甲醇的介绍以及精馏工艺设计摘要模板.doc

河南科技学院化工原理（下）课程设计

题目：
处理量为55000吨/年分离甲醇-水体系精馏分离板式塔设计

学 院：新科学院
专 业：生物工程
班 级：生工 102
姓 名： 李浩亮
学 号：030216
指导老师： 乔梅英
5月13日

甲醇介绍和精馏工艺设计摘要
甲醇俗称木醇，是最简单饱和脂肪组醇类代表物。无色、透明、高度挥发、易燃液体,略有酒精气味,分子式。
多年来，世界甲醇生产能力发展速度较快。甲醇工业快速发展，是因为甲醇是多个有机产品基础原料和关键溶剂，广泛用于有机合成、染料、医药、涂料和国防等工业。由甲醇转化为汽油方法研究结果，从而开辟了由煤转换为汽车燃料路径。多年来碳一化学工业发展，甲醇制乙醇、乙烯、乙二醇、甲苯、二甲苯、醋酸乙烯、醋酐、甲酸甲酯和氧分解性能好甲醇树脂等产品，正在研究开发和工业化中。甲醇化工已成为化学工业中一个关键领域。
中国甲醇市场伴随国际市场原油价格在改变,总体趋势是走高。伴随原油价格深入提升，作为有机化工基础原料—甲醇价格还会稳步提升。中国又有一批甲醇项目在筹建。这么，选择最好工艺利设备，同时选择最适宜操作方法是至关关键。

本计为分离甲醇－水混合物。对于二元混合物分离，应采取连续精馏步骤。设计中采取泡点进料，将原料液经过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采取全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分加回流至塔内，其它部分经产品冷却器冷却后送至储罐。塔釜采取间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐，设计对其生产过程和关键设备进行了物料衡算、塔设备计算、热量衡算、换热器设计等工艺计算。

因为设计中对文件收索、查阅、统计全部不全，设备计算及选型全部有较大问题存在，从而选择操作点不是在最好范围内，影响了设计优良性。

目录

一、概要 - 5 -
1 设计题目 - 5 -
2 设计任务及操作条件 - 5 -
3 设计内容 - 5 -
4 参考资料 - 5 -
二、计算过程 - 6 -
1 设计方案确实定 - 6 -
2 精馏塔物料衡算 - 6 -
2.1 原料液及塔顶和塔底摩尔分率 - 6 -
2.2 原料液及塔顶和塔底产品平均摩尔质量 - 6 -
2.3 物料衡算 - 6 -
3 塔板数确实定 - 7 -
3.1 理论板层数求取 - 7 -
3.1.1 相对挥发度求取 - 7 -
3.1.2 求最小回流比及操作回流比 - 7 -
3.1.3 求精馏塔气、液相符合 - 8 -
3.1.4 求操作线方程 - 8 -
3.1.5 采取逐板法求理论板层数 - 8 -
3.2 实际板层数求取 - 9 -
3.2.1 液相平均粘度 - 9 -
3.2.2 精馏段和提馏段相对挥发度 - 10 -
3.2.3 全塔效率和实际塔板数 - 10 -
4 精馏塔工艺条件及相关物性数据计算 - 10 -
4.1 操作压力计算 - 10 -
4.2 操作温度计算 - 11 -
4.3 平均摩尔质量计算 - 11 -
4.4 平均密度计算 - 11 -
4.4.1 气相平均密度计算 - 11 -
4.4.2 液相平均密度计算 - 12 -
4.5 液体平均表面张力计算 - 12 -
5 精馏塔塔体工艺尺寸计算 - 13 -
5.1塔径计算 - 13 -
5.2 精馏塔有效高度计算 - 14 -
6 塔板关键工艺尺寸计算 - 15 -
6.1 溢流装置计算 - 15 -
6.1.1 堰长 - 15 -
6.1.2 溢流堰高度 - 15 -
6.1.3 弓形降液管宽度和截面积 - 15 -
6.1.4 降液管底隙高度 - 16 -
6.2 塔板部署 - 16 -
6.2.1 塔板分块 - 16 -
6.2.2 边缘区宽度确定 - 16 -
6.2.3 开孔区面积计算 - 16 -
6.2.4 筛孔计算及排列 - 17 -
7 塔板流体力学验算 - 17 -
7.1塔板压降 - 17 -
7.1.1 干板阻力计算 - 17 -
7.1.2 气体经过液层阻力计算 - 18 -
7.1.3 液体表面张力阻力计算 - 18 -
7.2 液面落差 - 18 -
7.3 液沫夹带 - 18 -
7.4 漏液 - 19 -
7.5 液泛 - 19 -
8 塔板负荷性能图 - 20 -
8.1 漏液线 - 20 -
8.2 液沫夹带线 - 21 -
8.3 液相负荷下限线 - 21 -
8.4 液相负荷上限线 - 22 -
8.5 液泛线 - 22 -
9 筛板塔设计计算结果 - 23 -
10 精馏塔接管尺寸计算 - 25 -
10.1 塔顶蒸汽出口管直径 - 25 -
10.2 回流管直径 - 25 -
10.3 进料管直径 - 25 -
10.4 塔底出料管直径 - 26 -
11 对设计过程评述和相关问题讨论 - 26 -
12 参考文件 - 26 -
13 关键符号说明 - 27 -
14 设计图纸 - 28 -
14.1生产工艺步骤图1 - 28 -
步骤简图2 - 28 -
14.2 绘制精馏塔设计条件图1 - 29 -
三、实习设计总结 - 30 -
致谢 - 30 -
附图一 - 31 -

概要
甲醇-水分离板式精馏塔设计
一、 设计题目：
55000吨/年甲醇-水体系精馏分离板式塔设计
二、 设计任务及操作条件
1、设计任务：
生产能力（进料量）：55000吨/年 操作周期：7200小时/年
进料组成：40%甲醇、60%水（摩尔分率）
塔顶产品组成：95%甲醇 塔底产品组成：0.04%甲醇
2、操作条件：
操作压力：塔顶压强为常压 单板压降：75mm液柱
液柱进料热状态：泡点 加热方法：间接蒸汽加热
3、设备型式：筛板式蒸馏塔
4、厂址： 新乡地域
三、设计内容
1、设计方案选择及步骤说明
2、工艺计算
3、关键设备工艺尺寸设计
（1）塔径及蒸馏段塔板结构尺寸确实定
（2）塔板流体力学校检
（3）塔板负荷性能图
（4）总塔高、总压降及接管尺寸确实定
4、辅助设备选型和设计
5、设计结果汇总
6、工艺步骤图及精馏塔工艺条件图
7、设计评述
四、参考资料
1、石油化学工业计划设计院。塔工艺计算、北京；石油化学工业出版社，1997
2、 化工设备技术全书编辑委员会。化工设备全书—塔设备设计，上海；上海科学技术出版社，1988
3、 时钧，汪家鼎等。化学工程手册，北京；化学工业出版社，1986
4、 上海医药设计院。化工工艺设计手册（上、下），北京；化学工业出版社，1986
5、 陈敏恒、丛德兹等。化工原理（上、下册）（第二版），北京；化学工业出版社，
6、 大连理工大学化工原理教研室。化工原理课程设计，大连；大连理工大学出版社，1994
7、 柴诚敏，刘国维，李阿娜。化工原理课程设计，天津；天津科学技术出版社，1995
8、 张颖、郝东升.化工工艺设计（第2版）.呼和浩特.内蒙古大学出版社.
9、 夏清、陈长贵等，化工原理，下册，天津；天津大学出版社，

1 设计方案确实定
设计任务为分离甲醇-水混合物。对于二元混合物分离，应采取连续精馏步骤。设计中采取泡点进料，将料液经过预加热至泡点后进入精馏塔内。塔顶上升蒸气采取全凝器冷凝，冷凝液在泡点下部分加回流至塔内，其它部分经产品冷却器冷却后送至储罐。塔釜采取蒸汽间接加热，塔底产品组成经冷却后送至储罐。
（注：下标A表示CH5OH ， 下标B表示H2O)
2 精馏塔物料衡算
2.1 原料液及塔顶和塔底摩尔分率
甲醇摩尔质量 =32.04kg/kmol
水摩尔质量 =18.02kg/kmol

2.2 原料液及塔顶和塔底产品平均摩尔质量
=0.432.04+(1-0.4)18.02=23.628kg/kmol
=0.9532.04+(1-0.95)18.02=31.339kg/kmol
2.3 物料衡算
原料处理量: F=5.5×(300×24×23.628)=323.27kmol/h
总物料衡算：
苯物料衡算：
联立解得 ： W=187.24kmol/h D=136.03kmol/h
3 塔板数确实定
3.1 理论板层数求取
3.1.1 相对挥发度求取
由 再依据表1数据可得不一样温度下挥发度
表1
温度T（℃）
液相摩尔分数x
气相摩尔分数y
相对挥发度α
100
0
0
0
96.4
2%
13.40%
7.
93.5
4%
23.40%
7.
91.2
6%
30.40%
6.
89.3
8%
36.50%
6.61023622
87.7
10%
41.80%
6.
84.4
15%
51.70%
6.
81.7
20%
57.90%
5.
78
30%
66.50%
4.
75.3
40%
72.90%
4.
73.1
50%
77.90%
3.
71.2
60%
82.50%
3.
69.3
70%
87.00%
2.
67.5
80%
91.50%
2.
66
90%
95.80%
2.
65
95%
97.90%
2.
64.5
100%
100%

所以
3.1.2 求最小回流比及操作回流比
泡点进料：

故最小回流比为

取操作回流比为
R=2=20.58=1.16
3.1.3 求精馏塔气、液相负荷

3.1.4 求操作线方程
精馏段操作线方程为
0.537+0.44 （）
提馏段操作线方程
（）
3.1.5 采取逐板法求理论板层数
由相平衡方程地
将代入得 （）
联立（）（）（），自上而下逐板计算所需理论板。因塔顶全凝，则
计算结果见表2
表2
板号
1
2
4
5
6
7
10
11
12
y
0.95
...
0.669
0.510
0.311
0.151
...
0.003
0.0009
x
0.81
...
0.312
0.190
0.0921
0.0384
...
0.0007
0.0002

由表2知 ，
数精馏塔理论塔板数为 =12(包含再沸器)
进料板位置：
3.2 实际板层数求取
3.2.1 液相平均粘度
塔顶物料黏度：依据表1，用内插法求得，
查手册[2]得

求得
进料黏度：依据表1，用内插法求得
查手册[2]得

求得
塔釜物料黏度：依据表1,用内插法求得，
查手册得

求得
精馏段液相平均黏度：
提馏段液相平均黏度：
3.2.2 精馏段和提馏段相对挥发度
依据表一，用内插法求得
则精馏段平均挥发度
提馏段平均挥发度

3.2.3 全塔效率和实际塔板数
全塔效率可由奥尔康公式：计算
所以精馏段
提馏段
精馏段实际板层数 块
提馏段实际板层数 块
4 精馏塔工艺条件及相关物性数据计算
4.1 操作压力计算
塔顶操作压力
每层塔板压降
进料板压力
精馏段平均压力
4.2 操作温度计算
依据操作压力，由泡点方程经过试差法计算出泡点温度。计算结果以下
塔顶温度
进料板温度
塔釜温度
精馏段平均温度
4.3 平均摩尔质量计算
塔顶平均摩尔质量计算
由，

进料板平均摩尔质量计算

精馏段平均摩尔质量

4.4 平均密度计算
4.4.1 气相平均密度计算
由理想气体状态方程计算，即

4.4.2 液相平均密度计算
液相平均密度依下式计算，即

塔顶液相平均密度计算
由，查手册[2]得

进料板液相平均密度计算
由，查手册得

进料板液相质量分率

精馏段液相平均密度为

4.5 液体平均表面张力计算
液相平均表面张力依下式计算，即

塔顶液相平均表面张力计算
由，查手册[2]得

进料板液相平均表面张力计算
由，查手册[2]得

精馏段液相平均表面张力为

5 精馏塔塔体工艺尺寸计算
5.1 塔径计算
精馏段气、液相体积流率为

由 式中C由式计算，其中由史密斯关联图查取，图横坐标为

取板间距，板上液层高度，则

查史密斯关联图[3]得=0.068
m/s
取安全系数为0.6，则空塔气速为
u

按标准塔径圆整后为 D=1.6m
塔截面积为

实际空塔气速为
u实际
u实际/ umax=<0.6(符全设计要求)
5.2 精馏塔有效高度计算
精馏段有效高度为

提馏段有效高度为

在进料板上方开一人孔，其高度为：0.8m
故精馏塔有效高度为

6 塔板关键工艺尺寸计算
6.1 溢流装置计算
因塔径D＝1.6m，可选择单溢流弓形降液管，采取凹形受液盘。各项计算以下：
6.1.1 堰长
取
6.1.2 溢流堰高度
由
选择平直堰，堰上液层高度由式
近似取E=1，则

取板上清液层高度
故
6.1.3 弓形降液管宽度和截面积
由 /D=0.60
查弓形降液管参数图[3]，得

故

依式验算液体在降液管中停留时间，即

故降液管设计合理。
6.1.4 降液管底隙高度

取
则

故降液管底隙高度设计合理。
选择凹形受液盘，深度
6.2 塔板部署
6.2.1 塔板分块
因，故塔板采取分块板。查塔板分块表得，塔板分为3块。
6.2.2 边缘区宽度确定
取
6.2.3 开孔区面积计算
开孔区面积按式计算
其中

故
6.2.4 筛孔计算及排列
本设计所处理物系无腐蚀性，可选择碳钢板，取利孔直径
筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为

筛孔数目n为
个
开孔率为

气体经过阀孔气速为

7 塔板流体力学验算
7.1 塔板压降
7.1.1 干板阻力计算
干板阻力由式计算
由，查干筛孔得流量系数图[3]得，
故 液柱
7.1.2 气体经过液层阻力计算
气体经过液层阻力由式计算

查充气系数关联图，得0.63。
液柱
7.1.3 液体表面张力阻力计算
液体表面张力阻力可按式计算，即
液柱
气体经过没层塔板液柱高度可按下式计算，即
液柱
气体经过每层塔板压降为
（设计许可值）
7.2 液面落差
对于筛板塔，液面落差很小，且塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差影响。
7.3 液沫夹带
液沫夹带量由下式计算，即

故
故在本设计中液沫夹带量在许可范围内。
7.4 漏液
对筛板塔，漏液点气速可由下式计算，即

实际孔速
稳定系数为

故在本设计中无显著液漏。
7.5 液泛
为预防塔内发生液泛，降液管内液层高度应服从下式关系，即

甲醇—水物系属通常物系，取，则

=0.5(0.40+0.0515)=0.2258m
而
板上不设进口堰，可由下式计算，即
液柱
液柱m液柱
所以
故在本设计中不会发生液泛现象。
8 塔板负荷性能图
8.1 漏液线
由 =

=
得 4.4
=

整理得
在操作数据内，任取多个值，依上式计算出值，计算结果以下

0.0003
0.0008
0.0014
0.0025
0.0030
0.0040

1.390
1.417
1.442
1.480
1.494
1.521
由上表数据即可作出漏液线（1）
8.2 液沫夹带线
以 =0.1kg液/kg气为限，求关系以下
由

=0.0515
=
故

整理得 =
在操作范围内，任取多个值，依上式计算出值，计算结果以下

0.0003
0.0008
0.0014
0.0025
0.0030
0.0040

1.8146
1.7658
1.7198
1.6501
1.6220
1.5701
由上表数据即可作出液沫夹带线 （2）
8.3 液相负荷下限线
对于平直堰，取堰上液层高度=0.005m作为最小液体负荷标准。由式得

取E=1，则

据此可作出和气体流量无关垂直液相负荷下限线（3）
8.4 液相负荷上限线
以 =4s 作为液体在降液管中停留时间下限，由 得

据此可作出和气体流量无关垂直液相负荷上限线 （4）
8.5 液泛线
令
由
联立得
忽略，将和，和，和关系式代入上式，并整理得

式中

将相关数据代入，得

故
在操作范围内，任取多个值，依上式计算出值，计算结果以下

0.0003
0.0008
0.0014
0.0025
0.0030
0.0040

5.342
5.247
5.149
4.979
4.901
4.736
由上表数据即可作出液泛线 （5）
依据以上各线方程，可作出筛板塔负荷性能图，图所表示
见附图一
在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线，由图可看出，该筛板操作上限为液泛控制，下限为液漏控制，由上图查得

故操作弹性为

9 筛板塔设计计算结果
所设计筛板塔关键结果汇总于下表
序号
项目
符号
单位
计算结果
1
平均温度

℃
71.275
2
平均压力

106.81
3
平均流量
气相

2.189
4
液相

0.0014
5
实际塔板数

块
29
6
塔有效高度
Z
m
11.6
7
塔径
D
m
1.6
8
板间距
H
m
0.4
9
塔板溢流形式
\
单溢流
10
空塔气速
u
m/s
1.089
11

溢流装置
溢流管形式
\
弓形
12
溢流堰长度

m
0.96
13
溢流堰高度

m
0.0515
14
板上液层高度

m
0.06
15
堰上液层高度

m
0.0085
16
安定区宽度

m
0.065
17
边缘区宽度

m
0.035
18
开孔区面积

1.541
19
筛孔直径
d
m
0.005
20
筛孔个数
n
个
7910
21
筛孔气速

m/s
12.243
22
孔中心距
t
m
0.015
23
开孔率
Φ
％
10.1
24
稳定系数
\
\
1.52
25
每层塔板压降

472.12
26
负荷上限
\
液泛控制
27
负荷下限
\
液漏控制
28
液沫夹带

Kg液/kg气
0.0176
29
降液管间隙高度

m
0.021
30
气相负荷上限

1.741
31
气相负荷下限

0.970
32
操作弹性
\
1.795
10 精馏塔接管尺寸计算
10.1 塔顶蒸气出口管直径
操作压力为常压时，蒸气导管中常见流速为12~20m/s
蒸气管直径为其中 ，其中
--塔顶蒸气导管内径m ---塔顶蒸气量m3/s，取，则

查表取mm
10.2 回流管直径
当塔顶冷凝器械安装在塔顶平台时，回流液靠重力自流入塔内，流速可取0.2~0.5m/s,取，则

查表取mm
10.3 进料管直径
若采取高位槽送料入塔，料液速度可取,取料液速度,则

查表取
10.4 塔底出料管直径
通常可取塔底出料管料液流速，循环式再沸器取
取塔底出料管料液流速

查表选
11 对设计过程评述和相关问题讨论
本设计进行甲醇和水分离，采取直径为1 .0m精馏塔，选择效率较高、塔板结构简单、加工方便单溢流方法，并采取了弓形降液盘。
精馏塔关键优点是其含有结构简单，造价低，生产能力较大，气体分撒均匀，传质效率较高等优点，但也有筛孔易堵塞等缺点。
由塔板负荷性能图能够看出，在本设计中塔板设计点在正常操作范围内，气液两相流量改变对塔板效率影响不大，能够取得较理想塔板效率。
设计中对文件收索、查阅、统计全部不全，设备计算及选型全部有较大问题存在，从而选择操作点不是在最好范围内，影响了设计优良性
12 参考文件
1、石油化学工业计划设计院。塔工艺计算、北京；石油化学工业出版社，1997
2、化工设备技术全书编辑委员会。化工设备全书—塔设备设计，上海；上海科学技术出版社，1988
3、时钧，汪家鼎等。化学工程手册，北京；化学工业出版社，1986
4、上海医药设计院。化工工艺设计手册（上、下），北京；化学工业出版社，1986
5、陈敏恒、丛德兹等。化工原理（上、下册）（第二版），北京；化学工业出版社，
6、大连理工大学化工原理教研室。化工原理课程设计，大连；大连理工大学出版社，1994
7、柴诚敏，刘国维，李阿娜。化工原理课程设计，天津；天津科学技术出版社，1995
8、张颖、郝东升.化工工艺设计（第2版）.呼和浩特.内蒙古大学出版社.
9、夏清、陈长贵等，化工原理，下册，天津；天津大学出版社，

13 关键符号说明
Aa
塔板开孔区面积，m2

h’W
进口堰高度，m
Af
降液管截面积，m2

hσ
和克服表面张力压降相当
液柱高度，m液柱
A0
筛孔总面积，m2

Hd
降液管内清液层高度，m
AT
塔截面积，m2

HP
人孔处塔板间距，m
C0
流量系数，无因次

HT
塔板间距，m
C
计算时负荷系数，

lW
堰长，m
Cs
气相负荷因子，m/s

Ls
液体体积流量，m3/s
d0
筛孔直径，m

n
筛孔数目
D
塔径，m

NT
理论板层数
eV
液沫夹带量，kg(液)/kg(气)

P
操作压力，Pa
ET
总板效率，无因次

ΔP
压力降，Pa
F
气相动能因子，kg1/2/(s*m1/2)

ΔPp
气体经过每层筛板压降，Pa
F0
筛孔气相动能因子，kg1/2/(s*m1/2)

t
筛孔中心距，m
hW
出口堰高度，m

u
空塔气速，m/s
h1
进口堰和降液间水平距离,m

u0
气体经过筛孔速度，m/s
hc
和干板压降相当液柱高度，m液柱

u0,min
漏液点气速，m/s
hd
和液体流过降液管相当液柱高度，m

u'0
液体经过降液管底隙速度，m/s
hf
塔板上鼓泡高度，m

Vs
气体体积流量，m3/s
h1
和板上液层阻力相当液柱高度，m液柱

Wc
边缘无效区宽度，m
hL
板上清液层高度，m

Wd
弓形降液管宽度，m
14 设计图纸
14.1 生产工艺步骤图1
原料

甲醇

预处理

甲醇、催化剂
酯交换反应

废水
甘油层

分层

甲醇
、
催化剂

中和催化剂

分离
粗制油脂

回收甲醇

未反应油
蒸馏

精制

染料油
生物柴油

粗甘油

蒸馏

纯甘油
步骤简图2
原料
预热器
精 馏 塔
冷凝器
贮槽
冷却器
贮槽
再沸器
残液贮槽

14.2 绘制精馏塔设计条件图1

D
I Dw

II
III

W

实习设计总结

致  谢

经过努力我实习设计最终完成了。在没有做实习设计以前认为实习设计只是对所学知识单纯总结，不过经过这次做实习设计发觉自己见解有点太片面。实习设计不仅是对前面所学知识一个检验，而且也是对自己能力一个提升。经过这次实习设计，我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习东西还太多，以前老是认为自己什么东西全部会，什么东西全部懂，有点眼高手低。经过这次实习设计，我才明白学习是一个长久积累过程，在以后工作、生活中全部应该不停学习，努力提升自己知识和综合素质。
    在这次实习设计中也使我们同学关系更深入了，同学之间相互帮助，有什么不懂大家在一起商议，听听不一样见解对我们愈加好了解知识，所以在这里很感谢帮助我同学。
我心得也就这么多了，总而言之，不管学会还是学不会，确实认为困难比较多，真是万事开头难，不知道怎样入手。最终最终做完了，有种如释重负感觉。另外，还得出一个结论：知识必需经过应用才能实现其价值！有些东西认为学会了，但真正到用时候才发觉是两回事，所以我认为只有到真正会用时候才是真学会了。
　　在此，我要感谢乔老师往日对我悉心教导，感谢乔老师给我帮助。在实习设计过程中，我经过查阅大量相关资料，和同学交流经验和自学，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获一样巨大。在整个设计过程中我知道了很多东西，也培养了我独立工作和学习能力，树立了对自己能力信心，相信会对以后学习、工作、生活有很关键影响。而且大大提升了动手能力，使我充足体会到了在发明过程中探索艰苦和成功时喜悦。即使这个设计做不太好，不过在设计过程中所学到东西是这次实习设计最大收获和财富，将使我受益终，再次感谢乔老师，谢谢您。

附图一
已知坐标：A（0.0014,2.189）

Vs