填料塔課程設計---甲醇——水混合液體填料塔的設計

1、<p>　　甲醇——水混合液體填料塔的設計</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一、設計簡要- 2 -</p><p>　　二、設計任務書- 4 -</p><p>　　三、精餾塔全塔物料衡算- 4 -</p><p>　　四、塔板的計算- 6 -<

2、;/p><p>　?。ㄒ唬?最小回流比的確定及操作回流比的確定- 6 -</p><p>　?。?）塔頂產(chǎn)品產(chǎn)量、釜殘液量及加熱蒸汽量的計算- 6 -</p><p>　　（4）全凝器冷凝介質的消耗量- 7 -</p><p>　?。?）熱能利用- 7 -</p><p>　?。?）理論塔板層數(shù)的確定- 8 -

3、</p><p>　?。?）填料的選擇- 9 -</p><p>　　五、塔徑的相關計算- 9 -</p><p>　?。ㄒ唬囟扔嬎? 9 -</p><p>　　（二）、精餾段液相：- 10 -</p><p>　?。ㄈ⒛栙|量及密度的計算：- 11 -</p><p>　　六

4、、填料的選擇及相關工藝計算- 13 -</p><p>　　（一）、選取階梯環(huán)- 13 -</p><p>　?。ǘ⑻盍细叨龋? 13 -</p><p>　　（三）、塔徑，泛速，壓降等：- 14 -</p><p>　?。ㄋ模娏苊芏龋? 16 -</p><p>　?。ㄎ澹?、潤濕面積：- 16 -

5、</p><p>　　七、換熱器的選擇- 17 -</p><p>　?。ㄒ唬⑺敎囟? 17 -</p><p>　?。ǘ?、c1m1的計算- 17 -</p><p>　?。ㄈ? 18 -</p><p>　?。ㄋ模?、求取較正系數(shù)：- 18 -</p><p>　　（五）、求

6、傳熱面積- 18 -</p><p>　　（六）、采用水走管程，乙醇-水蒸氣走殼程。- 18 -</p><p>　?。ㄆ撸?、換熱器總管數(shù)。- 19 -</p><p>　　（八）、傳熱面積- 19 -</p><p>　?。ň牛⒆枇p失計算：- 19 -</p><p>　　八、填料附件的選取：- 21

7、 -</p><p>　?。ㄒ唬?液體分布器：噴頭式分布器（蓮蓬頭）- 21 -</p><p>　?。ǘ?、泵的選取：- 21 -</p><p>　　九、主要符號說明- 23 -</p><p>　　十、思考題………………………………………………………………………....-25-</p><p>　　一、設

8、計簡要 　?。ㄒ唬┨盍纤O計的一般原則 　　填料塔設計一般遵循以下原則: 　　 ①:塔徑與填料直徑之比一般應大于15：1，至少大于8：1； 　　 ②：填料層的分段高度為：金屬:6.0-7.5m，塑料：3.0-4.5； 　 　③：5-10倍塔徑的填料高度需要設置液體在分布裝置，但不能高于6m； 　 　④：液體分布裝置的布點密度，Walas推薦95-130點/m2,Glitsh公司建議65-150點/m2

9、 　 ?、荩禾盍纤僮鳉馑僭?0%的液泛速度附近； 　 ?、蓿河捎陲L載荷和設備基礎的原因，填料塔的極限高度約為50米 　　（二）設計題目與要求 　　 甲醇——水混合液體填料精餾塔的設計。原料及組成：甲醇——水混合液。甲醇質量分率46%。處理量：20000 。 操作條件：常壓，飽和液體進料。 產(chǎn)品質量要求：塔頂產(chǎn)品甲醇分率》99.7%。 塔底甲醇含量≤0.5%</p><p>　　要求：綜

10、合運用《化工原理》和相關先修課程的知識，聯(lián)系化工生產(chǎn)實際，完成吸收操作過程及設備設計。要求有詳細的工藝計算過程（包括計算機輔助計算程序）、工藝尺寸設計、輔助設備選型、設計結果概要及工藝設備條件圖。同時應考慮： 　　 ①：技術的先進性和可靠性 　　 ②：過程的經(jīng)濟性 　　 ③：過程的安全性 　 ?、埽呵鍧嵣a(chǎn) 　　 ⑤：過程的可操作性和可控制性 　?。ㄈ┰O計條件 　 　①：設計溫度：常溫

11、（25℃） 　 ?、冢涸O計壓力：常壓 (101.325 kPa) 　 ?、郏何談囟龋?0℃ 　　（四）工作原理 　　 氣體混合物的分離，總是根據(jù)混合物中各組分間某種物理性質和化學性質的差異而進行的。吸收作為其中一種，它根據(jù)混合物各組分在某種溶劑中溶解度的不同而達到分離的目的。在物理吸附中，溶質和溶劑的結合力較弱，解析比較方便。 　　 填料塔是一種應用很廣泛的氣液傳質設備，它具有結構簡單、壓降低、填料

12、易用耐腐蝕材料制造等優(yōu)點，操作時液體與氣體經(jīng)過填料時被填料打散，增大氣液接觸面積，從而有利于氣體與液體之間的傳熱</p><p><b>　　二、設計任務書</b></p><p>　　設計題目：甲醇——水混合液體填料精餾塔的設計。</p><p>　　工藝條件：原料及組成：甲醇——水混合液</p><p><b&

13、gt;　　甲醇質量分率46%</b></p><p>　　處理量：20000 </p><p>　　操作條件：常壓，飽和液體進料</p><p>　　產(chǎn)品質量要求：塔頂產(chǎn)品甲醇分率》99.7%</p><p>　　塔底甲醇含量≤0.5%</p><p>　　填料精餾塔流程圖如下圖所示：</p>

14、<p>　　三、精餾塔全塔物料衡算</p><p>　　F：進料量（kmol/s） </p><p>　　：原料組成（摩爾分數(shù)，下同）</p><p>　　D：塔頂產(chǎn)品流量（kmol/s） </p><p><b>　?。核斀M成</b></p><p>

15、　　W：塔底殘液流量（kmol/s） </p><p><b>　　：塔底組成</b></p><p>　　由η= 得D=η</p><p><b>　　由 得</b></p><p>　　表1 甲醇-水溶液體系的平衡數(shù)據(jù)</p><p><b>

16、;　　四、塔板的計算</b></p><p>　　（一）、 最小回流比的確定及操作回流比的確定</p><p>　　利用安托因方程求解乙醇的飽和蒸汽壓；</p><p>　　其中A=16.6583 B=3674.491 C=-46.702</p><p>　　解得 15.725kpa </p><

17、;p>　　因此 α= </p><p>　　平衡線方程： q線方程： </p><p>　　求出兩個方程的交點為（Xq，Yq）=（ 0.238，0.547）</p><p>　　然后餾出液的組成

18、為，在圖像上的坐標為（）既(0.1804,0.5041)</p><p>　　通過這兩個點將斜率求出來</p><p>　　該斜率為最小回流比時的精餾段操作線方程的斜率</p><p><b>　　斜率= 0.8</b></p><p>　　可取操作回流比 &l

19、t;/p><p>　　（3）塔頂產(chǎn)品產(chǎn)量、釜殘液量及加熱蒸汽量的計算</p><p>　　以年工作日為300天，每天開車24小時計，進料量為：</p><p>　　kmol╱h </p><p>　　由全塔的物料衡算方程可寫出：</p><p>　　(蒸汽) 解得

20、 kmol╱h </p><p>　　kmol╱h kmol╱h </p><p>　?。?）全凝器冷凝介質的消耗量</p><p>　　塔頂全凝器的熱負荷： 可以查得，所以</p><p><b&g

21、t;　　kJ╱h</b></p><p>　　取水為冷凝介質，其進出冷凝器的溫度分別為25℃和35℃則</p><p>　　平均溫度下的比熱，于是冷凝水用量可求：</p><p>　　kg╱h </p><p><b>　?。?）熱能利用</b></p><p>　

22、　以釜殘液對預熱原料液，則將原料加熱至泡點所需的熱量可記為： </p><p>　　其中 67.8℃</p><p>　　在進出預熱器的平均溫度以及℃的情況下可以查得比熱 4.2kJ╱kg.℃，所以，</p><p><b>　　kJ╱h</b></p&g

23、t;<p><b>　　釜殘液放出的熱量</b></p><p><b>　　若將釜殘液溫度降至</b></p><p>　　那么平均溫度77.2℃</p><p>　　查得77.2℃時的甲醇的比熱為3.0 kJ╱kg.℃</p><p>　　水的比熱為4.188kJ╱kg.℃<

24、/p><p>　　其比熱為4.046 kJ╱kg.℃</p><p><b>　　因此， kJ╱h</b></p><p>　　可知，，于是理論上可以用釜殘液加熱原料液至泡點。</p><p>　?。?）理論塔板層數(shù)的確定</p><p><b>　　精餾段操作線方程：</b>

25、</p><p><b>　　提餾段操作線方程：</b></p><p>　　q線方程：X=0.1385</p><p>　　在相圖中分別畫出上述直線，利用圖解法可以求出</p><p>　　總之，R=1.8673 N=9.0763(含塔底) 精餾N1=7.1562</p><p>　　表

26、2 常壓下甲醇-水氣液平衡組成與溫度關系</p><p>　　（7）填料的選擇填料是填料塔的核心構件，它提供了氣液兩相相接觸傳質與傳熱的表面，與塔內件一起決定了填料塔的性質。目前，填料的開發(fā)與應用仍是沿著散裝填料與規(guī)整填料兩個方面進行。 本設計選用規(guī)整填料，金屬板波紋250Y型填料。 規(guī)整填料是一種在塔內按均勻圖形排布、整齊堆砌的填料，規(guī)定了氣液流路，改善了溝流和壁流現(xiàn)象，壓降可以很小，同時還可以

27、提供更大的比表面積，在同等溶劑中可以達到更高的傳質、傳熱效果。 與散裝填料相比，規(guī)整填料結構均勻、規(guī)則、有對稱性，當與散裝填料有相同的比表面積時，填料空隙率更大，具有更大的通量，單位分離能力大。 250Y型波紋填料是最早研制并應用于工業(yè)生產(chǎn)的板波填料，它具有以下特點： 第一、比表面積與通用散裝填料相比，可提高近1倍，填料壓降較低，通量和傳質效率均有較大幅度提高。 第二、與各種通用板式塔相比，不僅傳質面積大幅度提高，

28、而且全塔壓降及效率有很大改善。 第三、工業(yè)生產(chǎn)中氣液質均可能帶入“第三相”物質，導致散裝填料及某些板式塔無法維持操作。鑒于250Y型填料整齊的幾何結構，顯示出良好的抗堵性能，因而能在某些散裝填料塔不</p><p><b>　　五、塔徑的相關計算</b></p><p><b>　?。ㄒ唬囟扔嬎?lt;/b></p><

29、p><b>　　由溫度組成圖，得：</b></p><p>　　塔底溫度=93.50 </p><p>　　塔頂溫度=78.32 </p><p>　　進料口溫度= 85.91</p><p>　　塔底、頂溫度平均值=85.91</p><p>　　圖2

30、 溫度組成圖</p><p>　?。ǘ?、精餾段液相：</p><p>　　摩爾流率：L=RD=1.867179.4=334.9kmol/h </p><p><b>　　質量流率為：</b></p><p>　　13332kg/h(3.0703kg/s)</p><p><b>

31、;　　提餾段液相：</b></p><p>　　摩爾流率：L′=L+F=334.9+867.6=1202.5kmol/h</p><p>　　質量流率為：33332kg/h(9.259kg/s)</p><p><b>　　氣相流率：</b></p><p>　　摩爾流率：V′=V=D(R+1)=179.42

32、.867=514.3kmol/h</p><p>　　質量流率為：20474kg/h(5.687kg/s)</p><p>　?。ㄈ?、摩爾質量及密度的計算：</p><p>　　1．塔頂： , </p><p><b>　　進料： </b></p><p><b>　　塔頂：

33、</b></p><p><b>　　故精餾段：</b></p><p><b>　　提餾段：</b></p><p><b>　　2. 質量分率：</b></p><p><b>　　3．精餾： </b></p><p&g

34、t;<b>　　提餾： </b></p><p>　　進料：t=84.12C</p><p><b>　　4．</b></p><p><b>　　故：精餾段：</b></p><p>　　. 液體</p><p><b>　　氣

35、體</b></p><p>　　提餾段：（設單板壓降為500Pa）</p><p><b>　　液體 </b></p><p><b>　　氣體 </b></p><p>　　圖3 甲醇—水平衡相圖</p><p>　　六、填料的選擇及相關工藝計算<

36、/p><p><b>　?。ㄒ唬?、選取階梯環(huán)</b></p><p>　　規(guī)格為：2512.51.4</p><p><b>　　塑料亂堆： </b></p><p>　　HETP=0.46m</p><p><b>　?。ǘ⑻盍细叨龋?lt;/b></

37、p><p>　　精餾段 所以查得 精餾段填料高度 精餾段總壓降2. 提餾段 所以查得 提餾段填料高度 式中 —提餾段理論板數(shù)據(jù)根據(jù)圖（圖略）得知3級； —2.81級（查得） 提餾段總壓降3. 全塔填料層壓降 4. 填料總高度 </p><p>　?。ㄈ⑺?，泛速，壓降等：</p>&

38、lt;p><b>　　先計算FP系數(shù)： </b></p><p><b>　　下面分段進行計算：</b></p><p><b>　　1.精餾段： </b></p><p><b>　　此時， </b></p><p><b>　　且&

39、lt;/b></p><p>　　取，則=0.1078</p><p>　　X、Y點坐標為：（0.01958，0.1078）</p><p><b>　　讀圖，得：</b></p><p><b>　　2．提餾段： </b></p><p><b>　　此時，

40、</b></p><p><b>　　且=</b></p><p><b>　　, =0.0882</b></p><p><b>　　取</b></p><p>　　此時坐標為：（0.04588，0.0882） </p><p><b

41、>　　讀圖知： </b></p><p><b>　?。ㄋ模?、噴淋密度：</b></p><p><b>　　最小噴淋密度為：</b></p><p>　　所以實際噴淋密度只需大于最小噴淋密度即可。</p><p><b>　?。ㄎ澹?、潤濕面積：</b><

42、;/p><p>　　根據(jù)上述所算，及有關數(shù)據(jù)的查取，知</p><p><b>　　分段進行計算：</b></p><p><b>　　精餾段：</b></p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　，</b>&l

43、t;/p><p><b>　　所以， 1—</b></p><p><b>　　=0.3644</b></p><p><b>　　求得：</b></p><p><b>　　提餾段：</b></p><p><b>　　，

44、</b></p><p><b>　　， </b></p><p><b>　　同理代入數(shù)據(jù)得：</b></p><p><b>　　七、換熱器的選擇</b></p><p><b>　?。ㄒ唬⑺敎囟?lt;/b></p><

45、p><b>　　故： </b></p><p>　?。ǘ1M1的計算</p><p>　　假定冷卻水20進入，出口為40</p><p>　　在平均溫度30下 ，</p><p><b>　?。ㄈ?</b></p><p>　?。ㄋ模?、求取較正系數(shù)：<

46、/p><p>　　據(jù)化工原理上冊,知：，合要求。</p><p><b>　　（五）、求傳熱面積</b></p><p>　　且很多參數(shù)未定，故需知傳熱系數(shù)K。</p><p>　　不妨假定：K=800。</p><p><b>　　則：</b></p><p

47、>　　（六）、采用水走管程，乙醇-水蒸氣走殼程。</p><p><b>　　取水流速管道；</b></p><p><b>　　30下，，。</b></p><p><b>　　則：</b></p><p><b>　　且</b></p>

48、;<p>　　（七）、換熱器總管數(shù)計算</p><p>　　選用4m的長管，則應為2管程；一臺換熱器的總管數(shù)為：436根。</p><p>　　表1 列管式換熱器基本參數(shù)</p><p><b>　?。ò耍?、傳熱面積</b></p><p>　　每管程數(shù)n=450/2=225,管程流通面S=2250.0

49、22=0.07065m2，與表中給出數(shù)據(jù)比較，很符合；</p><p>　　傳熱面積A=3.140.02545450=158.9 m2，比給出的155.4m2略大，以后者為準；</p><p>　　中心排管數(shù)為：1.1=23.3（較符合）。</p><p>　?。ň牛⒆枇p失計算：</p><p><b>　　1． 流速：<

50、;/b></p><p><b>　　雷諾數(shù)：</b></p><p>　　摩擦系數(shù)：取鋼管絕對粗糙度</p><p><b>　　則相對粗糙度為：</b></p><p>　　此時，查取相關數(shù)據(jù)，知：。</p><p><b>　　管內阻力損失：</b

51、></p><p>　　回彎阻力損失：=1.384kPa</p><p><b>　　故 總損失為：</b></p><p>　　2． 由上已得：Re= ，</p><p><b>　　3． </b></p><p><b>　　4．算出給熱系數(shù)：&

52、lt;/b></p><p>　　查得污垢熱阻系數(shù)及相關數(shù)據(jù)，代入得：</p><p>　　得出：= 809.2 </p><p>　　（相差不大，估計為800）</p><p><b>　　5.核算傳熱面積：</b></p><p>　　A=，比給出的面積155.4m2小，滿足要求！&l

53、t;/p><p>　　八、填料附件的選取：</p><p>　?。ㄒ唬?、 液體分布器：噴頭式分布器（蓮蓬頭）</p><p>　　1.小孔輸液能力：Q=，其中=0.82-。85，取為0.83</p><p>　　2．蓮蓬頭直徑為（0.2-0.3）D，取為0.25D=0.5225m</p><p>　　3.安裝高度，離填料表

54、面距離為：（0.5-1）D，取為0.7D=1.413m</p><p>　　4．為便于檢修，可采取法蘭連接</p><p>　　5. 法蘭：對焊法蘭—適用于壓力、溫度較高或設備直徑較大的場合。</p><p>　　6. 封頭：半球形封頭—由半個球殼構成，多用于壓力較高的貯罐。</p><p>　　7. 填料支撐結構：駝峰型填料支撐。</

55、p><p>　　8. 裙座：最常用的塔設備支撐結構，由裙座體、基礎環(huán)、螺栓座及基礎螺栓組成。</p><p>　　9. 人孔和手孔：為了檢查設備的內部空間及安裝與拆卸的內部構 手孔—一般為150mm到250mm，可選取DN250；</p><p>　　人孔—由筒節(jié)、法蘭、蓋板、手柄組成，可選取快開式結構人孔，便于經(jīng)常打開。</p><p>　　

56、10.由于填料高度較小，都不到6m，可不用液體再分布器。</p><p>　　11.本設計中，乙醇-水也不是非常容易起泡，故也可省去除沫裝置。</p><p><b>　?。ǘ?、泵的選取：</b></p><p>　　查閱相關書籍及數(shù)據(jù)，選定得：</p><p>　　封頭：540mm 塔釜：1330

57、mm</p><p>　　噴頭高：42mm 噴頭彎曲半徑：90mm</p><p>　　塔釜法蘭高：200mm 噴頭上方空隙：200mm</p><p>　　噴淋高度：72mm 塔頂空隙：1000mm</p><p>　　支撐裙座：2000mm</p><p>　　支持板：駝形支

58、撐板：300mm2</p><p>　　填料壓板：絲網(wǎng)壓板：100mm2</p><p>　　整個塔高：80.46+0.54+1.33+2+0.2+1+0.6+0.2=9.55m</p><p>　　1．從進液口至底高： </p><p><b>　　2．管程損失：</b></p><p>　　3

59、．選取管道的相關數(shù)據(jù)，選定：</p><p>　　114mm7mm ， 則內徑D=0.1m</p><p>　　4． 20水進口下：</p><p>　　5．取管道粗糙度： ， </p><p><b>　　則相對粗糙度：</b></p><p><b>　　得：</b>

60、</p><p><b>　　6． 總</b></p><p>　　7．據(jù)《化工原理》書相關圖及數(shù)據(jù)：</p><p><b>　　選得： </b></p><p>　　泵型號：IS200-150-250</p><p>　　九、主要符號說明 　　a ——填料的有效比表面

61、積，㎡/m3 　　at——填料的總比表面積，㎡/m3 　　d ——填料直徑，m 　　d0——篩孔直徑，m 　　D ——塔徑，m 　　DL——液體擴散系數(shù)，m2/s 　　DV——氣體擴散系數(shù)，m2/s 　　E——亨利系數(shù)，kPa 　　h——填料層分段高度，m 　　HETP關聯(lián)式常數(shù) 　　H——開孔上方的液位高度，m 　　HOG——氣相總傳質單元高度，m 　　NOG——氣相總傳質單元數(shù) 　　kG——氣膜吸收系數(shù)，k

62、mol/（m2&#8226;h&#8226;kPa） 　　kL——液膜吸收系數(shù)，m/h 　　K——穩(wěn)定系數(shù)，無因次 　　Mave——混合氣體的平均摩爾質量，kmol/kg 　　Lh——液體體積流量，m3/h 　　Ls——液體體積流量，m3/h 　　Lw——潤濕速率，m3/（m&#8226;h） 　　m——相平衡常數(shù)，無因次 　　n——篩孔數(shù)目（分布點數(shù)目） 　　P——操作壓力，Pa 　　P——