甲醇和水分离过程筛板精馏塔设计.docx

课 程 设 计

题目名称： 甲醇-水精馏塔工艺设计

2学年 2 学期 2011年 7 月2日
专业

设计题目

起止时间

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：年产四万吨甲醇产品，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，进料状态q=1，直接蒸汽加热，单板压降不大于0.7kPa；塔顶压强4kPa的筛板式精馏塔。
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、图解法

目录
1.综述 5
1.1塔设备的化工生产中的作用和地位 5
1.2设计方案 5
1.3工艺流程 5
1.4设计方案简介 6
2主要物性数据 6
3工艺计算 7
3.1精馏塔的物料衡算 7
3.2塔板数的确定 7
3.3精馏塔有关物性数据的计算 8
3.4精馏塔的塔体工艺尺寸计算 11
3.5溢流装置的设计 13
3.6 塔板板面布置 15
3.7 塔板校核 16
3.7.1 16
3.7.2液沫夹带 16
3.7.3 漏液 16
3.8负荷性能图 17
3.8.1 气液流量的流体力学上下限线 17
3.8.2 塔板工作线 20
4设计总结 21
参考文献 22

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。

2.

3物料衡算
原料处理量
总物料衡算:247.93=D+W 
甲醇物料衡算：247.93×0.315=0.914D+0.055W‚
联立得：78.09795=0.914（247.93-W）+0.055W

1. 的求取
甲醇属理想物系，可采用图解法求理论板层。
由手册查得甲醇物系的气液平衡数据，绘出X----Y。
‚求最小回流比及操作回流比。
采用作图法求最小回流比。在图中对角线上，自点e作垂线ef即为进料线，该线与平衡线的交点坐标为

由可得q线与平衡线的交点坐标（xq，yq）为（0.661，0.315）,则最小回流比为
取操作回流比
ƒ求精馏塔的气,液相负荷

④求操作线方程为
精馏段操作线方程：

提馏段操作线方程：

⑤采用图解法求理论板层数
采用图解法求理论板层数，如图所示。求解结果为
总理论板层数
进料板位置
2. 实际板层数的求取
精馏段实际板层数
提馏段实际板层数
3.3精馏塔有关物性数据的计算
以精馏段为例进行计算。
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
2操作温度计算
依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中甲醇的饱和蒸气压由安托尼方程计算，计算过程略。计算结果如下：
塔顶温度
进料板温度
精馏段平均温度
3.平均摩尔质量计算
塔顶平均摩尔质量计算
由，查平衡曲线得

进料板平均摩尔质量计算
由图解理论板得
查平均曲线得

精馏段平均摩尔质量

4. 平均密度计算
(1) .气相平均密度计算
由理想气体状态方程计算，即

(2) .液相平均密度计算
液相平均密度依下式计算，即

塔顶液相平均密度的计算
由,查手册得

进料板液相平均密度的计算
由,查手册得

进料板液相的质量分率

精馏段液相平均密度为

5. 液体平均表面张力计算，即

塔顶液相平均表面张力的计算
由，查手册得

进料板液相平均表面张力的计算
由,查手册得

精馏段液相平均表面张力为

6. 液体平均粘度计算
塔顶液相平均年度的计算
由，查手册得

解出
由,查手册得

解出
精馏段液相平均表面张力为

精馏塔的塔体工艺尺寸计算

由
其中由下图查取，图的横坐标为

取板间距， 板上液层高度 则

史密斯关联图
由图4查得气体负荷因子0.07，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

取安全系数为0.7，则空塔速率为

则塔径为

根据标准塔径圆整为

当塔径为时，其板间距可取，因此，所设板间距可用。
塔截面积为

实际空塔气速为

1. 精馏塔有效高度的计算
精馏段有效高度为

提馏段有效高度为

在进料板上方开两人孔，其高度为1.6
故精馏塔的有效高度为

(1) 堰长
取
(2)溢流堰高度
由
选用平直堰，堰上液层高度由下式计算

近似取E=1，则

取板上清液层高度
故
(3) 弓形降液管宽度和截面积
由 查图6得

图6弓形降液管的宽度和面积

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。
(4) 降液管底隙高度
取
则

故液降管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度。
（1)因≥800mm，故塔板采用分块式,分为三块。
（2)边缘区宽度确定
（3）开孔区面积计算

故
（4）筛孔数与开孔率
精馏段：取筛空的孔径为，正三角形排列，一般碳钢的板厚为,故孔中心距。
筛孔数个
开孔率
气体通过筛孔的气速为：
（1)干板计算

（2)气体穿过板上液层
，
由，所以
（3)液体表面张力阻力计算

故
则单板压强：

3.7.2液沫夹带

故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。

3.7.3 漏液
筛板的稳定性系数（不会产生过量液漏）
液泛 为防止降液管液泛的发生，应使降液管中清液层高度取成立，故不会产生液泛。
3.8.1 气液流量的流体力学上下限线
3
由

0.0006
0.0045
0.009

2.3
0.98
1.035
依表中数据在VS—LS图中作出雾沫夹带线，如图所示
选用

整理得

0.0006
0.0045
0.009

6.63
1.016
4.77
依表中数据在VS—LS图中作出雾沫夹带线，如图所示
选用
液相负荷下限线
取平堰、堰上液层高度作为最小液相负荷标准

取E=1，则
3.8.1.4 液相负荷下限线
以作为液体在降夜管中停留时间的下限

故

或

0.0006
0.0045
0.007
0.009

9.71
7.45
5.78
4.22
依表中数据作出液泛线
选用

将以上5条线标绘于负荷性能图上。（图附注）
3.8.2 塔板工作线
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。

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

℃
81
2
气相流量

m3 /s
1.385
3
液相流量

m3 /s
0.0015
4
实际塔板数

---
12
5
有效高度
Z
m
5.6
6
塔径
D
m
1.4
7
板间距
HT
m
0.40
8
堰长

m
0.924
9
堰高

m
0.051
10
板上清液层高度

m
0.06
11
堰上清液层高度

m
0.009
12
降液管内清夜层高度

m
0.141
13
塔板压降

m
0.064
14
降液管底隙高度

m
0.02
15
弓形降液管宽度

m
0.17
16
筛孔总面积

m2
1.119
17
筛孔直径

m
0.005
18
筛孔数目

---
5744
19
孔中心距
t
m
0.015
20
开孔率

10.1
21
筛孔气速

12.25
22
稳定系数
K
---
1.59
23
停留时间

s
29.63
24
液沫夹带

Kg液/kg气
0.0
25
气相负荷上限

m3 /s
1.075
26
气相负荷下限

m3 /s
0.317
27
操作弹性
---
---
3.14
28
平均压力

kPa
108.8

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

[1]张浩勤，陆美娟.化工原理第二版（上下册）. 北京：化学工业出版社，2006.
[2] 路秀林，王者相. 化工设备设计全书塔设备[M]. 北京：化学工业出版社，2004.[3] 姚玉英.天津大学出版社（上下册），2003.
[4] 王志魁. 化工原理第三版[M]. 北京：化学工业出版社，2005.
[5] 王为国. 化工原理课程设计[M]. 北京：化学工业出版社，2010.
[6] 马沛生. 化工数据. 北京：中国石化出版社，2003.
[7] 贾绍义，柴诚敬. 化工原理课程设计[M]. 大连：天津大学出版社，2005.
[8] 匡国柱，史启才. 化工单元过程及设备课程设计[M]. 北京：化学工业出版社，2005.
[9] 朱有庭，曲文海，于浦义. 化工设备设计手册上下卷[M]. 北京：化学工业出版社，