【正文】 甲醇回收塔結(jié)構(gòu)設(shè)計第一章 概述在化工、煉油、醫(yī)藥、食品及環(huán)境保護等工業(yè)部門，塔設(shè)備是一種重要的單元操作設(shè)備。它的應(yīng)用面廣、量大。塔設(shè)備廣泛用于蒸餾、吸收（氣提）、萃取、氣體的洗滌、增濕及冷卻等單元操作中，它的操作性能好壞，對整個裝置生產(chǎn)，產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、成本以及環(huán)境保護、“三廢”處理等都有較大的影響。因此對塔設(shè)備的研究一直是工程界所關(guān)注的熱點。塔器按其結(jié)構(gòu)可分為兩大類：板式塔和填料塔。板式塔的研究起步較早，其流體力學(xué)和傳質(zhì)模型比較成熟，數(shù)據(jù)可靠，因而70年代以前的很長一段時間里，板式塔的研究處于領(lǐng)先地位。70年代，由于性能優(yōu)良的新型填料相繼問世，特別是規(guī)整填料及新型塔內(nèi)件的不斷開發(fā)應(yīng)用和基礎(chǔ)理論研究的不斷深入，使填料塔的放大技術(shù)有了新的突破，改變了以板式塔為主的局面，填料塔也進(jìn)入了一個嶄新的時期。本次設(shè)計任務(wù)是分離甲醇水的混合液，以回收甲醇，塔徑DN400已定，且處理量不算很大，故采用填料塔。 本次任務(wù)設(shè)計的甲醇回收塔是針對工廠廢液等的進(jìn)行甲醇提純回收，不僅能有效的保護環(huán)境，還能回收有用產(chǎn)品，節(jié)約能源，是一件大有裨益的事。二十多年來，填料塔以其優(yōu)良的綜合性能不斷推廣應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，改變了板式塔長期占據(jù)統(tǒng)治地位的局面。與板式塔相比，新型的填料塔性能具有如下特點：（1） 生產(chǎn)能力大板式塔與填料塔的流體流動和傳質(zhì)機理不同。板式塔的傳質(zhì)通過上升的蒸汽穿過板上的液池來實現(xiàn)。塔板的開孔率一般占塔板截面積的8~15%，其優(yōu)化設(shè)計要考慮塔板面積與降液管面積的平衡，否則即使開孔率大也不會使生產(chǎn)能力提高。填料塔的傳質(zhì)是通過上升蒸汽的與靠重力沿填料表面下降的液體逆流接觸實現(xiàn)。填料塔的開孔率通常在50%以上，其空隙率則超過90%，一般液泛點都較高，其優(yōu)化設(shè)計主要考慮與塔內(nèi)件的匹配，若塔設(shè)計合理，填料塔的生產(chǎn)能力一般均高于板式塔。（2）分離效率高塔的分離效率決定于分離物系的性質(zhì)、操作狀態(tài)（壓力、溫度、流量等）以及塔的類型及性能。一般情況下下，填料塔具有較高的分離效率，但其效率會隨著操作狀態(tài)的變化而變化。（3）壓力降小填料塔由于空隙率較高，故其壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于板式塔。一般情況下，塔的每個理論級的壓降，~；~；~。壓降低，對于新塔可以大幅度降低塔高，減小塔徑；對于老他可以減小回流比以求節(jié)能或提高產(chǎn)量與產(chǎn)品質(zhì)量。（4）操作彈性大操作彈性是指塔對符合的適應(yīng)性。塔正常操作負(fù)荷的變動范圍越寬，則操作彈性越大。由于填料本身對負(fù)荷變化的適應(yīng)性很大，故填料塔的操作彈性決定于塔內(nèi)件的設(shè)計，特別是液體分布器的設(shè)計，因而可以根據(jù)實際需要確定填料塔的操作彈性。而板式塔的操作彈性則受到塔板液泛、霧沫夾帶及降液管能力的限制，一般操作彈性較小。（5）持液量小持液量是指塔在正常操作時填料表面、內(nèi)件或塔板上所持有的液量，它隨操作負(fù)荷的變化而有增減。對于填料塔，持液量一般小于6%，而板式塔則高達(dá)8%~12%。持液量大，會加長開工時間。填料塔較板式塔優(yōu)點很多，但造價通常高于板式塔。 （1）進(jìn)料狀況 進(jìn)料狀況一般有泡點進(jìn)料、露點進(jìn)料、氣液混合物進(jìn)料、過冷液體進(jìn)料、過熱蒸汽進(jìn)料。此次設(shè)計采用泡點進(jìn)料。采用泡點進(jìn)料，不僅對穩(wěn)定塔操作較為方便，且不受季節(jié)氣候溫度影響。泡點進(jìn)料時基于恒摩爾流假定精餾段和提餾段塔徑基本相等，制造上較為方便。 （2）塔頂冷凝方式 塔頂冷凝采用全凝器，用水冷凝，甲醇和水不反應(yīng)，且容易冷凝，故采用全凝器。塔頂出來的氣體溫度不高，冷凝后回流液和產(chǎn)品溫度不高無需進(jìn)一步冷卻。此次分離是要得到液體甲醇，故選用全凝器符合要求。 （3）回流方式回流方式可分為重力回流和強制回流。對于小型塔，回流冷凝器一般安裝在塔頂。其優(yōu)點是回流冷凝器無需支撐結(jié)構(gòu)，缺點是回流冷凝器回流控制較難。本次任務(wù)是針對小型塔，采用重力回流。 （4）加熱方式加熱方式可分為直接蒸汽和間接蒸汽加熱。直接蒸汽加熱是用蒸汽直接由塔底進(jìn)入塔內(nèi)。由于重組分是水，故省略加熱裝置。間接蒸汽加熱是通過加熱器使釜液部分汽化，上升蒸汽與回流下來的冷液進(jìn)行傳質(zhì)。本次任務(wù)用間接蒸汽加熱，由于塔徑較小，采用內(nèi)置盤管再沸器，用水蒸氣作加熱介質(zhì)。（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：進(jìn)料流量 2500kg/h； 料液組成含甲醇50%，%，殘液含甲醇2%；精餾塔直徑，設(shè)計溫度105℃；再沸器直徑，設(shè)計溫度158℃。 （2）設(shè)計方案根據(jù)設(shè)計要求，對精餾裝置的流程、操作條件、主要設(shè)備及其材料的選取等進(jìn)行敘述。 （3）精餾塔工藝計算。物料衡算，能量衡算，理論塔板數(shù)的計算，工藝條件和相關(guān)物性數(shù)據(jù)的查閱及計算 （4）塔體的主要工藝尺寸的設(shè)計計算。塔徑的計算，填料層高度的計算，填料層壓降的計算以及塔內(nèi)件的設(shè)計計算，塔的附屬設(shè)備的計算。 （5）精餾塔設(shè)備設(shè)計及選型塔體材料材料選取，壁厚計算，封頭的選型，精餾塔各部分高度、質(zhì)量的計算及塔體的連接形式，地震載荷、風(fēng)載荷的計算校核及應(yīng)力校核，手孔、接管及開孔補強的計算，裙座和基礎(chǔ)環(huán)的設(shè)計。第二章 精餾塔工藝計算（1）原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率 甲醇的摩爾質(zhì)量 水的摩爾質(zhì)量 進(jìn)料含甲醇 50%（w） 塔頂含甲醇 %（w） 塔底含甲醇 2%（w） 摩爾分?jǐn)?shù)：（2）原料液及塔頂、塔底的平均摩爾質(zhì)量（3）物料衡算 已知進(jìn)料流量為，換算成摩爾處理量 全塔物料衡算：，由，再根據(jù)表1數(shù)據(jù)可得到不同溫度下的揮發(fā)度，見表2 水—甲醇體系的平衡數(shù)據(jù)t/℃xyt/℃xyt/℃xy 溫度/揮發(fā)度溫度/揮發(fā)度所以泡點進(jìn)料： 故最小回流比為 取操作回流比為 、液相負(fù)荷精餾段： 提餾段： 精餾段操作線方程：提餾段操作線方程：由，得將代入得相平衡方程：聯(lián)立（a）、（b）、（c）三式，可至上而下逐板計算所需理論板數(shù)。因為塔頂為全凝，則由（c）式求的第一塊板下降液體組成同理得 板號12345678910yX精餾塔理論塔板數(shù)： （包括再沸器）進(jìn)料板位置： 液相平均粘度(1)進(jìn)料粘度：根據(jù)表1，用內(nèi)插法求得 查手冊得 (2)塔頂物料粘度：根據(jù)表1，用內(nèi)插法求得 查手冊得 (3)塔釜物料粘度：根據(jù)表1，用內(nèi)插法求得 查手冊得 精餾段液相平均粘度：提餾段液相平均粘度： 精餾段和提餾段的相對揮發(fā)度查表2得：，精餾段的平均揮發(fā)度：精餾段的平均揮發(fā)度： 全塔效率和實際塔板數(shù)全塔效率可用奧爾康公式：精餾段：提餾段：精餾段實際板層數(shù)：精餾段實際板層數(shù)： 工藝條件塔頂壓力：操作溫度：塔頂 塔釜 進(jìn)料 精餾段平均溫度：提餾段平均溫度： 平均摩爾質(zhì)量(1)塔頂平均摩爾質(zhì)量，(2)進(jìn)料板層平均摩爾質(zhì)量，(3)塔底層平均摩爾質(zhì)量，(4)精餾段平均摩爾質(zhì)量(5)精餾段平均質(zhì)量流量(6)提餾段液體平均摩爾組成 (7)提餾段中液體平均摩爾質(zhì)量 (8)提餾段中液體平均質(zhì)量流量 (9)提餾段蒸汽平均摩爾組成 (10)提餾段中液體平均摩爾質(zhì)量 (11)提餾段中液體平均質(zhì)量流量 平均密度(1)氣相平均密度計算 (a)精餾段蒸汽密度 (b)提餾段的蒸汽密度 (2)液相平均密度計算 液相平均密度依下列式計算 不同溫度下甲醇和水的密度物質(zhì)數(shù)值 溫度/℃5060708090100水密度/物質(zhì)數(shù)值 溫度/℃20406080100120甲醇密度/(3)塔頂液相平均密度計算 根據(jù)表3得， (4)進(jìn)料板液相平均密度計算 根據(jù)表3得， (5)塔底液相平均密度接近水的密度，精餾段液相平均密度：提餾段液相平均密度。 液體平均表面張力液相平均表面張力依下式計算：(1) 塔頂液相平均表面張力計算 查手冊得， (2)進(jìn)料板液相平均表面張力計算 查手冊得， (3)釜底液相平均表面張力接近水的表面張力，查得精餾段液相平均表面張力：提餾段液相平均表面張力。 （1）塔頂、進(jìn)料板、塔釜數(shù)據(jù)結(jié)果匯總： 塔頂、進(jìn)料板、塔釜的物性參數(shù)項目MLkg/kmol MVkg/kmolkg/m3mN/m塔頂進(jìn)料板塔釜 (2)精餾段、提餾段數(shù)據(jù)結(jié)果： 精餾段、提餾段的物性參數(shù)符號MLmkg/kmol MVmkg/kmolkg/m3kg/m3mN/m液相/氣相質(zhì)量流量kg/h液相/氣相摩爾流量kmol/h精餾段提餾段 (1)加熱介質(zhì)的選擇 常用的加熱介質(zhì)有飽和水蒸氣和煙道氣。煙道氣適用于高溫加熱，加熱溫度控制困難，故不采用。飽和水蒸氣冷凝時的傳熱膜系數(shù)很高，可以通過改變蒸汽壓力準(zhǔn)確的控制加熱溫度。（℃）的飽和水蒸氣作加熱介質(zhì)，水蒸氣易獲得，清潔干凈，不會腐蝕管道。 (2)冷卻劑的選擇常用的冷卻劑是水和空氣。選用20℃的冷卻水，升溫20℃，即冷卻水出口溫度為40℃。冷凝器的熱負(fù)荷計算公式：，其中IVD，ILD分別為塔頂上升蒸汽和塔頂餾出液的焓，kcal/kmol，其中分別為甲醇和水的蒸發(fā)潛熱，kcal/kmol。 沸點下各部分?jǐn)?shù)據(jù)符號沸點/℃蒸發(fā)潛熱/kcal/kmolTc/K甲醇8430水1009729 蒸發(fā)潛熱與溫度的關(guān)系：，其中Tr為對比溫度 (1)由沃森公式[3,4]計算塔頂溫度下的潛熱： =℃時，對甲醇， 蒸發(fā)潛熱 (2)對水，同理得，=，=， 蒸發(fā)潛熱 (3) ，對全凝器做熱量衡算（忽略熱量損失）： 甲醇：=℃時，Cp=，=℃時，Cp=，=℃時，Cp= Cp精=，Cp提= 水：=℃，=℃，=℃時，Cp水=1 計算得：D==，W== 對全塔進(jìn)行熱量衡算，℃時焓值為基準(zhǔn)進(jìn)行計算： 設(shè)塔釜的效率，則， 其中：——加熱器理想熱負(fù)荷， ——加熱器實際熱負(fù)荷， ——塔頂餾出液帶出熱量， ——塔底帶出熱量， 加熱蒸汽消耗量： 熱量