甲醇回收塔工艺课程设计

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1、一 前言甲醇用途广泛，是基础的有机化工原料和优质燃料。主要应用于精细化工， 塑料等领域，用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲脂等多种有机产品， 也是农药、医药的重要原料之一。塔设备是化工，制药，环保等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内 气液接触部件的形式，可以分为填料塔和板式塔。板式塔属于逐级接触逆流操作， 填料塔属于微分接触操作。工业上对塔设备的主要要求：（1）生产能力大（2） 分离效率高（3）操作弹性大（4）气体阻力小结构简单、设备取材面广等。塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节，选择时应考虑物料的性质、 操作的条件、塔设备的性能以及塔设备的制造、安装、运转和维修等方面的因素

2、。 板式塔的研究起步较早，其流体力学和传质模型比较成熟，数据可靠。尽管与填 料塔相比效率较低、通量较小、压降较高、持液量较大，但由于结构简单、造价 较低、适应性强、易于放大等特点，因而在 70年代以前的很长一段时间内，塔 板的研究一直处于领先地位。然而，70 年代初期出现的世界能源危机迫使填料 塔技术在近20 年来取得了长足进展。由于性能优良的新填料相继问世，特别是 规整填料和新型塔内件的不断开发应用和基础理论研究的不断深入，使填料的放 大技术有了新的突破，改变了以板式塔为主的局面。在我国，随着石油化工的不 断发展，传质分离工程学的研究不断深入，使填料塔技术及其应用进入了一个崭 新的时期，其工

3、业应用与发达国家并驾齐驱，进入世界先进行列。评价塔设备的基本性能的指标主要有：1、产量和通量：前者指单位时间处理物料量，而后者指单位塔截面上的单 位时间的物料处理量。2、分离效率：对板式塔是指每层塔板所能达到的分离程度。填料塔则是单 位填料层高度的分离能力。3、适应能力及操作弹性：对各种物料性质的适应性及在负荷波动时维持操 作稳定而保持较高分离效率的能力。4、流体阻力：气相通过每层塔板或单位高度填料层的压降。 除上述几项主要性能外，塔的造价高低、安装、维修的难易以及长期运转的 可靠性等因素，也是必须考虑的实际问题。填料塔由填料、塔内件及筒体构成。填料分规整填料和散装填料两大类。塔 内件有不同形

4、式的液体分布装置、填料固定装置或填料压紧装置、填料支承装置、 液体收集再分布装置及气体分布装置等。与板式塔相比，新型的填料塔性能具有 如下特点：生产能力大、分离效率高、压力降小、操作弹性大、持液量小等优点。本设计综合考虑流程，产量，分离要求，操作控制等因素，采用填料塔实现 甲醇回收目标。二 设计题目设计甲醇回收塔及附属设备，可按水甲醇二元物系设计。 原料量为 60吨/天，原料含甲醇为 13 % (质量百分数)，其余为水。原 料温度为25C。常压操作，塔釜用直接蒸汽加热。要求甲醇回收率不小于 98%。三 设计说明书符号表a 质量百分比。a 填料的比表面积，m2/m3。D.1DNHbHdHf ho

5、 HETPLhfKLh Lh .h,mm L .w,mmMnntPApPN面积，m2。比热容，kJ/kgK。 管径，mm。塔顶产品流量，kmol/h。塔径，m。 圆筒内径，mm。 公称直径，mm。进料量流量，kmol/ho 重力加速度，m/s2。汽相摩尔流率，kmol/(sm2) 扬程，m。塔底空间高度，mo塔顶空间高度(不包括封头)，m。 液体再分布器的空间高度，m。 封头直边高度，mm。等板高度，m。 沿程阻力，J/kg。传热系数，W/(m2.C)。 管长，m。液相摩尔流量，kmol/ho 液体喷淋量，m3/h。最小液体喷淋量，m3/h。 最小润湿率，m3/(mh)。摩尔质量，kg/kmo

6、l。 填料层分层数。理论塔板数。压强，Pa。压降，Pa。 公称压力，Pa。Q 换热器的热负荷，W。R回流比。Re雷诺数，无量纲。R .mm取小回流比。t 温度，c。Atm对数平均温度差，c。T绝对温度，K。u 一 空塔气速，m/s。uf一空塔气体泛速，m/soU一 喷淋密度，m3/(m2h)。U .min取小喷淋密度，m3/(m2h)。V一汽相摩尔流量，kmol/h。W塔底产品流里，kmol/h。W质量流量，kg/hoWh 热流体质量流量，kg/hox 液相摩尔分数。XD塔顶产品浓度。XF进料浓度。xw塔底产品浓度。y气相摩尔分数。Z咼度，m。a 组分的相对挥发度。Y汽化潜热，kJ/kg。 空

7、隙率。 管壁绝对粗糙度，m。P密度，kg/m3。流体粘度，Pas。九摩擦系数，无量纲。g 局部阻力系数，无量纲。n回收率。o 表面张力，N/m。q 圆筒设计厚度，mm。填料因子，m2/m3。焊接头系数。图 4.1 精馏流程图对于给定的低浓度甲醇水溶液，采用两塔流程回收甲醇，如图 4.1 所示。流程概 述如下：原料为浓度很低的甲醇水溶液，经预热器加热到泡点进入回收塔；经回收塔将 原料中大量的水和杂质从塔底排出，塔顶得到浓度较高的甲醇蒸汽；甲醇蒸气直接 引入精馏塔精馏，精馏塔顶可获得高纯度的甲醇。回收塔塔底产品为甲醇含量极低 的水，可直接排放。回收塔的目的是初步提纯甲醇并除去大量的水，这样在精馏塔

8、中可减少处理量， 相比单塔精馏，能耗更低，操作弹性也更大。针对回收塔要求有很高的甲醇回收率， 但不要求塔顶浓度很高。本设计采用提馏塔的形式，原料从塔顶直接加入，不设回 流装置。此外考虑到塔底浓度已经接近水，本设计采用直接蒸汽加热，省去了再沸 器简化了附属设备。采用直接蒸汽的另一个好处是对蒸汽压要求更低，这是因为省 去了间接加热的温度差。本流程在回收塔前设置原料预热器，这样可减少原料温度的波动对塔分离性能的影响。加热介质采用低压蒸汽，通过蒸汽压很容易调节加热效果稳定流程工况。 考虑到塔釜排放液中杂质较多，故不利用回收塔塔底排放液的热能。综合前述考虑，本设计确定甲醇回收塔的工况如下：将25C下质量

9、百分数为13%的甲醇水溶液预热到泡点；经回收塔浓缩，塔顶产 品甲醇回收率不小于 98%，塔顶产品浓度和流量将通过优选确定； 回收塔用直接 蒸汽加热。五 物性参数水的物性参数：M = 18.02 kg/kmol水表 5.1 水的物性参数压强PX10-5Pa温度tC密度Pkg/m3比热容cpx103J/kgK黏度2灯05Pas表面张力X103N/m1.010999.94.212178.7875.6110999.74.191130.5374.1420998.24.183100.4272.6730995.74.17480.1271.2040992.24.17465.3269.6350988.14.17

10、454.9367.6760983.24.17846.9866.2070977.84.16740.6064.3380971.84.19535.5062.5790965.34.20831.4860.71100958.44.22028.2458.84甲醇的物性参数： M 甲醇 = 32.04 kg/kmol表 5.2 甲醇的物性参数压强温度密度比热容黏度表面张力px10-5tPc x10-3P#X1056*103PaCkg/m3J/kgKPasN/m08092.3660.82524.501.01108012.4580.70023.29207922.5120.60022.07307822.5500.5

11、2420.87407722.5720.47019.67507642.6180.40018.50607542.6750.51017.33707462.7300.31916.19807362.7700.27815.04907252.8310.24513.921007142.8920.22512.80水蒸汽的物性参数：M水蒸汽18.02 kg/kmol表 5.3 水蒸汽的物性参数温度tC压强px10-5Pa密度Pkg/m3汽化潜热YkJ/kg100101.330.59702258.4六 工艺计算6.1汽液平衡数据和汽液平衡（t-x-y）图表 6.1 水xyt/Cx0.0000.000100.00.1

12、500.0200.13496.40.2000.0400.23093.50.3000.0600.30491.20.4000.0800.36589.30.5000.1000.41887.70.600由6的水甲醇体系平衡数据：甲醇体系平衡数据yt/Cxyt/C0.51784.40.7000.87069.30.57981.70.8000.91567.50.66578.00.9000.95866.00.72975.30.9500.97965.00.77973.11.0001.00064.50.82571.2可得t-x-y平衡图:图 6.1 水-甲醇平衡体系 t-x-y 图6.2 物料衡算6.2.1 数据

13、换算M = 32.04 kg/kmol甲醇M = 18.02 kg/kmolF = 60 吨/ 天 = 126 kmol/h原料液甲醇的摩尔分率：XF =0.07756.2.2 物料衡算F = D + WW = F = 126 kmol/hWx耳二 1 - W 二 98% FxF塔釜产品甲醇的摩尔分率： xW=0.00155图 6.2 x-y 平衡图图 6.3 局部放大的 x-y 平衡图6.3 理论板数的计算本设计采用图解法初步确定理论板数和加热蒸汽量。最后采用化工模拟软件ASPEN 进行严格法计算验算。由图6.4可见，进料板为提馏线第一块板，进料组成xf=0.0775。在回收率确定的情况下，加热蒸汽量改变将改变提馏线斜率，进而影响塔顶产量，浓度和所需的 理论板数。加热蒸汽量加大，斜