甲醇水精馏毕业课程设计.docx
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甲醇水精馏毕业课程设计
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4.3.2前言
在炼油、石油化工、精细化工、食品、医药及环保等部门,塔设备属于使用量大,应用面广的重要单元设备。
塔设备广泛用于蒸馏、吸收、萃取、洗涤、传热等单元操作中。
所以塔设备的研究一直是国内外学者普遍关注的重要课题。
塔设备按其结构形式基本上可分为两类:
板式塔和填料塔。
以前,在工业生产中,当处理量大时多用板式塔,处理量小时采用填料塔。
近年来由于填料塔结构的改进,新型的、高负荷填料的开发,既提高了塔的通过能力和分离效能又保持了压降小以性能稳定等特点。
因此填料塔已被推广到大型汽液操作中。
在某些场合还代替了传统的板式塔。
如今,直径几米甚至几十米的大型填料塔在工业上已非罕见。
随着对填料塔的研究和开发,性能优良的填料塔必将大量用于工业生产中。
板式塔为逐级接触式汽液传质设备,它具有结构简单、安装方便、操作弹性大、持液量小等优点。
同时也有投资费用较高、填料易堵塞等缺点。
本设计目的是分离甲醇-水混合液,处理量不大,故选用填料塔。
塔型的选择因素很多。
主要因素有物料性质、操作条件、塔设备的制造安装和维修等。
1与物性有关的因素
①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。
②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与操作条件有关的因素
①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。
②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。
③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。
④要求塔内持液量、停留时间短、压强小的物系,宜用规整填料。
4.3.3流程确定和说明
1加料方式
加料方式有两种:
高位槽加料和泵直接加料。
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。
但由于多了高位槽,建设费用增加;采用泵加料,受泵的影响,流量不太稳定,流速也忽大忽小,从而影响了传质效率,但结构简单、安装方便;如采自动控制泵来控制泵的流量和流速,其控制原理较复杂,且设备操作费用高。
本次实验采用高位槽进料。
2进料状况
进料状况一般有冷液进料、泡点进料。
对于冷液进料,当组成一定时,流量一定,对分离有利,节省加热费用。
但冷液进料受环境影响较大,对于沈阳地区来说,存在较大温差,且增加塔底蒸汽上升量,增大建设费用。
采用泡点进料,不仅对稳定塔操作较为方便,且不受季节温度影响。
综合考虑,设计采用泡点进料。
泡点进料时,基于恒摩尔流假定精馏段和提馏段塔径基本相等,制造上较为方便。
3塔顶冷凝方式
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。
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,回流冷凝器一般安装在塔顶。
其优点是回流冷凝器无需支撑结构,其缺点是回流冷凝器回流控制较难。
如果需要较高的塔处理量或塔板数较多时,回流冷凝器不适合于塔顶安装。
且塔顶冷凝器不易安装、检修和清理。
在这种情况下,可采用强制回流,塔顶上升蒸汽采用冷凝冷却器以冷回流流入塔中。
由于本次设计为小型塔,故采用重力回流。
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,但理论塔板数增加,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,缺点是增加加热装置。
本次实验采用间接蒸汽加热。
6加热器
采用U型管蒸汽间接加热器,用水蒸汽作加热剂。
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。
生产条件确定和说明(略)
4.3.4精馏塔设计计算
1操作条件与基础数据
(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。
(2)气液平衡关系及平衡数据
表1甲醇-水平衡时的t、x、y数据(摘于化工工艺手册)
平衡温度t
100
92.9
90.3
88.9
85.0
81.6
78.0
液相甲醇x
0
5.31
7.67
9.26
13.15
20.83
28.18
气相甲醇y
0
28.34
40.01
43.53
54.55
62.73
67.75
平衡温度t
73.8
72.7
71.3
70.0
68.0
66.9
64.7
液相甲醇x
46.20
52.92
59.37
68.49
85.62
87.41
100
气相甲醇y
77.56
79.71
81.83
84.92
89.62
91.94
100
根据以上数据绘出x-y平衡图(略)
(3)物料平衡计算
①物料衡算
已知:
摩尔分率:
进料平均相对分子质量
②根据气液平衡表(x-y-t表)利用内插法求塔顶温度tLD,tVD,塔釜温度tW,进料温度tF
a.塔顶温度tLD,tVD
b.塔釜温度tW
c.进料温度tF
③回流比确定
由表1的数据绘制x-y图(略)
由图(图略)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(0,31.8),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1.1~2.0倍,所以取
所以回流比确定为
④相对挥发度
t=92.9℃时,
t=66.9℃时,
2精馏塔工艺计算
(1)物料衡算
①物流示意图(略)
②物料衡算
a.已知:
,年开工300天,
进料摩尔流量:
总物料F=D+W
易挥发组分FxF=DxD+WxW
解得:
D=9.334kmol—小孔数;
H—推动力液柱高度H=60mm;
D—小孔直径取3mm;Q—小孔输液能力。
喷洒球面中心到填料表面距离计算
式中r—喷射圆周半径;α—喷射角。
(2)进料液分布器
由前知
取
取
莲蓬头直径40mm,喷射角约为40°,莲蓬头高度为72mm。
5填料及支承板的选择
本设计采用波纹板网支承板,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,所以选用支撑板。
主要设计参数
塔径mm
板外径mm
板高mm
近似重量N
400
394
25
45
主图尺寸(采用不锈钢)
塔径mm
D1mm
D2mm
重量N
400
397
337
109
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
精馏塔各部分高度列表(mm)
塔釜
鞍式裙支座
塔釜法兰高
填料高度
喷淋高度
1310
300
200
3430
72
喷头高
喷头弯曲半径
喷头上方空隙
塔顶空隙
42
90
72
300
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式除沫器、丝网除沫器以及旋流板除沫器。
本设计塔径小,且气液分离,故采用小型丝网除沫器,装入设备上盖。
4.3.6精馏塔主要设计参数汇总表
塔顶
塔釜
进料
精馏段
提馏段
气相摩尔质量(kmolh)
37.80
37.80
液相摩尔质量(kmolh)
9.334
6.656
15.99
28.47
44.46
气相质量质量(kmolh)
1151.39
895.48
液相质量质量(kmolh)
294.488
119.81
416.67
819.80
997.67
摩尔分率
x
0.965
0.011
0.568
y
质量分率
0.98
0.02
0.70
气相平均相对分子质量
31.55
18.00
29.8
30.68
23.9
液相平均相对分子质量
31.55
18.00
25.98
28.79
21.99
气相平均密度(kg·m-3)
1.135
0.591
1.05
1.093
0.82
液相平均密度(kg·m-3)
739.38
958
789.204
764.29
873.60
温度℃
65.31
98.52
71.68
平均粘度(mPa·s)
0.336
0.256
0.345
0.341
0.30
精馏塔主要设计参数
精馏段填料高
提馏段填料高
填料层高度
裙座
塔釜直径
塔釜法兰高
2500
1070
3570
300
640
200
喷淋高度
喷头高
喷头弯曲半径
喷头上方空隙
塔顶空隙
塔高
72
42
90
200
300
7890
不同设计条件下设计结果比较
F(万吨)
R
q
xD
xF
xW
NT
塔径m
塔高m
R不同
40
1.944
1
96%
25%
3%
8
2.4
16
40
1.750
1
96%
25%
3%
9
2.4
17
40
1.555
1
96%
25%
3%
9
2.4
17
40
1.458
1
96%
25%
3%
9
2.4
19
40
1.361
1
96%
25%
3%
11
2.4
19
xF不同
50
2.4
1
96%
15%
3%
9
2.0
11.04
50
1.7
1
96%
20%
3%
9
2.2
11.14
50
1.6
1
96%
25%
3%
11
2.4
12.69
50
1.3
1
96%
30%
3%
11
2.4
12.69
50
1.1
1
96%
35%
3%
11
2.6
12.69
xD不同
50
1.52
1
95%
25%
3%
8
2.0
11.30
50
1.58
1
96%
25%
3%
8
2.0
11.38
50
1.41
1
96.5%
25%
3%
8
2.0
11.40
50
1.51
1
97%
25%
3%
8
2.0
11.58
50
1.74
98%
25%
3%
9
2.0
12.80
50
1.50
1
99%
25%
3%
10
2.0
12.80
q不同
50
18.05
-1
96%
25%
3%
6
4.3
8.95
50
9.35
0
96%
25%
3%
6
3.2
13.60
50
3.96
0.5
96%
25%
3%
7
2.4
14.55
50
1.6
1
96%
25%
3%
8
2.6
15.00
50
0.7789
2
96%
25%
3%
15
2.7
32.30
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