甲醇回收塔基本工艺专业课程设计.doc
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1、一 前言甲醇用途广泛,是基本有机化工原料和优质燃料。重要应用于精细化工,塑料等领域,用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲脂等各种有机产品,也是农药、医药重要原料之一。塔设备是化工,制药,环保等生产中广泛应用气液传质设备。依照塔内气液接触部件形式,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。工业上对塔设备重要规定:(1)生产能力大(2)分离效率高(3)操作弹性大(4)气体阻力小构造简朴、设备取材面广等。塔型合理选取是做好塔设备设计首要环节,选取时应考虑物料性质、操作条件、塔设备性能以及塔设备制造、安装、运转和维修等方面因素。板式塔研究起步较早,其流体力学和传
2、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,但由于构造简朴、造价较低、适应性强、易于放大等特点,因而在70年代此前很长一段时间内,塔板研究始终处在领先地位。然而,70年代初期浮现世界能源危机迫使填料塔技术在近来获得了长足进展。由于性能优良新填料相继问世,特别是规整填料和新型塔内件不断开发应用和基本理论研究不断进一步,使填料放大技术有了新突破,变化了以板式塔为主局面。在国内,随着石油化工不断发展,传质分离工程学研究不断进一步,使填料塔技术及其应用进入了一种崭新时期,其工业应用与发达国家并驾齐驱,进入世界先进行列。评价塔设备基本性能指标重要有:1、产量和通量
3、:前者指单位时间解决物料量,而后者指单位塔截面上单位时间物料解决量。2、分离效率:对板式塔是指每层塔板所能达到分离限度。填料塔则是单位填料层高度分离能力。3、适应能力及操作弹性:对各种物料性质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能力。4、流体阻力:气相通过每层塔板或单位高度填料层压降。除上述几项重要性能外,塔造价高低、安装、维修难易以及长期运转可靠性等因素,也是必要考虑实际问题。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。塔内件有不同形式液体分布装置、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,新型填料塔性能具备
4、如下特点:生产能力大、分离效率高、压力降小、操作弹性大、持液量小等长处。本设计综合考虑流程,产量,分离规定,操作控制等因素,采用填料塔实现甲醇回收目的。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),别的为水。原料温度为25。常压操作,塔釜用直接蒸汽加热。规定甲醇回收率不不大于98%。三 设计阐明书符号表a质量比例。a填料比表面积,m2/m3。A面积,m2。cp比热容,kJ/kgK。d管径,mm。D塔顶产品流量,kmol/h。D塔径,m。Di圆筒内径,mm。DN公称直径,mm。F进料量流量,kmol/h。g重力加速度,
5、m/s2。G汽相摩尔流率,kmol/(sm2)H扬程,m。Hb塔底空间高度,m。Hd塔顶空间高度(不涉及封头),m。Hf液体再分布器空间高度,m。h0封头直边高度,mm。HETP等板高度,m。hf沿程阻力,J/kg。K传热系数,W/(m2)。l管长,m。L液相摩尔流量,kmol/h。Lh液体喷淋量,m3/h。Lh,min最小液体喷淋量,m3/h。Lw,min最小润湿率,m3/(mh)。M摩尔质量,kg/kmol。n填料层分层数。NT理论塔板数。p压强,Pa。p压降,Pa。PN公称压力,Pa。Q换热器热负荷,W。R回流比。Re雷诺数,无量纲。Rmin最小回流比。t温度,。tm对数平均温度差,。T
6、绝对温度,K。u空塔气速,m/s。uf空塔气体泛速,m/s。U喷淋密度,m3/(m2h)。Umin最小喷淋密度,m3/(m2h)。V汽相摩尔流量,kmol/h。W塔底产品流量,kmol/h。W质量流量,kg/h。Wh热流体质量流量,kg/h。x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高度,m。组分相对挥发度。汽化潜热,kJ/kg。空隙率。管壁绝对粗糙度,m。密度,kg/m3。流体粘度,Pas。摩擦系数,无量纲。局部阻力系数,无量纲。回收率。表面张力,N/m。d圆筒设计厚度,mm。填料因子,m2/m3。焊接头系数。全凝器四 流程设计原料回收塔预热器饱和蒸
7、汽精馏塔塔底产品塔顶产品塔顶产品塔底产品再沸器进料泵图4.1 精馏流程图对于给定低浓度甲醇水溶液,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水和杂质从塔底排出,塔顶得到浓度较高甲醇蒸汽;甲醇蒸气直接引入精馏塔精馏,精馏塔顶可获得高纯度甲醇。回收塔塔底产品为甲醇含量极低水,可直接排放。回收塔目是初步提纯甲醇并除去大量水,这样在精馏塔中可减少解决量,相比单塔精馏,能耗更低,操作弹性也更大。针对回收塔规定有很高甲醇回收率,但不规定塔顶浓度很高。本设计采用提馏塔形式,原料从塔顶直接加入,不设回流装置。此外考虑到塔底浓
8、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。采用直接蒸汽另一种好处是对蒸汽压规定更低,这是由于省去了间接加热温度差。本流程在回收塔前设立原料预热器,这样可减少原料温度波动对塔分离性能影响。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,故不运用回收塔塔底排放液热能。综合前述考虑,本设计拟定甲醇回收塔工况如下:将25下质量百分数为13%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不大于98%,塔顶产品浓度和流量将通过优选拟定; 回收塔用直接蒸汽加热。五 物性参数水物性参数:M水 = 18.02 kg/kmol表5.1
9、水物性参数压强p10-5Pa温度t密度kg/m3比热容cp10-3J/kgK黏度105Pas表面张力103N/m1.010999.94.212178.7875.6110999.74.191130.5374.1420998.24.183100.4272.6730995.74.17480.1271.2040992.24.17465.3269.6350988.14.17454.9367.6760983.24.17846.9866.2070977.84.16740.6064.3380971.84.19535.5062.5790965.34.20831.4860.71100958.44.22028.24
10、58.84甲醇物性参数:M甲醇 = 32.04 kg/kmol表5.2 甲醇物性参数压强p10-5Pa温度t密度kg/m3比热容cp10-3J/kgK黏度105Pas表面张力103N/m1.0108092.3660.82524.50108012.4580.70023.29207922.5120.60022.07307822.5500.52420.87407722.5720.47019.67507642.6180.40018.50607542.6750.51017.33707462.7300.31916.19807362.7700.27815.04907252.8310.24513.921007
11、142.8920.22512.80水蒸汽物性参数:M水蒸汽 = 18.02 kg/kmol表5.3 水蒸汽物性参数温度t压强p10-5Pa密度kg/m3汽化潜热kJ/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)图由6水甲醇体系平衡数据:表6.1 水甲醇体系平衡数据xyt/xyt/xyt/0.0000.000100.0 0.1500.51784.4 0.7000.87069.3 0.0200.13496.4 0.2000.57981.7 0.8000.91567.5 0.0400.23093.5 0.3000.66578.0 0.9000.
12、95866.0 0.0600.30491.2 0.4000.72975.3 0.9500.97965.0 0.0800.36589.3 0.5000.77973.1 1.0001.00064.5 0.1000.41887.7 0.6000.82571.2 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 数据换算M甲醇 = 32.04 kg/kmolM水 = 18.02 kg/kmol F = 60吨/天 = 126 kmol/h原料液甲醇摩尔分率:xF =0.07756.2.2 物料衡算F = D + W W = F = 126 kmol/h塔釜产品甲醇
13、摩尔分率:xW=0.00155 图6.2 x-y平衡图 图6.3 局部放大x-y平衡图6.3 理论板数计算本设计采用图解法初步拟定理论板数和加热蒸汽量。最后采用化工模仿软件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,进料构成xf=0.0775。在回收率拟定状况下,加热蒸汽量变化将变化提馏线斜率,进而影响塔顶产量,浓度和所需理论板数。加热蒸汽量加大,斜率小,所需理论板数少,设备投资小。但塔顶产品量大,浓度低,能耗大。并且会给后续精馏塔操作增大承担。反之,减小气量设备投资变大。由提馏线方程可知,当蒸汽进量V0= V=26.84kmol/h,直线斜率=F/V=4.673。
14、xw= 0.00155,yw=0,xF= 0.0775,yF= 0.3565时,所需理论板数 NT。因而必要依照理论塔板数,选取最适当蒸汽用量。对两组分非抱负体系,采用图解法拟定理论板数是以便而有效办法,本设计用计算机图解分析了加热气量对理论板数影响。 图6.4至图6.7.为全塔和局部放大图解成果。y11y17y15y13xFxw图6.4 气相构成为y13、y15、y17图解法y11y17y15y13xw图6.5 局部放大气相构成为y13、y15、y17图解法y18y16y14y12xFxw图6.6 气相构成为y12、y14、y16、y18图解法y18y16y14y12xw图6.7 局部放大气
15、相构成为y12、y14、y16、y18图解法由图解法得到进气量与塔顶产品浓度关系如表6.2所示,进气量与理论板数关系如表6.3和图6.8所示。其规律和前面分析一致。表6.2 进气量变化相应y1不同取值序号V0(kmol/h)F/Vy1126.844.6940.3565228.154.4770.34331.903.9500.30436.813.4230.26543.502.8970.22653.172.3700.18768.361.8430.14895.701.3170.10表6.3 进气量变化与理论板数关系V0(kmol/h)NT28.15 1031.90 736.81 643.50 553.
16、17 468.36 395.70 3图6.8 进气量变化与理论板数关系由图6.4可见,在流量达到43.50 kmol/h后,增长气量对理论板数影响不大,且进气量越大,塔顶汽相构成越小,塔径越大,因而选取理论塔板数NT = 5,进气量V0 = 43.50 kmol/h。提馏线方程:y=2.897x-0.00448986.4 ASPEN模仿软件验算ASPEN PLUS模仿软件是国际知名化工模仿软件,并被诸多知名公司定为公司原则10。 考虑到本设计解决体系是非抱负物系,且前述图解法采用了恒摩尔流假设等近似。本节对回收塔应用ASPEN PLUS软件进行模仿,采用塔器模仿中RADFRC办法进行了验算。这
17、种办法是按严格热力学模型和精馏分离算法模仿过程。图6.9为回收塔模型图。给定条件来自上节选定成果,即:理论板数为5块,原料进塔温度90,蒸汽用量43.5kmol/h ,进塔蒸汽1.5atm(绝压)。图 6.9 aspen甲醇回收塔图表6.4 aspen计算成果流股数据FV0DW进塔进塔出塔出塔LIQUIDVAPORVAPORLIQUIDSubstream:MIXED Mole Flow kmol/hr METHANOL10.14291010.058230.0846782 WATER120.731143.532.76568131.4654Total Flow kmol/hr130.87443.5
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- 甲醇 回收 基本 工艺 专业课程 设计
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