甲醇-水精馏塔装置设计.doc
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1、化工原理课程设计报告目录概述.5 1、设计依据.5 2、设计来源.5 3、设计任务及要求.5设计方案的确定.61、 设计方案简介.62、 工艺流程简介.63、 塔型选择.64、 操作条件的确定.7(1) 操作压力. 7(2) 泡点进料的优点7(3) 热循环7工艺计算及主体设备设计.8 (一)物料衡算 .81、 基础数据.82、 质量分数转换为摩尔分数 .10(1) 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率10(2) 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量.11(3) 物料衡算.11 (二)理论塔板数NT的确定.121、 最小回流比的确定.122、 精馏塔气液相负荷.133、 操作线方程.134、 逐板计
2、算法求理论塔板数.135、 实际塔板数.14 (三)塔内物质物性计算.141、 操作压力的计算.142、 操作温度的计算.143、 平均摩尔质量的计算.154、 平均密度的计算.165、 液相表面张力的计算.186、 液相平均粘度的计算.19 精馏塔的主体尺寸计算.20(一)塔径的计算20(二)精馏塔有效高度的计算21(三)塔板主要工艺尺寸的计算22 1、溢流装置的计算.22 (1)堰长.23(2)溢流堰高度23(3)弓形降液管高度和截面积.24(4)降液管底隙高度.24 2、塔板布置.25(1)塔板的分布25(2)边缘区宽度的确定.25(3)开孔面积的计算.25(4)筛孔计算及排列.25(四
3、) 筛板的流体力学验算.261、塔板阻力.26(1)干板阻力的计算27(2)气体通过液层的阻力计算27(3)液体表面张力的阻力计算27 2、液面落差273、雾沫夹带284、漏液295、液泛29(五)塔板负荷性能图.301、液漏线.302、液沫夹带线.303、液相负荷下限线.314、液相负荷上限线.325、液泛线.32(六)筛孔数据一览表.34热量衡算.351、 塔顶换热器的热量衡算362、 塔底的热量37(1) 再沸器所需热量.37(2) 热交换器内的热交换.38(3) 减压阀.383、 热泵的选型.404、 塔底料液和热蒸汽预热进料.405、 水蒸汽加热进料.41 辅助设备的计算及选型.42
4、(一) 塔径的选择.421、 加料管的管径.422、 塔顶蒸气的管径.433、 回流管管径.434、 料液排出管管径.44(二) 泵的选型.441、 原料进入精馏塔时泵的选型.442、 塔顶液体回流所用泵的选型.45(三) 储槽的选择451、 原料储槽452、 塔底产品储槽463、 塔顶产品储槽46费用的计算.47(一) 设备费用的计算.471、 换热器费用的计算472、 精馏塔的费用计算483、 泵的费用494、 储槽费用.49(1) 进料储槽.49(2) 塔底产品储槽.49(3) 塔顶产品储槽.49(4) 总费用.495、 输送管道费用50(1) 进料处.50(2) 塔顶蒸气管.50(3)
5、 回流管.50(4) 塔底料液排出管.50(5) 总费用.506、 分液槽费用517、 总费用51(二) 操作费用的计算511、 热蒸汽的费用512、 冷却水的费用513、 泵所用的电费.51.(1) 热泵所用的电费51(2) 离心泵所用的电费524、 总费用.52(三) 总费用52参考文献.52主要符号说明.53设计总结.55一 概述塔设备是最常采用的精馏装置,无论是填料塔还是板式塔都在化工生产过程中得到了广泛的应用,在此我们作板式塔的设计以熟悉单元操作设备的设计流程和应注意的事项是非常必要的。1、 设计依据本设计依据于教科书的设计实例,对所提出的题目进行分析并做出理论计算。2、技术来源目前
6、,精馏塔的设计方法以严格计算为主,也有一些简化的模型,但是严格计算法对于连续精馏塔是最常采用的,我们此次所做的计算也采用严格计算法。3、设计任务及要求在一常压操作的连续精馏塔内分离甲醇水混合物。原料:甲醇水溶液 1t/h 甲醇含量 47.6%(质量分数),设计要求:塔顶甲醇的含量不小于98%(质量分数) 塔底甲醇的含量不大于2%(质量分数) 操作压力: 4kPa(塔顶表压) 进料热状况: 泡点(q=1) 回流比: 自选 单板压降: =0.7kPa 全塔效率: ET=52%二 设计方案的确定1.设计方案简介此次课程设计的任务是分离甲醇水混合物。对于二元混合物的分离,应采用连续精馏流程。设计中采用
7、泡点进料,将原料液通过换热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽通过相关设备升温,引致塔底液化、降温放热,并利用此部分热量使水再沸。塔顶产品冷凝至塔顶温度后按照计算所得量部分回流,其余部分送至储罐。塔釜采用间接蒸汽加热,塔底产品经冷却后送至储罐。塔设备是最常采用的精馏装置,无论是填料塔还是板式塔都在化工生产过程中得到了广泛的应用。2、工艺流程简介本设计采用直接压缩式热泵回收塔顶蒸气热量,用于塔底釜液的再沸用热。若热泵无法提供足够的热量,则可以先用热蒸汽加热使甲醇蒸气升高适当温度后,再用热泵进行升温,以此来满足塔底再沸需要的热量。甲醇蒸气经过再沸器后再经过减压阀作用后降至塔顶温度,一部分回流,
8、其余的为塔顶产品,冷却后输入到储液槽;塔底产品预热进料液后输入储液槽。(工艺流程见图)3、塔型选择塔的类型选择板式塔,板式塔的主要构件有塔体,塔板及气液进、出口等塔板的选择。根据生产任务,若按年工作日360天,每天开动设备24小时计算,产品流量为10000kg/h,由于产品粘度较小,流量较大,为减少造价,降低生产过程中压降和塔板液面落差的影响,提高生产效率, 塔板选择塔板。浮阀塔板结构简单,即在塔板上开若干个孔,在每个孔的上方装上可以上下浮动的阀片,操作时,浮阀可随上升气量的变化自动调节开度,当气量较小时,阀片的开度亦较小,从而可使气体能以足够的气速通过环隙,避免过多的漏液,当气量较大时,阀片
9、浮起,开度增大,使气速不致过高。浮阀塔板的优点是生产能力大,操作弹性大,气液接触状态良好,塔板结构简单,安装容易,压强小,塔板效率高,液面梯度小,使用周期长等。4、 操作条件的确定 (1)操作压力其中塔顶压力: P(顶)=101.3+4=105.3kPa进料口的压力: P(进)=105.3+0.7*N(精)塔底压力: P(釜)=105.3+0.7*Ne(2) 泡点进料得优点虽然进料方式有多种,但是泡点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,泡点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,本次设计中采取泡点
10、进料(3) 热循环精馏过程的原理是多次部分冷凝和多次部分汽化。因此热效率较低,所以塔顶蒸汽和塔底残液放出的热量利用要合理,这些热量的利用,要考虑这些热量的特点,此外,通过蒸馏系统的合理设置,也可以节能。通常进入再沸器的能量只有5%左右可以被有效利用,这是在正常情况下。塔顶蒸汽冷凝可以放出大量热量,若在冷凝器和再沸器之间加一个热泵,把塔顶中的产品加压,加到与再沸器一样的压强,这就可以,利用甲醇的冷凝热用在再沸器中。另外,还可以将热量加料出。三 工艺计算及主体设备设计(一) 物料衡算1、基础数据(6)甲醇-水的等压曲线1汽相 2液相图4-1 甲醇-水的等压曲线2、质量分数转换成摩尔分数(1)原料液
11、及塔顶、塔底产品的摩尔分率由于精馏过程的计算均以摩尔分数为准,需先把设计要求中的质量分数转化为摩尔分数。甲醇的摩尔质量 M甲醇=32.04kg/mol水的摩尔质量 M水=18.02kg/mol 表1 甲醇和水的物理性质项目相对分子质量Mr沸点/临界温度 t/临界压强P/kPa甲醇32.0464.7288.56833.4水18.02100318.574107.7原料液的摩尔组成: (2)原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量原料液的平均摩尔质量:塔顶的平均摩尔质量: 塔底的平均摩尔质量(3)物料衡算 原料处理量 F=10000/22.605=442.38kmol/h 总物料衡算 F=D+W=442
12、.38kmol/h 甲醇的物料衡算 32.04*0.463=0.921D+0.007W联立解得 D=kmol/h W=kmol/h由此可查得原料液,塔顶和塔底混合物的沸点。(二)理论塔板数NT的确定甲醇水属理想体系,可采用逐板计算求理论板数。1、最小回流比的确定/由课本查得甲醇水体系的相对挥发度=2.465(详见化学工程基础 主编 林爱光 清华大学出版社 141页)采用泡点进料: 则有气液平衡方程求得 故最小回流比为由成本计算可取最佳操作回流比R=1.1Rmin=1.502进行计算(详见附录二)2、精馏塔的气、液相负荷 L=RD= 31.09*1.502=46.697kmol/h V=(R+1
13、)D=(1.502+1)*31.09=77.787kmol/h L=L+F=46.697+58.48=105.177kmol/h V=V=77.787kmol/h 3、操作线方程 精馏段操作线方程为:提馏段操作线方程为: 汽液平衡方程 4、逐板计算法求理论塔板数(详见附录一) 总理论板层数NT=19(不包括塔釜) 进料板位置 Nf=125、实际板层数的求取 精馏段实际板层数 N精=11/0.52=21.1522 提馏段实际层数 N提=8/0.52=15.3816总实际板层数 NP=N精+N提=38(三)塔内物质物性计算1、操作压力的计算塔顶操作压力每层板的压降 P=0.7kpa进料板压力 塔底
14、压力 精馏段平均压力 Pm=(105.325+120.725)/2=113.025kpa提馏段平均压力 Pw=(120.725+131.925)/2=126.325kpa2、操作温度的计算依据操作压力,由泡点方程通过试差法计算会泡点温度,其中甲醇水的饱和蒸汽压由安托尼方程计算,计算过程如下: 式中 t-物系温度,P0-饱和蒸汽压,KPaA.B.C-Antoine常数,则塔顶压力 试差得:塔顶温度 : 同理可得:进料温度 : 塔底温度 :精馏段平均温度 tm=(81.74+99.01)/2=90.375提馏段平均温度 tm=(99.01+119.07)/2=109.043、平均摩尔质量的计算(1
15、)塔顶平均摩尔质量计算由XD=Y1=0.9830 由平衡曲线得:X1=0.9591Mvdm=0.9830*78.11+(1-0.9830)*92.13=78.35kg/kmolMldm=0.9591*78.11+(1-0.9591)*92.13=78.68 kg/kmol(2)进料板平均摩尔质量的计算由逐板计算得:yf=0.6837 xf=0.4672Mvfm=0.6837*78.11+(1-0.6837)*92.13=82.54kg/kmolMlfm=0.4672*78.11+(1-0.4672)*92.13=85.58kg/kmol(3)塔底平均摩尔质量的计算由逐板计算得:yw=0.024
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- 甲醇 精馏塔 装置 设计