精馏塔主塔设计.doc

第三篇 主塔设计 精镏塔的设计主要应掌握三个平衡：物料平衡、汽液平衡、热量平衡。物衡体现了塔的生产能力，它主要靠进料量和塔顶、塔釜采出量来调节；汽液平衡主要体现了产品的质量和损失情况，它是靠调节塔的操作条件(温度、压力)及塔板上汽液接触的情况来达到的；热量平衡是物料平衡和汽液平衡得以实现的基础，没有塔釜供热和塔顶冷凝，就没有上升蒸汽和回流液，整个精镏过程就无法实现，而热衡又是依附于物料平衡和汽液平衡的。 掌握物料平衡、汽液平衡、热量平衡是精镏的关键所在。这三个平衡是相互影响，互相制约，操作中通常是以物料平衡为主，相应调节热量平衡去达到汽液平衡的目的。下面就从这三个平衡入手去设计本次精镏塔的工艺参数。31 精馏塔的物料衡算设计任务： Fm=10000吨/年，aF=21.8%，aD=98.5% ，aW=0.2%，泡点进料。以一年300天计算：1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数：甲醇的摩尔质量 水的摩尔质量 2.原料液平均摩尔质量 3原料液处理量 4. 总物料衡算 代入数字: 32 塔高的设计：1理论板层数的求取甲醇-水属理想物系,由文献(1)查得甲醇-水物系在常压下的汽液平衡数据如下：温度t/液相中甲醇摩尔分数xA汽相中甲醇摩尔分数yA温度t/液相中甲醇摩尔分数xA汽相中甲醇摩尔分数yA1000.00.075.30.400.72996.40.020.13473.10.500.77993.50.040.23471.20.600.82591.20.060.30469.30.700.87089.30.080.36567.60.800.91587.70.100.41866.00.900.95884.40.150.51765.00.950.97981.70.200.57964.51.01.078.00.300.665可采用：图解法;逐板计算法求理论板层数。图解法:由于相平衡数据不多，用坐标纸手绘误差较大，现采用计算机绘图。由相平衡数据,用Auto CAD绘出xy相图,根据xD,xw,xF确定D点（xD,xD）,W点（xw,xw）, F点(xF, xF),泡点加料,可确定q线x=xF=0.1185, 由 q线和相平衡线的交点可确定xq=0.118525,yq=0.460153,进而确定 Rmin=1.50303, 操作回流比为最小回流比的1.25倍。R=1.25Rmin=1.87878, 据精馏段操作线方程，可得精馏段操作线方程，在y轴截距上的截距点为（0，0.3382），由D点和精镏线在y轴上的交点(0，0.338)可得精镏段的操作线，其与q线的交点为q点，连接cd即为提馏段操作线。从点D开始在平衡线和操作线之间作阶梯，从第8个阶梯开始更换提馏段操作线，直至x16=0.0002224xW=0.001126为止。由图可知，所需理论板数NT=16115(不包括再沸器)。详见附图一。逐板计算法:用Mathematica程序逐板计算。由相平衡数据,用Interpolatio【Transposex,y】命令绘出xy相图,再通过方程联立确定精镏线，提镏线，q线。从点D开始逐板计算，直到x16=0.0002224xW=0.001126为止。由图可知，所需理论板数NT=16115(不包括再沸器)。详见附录二。2填料层高度：填料层高度ZNTHETP现已算得,NT=15。查阅文献（2），可知直径25mm的填料其等板高度HETP为25mm则天；填料层高度Z= NTHETP=150.46=6.9m。3填料塔总高 塔高H填料层高度塔顶预留空间+塔釜预留空间+裙座高 本此设计任务中，塔顶预留空间取1m，塔釜预留空间和裙座高可取1.5m。塔高HZ+1+1.5=6.9+1+1.5=9.4m。33 塔径设计 全塔压降计算： 顶压及釜压的计算(用试差法)因塔顶xD1,塔釜xw0，假设 ( )参数物种 A B C适用温度()甲醇11.9673 3626.55 -34.29 364757 水 11.6834 3816.44 -46.13 441784查表得: =1.094461.35901 = 精镏段塔径设计（1）平均分子量塔顶： 进料板： 精馏段平均分子量： 平均密度：液相密度：塔顶： 进料板，由Mathematica逐板计算法(详见附录)可得： 设进料温度87，可查得： 气相密度:塔顶压力1.09446加料板处压力= 液相粘度: (T,K;,cp)参数物种 A B甲醇555.30 260.4 水 658.25 283.16查表得: 塔顶： cp cp =0.32199 cp 进料板： cp cp =0.31332 cp cp精馏段气液负荷计算:精馏段液体摩尔流量为L=RD=液相质量流量为 WL = 精馏段气体摩尔流量为V=（R+1）D= 汽相质量流量为 WV= 根据埃克特通用关联图，横坐标为： 由“乱堆填料泛点线”可查得纵坐标: 3填料采用DN25金属环矩鞍，此时 g=9.81精馏段平均温度77,此温度下的前已算得: 代入 可解得：=3.3095m/s 泛点气速是填料塔操作气速的上限，填料塔的操作空塔气速必须小于泛点气速。对于不同填料，所采用的泛点率（操作空塔与泛点气速之比）不同。对于散装填料： =0.50.85对于规整填料： =0.60.95 因设计的填料塔采用的是散装填料，故取泛点率为0.7。 即 =0.7=0.73.3095=2.3166m/s 精馏段的气体体积流量。 VS=精馏段的塔径D=圆整值 D=0.32m 提镏段塔径设计 （1）平均分子量塔釜： 进料板： 提馏段平均分子量：平均密度：液相密度：塔顶： 进料板，由Mathematica逐板计算法(详见附录二)可得： 假设进料温度87，可查得：气相密度塔釜压力=1.12712加料板处压力= 液相粘度:参数物种 A B甲醇555.30 260.4 水 658.25 283.16 (T,K;,cp) 查表得: 塔釜： cp cp =0.27059 cp 进料板： cp cp =0.31332 cp cp提馏段气液负荷计算:提馏段液体摩尔流量为=L+F=液相质量流量为 = 提馏段气体摩尔流量为=V=24.5294 汽相质量流量为 = 根据埃克特通用关联图（文献（1），横坐标为： 由“乱堆填料泛点线”可查得纵坐标: 填料采用DN25金属环矩鞍，此时 g=9.81精馏段平均温度95,此温度下的前已算得: 代入 可解得： =4.3079m/s取泛点率为0.6, =0.6=0.64.3079=2.5847m/s 提馏段的气体体积流量: =精馏段的塔径D=圆整值 D=0.32m塔径校核经计算得塔径圆整值为：0.32m。现对塔径进行校核,校核依据是当塔径为0.32m时,塔压降与前计算值是否相等。精馏段：精馏段塔速为所用填料为DN25金属环矩鞍，查阅文献（1）可得填料因子为138 ，g=9.81，精馏段的 ，cp精馏段平均温度77,此温度下的 根据埃克特通用关联图，代入得横坐标为：纵坐标为：查得精馏段理论板数为8-1=7块，HETP=0.46m,Z=70.46=3.22m.提馏段：精馏段塔速为所用填料为DN25金属环矩鞍，查阅文献（1）可得填料因子为138, g=9.81，提馏段的 , cp精馏段平均温度77,此温度下的 根据埃克特通用关联图，代入得横坐标为：纵坐标为： 查得提馏段理论板数为16-1-7=8块，HETP=0.46m,Z=80.46=3.68m. 根据前已算得误差: 塔径合适，D=0.3234 计算结果列表（1）.物料衡算：进料口F塔顶D塔釜W进料量（kmol/L）7058317.2396浓度（摩尔分率）0.1185 0.97360.001125压力（KPa）110.078109.446112.712温度（）8767103 （2）.填料塔参数：塔径DN塔高H填料层压降误差分析0.32m9.4m3.2655KPa4.33%第四篇 配套设备选型精镏操作离不开配套设备(辅机)，如换热器、泵、储槽、接管等，在正常生产中这些设备的运转状况均应满足精镏塔操作的要求，否则将使精镏塔的生产能力受到限制，严重时会使整个精镏操作过程无法进行下去。 在设计生产工艺时，不仅要考虑精镏塔的工艺过程，也要把配套设备考虑进去。4.1 换热器选型： 料液预热器：查阅文献（3）， 可取K=400W/（m2） 原料液25，进料温度87，原料液的质量分率为0.19325时，87时， 原料液于25预热至87的平均热容 则预热器原料液吸收的热量为:Q=预热器采用120的过热蒸汽预热 水蒸气120 120 甲醇-水 25 87 (如右图所示) 则平均温差为： t 95 33 传热面积A=根据文献（4），选用浮头式换热器，选用型号为：FB3255402，公称直径325mm，公称压力40，2管程，排管数32根，管子为，换热面积为5m,计算传热面积7.4m。标准图号为：JF001。计算值大于所需的实际传热面积，故符合要求。 塔顶冷凝器：选用管壳式换热器，该设计任务的热流体为甲醇，冷却介质用20的循环水，为提高冷却效果，令甲醇走壳程，水走管程。根据文献（3）,可知该设计任务下总传热系 K的推荐值为230930 ），取K值为350）塔顶馏出液的摩尔分率，塔顶温度67,，塔顶产品的总汽化潜热 V=用如右图所示换热方式， 0.9736的甲醇在67下冷凝， 甲醇-水 67 67水的温升为10， 冷却水 25 87 即水的出口温度为30 t 47 32平均温度差冷凝器的热负荷为：可得换热器面积 根据文献（4），选用4管程U型号管式换热器，规格型号为：YA4002040/404，公称换热面积20，计算换热面积为21.52，公称直径Dg400mm,管程数N=4,排管数68根,管道流通面积 77.17,管长L=2500mm,设备净重1028kg.施工图号为：JY010。计算换热面积大于实际的计算换热面积126，满足要求。 塔底再沸器查阅文献（3），可取K=600 W/（m2）塔釜液的摩尔分率，塔釜温度 查表得: V=24.5294kmol/h=6.8137mol/s用如右图所示换热方式， 120的过饱和蒸汽加热, 水蒸气 120 1200.00112545的甲醇在103下冷凝， 甲醇-水 103 103 平均温度差: t 17 17 冷凝器的热负荷为：可得换热器面积 根据文献（4），选用立式虹吸式重沸器，型号为：GCH6001630，公称直径600mm，公称压力16，管子数32根，标准图号为：JB114671。计算值大于所需的实际传热面积，故符合要求。42 储槽选型 在本设计任务中的储槽有原料液储槽和中间槽两种，而储槽的存储量是储槽设计及选型的主要参数。故应从储槽的存储量来设计。 原料储槽： 原料液的存储量是要保证生产能正常进行，主要根据原料生产情况及供应周期而定的。一般说来，应保证在储槽装液6080，如不进料仍能维持运作24小时。取装料6080是因为在工业中为了安全，储槽一般要流出一定的空间。该设计任务中，取储槽装料70，即装填系数为0.7。原料液温度为t=25，此时进料液中各物料的物性是：甲醇： 质量浓度水： 质量浓度进料液体积流量 所需的储槽体积为： 根据文献（4），原料储槽工作于常温、常压下，甲醇是一级防爆品， 综合以上因素，最终选用选用卧式椭圆形封头容器（JB1422-74），选图号为：R28-2.5-32的卧式椭圆形封头容器, 公称容积，计算，筒体公称直径=3000mm，筒体壁厚S=8mm,筒体长度L=8000mm，封头厚度，材质，允许腐蚀裕度1.5,设备重量8150Kg。 中间槽： 中间槽是储存回流量及出料的储罐。甲醇精馏过程为连续生产，中间槽的设计依据是中间槽装液6080能保持至少12个小时的流量，该设计任务中，槽装液70，即取安全系数为0.7，保持流量2小时。进料槽的体积流量：中间槽实际体积中间槽的工作压力取常压，根据文献（4），可用立式平底锥盖容器系列（JB1422-74）。选取图号为：R23A-00-16公称容积计算体积 ，工作体积，筒体公称直径=1400mm，壁厚5mm，高度2400mm，材质，设备重量672Kg。43 接管的选型 管径的设计是根据流体的特性、工艺要求及基建费用和运转、维修费用的经济比较确定，因为管径大，则壁厚，重量增加，阀门、管件尺寸也增加，使基建费用增加；管径小，则管内流速增加，流体阻力增加，动力消耗即运转费用增加。在设计过程中，对所有的管道都进行这样的经济比较是不可能的，一般用常用流速的经验值来计算管径。初步选定流体的流速后，通过计算或查管径算图来确定管径，最后圆整到符合公称直径的要求。 进料管的设计: 进料量流量 根据文献（4），一般液体流速经验值为1.53，现取进料管中流速,则进料口管径为:根据文献（3)，选用为管道为冷扎无缝钢管（YB23164）,外径20mm,壁厚2.2mm,管内径15.6mm大于D,满足要求。 塔顶气体出口管: 塔顶气体摩尔流量为V=（R+1）D=，, 根据文献（4），管内气体流速的经验值u=15 管径 根据文献（3)，选用管道为冷扎无缝钢管(YB231-64),外径140mm,壁厚5.5mm,管内129mm, 大于d满足要求。 回流进口管: 回流液的摩尔流量为L=RD= 回流液的平均密度 回流液的体积流量取回流液流速为u=1.5m/s,回流管内径为 根据文献（3)，选用管道为冷扎无缝钢管(YB231-64),外径16mm,壁厚1.6mm,管内12.8mm大于d,满足要求。 再沸器出口管: =V=24.5294 根据文献（4），取管内气体流速u=15 ,则再沸器所需管内径: 根据文献（3)，选用管道为热扎无缝钢管(YB231-64),外径140mm,壁厚6mm,管内径128 mm大于d,满足要求。 釜液输出管: 根据文献（4），取釜液流速u=1.5m/s,则釜液输出管所需内径为: 根据文献（3)，选用管道为冷扎无缝钢管(YB231-64),外径28mm,壁厚4mm,管内径20mm大于d,满足要求。44 泵该工艺流程具有两个主要的泵装置，一个为进料泵，负责把液体打进填料塔；另一个为回流泵，负责把回流液打回塔内重新进行精馏。由于所设计的泵用于输送化工液体，与一般泵不同，它要求泵操作方便，运行可靠，性能良好和维修方便。泵的选型首先要根据被输送物料的基本性质，包括相态、温度、粘度、密度、挥发性和毒性等，还要考虑生产的工艺过程、动力、环境和安全要求等条件。在流量小而压头高、液体又无悬 浮物且粘度不高的情况下，选用旋涡泵较为适宜。 进料泵 进料液在25下,各物料的密度为:甲醇： 水： 进料液的平均密度为: 进料液的流量 取泵的安全系数为1.1,则进料泵的设计流量 为:进料液由进料泵打到进料板处，提馏段理论板数8块（见附图），提馏段填料层高度： 进料泵最小扬程=提馏段填料层高度+塔底预留空间及裙座高 本次设计任务中，塔底预留空间及裙座高可取1.5m。进料泵扬程 H=2（提馏段填料层高度+1.5m） = =10.36m根据文献（4），选用W型旋涡泵，泵型号25W-25,流量Q 1.8,扬程H 18m,转速为2900,轴功率0.35kw,电机功率 0.75 kw,效率25%,允许吸上真空度5.5m,叶轮直径75mm,泵重12kg。 回流泵的选型: 料液在67下冷凝回流,前已算得 回流流量 取安全系数为1.2,则回料泵的设计流量为: 回流泵扬程 H=2（总填料层高度+1.5m） = =16.6m根据文献（4），选用W型旋涡泵，泵型号20W-20,流量Q 0.72,扬程H 20m,转速为2900,轴功率0.175kw,电机功率 0.75 kw,效率22%,允许吸上真空度Hs 6.5m,叶轮直径65mm,泵重12kg。4.5 温度计： 根据该设计任务，温度范围在150内。根据文献（4），可选用镍铬铜镍(WRKK)型热电偶,分度号为E,套管材料1Cr18Ni9Ti,外径d=2mm,测量范围0300,允差值3.最高使用温度700,公称压力P500kgf/cm2。也可选用WRK240型隔爆镍铬铜镍热电偶,分度号E,结构特征:固定螺纹安装，测温范围0600,公称压力P100kgf/cm2。4.6 压力计：选用压力测量仪表时，要考虑其量程、精度及介质性质和使用条件因素，该设计任务压力不高，变动不大，工业用精度要求为1.5至2.5级，介质无腐蚀性不易堵塞。压力表安装的地方，应力求避免振动和高温的影响。取压管的内墙面与设备或管道的内壁应平整。无凸出物或毛刺以保证正确取得静压力。被测介质温度超过60时，取压口至阀门见或阀门至压力表间应有冷凝管。根据该设计任务，查阅文献（4），选用电接点压力表。电接点压力表有触点装置，在被测压力逾出上下限时能实现自动控制，发讯和报警。适合在周围环境适度为4060，相对湿度不大于80%下使用。根据该设计任务，查阅文献（）选用防爆型电接点压力表YX160B3C,精度等级1.5级,测温范围2.5kgf/cm2. 4.7 液位计 原料槽液位计该设计任务中,原料槽采用卧式椭球形封头容器,筒体公称直径3m,故所选液位计测量范围大致在03m,希望实现自动控制, 查阅文献（4），可选用ULF-2型电远传翻板式液位计,该液位计能就地指示和远传液位,可与ULFX-2型液位数字显示报警仪配套使用。ULF-2-HC防爆远传翻板液位计和ULF-2-HC防爆液位数字显示报警仪配套使用，可用于爆炸危险场合的液位测量。ULFX-2，ULF-2-HC适合在环境温度1040和相对湿度不大于80%下使用，电源电压为220V,50Hz。 中间槽液位计浮筒式液位计，UTQ型气动浮筒式液位测量仪是对工业生产过程中容器内液位或界面实现就地指示和调节基地式液位仪表。调节带变送的UTQ型气动浮筒式液位测量仪可作为现场的液位变送单元与QDZ型气动单位组合仪表配套使用，实现控制室的集中控制。根据该设计任务，查阅文献（4）， UTQ151型气动浮筒液位条件变送器，结构形式：内浮筒，顶置法兰。 48 流量计 化工过程中需经常对物料进行流量和总量的测量。流量是指单位时间内通过的物料量。所选依据主要为介质的性质及流量测量范围。 针对该设计任务，选用LZJ型带筋玻璃转子流量计。转子流量计用来测量液体、气体介质的流量，特别适合测量中小管径、较低雷诺数的中小流量。刻度为线性，压力损失小而且恒定，使用维护方便。LZJ型带筋玻璃转子流量计是玻璃转子流量计的变形产品，其优点是：转子稳定，测量精度高，可测部分不透明的界限，使用范围广，锥管强度高，使用寿命长，锥管两端密封性好，刻度着色牢固，读数清晰。 进料管流量计 根据该设计任务，查阅文献（4），选用LZJ40A型，测量比1：10，测量范围