甲醇-水分离过程填料精馏塔设计课程设计说明书

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1、化工原理课程设计说明书化工原理课程设计说明书设计题目设计题目：甲醇-水分离过程填料精馏塔设计姓名：姓名： * 班级：班级：* 学号：学号： * 指导老师：指导老师：* 设计时间：设计时间：*广西科技大学生化学院课程设计I甲醇-水分离过程填料精馏塔设计 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。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，且易于处理易气泡、易热敏、易结垢物系等优点，同时也有投资费用较高、

2、填料易堵塞等缺点。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。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。但国内在这方面的研究则较少, 如何设计规整填料蒸馏塔已成为一个重要的课题, 它对自行设计, 改进现有设备生产状况都较为重要。随着对填料

3、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。关键词关键词： 甲醇-水；精馏 ；填料塔 ；设备设计前言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。填料塔是一类用于气液和液液系统的微分接触传质设备，主要由圆筒形塔体和堆放在塔内对传质起关键作用的填料等组成，用于吸收、蒸馏和萃取，也可用于接触式换热、增湿、减湿和气液相反应过程。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 。甲醇甲醇- -水分离过程填料精馏塔设计水分离过程填料精馏塔设计II填料塔的应用始于 19 世纪中叶，起初在空塔中填充碎石、砖块和焦炭等块状物，以增强气液两相间的传质。1914 年德国人 F.拉西1首

4、先采用高度与直径相等的陶瓷环填料（现称拉西环）推动了填料塔的发展。此后，多种新填料相继出现，填料塔的性能不断得到改善，近来填料塔的研究及其应用取得巨大进展,不仅开发了数十种新型高效填料，还较好地解决了设备放大问题。到 60 年代中期，直径数米乃至十几米的填料塔已不足为奇。现在，填充塔已与板式塔并驾齐驱，成为广泛应用的传质设备。填料塔自它发明以来已广泛地应用于化工生产的各个领域。近二十年, 规整填料塔对板式塔、散装填料以及其它多种塔设备产生了巨大的冲击, 在国内外引起众多研究者的极大兴趣, 在近几年的文献中, 国外有大量的规整填料研究报道 2 。它因其高通量, 低压降, 操作稳定而广泛地用于气-

5、液,液-液接触的塔设备中, 如蒸馏、吸收、萃取等诸多领域。特别是在气液接触中, 已越来越多地被采用, 如已有设备通过利用规整填料来更换塔内构件, 从而达到提高塔负荷的目的。规整填料种类较多, 有板波纹填料、格栅填料、丝网填料等, 材质有金属、塑料、陶瓷等。即使同样的种类亦有不同的规格, 它们的比表面、空隙率及几何尺寸存在差异, 这样在选择填料时, 应根据体系物性, 操作负荷, 压降要求, 同时兼顾材料性能等, 进行综合考虑, 保证既经济又能正常生产。广西科技大学生化学院课程设计III目录目录摘 要I 前言I 1 填料塔的简介及设计方案的确定1 1.1 概述 1 1.2 流程确定和说明 2 1.

6、2.1 设计要求及条件 .2 1.2.2 加料方式 .4 1.2.3 进料状况.4 1.2.4 塔顶冷凝方式.4 1.2.5 回流方式.4 1.2.6 加热方式.4 1.2.7 加热器.5 2 精馏塔的工艺设计5 2.1 物料衡算 5 2.2 塔板数的确定 6 2.2.1 相对挥发度的求取.6 2.2.2 求最小回流比及操作回流比.7 2.2.3 求精馏塔的气、液相负荷.7 2.2.4 采用逐板法求理论板层数8 2.3 实际板层数的求取 9 2.3.1 液相的平均粘度 .9 2.3.2 全塔效率 ET 和实际塔板数 10 3 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算.10 3.1 操作压力的计算1

7、0 3.2 粘度的计算 .10 3.3 操作温度计算10 3.4 平均摩尔质量计算11 3.5 平均密度计算11 3.5.1 气相平均密度计算 12 3.5.2 液相平均密度计算 12 3.6 液体平均表面张力的计算 .13 4 精馏塔的塔体工艺尺寸计算.13 4.1 塔径的计算13 4.2 精馏塔有效高度的计算14 4.3 填料层压降的计算15 4.3.1 精馏段 15 4.4 封头的计算 .16 5 液体分布器简要设计.16 5.1 选型16 5.2 分布点密度计算16甲醇甲醇- -水分离过程填料精馏塔设计水分离过程填料精馏塔设计IV5.3 布液计算17 6 设计一览表.18 7 有关附属

8、设备的计算和选型.187.1 塔顶蒸汽管vd.187.2 回流管Rd.197.3 输料管Fd.197.4 塔釜出液管Wd.207.5 蒸汽喷出器管径 .21 7.6 饱和蒸汽管计算227.6.1 釜液饱和蒸气管1bd.227.6.2 进料管2bd237.7 管路汇总表 .23 7.8 再沸器 .24 7.9 料液预热器24 7.10 塔顶回流冷凝器 24 7.11 塔顶产品冷却器 25 7.12 塔底产品冷却器 25 7.13 辅助设备计算汇总 26 8 贮罐的计算.26 8.1 原料罐26 8.2 塔顶产品罐 .26 8.3 塔底产品罐 .27 8.4 液料输送泵的选型 .27 9 绘图.2

9、8 10 设计过程的评述和有关问题的讨论28 参考文献.29 主要符号说明.29 设计过程中的收获和致谢.30广西科技大学生化学院课程设计11 填料塔的简介及设计方案的确定1.1 概述填料塔是一类用于气液和液液系统的微分接触传质设备，主要由圆筒形塔体和堆放在塔内对传质起关键作用的填料等组成，用于吸收、蒸馏和萃取，也可用于接触式换热、增湿、减湿和气液相反应过程。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3-4 。填料塔的优点有：（1）压降非常小。气相在填料中的液相膜表面进行对流传热、传质，不存在塔板上清液层及筛孔的阻力。在正常情况下，规整填料的阻力只有相应筛板塔阻力的 1/51/6； （

10、2）热、质交换充分，分离效率高，使产品的提取率提高；（3）操作弹性大，不产生液泛或漏液，所以负荷调节范围大，适应性强。负荷调节范围可以在 30%110%，筛板塔的调节范围在 70%100%；（4）液体滞留量少，启动和负荷调节速度快； （5）可节约能源。由于阻力小，空气进塔压力可降低 0.07MPa 左右，因而使空气压缩能耗减少 6.5%左右；（6）塔径可以减小。此外，应用规整填料后，由于当量理论塔板的压差减小，全精馏制氩可能实现，氩提取率提高 10%15%。规整填料精馏塔一般分为 35 段填料层，每段之间有液体收集器和再分布器，传统筛板塔的板间距为 110160mm，而规整填料的等板高为 25

11、0300mm，因此填料塔的高度会增加。一般都选择铝作为规整填料的材料，这样可减轻重量和减少费用，但必须控制好填料金属表面残留润滑油量小于 50mg/m2。在这样条件下，可认为铝填料塔和铝筛板塔用于氧精馏是同样安全的。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。甲醇甲醇- -水分离过程填料精馏塔设计水分离过程填料精馏塔设计2在某些场合还代替了传统的板式塔。如今，直径几米甚至

12、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。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

13、，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。 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。 1.2 流程确定和说明1.2.1 设计要求及条件 （一）设计条件1.处理量： （20000+100X）吨/年注：X 代表学号最后两位数，本设计者学号后为 14，故处理

14、量为 21400 顿/年。 2.料液组成（质量分数）：甲醇 46%、水 54% 广西科技大学生化学院课程设计33.塔顶产品组成（质量分数）：含水量0.3% 4.塔底废水中甲醇含量（质量分数）：0.5% 5.操作压力：常压 6.进料热状况：自选 7.回流比：自选 8.塔底加热蒸汽压力：0.3Mpa（表压） 9.工作日：每年 300 天，每天 24 小时连续运行。 （二）设备选型填料类型 因废甲醇溶媒中含有少量的药物固体微粒，应选用金属散装填料，以便于定期拆卸和清洗。填料类型和规格自选。 （三）设计任务 1. 设计方案确定及流程说明 2. 完成精馏塔的工艺设计 （1） 物料衡算 （2） 塔板数的确

15、定 （3） 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 （4） 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 （5） 填料层压降的计算 （6） 流体分布器简要设计 3. 设计结果一览表 4. 有关附属设备的设计和选型 （1） 再沸器（即蒸馏釜） ；（2） 塔顶回流冷凝器；（3） 料液预热器；（4） 塔顶 、塔底产品冷凝器；（5） 主要接管尺寸及法兰：包括塔顶蒸汽出口管、回流液管 、料液排出管、加料管 、饱和水蒸气管的管径 及各接管的法兰。（6） 蒸汽喷出器。 5. 绘图： 甲醇甲醇- -水分离过程填料精馏塔设计水分离过程填料精馏塔设计4（1） 绘制带控制点的生产工艺流程图 （2） 绘制精馏塔设计条件图 6. 对设计过程

16、的评述和有关问题的讨论 1.2.2 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。 1.2.3 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，对于合肥地区来说，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。 1.2.4 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