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1、精选优质文档-倾情为你奉上目录甲醇回收填料精馏塔设计摘 要 精馏是借助回流技术来实现高纯度和高回收率的分离操作，在抗生素药物生产中，需要用甲醇溶媒洗涤晶体，洗涤过滤后产生废甲醇溶媒，然后对甲醇溶媒进行精馏，从而将甲醇进行回收利用。精馏操作一般在塔设备中进行，塔设备分为两种，板式塔和填料塔。填料塔结构简单、装置灵活、压降小、持液量少、生产能力大、分离效率高、耐腐蚀，且易于处理易起泡、易热敏、易结垢物系。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及性能稳定的特点。因此，填料塔已被推广到大型气液操作中，在某些场合还代替了传统的板式塔。从设备设计的
2、角度看，不论板式塔还是填料塔，基本上由塔体、内件、裙座、和附件构成。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。关键字：精馏，填料塔，设备设计Methanol recovery distillation column packing designAbstract Distillation is drawing on the technology of return to achieve high purity and high recovery rate of the separation operation,In the production of antibiotic
3、 drugs, the need for washing with methanol solvent crystals, after washing filter waste solvents methanol, and then carried out on the methanol distillation solvent, thus the use of methanol for recycling.Distillation Operation normally carried out in the tower equipment,equipment is divided into tw
4、o towers, plate towers and packed tower.Packed tower structure is simple, the installation of flexible, small pressure drop, liquid holdup volume, large capacity, high separation efficiency, corrosion resistance, easyily deal with foaming，thermal and scaling.In recent years due to improvements in th
5、e structure of packed tower, a new type of high load fill development, both to improve the tower and the separation performance through the ability to maintain the pressure drop and small and stable performance characteristics.Therefore, the packed column has been extended to large-scale gas-liquid
6、operation, in some occasions also to replace the traditional plate tower.Equipment design from the point of view, regardless of tray column or packed column, basically from the tower, within the pieces, skirt, and accessories pose.With the packed tower of research and development, performance is bou
7、nd to a large number of the packed column used for industrial production.Keyword:Distillation，Packed tower，Equipment design专心-专注-专业第1章 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。塔设备广泛应用于蒸馏、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外学者普遍关注的重要课题。因此，本文的研究具有重要的理论和实际意义。塔设备按其结构形式基本上可以分为两类：板式塔和填料塔。以前，在工业生产中，当处理
8、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及性能稳定的特点。因此，填料塔已被推广到大型气液操作中。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。填料塔为逐级接触式气液传质设备，它具有结构简单、安装方便、压降很低、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。 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.与物料有关的因素 (1)易起泡的物系在
9、板式塔中有较严重的雾沫夹带现象引起的液泛，故选用填料塔为宜。因为填料不宜形成泡沫。本设计为分离甲醇水，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，则可选用金属性质或塑料填料，而本设计为分离甲醇水，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)要求塔内存液量小，停留时间短
10、、压降小的物系，宜用规整填料。本设计题目是分离甲醇水混合液，处理量不太大，为了节约能耗和降低塔高，所以选用填料塔。第2章 流程确定和说明2.1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，建设费用相应增加；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；如采用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。本次设计采用高位槽进料。2.2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
11、，对分离有利，省加热费用。但冷液进料受环境影响较大，对于太原地区来说，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，设计上采用泡点进料，泡点进料时，基于恒摩尔流假定，精馏段和提馏段上升蒸汽的摩尔流量相等，故精馏段和提馏段塔径基本相等，制造上较为方便。2.3塔顶冷凝方式塔顶冷凝器采用全凝器，用水冷凝。甲醇和水不反应，且容易冷凝，故用全凝器。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。2.4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
12、放在塔顶。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，塔顶蒸汽可采用冷凝冷却器以冷凝回流流入塔中。由于本次设计处理量较大，故采用强制回流。2.5加热方式加热方式分为直接蒸汽加热和间接蒸汽加热。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，使理论板数增加，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凝液进行传质，其优点是使釜液部分汽化，维持原来的
13、浓度，以减少理论板数，缺点是增加加热装置。本次设计采用间接蒸汽加热。2.6加热器采用釜式（罐式）再沸器，用水蒸气作加热剂。将釜液部分汽化，维持了塔内原有浓度，减少了理论板数。第3章 精馏塔设计计算3.1操作条件与基础数据3.1.1操作压力精馏操作按操作压力可以分为常压、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，对分离不离；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挥发度相差较大，较易分离，故本设计采用常压精
14、馏。3.1.2气液平衡关系及平衡数据表3.1甲醇水平衡时的t、x、y数据1平衡温度 t10092.990.388.981.678.073.870.068.066.964.7液相甲醇 x05.317.679.2620.828.146.268.485.687.4100汽相甲醇 y028.340.043.562.767.777.584.989.691.9100 根据以上数据绘出xy平衡图 % % 图3.1 甲醇水平衡相图3.1.3物料平衡计算 1.物料衡算 已知 （质量百分数） (3-1) 摩尔分率： (3-2) (3-3) (3-4) 进料平均相对分子质量： (3-5) 2.气液平衡 根据气液平衡
15、表3.1（即xyt表），利用内插法球塔顶温度tLD，tVD，塔釜温度tW，进料液温度tF。（1）塔顶温度tLD,tVD (3-6) (3-7) （2）塔釜温度tW (3-8) （3）进料液温度tF (3-9) 3.回流比确定由图3.1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，交于点b(0, 37.85)即精馏段操作线截矩 ，所以，所以Rmin=1.5。 操作回流比可取最小回流比的1.12.0倍，所以取R=1.5Rmin=1.51.5=2.25所以回流比确定为R=2.25 % % 图3.2 理论塔板数的图解3.2精馏塔工艺计算
16、3.2.1物料衡算1. 物料衡算 （1）已知：F=50000t，年开工300天， 进料摩尔流量： (3-10) (3-11)总物料： F=D+W (3-12) 易挥发组分： 解得： ， （2）塔顶产品的相对分子质量 (3-13) 塔顶产品流量： (3-14) （3）塔釜产品相对分子质量 (3-15) 塔釜产品流量： (3-16) (3-17) 2.物料衡算结果表表3.2 物料衡算结果表物料 组成kg/hkmol/h质量分数摩尔分数进料F塔顶D塔釜W6944.4113181.5193762.892309.88101.737208.14345%97%1%31.50%94.80%0.56%3.2.2
17、热量衡算 1.加热介质和冷却剂的选择 （1）加热介质的选择 常用加热介质有饱和水蒸气和烟道气。饱和水蒸气是一种应用最广的加热剂。由于饱和水蒸气冷凝时的传热膜系数很高，可以通过改变蒸汽的压力准确的控制加热温度。燃料燃烧所排放的烟道气温度可达1001000C，适用于高温加热。缺点是烟道气的比热容及传热膜系数很低，加热温度控制困难。本设计选用300kPa（温度为133.3C）的饱和水蒸气做加热介质，水蒸气易获得、清洁、不易腐蚀加热管，不但成本会相应降低，塔结构也不复杂。 （2）冷却剂的选择 常用的冷却剂是水和空气，因地制宜加以应用。受当地气温限制，冷却水一般为1028C。如需冷却到较低温度，则需采用
18、低温介质，如冷冻盐水、氟利昂等。 本设计建厂地区为太原，太原市夏季最热月平均气温为28C，故选用28C 的冷却水，选升温10C，即冷却水出口温度为38C。 2.冷凝器的热负荷 冷凝器的热负荷： (3-18)式中 IVD塔顶上升蒸汽的焓,kcalkmol-1； ILD塔顶流出液的焓,kcalkmol-1。 （3-19)式中 HV甲甲醇的蒸发潜热，kcalkmol-1； HV水水的蒸发潜热,kcalkmol-1。 蒸发潜热与温度的关系1： (3-20) 式中 Tr对比温度。 表3.3沸点下蒸发潜热列表1沸点/C蒸发潜热甲醇64.658430512.6水1009729647.3 由沃森计算塔顶温度下
19、的潜热： (3-21) 66.03C时，对甲醇： (3-22) (3-23) 蒸发潜热： 对水，同理得： 蒸发潜热： 对于全凝器做热量衡算（忽略热量损失）： 选择泡点回流，因为塔顶甲醇含量很高，与露点相近所以： 代入数据得： 3.冷却介质消耗量： (3-24) 4.加热器的热负荷及全塔热量衡算 选用300kPa(133.3c)饱和水蒸汽为加热介质，列表计算甲醇、水在不同温度下混合的比热容。 表 3.4甲醇、水在不同温度下混合的比热容1 单位：kcal/(kgc) 甲醇水甲醇： (3-25) (3-26)水： (3-27) (3-28) (3-29) (3-30) 根据表3.2有： D=2736
20、.3kg/h W=3236.034kg/h (3-31) (3-32) 对全塔进行热量衡算： (3-33) 为了简化计算，以进料焓，即77.16C时的焓值为基准做热量衡算： =23592.379+71341.606+.0970 =.2kcal/h=2.47x106kcal/h 塔釜热损失为10%,则=0.9则： (3-34)式中 加热器理想热负荷,kcal/h； 加热器实际热负荷,kcal/h； 塔顶流出液带出的热量,kcal/h； 塔底带出热量,kcal/h。 加热蒸汽消耗量： (333K,300kPa)1 (3-35) 表3.5热量衡算结果数据表符号QCkcal/hWCkg/hQFkcal
21、/hQD kcal/hQWkcal/hQSkcal/hWhkg/h数值2.421062.421050-23592.37971341.6062.741065307.873.2.3理论板数计算 由于本次设计时的相对挥发度是变化的所以不能用简捷法求得，应用图解法求得。精馏段操作线方程为： (3-36) 连接图3.2点,与q先交于d点，连接与d点，得提馏段操作线。然后由平衡线与操作线可得精馏塔理论塔板数为11块，第8层跨过d点，即第8层为加料板，故精馏段板数为7块，提馏段3块。3.3精馏塔主要工艺设计 精馏塔设计的主要物性数据1表3.6不同温度下甲醇和水的密度物质密度kg/m3温度/C50607080
22、90100甲醇750741731721713704水988983978972965958表3.7甲醇-水特殊点粘度1物质粘度mPas塔顶65.61C塔底99.25C进料77.16C甲醇0.3310.2240.286水0.4540.2550.383.3.1塔顶条件下的流量及物性参数 , , 气相平均相对分子质量： (3-37) 液相平均相对分子质量： 汽相密度： (3-38)液相密度： 查表7，用内插法 (3-39)所以： 液相粘度：查表3.7得 , , (3-40) 塔顶出料口质量流量： 表3.8塔中顶部数据结果表 符号数值31.27231.2721.126740.9420.3373181.5
23、19101.7373.3.2塔底条件下的流量物性参数 , 1.液相相对分子质量：由于很小，所以液相可视为纯水 2.气相密度：tW=99.25C时 （3-41） 3.液相密度： 视同纯水，查表3.6得： 4.液相粘度： 查表3.7得： , , 5.塔底流量： （3-42）表3.9塔底数据结果表符号数值18180.5899580.2553746.574208.1433.3.3进料条件下的流量及物性参数 F=266.5kmol/h, xF=31.5%, F=45% 查表3.1得： 解得： y=68.67%=0.6867 1.气体平均相对分子质量 （3-43） 2.液相平均相对分子质量 （3-44）
24、3.气相密度 （3-45） 4.液相密度 由表3.6数据，同上用内插法，求出甲=723.84kg/m3,水=973.704kg/m3 （3-46） 5.液相粘度 查表3.7得： t=77.16C, 甲=0.286mPas, 水=0.380mPas （3-47） 6.进料流量 表3.10进料数据结果表符号数值27.6122.41833.3330.9610.356944.444309.883.3.4精馏段的流量及物性参数 1.汽相平均相对分子质量 （3-48） 2.液相平均相对分子质量 （3-49） 3.气相密度 （3-50） 4.液相密度 （3-51） 5.液相粘度 （3-52） 6.汽相流量
25、（3-53） 7.液相流量 （3-54） 3.3.5提馏段流量及物性参数 1.气相平均相对分子质量 (3-55) 2.液相平均相对分子质量 (3-56) 3.气相密度 (3-57) 4.液相密度 (3-58) 5.液相粘度 (3-59) 6.气相流量 (3-60) 7.液相流量 （3-61） 表3.11精馏段、提馏段数据结果表精馏段提馏段气相平均相对分子质量29.44122.805液相平均相对分子质量26.84120.205气相密度1.04350.775液相密度787.1375895.667气相摩尔流量330.645330.645气相质量流量9734.5197540.359液相粘度0.3435
26、0.303液相摩尔流量228.908538.788液相质量流量6144.1210886.8123.4填料的选择 填料是填料塔的核心构件，它提供了气液两相相接触传质与传热的表面，与塔内件一起决定了填料塔的性质。目前，填料的开发与应用仍是沿着散装填料与规整填料两个方面进行。 本设计选用规整填料，金属板波纹250Y型填料。 规整填料是一种在塔内按均匀几何图形排布、整齐堆砌的填料，规定了气液流路，改善了沟流和壁流现象，压降可以很小，同时还可以提供更大的比表面积，在同等溶剂中可以达到更高的传质、传热效果。与散装填料相比，规整填料结构均匀、规则、有对称性，当于散装填料有相同的比表面积时，填料孔隙率更大，具
27、有更大的通量，单位分离能力大。 250Y型波纹填料是最早研制并应用于工业生产的板波填料，它具有以下特点： 1.比表面积与通用散装填料相比，可提高近一倍，填料压降较低，通量和传质效率均有较大幅度提高。 2.与各种通用板式塔相比，不仅传质面积大幅度提高，而且全塔压降及效率有很大改善。 3.工业生产中气液质均可能带入“第三项”物质，导致散装填料及某些板式塔无法完成操作。鉴于250Y型填料整齐的几何结构，显示出良好的抗堵性能，因而能在某些散装填料塔不适宜的场合使用，扩大了填料塔的应用范围。 鉴于以上250Y型的特点，本设计本设计塔中压力很低，采用Mellapok-250Y型填料。3.5塔径设计计算3.
28、5.1精馏段塔径计算 由气速关联式4 ： （3-62）式中 干填料因子； L液体粘度，mPaS; A250Y型为0.291； L、G液体、气体质量流速，m/s； 气体、液体密度kg/m3； g重力加速度，m/s2。精馏段：=1.0435kg/m3， L=787.1357kg/m3, =0.97, a=250m2/m3, L=0.3435mPas， L=6144.120kg/h， G=9734.519kg/h， 带入式中求解得： uf=4.83m/s 空塔气速： u=0.5uf=0.54.83=2.415m/s (3-63) (3-64) 体积流量： (3-65) (3-66)圆整后：D=120
29、0m，空塔气速 u=2.13m/s3.5.2提馏段塔径计算 ， ， ， ， 所以： 空塔气速： 圆整后：D=1200m，空塔气速u=2.229m/s3.5.3选取整塔塔径提馏段和精馏段塔径圆整后D=1200m，为精馏塔塔径。3.6填料层高度计算3.6.1精馏段填料层高度计算 ， 所以: (3-67)查得： 【5】 (3-68)精馏段填料高度： (3-69)式中 精馏段理论板数据根据图1.2得7； 2.85。 精馏段总压降： (3-70)3.6.2提馏段填料层高度计算 ， 所以： 查得： 【5】 提馏段填料高度： 式中 提馏段理论板数据根据图1.2得知为3； 2.85。提馏段总压降： (3-71
30、)3.6.3全塔填料层总压降 (3-72)3.6.4填料总高度 (3-73)3.6.5填料层高度和压降计算汇总 表3.12填料层高度和压降计算汇总参数精馏段提馏段全塔气动因子2.1761.962压降8590175总压降212.596.3308.8填料层高度/m2.51.073.57第4章 塔附件的选型与设计4.1冷凝器本设计冷凝器选用重力回流直立或管壳式冷凝器原理，对于蒸馏塔的冷凝器，一般选用列管式，空冷凝螺旋板式换热器。因本设计冷凝器与被冷凝流体温差不大，所以选用管壳式冷凝器，被冷凝气体走管间，以便于及时排除冷凝液。冷却水循环与气体方向相反，即离流式。当气体进入冷凝器时，使其液膜厚度减薄，传
31、热系数增大，利于节省面积，减少材料费，取冷凝器传热系数K=550kcal/(m2hC)太原地区夏季最高平均水温28C，升温10C (4-1) (4-2)4.2加热器 选用釜式再沸器，蒸汽选133.3C饱和水蒸气，传热系数K=1000kcal/(m2hC) t=133.3-100=33.3C由表3.5得 (4-3) (4-4)4.3塔内管径的计算及选择4.3.1进料管 (4-5)圆整后： 表4.1 进料管数据4 单位：mm内管外管RH1H276413342251201504.3.2回流管 对于直立回流一般0.20.5m/s，取WR=0.4m/s (4-6)圆整后： dR=89mm 表4.2 回流管数据4 单位：mm 内管外管RH1H289413342651201504.3.3塔顶蒸汽接管 操作压力常压，蒸汽速度WV=20m/s (4-7) 圆整后： dV=426mm4.3.4再沸器回流管 取出口速度v=20m/s，则 (4-8) 圆整后： d=426mm4.3.5塔釜出料管 塔釜流出液体速度