度适中，气液负荷适中。设计中选用金属散装阶梯环Dn50填料。因废甲醇溶液中含有少量的药物固体微粒，应选用金属散装填料，以便定期拆卸和清洗。阶梯环是对鲍尔环的改进。与鲍尔环相比，阶梯环高度减少一半，并在一端增加了一个锥型翻边。由于高经比减少，使的气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥型翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变为点接触为主，这样不但增加了填料间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前所使用的环型填料中最为优良的一种。同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低，根据计算故选用Dn50规格的。8五设计计算(一)精馏塔的物料衡算1．原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率甲醇的摩尔质量MA=32.04kg/kmol水的摩尔质量MA=18.02kg/kmolD=8000×45%×99.5%/98%=3655.1吨/年F=D+WW=4344.9吨/年ww（质量％）＝8000×45%×0.5％/4344.9＝0.0414％xF=0.45/32.04/(0.45/32.04+0.55/18.02)=0.3151xD=0.98/32.04/(0.98/32.04+0.2/18.02)=0.965xw=0.000414/32.04/(0.000414/32.04+0.999586/18.02)=0.0002332.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量MF=0.3151×32.04+(1-0.3151)×18.02=22.44kg/kmolMD=0.965×32.04+(1-0.965)×18.02=31.549kg/kmolMW=0.000233×32.04+(1-0.000233)×18.02=18.02kg/kmol3.物料衡算F=8000×1000/(7200×22.44)=49.51kmol/hD=3655.1×1000/(7200×31.549)=16.091kmol/hW=4344.9×1000/(7200×18.02)=33.488kmol/h（二）塔板数的确定[2]1.利用平衡数据，在直角坐标图上绘平衡曲线及对角线，如下图：9在图上定出点a(xD,xD)、点e(xF,xF)和c(xW,xW)三点。2.精馏段操作线截距＝xD/(R+1)=0.965/5=0.193,在y轴上定出点b。连ab,即得到精馏段操作线。q=1,q线垂直于x轴，q线与精馏段操作线交与点d.3.q=1,q线垂直于x轴，q线与精馏段操作线交与点d.4.连cd,即为提馏段操作线。在图上定出点a(xD,xD)、点e(xF,xF)和c(xW,xW)三点。102.精馏段操作线截距＝xD/(R+1)=0.965/5=0.193,在y轴上定出点b。连ab,即得到精馏段操作线。q=1,q线垂直于x轴，q线与精馏段操作线交与点d.3.q=1,q线垂直于x轴，q线与精馏段操作线交与点d.4.连cd,即为提馏段操作线。5.自点a开始在操作线和平衡线之间绘梯级，得理论板层数为8块（包括再沸器），自塔顶往下数第5层为加料板。11（三）精馏的工艺条件及有关物性数据的计算塔顶温度：tD=64.5℃塔釜温度：tw=99.2℃进料板温度：tF=76.9℃1.精馏段塔顶第1块板有关参数R=L/D=4L=4×D=4×16.091=64.364kmol/hV=L+D=64.364+16.091=80.455kmol/h气相流量：V1=80.455kmol/h液相流量：L1=64.364kmol