年产万吨甲醇双塔精馏工艺设计毕业论文

1、年产5万吨甲醇双塔精馏工艺设计The Process Design Of Twin Towers Distillation Based On 50kt/a Methanol 目录摘要IAbstractII引 言1第一章 综述21.1甲醇简介21.2甲醇用途21.3甲醇精馏的目的和意义31.4精馏方法和选择31.5双塔精馏甲醇工艺的简单介绍4第二章 物料及热量的衡算62.1物料衡算62.1.1预塔物料衡算62.1.2主塔物料衡算72.2热量衡算82.2.1预塔热量衡算82.2.2主塔热量衡算12第三章 塔内物料有关物性数据的计算163.1操作压力的计算163.2操作温度的计算163.3平均摩尔质

2、量的计算173.4平均密度的计算183.5平均表面张力的计算19第四章 精馏塔的设计214.1塔板数的确定214.1.1平均挥发度214.1.2各点的甲醇摩尔分率214.1.3理论塔板数214.2精馏段工艺尺寸的计算244.2.1精馏段工艺尺寸的计算244.2.2提馏段工艺尺寸的计算254.2.3塔体总高284.3塔内件设计294.3.1溢流堰的设计294.3.2降液管的设计294.3.3降液管底隙高度304.3.4塔板分布、浮阀数目与排列304.4塔板流体力学的验算314.4.1气相通过浮阀塔的压降314.4.2液泛324.4.3雾沫夹带324.5塔板负荷性能图334.5.1雾沫夹带线334

3、.5.2液泛线334.5.3液相负荷上限线344.5.4漏液线344.5.5液相负荷下限线344.6接管设计354.6.1进料管354.6.2釜残液出料管364.6.3塔顶蒸汽出口出料管364.6.4塔底蒸汽进料管374.6.5回流液管37结 论38致 谢39参考文献40附录42年产5万吨的甲醇双塔精馏工艺设计摘要：甲醇作为重要的有机化工原料，对其质量提出了更高的要求。本设计需要将原料粗甲醇精制到甲醇含量符合工业所需的要求。经过对甲醇精馏单塔、双塔、三塔和四塔各自优缺点分析及比较，考虑到节约能耗，简单，便于操作，容易控制的前提下，一般来说，甲醇精馏产量规模在每年5万吨以下的宜选择双塔精馏工艺。

4、双塔精馏工艺投资省、建设周期短、装置简单、操作简单和便于管理。经过对整个工艺物料衡算、热量衡算、物料相关物性的计算及其精馏塔设计，得出产精甲醇为7.0792t/h，消耗热蒸汽为130375.579kg/h，设计温度为115.5C，压力为0.173Mpa。选取精馏塔为板式浮阀精馏塔，塔高为17.7m，塔体的公称直径为1800mm，总塔板数数为29块，第五块板为进料板，精馏塔壁厚为6mm，通过本设计所精馏的粗甲醇含甲醇量为99.8%符合工业上所需的要求。关键词：甲醇；精馏；双塔The Process Design Of Twin Towers Distillation Based On 50kt/

5、a Methanol Abstract: As the important organic chemical raw materials, methanols quality must be higher than before. This design needs to be material crude methanol refining to alcohol content accord with the requirement of industry needs. After the methanol distillation tower, Twin Towers, three tow

6、er and four tower and their advantages and disadvantages are analyzed and compared, considering the energy saving, simple, convenient operation, easy control of the premise, the Twin Towers distillation technology investment, short construction period, simple device, simple operation and convenient

7、management. Generally speaking, the methanol distillation production scale under 50000 tons a year of distillation process should select the twin towers.After the whole process of material balance, heat balance, material related properties calculation of distillation tower design, production of refi

8、ned methanol7.0792t/h, thermal steam consumption is 130375.579kg/h, temperature is 115.5 C, pressure is 0.173Mpa. Select the column for the plate type float valve distillation tower, tower 17.7m, nominal diameter of the tower body is 1800mm,total plate count of 29 block, fifth block board as feed, d

9、istillation tower and wall thickness of 6mm, the crude methanol distillation of the design of the alcohol content is 99.8% necessary to comply with the industrial requirement.Keywords: methanol ; rectify; twin towerII引 言在常压下下，甲醇的沸点64.7C甲醇的挥发度比乙醇的挥发度小，甲醇最早由木材和木质素干馏制的，故俗称木醇，这是最简单的饱和脂肪族醇类代表物，可以和水互溶，但却具

10、有毒性。甲醇是一种易燃液体，具有良好的燃烧性能，辛烷值高，抗爆性能好，是一种无烟燃料，汽油中混入15%左右，可用于气体燃料，甲醇制甲基叔丁基醚，可作为汽油添加剂，在国外发展迅速，产量很大，供不应求。甲醇是重要的化工燃料，从甲醇出发可合成许多化工产品，具有多种用途，甲醇也作燃料用，在70年代石油危机中，以甲醇作为重要燃料的开发和研究发展很快，将甲醇转化为汽油工艺，已有工业规模装置。甲醇化学也得到较快发展。在我国能源中心以煤为主，由煤制流体燃料势在必行，由煤制合成气，进而合成甲醇，技术成熟，已工业化，因此，发展甲醇燃料和甲醇化学在我国具有重要的意义。在有机合成化工工艺的技术中，甲醇是仅次于烯烃和芳

11、烃的重要基础原料，近年来，随着科学技术的发展和能源结构的变化，甲醇有未来主要原料候补的潜力。甲醇的生产一直以来以较快的速度发展，随着合成氨联产甲醇技术的成熟，许多氮肥企业调整产品结构采取了合成氨联产甲醇来降低成本，由于联醇生产具有一些区别于单醇的特点，粗醇的精馏和单醇生产的精馏有着较大的区别。单醇生产中脱去的是还原性物质，所采用高锰酸钾工艺在联醇生产中可以取消（由于联醇中还原物质较少）大大简化了精馏工艺。联醇反应压力较低，温度较低，合成过程歧化反应明显减少，减少精馏塔的测线，可以减少甚至取消。由于粗甲醇的PH一般在7左右，不加碱液还可以满足生产需要，联醇生产的精馏大都采用双塔精馏流程，通过预塔

12、精馏塔脱除轻馏分杂质，通过主精馏塔脱除重馏分杂质，在主精馏塔顶部得到99.8%的甲醇产品。因此此次设计选取双塔精馏。第一章 综述1.1甲醇简介纯甲醇为无色透明略带乙醇气味的易挥发液体，沸点65，熔点-97.8，和水相对密度0.7915。甲醇能和水以任意比互溶，但不形成共沸物，能和多数常用的有机溶剂(乙醇、乙醚、丙酮、苯等)混溶，并形成恒沸混合物。甲醇剧毒，内服10ml有失明危险， 30ml能导致人死亡，空气中允许最高甲醇蒸汽浓度为0.05mg/h。易燃烧，其蒸汽能和空气形成爆炸性混合物，爆炸极限6.036.5%(体积) 。甲醇具有上述多种重要的物理化学性质，使它在许多工业部门得到广泛的用途，特

13、别是由于能源结构的改变，和C1化学工业的发展，甲醇的许多重要的工业用途正在研究开发中。例如甲醇可以裂解制氢，用于燃料电池，日益引人注目。甲醇通过ZMS-5分子筛催化剂转化为汽油已经工业化为固体燃料转化为液体燃料开辟了捷径。甲醇加一氧化碳加氢可以合成乙醇。又如甲醇可以裂解制烯烃。这对石油化工原料的多样化，面对石油资源日渐枯竭对能源结构的改变，具有重要意义。甲醇化工的新领域不断地被开发出来其广度和深度正在发生深刻的变化1。1.2甲醇用途甲醇是极为重要的有机化工原料，在化工、医药、轻工、纺织及运输等行业都有广泛的应用，其衍生物产品发展前景广阔。目前甲醇的深加工产品已达120多种，我国以甲醇为原料的一

14、次加工产品已有近30种。在化工生产中，甲醇可用于制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲胺、甲基叔丁基醚（MTBE）、聚乙烯醇（PVA）、硫酸二甲酯、对苯二甲酸二甲酯（DMT）、二甲醚、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲醇等。以甲醇为中间体的煤基化学品深加工产业：从甲醇出发生产煤基化学品是未来C1化工发展的重要方向。比如神华集团发展以甲醇为中间体的煤基化学品深加工，利用先进成熟技术，发展“甲醇醋酸及其衍生物”；利用国外开发成功的MTO或MTP先进技术，发展“甲醇烯烃及衍生物”的2大系列。作为替代燃料：近几年，汽车工业在我国获得了飞速发展，随之带来能源供应问题。石油作为及其重要的能源储量是有限的，而甲醇燃料以其安全、廉

15、价、燃烧充分，利用率高、环保的众多优点，替代汽油已经成为车用燃料的发展方向之一。我国政府已充分认识到发展车用替代燃料的重要性，并开展了这方面的工作。随着C1化工的发展，由甲醇为原料合成乙二醇、乙醛和乙醇等工艺正日益受到重视。甲醇作为重要原料在敌百虫、甲基对硫磷和多菌灵等农药生产中，在医药、染料、塑料和合成纤维等工业中都有着重要的地位。甲醇还可经生物发酵生成甲醇蛋白，用作饲料添加剂，有着广阔的应用前景。1.3甲醇精馏的目的和意义随着工业发展甲醇广泛应用于化工、医药、轻工、纺织及运输等行业对甲醇的含甲醇量要求也随之增加，合成的粗甲醇因含有大量杂质不能直接运用于工业生产中，因此粗甲醇需要经过精馏除去

16、粗甲醇中的杂质对甲醇进行精制，精制后的甲醇含甲醇量达到工业所规定的要求，才能应用于工业生产当中2。1.4精馏方法和选择甲醇精馏产生工艺有多种，分为：单塔精馏、双塔精馏、三塔精馏和四塔精馏3。（1）单塔流程描述单塔流程为粗甲醇产品经过一个塔就可以采出产品。粗甲醇塔中部加料口送入，轻组分由塔顶排出，高沸点的重组分在进料板以下塔板处引出，水从塔底排出，产品甲醇在塔顶以下若干块塔板引出4。（2）双塔流程描述从合成工序来的粗甲醇入预精馏塔，此塔为常压操作。为了提高预精馏塔后甲醇的稳定性，并尽可能回收甲醇，塔顶采用两级冷凝。塔顶经部分冷凝后的大部分甲醇、水及少量杂质留在液相作为回流返回塔，二甲醚等轻组分(

17、初馏分)及少量的甲醇、水由塔顶逸出，塔底含水甲醇则由泵送至主精馏塔。主精馏塔操作压力稍高于预精馏塔，但也可以认为是常压操作，塔顶得到精甲醇产品，塔底含微量甲醇及其它重组分的水送往水处理系统5。（3）三塔流程描述从合成工序来的粗甲醇入预精馏塔，在塔顶除去轻组分及不凝气，塔底含水甲醇由泵送加压塔。加压塔操作压力为57bar(G)，塔顶甲醇蒸气全凝后，部分作为回流经回流泵返回塔顶，其余作为精甲醇产品送产品储槽，塔底含水甲醇则进常压塔。同样，常压塔塔顶出的精甲醇一部分作为回流，一部分与加压塔产品混合进入甲醇产品储槽。三塔流程的主要特点是，加压塔塔顶冷凝潜热用作常压塔塔釜再沸器的热源，这样既节省加热蒸汽

18、，还节省冷却水，达到节能的目的6。（4） 四塔流程描述四塔流程包含预精馏塔、加压精馏塔、常压精馏塔和甲醇回收塔。粗甲醇经换热后进入预精馏塔，脱除轻组分后(主要为不凝气、二甲醚等)，塔底甲醇及高沸点组分加压后进入加压精馏塔7；加压精馏塔顶的气相进入冷凝蒸发器，利用加压精馏塔和常压精馏塔塔顶、塔底的温差，为常压塔塔底提供热源，同时对加压塔塔顶气相冷凝。冷凝后的精甲醇进入回流罐，一部分作为加压塔回流，一部分作为精甲醇产品出装置；加压塔塔底的甲醇、高沸组分、水等进入常压塔，常压塔顶馏出精甲醇产品，在进料板下方设置侧线抽出，抽出物主要为甲醇、水和高沸点组分，进入甲回收塔再回收甲醇，塔底废水进入生化系统处

19、理；回收塔设有侧线抽出，主要抽出物为高沸点醇类，以保证回收塔塔顶精甲醇质量和塔底废水中总醇含量要求，塔底废水送生化处理8。将比较本次设计所选取的精馏方式是，双塔精馏的方式双塔精馏甲醇工艺是当前最为常用，也是最为常见的一种工艺流程。其优点为：节约能耗、简单、容易控制、投资省、建设周期短、装置简单、操作简单和便于管理。其缺点为精馏的甲醇含乙醇量较高9。1.5双塔精馏甲醇工艺的简单介绍该流程为我国以前老的甲醇装置中采用是较广的一种精馏流程。精甲醇先经预精馏塔,经预精馏后的含水甲醇直接由泵输送经热交换器后再至主精馏塔,最终在主精馏塔将甲醇与水、重组份及残余轻组份进行有效分离-得到精甲醇产品10。生产实

20、践证明双塔精馏流程简单、操作方便、运行稳定,能满足甲醇生产要求,其具体工艺流程如下图11：双塔精馏工艺流程简图该工艺主要是由主精馏塔以及预精馏塔组成。首先将粗甲醇流入预精馏塔中，其实质是萃取精馏塔，在其塔顶以及回流槽中加入一定水作萃取剂，以脱除粗甲醇中所包含的非水溶性杂质。再将通过轻馏分后的预后甲醇放入精馏塔中，以将甲醇、水以及高沸点杂质完全分离开来。另外为了将粗甲醇中的酮以及高级醇完全、彻底脱离出来，需在主精馏塔中设置一条侧线，并通过管线形式将杂质水排出。在该过程中需注意一点，要确保主塔塔底温度高于104C，同时也要保证主塔塔底残液的实际pH 值控制在7-9 范围内。去除杂质后，可在主塔上部

21、或者是回流液中获得约为99.8%纯度的精甲醇。精馏之后的甲醇便可应用于工业生产中12。第二章 物料及热量的衡算甲醇的精馏的目的是实现甲醇与水的分离，需要通过物料衡算及热量衡算，选取合适粗甲醇的进料量、热蒸汽和冷凝水的流量，更好实现能量循环利用，达到节能的作用。2.1物料衡算2.1.1预塔物料衡算（1）已知条件： 精甲醇年产5万吨，粗甲醇中含甲醇94.07%，回收率为96%，年工作日按300天机算，则：组分名称CO2CO甲醚Ar异丁醇组成0.570.020.000.050.010.020.0394.075.180.055=（2）入料本设计比轻的按计算，比H2O重的按H2O计算粗甲醇入料量： 7.

22、689th其中：二甲醚：0.7% 0.0538th甲醇：94.07% 7.233th水：5.23% 0.4021th碱液每吨精甲醇耗0.811kg92kg/h的,则耗2%碱液量碱液中的水：蒸汽冷凝液量以入料甲醇计：7.689th脳20%=1.5378th从主塔回流液中来的初馏物以入塔粗2%计：（3）出料1、二甲醚0.0538th2、预后甲醇（不考虑滴漏或放空微量损失），含：甲醇：7.2330th 占75.50%水：1.9399th 占20.25%碱液：0.2538718th 占：2.65%从主塔来的初馏物：0.15378th 占1.61%综合上述各项，预后甲醇的总质量为9.5806th2.1.

23、2主塔物料衡算（1）入料量1）预后甲醇为：9.5806th2)回流液量取回流比1.38，（回流比的确定：甲醇94.07%二甲醚0.7%水5.23%）则XF=0.9407320.940732+0.00746+0.052318=0.90XW=0.0523180.940732+0.00746+0.052318=8.95Xd=99.8%（大于99.5%范围内） 选择泡点进料：Xq=XF=0.90查表得：Yq=0.958Rmin=Xd+YqYq+Xq=0.69取最大：则回流液量为13.2212th，则：（2）出料量1)高沸点物采出量（其中：甲醇含，重组分占），所以无高沸点采出物2）从主塔回流液中采出预塔

24、入料量到预塔收集槽，计算时以甲醇计：3）残液排放，包括水、碱、甲醇及高沸点物等，其中甲醇含0.05%，计算时以水计：设残液量为，则： X=1.34048+0.1789942+0.005XX=2.2048th4）成品甲醇：2.2热量衡算2.2.1预塔热量衡算（1）目的根据预塔平衡计算热量平衡，求出预塔锁好的蒸汽剂冷凝水量。 （2）已知条件粗甲醇和碱液入料温度为65掳C，塔顶甲醇蒸汽温度为65掳C，回流液温度为56掳C，排出残液温度为75掳C。1） 预塔收入热2） 入料代入显热（假定粗甲醇与碱液为入料）3） 回流液带入热4） 蒸汽放出潜热（3）预塔支出热1）预塔甲醇带出热2）塔体热损失3）塔顶蒸出

25、汽带出热（不包括潜热和显热）（4）计算数据查表得：粗甲醇混合比热：预后甲醇混合比热：（在计算过程中碱液以水计）（5）收入热（65掳C）QR=预塔回流比取1.0（回流液/出料量）则掳C鍥炴祦娑查噺=9.5806th其中，加入的蒸汽冷凝液量为1.5378th，从主塔来初馏物为0.15378 th。所以，被预塔冷凝器冷凝下来液体为：9.5806-0.15378-1.5378=7.88902thQD待定：（6）支出热（排除残液温度75掳C）1)2）QM以入热计，即：3）QV塔顶气体组成则二甲醚含量为0.7%甲醇汽化潜热=261.6 Kcalkg，二甲醚沸腾，故意气体的形式存在于粗甲醇中，受热时解吸，无

26、相变，故不考虑相变。解得：QD=3232203.524 Kcalh（4）预塔耗蒸汽量计算塔釜蒸汽压力为，好蒸汽潜热为(2312KJkg）,所以，用蒸汽量：每吨粗甲醇耗蒸汽量：5855.44/7.689=761.53 kg鈦?h（5）耗冷却水量的计算从预塔蒸馏出来的甲醇蒸汽含轻馏分和初馏分，进入预塔冷凝器。通过冷却水量控制冷却温度，达到分离甲醇轻馏分和初馏分的目的。甲醇初馏物作为回流液返回系统，轻馏分以气态形式放空。预塔冷凝器物热框图如下图所示。Qw 50C轻馏分放空50C 65C Qm Qv塔冷凝器物热框图1） 热量衡算由预热塔热量衡算可知： =10668586.04KJh2)冷却用水量 物料

27、带入热与物料带出热之差，余热量用水冷却。冷却水进入冷凝器温度25C，出冷凝器温度为40C，则用水量G1=170.1529th3)每吨粗甲醇耗冷却水量：G1=22.129th2.2.2主塔热量衡算（1）目的根据主塔物料平衡计算热量平衡，求出主塔精馏过程中所耗蒸汽及冷却水量。（2）带入热量 QW=9580.6脳0.7227脳75=368842.95KcalhQD待定（3）带出热 QW=0.7227脳2204.8脳105=167307.94KcalhQM以代入热量计，所以：得到QD=3685581.078Kcalh（4）主塔耗蒸汽量计算主塔热量衡算可知：QD=3685581.078Kcalh需0.4

28、0MPa蒸汽量：水蒸气潜热为510.6kgh（2138KJ/Kg）： 3685581.078/510.6=7218.13767 kg鈦?h每吨粗甲醇消耗蒸汽量：所以主、预塔总的蒸汽消耗量：5822.441+7218.138=130735.579 kgh主、预塔每吨粗甲醇耗蒸汽量：761.53+938.762=1700.292kgh（5）冷却水用量的计算 冷却水用量包括冷凝器、精甲醇冷却器及整个精馏过程耗用冷却水量的计算：1） 主塔冷凝器冷却水用量从主塔捂热及主塔冷凝器的物热框图，主塔冷凝器的换热量为进冷凝器的气体与出冷凝器液体热量之差，其中不凝性气体放空，所以计算时和工程损失一起考虑，为总入热

29、的5%计12。 不凝器冷却水 50C回流塔顶甲醇蒸汽 去预馏塔 主塔冷凝器物热图Q鍏?=QV=4023758.825 Kcalh冷却水用量，冷却水进入冷凝器温度为，出冷凝器温度为,所以：每吨粗甲醇耗冷却水量：G2=31.927.689=4.15th2）成品精甲醇冷却水用量1、成品精甲醇带入热2、精甲醇带出热3、热损失Q鎹?=0.05脳1060543.447=5027.17325 KJh所需冷却水量：每吨粗甲醇耗冷却水量：G3=4.8337.689=0.629th（6）整个精馏过程中耗水量，每吨粗甲醇耗水量 整个精馏过程中消耗冷却水量 每吨粗甲醇耗水量： G=G1+G2+G3=22.1294.1

30、25+0.629= 26.908th(7)原料液及其塔顶、塔底产品的摩尔分率 甲醇的摩尔质量为：32.04kgkmol 水的摩尔质量为：18.01 kgkmolXF=0.75532.040.75532.04+0.245018.01=0.6340XD=0.99832.040.99832.04+0.00218.01=0.9965(8)原料液及其塔顶与塔底产品的平均摩尔质量则可知：原料的处理量：根据回收率：则有：F=422.5kmolh由总物料衡算：F=D+W以及：得出：W=164.44 kmolh XW=0.06512kmolh表1主要计算数据汇总精甲醇产量th7.0792粗甲醇产量th7.689

31、粗甲醇入料量7.2330水量th26.908原料液的摩尔分率0.6340馏出液的摩尔分率0.9965残液中摩尔分率0.06512回流比1.38残液馏出量kmolh164.44原料液馏出量kmolh422.5再沸器热负荷KJh1980683.837冷凝器热负荷KJh2170642.531第三章 塔内物料有关物性数据的计算为了便于选取精馏塔的类型，计算塔体厚度、精馏塔的直径，精馏塔塔高和塔体内件设计需要对物料的操作压力、操作温度、平均摩尔质量、平均密度、平均表面张力进行计算13。3.1操作压力的计算14设每层塔压降：（一般情况下，板式塔的每一个理论级压降约在0.41.1Kpa）进料板压力：PF=1

32、01.3+25脳0.9=123.8Kpa精馏段平均压力：Pm=101.3+123.82=112.55Kpa塔釜板压力：Pw=101.3+70脳0.9=157.3Kpa提馏段平均压力：3.2操作温度的计算查表可得：安托尼系数 A B C H2O 7.07406 1657.46 227.02 10168CH3OH 7.19736 1574.99 238.23 1691H2O的安托尼方程15：CH3OH的安托尼方程：LgPBO=7.19736-1574.99TB+238.22tB=65掳C由泡点方程式差可得：当同理可求出：tF=82掳C 时Kixi鈮?1 时Kixi鈮?1所以塔顶温度：tD=65.0

33、掳C进料板温度：tF=82掳C塔釜温度：精馏段的平均温度：提馏段平均温度：3.3平均摩尔质量的计算1）塔顶平均摩尔质量的计算xD=yl=0.9965得xl=0.9872） 进料板平均摩尔质量的计算Yf=0.8665得Xf=0.63403） 塔釜平均摩尔质量计算由得4)精馏段平均摩尔质量提馏段平均摩尔质量3.4平均密度的计算精馏段平均密度的计算(1) 气相由理想气体状态方程得：气相的摩尔分率：(2) 液相 查可得tD=65掳C时蟻A=750.91kgm3 蟻B=980.5kgm3tF=82掳C时蟻A=733.6kgm3 蟻B=970.5kgm3蟻LDM=10.99750.91+0.01980.5

34、=752.66kgm3进料板液相的摩尔分率：蟻LFM=10.7552733.6+0.2448970.5=780.22kgm3精馏段液相平均密度为：蟻LM=752.66+780.222=766.44kgm3提馏段平均密度的计算（1） 气相 由理想气体状态方程得(3) 液相 查可得tW=105掳C时蟻A=708.2kgm3 蟻B=954.71kgm3液相摩尔分率为：PLWM,=10.00196708.2+0.99804954.71=954.06kgm3提馏段的平均密度：PLM,=780.22+954.062=831.14kgm33.5平均表面张力的计算液相平均表面张力以下式计算：（1） 塔顶液相平

35、均表面张力的计算 由查表得：蟽a=62.25mNm 蟽b=18.51mNm(2)进料板液相平均表面张力的计算 由查表得蟽a=61.06mNm 蟽b=17.01mNm蟽LWM=0.6340脳17.01+0.3657脳61.06=33.119mNm（3）塔底液相平均表面张力的计算 由tw=105掳C查表得蟽a=57.85mNm 蟽b=14.21mNm精馏段液相平均表面张力：蟽LM=33.1191+18.67832=258987mNm提馏段液相平表面张力：蟽LM,=33.1191+57.83772=45.4784mNm经过计算算的的物料相关物性参数如下表：表2 主要计算数据汇总精馏段提馏段平均压力k

36、pa112.55140.55平均温度C73.593.5平均摩尔质量Kg/kmoi气相31.079气相24.1075液相29.385液相22.46液相平均密度kgm3752.66954.06液相平均表面张力mN/m25.898745.4784第四章 精馏塔的设计根据上一章物料相关物性的计算，选取精馏塔为浮阀板式精馏塔，并确定精馏塔塔板数、塔径、塔高、塔后设计塔体内件验算流体力学，设计辅助设备。4.1塔板数的确定164.1.1平均挥发度查饱和蒸汽压表，65掳C时甲醇饱和蒸气压PCH3OH=101.92kpa，水的饱和蒸气压PH2O=25.00kpa，则：65掳C时甲醇和水相对挥发度： 时甲醇的饱和

37、蒸汽压PCH3OH=413.96kpa，水的饱和蒸汽压PH2O=120.85kpa，则：时甲醇和水的相对挥发度： 所以、65掳C下平均相对挥发度：伪=4.0768脳3.4254=3.744.1.2各点的甲醇摩尔分率预后甲醇中的甲醇摩尔分率：精甲醇中甲醇的摩尔分率：残液中甲醇摩尔分率：4.1.3理论塔板数最小理论塔板数因产品纯度Xd=0.9965，残液含甲醇XW=0.0002813 所以：产品中含杂质Xd1=1-0.9965=0.0035 Xw1=1-0.0002813=0.9997187最小回流比取泡点进料： 所以： 现在工厂回流比23，选择回流比为2，则：R-RmR+1=2-0.56252+

38、1=0.48理论塔板数查吉利兰图得17： (N-Nm)/(N+2)=0.27 得：N=14全塔效率的估算：全塔的平均温度：105+652=85掳C在85C下查得水和甲醇的年度分别为18： 则：全塔效率为：由上式得：ET=0.484圆整后得29块当变化不大时可取 塔顶和塔底的的平均值 蓹=4.0768脳3.44=3.74由此确定进料板位置 (R-Rm)/(R+1)=0.48 N-NmN+2=0.27解的：N=4.67（不包括进料板）故进料板为塔顶起5层起理论处理论板层数NT的求取19取操作回流比为：精馏塔的气、液负荷L鈥?=L+F=290.318+548.378=838.696kmolh精馏段、

39、提馏段操作线方程：精馏段操作线：提馏段操作线：图解法求理论塔板数层数：根据图示，可求得结果为：总理论塔板数NT为14块（包括再沸器）进料板位置NF为自塔顶数起第五块理论板层数NT的求取精馏段实际塔板数：圆整后得11块4.2精馏段工艺尺寸的计算4.2.1精馏段工艺尺寸的计算20由上面精馏段可知：L=290.318kmolh V=548.378kmolh精馏段塔径的计算： 该设计选用的是F1重阀浮阀塔，板间距HT=400mm。采用F1型重阀重量为0.033kg，孔径为0.039m精馏段的气、液相体积流率为：式中，负荷银子，由史密斯关联图查得C20再求1） 图的横坐标为：2） 取板间距，HT=0.4

40、0m，板上清液层高度取，则HT-hL=0.35m （4-24）由史密斯关联图，得知C20=0.075C20C=(20蟽)0.20.075C=(2025.8987)0.2C=0.07898取安全系数为0.8，则空塔气速为：按标准塔径圆整后为：塔截面积为：Al=3.14脳1.824=2.5434m2实际空塔气速为：（安全系数在允许范围之内，符合设计要求）4.2.2提馏段工艺尺寸的计算1）由上面可知提馏段 L=838.696kmolh V=548.378kmolh提馏段塔径的计算：提馏段的气、液相体积流率为：式中，负荷因子，由史密斯关联图查得C20再求图的横坐标为：取板间距：HT=0.40m，板上清

41、液层高度取，则HT-hL=0.35m由史密斯关联图：C20=0.075气体负荷因子：C=C20脳(蟽20)0.2=0.075脳(45.478420)0.2=0.0884取安全系数为0.7，则空塔气速为：按标准塔径圆整后为：塔截面积为：Al=3.14脳1.624=2.0096m2实际空塔气速为：（安全系数在允许范围之内，符合设计要求）则全塔塔径为：D=1800mm2)塔体壁厚的计算21因甲醇对塔体的腐蚀较小，又是一般温度操作，故可以选钢。最大操作压力为Pw=157.3Kpa，因为一般精馏塔都装设安全阀，取设计压力，设计温度假设壁厚在616mm范围内，查得在设计温度在时的许用应力为;壳体采用双面焊

42、对接接头无损检测，焊接接头系数，假设名义厚度在5.57.5mm内，查化工设备机械设计基础得，钢板厚度负偏差C1=0.6mm，取腐蚀余量C2=1.7mm；则厚度附加量：C=C1+C2=1.7+0.6=2.3mm塔体厚度的确定：计算厚度：最小厚度及设计厚度对低合金钢容器，其中最小厚度未min=3mm；由于计算厚度，故不满足刚度要求，因而设计厚度名义厚度按钢板厚度规格圆整，得塔体名义厚度未n=6mm（与假设厚度范围一致）。塔体水压试验时应力校核根据式：式中：（t800mm，故裙座厚度取16mm。基础环内经：基础环外径：圆整后：Dbi=1600mm Dbo=2200mm再考虑到再沸器，取裙座高H2=2

43、.6m，裙座采用圆筒型，与他提的焊接方式采用对接焊接接头。4.2.3塔体总高4.3塔内件设计4.3.1溢流堰的设计取清液层高度，本设计选用单溢流弓形降液管，采用平直堰，取堰长：lw=0.66D=0.66脳1800=1188mm堰上高度按下式计算：how=2.84脳10-3E(Llw)23（近似取溢流收缩系数E=1）精馏段溢流堰高：提馏段溢流堰高：4.3.2降液管的设计已知lw=1188mm，lwD=0.66由弓形降液管的结构参数图查得：WdD=0.16，AfAT=0.072那么Wd=0.16脳脳1800=0.29m降液管容积与液体流量之比为液体在降液管停留的时间t，一般大于（35）s，即：t=

44、AfHTL提馏段：精馏段：4.3.3降液管底隙高度取降液管底隙流速u0=0.1ms那么有：精馏段提馏段h0=Lslwu0=6.2956脳10-31.188脳0.10r.053m4.3.4塔板分布、浮阀数目与排列根据之前计算得出精馏段和提馏段上升的蒸汽量相差不大，为了制造方便，我们可以取两段的的塔径相等，即1800mm计算数据如下：汽塔的平均蒸汽流量：V=Vs+Vs2=3.90+3.30382=3.602m3s汽塔的平均液相流量：L=Ls+Ls2=6.2956+3.0922脳10-3=4.694脳10-3m3s汽塔的气相的平均密度：汽塔液相平均密度：取阀孔动能因子F0=10，计算如下：由于：u0

45、=F0蟻姘?=101.1628=9.274ms每层浮阀数：考虑到塔的直径比较大，必须采用分块式塔盘。一直wd=0.29m，选取的无效边缘区wc=0.07m，泡沫区的宽度ws=0.10m，则可以计算出鼓泡区的面积：其中，r=D2-wc=1.82-0.07=0.83m所以根据物系无腐蚀性，可选用的碳钢板，其孔直径d0=0.039m，按正三角形排列，取孔中心距t=75mm，那么按照n=298个重新换算F0，如下：则有：可见，阀空动能因素变化很小，符合要求。塔板开孔率为：4.4塔板流体力学的验算4.4.1气相通过浮阀塔的压降干板阻力hc临界孔速：则：板上充气液层阻力因设备分离烃化液，液相为碳氢化合物，

46、可以取充气系数为蔚o=0.5。液体表面张力所造成的阻力很小，可以忽略不计。那么：则单板压降为：4.4.2液泛为了防止液泛，需要严格控制降液管的液层高度：Hd=hp+hl+hd液体通过降液管的流动阻力相当的液柱高度，则：那么降液管清液层的高度为：Hd=hp+hl+hd=0.069+0.07+0.046=0.1436m取，选定HT=0.40m，可以得到：可见，设计可以防止液泛。4.4.3雾沫夹带泛点率为：板上液体流经长度：板上液泛面积：根据甲醇水系统属于无泡沫系统，由蟻v=1.1628kgm3，HT=0.40m，查物性数据：K=1.0，CF=0.102。所以泛点率为：可见，雾沫夹带在允许范围之内。

47、4.5塔板负荷性能图4.5.1雾沫夹带线对于一定的物系和一定的塔板蟻v、蟻l、Ab、K、Zt已知，相对于ev小于0.1的泛点率上限可以确定，VL关系，按泛点率80%计算：得到：V=5.14-47.51L由上式子可知：雾沫夹带线为直线。L=0时，V=5.14m3sL=0.01时，V=0.386m3s4.5.2液泛线因为很小，可以忽略，那对于无锡一定的塔板，有：又因为：uo=V0.785do2N则上式可化简为：aV2+cL2+dL23-b=0所以液泛方程为：4.5.3液相负荷上限线以液体在降液管中的停留时间不低于5s为上限。由L=AfHTt得：4.5.4漏液线对于F1重阀，以Fo=5为规定气体最小

48、负荷。由那么：4.5.5液相负荷下限线取板上液层高度how=0.01m作为液相负荷的下限条件，则以上各线的方程式，可画出塔的操作负荷性能图：从图里可以看出：（1）在任务规定的汽液负荷下的操作点P（设计点）处在适宜操作区内;（2）塔板的汽液负荷上限完全由雾沫夹带控制，操作下限由漏液线控制;（3）根据所作的操作线，可以读图得到：Vmax=5.14m3sVmin=1.65m3s则操作弹性为：VmaxVmin=5.141.65=3.124.6接管设计234.6.1进料管已知温度82掳C，进料的水密度为：965.31kgm3，甲醇的密度：749.25kgm3。液相的平均密度为：其中蠅f=0.634那么：

49、蟻f=808.16kgm3进料体积流量为：取适宜的流速uf=2.0ms，故：经圆整后选取规格为的热扎无缝钢管。实际流速：4.6.2釜残液出料管已知塔釜温度，压力122.325Kpa。查水密度的密度为：954.69kgm3，甲醇的密度为：905.175kgm3，则釜液密度为：其中：蠅w=0.01那么：蟻w=905.54kgm3则釜液体积流量为：取适宜的速度uw=1.0ms，则：经圆整后选取规格为：的热扎无缝钢管。实际流速：uw=4脳0.001020.042蟺鈮?0.812ms4.6.3塔顶蒸汽出口出料管采用直管出气，取蒸汽速度为，则：查标准系列选取的规格的热轧无缝钢管。实际流速：4.6.4塔底蒸汽进料管采用直管进气，取蒸汽速度为：us=40ms d4=4脳VS40蟺=4脳:3.9040脳3.14=352mm查标准系列选取规格的热扎无缝钢管。实际流速：us=4脳3.90.03572蟺=38.98ms4.6.5回流液管一直回流液温度40C，甲醇液体密度为：783.5kgm3那么甲醇的体积流量为：0.03092m3s取回流速度为：0.8ms那么：经圆整后选取规格为的热轧无缝钢管。实际流速：ud=4脳0.0