甲醇回收塔结构设计
第一章概述
1.1前言
在化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门，塔设备是一种重要的单元操作设备。它的应用面广、量大。塔设备广泛用于蒸馏、吸收（气提）、萃取、气体的洗涤、增湿及冷却等单元操作中，它的操作性能好坏，对整个装置生产，产品产量、质量、成本以及环境保护、“三废”处理等都有较大的影响。因此对塔设备的研究一直是工程界所关注的热点。 塔器按其结构可分为两大类：板式塔和填料塔。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，因而70年代以前的很长一段时间里，板式塔的研究处于领先地位。70年代，由于性能优良的新型填料相继问世，特别是规整填料及新型塔内件的不断开发应用和基础理论研究的不断深入，使填料塔的放大技术有了新的突破，改变了以板式塔为主的局面，填料塔也进入了一个崭新的时期。 本次设计任务是分离甲醇水的混合液，以回收甲醇，塔径DN400已定，且处理量不算很大，故采用填料塔。
1.2甲醇回收塔的设计背景
本次任务设计的甲醇回收塔是针对工厂废液等的进行甲醇提纯回收，不仅能有效的保护环境，还能回收有用产品，节约能源，是一件大有裨益的事。
二十多年来，填料塔以其优良的综合性能不断推广应用于工业生产中，改变了板式塔长期占据统治地位的局面。
与板式塔相比，新型的填料塔性能具有如下特点：
（1）生产能力大
板式塔与填料塔的流体流动和传质机理不同。板式塔的传质通过上升的蒸汽穿过板上的液池来实现。塔板的开孔率一般占塔板截面积的8~15%，其优化设计要考虑塔板面积与降液管面积的平衡，否则即使开孔率大也不会使生产能力提高。填料塔的传质是通过上升蒸汽的与靠重力沿填料表面下降的液体逆流接触实现。填料塔的开孔率通常在50%以上，其空隙率则超过90%，一般液泛点都较高，其优化设计主要考虑与塔内件的匹配，若塔设计合理，填料塔的生产能力一般均高于板式塔。
（2）分离效率高
塔的分离效率决定于分离物系的性质、操作状态（压力、温度、流量等）以及塔的类型及性能。
一般情况下下，填料塔具有较高的分离效率，但其效率会随着操作状态的变化而变化。
（3）压力降小
填料塔由于空隙率较高，故其压降远远小于板式塔。一般情况下，塔的每个理论级的压降，板式塔为0.4~1.1kPa；散装填料为0.013~0.27kPa；规整填料为0.01~1.07kPa。压降低，对于新塔可以大幅度降低塔高，减小塔径；对于老他可以减小回流比以求节能或提高产量与产品质量。 （4）操作弹性大
操作弹性是指塔对符合的适应性。塔正常操作负荷的变动范围越宽，则操作弹性越大。由于填料本身对负荷变化的适应性很大，故填料塔的操作弹性决定于塔内件的设计，特别是液体分布器的设计，因而可以根据实际需要确定填料塔的操作弹性。而板式塔的操作弹性则受到塔板液泛、雾沫夹带及降液管能力的限制，一般操作弹性较小。
（5）持液量小
持液量是指塔在正常操作时填料表面、内件或塔板上所持有的液量，它随操作负荷的变化而有增减。对于填料塔，持液量一般小于6%，而板式塔则高达8%~12%。持液量大，会加长开工时间。
填料塔较板式塔优点很多，但造价通常高于板式塔。
1.3回收塔主要工艺流程
（1）进料状况
进料状况一般有泡点进料、露点进料、气-液混合物进料、过冷液体进料、过热蒸汽进料。此次设计采用泡点进料。采用泡点进料，不仅对稳定塔操作较为方便，且不受季节气候温度影响。泡点进料时基于恒摩尔流假定精馏段和提馏段塔径基本相等，制造上较为方便。
（2）塔顶冷凝方式
塔顶冷凝采用全凝器，用水冷凝，甲醇和水不反应，且容易冷凝，故采用全凝器。塔顶出来的气体温度不高，冷凝后回流液和产品温度不高无需进一步冷却。此次分离是要得到液体甲醇，故选用全凝器符合要求。
（3）回流方式
回流方式可分为重力回流和强制回流。对于小型塔，回流冷凝器一般安装在塔顶。其优点是回流冷凝器无需支撑结构，缺点是回流冷凝器回流控制较难。本次任务是针对小型塔，采用重力回流。（4）加热方式
加热方式可分为直接蒸汽和间接蒸汽加热。直接蒸汽加热是用蒸汽直接由塔底进入塔内。由于重组分是水，故省略加热装置。间接蒸汽加热是通过加热器使釜液部分汽化，上升蒸汽与回流下来的冷液进
行传质。本次任务用间接蒸汽加热，由于塔径较小，采用内置盘管再沸器，用水蒸气作加热介质。
1.4基础数据及设计内容
（1）基础数据：
进料流量 2500kg/h ； 料液组成含甲醇50%，塔顶组成含甲醇99.5%，残液含甲醇2%；精馏塔
直径400Φ，设计压力0.65MPa ，设计温度105℃；再沸器直径1000Φ，管内压力0.6MPa ，设计温度158℃。 （2）设计方案
根据设计要求，对精馏装置的流程、操作条件、主要设备及其材料的选取等进行叙述。
（3）精馏塔工艺计算。
物料衡算，能量衡算，理论塔板数的计算，工艺条件和相关物性数据的查阅及计算
（4）塔体的主要工艺尺寸的设计计算。
塔径的计算，填料层高度的计算，填料层压降的计算以及塔内件的设计计算，塔的附属设备的
计算。
（5）精馏塔设备设计及选型
塔体材料材料选取，壁厚计算，封头的选型，精馏塔各部分高度、质量的计算及塔体的连接形
式，地震载荷、风载荷的计算校核及应力校核，手孔、接管及开孔补强的计算，裙座和基础环的设计。
第二章 精馏塔工艺计算
2.1精馏塔的物料衡算
（1）原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 甲醇的摩尔质量 32.04/A M kg kmol = 水的摩尔质量 18.02/B M kg kmol = 进料含甲醇 50%（w ） 塔顶含甲醇 99.5%（w ） 塔底含甲醇 2%（w ） 摩尔分数：0.5/32.04
0.3600.5/32.040.5/18.02
F x =
=+
0.995/32.04
0.9910.995/32.040.005/18.02
D x ==+
0.02/32.04
0.0110.02/32.040.98/18.02
W x ==+
（2）原料液及塔顶、塔底的平均摩尔质量
0.36032.04(10.360)18.0223.07/F M kg kmol =⨯+-⨯=
0.99132.04(10.991)18.0231.91/D M kg kmol =⨯+-⨯= 0.01132.04(10.011)18.0218.17/W M kg kmol =⨯+-⨯=
（3）物料衡算
已知进料流量为2500/kg h ，换算成摩尔处理量 2500
108.366/23.07
F kmol h =
= 全塔物料衡算：
W
D F Wx Dx Fx W D F +=+=，38.592/D kmol h =，69.774/W kmol h =
2.2理论塔板数
2.2.1相对挥发度
由()()
11A A A A x y x y α-=
-，再根据表1[]2数据可得到不同温度下的挥发度，见表2 表2.1 水—甲醇体系的平衡数据
表2.2
所以 4.20m α==
2.2.2最小回流比及操作回流比精馏塔填料
泡点进料：0.360q F x x == ()()4.200.360
0.703111 4.2010.360
m F q m F x y x αα⨯=
==+-+-⨯
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