甲醇和水分离过程筛板精馏塔设计

新疆工业高等专科学校

课程设计任务书

2学年2学期2011年7月5日

专业应用化工技术班级应化09—4

(2)班

课程名称精馏塔设计

设计题目筛板精馏塔的设计指导教师李培

起止时间2011/7/4—2011/7/9 周数 1 设计地点教学楼

设计目的:

1着重加深学生对于化工原理理论知识的掌握。

2积极引导学生去思考,培养他们灵活运用所学知识去解决问题的能力,以及查阅资料、处理数据的能力。

设计任务或主要技术指标:

设计一个生产能力为5000kg/h,原料中甲醇含量为45%(摩尔分数,以下同),分离要求为塔顶甲醇含量不低于95%;塔底甲醇含量不高于1%;常压下操作,塔顶采用全凝器,饱和液体进料的筛板精馏塔。

设计进度与要求:

1拟订题目和课程设计指导书(包括课程设计目的、内容、要求、进度、成绩评定等),制定具体考核形式(一般应采用平常情况和答辩相结合方式)并于课程设计开始时向学生公布。

2完整的课程设计应由设计草稿书和任务书组成。草稿书不上交系里,是备指导老师检查之用,以督促学生按时完成设计及防止学生间抄袭。任务书应上交按照指定格式编排好的电子版及打印版。7月8日前上交系里。

主要参考书及参考资料:

1.陈敏恒等。化工原理,上、下册,第三版.北京:化学工业出版社,2006

2.《化学工程手册》编辑委员会.化学工程手册,第一版,第一篇,第13篇.北京:化学工业出版社,1979

3.陈英南。常用化工单元设备的设计.上海:华东理工大学出版社,2005

4.卢焕章。石油化工基础数据手册.北京:化学工业出版社,1982

5.祁存谦等。化工原理,上、下册,第二版.北京:化学工业出版社,2009

6.张立新等。传质与分离技术.北京:化学工业出版社,2009

精馏是利用液体混合物中各组分挥发性的差异对其进行加热,然后进行多次混合蒸气的部分冷凝和混合液的部分加热汽化以达到分离目的的一种化工单元操作。精馏操作应在塔设备中完成,塔设备提供气液两相充分接触的场所,有效地实现气液两相间的传热、传质,以达到理想的分离效果,因此它在石油化工生产中得到广泛应用。

该设计选用逐级接触式的筛板塔作为分离设备,一个完整的板式塔主要是由圆柱形塔体、塔板、降液管、溢流堰、受液盘及气体和液体进、出口管等部件组成,这就需要对各个部件做出选择并给出合理的工艺尺寸,因此我们对精馏塔进行物料衡算,由y

t-

-间的关系并差取相关数据,确定相对挥发度和回流比求

x

出相平衡方程和操作线方程,然后通过逐板计算法算得理论塔板数并由全塔效率确定实际塔板数,最后对塔高、塔径、溢流装置等各个部件进行计算与核算校验(如负荷性能图),最终得到符合工艺要求的精馏塔并能完成生产任务。

关键词:精馏筛板塔、相平衡方程、操作线方程、回流比、图解法

1.综述-------------------------------------------------------------- 1 1.1塔设备的化工生产中的作用和地位-------------------------------- 1 1.2设计方案------------------------------------------------------ 1 1.3工艺流程------------------------------------------------------ 1 1.4设计方案简介-------------------------------------------------- 1

2主要物性数据----------------------------------------------------- 2

3工艺计算 -------------------------------------------------------- 3

3.1精馏塔的物料衡算---------------------------------------------- 3 3.2塔板数的确定-------------------------------------------------- 3 3.3实际塔板数的求取---------------------------------------------- 4 3.4塔和塔板的主要工艺尺寸计算------------------------------------ 6 3.5溢流装置的设计------------------------------------------------ 8 3.6塔板板面布置-------------------------------------------------- 9 3.7塔板校核----------------------------------------------------- 10

3.7.1 降液管液泛----------------------------------------------- 10

3.7.2液沫夹带-------------------------------------------------- 11

3.7.3 漏液---------------------------------------------------- 11 3.8负荷性能图--------------------------------------------------- 12

3.8.1 气液流量的流体力学上下限线------------------------------- 12

3.8.2 塔板工作线---------------------------------------------- 15

4设计总结 ------------------------------------------------------- 15

参考文献--------------------------------------------------------- 20

1.综述

1.1塔设备的化工生产中的作用和地位

塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。它可使气(或汽)液或液液两相进行紧密接触,达到相际传质及传热的目的。可在塔设备中完成的常见操作有:精馏、吸收、解吸和萃取等。此外,工业气体的冷却与回收、气体的湿法静制和干燥,以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。

在化工厂、石油化工厂、炼油厂等中,塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额,以及三废处理和环境保护等各个方面,都有重大的影响。据有关资料报道,塔设备的投资费用占整个工艺设备投资费用的较大比例;它所耗用的钢材重量在各类工艺设备中也属较多。因此,塔设备的设计和研究,受到化工炼油等行业的极大重视。

1.2设计方案

本设计任务为分离甲醇-水混合物。对于二元混合物的分离,应采用连续精馏。

1.3工艺流程

如图1所示。原料液由高位槽经过预热器预热后进入精馏塔内。操作时连续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品(釜残液)再沸器中原料液部分汽化,产生上升蒸汽,依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝,然后进入贮槽再经过冷却器冷却。并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体,其余部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品。为了使精馏塔连续的稳定的进行,流程中还要考虑设置原料槽。产品槽和相应的泵,有时还要设置高位槽。且在适当位置设置必要的仪表(流量计、温度计和压力表)。以测量物流的各项参数。

甲醇和水分离过程筛板精馏塔设计

图1精馏过程的工艺流程

1.4设计方案简介

设计中采用泡点进料,塔顶上升蒸汽采用全冷凝器冷凝,冷凝液在泡点下一部分回流至塔内,其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系,最小回流比较小,故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用间接蒸汽加热,塔底产品经冷却后送至储罐。具体如下:

塔型的选择本设计中采用筛板塔。筛板塔的优点是结构比浮阀塔更简单,易于加工,造价约为泡罩塔的60%,为浮阀塔的80%左右。 处理能力大,比同塔径的泡罩塔可增加10~15%。塔板效率高,比泡罩塔高15%左右。压降较低。缺点是塔板安装的水平度要求较高,否则气液接触不匀。

加料方式和加料热状况的选择:加料方式采用直接流入塔内。虽然进料方式有多种,但是饱和液体进料时进料温度不受季节、气温变化和前段工序波动的影响,塔的操作比较容易控制;此外,饱和液体进料时精馏段和提馏段的塔径相同,无论是设计计算还是实际加工制造这样的精馏塔都比较容易,为此,本次设计中采取饱和液体进料

设计的依据与技术来源:本设计依据于精馏的原理(即利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝使轻重组分分离),并在满足工艺和操作的要求,满足经济上的要求,保证生产安全的基础上, 对设计任务进行分析并做出理论计算。

目前,精馏塔的设计方法以严格计算为主,也有一些简化的模型,此次设计采用精确计算与软件验算相结合的方法。

2主要物性数据

表1 甲醇、水的物理性质

项目 分子式

分子量 沸点℃

甲醇A 3CH OH 32 647 水B 2H O

18

100 表二 不同塔径的板间距

塔径mm D / 800—1200 1400—2400

2600—6600

板间距mm H T / 300、350、400、450、500 400、450、500、550、600、650、700

450、500、550、600、650、700、750、800

3工艺计算

3.1精馏塔的物料衡算

甲醇的分子式为

3CH OH

,千摩尔质量为32kmol kg ,水的分子式为2H O

,千摩尔

质量为18kmol kg 。原料液的平均千摩尔质量为

(1)0.4532(10.45)1824.3F F A F B M x M x M kg kmol

=+-=?+-?=

所以

5000

205.7624.3F kmol h =

=

即采出率为: 0.450.010.468

0.950.01F W D w x x D F x x --===--

由上式求出塔顶馏出液量为

0.4680.468205.7696.296D F kmol h ==?= 则塔釜残液量为

205.7696.3109.46W F D kmol h =-=-=

3.2塔板数的确定

查化工手册得甲醇和水的t-x-y 关系 T/℃ x y 100 0 0 92.9 0.0531 0.2834 82.3 0.1818 0.5775 74.2 0.4403 0.7659 66.9 0.8741 0.9194 64.5

1

1

图2甲醇和水的t-x-y

由可得q 线与平衡线的交点坐标(xq ,yq )为(0.45,0.65),则最小回流比为

63.145

.064.064

.095.0min =--=

--=

q

q q D x y y x R

取回流比

min 1.6 1.6 1.64 2.624

R R ==?=

则精馏塔的气液负荷: 精馏段:

(1)(2.6241)96.296348.98kmol/h V R D =+=+?=

2.62496.296252.68/L RD kmol h ==?=

提馏段:由于泡点进料 1=q 所以 '348.98kmol/h V V ==

'252.68205.76458.44kmol/h L L F =+=+=

精馏段操作线方程:

10.7240.26211D n n n x R

y x x R R +=

+=+++

已知1q =,故根据提馏段和q 线方程用图解法解得理论塔板数.

甲醇和水分离过程筛板精馏塔设计

图3理论板数图解

由x-y 画梯级可得理论板数为9(不包含塔釜),进料板为第5块板。

3.3实际塔板数的求取

塔板效率是气、液两相的传质速率、混合和流动状况,以及板间反混(液沫夹带、气泡夹带和漏液所致)的综合结果。板效率为设计的重要数据。

板效率与塔板结构、操作条件、物质的物理性质及流体力学性质有关,它反映了实际塔板上传质过程进行的程度。

蒸馏塔可用相对挥发度与液相黏度的乘积作为参数来关联全塔效率,其经验式为:

()

245

.049.0-=L T E αμ

式中α——相对挥发度;

L μ——液相黏度,mPa ·s 。

上式中α、L μ的数据均取塔顶、塔底平均温度下的值。 由t-x-y 曲线可知:

659874D W F t t t ===℃、℃、℃

全塔平均温度

793D W F

t t t t ++=

=℃

查手册得平均温度下的液相中各组分的黏度

组分 甲醇 水

黏度μ(mPa ·s ) 0.0115 0.3610

则有 0.450.015(10.45)0.36100.2503LF μ=?+-?= 同理

0.029LD μ=、0.358LW μ=

平均黏度

0.25030.0290.358

0.212

3L μ++=

=

(1)

(1)y x x y α-=-得

10.2834(10.0531)7.0520.0531(10.2834)α?-=

=?- 20.5775(10.1818)

6.152

0.1818(10.5775)α?-==?- 30.7659(10.4403) 4.1590.4403(10.7659)α?-=

=?- 40.9194(10.8741)

1.643

0.8741(10.9194)α?-==?-

1234

4.752

4

m ααααα+++=

=

全塔效率

0.49(4.7520.212)0.2540.489

T E =+?-=

计算实际塔板数

精馏段

T T N 7

15E 0.489P N =

=≈精 提馏段

T T N 3

7E 0.489P N =

=≈提

故全塔实际所需塔板数22N =块,加料板位置在第16块

3.4塔和塔板的主要工艺尺寸计算

塔顶物料平均千摩尔质量为:

(1)0.95320.051831.3D

A B D D kg kmol

x x M

M M =+-=?+?=

塔顶气相密度为

3

101.331.3

1.1288.314(27365)D g PM kg m RT ρ?=

==?+

塔顶液相密度及表面张力近似甲醇计算。由《化工原理》上册附录二可查得C

20下苯甲醇的密度3791kg m ρ=,体积膨胀系数41

12.210C β--=?。计算可得79C

下苯的密度

()

()

3

4

0791

737.891112.2107920L kg m t t ρρρ-=

=

=?+-+??-

由《化工原理》上册附录十五可查得79℃下甲醇的表面张力0.0181N m σ= 精馏段上升与下降的气液体积流量为 33348.9831.3

9684 2.691.128

D

g g

VM V m h m s ρ?=

=

==

333252.6831.3

10.72 2.9810737.89

D

L L

LM V m h m s ρ-?=

=

==?

初选板间距400T H mm = 0.07L h m

=,则分离空间为

0.400.070.33T L H h m -=-=

气液动能参数为

49.910737.890.0181.39 1.128

L L g

g V V ρρ-?==

甲醇和水分离过程筛板精馏塔设计

图4史密斯关联图

由图4查得气体负荷因子=

20C 0.066,因表面张力的差异,气体负荷因子校正为

200.2

0.2

0.0660.0640.0200.0200.0181C C m s σ=

=

=??

?? ? ???

??

计算最大允许速率为

max

737.89 1.1280.064 1.631.128

L g g u C m s ρρρ--==?=

取空塔速率为最大允许速率的0.62倍,则空塔速率为 max 0.620.7 1.63 1.141u u m s ==?= 则塔径为

44 2.69

1.693.14 1.206

g

V D m u

π?=

=

=?

根据标准塔径圆整为

甲醇和水分离过程筛板精馏塔设计

液流收缩系数

甲醇和水分离过程筛板精馏塔设计

E

1.7D m =

再由表五可见,当塔径为1.7m 时,其板间距可取400mm ,因此,所设板间距可用。 塔高

(1)(181)0.4 6.8P T Z N H m

=-=-?=

3.5溢流装置的设计

对平直堰,选堰长与塔径之比为 0.7 ,即

0.7w l D

=,于是堰长为

0.70.7 1.70.98W

D m l

==?=

42.5

2.5

5..8103600 3.50.98L W

V l

-?=?=

图5液流收缩系数

由图5查得 1.011E =≈

2

23

3

3.330.002840.0028410.00650.98L OW

W E m

V h

l ??

??

==??= ? ? ?

??

??

于是 0.070.00650.063563.5W L OW m mm h h h =-=-==

01063.51053.5w h h mm =-=-=

2

221

3.14 1.4 1.544

14T

D m T A π=??==

根据0.980.71.7

甲醇和水分离过程筛板精馏塔设计

w l D ==,

图6弓形降液管的宽度和面积

由图6确定降液管横截面积A f

0.09

f

T A A =

2

0.090.09 1.540.138T f T A A m ==?=

3.6 塔板板面布置

m

W s 07.0=,

m

W c 05.0=

由图4确定

0.15d

W D =

即 0.150.15 1.70.21d W D m ==?=

1.4

()(0.210.07)0.4222d S D X W W m =

-+=-+= 1.40.050.6522C D r W m

=-=-= 2222222(arcsin

)0.42

2(0.420.650.420.65arcsin

)180

0.65

1.01a X

A X r X r r

m

π

=?-+=??-+?=

筛孔按正三角形排列,取孔径

05d mm

=,

.30=d t 则

开孔率 0

02

01.1031907.0907.0=???

???=??? ???=t d ?

筛孔数 221.01

1.15 1.1551620.015a A n t =?

=?=

筛孔总面积

2

00010.1 1.010.102a A A m φ==?=

3.7 塔板校核

3.7.1 降液管液泛

取板厚

060.0d =δ,60.00=d δ,

00.102

0.0807

2 1.5420.138

T f A A A ==--? ,

甲醇和水分离过程筛板精馏塔设计

图7史密斯关联图

查图7,确定空流系数

00.75

C =

则通过筛孔的气速

00

1.39

17.2240.0807g V u m s

A =

=

=

干板压降 2

2

0011 1.12817.2240.041229.8737.890.75g d L u h m

g C ρρ????==??= ? ????

??液柱

所以气体速率为 1.39

1.12 1.5420.138

g a T f

V u m s

A A =

=

=--?

故气相动能因子

()

0.5

0.50.50.51.1 1.128 1.168a a g F u kg m s ρ==?=

确定充气系数0.64β= 气体通过塔板的压降

0.0410.640.070.0858P d L h h h m

β=+=+?=液柱

液体通过降液管的压降

2

423

09.25100.153()0.153 2.7100.980.0535L r w V h m

l h --???==?=? ????

液柱

计算降液管内清夜层高度

d

H ,并取泡沫相对密度

=?0.5,

30.0410.07 2.7100.159d P L r H h h h m -=++=++?=

而 0.450.06350.25722T W H h m ++==

可见,满足

)(21

W T d h H H +

降液管内不会发生液泛。 降液管内停留时间4

0.1380.159

19.3259.2510

f d L

A H s s V τ-?=

=

=?可见停留时间足够长,

不会发生气泡夹带现象。 3.7.2液沫夹带

液沫夹带将导致塔板效率下降。通常塔板上液沫夹带量V e

要求低于0.1kg 液体

/kg 干气体,则有

3.2

3.2

3.2

6'66

1.395.710 5.710 5.710

1.540.138

2.50.01810.45 2.50.070.001910.1g T V T f T L V A Af u e H h H h kg kg kg kg σσ---??

??

??? ?-???- ?

=?=?=? ? ? ? ?---? ?

??

???

??

=液体干气液体干气可见液沫夹带量可以允许 3.7.3 漏液

克服液体表面张力的作用引起的压降

0440.0181

0.0029.819.81737.890.005L h m d δσρ?=

==??液柱

则漏液点气速

()()0

0.00560.134.40.00560.130.070.002737.89

4.40.75 1.128

9.51L L

OW g

h h u C m s

σρρ+-=+?-?=??=

017.224 1.81 1.59.51OW u K u =

==

可见不会发生严重漏液现象。

由塔板校核结果可见,塔板结构参数选择基本合理,所设计的各项尺寸可用。

3.8负荷性能图

3.8.1 气液流量的流体力学上下限线 3.8.1.1漏液线(气相负荷下限线)

第一点取设计点的液体流量4339.2510/ 3.56/L V m s m h -=?=,故

9.51/

OW u m s =,于是,相应漏液点的气体体积流量为

309.510.080736002763g OW V u A m h

==??=

第二点取液体流量为

h m V L 3

10=, 86.356.010

5.25.2==w L l V

则由图5可知07.1=E

m l

V E h w

L OW 0198.06.01007.100284.000284.03

23

2=??? ????=???? ??=

0.06350.01340.077L w OW h h h m

=+=+=

则对应的漏点气速为

()()0

0.00560.134.40.00560.130.0770.002737.89

4.40.75 1.128

9.88/L L

OW g

h h u C m s σρρ+-=+?-?=??= 故

3209.880.080736002870.3g OW V u A m h

==??=

根据(3.56,2763)和(10,2870)两点,作直线①即为漏液线。 3.8.1.2 液体流量下限线

006.00284.03

2=???? ??=w L

OW l

V E h

故 3

3

2

2

3

0.0060.0060.98 2.290.002840.00284 1.07L w V l m h

E ????==?= ? ??????

在负荷性能图

32.29L V m h

=处作垂直线,即为液体流量下限线②。

3.8.1.3液体流量上限线

取降液管内液体停留时间为3s ,则

33600

0.1380.453600

74.523

3f T L A H V m h

???=

=

=

在负荷性能图

374.52L V m h

=处作垂直线,即为液体流量上限线③。

3.8.1.4 过量液沫夹带线 第一点取设计点的液体流量

33.33L V m h

=,

则由

3.2

6

'5.710

0.1

V T f u e H h σ-???=?=

? ?-??

解出()()113.2

3.2

'660.10.10.01810.450.175 1.665.710 5.710T

f u H

h m s σ--???

??=-=?-= ?

?

????

??

于是 ()()'31.66 1.540.138********g T f V u A A m h =-=?-?=

第二点取液体流量为

h m V L 3

10=,0.077L h m = 即

2.5 2.50.0770.1925f L h h m

==?=

()

()

13.2

'613.2

60.15.7100.10.01810.450.19255.7101.6T

f

u H

h m s

σ--??=- ?

???

???=- ????=

于是

()()'31.6 1.540.138********g T f V u A A m h

=-=?-?=

根据(3.56,8378)和(10,8076)两点,在负荷性能图上作出液沫夹带线④。 3.8.1.5 液泛线

第一点为设计点33.56L V m h = 0.07L h m =,0.64

β=

2

0010.640.07

2g P d L L u h h h g C ρβρ??

=+=+? ???

已求得

32.710r h m -=?液柱

2

3

0010.640.07 2.7102g d P L r L u H h h h g C ρβρ-??=++=+?+? ???

令 0.400.0635

0.23222

T W d H h H m ++=

== 可见

2

3

0010.640.07 2.7100.2572g L u m g C ρρ-??+?+?= ???

036.48/u m s =

故 30036.480.102360013394g V u A m h ==??=

第二点取液体流量为

h m V L 3

10=,0.077L h m = 2

0010.640.077

2g P d L L u h h h g C ρβρ??=+=+? ???

液柱m h l V h w L r 0007.0105.686.0360010153.0)(153.02

3

20=??

????

?????==-

2

4

0010.640.0770.077 4.29100.257

2g d P c r L u H h h h g C ρρ-??=++=+?++?= ???

034.73/u m s =

故 30034.730.102360012753g V u A m h ==??=

由(3.56,13394)和(10,12753)两点,在负荷性能图上作出液泛线⑤。根据①②③④⑤画出塔板负荷性能图

甲醇和水分离过程筛板精馏塔设计

图8塔板负荷性能图

3.8.2 塔板工作线

在负荷性能图上做出斜率为

3

2.69

902.72.9810

g L

V V -=

=?的直线OAB ,塔板工作线。此线与流体力学上下限线相交于A 、B 两点,读出A 、B 两点的纵坐标值即为

m in

)(g V 和

m ax

)(g V ,并求出操作弹性:max

min 8300 2.59()3200

g g V V ===()操作弹性

由图可见,按本设计的塔板结构较理想。液泛线低于过量液沫夹带线,液体流量上限线靠近塔板工作线。因此,操作弹性符合。此外,操作下限没有落在液体流量下限线说明堰长w l 取得合适,降液面积取得合理,且设计点处于正常工作区域内。

4设计总结

因为甲醇和水不能形成恒沸点的混合物,所以可直接采用传统的精馏法制

备高纯度的甲醇溶液,本设计进行甲醇和水的分离,采用直径为 1.4米的精馏塔,选用效率较高、结构简单、加工方便的单溢流方式、并采用了弓形降液盘。

由于在设计过程中,对板式塔只有一个整体的直观认识以及简单的工作原理的了解,而对于设备中重要部件——塔板、管路等缺乏了解,查询了各种相关书籍,走了很多弯路,但终于通过自己努力解决了其中的难题。

在设计过程中,考虑到设计踏板所构成的板式塔,不但要具有应有的生产能力,满足工艺要求,还要考虑到能耗,经济,污染等问题,为今后走向工作岗位很有价值。

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