年產(chǎn)萬噸甲醇-水常壓連續(xù)精餾浮閥塔的設(shè)計

目錄1設(shè)計任務(wù)及操作條件..................................................................................32工藝流程及設(shè)計方案的確定......................................................................43物性數(shù)據(jù)…………………..54精餾塔的物料衡算……………………......55精餾塔的能量衡算………..76塔板數(shù)的確定……………137精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算..............................................178精餾塔的塔體工藝尺寸的確定…………..219塔板主要工藝尺寸的確定………………..22.10塔板的流體力學(xué)驗算……………………2711塔板的負荷性能圖………3212精餾塔接管尺寸計算……………………3313精餾塔的設(shè)計總表………3614設(shè)計體會和收獲…………3815重要符號說明……………4016參考文獻…………………4317附圖………………………441設(shè)計任務(wù)及操作條件在抗生素類藥物生產(chǎn)過程中，需要用甲醇溶媒洗滌晶體，洗滌過濾后產(chǎn)生廢甲醇溶媒,其組成為含甲醇46%、水54%（質(zhì)量分數(shù)），另含有少量的藥物固體微粒。為使廢甲醇溶媒重復(fù)利用，擬建立一套板式精餾塔，以對廢甲醇溶媒進行精餾，得到含水量≤0.3%（質(zhì)量分數(shù)）的甲醇溶媒。設(shè)計要求廢甲醇溶媒的處理量為80000噸/年，塔底廢水中甲醇含量≤0.5%（質(zhì)量分數(shù)）。（1）原料液含甲醇46％（質(zhì)量分數(shù)，下同），其余為水；（2）餾出液含甲醇99.7％，殘液含甲醇99.5％；（3）泡點進料；（4）料液可視為理想溶液；（5）年產(chǎn)80000噸；（5）操作條件：①常壓操作；②回流液溫度為塔頂蒸汽的露點；③塔頂壓力常壓；④直接蒸汽加熱，加熱蒸汽壓力為5kgf/cm2（絕壓）；⑤冷卻水進口溫度300C，出口溫度⑥設(shè)備熱損失為加熱蒸汽供熱量的5％。因廢甲醇溶媒中含有少量的藥物固體微粒，選用浮閥塔板。每年工作日為300天，每天24小時連續(xù)運行。廠址為長沙地區(qū)。2工藝流程及設(shè)計方案的確定工藝流程圖見附圖12.2設(shè)計方案的確定本設(shè)計任務(wù)為甲醇的精餾。對于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。設(shè)計中采用泡點進料，將原料液通過預(yù)熱器加熱至泡點后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸氣采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷凝器冷卻后送至儲罐。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。3需要用到的相圖數(shù)據(jù)：表1甲醇——水汽液相平衡摩爾分數(shù)溫度液相中甲醇的摩爾分數(shù)氣相中甲醇的摩爾分數(shù)溫度液相中甲醇的摩爾分數(shù)氣相中甲醇的摩爾分數(shù)1004精餾塔的物料衡算4.1原料及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率xF==0.324 xD=xW=圖1物料平衡圖4.2原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量MF=0.324×32.04+(1－0.324)×18.02=22.56kmol/hMD=0.995×32.04+(1－0.995)×18.02=31.97kmol/hMW=0.003×32.04+(1－0.003)×18.02=18.06kmol/h4.3物料衡算日流量F==492.52kmol/h總物料衡算F=D+W乙醇物料衡算F×0.324=0.995×D+0.003×W計算得：質(zhì)量衡算∵1111.11＝D＋W1111.11×6＝97D＋05W解得：D＝kg/hW＝kg/h表2物料衡算表進出項目數(shù)量（kg/h）項目數(shù)量（kg/h）進料F合計產(chǎn)品D塔底出量W合計5熱量衡算塔頂冷凝器的熱量衡算（1）熱量衡算式如圖所示，根據(jù)熱量衡算式，有：QQV’QW’’QLQD圖2塔頂能量平衡圖式中QV’——塔頂蒸氣帶入系統(tǒng)的熱量；QL——回流液帶出系統(tǒng)的熱量；QD——餾出液帶出系統(tǒng)的熱量；QW’——冷凝水帶出系統(tǒng)的熱量。（2）各股物流的溫度與壓力由塔頂蒸氣組成xD=0.995，通過氣液平衡數(shù)據(jù)表，經(jīng)插值可知塔頂蒸氣溫度為64.6℃，改溫度也為回流液和餾出液的溫度。由給定條件知：塔頂?shù)牟僮鲏簭姙镻（3）基準態(tài)的選擇以101.3kPa、64.6℃的液態(tài)甲醇和水為熱量衡算的基準態(tài)，則：QL＝QD＝0（4）各股物流熱量的計算查的甲醇與水在正常沸點下的汽化焓分別為：ΔVHm甲醇（TbVHm水（Tb正常沸點分別為：Tb甲醇＝337.65KTb水使用Watson公式計算甲醇和水在64.6℃的汽化焓：式中——對比溫度；TC——臨界溫度。查的甲醇和水的臨界溫度分別為：TC甲醇＝513.15KTC水對于甲醇：∴對于水：∴由此可計算進入塔頂冷凝器蒸氣的熱量為：代入到熱量衡算式中，可求得塔頂冷凝器帶走的熱量為：QW’＝kJ/h（5）冷卻水的用量設(shè)冷卻水的流量為qm，則：QW’＝qmCp(t2－t1)已知：t1＝30℃t2＝45℃以進出口水溫的平均值為定性溫度：查得水在37.5℃時的比熱容為：Cpm＝4.175kJ/(kg.℃)∴全塔的熱量衡算如圖3所示，對精餾塔進行全塔的熱量衡算。QQFQW’QDQLQWQV圖3全塔能量平衡圖（1）熱量衡算式根據(jù)熱量衡算式，可得：由設(shè)計條件知：QL＝5%QVQV∴QFQV＝QD＋QW＋QW’式中QF——進料帶入系統(tǒng)的熱量；QV——加熱蒸汽帶入系統(tǒng)的熱量；QD——餾出液帶出系統(tǒng)的熱量；QW——釜殘液帶出系統(tǒng)的熱量；QW’——冷卻水帶出系統(tǒng)的熱量；QL——熱損失。（2）各股物流的溫度由各股物流的組成，根據(jù)氣液平衡數(shù)據(jù)表，可得各股物流的溫度分別為：tF＝79.8℃tD＝64.6℃tW＝99.5℃（3）基準態(tài)的選擇以101.3kPa、64.6℃的液態(tài)甲醇和水為熱量衡算的基準態(tài)，且忽略壓力的影響，則：QD=0（4）各股物流熱量的計算由于溫度變化不大，采用平均溫度：的比熱容計算各股物流的熱量。據(jù)：Cpm＝a＋bT＋cT2＋dT3查得：（甲醇）a=20.4b=103.7×10－3c=－24.64×10（水）a=30.0b=10.7×10－3c’故甲醇的比熱容為：水的比熱容為：由此可求得進料與釜殘液的熱量分別為：將以上結(jié)果代入到熱量衡算式中：QV＝0＋396736.47+17386070解得：QV＝kJ/h熱損失為：QLQV＝920618.9753（kJ/h）（5）加熱蒸汽的用量設(shè)加熱蒸汽的用量為qm’，則：QV＝qm’.r已知蒸氣的壓力為5kgf/cm2（絕壓），查得該壓力下蒸汽的汽化熱為r＝2113kJ/kg由此可求得加熱蒸汽用量為：（6）熱量衡算表表3熱量衡算表基準：1h輸入輸出項目kJ項目kJ進料餾出液0加熱蒸汽釜殘液冷卻水17394000熱損失總計6塔板數(shù)的確定6.1理論塔板數(shù)NT的求取對于甲醇－水溶液的物系，可釆用圖解法求理論塔板數(shù)。①由手冊查得甲醇—水溶液汽液相平衡數(shù)據(jù)，繪出x-y圖，見圖4。圖4甲醇——水汽液相平衡圖②求最小回流比和操作回流比。釆用作圖法求最小回流比Rmin。在圖2中，以x=0.324作垂線，與平衡線交于點f(0.324,0.680)，因此最小回流比為Rmin＝＝取操作回流比為R＝2Rmin③求精餾塔的氣、液相負荷L＝RD＝1.78×159.37＝283.68kmol/hV＝(R＋1)D＝(1.78＋1)×159.37＝443.05kmol/hL′=L+F=283.68+492.52=776.2kmol/hV′=V=443.05kmol/h④求操作線方程精餾段操作線方程為ｙ=提餾段操作線方程為⑤圖解法求理論塔板數(shù)釆用作圖法求理論塔板數(shù)，如圖5所示。總理論塔板數(shù)NT＝12進料板位置NF＝106.2實際板層數(shù)的求取塔釜組成塔頂組成當溫度為355.10K時，查手冊，得：相對揮發(fā)度的求取：又知，對于醇類：代入數(shù)據(jù)，得：取板效率為0.50，實際板NP==12/0.50=24塊精餾段NP=9/0.50=18塊提餾段NP=3/0.50=6塊圖5理論塔板數(shù)的求取圖7精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算7.1操作壓力計算塔頂操作壓力：PD每層塔板壓降：△PF進料板壓力：PF精餾段平均壓力：Pm操作溫度計算塔頂溫度：從平衡數(shù)據(jù)可查得xD＝0.995時，Td=64.6℃進料板溫度：從平衡數(shù)據(jù)可查得xF＝0.24時，TF=79.8℃精餾段平均溫度：Tm=（64.6＋79.8）/2=72.2℃7.3平均摩爾質(zhì)量計算塔頂xD=y1=0.995,查平衡曲線得到：x1氣相MVDM=0.995×32.04+(1-0.995)×18.02=31.97㎏/kmol液相MLDM=0.988×32.04+0.012×18.02=31.87㎏/kmol進料板由氣液平衡相圖可知:yF=0.620時，xF=0.240故：氣相MVFM=0.620×32.04+(1-0.620)×18.02=26.71㎏/kmol液相MLFM=0.240×32.04+(1-0.240)×18.02=21.38㎏/kmol精餾段平均摩爾質(zhì)量氣相MVM=(31.97+26.71)/2=29.34㎏/kmol液相MLM=(31.87+21.38)/2=26.63㎏/kmol7.4平均密度的計算塔頂操作壓力：PD每層塔板壓降：△PF進料板壓力：PF精餾段平均壓力：Pm＝（101.325＋113.9）/2=107.6kPa氣相平均密度ρV===/m3液相平均密度１/ρLM=∑ａ塔頂:因為T塔頂=６４.６℃，查表ρ甲醇=７60㎏/m3，ρ水=980.7㎏/m3代入上式ρLDM==760.5㎏/m3進料板:因為x進料板=0.240，由手冊查得：T進料板=79.8℃所以:進料板ρ甲醇=732㎏/m3，ρ水=974.89㎏/m3進料板的質(zhì)量分率ρLFM==870.9㎏/m3精餾段液相平均密度：ρL=(ρLDM+ρLFM)/2=(760.5+870.9)/2=815.7㎏/m37.5表面張力由公式σm=分別進行計算塔頂由Td=64.6℃查手冊得：σ甲醇=18.6mN·m-1σ水=65.2mN·m-1σm頂進料板由TF=79.8℃，查手冊得：σ甲醇=17.3mN·m-1σ水=62.69mN·m-1σm進=0.24×17.3+0.76×62.69=51.80mN/m精餾段液相平均表面張力為：σm精=7.6液體平均粘度的計算液體平均粘度的計算公式lgμLM=塔頂由Tp=64.6℃,查手冊得μ甲醇=0.332mPa·s；μ水=0.4355mPa·slgμLDM=0.995lg(0.332)+(1－0.995)lg(0.4355)得μLDM=0.332mPa·s進料板T進料板=79.8℃,查手冊得μ甲醇=0.253mPa·s；μ水=0.3610mPa·s得μLFM=0.331mPa·s精餾段液體平均粘度＋0.331)＝0.332mPa·s8精餾塔的塔體工藝尺寸計算VS===3/sLS===0.0026m3/s塔徑的計算()1/2=()1/2取HT=,取板上清液hL=,則HT-hL=查史密斯關(guān)聯(lián)圖C20C=C20()=0.075×()umax=C=/s取安全系數(shù)為max=/sD===取D=AT=D2=㎡＝2實際空塔氣速u=m/s8.2精餾塔有效高度的計算精餾段的有效高度為m提餾段的有效高度為在進料板上開4個人孔，每個的高度為故精餾塔的有效高度為m9塔板的主要工藝尺寸計算因塔徑D＝,可選用單溢流弓形降液管，釆用凹形受液盤。各項計算如下：堰長lW取lWlW＝0.647D＝0.647×1.8＝溢流堰高度hW由hW＝hL-hOW選用平直堰，堰上液層高度hOW由式計算，即how=×E()2/3取E=1how=×()2/3=取板上清液高度hL=hW=hL-how=0.08-0.011=弓形降液管寬度Wd與降液管面積Af由lW/D=0.647,查弓形降液管的寬度與面積圖得：Wd/D=0.0674Af/ATWd=0.1285×D=0.1285×1.8=Af=0.0674××D2=0.0674×AT=0.171㎡液體在降液管中的停留時間t===29.60s>5s經(jīng)檢驗，降液管設(shè)計符合要求。降液管底隙高度h0取降液管底的流速為=/s,根據(jù)h0=LS/(lw×)計算得：h0==hw-h0=0.069-0.028=0.041>故降液管底隙高度設(shè)計合理，符合要求。9.2塔板布置塔板的分塊因為D＝1800mm，故塔板采用分塊式，查表得，塔板分為5塊。邊緣區(qū)寬度確定取WS==,WC=開孔區(qū)面積計算開孔區(qū)面積按下式計算，即Aa=2(X+Sin-1)其中X=D/2-（Wd+Ws）=1.8/2-(0.214+0.09)=R=D/2-WC故Aa=2(X+Sin-1)=2×(0.596×+)=29.2.4塔板布置及浮閥數(shù)目與排列取閥孔動能因子F0=10，閥孔直徑d0=用下式求孔速u0,即＝m/s依式求每層塔板上的浮閥數(shù)，即：＝＝251個浮閥排列方式釆用等腰三角形叉排。取同一橫排的孔心距t==100mm，則由下式估算孔心距t′，即t′＝＝＝故取t′＝按t=,t′＝以等腰三角形叉排方式作圖，見圖6，排得閥孔數(shù)為244個。按N＝244重新核算孔速及閥孔動能因數(shù)：m/s又由可得F0閥孔動能因數(shù)變化不大，仍在9－12范圍內(nèi)。塔板開孔率＝u/u0=1.49/11.26×100%=13.23%<14%,符合要求。圖6塔板布置圖10塔板的流體力學(xué)驗算10.1氣相通過浮閥塔板的壓強降氣體通過塔板壓降hp可根據(jù)下式計算：hp=hc+hl+hδ干板阻力hc干板阻力hc可由下式計算Hc其中U0c=＝/s因為u0>u0c，故按下式計算hchc=＝板上充氣液層的阻力hl本設(shè)備分離甲醇－水混合物系，即液相為水，可取充氣系數(shù)E0＝0.5，依式計算：hl＝E0HL＝0.5×0.08＝液體表面張力所形成的阻力液體表面張力所產(chǎn)生的阻力hδ由下式計算,即hp=hc+hl=0.04650＋0.04＝單板壓降△Pp=0.0865×815.7×9.81=692.17Pa<0.7kPa,故滿足要求。淹塔為了防止淹塔現(xiàn)象的發(fā)生，要求控制降液管中清液層高度Hd≤φ(HT+hW)，Hd可由下式計算，即：Hd＝hp＋hL+hd氣體通過塔板的壓強降所相當?shù)囊鹤⒏叨萮p前已算出:hp＝液體通過降液管的壓頭損失因不設(shè)進口堰，故可由下式計算：＝＝0.00097m板上液層高度前已選定板上液層高度為hL＝則Hd＝0.0865+0.00097+0.08=0.16747m取=0.5,又已選定HT＝，hw＝0.068m則φ（HT+hW）＝0.5（0.45＋0.069）＝可見：Hd＜φ（HT+hW），符合防止淹塔的要求。液沫夾帶沫夾帶線按泛點率80%計算，將各已知數(shù)整理得=4.106…（1）10.5漏液線對于F1型重閥，依計算F0＝u0=5,則：u0=5/又知則得式中d0、N、均為已知值，故可由此求出氣相負荷的下限值，據(jù)此作出與液體流量無關(guān)的水平漏液線。以F0＝5作為規(guī)定氣體最小負荷的標準，=10.6液相負荷上限線液體的最大流量應(yīng)保證在降液管中停留時間不低于3－5s。依式知：液體在降液管中停留時間==3-5s求出上限液體值（常數(shù)），在－圖上，液相負荷上限線為與氣體流量無關(guān)的豎直線。以=4s作為液體在降液管中停留時間的下限，則：（）max=＝＝0.01539m3/s…(3)10.7液相負荷下限線取堰上液層高度how=×E()2/3=作為最小液體負荷標準。計算出的下限值，依此作出液相負荷下限線，該線為與氣相流量無關(guān)的豎直線。0.006=×E()2/3所以Ls,min=3/s…(4)10.8液泛線聯(lián)立以下三式：hp=hc+hl+hδHd=hp+hL+hdHd≤φ（HT+hW)得φ（HT+hW)＝hp+hL+hd＝hc+hl+hδ+hL+hd由上式確定液泛線。忽略式中的hδ項，將以下五式代入上式，得到+因物系一定，塔板結(jié)構(gòu)尺寸一定，則HT、hw、hδ、lw、ρv、ρL、E0及φ等均為定植，而u0與Vs又有如下關(guān)系：式中閥孔數(shù)N與孔徑亦為定值。因此，可將上式簡化為與的如下關(guān)系式：a2=b-c2-d2/3即222/3(5)在操作范圍內(nèi)任取若干個值，依式（2）計算出相應(yīng)的值列于以下附表中。表4液泛線數(shù)據(jù)表塔板負荷性能圖由塔板負荷性能圖可以看出：（1）在任務(wù)規(guī)定的氣液負荷下的操作點(0.0026,3.283)（設(shè)計點），處在適宜的操作區(qū)內(nèi)的適中位置。（2）塔板的氣相負荷上限由液沬夾帶線控制，操作下限由漏液控制。（3）按照固定的液氣比，由圖查出氣相負荷上限(Vs)max=3/s,氣相負荷下限Vs=3圖7塔板負荷性能圖12塔進出口管徑的選擇12.1蒸汽管VS=，d為蒸汽管的直徑，u為氣體速度，高壓下u取為40m/sd====323mm12.2回流管通常，重力回流管內(nèi)液流速度u取0.2－/s，強制回流（由泵輸送）u取1.5－/s。進料管12.4出料管管徑kg/mol塔頂出氣管徑冷卻水管徑管徑的選擇見下表：表5塔進出口管徑列表蒸汽管回流管出料管管徑進料管塔頂出氣管徑冷卻水管徑13.精餾塔的設(shè)計總表表6計算結(jié)果總表項目計算數(shù)據(jù)精餾段提餾段各段平均壓強略各段平均溫度tm，℃平均流量氣相液相實際塔板數(shù)N，塊24板間距板的高度Z，m塔徑D，m空塔流速u，m/s塔板液流形式單流型溢流裝置溢流管形式弓形略堰長，m堰高，m溢流堰寬度，m管底與受液盤距離，m降液管內(nèi)清液層高度板上清液高度，m孔徑的d0，mm39孔間距t，mm100孔數(shù)n，個244略篩孔氣速塔板壓降液體在降液管中的停留時間t，s泛點率66.86%負荷上限液沫夾帶控制負荷上限漏液線控制略氣相最大負荷氣相最小荷操作彈性14設(shè)計體會和收獲經(jīng)過了一個月的辛苦奮斗，設(shè)計說明書終于快完稿了，我經(jīng)歷了剛開始拿到題目的迷茫無措到現(xiàn)在的胸有成竹?？粗约旱脑O(shè)計成果，心里感到由衷的欣慰。從開始的計算到現(xiàn)在的基本完成，我們努力了一個月。在這一個月里我遇到了許多的困難，但也收獲了很多。接到了設(shè)計題目后，我們馬上就開始了數(shù)據(jù)的計算，我一點都不敢掉以輕心，跟著書上的指導(dǎo)，一步一步的進行，可是誰知道，我馬上遇到了問題，在我們這個設(shè)計中，最前面就得把理論塔板數(shù)計算出來，而理論塔板數(shù)的計算需要經(jīng)過畫圖才能得到。只得重新準備作圖工具，在坐標紙上一點點的描點畫圓滑的曲線，常常是畫出來覺得太丑就擦了重來，經(jīng)常畫完一張圖抬頭眼前一片漆黑，不過成就感也油然而生。開始計算時，總發(fā)現(xiàn)缺少數(shù)據(jù)，無法進行下去，然后不得不跑來跑去，一會在圖書館的書架上尋找，一會又去老師那詢問?？墒牵切坪醺疫^不去一樣，總是找不到要的那一本。有時甚至在前幾分鐘還看到，要的時候就是忘了是哪一本，又得從頭至尾地找一遍那一個架子上的書。也會有完全不知道怎樣找到相關(guān)資料的時候。例如我們在查找甲醇的表面張力時，發(fā)現(xiàn)幾本書上的數(shù)據(jù)都不同而且不精確，問了老師才知道應(yīng)該用那本書，通過這次我學(xué)到搞設(shè)計要多么的講究精益求精，要真正仔細。但是，那些計算又非順利的。對那些范圍內(nèi)的取值往往要三次以上才取到對的值，而且計算式特別長。這樣的計算過程重復(fù)性多，有時計算時間長了頭腦也開始不清醒，更容易出錯，更要重復(fù)計算。然而，計算結(jié)果出來后，又覺得一切很值。隨著設(shè)計的順利進行，使我的信心倍增，越來越喜歡這種清除障礙克服困難的感覺。當遇到疑問時，就找到幾個計算同一個題目的同學(xué)討論最好的計算方法，讓我們都能達到事半功倍的效果。大家在討論的過程中也能發(fā)現(xiàn)一些自己計算過程中的不足。作主體設(shè)備圖時，發(fā)現(xiàn)早把學(xué)的機械制圖忘得差不多，不知道哪些地方該用HB的筆畫，哪些地方該用2B的筆畫。好不容易畫了一張圖，發(fā)現(xiàn)連自己都不滿意，于是返工再返工，直到腰酸背痛，感覺完美為止。當老師說基本滿意時，不由高興萬分，一切的努力都值得。而CAD制圖對我來說是全新，什么都得從零開始學(xué)?？墒俏覀儧]有選擇的余地，我們只能加油。只好自己一邊翻書，一邊慢慢的摸索著做。終于功夫不負有心人，很快，我的最后任務(wù)也完成了。從中我再一次感受到了自學(xué)帶來的樂趣與成功的感受。在持續(xù)一個月的化工課程設(shè)計過程中，我體驗到了什么叫做全神貫注，第一次連續(xù)六七小時在電腦邊敲著鍵盤輸入公式；體驗到了什么叫做精疲力竭，趴在床上的桌子旁，對著一張A1的紙一上