分离甲醇-水混合液的连续精馏塔设计

化工原理课程设计报告分离甲醇水混合液的连续精馏塔设计作 者 姓 名：学 号：学 院：专 业：年 级：指 导 教 师：完 成 日 期： 化工原理课程设计任务书专业： 化学工程与工艺 姓名： 学号： 50 一、设计题目分离甲醇水溶液连续精馏塔优化设计二、设计条件处理量： 17500 （吨/年）料液组成： 35 （wt%）塔顶产品组成： 99.5 （wt%）塔顶易挥发组分回收率： 99.9 （%）每年实际生产时间：按7200小时/年计建厂地址：福建泉港石化工业园区三、设计任务完成精馏塔的工艺设计，有关附属设备（冷凝器和再沸器）的设计和选型，绘制相精馏系统工艺流程图、精馏塔设计条件图和装配图，编写设计说明书。精馏塔的物料衡算；塔板数的确定；精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；精馏塔的塔体工艺尺寸计算；塔板主要工艺尺寸计算；塔板的流体力学验算，塔板负荷性能图；塔附件设计、塔高；塔附属设备设计；绘制生产工艺流程图、精馏塔设计条件图和装配图（CAD），A3纸打印；对设计过程的评述、有关问题的讨论及心得体会。 指导教师： 日 期： 目 录主要符号表VII主要符号表续表1VIII主要符号表续表2IX绪论11设计方案论证21.1设计的原则与内容21.1.1 设计原则21.1.1 设计内容21.2甲醇的主要物理、化学性质、用途及安全风险31.3精馏方法的选择51.4塔设备的类型与选择61.5塔板的类型与选择61.6操作条件的选择81.6.2 进料热状态的选择91.6.3 加热方式的选择91.6.4 冷却剂与出口温度的确定91.7工艺流程图102塔板的工艺设计102.1基础数据102.2全塔物料衡算112.3确定操作条件112.3.1操作压力112.3.2操作温度112.3.3塔内密度122.3.4混合液表面张力132.3.5混合液粘度152.3.6确定回流比162.3.7汽液相体积流量计算172.4理论板数的计算和实际板数的确定182.5塔径的初步设计202.5.1 精馏段202.5.2 塔板的主要参数212.6 溢流装置212.6.1 堰长212.6.2 降液管222.6.3 降液管底隙高度222.7 塔板布置及浮阀数目与排列222.7.1 塔板分布222.7.2 浮阀数目与排列223塔板的流体力学计算263.1气相通过浮阀塔板的压力降263.1.1精馏段263.1.2提馏段263.2淹塔263.2.1精馏段273.2.2提馏段273.3液沫夹带273.3.1精馏段273.3.2提馏段283.4塔板负荷性能图283.4.1液沫夹带线283.4.2液泛线293.4.3液相负荷上限303.4.4漏液线303.4.5液相负荷下限304塔附件设计344.1接管344.1.1进料管344.1.2回流管344.1.3塔釜出料管344.1.4塔顶蒸汽出料管344.1.5塔釜进气管354.1.6法兰354.2筒体与封头354.2.1筒体354.2.2封头354.2.3除沫器354.2.4裙座364.2.5吊柱364.2.6人孔365塔总体高度设计375.1塔的顶部空间高度375.2塔的底部空间高度375.3塔立体高度376附属设备设计386.1冷凝器的选择386.2再沸器的选择38参 考 文 献39心得体会40附图41 主要符号表符 号代表意义单 位Aa塔板开孔（鼓泡）面积m2Af降液管面积m2A0筛孔面积m2AT塔截面积m2C计算Umax时的负荷系数/C0流量系数/D塔径md0筛孔直径mmE液流收缩系数/ET全塔效率（总板效率）/ev雾沫夹带量kg液/kg气F进料量kmol/hFa气相动能因子m/s(kg/m3)1/2F0阀孔动能因子m/s(kg/m3)1/2g重力加速度m/s2H板间距、塔高m或mmhc与干板压降相当的液柱高度mhd与液体流经降液管压降相当的液柱高度mHp与气流穿过板上液层压降相当的液柱高度mhf板上鼓泡层高度mhi进口堰与降液管间的水平距离mhL板上液层高度mh0降液管底隙高度mhOW堰上液层高度mhp与单板压降相当的液层高度mh与克服液体表面张力的压降相当的液柱高度mhW溢流堰高度mK筛板的稳定性系数/主要符号表续表1L塔内下降液体的流量kmol/hLs塔内下降液体的流量m3/slW溢流堰长度mN塔板数块Np实际塔板数块NT理论塔板数块n筛孔数个p操作压强Pa/kPap压强降Pa/kPaq进料热状态参数/R回流比/r开孔区半径mS直接蒸汽量kmol/ht筛孔中心距mmu空塔气速m/sua按有效流通面积计算的气速m/su0筛孔气速m/su0降液管底隙处液体流速m/suOW漏液点气速m/sV塔内上升蒸汽流量kmol/hVs塔内上升蒸汽流量m3/sW釜残液（塔底产品）流量kmol/hWc无效区宽度mWd弓形降液管宽度mWs安定区宽度mx液相中易挥发组分的摩尔分数/y汽相中易挥发组分的摩尔分数/Z塔有效高度m相对挥发度/干筛孔流量系数的修正系数/主要符号表续表2筛板厚度mm0板上液层充气系数/黏度mPasL液相密度kg/m3V汽相密度kg/m3表面张力N/m或mN/m时间s液体密度校正系数/A及挥发组分B难挥发组分D馏出液F原料液h每小时的量i组分序号L液相m平均min最小或最少max最大n塔板序号s每秒的量VII绪论本次课程设计的任务是设计一个甲醇-水溶液体系的精馏塔。甲醇在工业，医药，民用等方面，都有很广泛的应用，是一种很重要的原料。在很多方面，要求甲醇有不同的纯度，有时要求纯度很高，甚至是无水甲醇，这是很有困难的，因为甲醇极具挥发性，所以，想得到高纯度的甲醇很困难。要想把低纯度的甲醇水溶液提升到高纯度，要用连续精馏的方法，因为甲醇和水的挥发度相差不大。精馏是多数分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程，因此可使混合液得到几乎完全的分离。化工厂中精馏操作是在直立圆形的精馏塔内进行，塔内装有若干层塔板和充填一定高度的填料。为实现精馏分离操作，除精馏塔外，还必须从塔底引入上升蒸汽流和从塔顶引入下降液。可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，还必须有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还要配原料液预热器，回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。浮阀塔于20世纪50年代初期在工业上开始推广使用，由于它兼有泡罩塔和筛板塔的优点，已成为国内应用最广泛的塔形，特别是在石油，化学工业中使用最普遍。浮阀有很多种形式，但最常用的是F1型和V-4型。F1型浮阀的结构简单，制造方便，节省材料，性能良好，广泛应用在化工及炼油生产中，现已列入部颁标准（JB168-68）内，F1型浮阀又分轻阀和重阀两种，但一般情况下都采用重阀，只有处理量大且要求压强降很低的系统中，采用轻阀。浮阀塔具有下列优点：1、生产能力大。2、操 作 弹性大。3、塔板效率高。4、气体压强降及液面落差较小。5、塔的造价低。浮阀塔不宜处理宜结焦或黏度大的系统，但对于黏度稍大及有一般聚合现象的系统，浮阀塔也能正常操作。设计一座连续浮阀塔，通过对原料，产品的要求和物性参数的确定及对主要尺寸的计算，工艺设计和附属设备结果选型设计，完成对乙醇水精馏工艺流程和主题设备设计。首先根据设计任务，确定操作条件。比如：操作压力的确定、进料状态等的确定。然后设计工艺流程草图。根据确定的方案，确定具体的参数，即一个完整的设计就初步的确定了。最后计算塔的工艺尺寸、浮阀的流体力学演算、塔板的负荷性能，最后根据计算选择合适的辅助设备。1设计方案论证1.1设计的原则与内容1.1.1 设计原则总的设计原则是尽可能多的采用先进技术，使生产达到技术先进、经济合理的要求，符合优质、高产、安全、低能耗的原则，具体考虑以下几个方面：1. 满足工艺和操作的要求所设计出来的流程和设备能保证得到质量稳定的产品。由于工业上原料的浓度、温度经常有变化，因此设计的流程与设备需要一定的操作弹性，可方便的进行流量和传热量的调节。2. 满足经济上的要求要节省热能和电能的消耗，减少设备与基建的费用，如合理利用塔顶和塔底的废热，既可节省蒸汽和冷却介质的消耗，也能节省电能消耗。回流比对操作费用及设备费用均有很大程度的影响，因此必须严格按照操作费和设备费的关系选择作为设计回流比，冷却水的节省也对操作费用和设备费用有影响，减少冷却水用量，操作费用下降，但所需传热设备面积增加，设备费用增加。因此，设计时应全面考虑，力求总费用尽可能低一些。3. 保证生产安全生产中应防止物料的泄漏，生产和使用易燃物料车间的电器均应为防爆产品。塔体大都安装在室外，为能抵抗大自然的破坏，塔设备应具有一定的刚度和强度。1.1.1 设计内容板式精馏塔的设计大体按以下步骤进行：1. 设计方案确定和说明。根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、主要设备型式及其材质的选取等进行论述。2. 板式塔的工艺计算，包括物料和平衡级计算、理论塔板、实际塔板等。3. 计算塔板各主要工艺尺寸（板间距、塔高和塔径等）；进行流体力学校核计算，并画出塔的操作性能图。4. 塔的接管尺寸及附属设备的计算与选型，如泵、再沸器、冷凝器。5. 撰写设计说明书。6. 绘制工艺流程图、精馏塔设备图和装配图。1.2甲醇的主要物理、化学性质、用途及安全风险表1.2.1 甲醇的主要物理性质物理性质物性参数物态液体颜色透明 , 无色气味纯品清淡,类似乙醇,粗品刺激难闻熔点-98,C(lit,)沸点64,564,7,C(lit,)密度0,791,g/mL, at ,25,C闪点52,F（约11,C）蒸气密度1,11,(大气压=1)log ,P（, 辛醇 ,/水, 分配系数 ,）-0 ,69蒸气压127, mm ,Hg(25,C)410,mm ,Hg(50,C)折射率n20/D,1,329(lit,)爆炸上限%(V/V)44.0爆炸下限 ,%(V/V)5.5沾染量5s，故降液管可用。2.6.3 降液管底隙高度1、精馏段底隙取降液管底隙流速u0=0.03m/s，则h0=0.02186m2、提馏段底隙 取降液管底隙流速u0=0.03m/s，则h0=0.06275m因为h0不小于20mm，故h0满足要求。2.7 塔板布置及浮阀数目与排列2.7.1 塔板分布本设计塔径D=0.7m，采用分块式塔板，以便通过人孔装拆塔板。2.7.2 浮阀数目与排列1、精馏段取阀孔动能因子F0=12，则孔速为：u01=11.94m/s每层塔板上浮阀数目为：N=34块（采用F1型浮阀）取边缘区宽度Wc=0.06m,破沫区宽度Ws=0.02m计算塔板上的鼓泡区面积，即：Aa=其中R=-Wc=0.29m=0.24598m所以Aa=0.2458m2浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取横排的孔心距t=50mm排间距：t=0.0964m=96.4mm，但因采用分块式塔板，而各分块的支撑与衔接也要占去一部分鼓泡区面积，因此排间距不宜采用96.4mm，而应小些，故取t=70mm，按t=80mm，t=70mm，以等腰三角形叉排方式作图，排得阀数40个。按N=40重新核算孔速及阀孔动能因数：u01=10.01m/s，F0=10.01=10.06阀孔动能因数变化不大，仍在913范围内。塔板开孔率=100%=12.41%图2.5 精馏段阀孔排列图2、提馏段取阀孔动能因子F0=12，则孔速为：u02=13.63m/s每层塔板上浮阀数目为：N=31块（采用F1型浮阀）取t=50mm，排间距：t=0.1057m=105.7mm，取t=95mm，按t=60mm，t=95mm，以等腰三角形叉排方式作图，排得阀数36个。按N=36重新核算孔速及阀孔动能因数：u02=11.67m/s，F0=11.67=10.27阀孔动能因数变化不大，仍在913范围内。塔板开孔率=100%=11.17%图2.6 提馏段阀孔排列图3塔板的流体力学计算3.1气相通过浮阀塔板的压力降根据计算。3.1.1精馏段(1) 干板阻力：u0c1=10.45m/s因为u01u0c1,故hc1=5.34=5.34=0.03398m(2)板上充气液层阻力：取0=0.5，hL1=0hL=0.50.07=0.035m(3)液体表面张力所造成的阻力：此阻力很小，可忽略不计，因此与气体流经塔板的压降相当的高度为：hp1=0.03398+0.035=0.06898m，Pp1=hp1L1g=0.06898811.429.8=548.52Pa3.1.2提馏段(2) (1)干板阻力：u0c2=12.08m/s因为u02u0c2,故hc2=5.34=5.34=0.03107m(2)板上充气液层阻力：取0=0.5，hL2=0hL=0.50.07=0.035m(3)液体表面张力所造成的阻力：此阻力很小，可忽略不计，因此与气体流经塔板的压降相当的高度为：hp2=0.03107+0.035=0.06607m，Pp1=hp2L2g=0.06607925.519.8=599.25Pa3.2淹塔为防止发生淹塔现象，要求控制降液管中清液高度，即。3.2.1精馏段(1)单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度:hp1=0.06898m(2)液体通过降液管的压头损失:hd1=1.37710-4m(3) 板上液层高度:hL=0.07m,则Hd1=0.06898+1.37710-4+0.07=0.139m取=0.5,已选定HT=0.45m，hw1=0.06496m则（HT+hw1）=0.5（0.45+0.06496）=0.25748m可见Hd1（HT+hw1）,所以符合防止淹塔的要求。3.2.2提馏段(1)单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度hp2=0.06607m(2)液体通过降液管的压头损失:hd2=1.37710-4m(3)板上液层高度:hL=0.07m,则Hd2=0.06607+1.37710-4+0.07=0.1362m取=0.5,已选定HT=0.45m，hw2=0.0598m则（HT+hw2）=0.5（0.45+0.0598）=0.2549m可见Hd2（HT+hw2）,所以符合防止淹塔的要求。3.3液沫