甲醇和水分离过程筛板精馏塔设计doc.docx

新乡学院
课程设计任务书
2学年 2 学期 2012年 5 月23日
专业
应用化工技术
班级
应化10—4
（1）班
课程名称
精馏塔设计
设计题目
筛板精馏塔的设计
指导教师
张伟
起止时间
2012/5/20—2011/5/27
周数
1
设计地点
教学楼
设计目的：
1着重加深学生对于化工原理理论知识的掌握。
2积极引导学生去思考，培养他们灵活运用所学知识去解决问题的能力，以及查阅资料、处理数据的能力。
设计任务或主要技术指标：
设计一个生产能力为5000kg/h，原料中甲醇含量为45%（摩尔分数，以下同），分离要求为塔顶甲醇含量不低于95%；塔底甲醇含量不高于1%；常压下操作，塔顶采用全凝器，饱和液体进料的筛板精馏塔。
设计进度与要求：
1拟订题目和课程设计指导书（包括课程设计目的、内容、要求、进度、成绩评定等），制定具体考核形式（一般应采用平常情况和答辩相结合方式）并于课程设计开始时向学生公布。
2完整的课程设计应由设计草稿书和任务书组成。草稿书不上交系里，是备指导老师检查之用，以督促学生按时完成设计及防止学生间抄袭。任务书应上交按照指定格式编排好的电子版及打印版。7月8日前上交系里。
主要参考书及参考资料：
1.陈敏恒等。化工原理，上、下册，第三版.北京：化学工业出版社，2006
2.《化学工程手册》编辑委员会.化学工程手册，第一版，第一篇，第13篇.北京：化学工业出版社，1979
3.陈英南。常用化工单元设备的设计.上海：华东理工大学出版社，2005
4.卢焕章。石油化工基础数据手册.北京：化学工业出版社，1982
5.祁存谦等。化工原理，上、下册，第二版.北京：化学工业出版社，2009
6.张立新等。传质与分离技术.北京：化学工业出版社，2009

摘要
精馏是利用液体混合物中各组分挥发性的差异对其进行加热，然后进行多次混合蒸气的部分冷凝和混合液的部分加热汽化以达到分离目的的一种化工单元操作。关键词:精馏筛板塔、相平衡方程、操作线方程、回流比、图

塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。它可使气（或汽）液或液液两相进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。可在塔设备中完成的常见操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的冷却与回收、气体的湿法静制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。
在化工厂、石油化工厂、炼油厂等中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有重大的影响。据有关资料报道，塔设备的投资费用占整个工艺设备投资费用的较大比例；它所耗用的钢材重量在各类工艺设备中也属较多。因此，塔设备的设计和研究，受到化工炼油等行业的极大重视。
本设计任务为分离甲醇-水混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏。
如图1所示。原料液由高位槽经过预热器预热后进入精馏塔内。操作时连续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品（釜残液）再沸器中原料液部分汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸汽进入冷凝器中全部冷凝或部分冷凝，然后进入贮槽再经过冷却器冷却。并将冷凝液借助重力作用送回塔顶作为回流液体，其余部分经过冷凝器后被送出作为塔顶产品。为了使精馏塔连续的稳定的进行，流程中还要考虑设置原料槽。产品槽和相应的泵,有时还要设置高位槽。且在适当位置设置必要的仪表（流量计、温度计和压力表）。以测量物流的各项参数。

图1精馏过程的流程
设计中采用泡点进料，塔顶上升蒸汽采用全冷凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。具体如下：
塔型的选择本设计中采用筛板塔。筛板塔的优点是结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60％，为浮阀塔的80％左右。 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加10～15％。塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。压降较低。缺点是塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。
加料方式和加料热状况的选择：加料方式采用直接流入塔内。虽然进料方式有多种，但是饱和液体进料时进料温度不受季节、气温变化和前段工序波动的影响，塔的操作比较容易控制；此外，饱和液体进料时精馏段和提馏段的塔径相同，无论是设计计算还是实际加工制造这样的精馏塔都比较容易，为此，本次设计中采取饱和液体进料
设计的依据与技术来源：本设计依据于精馏的原理（即利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝使轻重组分分离），并在满足工艺和操作的要求，满足经济上的要求，保证生产安全的基础上， 对设计任务进行分析并做出理论计算。
目前，精馏塔的设计方法以严格计算为主，也有一些简化的模型，此次设计采用精确计算与软件验算相结合的方法。
表1 甲醇、水的物理性质
项目
分子式
分子量
沸点℃
甲醇A

32

水B

18
100
表二 不同塔径的板间距
塔径
800—1200
1400—2400
2600—6600
板间距
300、350、400、450、500
400、450、500、550、600、650、700
450、500、550、600、650、700、750、800

甲醇的分子式为,千摩尔质量为32，水的分子式为,千摩尔质量为18。原料液的平均千摩尔质量为

所以
即采出率为:
由上式求出塔顶馏出液量为

则塔釜残液量为

查化工手册得甲醇和水的t-x-y关系
T/℃
x
y
100
0
0
92.9
0.0531
0.2834
82.3
0.1818
0.5775
74.2
0.4403
0.7659
66.9
0.8741
0.9194
64.5
1
1

图2甲醇和水的t-x-y

由可得q线与平衡线的交点坐标（xq，yq）为（0.45，0.65）,则最小回流比为
取回流比
则精馏塔的气液负荷：
精馏段：

提馏段：由于泡点进料
所以

精馏段操作线方程：

已知，故根据提馏段和q线方程用图解法解得理论塔板数.

图3理论板数图解
由x-y画梯级可得理论板数为9（不包含塔釜），进料板为第5块板。
塔板效率是气、液两相的传质速率、混合和流动状况，以及板间反混（液沫夹带、气泡夹带和漏液所致）的综合结果。板效率为设计的重要数据。
板效率与塔板结构、操作条件、物质的物理性质及流体力学性质有关，它反映了实际塔板上传质过程进行的程度。
蒸馏塔可用相对挥发度与液相黏度的乘积作为参数来关联全塔效率，其经验式为：

式中——相对挥发度；
——液相黏度，mPa·s。
上式中、的数据均取塔顶、塔底平均温度下的值。
由t-x-y曲线可知：
全塔平均温度
查手册得平均温度下的液相中各组分的黏度
组分
甲醇
水
黏度（mPa·s）
0.0115
0.3610
则有
同理 、
平均黏度
由得

则
全塔效率
计算实际塔板数
精馏段
提馏段
故全塔实际所需塔板数块，加料板位置在第16块
塔顶物料平均千摩尔质量为：

塔顶气相密度为

塔顶液相密度及表面张力近似甲醇计算。由《化工原理》上册附录二可查得下苯甲醇的密度，体积膨胀系数。计算可得下苯的密度

由《化工原理》上册附录十五可查得79℃下甲醇的表面张力
精馏段上升与下降的气液体积流量为

初选板间距 ，则分离空间为

气液动能参数为

图4史密斯关联图
由图4查得气体负荷因子0.066，因表面张力的差异，气体负荷因子校正为

计算最大允许速率为

取空塔速率为最大允许速率的0.62倍，则空塔速率为

则塔径为

根据标准塔径圆整为

再由表五可见，当塔径为时，其板间距可取，因此，所设板间距可用。
塔高
对平直堰，选堰长与塔径之比为 0.7 ，即,于是堰长为

图5液流收缩系数
由图5查得
即
于是

取
根据，

图6弓形降液管的宽度和面积
由图6确定降液管横截面积

即
取，
由图4确定
即

筛孔按正三角形排列，取孔径， 则
开孔率
筛孔数
筛孔总面积
3.7.1 降液管液泛
取板厚，， ，

图7史密斯关联图
查图7，确定空流系数
则通过筛孔的气速
干板压降 液柱
所以气体速率为
故气相动能因子

确定充气系数
气体通过塔板的压降
液柱
液体通过降液管的压降
液柱
计算降液管内清夜层高度,并取泡沫相对密度0.5,

而
可见，满足
降液管内不会发生液泛。
降液管内停留时间可见停留时间足够长，不会发生气泡夹带现象。
3.7.2液沫夹带
液沫夹带将导致塔板效率下降。通常塔板上液沫夹带量要求低于0.1kg液体/kg干气体，则有
可见液沫夹带量可以允许
3.7.3 漏液
克服液体表面张力的作用引起的压降

则漏液点气速

可见不会发生严重漏液现象。
由塔板校核结果可见，塔板结构参数选择基本合理，所设计的各项尺寸可用。
3.8.1 气液流量的流体力学上下限线
3 第一点取设计点的液体流量，故，于是，相应漏液点的气体体积流量为

第二点取液体流量为，

则由图5可知

则对应的漏点气速为

故
根据（3.56,2763）和（10,2870）两点，作直线①即为漏液线。
3.8.1.2 液体流量下限线
令
故
在负荷性能图 处作垂直线，即为液体流量下限线②。
3.8.1.3液体流量上限线
取降液管内液体停留时间为3s，则

在负荷性能图 处作垂直线，即为液体流量上限线③。
3.8.1.4 过量液沫夹带线
第一点取设计点的液体流量 ，
则由
解出
于是
第二点取液体流量为，
即

于是
根据（3.56,8378）和（10,8076）两点，在负荷性能图上作出液沫夹带线④。
3.8.1.5 液泛线
第一点为设计点 ，

已求得

令
可见

故
第二点取液体流量为，

故
由（3.56,13394）和（10,12753）两点，在负荷性能图上作出液泛线⑤。根据①②③④⑤画出塔板负荷性能图

图8塔板负荷性能图
3.8.2 塔板工作线
在负荷性能图上做出斜率为的直线,塔板工作线。此线与流体力学上下限线相交于A、B两点，读出A、B两点的纵坐标值即为和，并求出操作弹性：
由图可见，按本设计的塔板结构较理想。液泛线低于过量液沫夹带线，液体流量上限线靠近塔板工作线。因此，操作弹性符合。此外，操作下限没有落在液体流量下限线说明堰长取得合适，降液面积取得合理，且设计点处于正常工作区域内。

4设计总结
因为甲醇和水不能形成恒沸点的混合物，所以可直接采用传统的精馏法制备高纯度的甲醇溶液，本设计进行甲醇和水的分离，采用直径为1.4米的精馏塔，选用效率较高、结构简单、加工方便的单溢流方式、并采用了弓形降液盘。
由于在设计过程中，对板式塔只有一个整体的直观认识以及简单的工作原理的了解，而对于设备中重要部件——塔板、管路等缺乏了解，查询了各种相关书籍，走了很多弯路，但终于通过自己努力解决了其中的难题。
在设计过程中，考虑到设计踏板所构成的板式塔，不但要具有应有的生产能力，满足工艺 要求，还要考虑到能耗，经济，污染等问题，为今后走向工作岗位很有价值。
筛板塔工艺设计计算结果汇总
序号
项目
符号
单位
计算数据
1
平均温度

℃
79
2
气相流量

m3 /s
2.69
3
液相流量

m3 /s

4
实际塔板数

---
22
5
有效高度
Z
m
7.5
6
塔径
D
m
1.7
7
板间距
HT
m
0.45
8
堰长

m
0.98
9
堰高

m
0.0635
10
板上清液层高度

m
0.07
11
堰上清液层高度

m
0.0065
12
降液管压降

m

13
降液管内清夜层高度

m
0.1559
14
塔板压降

m
0.0830
15
降液管底隙高度

m
0.0685
16
气相动能因子

1.68
17
弓形降液管宽度

m
0.21
18
筛孔总面积

m2
1.01
19
筛孔直径

m
0.005
20
筛孔数目

---
5162
21
孔中心距
t
m
0.0125
22
开孔率

10.1
23
筛孔气速

17.224
24
稳定系数
K
---
1.81
25
停留时间

s
19.32

Aa——塔板开孔区面积，m2
ev——液沫夹带量，kg液/kg气
Af——降液管截面积，m2
M——平均摩尔质量，kg/kmol
Ao——筛孔区面积，m2
do——筛孔直径，m
AT——塔的截面积， m2
D——塔径，m
C——负荷因子，无因次
Rmin——最小回流比
g——重力加速度，m/s2
R——回流比
Tm——平均温度，℃
C20—表面张力为20mN/m 的负荷因子
Fo——筛孔气相动触因子
hl——出口堰与沉降管距离，m
hf——板上清液高度，m
hc——与平板压强相当的液柱高度，m
hl——板上清液层高度，m
ho——降液管的底隙高度，m
how——堰上液层高度，m
Hw——出口堰高度，m
H——板式塔高度，m
hd——与液体流过降液管压强降相当的液柱高度，m
Hw'——进口堰高度，m
h——与克服表面张力压强降相当的液柱高度，m
HP——人孔处塔板间距，m
HF——进料处塔板间距，m
Hd——降液管内清夜层高度，m
K——稳定系数
HT——塔板间距，m
Lh——液体体积流量，m3/h
lw——堰长，m
Ls——液体体积流量，m3/h
P——操作压力，kPa
P——气体通过每层筛板的压降，kPa
n——筛孔数目
T——理论板层数
u——空塔气速，m/s
uomin——漏液点气速，m/s
t——筛孔的中心距，m
uo'——液体通过降液体系的速度，m/s
Vn——气体体积流量，m/s
Vs——气体体积流量，m/s
Wc——边缘无效区宽度，m
Wd——弓形降液管高度，m
Ws——破沫区宽度，m
Z——板式塔有效高度，m
希腊字母
——筛板厚度，m
——开孔率，无因次
——粘度，mPa·s
——液体在降液管内停留时间，s
——密度，kg/m3
——表面张力，mN/m
——质量分率，无因次

下标
max——最大
min——最小
L——液相
V——气相

甲醇摩尔分数
温度/
甲醇摩尔分数
温度/
液相()
气相()
液相()
气相()