基于AspenPlus的甲醇與水篩板板精餾塔設(shè)計(jì)書(shū)

1 基于 甲醇與水篩板板精餾塔設(shè)計(jì)書(shū) 第一章 流程確定和說(shuō)明 板類型 1）精餾塔的塔板類型有三種：泡罩塔板，篩孔塔板，浮閥塔板。 篩板塔板具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)； 2）本設(shè)計(jì)采用篩板精餾塔； 3）加料方式 本精餾塔加料選擇泵接加料，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，而且可以引入自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)流量及流速。 料狀況 本精餾塔選擇泡點(diǎn)進(jìn)料，常溫原料經(jīng)換熱后進(jìn)料。 頂冷凝方式 甲醇與水不反應(yīng)，且容易冷凝，故本精餾塔塔頂選擇全凝器，可用水冷凝。 釜加熱方式 塔釜使用 200的飽和蒸汽間接加熱。 流比 該物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比取最小回流比的 2 倍，本設(shè)計(jì)規(guī)定回流比取最小回流比的 流方式 本設(shè)計(jì)處理量大，所需塔板數(shù)多，塔較高，回流冷凝器不適宜塔頂安裝，故采用強(qiáng)制回流。 作壓力 甲醇 此在常壓下也比較容易分離，故本設(shè)計(jì)采用常壓精餾。 2 藝流程確定 如圖 1是甲醇 圖 水分離工藝流程 3 第二章 塔板工藝設(shè)計(jì) 餾塔全塔物料衡算 表 處理量（萬(wàn)噸 /年） 量分?jǐn)?shù)， %) 量分?jǐn)?shù)， %) 量分?jǐn)?shù)， %) R/5 原料液級(jí)塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率 已知：甲醇的摩爾質(zhì)量 K m o /， 水的摩爾質(zhì)量 K m /。 原料液組成 爾分?jǐn)?shù)，下同 ) 塔頂組成 塔底組成 0 0 1 6 x 底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 k g / k m o ）（ k g / k m o 3 3 ）（ k g / k m o 1 1 ）（ 塔物料衡算 一年以 300天，一天以 24小時(shí)計(jì)，計(jì)算可得 進(jìn)料 流率： k m o l / 4 年萬(wàn)噸 4 全塔物料衡算式： 聯(lián)立代入求解： D=h， W=h 頂回收率 甲醇回收率： 水回收率： ( )1(D x 用 擬進(jìn)行塔 工藝計(jì)算過(guò)程 壓下甲醇 利用 水體系的 圖 2。依據(jù)進(jìn)料摩爾分?jǐn)?shù)，求得體系的泡點(diǎn)進(jìn)料溫度為 圖 水氣液平衡組成與溫度關(guān)系圖 醇 是從反應(yīng)混合物中從塔頂分離甲醇。首先用簡(jiǎn)捷計(jì)算方法求出完成指定分離任務(wù)需要的最小回流比、最小理論塔板數(shù)和進(jìn)料位置，為嚴(yán)格計(jì)算提供初值。 5 圖 3. 甲醇 捷塔模塊 點(diǎn)擊 條上的“ 選擇“ 塊，拖放到工藝流程圖窗口，用物流線與反應(yīng)器連接，并用物流線連接精餾塔的兩出口。為便于閱讀，對(duì)精餾塔的兩出口物流更改名稱。 點(diǎn)擊“ 鈕，進(jìn)行化學(xué)組分的定義。點(diǎn)擊“ 在彈出的對(duì)話框的“ 中填入組分名稱“ 后點(diǎn)擊“ 后點(diǎn)擊“ 以此類推，定義甲醇、水組分。 點(diǎn)擊“ 鈕，選擇熱力學(xué)方法。在 的“ 拉框中選上“ 點(diǎn)擊“ 鈕，點(diǎn)擊“ 進(jìn)行流股信息的設(shè)置，把題目給定的進(jìn)料物流信息填 6 入對(duì)應(yīng)欄目中。 點(diǎn)擊“ 鈕，出現(xiàn)精餾塔的簡(jiǎn)捷計(jì)算設(shè)置窗口。填入 R/頂、底壓力分別是 11030醇和水為輕、重關(guān)鍵組分， 至此“ 塊設(shè)置結(jié)束，點(diǎn)擊“ 鈕，運(yùn)行計(jì)算程序，顯示計(jì)算收斂。在“ 子目錄窗口的“ 面，可看到完成指定分離任務(wù)，精餾塔簡(jiǎn)捷計(jì)算的結(jié)果?？梢?jiàn)最小回流比 小理論塔板數(shù) 流比 的實(shí)際塔板數(shù) 14，對(duì)應(yīng)的進(jìn)料位置 9；精餾塔的頂、底溫度分別為 7 在“ 子目錄窗口的“ 面，可看到精餾塔進(jìn)、出口物流各組分的流率、組成和多種物性。塔頂流率 h，底流率為 h，甲醇摩爾分?jǐn)?shù)達(dá) 足分離要求。 醇 由以上簡(jiǎn)捷計(jì)算，取回流比 D/據(jù)奧康奈公式： 4 5 ）（）（ ，初步估計(jì)板效率為 45%，得到精餾段板數(shù)： 8/餾段板數(shù)： 5/板數(shù)： 18+12+1=31；第 19塊塔板為進(jìn)料板。 點(diǎn)擊 選擇“ 塊，拖放到工藝流程圖窗口，用物流線連接精餾塔的進(jìn)、出口。為便于閱讀，對(duì)精餾塔的進(jìn)、出口物流更改名稱。 8 圖 4 嚴(yán)格塔模型 雙擊“ 塊，出現(xiàn)精餾塔嚴(yán)格計(jì)算的子目錄設(shè)置窗口。在 “ 面，把簡(jiǎn)捷計(jì)算結(jié)果填入相應(yīng)的空格內(nèi)，如下圖所示。 在“ 面，填入進(jìn)料位置為 19 9 在“ 面，填入塔頂壓力和板壓降 點(diǎn)擊 的 的 擇默弗里效率（單板效率） 點(diǎn)擊 置板效率 至此，精餾塔嚴(yán)格計(jì)算需要的信息已經(jīng)全部設(shè)置完畢。點(diǎn)擊“ 鈕，軟件詢問(wèn)是否運(yùn)行計(jì)算，點(diǎn)擊“確定”。在“ 以查看物料計(jì)算結(jié)果，塔頂甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到 塔底甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)為 達(dá)到題目的設(shè)計(jì)要求。 10 在“ 子目錄窗口的“ 面，可看到精餾塔內(nèi)各板上的溫度分 布和兩相流率分布。觀察濃度變化，發(fā)現(xiàn)第 19 塊塔板組成與進(jìn)料組成接近，無(wú)需修改進(jìn)料位置。 11 在“ 子目錄窗口的“ 面，可看到精餾塔嚴(yán)格計(jì)算部分結(jié)果。在“ 中選擇 “ op 可看到塔頂?shù)挠?jì)算結(jié)果，塔頂溫度為 冷凝器負(fù)荷為 在“ 中選擇“ 可看到塔底的計(jì)算結(jié)果。塔釜再沸器的溫度為 C，再沸器熱 負(fù)荷為 在“ 子目錄窗口的“ 面，可看到精餾塔內(nèi)各板上的溫度分布和兩相流率分布。 kW hr 2 0 1 12 12 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 以查看液相組成圖： 13 查看運(yùn)算結(jié)果，見(jiàn)表 2，塔頂甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 塔底水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 塔頂溫度為 塔釜溫度為 滿足題目分離要求。 表 塔頂（甲醇）數(shù)據(jù) 進(jìn)料數(shù)據(jù) 塔釜（水）數(shù)據(jù) 0 0 kg/l/ 2O 擇 看 力學(xué) )數(shù)據(jù)。 利用 表 平均值 精餾段 提餾段 進(jìn)料 參數(shù) 單位 液相 氣相 液相 氣相 液相 溫 度 量流量 kg/h 積流量 m3/s 子 量 度 kg/ 度 面張力 mN/m 14 第三章 塔板塔體工藝尺寸計(jì)算 徑計(jì)算 精餾段的氣、液相體積流率為 / /0 0 1 2 7 6 提餾段氣、液相體積流率為 / /0 0 2 3 2 9 取板間距： 僅能對(duì)精餾塔的物料衡算進(jìn)行模擬計(jì)算，利用“ 能還能對(duì)模型進(jìn)行塔盤(pán)以及塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 1） 塔盤(pán)參數(shù)的設(shè)計(jì) 該塔從塔頂分出甲醇餾分，因甲醇的 餾分流量小，氣相負(fù)荷小，塔徑小，采用單流型篩板。 在“ 目錄，再點(diǎn)擊“ 鈕，創(chuàng)建一個(gè)塔板模擬對(duì)象，點(diǎn)擊“ 在“ 面，根據(jù)精餾塔的實(shí)際塔板數(shù)，扣去冷凝器和再沸器兩塊板，從第 2 板到第 30 板計(jì)算塔板性質(zhì)。選擇 板塔）。在下圖中，設(shè)置塔板間距 15 然后點(diǎn)擊運(yùn)行，觀察計(jì)算結(jié)果。在“ 目錄的“ 面?？梢圆榭此P(pán)直徑為 ，堰長(zhǎng)為 ， 。 在“ 面，列出了各塔板降液管上的截面積數(shù)據(jù)： 表 0 1 2 3 4 16 15 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 上圓整塔徑，取塔徑為 截面積為 2T 精餾段實(shí)際空塔氣速 1 2 m / 9 51 提餾段實(shí)際空塔氣速 m / 9 51 餾塔有效高度計(jì)算 35 塊塔板，需要三個(gè)人孔，每個(gè)人孔高度為 精餾塔有效高度為： ）（）（ 板主要工藝尺寸的計(jì)算 因塔徑 D=選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤(pán)。各計(jì)算如下。 17 （ 1） 堰長(zhǎng) 計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)塔盤(pán)直徑為 ，堰長(zhǎng)為 7 9 l 。 （ 2）溢流堰高度 口堰高：本設(shè)計(jì)采用平直堰，堰上液高度 下式計(jì)算 3/似取 E=1） k g / 5 0 0 0. 00973 7854. 975210002. 842 / 3h 0 . 0 5 0 2 7 0 0 9 7 30 . 0 6 k g / 0. 01206 7856. 865210002. 842 / 3h 0 . 0 4 7 9 4 0 1 2 0 60 . 0 6 (3)弓形降液管的寬度和橫截面 已知： l，查圖 5： 18 得到： ， ，則： 2F 驗(yàn)算降液管內(nèi)停留時(shí)間： 精餾段： 提餾段： 停留時(shí)間 5s， 故降液管可使用。 (4)降液管底隙高度 取 降液管底隙流速 s，則 1 h 8 1 0 2 故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。 選用凹形受液盤(pán)，深度 0mm 取降液管底隙流速 u0=s，則 9 h 8 1 9 7 9 故降液管底隙 高度設(shè)計(jì)合理。 選用凹形受液盤(pán)，深度 hW=50 塔板布置 （ 1）塔板的分塊 本設(shè)計(jì)塔徑 D=用分塊式塔板，以便通過(guò)人孔裝拆塔板。根據(jù)查表 5，塔板分3 塊。 表 塔徑 /板分塊數(shù) 8001200 3 14001600 4 18002000 5 22002400 6 19 （ 2）邊緣度寬度確定 如圖是塔板的結(jié)構(gòu)示意圖： 圖 取邊緣區(qū)寬度 沫區(qū)寬度 （ 3） 開(kāi)孔區(qū)面積計(jì)算 開(kāi)孔區(qū)面積 下式計(jì)算： )a r cs 0(2A 222a (D x 其中 r 2222a 1 r c s i 05 1 A （ 4）篩孔計(jì)算及其排列 選用 =2篩孔直徑為 孔按正三角形排列，取孔中心距 15m 篩孔數(shù)目 2 t A a 20 開(kāi)孔率為 %20 t 精餾段氣體通過(guò)篩孔的氣速 2 2 m / 6 1 40 11 8 2提餾段氣體通過(guò)篩孔的氣速 2 0 m / 6 1 40 11 8 9 21 第四章 篩板流體力學(xué)驗(yàn)算 板校核 核算“塔徑 1m” 時(shí)的壓降。點(diǎn)擊“ 目錄，再點(diǎn)擊“ 鈕，創(chuàng)建一個(gè)塔板模擬對(duì)象，點(diǎn)擊“ 在“ 面，填入“塔徑 數(shù)據(jù)。然后點(diǎn)擊運(yùn)行，觀察計(jì)算結(jié)果。 在“ 目錄的“ 面，可見(jiàn)塔徑 1.1 m 時(shí)的最大液泛因子 于 全塔壓降 合題目要求；最大降液管液位 /板間距為 間） 3。塔板校核通過(guò)。 22 在 “ 頁(yè)面，可看到各板上液泛因子、降液管流速、降液管持液量、壓降等數(shù)據(jù)。 表 m/ 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 23 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 板壓降 干板阻力計(jì)算式： 0 5 1 由 =5/2=干篩孔的流量系數(shù)圖 圖 得到 051 2 24 051 2 體通過(guò)液層的阻力 計(jì)算： hL 1 . 6 4 8 m / 0 9 50 . 9 51 . 4 0 8 9)m/( 8 5 6 k 2 6 81 . 6 4 8 / 21 / 2 查圖 8 圖 得 = 液柱 3 LL 1 . 5 2 2 m / 0 9 50 . 9 51 . 3 0 1 4)m/( 4 6 4 k 9 2 51 . 5 2 2 / 21 / 2 查圖 7，得 = 液柱 6 LL 液體表面張力所產(chǎn)生的阻力 25 0 氣體通過(guò)每層塔板的也柱高度 液柱 3 1 氣體通過(guò)每層塔板的液柱高度 下式計(jì)算 0 . 8 8 k P 6 P 71 1 （設(shè)計(jì)允許值） 液體表面張力所產(chǎn)生的阻力 0 氣體通過(guò)每層塔板的也柱高度 液柱 5 4 9 6 4 2 氣體通過(guò)每層塔板的液柱高度 下式計(jì)算 0 . 8 8 k P 90 8 5 （設(shè)計(jì)允許值） 面落差 對(duì)于篩板塔，液面落差很小，且本塔的塔徑和液流量不大，故可以忽略液面落差的影響。 沫夾帶 液沫夾帶量計(jì)算： Lf h 汽/ 1 汽/ 1 故本設(shè)計(jì)液沫夾帶量 液 對(duì)篩板塔，漏液點(diǎn)氣速 u0, /)m i n,0 26 m /m i n,0 實(shí)際孔速 su0,穩(wěn)定系數(shù) i n,00 m /m i n,0 實(shí)際孔速 u0=su0,穩(wěn)定系數(shù) 0 泛 為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高 )(H d WT 其中液0 0 1 5 20 甲醇 =0.5 5 0 2 .0)T W m 液液1 5 2 3 d 4 7 9 .0)T W 液柱 3 6 5 d )(H d WT ，故本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛。 27 第五章 塔板負(fù)荷性能圖 液線 由 /)m i n,0 0m m ， ， 3/ / 0 5 0 0 L 化簡(jiǎn)得到： 3/2m i n,s / 0 5 0 0 L 化簡(jiǎn)得到： 3/2m i n,s 沫夾帶線 以 /為限，求 系 由 0 9 50 . 9 5u )5 (5 ， W 28 3/23/2 2 / 3 3H 汽/ 1 k 3 /3 . 1 7 0 0 9 50 . 9 5u )5 (5h ， W 3/23/2 2 / 3 37 8 3 7 9 H 汽/ 1 k 3 /3 相負(fù)荷下限 對(duì)于平直堰，取堰上液層高度 為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。 E=1 /2/3m i n,s 相負(fù)荷上限 以 =4， 0 1 0 6 m i n,s A 29 泛線 計(jì)算： )1()1(忽略h，將各個(gè)關(guān)系式代入，整理得： 3/222 其中： 200 )( 1( 20/153.0 3/23 3 6 0 0)1( ， ， ， 3/222 7 4 9 4 11 7 5 6.4 ， ， ， 3/222 3 1 7 0 45 7 7 3.6 根據(jù)以上計(jì)算，用幾何畫(huà)板軟件，分別畫(huà)精餾段和提餾段的篩板塔負(fù)荷性能圖。結(jié)果如圖 9 和圖 10。由圖看出，該篩板的操作上限液沫夾帶線控制，下限由液相負(fù)荷下限控制。 查圖可得： /m ax,s ， /m in,s ，故操作彈性為： m a m a 30 圖 圖 31 第六章 塔換熱器設(shè)計(jì) 料預(yù)熱器設(shè)計(jì) 根據(jù) 工藝計(jì)算結(jié)果，對(duì)精餾塔的進(jìn)料前換熱器進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算，為一步嚴(yán)格計(jì)算提供數(shù)據(jù)。 在 作界面選擇 塊，物流交換如下圖所示： 圖 11 原料進(jìn)料換熱器設(shè)計(jì)模塊 1） 進(jìn)行預(yù)熱器的簡(jiǎn)捷計(jì)算。 首先添加換熱介質(zhì) 水到計(jì)算系統(tǒng)中。 添加進(jìn)口物流性質(zhì)。加入塔頂進(jìn)入冷凝器蒸汽性質(zhì)。由“ 填寫(xiě)如下數(shù)據(jù)： 32 熱水流量暫時(shí)寫(xiě)作 300h，然后用 “ 能求取準(zhǔn)確值。 在“ 目錄，有 4 個(gè)頁(yè)面，只需要填寫(xiě)“ 面。規(guī)定進(jìn)料物流換熱后的溫度達(dá)到進(jìn)入精餾塔的為泡點(diǎn)。 33 模擬計(jì)算運(yùn)行并查看結(jié)果。在“ 目錄有 5 個(gè)頁(yè)面。在“ 面可看到兩流體進(jìn)、出口的性質(zhì)參數(shù)，其中高溫蒸汽出口溫度變?yōu)?在“ 面，可看到熱負(fù)荷 要的換熱面積 熱系數(shù) 熱溫差 數(shù)據(jù)。 由上述結(jié)果給出熱負(fù)荷 要換熱面積 16傳熱系數(shù) sm2k 、傳熱溫差等 數(shù)據(jù)，選擇浮頭式換熱器。 34 凝器的選擇 輸入冷卻水物流信息 輸入塔頂物料信息 35 設(shè)置目標(biāo) 運(yùn)行，查看結(jié)果 查看換熱器面積為 90 選擇 5 06 0 浮頭式換熱器。 36 沸器的選擇 輸入塔底物料信息 選用 200的飽和水蒸氣加熱 37 設(shè)定目標(biāo) 查看結(jié)果 查看換熱器面積為 擇釜式換熱器，型號(hào)： G 38 第七章 塔附件設(shè)計(jì) 管 進(jìn)料管的結(jié)構(gòu)類型很多，有直管進(jìn)料管、彎管進(jìn)料管、 徑計(jì)算如下： 取 s， F= 6 0 3 - 查標(biāo)準(zhǔn)系列選取 70 4 70 4 4查表取 60 4 頂蒸汽出料管 直管出氣，取出口氣速 u=20m/s，則 9 0 0023 .