甲醇—水溶液连续精馏塔优化设计-课程设计.doc

化工原理课程设计报告甲醇水溶液连续精馏塔优化设计作 者 姓 名： 学 号： 学 院： 化学与化工学院 专 业： 化学工程与工艺 年 级： 2013级 指 导 教 师： 完 成 日 期： 2016.1.18 福建师范大学Fujian Normal University化工原理课程设计任务书专业： 化学工程与工艺 姓名： 学号： 一、设计题目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： 45 （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；精馏塔接管尺寸计算；绘制生产工艺流程图、精馏塔设计条件图和装配图（CAD）；对设计过程的评述和有关问题的讨论。指导教师： 郭菊花、王雪松 日 期： 2016.1.18 目录主要符号表IV绪论71甲醇的主要物理、化学性质及用途91.1甲醇性质91.2甲醇用途92塔板的工艺设计102.1精馏塔全塔物料衡算102.2常压下甲醇-水汽液平衡数据102.3理论塔板的计算172.4塔径的初步设计192.5溢流装置202.6塔板布置及浮阀数目与排列223塔板的流体力学计算243.1气相通过浮阀塔板的压降243.2淹塔253.3液沫夹带253.4塔板负荷性能图26参考文献30附图A 附图31 主要符号表符号意义计量单位M摩尔质量kg/kmolF进料率kmol/hD塔顶采出率kmol/hW塔底采出率kmol/hq进料热状况x液相摩尔分率y气相摩尔分率R回流比L液相负荷kmol/hV气相负荷kmol/hN塔板数P操作压力Pat温度密度kg/m3表面张力mN/m粘度mPasVS气相体积流率m3/sLS液相体积流率m3/sumax最大空塔气速m/sHT板间距mhL板上清液高度mC20负荷系数C负荷因子m/su空塔气速m/sD塔径mAT塔截面积m2Z有效高度mlW堰长mhW溢流堰高度mhOW堰上液层高度mWd降液管宽度mAf截面积m2降液管中停留时间sh0降液管底隙高度mWS边缘区宽度mAa开孔区面积m2t孔中心距mmn筛孔数目个开孔率h阻力PaeV液沫夹带量kg液/kg气K稳定系数Hd降液管内液层高mCP比热容kJ/(kmol)Q热量kJ/hr潜化热kJ/kgG流量kg/h导热系数W/(m)修正系数K传热系数W/(m2)NP管程数Re雷诺数nS单程传管数de当量直径mPr普兰特数对流传热系数W/(m2)下标A轻组分B重组分D馏出液e平衡F加料m平均值W釜液L液相V气相绪论 最优化技术是一门新兴的应用性很强的技术，它是研究在一定条件下如何用最小的代价获得最佳的效果的技术。近年来，随着计算机技术的迅猛发展与普及，最优化技术在化工领域的应用越来越广泛，越来越多的化学工程设计问题希望通过适当的数字处理方法，得到最优化的设计效果。 塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触部件的结构型式，可分为板式塔和填料塔。板式塔内设置一定数目的塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上液层进行质热传递，气液相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流向上（也有并流向下者）与液相接触进行质热传递，气液相组成沿塔高连续变化，属微分接触操作过程。板式塔大致可分为两类：（1）有降液管的塔板，如泡罩、浮阀、筛板、导向筛板、新型垂直筛板、蛇形、S型、多降液管塔板；（2）无降液管的塔板，如穿流式筛板（栅板）、穿流式波纹板等。工业应用较多的是有降液管的塔板，如浮阀、筛板、泡罩塔板等。浮阀塔广泛用于精馏、吸收和解吸等过程。其主要特点是在塔板的开孔上装有可浮动的浮阀，气流从浮阀周边以稳定的速度水平地进入塔板上液层进行两相接触。浮阀可根据气体流量的大小而上下浮动，自行调节。浮阀有盘式、条式等多种，国内多用盘式浮阀，此型又分为F1型（V1型）、V4型、十字架型、和A型，其中F1型浮阀结构较简单、节省材料，制造方便，性能良好，故在化工及炼油生产中普遍应用，已列入部颁标准（JB111881）。其阀孔直径为39mm，重阀质量为33g，轻阀为25g。一般多采用重阀，因其操作稳定性好。浮阀塔的主要优点是生产能力大，操作弹性较大，塔板效率高，气体压强降及液面落差较小，塔的造价低，塔板结构较泡罩塔简单。化工生产常需进行二元液相混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的，精馏是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多次部分冷凝达到轻重组分分离目的的方法。精馏操作在化工、石油化工、轻工等工业生产中占有重要的地位。为此，掌握气液相平衡关系，熟悉各种塔型的操作特性，对选择、设计和分析分离过程中的各种参数是非常重要的。塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备类型之一。本次设计的浮阀塔是化工生产中主要的气液传质设备。此设计针对二元物系的精馏问题进行分析、选取、计算、核算、绘图等，是较完整的精馏设计过程，该设计方法被工程技术人员广泛的采用。 编者 2016/01/181甲醇的主要物理、化学性质及用途1.1甲醇性质 甲醇（Methanol，Methylalcohol）又名木醇，木酒精，甲基氢氧化物，是一种最简单的饱和醇。化学分子式为CH3OH，结构式如下：工业上对塔设备的主要要求是：（1）生产能力大；（2）传热、传质效率高；（3）气流的摩擦阻力小；（4）操作稳定，适应性强，操作弹性大；（5）结构简单，材料耗用量少；（6）制造安装容易，操作维修方便。此外，还要求不易堵塞、耐腐蚀等。 H|H-C-OH|H分子结构：C原子以sp3杂化轨道成键，0原子以sp3杂化轨道成键。分子为极性分子。最早从木材干馏得到故又称木醇或木精。甲醇是无色有酒精气味易挥发的液体。熔点-93.9、沸点64.7、密度0.7914克/厘米3（20）、能溶于水和许多有机溶剂。甲醇有毒，误饮510毫升能双目失明，大量饮用会导致死亡。禁酒的国家，把甲醇掺入酒精中成变性酒精，使其不能饮用。甲醇易燃，其蒸气与空气能形成爆炸混合物，甲醇完全燃烧生成二氧化碳和水蒸气，同时放出热量：2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O。工业上用一氧化碳和氢气的混合气（合成气）在一定的条件下制备甲醇：甲醇可用做溶剂和燃料，也是一种化工原料，主要用于生产甲醛（HCHO）：工业酒精里含有甲醇，但是工业酒精的主要成分还是乙醇。甲醇有较强的毒性，对人体的神经系统和血液系统影响最大，它经消化道、呼吸道或皮肤摄入都会产生毒性反应，甲醇蒸气能损害人的呼吸道粘膜和视力。1.2甲醇用途目前，甲醇在有机合成工业中，是仅次于烯烃和芳烃的重要基础有机原料。随着技术的发展和能源结构的改变，甲醇又开辟了许多新的用途。甲醇是较好的人工合成蛋白的原料，蛋白转化率较高，发酵速度快，无毒性，价格便宜。甲醇用途广泛，是基础的有机化工原料和优质燃料。主要应用于精细化工，塑料等领域，用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲脂等多种有机产品，也是农药、医药的重要原料之一。甲醇在深加工后可作为一种新型清洁燃料，也加入汽油掺烧。甲醇是容易输送的清洁燃料，可以单独或与汽油混合作为汽车燃料，用它作为汽油添加剂可起节约芳烃，提高辛烷值的作用，汽车制造也将成为耗用甲醇的巨大部门，甲醇的消费已超过其传统用途，潜在的耗用量远远超过其化工用途，渗透到国民经济的各个部门。特别是随着能源结构的改变，甲醇有未来主要燃料的候补燃料之称，需用量十分巨大。我国目前甲醇的产量还较低，但近年来发展速度较快，近五年来甲醇的生产规模有了突飞猛进的发展。从我国能源结构出发，甲醇由煤制的技术已经成熟，近几年由煤制甲醇的工艺已经全面工业化生产，将来在我国甲醇有希望替代石油燃料和石油化工的原料，蕴藏着潜在的巨大市场。我国甲醇工业无疑将迅速发展起来。2塔板的工艺设计2.1精馏塔全塔物料衡算F:原料液流量（kmol/s) xF:原料组成（mol%)D:塔顶产品流量（kmol/s) xD：塔顶组成（mol%)W：塔底残液流量（kmol/s) xW：塔底组成（mol%)原料甲醇组成：xF=0.315塔顶组成：xD=0.991塔底组成：xW进料量：F=0.0301（kmol/s) 物料衡算式：F=D+W FxF=DxD+WxW联立代入求解：D=0.00956（kmol/s) W=0.0205（kmol/s) xW=0.0003682.2常压下甲醇-水汽液平衡数据表一（1）温度利用表一中的数据由拉格朗日插值可求得tF:= tF=77.60tD:= tD=56.9tW:= tW=99.34精馏段平均温度：=67.25提馏段平均温度：=88.47(2）密度已知：混合液密度：=+(为质量分率，为平均相对分子质量），不同温度下甲醇和水的密度混合气密度:v=精馏段=67.25液相组成x1：= x1=0.822气相组成y1：= y1=0.947所以=32*0.822+18*0.178=29.508（kg/mol) =32*0.947+18*0.053=31.258（kg/mol)提馏段：=88.47液相组成x2：= x2=0.090气相组成y2：= y2=0.392所以=32*0.090+18*0.91=19.26（kg/mol) =32*0.392+18*0.608=23.488（kg/mol)表二温度甲醇密度 kg/m3 水 kg/m360741983.270731977.880721971.890713965.3100704958.4求得在、下的甲醇和水的密度=67.25，= 甲=733.75 kg/m3 = 水=979.285 kg/m3同理，=88.47，=714.224 kg/m3 ，=966.295 kg/m3在精馏段：液相密度L1=+=L1=757.002 kg/m3气相密度：v1=1.12 kg/m3在提馏段：液相密度L2：气相密度：=+ L2=918.27气相密度：v2=0.792 kg/m3(3)混合液体表面张力不同温度下甲醇和水的表面张力如下表表三温度60708090100甲醇表面张力/mN/m17.3315.0415.2水表面张力/mN/m66.0764.362.660.758.8精馏段=67.25Vm=23.78(cm3/mol)Vo=28.57(cm3/mol)甲醇表面张力：=，甲醇=16.50水表面张力：=，水=64.81 = =因为xD=0.822,所以xW=1-0.822=0.178B=lg()=-1.56Q= = A=B+Q=-2.056联立方程组A=lglg(), sw+so=1代入求得sw=0.089, so=0.911 =,m=19.04提馏段=88.47 甲醇表面张力:水表面张力:因为 0.090,所以xw=0.91B=QA=B+Q=0.467联立方程组，代入求得：, , （4）混合物粘度=67.25，查表得：水=0.4233（mPa*s) 醇=0.344（mPa*s)=88.47，查表得：水=0.3239（mPa*s) 醇=0.277（mPa*s)精馏段黏度：1=醇x1+水(1-x1) =0.3581（mPa*s) 提馏段黏度：2=醇x1+水(1-x2) =0.3197（mPa*s)（5）相对挥发度精馏段挥发度：由xA=0.822 yA=0.947 得xB=0.178 yB=0.053所以提馏段挥发度：由,得 ,所以（6）汽、液相体积流量计算由表一常压下甲醇-水汽液平衡数据,绘出x-y图。图一xD=0.991xF=0.315xw=0.000368因为泡点进料，所以q=1 且xq=xF=0.315且q点过相平衡线,所以由图一可得 则yq=0.680该线与平衡线的交点坐标为：q（ 0.315，0.680） 故最小回流比为：Rmin=取操作回流比为：R=1.5Rmin=1.278对角线上定出点c，先计算yc；=0.435再在y轴上标定点c，联结点a、点c即得到两操作线ac；作q线，如图线fd；作提馏段操作线bd；作梯级。精馏段L=RD=0.435*0.00956=0.0041（kmol/s) V=(R+1)D=2.278*0.00956=0.022（kmol/s) 已知：则有质量流量：L1=(kg/s) V1=(kg/s)体积流量:Ls1=(/s) Vs1=(/s)提馏段：因本设计为饱和液体进料，所以q=1 L=L+qF=0.0342（kmol/s) V=V+(q-1)F=0.022（kmol/s)已知： 则有质量流量L2=(kg/s) V2=(kg/s) W=L2-V2=0.142(kg/s)体积流量：Ls2=(/s) Vs2=(/s)2.3理论塔板的计算理论板：指离开这种板的气、液两相互成平衡，而且塔板上液相组成均匀。理论板的计算方法：可采用逐板计算法，图解法，在本次实验设计中采用图解法。如图一图解法求理论塔板层数采用图解法求理论板层数，由图3-1的梯级数目可知，全塔的理论塔板数为NT=14（包括再沸器）进料板位置NT=8图一已知，精馏段操作线方程： 提馏段操作线方程：（1）精馏段 已知， 所以 （2）提馏段 已知， 所以 全塔所需的实际塔板数为 全塔效率加料板位置在第29块塔板上2.4塔径的初步设计 （1） 精馏段由，式中C可由史密斯关联图查出：图二横坐标数值：取板间距，板上清液层高度，则，查图得，则气体负荷因子最大空塔气速为了避免雾沫夹带及液泛的发生，一般情况此处安全系数取0.7，则 横截面积： 空塔气速： （2）提馏段横坐标数值：取板间距，板上清液层高度，则，查图得，则气体负荷因子最大空塔气速此处安全系数取0.7，则 横截面积： 空塔气速： 2.5溢流装置(1)堰长一般情况下，堰长取塔径的0.60.8倍，即：取出口堰高：本设计采用平直堰，堰上液头高度按Francis式计算： E为对弓形堰的矫正系数，由下图计算得到，若为圆筒堰，则E近似取1。精馏段： 提馏段： （2）弓形降液管的宽度和横截面由，查弓形降液管参数图三：图三查得：，故降液管宽度： ，故降液管面积：液体在降液管中的停留时间：精馏段： 提馏段： 停留时间，故降液管可用。（3） 降液管底隙高度精馏段取降液管底隙流体流速 则提馏段：因为h0不小于20mm，故降液管设计高度合理，h0满足要求。2.6塔板布置及浮阀数目与排列(1)塔板分布 D=0.8m， 采用分块式塔板，以便通过人孔装拆塔板(2)浮阀数目与排列精馏段：阀孔气速：每层塔板上的浮阀数目为： 取边缘区宽度 破沫区宽度：计算塔板上的鼓泡区面积： 浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取同一横排的孔心距t=75mm=0.075m，则估算排间距t=所以按t=75mm，t=65mm，以等腰三角形叉排方式作图，排得阀数 个.塔板开孔率=提馏段：阀孔气速：每层塔板上的浮阀数目为： 取边缘区宽度 破沫区宽度：计算塔板上的鼓泡区面积： 浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取同一横排的孔心距t=75mm=0.075m，则估算排间距t=所以按t=75mm，t=65mm，以等腰三角形叉排方式作图，排得阀数 个.塔板开孔率=浮阀数排列方式如图四图四 3塔板的流体力学计算 3.1气相通过浮阀塔板的压降可根据 计算（1）精馏段干板阻力因，故板上充气液层阻力取=0.5，hL=0.07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： =0.052+0.035=0.087m=645.42（pa）（2）提馏段干板阻力 因，故板上充气液层阻力取=0.5，hL=0.07液体表面张力所造成的阻力:此阻力很小，可忽略不计，因此与单板的压降相当的液柱高度为： =0.036+0.035=0.071m=639.18（pa）3.2淹塔为防止发生淹塔现象，要求控制降液管中清液高度。即（1）精馏塔：单层气体通过塔板压降所相当的液柱高度：hp1=0.087m液体通过液体降液管的压头损失：板上液层高度：hL=0.07m，则Hd1=0.087+0.0026+0.07=0.16m取=0.5，已选定HT=0.45m，hw1=0.0482m则=0.249m可见，Hd1，所以符合防止淹塔的要求。（2）提馏段：单层压降所相当的液柱高度：hp2=0.071m液体通过液体降液管的压头损失：板上液层高度：hL=0.07m，则Hd2=0.071+0.000029+0.07=0.1410m取=0.5，已选定HT=0.45m，hw=0.05748m则=0.2