1、1吉林化工学院化工原理专业课程设计设计题目 甲醇-水体系浮阀精馏塔的设计 学生姓名 程柯 班级 生物制药 1201 学号 12260134 指导教师 刘保雷课程设计时间 2014 年 11 月 14 日-2014 年 12 月 12日 2课程名称: 化工原理课程设计设计题目: 甲醇-水体系浮阀精馏塔的设计学生姓名: 程柯 专业:生物制药 班级学号: 12260134设计日期: 2010-12-14 至 2010-12-30设计任务: 甲醇-水体系设计条件及任务:进料热状态:泡点进料原料加料量 F100 kmol/h进料组成 0.45XF馏出液组成 XD0.9814釜液组成 Xw0.0214塔顶
2、压力 P=100 kpa单板压降 0.7 kPa3前 言化学工业中塔设备是化工单元操作中重要的设备之一,化学工业和石油工业中广泛应用的诸如吸收、解吸、精馏、萃取、增湿、减湿等单元操作中,精馏操作是最基本的单元操作之一,它是根据混合液中各组分的挥发能力的差异进行分离的。塔设备一般分为级间接触式和连续接触式两大类。前者的代表是板式塔,后者的代表则为填料塔。一般,与填料塔相比,板式塔具有效率高、处理量大、重量轻及便于检修等特点,但其结构较复杂,阻力降较大。在各种塔型中,当前应用最广泛的是筛板塔和浮阀塔。浮阀塔的特点:1生产能力大,由于塔板上浮阀安排比较紧凑,其开孔面积大于泡罩塔板,生产能力比泡罩塔板
3、大 20%40%,与筛板塔接近。 2操作弹性大,由于阀片可以自由升降以适应气量的变化,因此维持正常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔,泡罩塔都大。 3塔板效率高,由于上升气体从水平方向吹入液层,故气液接触时间较长,而雾沫夹带量小,塔板效率高。 4气体压降及液面落差小,因气液流过浮阀塔板时阻力较小,使气体压降及液面落差比泡罩塔小。 45塔的造价较低,浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的 50%80%,但是比筛板塔高 20%30 。 但是,浮阀塔的抗腐蚀性较高(防止浮阀锈死在塔板上),所以一般采用不锈钢作成,致使浮阀造价昂贵,推广受到一定限制。随着科学技术的不断发展,各种新型填料,高效率塔板的不断被
4、研制出来,浮阀塔的推广并不是越来越广。 近几十年来,人们对浮阀塔的研究越来越深入,生产经验越来越丰富,积累的设计数据比较完整,因此设计浮阀塔比较合适。本次设计就是针对甲醇水体系,而进行的常压浮阀精馏塔的设计及其辅助设备的选型。由于此次设计时间紧张,本人水平有限,难免有遗漏谬误之处,恳切希望各位老师指出,以便订正。2014 年 12 月5目 录概述 7第一章 总体操作方案的确定1.1 操作压强的选择91.2 物料的进料热状态91.3 回流比的确定 101.4 塔釜的加热方式101.5 回流的方式方法 10第二章 精馏的工艺流程图的确定11第三章 理论板数的确定3.1 物料衡算 123.2 物系相
5、平衡数据 123.3 确定回流比 .133.4 理论板数 NT 的计算以及实际板数的确定13第四章 塔体主要工艺尺寸的确定4.1 各设计参数 1664.2 精馏段塔径塔板的实际计算.224.2.1 精馏段汽、液相体积流率4.2.2 塔径塔板的计算4.2.3 塔板流体力学的验算4.2.4 塔板负荷性能图及操作弹性4.3 提馏段塔径塔板的实际计算.354.3.1 精馏段汽、液相体积流率4.3.2 塔径塔板的计算4.3.3 塔板流体力学的验算4.3.4 塔板负荷性能图及操作弹性第五章浮阀塔板工艺设计计算结果47第六章 辅助设备及零件设计5.1 塔顶全凝器的计算及选型495.2 塔底再沸器面积的计算及
6、选型 535.3 其他辅助设备计算及选型.54第七章 设计感想.60第八章 致谢61第九章 参考文献617概述:塔设备一般分为级间接触式和连续接触式两大类。前者的代表是板式塔,后者的代表则为填料塔。一般,与填料塔相比,板式塔具有效率高、处理量大、重量轻及便于检修等特点,但其结构较复杂,阻力降较大。在各种塔型中,当前应用最广泛的是筛板塔和浮阀塔。浮阀塔的优点:1生产能力大,由于塔板上浮阀安排比较紧凑,其开孔面积大于泡罩塔板,生产能力比泡罩塔板大 20%40%,与筛板塔接近。 2操作弹性大,由于阀片可以自由升降以适应气量的变化,因此维持正常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔,泡罩塔都大。 3塔板效率
7、高,由于上升气体从水平方向吹入液层,故气液接触时间较长,而雾沫夹带量小,塔板效率高。 4气体压降及液面落差小,因气液流过浮阀塔板时阻力较小,使气体压降及液面落差比泡罩塔小。 5塔的造价较低,浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的 50%80%,但是比筛板塔高 20%30。 8但是,浮阀塔的抗腐蚀性较高(防止浮阀锈死在塔板上),所以一般采用不锈钢作成,致使浮阀造价昂贵,推广受到一定限制。随着科学技术的不断发展,各种新型填料,高效率塔板的不断被研制出来,浮阀塔的推广并不是越来越广。 近几十年来,人们对浮阀塔的研究越来越深入,生产经验越来越丰富,积累的设计数据比较完整,因此设计浮阀塔比较合适。本次的课
8、程设计任务是甲醇和水的体系,要想把低纯度的甲醇水溶液提升到高纯度,要用连续精馏的方法,因为甲醇和水的挥发度相差不大。精馏是多数分离过程,即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程,因此可使混合液得到几乎完全的分离。化工厂中精馏操作是在直立圆形的精馏塔内进行的,塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填料。为实现精馏分离操作,除精馏塔外,还必须从塔底引入上升蒸汽流和从塔顶引入下降液。可知,单有精馏塔还不能完成精馏操作,还必须有塔底再沸器和塔顶冷凝器,有时还要配原料液预热器、回流液泵等附属设备,才能实现整个操作。浮阀塔是二十世纪五十年代初开发的一种新塔型。其特点是在筛板塔基础上,在每个筛孔处安置一个可上下移
9、动的阀片。当筛孔气速高时,阀片被顶起、上升,孔速低时,阀片因自重而下降。阀片升降位置随气流量大小作自动调节,从而使进入液层的气速基本稳定。又因气体在阀片下测水平方向进入液层,既减少液沫夹带量,又延长气液接触时间,故收到很好的传质效果。国内常用的浮阀有三种,即图 1 所示的 F1 型及图 2 所示的 V-4 型与 T 型。V-4 型的特点是阀孔被冲压成向下弯的喷咀形,气体通过阀孔时因流道形状渐变可减小阻力。T 型阀则借助固定于塔板的支架限制阀片移动范围。三类浮阀9中,F1 型浮阀最简单,该类型浮阀已被广泛使用。我国已有部颁标准(JB111868)。F1 型阀又分重阀与轻阀两种,重阀用厚度 2mm
10、 的钢板冲成,阀质量约 33g,轻阀用厚度 1.5mm 的钢板冲成,质量约 25g。阀重则阀的惯性大,操作稳定性好,但气体阻力大。一般采用重罚。只有要求压降很小的场合,如真空精馏时才使用轻阀。图 1 浮阀(F1 型) 图 2 浮阀(a)V-4 型,(b)T 型一 总体操作方案的确定1.1 操作压强的选择:精馏可以常压,加压或减压条件下进行。确定操作压力时主要是根据处理物料的性质,技术上的可行性和经济上的合理性来考虑的。对于沸点低,常压下为气态的物料必须在加压条件下进行操作。在相同条件下适当提高操作压力可以提高塔的处理能力,但是增加了塔压,也提高了再沸器的温度,并且相对挥发度液会下降。对于热敏性
11、和高沸点的物料常用减压蒸馏。10降低操作压力,组分的相对挥发度增加,有利于分离。减压操作降低了平衡温度,这样可以使用较低位的加热剂。但是降低压力也导致了塔直径的增加和塔顶冷凝温度的降低,而且必须使用抽真空设备,增加了相应的设备和操作费用。本次任务是甲醇和水体系,甲醇-水这一类的溶液不是热敏性物料,且沸点又不高,所以不需采用减压蒸馏。这类溶液在常压下又是液态,塔顶蒸气又可以用普通冷却水冷凝,因而也不需采用加压蒸馏。所以为了有效降低设备造价和操作费用对这类溶液可采用常压蒸馏。 操作压强:P=1atm=0.1MPa=1.013103KPa1.2 物料的进料热状态:进料热状态有五种。原则上,在供热一定
12、的情况下,热量应尽可能由塔底输入,使产生的气相回流在全塔发挥作用,即宜冷也进料。但为使塔的操作稳定,免受季节气温的影响,常采用泡点进料。这样,塔内精馏段和提留段上升的气体量变化较小,可采用相同的塔径,便于设计和制造。但将原料预热到泡点,就需要增设一个预热器,使设备费用增加。综合考虑各方面因素,决定采用泡点进料,即 q=1 。1.3 回流比的确定:对于一定的分离任务,采用较大的回流比时,操作线的位置远离平衡线向下向对角线靠拢,在平衡线和操作线之间的直角阶梯的跨度增大,每层塔板的分离效率提高了,所以增大回流比所需的理论塔板数减少,反之理论塔板数增加。但是随11着回流比的增加,塔釜加热剂的消耗量和塔
13、顶冷凝剂的消耗量液随之增加,操作费用增加,所以操作费用和设备费用总和最小时所对应的回流比为最佳回流比。本次设计任务中,综合考虑各个因素,采用回流比为最小回流比的 1.6 倍。即:R=1.6 R min1.4 塔釜加热方式:塔釜可采用间接蒸汽加热或直接蒸汽加热。直接蒸汽加热的优点是,可利用压强较低的加热蒸汽,并省掉间接加热设备,以节省操作费用和设备费用。但直接蒸汽加热,只适用于釜中残液是水或与水不互溶而易于分离的物料,所以通常情况下,多采用间接蒸汽加热。1.5 回流的方式方法: 液体回流可借助位差采用重力回流或用泵强制回流。采用重力回流可节省一台回流泵,节省设备费用,但用泵强制回流,便于控制回流
14、比。考虑各方面综合因素,采用重力回流。二. 精馏的工艺流程图的确定12甲醇水溶液经预热至泡点后,用泵送入精馏塔。塔顶上升蒸气采用全冷凝后,部分回流,其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜采用间接蒸汽再沸器供热,塔底产品经冷却后送入贮槽。3. 理论板数的确定3.1 物料衡算:= D=FX f/XD=0.992100.20/0.99=42 kmol/hDXDFXfF=D+W W=F- D=210-42=168 kmol/hFX f= DXD+WXw X w=(FXf-DXD)/W=(2100.20-420.99)/168=0.00253.2 物系相平衡数据a. 基本物性数据13组分 分子式
15、分子量 沸点 熔点水 H2O 18.015 373.15K 273.15K甲醇 CH3OH 32.040 337.85K 176.15Kb. 常压下甲醇和水的气液平衡表(txy)t X y t x y100 0 0 77.8 29.09 68.0192.9 5.31 28.34 76.7 33.33 69.1890.3 7.67 40.01 76.2 35.13 69.1888.9 9.26 43.53 73.8 46.20 77.5686.6 12.57 48.31 72.7 52.92 79.7185.0 13.15 54.55 71.3 59.37 81.8383.2 16.74 55.
16、85 70.0 68.49 84.9282.3 18.18 57.75 68.0 85.62 89.6281.6 20.83 62.73 66.9 87.41 91.9480.2 23.19 64.85 64.7 100 10078.0 28.18 67.753.3 确定回流比:根据甲醇水气液平衡组成表和相对挥发度公式 x1y, 1*23.nmaan求得:算得相对挥发度 =4.8314平衡线方程为:y= =4.83x/(1+3.83x) x1+( -1)x因为泡点进料 所以 x e = Xf=0.20 代入上式得 y e = 0.5470 R min = =(0.99-0.5470)/(0.5
17、470-0.2)=1.2767XD- yeye - xe R=1.6 R min =1.6*1.2767=2.04273.4 理论板数 NT的计算以及实际板数的确定1)塔的汽、液相负荷L=RD=2.042742=85.792 kmol/hV=(R+1)D=(2.0427+1) 42=127.79 kmol/hV=V=127.79 kmol/hL=L+F=85.792 kmol/h+210 kmol/h=295.792kmol/h2)求操作线方程精馏段操作线方程: y= x + =0.6713x+0.3254RR+1 XDR+1提馏段操作线方程为: =2.3147x-0.003287WVLy3)
18、逐板计算法求理论板层数精馏段理论板数:平衡线方程为:y= =4.83x/(1+3.83x) x1+( -1)x精馏段操作方程:y= x + =0.6713x+0.3254RR+1 XDR+1由上而下逐板计算,自 X0=0.99 开始到 Xi首次超过 Xq =0.2 时止15操作线上的点 平衡线上的点(X 0=0.99,Y1=0.99) (X 1=0.95, Y1=0.99)(X 1=0.95,Y2=0.97) (X 2=0.87,Y2=0.97)(X 2=0.87,Y3=0.91) (X 3=0.67,Y1=0.91)(X 3=0.67,Y4=0.78) (X 4=0.42,Y4=0.78)(
19、X 4=0.42,Y5=0.61) (X 5=0.24,Y5=0.61)(X 5=0.24,Y6=0.49) (X 6=0.17,Y6=0.49)因为 X6 时首次出现 X i 6 mm 故降液管底隙高度设计合理。d.安定区与边缘区的确定取安定区宽度 =0.07m,sW边缘区宽度取 =0.04m c弓形降液管宽度 W d=0.14me.鼓泡区间阀孔数的确定以及排列采用 F1型重阀,孔径为 39mm。取阀孔动能因子 F O=9.5孔速 u o= =9.5/(1.0691)0.5=9.18779 m/s,Vm浮阀数:n= =0.9695/(1/43.141590.039 29.18779)=88.
20、3=89(个)24sdu有效传质区:根据公式:221sin80a xAxRR27其中:R= =0.46m2cDWx= =0.29m()ds =0.49563m2221sin80a xAxRR塔板的布置因 D800mm 故塔板采用分块式,查表的塔块分为 3 块,采用等腰三角形叉排。浮阀塔筛孔直径取 d=39mm,阀孔按等腰三角形排列。阀孔的排列:第一排阀孔中心距 t 为 75mm,各排阀孔中心线间的距离 t可取65mm,80mm,100mm. 经过精确绘图,得知,当 t=65mm 时,阀孔数 N 实际 =85 个28按 N=85 重新核算孔速及阀孔动能因数:孔速 u0= VS/( 1/4 d 2
21、 N)=9.547 m/sF0=uo( V,M) 0.5=9.872阀孔动能因数变化不大,仍在 912 范围内。开孔率 空塔气速 u= VS / AT = 1.2344 m/s =u / u o =1.2344 / 9.547 =12.93 %5%9.547m/s =5.341.069110.12572/(2824.1119.8)25.34VcLuhg=0.0362m 液柱液层阻力29充气系数 =0.5,有:h1= h1=0.50.06=0.03m 液柱液体表面张力所造成阻力, 此项可以忽略不计。故气体流经一层浮阀塔塔板的压力降的液柱高度为:hp=0.03+0.0362=0.0662m常板压降=0.0662824.1119.81=535.5055Pa 5s 符合要求d雾沫夹带泛点率= 100%1.36Vs sLLFblKCAlL=D-2Wd=1-2 0.14=0.72Ab=AT-2Af=0.7854-2 0.0691152=0.64717式中: l L板上液体流经长度,m;Ab板上液流面积,m 2 ;CF泛点负荷系数,由图查得泛点负荷系数取 0.098K特性系数,查下表,取 1.0.物性系数 K系统 物性系数 K无泡沫,正常系统氟化物(如 BF3,氟里昂)中等发泡系统(如油吸收塔、胺及乙二醇再生塔)1.00.90.850.73