甲醇-水分离板式精馏塔的设计

甲醇水分离板式精馏塔的设计河西学院HEXIUNIVERSITY化工原理课程设计题目甲醇水板式分离精馏塔设计学院化学化工学院专业化学工程与工艺学号2014210036姓名张小宝指导教师冯敏2016年11月29日河西学院化学化工学院课程设计化工原理课程设计任务书一、设计题目甲醇水分离板式精馏塔设计二、设计任务及操作条件1设计任务生产能力（进料量）5万吨/年操作周期每年300天，每天24小时运行进料组成含甲醇46（质量分率，下同）塔顶产品组成甲醇含量不低于997塔底产品组成甲醇含量不高于052操作条件操作压力常压进料热状态自选塔底加热蒸汽压力03MPA表压单板压降07KPA3设备型式4厂址三、设计内容1设计方案的选择及流程说明2塔的工艺计算3主要设备工艺尺寸设计（1）塔径、塔高及塔板结构尺寸的确定（2）塔板的流体力学校核（3）塔板的负荷性能图（4）总塔高、总压降及接管尺寸的确定4辅助设备选型与计算5设计结果汇总6工艺流程图及精馏工艺条件图7设计评述河西学院化学化工学院课程设计目录1概述111121314精馏原理及其在化工生产上的应用1精馏塔对塔设备的要求1常用板式塔类型及本设计的选型2流程的确定和说明22精馏塔的物料衡算2212223原料液及塔顶和塔底的摩尔分率2原料液及塔顶和塔底产品的平均摩尔质量3物料衡算33塔板数的确定331理论板层数NT的求取331131231331431532相对挥发度的求取3求最小回流比及操作回流比4求精馏塔的气、液相负荷5求操作线方程5采用图解法求理论板层数6实际板层数的求取6321322323液相的平均粘度6精馏段和提馏段的相对挥发度7全塔效率ET和实际塔板数74精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算741424344操作压力的计算7操作温度计算8平均摩尔质量计算8平均密度计算9441442气相平均密度计算9液相平均密度计算9I河西学院化学化工学院课程设计4546液体平均表面张力的计算10液体平均粘度115精馏塔的塔体工艺尺寸计算115152塔径的计算11精馏塔有效高度的计算136塔板主要工艺尺寸的计算1361溢流装置计算1361161261361462堰长LW13溢流堰高度HW13弓形降液管宽度WD和截面积AF14降液管底隙高度H015塔板布置15621622623624塔板的分块15边缘区宽度确定15开孔区面积计算15筛孔计算及排列167塔板的流体力学验算1671塔板压降1671171271372737475干板阻力HC计算16气体通过液层的阻力H1计算16液体表面张力的阻力H计算17液面落差17液沫夹带17漏液18液泛188塔板负荷性能图1981漏液线20II河西学院化学化工学院课程设计82838485液沫夹带线21液相负荷下限线21液相负荷上限线21液泛线219筛板塔设计计算结果2410精馏塔接管尺寸计算25101102103104塔顶蒸汽出口管的直径DV25回流管的直径DR26进料管的直径DF26塔底出料管的直径DW2611辅助设备的计算及类型26111原料储存罐26112再沸器的选择27113冷凝器的选择27114除沫器28115裙座2812对设计过程的评述和有关问题的讨论2813设计图纸2814参考文献29III河西学院化学化工学院课程设计甲醇水精馏分离板式塔设计张小宝摘要设计选用板式精馏塔作为分离设备采用连续精馏的方法分离甲醇水混合液。一个完整的板式塔主要是由圆柱形塔体、塔板、降液管、溢流堰、受液盘及气体和液体进、出口管等部件组成，这就需要对各个部件做出选择并给出合理的工艺尺寸。因此我们对精馏塔首先进行物料衡算，根据查得的甲醇水物系平衡数据用作图法求得理论塔板数并由全塔效率确定实际塔板数，然后确定操作压力，操作温度，平均分子量，平均密度等基本物性参数。对塔高、塔径、塔板、溢流装置等各个部件进行计算与核算校验（如负荷性能图）并确定操作弹性，最后计算接管等一些附件的尺寸。关键词精馏塔，甲醇，水。1概述11精馏原理及其在化工生产上的应用实际生产中，在精馏柱及精馏塔中精馏时，上述部分汽化和部分冷凝是同时进行的。对理想液态混合物精馏时，最后得到的馏液气相冷却而成是沸点低的B物质，而残液是沸点高的A物质，精馏是多次简单蒸馏的组合。精馏塔底部是加热区，温度最高；塔顶温度最低。精馏结果，塔顶冷凝收集的是纯低沸点组分，纯高沸点组分则留在塔底。12精馏塔对塔设备的要求精馏设备所用的设备及其相互联系，总称为精馏装置，其核心为精馏塔。常用的精馏塔有板式塔和填料塔两类，通称塔设备，和其他传质过程一样，精馏塔对塔设备的要求大致如下生产能力大即单位塔截面大的气液相流率，不会产生液泛等不正常流动。效率高气液两相在塔内保持充分的密切接触，具有较高的塔板效率或传质效率。流体阻力小流体通过塔设备时阻力降小，可以节省动力费用，在减压操作是时，易于达到所要求的真空度。有一定的操作弹性当气液相流率有一定波动时，两相均能维持正常的流动，而且不会使效率发生较大的变化。结构简单，造价低，安装检修方便。1河西学院化学化工学院课程设计能满足某些工艺的特性腐蚀性，热敏性，起泡性等。13常用板式塔类型及本设计的选型常用板式塔类型有很多，如筛板塔、泡罩塔、舌型塔、浮阀塔等。而浮阀塔具有很多优点，且加工方便，故有关浮阀塔板的研究开发远较其他形式的塔板广泛，是目前新型塔板研发的主要方向。近年来与浮阀塔一直成为化工生中主要的传质设备，浮阀塔多用不锈钢板或合金。实际操作表明，浮阀在一定程度的漏夜状态下，使其操作板效率明显下降，其操作的负荷范围较泡罩塔窄，但设计良好的塔其操作弹性仍可达到满意的程度。甲醇与水的分离是正常物系的分离，精馏的意义重大，在化工生产中应用非常广泛，对于提纯物质有非常重要的意义。所以有必要做好本次设计。14流程的确定和说明本设计任务为分离甲醇水溶液的混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。甲醇和水的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入甲醇的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成甲醇和水的分离。2精馏塔的物料衡算21原料液及塔顶和塔底的摩尔分率甲醇的摩尔质量MA3204KGKMOL水的摩尔质量MB1802KGKMOL046/32040324046/3204054/18020997/3204XD09950997/32040003/1802XF2河西学院化学化工学院课程设计XW0005/320400020005/32040995/180222原料液及塔顶和塔底产品的平均摩尔质量MF032432041032418022256KMOLMD099532041099518023193KGKMOLMF000332041000318021804KGKMOL23物料衡算5107原料处理量F307K8M2HL3002422562DW总物料衡算3078总物料衡算3078203240995D0003W联立解得D992KMHLW208KMHL3塔板数的确定31理论板层数NT的求取311相对挥发度的求取由表1不同温度下水甲醇的气液平衡数据1XAYA，再根据表11数据可得到不同温度下的挥发度，见表2XA1YAC100964935912893877X100020040060080103Y1001340234030403650418河西学院化学化工学院课程设计8448177807537317126936766606506450150200300400500600700800900951000517057906650729077908250870091509580979100表2相对挥发度温度964932912893877844817挥发度7582733268436610646460665501温度7875373171269367666挥发度4632403535253143286826912534所以M1215445312求最小回流比及操作回流比泡点进料XQXF0324YQMXF445032406811M1XF144510324故最小回流比为4河西学院化学化工学院课程设计RXDYQ450324MINYQX4Q1445103240879取操作回流比为R15RMIN206531319313求精馏塔的气、液相负荷LRD13199982131663HVR1D23199982231483KMOL/HLLV13166330782439483HVV231483H314求操作线方程精馏段操作线方程为YRR1XXD13190995N1NR12391XN2319056XN043提馏段操作线方程YLW43938208M1L，WXML，WXW43938208XM4393820800021899XM00025A）B）（河西学院化学化工学院课程设计315采用图解法求理论板层数图1图解法求理论板精馏塔的理论塔板数为NT18（包括再沸器）进料板位置NF1332321实际板层数的求取液相的平均粘度进料黏度根据表1，用内插法求得TF7735C查手册2得A0290MPASB0372MPASLGLF030L4G0290069L6G0372求得LF0342MPAS塔顶物料黏度用内插法求得TD6405C，查手册2得A034MPASB0433MPASLGLD0914LG0340086LG0433求得LD036MPAS6河西学院化学化工学院课程设计塔釜物料黏度用内插法求得TW994C，查手册得A02MPASB0285MPASLGLW0017LG020983LG0285求得LW03155MPAS精馏段液相平均黏度精LDLF03420360353MPAS22LWLF0342028503155MPAS22提馏段液相平均黏度提322精馏段和提馏段的相对挥发度根据表2，用内插法求得F439D2432W786则精馏段的平均挥发度精DF43924323267提馏段的平均挥发度提WF786439587323全塔效率ET和实际塔板数全塔效率可用奥尔康公式ET049L0245计算所以精馏段ET0493267035302450473提馏段ET04958703155024504226N12精馏段实际板层数N精274828块ET0473提馏段实际板层数N提N510811块ET042264精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算41操作压力的计算塔顶操作压力PD89KPA每层塔板压降P07KPA进料板压力PF890727107K9PA7河西学院化学化工学院课程设计塔釜操作压力PF10790712116K3PA精馏段平均压力PM891079/2984K5PA精馏段平均压力PM11631079/2112K1PA42操作温度计算依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中甲醇、水的饱和蒸气压由安托尼方程计算。计算结果如下塔顶温度TD6505C进料板温度TF769C2精馏段平均温度TM65057692/27098C5提馏段平均温度TCM76929964/2888243平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算由XDY10995，X10972MVDM099532041099518023193KMOLMLDM0972320410972180231608KMOL进料板平均摩尔质量计算YFY30681XFX30304MVFM0681320410681180227534KGKMOLMLFM0324320410324180222536KGKMOL塔底平均摩尔质量计算由XWY20002X2000045MVDM000232100021818208KGKMOL精馏段平均摩尔质量MVM319327534/22973KGKMOL8河西学院化学化工学院课程设计MLM3160822536/2270KGKMOL提馏段平均摩尔质量MVM2753418208/222871KGKMOLMLM2253618001/220269KGKMOL44平均密度计算441气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即VMPMMVM984529731023KGM3RTM83147098527315PMMVM112122871VM0853KGM3RTM8314882827315442液相平均密度计算液相平均密度依下式计算，即1VMAI/I塔顶液相平均密度的计算由TD6505C，查手册2得A750KGM3B9805M3LDM175088KGM30995/7500005/9805进料板液相平均密度的计算由TF7692C，查手册得A73462M3B97365KGM3进料板液相的质量分率03043204045803043204069618021LFM84737KGM30458/734620542/97365AA塔底液相平均密度的计算9河西学院化学化工学院课程设计由TW9964C,查手册得65M354KGM3B958A710LVM195798KGM30002/710350998/95865精馏段液相平均密度为LM7508884737L/279912KGKMO提馏段液相平均密度为3795798/290268KGM3LM84745液体平均表面张力的计算液相平均表面张力依下式计算，即LMXII塔顶液相平均表面张力的计算由TD6505C，查手册2得A186MB6524MLDM0995186000565241883M进料板液相平均表面张力为由TF7692C，查手册2得A175MB6312MLFM0324175067663124834M塔底液相平均表面张力为由TW9964C,查手册2得A1514MB5887MLVM151400020998588758781M精馏段液相平均表面张力为LM18834834/23358M10河西学院化学化工学院课程设计提馏段液相平均表面张力为5356MLM48345887146液体平均粘度计算见321精馏段液相平均黏度LM0353MPAS提馏段液相平均粘度MPASLM03165精馏塔的塔体工艺尺寸计算51塔径的计算精馏段的气、液相体积流率为VMVM2314832973VS1161M33600VM36001151LSLMLM131663270700012M33600LM360079912同理可得1545M3LS000081M3VS由UMAXLVL02CC由式CC20计算，其中C20由史密斯关联图查取V20图2史密斯关联图11河西学院化学化工学院课程设计图的横坐标为LHLVHV1/2000123600799121661360011511/20019取板间距HT04M，板上液层高度HL006M，则HTHL04006034M查史密斯关联图2得C2000683358C006820UMAX002006779912115117641151取安全系数为06，则空塔气速为U06UMAX061764119S4VS40864D1333MU314119按标准塔径圆整后为D04M塔截面积为2ATD1421539M244实际空塔气速为U08641101MS0785同理可得，提馏段中取安全系数为06，则空塔气速为UMAX2308U06UMA1358MSX062308D4VS415451192SU314138512M按标准塔径圆整后为D塔截面积为12河西学院化学化工学院课程设计2ATD12211304M244实际空塔气速为U154513671130452精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为Z精（N精1）HT27104104M提馏段有效高度为Z提（N提1）HT1210444M在进料板上方开一个人孔，其高度为08M故精馏塔的有效高度为ZZ精Z提0810444083172M6塔板主要工艺尺寸的计算61溢流装置计算因塔径D14M，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下611堰长LW取LW06D0614084M同理可得提馏段LW06D0612072M612溢流堰高度HW由HWHLHOW选用平直堰，堰上液层高度HOW由式HOW近似取E1，则284LH2E31000LWHOW284000123600110000842/300085M取板上清液层高度HL006MM13河西学院化学化工学院课程设计故HW006000850052M同理可得提馏段0052M7HW613弓形降液管宽度WD和截面积AF由LW060D查弓形降液管的参数图3。图3弓形降液管的宽度和横截面积WDAF012得0054DAT故AF0054AT005415390083M2WD012D012140168M3600AFHT依式验算液体在降液管中停留时间，即LH3600AFHT36000083040277S5S000123600LH同理可得提馏段14河西学院化学化工学院课程设计3600008304404S5S0000813600故降液管设计合理。614降液管底隙高度H0H0LH3600LW0取0007M/S则H0000123600002M3600084007HWH000520020032M0006M同理可得提馏段HWHO00364006M故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度HW50MM。62塔板布置621塔板的分块因D800MM，故塔板采用分块板,查塔板分块表得，塔板分为3块。622边缘区宽度确定取WSWS005M,WC003M5623开孔区面积计算R2SIN开孔区面积AA按式AA2XRX180221X计算RD14WDWS01680050482M22D14WC00350665MR22104822IN故AA202210007S0665其中X同理可得提馏段AA079M2215河西学院化学化工学院课程设计624筛孔计算及排列本设计所处理的物系无腐蚀性，可选用3MM碳钢板，取利孔直径D05MM筛孔按正三角形排列，取孔中心距T为T3D03515MM筛孔数目N为N1155A01155058T2001522977个开孔率为0907（D0T20907000500152101气体通过阀孔的气速为UVS16610A1010582835S00同理可得提馏段U01931M7塔板的流体力学验算71塔板压降711干板阻力HC计算干板阻力HC由式HC00510C2V计算0L由D0/5/3167，查干筛孔得流量系数图3得，故H283521151C00510772799120045M液柱同理可得提馏段HC00376液柱712气体通过液层的阻力H1计算气体通过液层的阻力H1由式H1HL计算U661AVSA1TAF153900831141M16C00772河西学院化学化工学院课程设计F01224KG2SM查充气系数关联图，得064M。H1HWHOW06400085005200338M液柱同理可得提馏段HM4液柱10038713液体表面张力的阻力H计算液体表面张力的阻力H可按式H4L计算，即LGD04L43358103H00034M液柱LGD0799129810005气体通过没层塔板的液柱高度可按下式计算，即HPHCH1H0045003380003400822M液柱气体通过每层塔板的压降为PPHPLG008227991298164439KPA07KP（设计允许值）A同理可得提馏段气体通过每层塔板的压降为69515KPA07KPAPD72液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。73液沫夹带液沫夹带量由下式计算，即A57106EV32HTHFHF25HL25006015M57106114132（00012KG液KG气01KG液KG气故EV335810304015同理可得提馏段17河西学院化学化工学院课程设计EV00312KG液/KG气01KG液/KG气故在本设计中液沫夹带量EV在允许范围内。74漏液对筛板塔，漏液点气速U0，MIN可由下式计算，即U0,MIN44C000056013HLHL/V（LV）4407720005601200600034）895实际孔速U02835M/SU0,MIN稳定系数为KU0U0,MIN283531615895同理可得提馏段U0，MIN97S1931M/SU实际孔速U00,MIN故在本设计中无明显液漏。75液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高度HD应服从下式的关系，即HDHTHW甲醇水物系属一般物系，取05，则HTHW0504005350227M而板上不设进口堰，HD可由下式计算，即HD0153U02015300720002M6液柱HD013630060002601989M液柱HDHTHW18河西学院化学化工学院课程设计同理可得提馏段（HTHW）05040052702264MH007200026M液柱D0153HM液柱D008080060002601434HDHTHW故在本设计中不会发生液泛现象。8塔板负荷性能图81漏液线HLHL/V由0，MINC0000560,MINVS,MINA0HLHWHOWHOW284LH23E1000LW4LHLW23HL/V得VS,MINC0A000056013HW00028E4407720101058000560130052整理得VS,MIN01996761LS23439同理可得提馏段23027023L59VS,MINS3600LS2/328410003579912/11511000084在操作数据内，任取几个LS值，依上式计算出VS值，计算结果见表3表3LS,M33VS,M3VS,M19河西学院化学化工学院课程设计00002000060003000528312763248223123224313327912581由上表数据即可做出漏液线82液沫夹带线以EV01KG液/KG气为限，求VSLS关系如下A57106由EV32LHTHFUAVSVS0687VSATAF15390083HF25HL25HWHOWHW0052HOW0002841（3600LS230794LS084故HF2500520749LS2/3187LS2/3013HTHF04013187LS2/3027187LS2/3068VS5710632EV301335810027187LS整理得VS292019LS2/3同理可得提馏段VS3312494LS23在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果见表4表4LS,M33VS,M3VS,M20河西学院化学化工学院课程设计00002000060003000504280441048105020675069507650805由上表数据即可做出漏线83液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度HOW0005M作为最小液体负荷标准。由式得HOW00284E取E1，则LS,MIN3600LS20005LW0005100015084000045M32843600同理可得提馏段LM3S,MIN000047据此可做出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线84液相负荷上限线AFHT4得LS以4S作为液体在降液管中停留时间的下限，由LS,MAXAFHT00830400083M344同理可得提馏段LS,MAX00083M3据此可做出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线85液泛线令HDHTHW由HDHPHLHDHPHCH1HH1HLHLHWHOW联立得HT1HW1HOWHCHDH忽略H，将HOW与LS，HD与LS，HC与VS的关系式代入上式，并整理得21河西学院化学化工学院课程设计VS2BCLS2DLS30051V式中A0C02LBHT1HWC015LWH02D284103E1将有关的数据代入，得A005111510035601010580775279912360LW0141B050400506310052C01535420908400223600212208400028411063D2/3故00375VS2014154209L2S122LS同理可得提馏段4S0014VS01411084LS135L2223在操作范围内，任取几个LS值，依上式计算出VS值，计算结果列于表5表5LS,M30000200006000300053VS,M3VS,M36483523311324473111305128412641由上表数据即可做出液泛线根据以上各线方程，可做出筛板塔的负荷性能图，如图所示22河西学院化学化工学院课程设计43（1）漏液线线点VS21LS图4精馏段负荷性能图VS,M3/SLS,M3/S图5提馏段负荷性能图在负荷性能图上，做出操作点P，连接OP，即做出操作线，由图可看出，该筛板的23河西学院化学化工学院课程设计操作上限为液泛控制，下限为液漏控制，由上可得VS,MAX262VS,M故精馏段的操作弹性为IN073VS,MAXVS,MIN2623589073同理可得提馏段操作弹性为VS,MAX27713355VS078,MIN9筛板塔设计计算结果表6所设计筛板塔的主要结果汇总项目塔径塔板距塔板类型空塔气速堰长堰高板上液层高度降液管低隙高度开孔面积每层开孔效率边缘区宽度符号D单位MMM/SMMMMM2计算数据精馏段1404提馏段1204备注分块式塔板HT单溢流弓形降液管、凹形受液盘11908400520060020581010035101138507200530060016LWHWH0AAMWC24河西学院化学化工学院课程设计安定区宽度筛板数WSNM00529773351等腰三角形叉排同一横排孔心距相邻横排中心距孔心距TM00150015排间距单板压降液体在降液管内停留时间降液管内清液层高度塔的有效高度泛点率TMPA0080653272770080689264041PPSM液柱MM3/SHDZ019891724843014345407V气相负荷上限SMAX0008300083雾沫控制M3/SV气相负荷下限操作弹性SMIN00004535890000472007漏液线控制10精馏塔接管尺寸计算101塔顶蒸汽出口管的直径DV操作压力为常压时，蒸汽导管中常用流速为1220M/S，蒸汽管的直径为DV4VSUV，其中DV塔顶蒸汽导管内径MVS塔顶蒸汽量M3/S，取UV12，则25河西学院化学化工学院课程设计DV41661042M31412查表取5735MM102回流管的直径DR塔顶冷凝器械安装在塔顶平台时，回流液靠重力自流入塔内，流速UR可取0205M/S。取UR03M/S，则DR4LSUR40001200531403查表取5735MM103进料管的直径DF采用高位槽送料入塔，料液速度可取UF0408M/S，取料液速度UF05M/S，则5107VS00023M336003002484737DF4VSUF400023006M31405查表取764MM104塔底出料管的直径DW一般可取塔底出料管的料液流速UW为0515M/S，循环式再沸器取1015M/S，取塔底出料管的料液流速UW为05M/SDW4LW400010050MUF31405查表取5735MM11辅助设备的计算及类型111原料储存罐设计原料的储存利用时间为三天26河西学院化学化工学院课程设计QM,H694442KG/H24349999818KGHV499991884737590M2设其安全系数为08，则有V实际5900837357M3112再沸器的选择TW98C甲醇的汽化热TR1（74727315）51210659TR2（996427315）52110728RAHR2H（R11TR203810728038）1101（）1010362KJ/KG1TR110659水的汽化热TR2（64527315）647305216TR1（10027315）627305765RBHR2HR1（1TR2038105216038）22258（）2267892KG1TR1105765RMXARAXBRB00021010362099822678922265377KGQVRM066433226537726097TM16099646036取K450W/M2CQ260971032QKST得S9608MKT4506036113冷凝器的选择1热负荷QC塔顶TD645C