合肥工业大学宣城校区化工原理课程设计说明书分离甲醇、水混合物的板式精馏塔设计.docx
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1、课程设计设计题目分离甲醇、水混合物的板式精馏塔设计目录摘要1绪论2一、板式精馏塔设计流程说明3(一)设计方案的确定31、装置流程的确定3 2、操作压力的选择3 3、进料状况的选择44、加热方式的选择4 5、回流比的选择4(二) 塔板的类型与选择51、 泡罩塔52、 筛板塔53、浮阀塔5二、板式精馏塔的设计计算6(一)精馏塔全塔物料衡算6(二)回流比和塔板数的确定7(三)灵敏度分析10(三) 用详细计算模块(RadFrac)进行计算13三、塔和塔板主要工艺尺寸计算20(一)塔径20(二)溢流装置26(三)塔板布置29(四)筛孔数目与开孔率30(五)塔的有效高度31(六)塔的实际高度的算31四、筛
2、板的流体力学计算32(一)气体通过筛板压降相当的液柱高度32(二)雾沫夹带量的验算33(三)漏液计算33(四)液泛验算34五、塔板的负荷性能图35(一)精馏段351、雾沫夹带线(1)352、液泛线(2)363、液相负荷上限线(3)374、漏液线(气相负荷下限线)(4)375、液相负荷下限线(5)38(二)提馏段391、雾沫夹带线(1)392、液泛线(2)393、液相负荷上限线(3)414、漏液线(气相负荷下限线)(4)415、液相负荷下限线(5)41六、附属设备设计及接管尺寸43(一)冷凝器的选择43(二)再沸器的选择44(三)泵的选择44(四)接管尺寸46(五)法兰、封头、裙座等48(六)强
3、度设计50七、设计小结58八、参考文献59九、心得体会60摘要:现要求设计一筛板式精馏塔,年产量10万吨的甲醇-水的分离系统,其中料液的甲醇质量分数40%,设计要求馏出液中甲醇的质量分数不少于98%,残液中甲醇质量分数小于0.05%。通过aspen模拟,确定最小回流比1.01332,进而确定操作回流比1.10914;进行相关计算,得到理论塔板数24和全塔板效率48.18%,进而得到实际塔板数50,进料板位置为第30块塔板,由设计要求计算确定塔相关工艺尺寸(塔高36.954米,塔径2.4米);此外根据精馏塔工作环境,进行流体力学性能验算,绘制负荷性能图,对整项设计安排整理总结,画出此筛板式精馏塔
4、。关键词:甲醇-水;筛板式精馏塔设计;aspen模拟;回流比;塔板数;负荷性能图 绪论蒸馏是分离液体混合物的一种方法,是一种属于传质分离的单元操作。广泛应用于炼油、化工、轻工等领域。蒸馏的理论依据是利用溶液中各组分蒸汽压的差异,即各组分在相同的压力、温度下,其挥发性能不同(或沸点不同)来实现分离目的。以本设计所选取的甲醇-水体系为例,加热甲醇(沸点64.5)和水(沸点100.0)的混合物时,由于甲醇的沸点较低(即挥发度较高),所以甲醇易从液相中汽化出来。若将汽化的蒸汽全部冷凝,即可得到甲醇组成高于原料的产品,依此进行多次汽化及冷凝过程,即可将甲醇和水分离。经过多次部分汽化部分冷凝,最终在汽相中
5、得到较纯的易挥发组分,而在液相中得到较纯的难挥发组分,这就是精馏。在工业精馏设备中,使部分汽化的液相与部分冷凝的气相直接接触,以进行气液相际传质,结果是气相中的难挥发组分部分转入液相,液相中的易挥发组分部分转入气相,也即同时实现了液相的部分汽化和气相的部分冷凝。蒸馏按操作可分为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏等多种方式。按原料中所含组分数目可分为双组分蒸馏及多组分蒸馏。按操作压力则可分为常压蒸馏、加压蒸馏、减压(真空)蒸馏。此外,按操作是否连续蒸馏和间歇蒸馏。工业中的蒸馏多为多组分精馏,从石油工业、酒精工业直至焦油分离,基本有机合成,空气分离等等,特别是大规模的生产中精馏的应用更为广泛。本设
6、计着重讨论常压下甲醇-水双组分体系精馏。一、板式精馏塔设计流程说明板式塔的类型有很多,但其设计原则基本相同。一般来说,板式塔的设计步骤大致如下:根据设计任务和工艺要求,确定设计方案;根据设计任务和工艺要求,选择塔板类型;确定塔径、塔高等工艺尺寸;进行塔板设计,包括溢流装置的设计、塔板的布置、升气道(泡罩、筛孔或浮阀等)的设计及排列;进行流体力学验算;绘制塔板的负荷性能图;根据负荷性能图,对设计进行分析,若设计不够理想,可对某些参数进行调整,重复上述设计过程,一直到满意为止。(一)设计方案的确定1、装置流程的确定蒸馏装置包括原料预热器、精馏塔、塔底再沸器、塔顶冷凝器、釜液冷却器、塔顶产品冷却器等
7、设备。蒸馏过程按照操作方式的不同,可以分为连续蒸馏和间歇蒸馏两种流程。连续蒸馏具有生产能力大、产品质量稳定的优点,工业生产中以连续蒸馏为主。间歇蒸馏具有操作灵活、适应性强等优点,适合小规模、多品种或多组分物系的初步分离。蒸馏是通过物料在塔内的多次部分汽化与多次部分冷凝实现分离的,热量自塔釜输入,由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。在此过程中,热能利用率很低,为此,在确定装置流程时应该考虑余热的利用。譬如,用原料作为塔顶产品(或釜液产品)冷却器的冷却介质,既可将原料预热,又可节约冷却介质。另外,为保持塔的操作稳定性,流程中除用泵直接送入塔内,原料也可采用高位槽送料,以免受泵操作波动的影响。塔
8、顶冷凝器装置可采用全凝器、分凝器-全凝器两种不同的设置。工业上以采用全凝器为主,以便于准确控制回流比。塔顶分凝器对上升的蒸汽有一定的增浓作用,若后续装置用气态物料。则宜用分凝器。总之,确定流程时,要较全面、合理地兼顾设备费用、操作费用、操作控制及安全诸因素。2、操作压力的选择蒸馏过程按操作压力不同分为常压蒸馏、减压蒸馏和加压蒸馏。一般,除热敏性物系外,凡通过常压蒸馏能达到分离要求,并能用江河水或循环水将馏出物冷凝下来的物系,都应采用常压蒸馏;对热敏性物系或者混合物泡点过高的物系,则宜采用减压蒸馏;对常压下馏出物的冷凝温度过低的物系,需提高塔压或者采用深井水、冷冻盐水作为冷却剂;而常压下呈气态的
9、必须采用加压蒸馏。本次课程设计的分离体系是甲醇-水体系,采用常压操作。3、进料状况的选择 蒸馏操作有5种进料状况,进料状况不同,会影响塔内各层塔板的气、液相负荷。工业上多采用接近泡点的液体进料和饱和液体(泡点)进料,通常用釜残液预热原料。若工艺要求减少塔釜的加热量,以避免釜温过高,料液产生聚合或结焦,则应采取气态进料。本次课程设计中采取泡点进料的进料方式。4、加热方式的选择蒸馏大多采用间接蒸汽加热,设置再沸器。有时也可采用直接蒸汽加热,例如蒸馏釜残夜中的主要组分是水,且在低浓度下轻组分的相对挥发度较大时(如乙醇和水的混合液)宜用直接蒸汽加热,其优点是可以利用压力较低的加热蒸汽以节省操作费用,并
10、省掉间接加热设备。但由于直接蒸汽的加入对釜内溶液起一定的稀释作用,在进料条件和产品纯度、轻组分收率一定的前提下,釜液浓度相应降低,故需要在提馏段增加塔板已达到生产要求。本次课程设计的分离体系是甲醇-水体系,我们采用间接蒸汽加热的加热方式。5、回流比的选择回流比是精馏操作的重要工艺条件,其选择原则是使设备费用和操作费用之和最低。如下图。图1-1 最佳回流比图而在本次课程设计中,我们借助Aspen化工模拟软件,通过其软件包内的简捷设计模块(DSTWU)进行设计计算。设计中,给定相应的设计参数,通过模拟计算,最终计算出不同理论板数下的回流比,并绘制出回流比-理论板数关系曲线。在曲线斜率绝对值较小的区
11、域选择最佳回流比。(二)塔板的类型与选择 1、泡罩塔泡罩塔是19世纪初随工业蒸馏建立而发展起来的,属于最早流行的结构。塔板上的主要部件是泡罩。它是一个钟形的罩,支在塔板上,其下沿有长条形或椭圆形小孔,与板面保持一定距离。罩内覆盖着一段很短的升气管,升气管的上口高于罩下沿的小孔或齿逢。塔板下方的气体经升气管进入罩内之后,折向下到达罩管之间的环形空隙,然后从罩下沿的小孔或齿逢分散成气泡而进入板上的液层。泡罩塔操作稳定,操作弹性好,能正常操作的最大负荷与最小负荷之比达45。但是,由于它的构造比较复杂,造价高,阻力(变现为气体通过每层板的压降)亦大,而气、液通量和板效率却比其他类型板式塔为低,已逐渐被
12、其他型式的塔所替代。然后,由于它的使用历史长,对它研究得比较充分,设计数据也积累得较为丰富,故要求可靠性高的场合中仍在使用。2、筛板塔筛板与泡罩的差别在于取消了泡罩与升气管,而直接在板上开有很多小直径的孔筛孔。操作时气体通过小孔上升,液体则通过降液管流到下一层板。分散成泡的气体使板上液层形成强烈湍动的泡沫层。筛板塔结构简单,制造维修方便,造价低,板上液面落差小,气体压降低,生产能力较大,相同条件下生产能力高于浮阀塔,塔板效率接近浮阀塔。其缺点是稳定操作范围窄,筛孔易堵塞,不适宜处理粘性大的、易结焦的和带固体粒子的物料。但设计良好的筛板塔仍具有足够的操作弹性,对易引起堵塞的物系可采用大孔径筛板。
13、 3、浮阀塔浮阀塔板是在泡罩塔板和筛板塔板的基础上发展起来的,它吸收了两种塔板的优点。其结构特点是在塔板上开有若干个阀孔,每个阀孔装有一个可以上下浮动的阀片。气体从浮阀周边水平地进入塔板上的液层,浮阀可根据气流流量的大小而上下浮动,自行调节。浮阀的类型很多,国内常用的有F1型、V-4型及T型等,其中以F1型浮阀应用最为普遍。浮阀塔板的优点是结构简单、制造方便、造价低;塔板开孔率大,生产能力大;由于阀片可随气量变化自由升降,故操作弹性大;因上升气流水平吹入液层,气液接触时间较长,故塔板效率较高。其缺点是处理易结焦、高粘度的物料时,阀片易与塔板粘结;在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象,使得
14、塔板效率和操作弹性下降。在本次“精馏塔设计”中,综合考虑利弊,选择了筛板塔。二、板式精馏塔的设计计算(一)精馏塔全塔物料衡算F:进料量, :原料中甲醇的含量(摩尔分数,下同)D:塔顶产品流量, :塔顶轻组分组成W:塔底残夜流量, :塔底轻组分组成原料中甲醇含量:塔顶产品中甲醇含量:塔底残夜中甲醇含量: 塔顶产品流量: 物料衡算式:联立方程求解: (二)回流比和塔板数的确定(Aspen简捷模块设计计算) 通过ASPEN化工模拟软件中的简捷模块(DSTWU)对精馏塔进行简捷计算,根据给定的加料条件和分离要求计算最小回流比、最小理论板数、理论板数和加料板位置。1、建立流程图:建立如图2-1所示的DS
15、TWU模块流程图图2-1 模块流程图2、输入组分:输入组分甲醇(CH3OH)和水(H2O),如图2-2所示图2-2 组分输入页面图3、选择物性方法:选择物性方法NRTL-RK,如图2-3所示图2-3 物性方法选择4、输入进料条件:压力125kPa,流率0.4335kmol/s,摩尔组成:甲醇0.2727,水0.7273,如图2-4所示图2-4 进料条件输入5、输入模块参数: 本次课程设计中,甲醇为轻关键组分,水为重关键组分。根据产品纯度要求,计算塔顶轻关键组分的回收率(即塔顶甲醇回收率)以及塔顶重关键组分的回收率(即塔顶水回收率),计算公式如下: 塔顶甲醇回收率:塔顶水回收率: 回流比(Ref
16、lux ration)中输入“-1.5”,表示实际回流比是最小回流比的1.5倍。塔顶冷凝器压力项输入105kPa,塔底再沸器压力项输入125kPa.如图2-5所示。图2-5 模块参数输入6、运行模拟 在Summary页面可看到计算出的最小回流比为1.01332,最小理论板数为8(包括全凝器和再沸器),实际回流比为1.5198,实际理论板数为15,进料位置为第9块塔板,塔顶产品与进料摩尔流率为0.282352。如图2-6所示。图2-6 模拟运行结果(三)灵敏度分析 绘制回流比与塔板数的关系曲线,从曲线上找到期望的回流比以及塔板数。同时,研究加料板位置对产品的影响,确定合适的加料板位置。 1、生成
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