填料精馏塔设计.doc

武夷学院课程设计说明书课程名称： 化工原理课程设计 题 目： 28000吨/年甲醇水填料精馏塔设计 学生姓名： 王玉惠 学号： 20094121060 系 别： 环境与建筑工程系 专业班级： 2009级化学工程与工艺(2)班 指导老师： 吴方棣 2012年5月目 录设计任务书- 5 -1 流程的确定和说明- 6 -1.1 加料方式- 6 -1.2 进料状况- 6 -1.3 塔顶冷凝方式- 6 -1.4 回流方式- 6 -1.5 加热方式- 6 -1.6 加热器- 6 -1.7 本章小结- 6 -2 生产操作条件的确定和说明- 8 -2.1 与物性有关的因素- 8 -2.2 与操作条件有关的因素- 8 -2.3 本章小结- 8 -3 精馏塔的设计计算- 9 -3.1 操作条件与基础数据- 9 -3.1.1 操作压力- 9 -3.1.2 气液平衡关系及平衡数据- 9 -3.1.3 物料平衡计算- 10 -3.2 精馏塔工艺计算- 11 -3.2.1 物料衡算- 11 -3.2.2 热量衡算- 12 -3.2.3 理论板数计算- 15 -3.3 精馏塔主要尺寸的设计计算- 16 -3.3.1 塔顶条件下的流量及物性参数- 16 -3.3.2 塔底条件下的流量及物性参数- 17 -3.3.3 进料条件下的流量及物性参数- 18 -3.3.4 精馏段的流量及物性参数- 19 -3.4 填料的选择- 21 -3.5 塔径的设计计算- 21 -3.5.1 精馏段塔径计算- 22 -3.5.2 提馏段塔径计算- 22 -3.5.3 液体喷淋密度的验算- 23 -3.6 填料层高度和压降的计算- 23 -3.6.1填料层高度的计算- 23 -3.6.2 填料层压降的计算- 24 -3.6.3 填料层高度和压降计算汇总如下- 24 -3.7 本章小结- 24 -4 附属设备及主要附件的选型计算- 26 -4.1 冷凝器- 26 -4.2 加热器- 26 -4.3 塔管径的计算及选择- 26 -4.3.1 进料管- 27 -4.3.2回流管- 27 -4.3.3 塔顶蒸汽接管- 27 -4.3.4 塔釜出料接管- 27 -4.3.5 塔内管径的计算汇总如下- 28 -4.4液体分布器- 28 -4.4.1液体分布器的选型- 28 -4.4.2分布点密度计算- 28 -4.4.3 布液计算- 28 -4.5 填料及支撑板的选择- 29 -4.6 塔釜设计- 29 -4.7 除沫器- 29 -4.8 本章小结- 30 -5 设计结果汇总- 31 -6 工艺流程图、填料塔主体设备图- 32 -6.1工艺流程图- 32 -6.2主体设备图见附图- 32 -参考文献- 33 -设计任务书1 设计题目28000吨/年甲醇水填料精馏塔设计2 设计任务生产能力（进料量）：年处理甲醇-水混合液28000吨；操作周期：每年280天，每天24小时连续运行；进料组成：甲醇含量为20%（质量百分数）的常温液体；分离要求：塔顶甲醇含量不低于90%，塔底甲醇含量不高于0.1%；3 操作条件操作压力：塔顶为常压；进料热状况：自选；加热方式：自选；填料的选择：250Y金属波纹填料4 设计内容（1）设计方案的选择及流程确定；（2）生产条件确定和说明；（3）塔体工艺尺寸设计；塔径的确定，填料层高度的确定，填料层压降的确定；（4）辅助设备选型与计算；（5）设计结果汇总。1 流程的确定和说明1.1 加料方式加料分为两种：高位槽加料和泵直接加料。本次设计采用高位槽加料，通过控制液位高度，可以得到稳定的流量和流速。通过重力加料，可以节省一笔动力费用。1.2 进料状况进料状况一般有冷液进料、泡点进料、汽液混合物进料、露点进料、加热、蒸汽进料等。冷液进料对分离有利，但会增加操作费用。泡点进料对塔操作方便，不受气温季节影响。本设计采用泡点进料。泡点进料基于恒摩尔流，假定精馏段和提馏段上升蒸汽量相等，精馏段和提馏段塔径基本相等。制造上较为方便。1.3 塔顶冷凝方式全塔顶冷凝采用全凝器，用水冷凝。甲醇和水不反应。且容易冷凝，故使用全凝器。塔顶出来的气体温度不高，冷凝后回流液和产品温度不高无需进一步冷却。此次分离也是想得到液体甲醇，选用全凝器符合要求。1.4 回流方式回流方式可分为重力回流和强制回流。对于小型塔，回流冷凝器一般安排在塔顶，其优点是回流冷凝器无需支撑结构。故本设计采用重力回流。1.5 加热方式加热方式分为直接蒸汽和间接蒸汽加热。直接蒸汽加热是用蒸汽直接由塔底进入塔内，由于重组分是水，故省略加热装置，但在一定的回流比条件下塔底蒸汽对回流液有稀释作用，但理论板数增加，费用增加。间接蒸汽加热是通过加热器使釜液部分汽化。上升蒸汽与回流下来的冷液进行传质，其优点是使釜液部分汽化，维持原来的浓度，以减少理论板数，其缺点是增加加热装置。本设计采用间接蒸汽加热。1.6 加热器采用U型管蒸汽间接加热器，用水蒸气作加热剂。因为塔小，可将加热器放在塔内，即再沸器，这样釜液部分汽化，维持了原有浓度，减少了理论板数。1.7 本章小结本章主要分析了操作流程如何确定，并说明此流程采用高位槽泡点进料，塔顶全凝器，塔底再沸器的重力回流的间接蒸汽加热方式，并明确说明了了各流程的优缺点。2 生产操作条件的确定和说明2.1 与物性有关的因素易起泡的物系在板式塔中有较严重的雾沫夹带现象或引起液泛，故选用填料塔为宜。因为填料不易形成泡沫。本设计为分离甲醇和水，故选用填料塔。对于易腐蚀介质，可选用陶瓷或其他耐腐蚀性材料作填料，对于不腐蚀的介质，则可选金属性质或塑料填料，而本设计分离甲醇和水，腐蚀性小可选用金属填料.2.2 与操作条件有关的因素传质速率受气膜控制的系统，选用填料塔为宜。因为填料塔层中液相为膜状流、气相湍动，有利于减小气膜阻力。 难分离物系与产品纯度要求较高，塔板数很多时，可采用高效填料。 若塔的高度有限制，在某些情况下，选用填料塔可降低塔高，为了节约能耗，故本设计选用填料塔。 要求塔内持液量、停留时间短、压强小的物系，宜用规整填料。2.3 本章小结 本章主要叙述了板式塔与填料塔的比较，对塔型的吧选择因素的介绍，从物料性质、操作条件两方面来选择塔的类型。以此确定选用填料塔来分离甲醇水的混合物。3 精馏塔的设计计算3.1 操作条件与基础数据3.1.1 操作压力精馏操作按操作压力分为常压、加压和减压操作。精馏操作中压力影响非常大。当压力增大时，混合液的相对挥发度将减小，对分离不利；当压力减小时，相对挥发度将增大，对分离有利。但当压力不太低时，对设备的要求较高，设备费用增加。因此在设计时一般采用常压蒸馏。当常压下无法完成操作时，则采用加压或减压蒸馏。对于甲醇-水系统在常压下相对挥发度相差较大，较易分离，故本设计采用常压精馏。3.1.2 气液平衡关系及平衡数据表3-1 甲醇-水平衡时的t、x、y数据平衡温度t 10092.990.388.985.081.678.0液相甲醇x 05.317.679.2613.1520.8328.18气相甲醇y 028.3440.0143.5354.5562.7367.75平衡温度t 73.872.771.370.068.066.964.7液相甲醇x 46.2052.9259.3768.4985.6287.41100气相甲醇y 77.5679.7181.8384.9289.6291.94100根据以上数据绘出x-y平衡图图3-1 甲醇-水平衡图3.1.3 物料平衡计算 物料衡算 已知：F”=28000t, =20%, =90%,=0.1%(质量百分比)，M =32.04kg/kmol，M=18.02 kg/kmol 摩尔分率： 进料平均相对分子质量 根据气液平衡表（x-y-t表）利用内插法求塔顶温度t，t，塔釜温度t，进料温度ta.塔顶温度t，tb.塔釜温度tc.进料温度t 回流比确定 由图（图3-1）可知进料平衡曲线为不正常平衡曲线，为减小误差，用作图法求最小回流比Rmin 。由点a(xD, xD)向平衡线作切线，交轴于b(0,0.324)，即精馏段操作线截距，所以。 操作回流比可取为最小回流比的1.12.0倍，所以取 R=1.5Rmin=1.51.05=1.575。所以回流比确定为R=1.575.3.2 精馏塔工艺计算3.2.1 物料衡算 物料示意图图3-2 精馏塔的物料衡算物料衡算 a.已知：F”=2.810t，年开工280天，进料摩尔流量：F= ,总物料衡算：易挥发组分衡算： 解得:b.塔顶产品的平均相对分子质量 塔顶产品流量： c.塔釜产品的平均相对分子质量 塔釜产品流量: 表3-2物料衡算结果表单位 进料F 塔顶D 塔釜W 物料 kg/h4167.74920.7383247.00kmol/h211.0830.97180.11组成 质量分率 20%90%0.1%摩尔分率 12.3%83.5%0.0563%3.2.2 热量衡算(1) 加热介质和冷却剂的选择 (a) 加热介质的选择 常用的加热介质有饱和水蒸气和烟道气。饱和水蒸气是一种应用最广的加热剂。由于饱和水蒸气冷凝时的传热膜系数很高，可以通过改变蒸汽的压力准确地控制加热温度。燃料燃烧所排放的烟道气温度可达1001000，适用于高温加热。缺点是烟道气的比热容及传热膜系数很低，加热温度控制困难。本设计选用300kPa（温度为133.3）的饱和水蒸气作加热介质，水蒸气易获得、清洁、不易腐蚀加热管，不但成本会相应降低，塔结构也不复杂。 (b)冷却剂的选择 常用的冷却剂是水和空气，应因地制宜加以选用。受当地气温限制，冷却水一般为1025。如需冷却到较低温度，则需采用低温介质，如冷冻盐水、氟利昂等。本设计建厂地区为武夷山，武夷山夏季最热月份日平均气温为24。故选用24的冷却水，选升温10，即冷却水的出口温度为34。 (2) 冷凝器的热负荷 冷凝器的热负荷 式中: 塔顶上升蒸汽的焓； 塔顶馏出液的焓。 式中：甲醇的蒸发潜热； 水的蒸发潜热。 蒸发潜热与温度的关系： 其中对比温度。 表3-3 沸点下蒸发潜热列表 沸点/蒸发潜热/（kcalkmol-1） 甲醇 64.658430512.6水 1009729647.3由沃森公式计算塔顶温度下的潜热 69.20时，对甲醇： 蒸发潜热 对水，同理得：， 蒸发潜热 对全凝器作热量衡算（忽略热量损失） 选择泡点回流，因为塔顶甲醇含量很高，与露点相接近，所以 代入数据得： (3) 冷却介质消耗量 (4) 加热器的热负荷及全塔热量衡算 选用300kPa（温度为133.3）的饱和水蒸气为加热介质 列表计算甲醇、水在不同温度下混合的比热容单位：kcal/(kg)表3-4 甲醇、水比热容表温度/ 67.5885.85平均值99.9285.85平均值甲醇/0.72850.8080.766250.83570.7420.8122水/111111根据表3-2， ,对全塔进行热量衡算： 为了简化计算，以进料焓，即85.85时的焓值为基准做热量衡算 塔釜热损失为10%，则，则式中加热器理想热负荷； 加热器实际热负荷； 塔顶馏出液带出热量； 塔底带出热量。 加热蒸汽消耗量: (333K,300KPa)表3-5 热量衡算数据结果列表 /kcal.h-1 /kg.h-1/kcal.h-1 /kcal.h-1/kcal.h-1/kcal.h-1/kg.h-103.2.3 理论板数计算由于本次设计的相对挥发度是变化的，所以不能用简捷法求得，应用图解法。 精馏段操作线方程为 截距 连接，与q线交于d点，连接与d点，得提馏段操作线。然后，由平衡线与操作线可得到精馏塔理论板数为11块，提馏段7块，精馏段4块，如下图3-3所示。 图3-3 逐板计算法求理论塔板数3.3 精馏塔主要尺寸的设计计算精馏塔设计的主要依据和条件 表3-6 不同温度下甲醇和水的密度 物质 密度kg/m3温度/ 5060708090100甲醇 750741731721713704水 988983978972965958表3-7 查图整理得甲醇-水特殊点粘度 物质 粘度mPas塔顶67.58 塔底99.92 进料85.85 甲醇 0.31660.22520.262水 0.42970.28830.3383.3.1 塔顶条件下的流量及物性参数 1、气相平均相对分子质量 2、液相平均相对分子质量 3、气相密度 4、液相密度 ,查表3-7，由内插法得：所以 5、液相粘度 查表3-7得：，6、塔顶出料口质量流量 表3-8 塔中顶部数据结果表符号 数值 29.7329.731.124752.300.335920.7430.973.3.2 塔底条件下的流量及物性参数 ， 1、液相相对分子质量：2、气相密度： 3、液相密度： 视同纯水，查表3-6， 4、液相粘度 查表3-7得：, 5、塔底流量 表3-9 塔底数据结果表符号 数值 18.02818.0280.5889580.2883247.02180.113.3.3 进料条件下的流量及物性参数 由表3-1得： 表3-10 内插求气相含量 9.2612.313.15 45.53y54.55由内插法，得： 1、气相平均相对分子质量： 2、液相平均相对分子质量 3、气相密度 4、液相密度 由表3-6数据，, 同上用内插法，求出：所以 5、液相粘度 查表3-7得： ， 6、进料流量 表3-11 进料数据结果表 符号 数值 25.3319.7440.8604904.380.32874167.76211.083.3.4 精馏段的流量及物性参数1、气相平均相对分子质量： 2、液相平均相对分子质量： 3、气相密度： 4、液相密度： 5、液相粘度： 6、 气相流量：V=(R+1)D=(1.575+1)30.97=79.75kmol/hV=79.7527.53=2195.52kg/h7、 液相流量：L=RD=1.57530.97=48.778kmol/h L=48.77824.737=1206.62kg/h3.3.5 提馏段的流量及物性参数1、气相平均相对分子质量： 2、液相平均相对分子质量： 3、液相密度： 4、气相密度： 5、液相粘度：6、气相流量：V= V-(q-1)F=79.75-0=79.75kmol/h=79.7521.665=1727.78kmol/h7、液相流量：L=L+qF=L+F=48.778+211.08=259.858 kmol/h L=259.85818.872=4904.04kg/h表3-12 精馏段、提馏段数据结果表精馏段 提馏段 气相平均相对分子质量/（kgkmol-1） 27.5321.665液相平均相对分子质量/（kgkmol-1） 24.73718.872气相密度/（kgm-3） 0.95970.7242液相密度/（kgm-3） 828.34931.19气相摩尔流量/（kmolh-1） 79.7579.75气相质量流量/（kgh-1） 2195.521727.78液相粘度/（mPas） 0.3320.308液相摩尔流量/（kmolh-1） 48.778259.858液相质量流量/（kgh-1） 1206.624904.043.4 填料的选择填料是填料塔的核心构件，它提供了气液两相相接触传质与传热的表面，与塔内件一起决定了填料塔的性质。目前，填料的开发与应用仍是沿着散装填料与规整填料两个方面进行。 本设计选用规整填料，金属板波纹250Y型填料。 规整填料是一种在塔内按均匀图形排布、整齐堆砌的填料，规定了气液流路，改善了沟流和壁流现象，压降可以很小，同时还可以提供更大的比表面积，在同等溶剂中可以达到更高的传质、传热效果。 与散装填料相比，规整填料结构均匀、规则、有对称性，当与散装填料有相同的比表面积时，填料空隙率更大，具有更大的通量，单位分离能力大。 250Y型波纹填料是最早研制并应用于工业生产的板波填料，它具有以下特点： 第一、比表面积与通用散装填料相比，可提高近1倍，填料压降较低，通量和传质效率均有较大幅度提高。 第二、与各种通用板式塔相比，不仅传质面积大幅度提高，而且全塔压降及效率有很大改善。 第三、工业生产中气液质均可能带入“第三相”物质，导致散装填料及某些板式塔无法维持操作。鉴于250Y型填料整齐的几何结构，显示出良好的抗堵性能，因而能在某些散装填料塔不适宜的场合使用，扩大了填料塔的应用范围。 3.5 塔径的设计计算3.5.1 精馏段塔径计算 由气速关联式 式中：干填料因子； 液体粘度，mPas； A250Y型为0.297； L、G液体、气体质量流速； 液体、气体密度； g重力加速度。 ,=0.332,A=0.297，,.代入式中求解得：u =4.21m/s空塔气速：u=0.5u=0.54.21=2.105m/s体积流量：V =D=圆整后：D=700mm，空塔气速u=1.750m/s3.5.2 提馏段塔径计算 所以=3.748m/s空塔气速：u=0.5=0.53.748=1.874m/s 体积流量： = D=圆整后：D=800mm，空塔气速u=1.853m/s3.5.3 液体喷淋密度的验算填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量，其计算式为 式中：液体喷淋密度，；,。为使填料能获得良好的润湿，塔内液体喷淋量应不低于某一极限值，此极限值为最小喷淋密度，以表示。对于规整填料，设计中通常已知: , 得 经上面校核，填料塔直径取合理。3.6 填料层高度和压降的计算3.6.1填料层高度的计算气动因子 填料高度的计算采用等板高度法，对于250Y金属板波纹填料，查化工手册得，每米填料理论板数为23块，取，则。填料层的高度为：式中：填料塔的理论板，前面已算出为精馏段为4，提馏段为7. 等板高度，。所以：填料层的设计高度一般为,取,所以：3.6.2 填料层压降的计算 对于250Y金属波纹填料，查化工手册得，每米填料层压降为：。所以精馏段的总压降为：提馏段的总压降为填料层的总压降为：全塔填料层总高度Z=Z精+Z提=2.0+3.5=5.5m3.6.3 填料层高度和压降计算汇总如下表3-13 填料层高度和压降计算汇总表 参数 精馏段 提馏段 全塔 气动因子/m/s(kg/m2)1.7141.575总压降/Pa6.01010.51016.510填料层高度/m2.03.55.53.7 本章小结本章以设计精馏塔为主，根据精馏塔的设计原理进行计算确定基本参数。对已知进行物流衡算、热料衡算，确定进料、塔顶、塔底的产品流量，从而确定理论板数。根据精馏段、提留段的进料、出料状况以及塔径、填料层高度的计算来设计精馏塔。4 附属设备及主要附件的选型计算4.1 冷凝器 本设计冷凝器重力回流直立或管壳式冷凝器原理。对于蒸馏塔的冷凝器，一般选用列管式，空冷凝螺旋板式换热器。因本设计冷凝器与被冷凝流体温差不大，所以选用管壳式冷凝器，被冷凝气体走管间，以便于及时排出冷凝液。 冷却水循环与气体方向相反，即逆流式。当气体流入冷凝器时，使其液膜厚度减薄，传热系数增大，利于节省面积，减少材料费。查化工手册，得到：对于低沸点有机物，冷凝介质为水时，传热系数为），故取冷凝器传热系数武夷山夏季最高平均水温24，温升10 逆流：T： 69.2067.58 t： 3424传热面积：A= 表4-1 查取有关数据公称直径/mm 管程数 管数 管长/mm换热面积/m2公称压力/MPa400198300022.30.64.2 加热器选用U型管加热器，经处理后，放在塔釜内。蒸汽选择133.3饱和水蒸气，传热系数，由表3-5得4.3 塔管径的计算及选择4.3.1 进料管 已知进料液流量为，密度为，取管内流速，则进料管直径为:经圆整选取热扎无缝钢管(GB8163-87),规格：实际管内流速：4.3.2回流管对于直立回流一般取02-0.5m/s,取=0.4m/s.=经圆整选取热扎无缝钢管(GB8163-87),规格：实际管内流速：=4.3.3 塔顶蒸汽接管 已知塔顶蒸汽流量为，密度为，操作为常压，取蒸汽速度，则蒸汽接管直径为：经圆整选取热扎无缝钢管（GB8163-87）,规格：实际管内流速:4.3.4 塔釜出料接管已知塔釜液流量为，密度为，取塔釜流出液体速度，则出料接管直径为：经圆整选取热扎无缝钢管（GB8163-87）,规格：实际管内流速:4.3.5 塔内管径的计算汇总如下 表4-2 塔内管径的计算结果表参 数塔顶进料回流管塔顶蒸汽接管塔釜出料接管 管子选型/mm502.5mm402.5mm20310mm503mm流速/m/s0.8050.42124.1730.79834.4液体分布器4.4.1液体分布器的选型液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、槽式或槽盘式等。工业应用以管式、槽式及槽盘式为主。槽盘式分布器是近年来开发的新型液体分布器，它兼有集液、分液及分气三种作用，结构紧凑、气液分布均匀，阻力较小，操作弹性高达10/1,适用于各种液体喷淋量。近年来应用非常广泛，本设计采用槽盘式分布器。4.4.2分布点密度计算 按苏尔寿公司的规整填料塔分布点密度建议值，对于250Y孔板波纹填料，喷淋点密度，本设计取喷淋点密度为。 布液点数为：4.4.3 布液计算本设计为重力型液体分布器中的多孔型，其布液工作的公里为开孔上方的液为高度。多孔型液体分布器布液能力的计算公式为：式中:液体流量，； 开孔数目（分布点数目）； 孔流系数，通常取； 孔径，； 开孔上方的液位高度，。已知:,取， 设计取4.5 填料及支撑板的选择本设计采用丝网波纹填料，板网支撑的结构简单，重量轻，自由截面大，但强度较低。本设计填料高度较低，所以选用栅板支撑板。 表4-3 主要设计参数塔径/mm 板外径/mm板高/mm近似重量/N8007962545表4-4 主图尺寸（采用不锈钢）塔径/mm D1/mmD2/mm重量/N8006387961094.6 塔釜设计料液在釜内停留15min，装填系数取0.5，塔釜高h / 塔径d = 2：1塔釜液量塔釜体积4.7 除沫器 为了确保气体的纯度，减少液体的夹带损失，选用除沫器。 常用除沫装置有折流板