甲醇_水筛板精馏分离.doc

1、.武汉工程大学邮电与信息工程学院课程设计说明书设计题目甲醇 水混合液筛板精馏塔设计学号0942030118学生姓名刘玉专业班级09 高分子材料与工程01 班指导教师陶老师总评成绩.专业资料 .2012年06 月 18 日.专业资料 .目录摘 要.IAbstract .II第一章绪论 .1.1化工原理课程设计的目的和要求 .1.2化工原理课程设计的内容和步骤 .1.3精馏操作对塔设备的要求 .1.4板式塔类型 .1.5精馏塔的设计步骤 .第二章总体设计方案的确定 .2.1操作条件的确定 .2.2确定设计方案的原则 .第三章塔板的工艺计算 .3.1精馏塔的物料衡算 .3.2塔板数的确定 .3.3精

2、馏塔工艺条件及有关物性数据的计算 .3.4精馏塔的塔体工艺尺寸的计算 .3.5塔板主要工艺尺寸的计算 .第四章塔板的流体力学的验算 .4.1塔板压降 .4.2液面落差 .专业资料 .4.3液沫夹带 .4.4漏液 .4.5液泛 .4.6塔板负荷性能图 .第五章塔附件的设计 .5.1换热器设计 .5.2馏塔接管尺寸的计算 .5.3塔的总体高度设计 .总 结 .致 谢 .参考文献 .附 录 .专业资料 .摘要精馏是化工生产 、石油化工炼油生产过程中进行液体混合分离的一个重要操作，在提高生产过程的经济效益和产品质量中起着举足轻重的作用。本设计的任务四分离甲醇水溶液的混合物，提纯甲醇达到一定的纯度。采用

3、的分离设备是筛板式精馏塔。设计根据给定任务书首先对精馏装置的流程、操作条件 、主要设备选型进行讨论 ，然后通过计算确定精馏塔的塔高为12080mm ，塔径 800mm ，最后计算塔板的主要工艺尺寸，进行流体学校核 ，看结果是否符合设计要求，绘制精馏装置流程图等 。关键词：精馏塔；筛板式；甲醇；水。. 专业资料 .AbstractDistillationischemicalindustry,petrochemical,refiningprocesstoseparate liquid mixtures. Distillation is an important action. In improvi

4、ng theeconomic efficiency of production processes and product quality plays animportant role.This designtask is toseparatea mixtureofmethanolinaqueoussolution, purificationofmethanoluptoacertainpurity.Separationequipment is used sieve-type distillation column. Designed according to the. 专业资料 .givent

5、asks are firston theprocessof distillationequipment,operatingconditions, equipment selection for the main paper, and then determine thedistillation tower by calculating the height of 4.8 meters, 1 meter diametertower, thefinalcalculationof themain trayProcess size, check forfluiddynamics, to see whe

6、ther the results meet the design requirements, processmaps drawn distillation unit.Keyword s: distillation； column ； sieve-type ； methanol ； aqueous solution. 专业资料 .第一章绪论1.1 化工原理课程设计的目的和要求课程设计是 化工原理 课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。在整个教学计划中 ，它也起着培养学生独立工作能力的重要作用。课程设计不同于平时的作业，在设计中需

7、要学生自己做出决策，即自己确定方案 ，选择流程 ，查取资料 ，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算 ，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实践。通过课程设计 ,学生应该注重以下几个能力的训练和培养：1. 查阅资料 ，选用公式和搜集数据 (包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集 )的能力；2. 树立既考虑技术上的先进性与可行性 ，又考虑经济上的合理性 ，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想 ，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力 ；3. 迅速准确的进行工程计算的能力 ；4. 用简洁的文字 ，清晰的图

8、表来表达自己设计思想的能力 。1.2 化工原理课程设计的内容和步骤（一）课程设计的基本内容1. 设计方案简介 对给定或选定的工艺流程 ，主要的设备型式进行简要的论述；2. 主要设备的工艺设计计算包括工艺参数的选定、物料衡算 、热量衡. 专业资料 .算、设备的工艺尺寸计算及结构设计；3. 典型辅助设备的选型和计算包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定 ；4. 带控制点的工艺流程简图 以单线图的形式绘制 ，标出主体设备和辅助设备的物料流向 、物流量、能流量和主要化工参数测量点 ；5. 主体设备工艺条件图 图面上应包括设备的主要工艺尺寸 ，技术特性表和接管表 ；完整的课程设计由说明书

9、和图纸两部分组成 。 说明书是设计的书面总结 ，也是后续设计工作的主要依据 ，应包括以下主要内容 ：（1）封面（课程设计题目 、班级、姓名、指导教师 、时间 ）；（2）设计任务书 ；（3）目录；（4）设计方案简介 ；（5）设计条件及主要物性参数表；（6）工艺设计计算 ；（7）辅助设备的计算及选型 ；（8）设计结果汇总表 ；（9）设计评述及设计者对本设计有关问题的讨论；（10 ）工艺流程图及设备工艺条件图；（11）参考资料 。1.3 精馏操作对塔设备的要求精馏所进行的是气 (汽)、液两相之间的传质 ，而作为气 (汽 )、液两相传质所. 专业资料 .用的塔设备 ，首先必须要能使气 (汽)、液两相得

10、到充分的接触 ，以达到较高的传质效率 。 但是 ，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求：( ) 气 ( 汽 ) 、液处理量大 ，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。( ) 操作稳定 ，弹性大 ，即当塔设备的气 (汽)、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性 。( ) 流体流动的阻力小 ，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗 ，从而降低操作费用 。 对于减压精馏操作 ，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作 。( ) 结构简单 ，材料耗用量小

11、，制造和安装容易 。( ) 耐腐蚀和不易堵塞 ，方便操作 、调节和检修 。( ) 塔内的滞留量要小 。实际上 ，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。 不同的塔型各有某些独特的优点， 设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型 。1.4 板式塔类型气 液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔 ，填料塔的设计将在其他分册中作详细介绍，故本书将只介绍板式塔 。板式塔为逐级接触型气液传质设备 ，其种类繁多 ，根据塔板上气 液接. 专业资料 .触元件的不同 ，可分为泡罩塔 、浮阀塔 、筛板塔 、穿流多孔板塔 、舌形塔、浮动

12、舌形塔和浮动喷射塔等多种。板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813 年 )、筛板塔 (1832 年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油 、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板 ，如 S 型板、浮阀塔板 、多降液管筛板 、舌形塔板 、穿流式波纹塔板 、浮动喷射塔板及角钢塔板等。目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔 ，而前两者使用尤为广泛，因此，本章只讨论筛板塔的设计 。筛板塔是在塔盘版上开许多小孔，操作时液体从上层塔盘的降液管流入，横向流过筛板后 ，越过溢流堰经降液管导入下层塔盘；气体则自下而上穿过筛板，分散成气泡通过液层，在此过程中进行传质传

13、热。由于通过筛孔的气体有动能，故在一般情况下液体不会从筛孔大量泄漏。筛板塔盘的小孔直径是一个重要参数 ，小则气体分布较均匀，操作较稳定 ，丹加工困难 ，容易堵塞 。目前工业筛板塔常用孔径为38mm 。 筛板开孔面积总和开孔区面积之比称开孔率，是拧一个重要的参数。在同样的空塔速度下，开孔率大则孔速小 ，易产生漏液，降低效率 ，但 2 雾沫夹带的减小 ；开孔率过小 ，塔盘阻力大 ，易造成大的雾沫夹带和液泛 ，限制塔的生产能力 。通常开孔率在515% 。筛孔一般按正三角形排列 ，孔间距与孔径之比通常为2.55 。筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有 ：( ) 结构比浮阀塔更简单 ，易于加工

14、 ，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 。. 专业资料 .( ) 塔板效率高 ，比泡罩塔高 15 左右 。( ) 压降较低 ，每板压力比泡罩塔约低30左右 。筛板塔的缺点是 ：( ) 塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀 。( ) 操作弹性较小 (约 2 3)。( ) 小孔筛板容易堵塞。1.5 精馏塔的设计步骤本设计按以下几个阶段进行：（ 1） 设计方案确定和说明 。根据给定任务 ，对精馏装置的流程 、操作条件、主要设备型式及其材质的选取等进行论述 。（ 2）蒸馏塔的工艺计算 ，确定塔高和塔径 。（ 3）塔板设计 ：计算塔

15、板各主要工艺尺寸 ，进行流体力学校核计算 。 接管尺寸等，并画出塔的操作性能图 。（ 4）管路及附属设备的计算与选型 ，如再沸器 、冷凝器 。(5) 抄写说明书 。(6) 绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图 。. 专业资料 .第二章总体设计方案的确定确定设计方案是指确定整个精馏装置的流程、各种设备的结构型式和某些操作指标 。本设计任务为分离甲醇- 水混合物 。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程 。 设计中采用泡点进料，将原料液通过预加热器至泡点后送入精馏塔内 。 塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，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。该物系属易分离系 ，最小回

16、流比 ，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 。下面结合课程设计的需要，对某些问题作些阐述 。2.1 操作条件的确定2.1.1 操作压力蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行 。 确定操作压力时 ，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。例如，采用减压操作有利于分离相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将. 专业资料 .导致塔径增加 ，同时还需要使用抽真空的设备。对于沸点低 、在常压下为气态的物料 ，则应在加压下进行蒸馏。当物性无特殊要求时，一般是在稍高于大气压下操作 。但在塔径相同的情况下，适当地提高操作压力可

17、以提高塔的处理能力。有时应用加压蒸馏的原因，则在于提高平衡温度后，便于利用蒸汽冷凝时的热量，或可用较低品位的冷却剂使蒸汽冷凝，从而减少蒸馏的能量消耗。2.1.2 进料状态进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。在实际的生产中进料状态有多种，本设计选择的进料方式是泡点进料。但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。此外，在泡点进料时 ，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便。2.1.3 加热方式蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器 。 一般蒸馏塔釜残液中的主要组分是水，且在低浓度下轻组分的相

18、对挥发度较大时宜用直接蒸汽加热，其优点是可以利用压力较低的加热蒸汽以节省操作费用，但是由于直接蒸汽加热的加入 ，对釜内溶液起一定的稀释作用，在进料条件和产品纯度、轻组分收率一定的前提下，釜液浓度相应降低，要在精馏段增加塔板以达到生产要求。根据任务书的要求 ，对于本次任务采用间接蒸汽加热更为简单，方便。2.2 确定设计方案的原则确定设计方案总的原则是在可能的条件下，尽量采用科学技术上的最新成就，使生产达到技术上最先进、经济上最合理的要求，符合优质 、高产 、安全、低消耗的原则 。为此 ，必须具体考虑如下几点 ：. 专业资料 .(1) 满足工艺和操作的要求所设计出来的流程和设备，首先必须保证产品达

19、到任务规定的要求，而且质量要稳定 ，这就要求各流体流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定，从而需要采取相应的措施。其次所定的设计方案需要有一定的操作弹性，各处流量应能在一定范围内进行调节，必要时传热量也可进行调整。因此，在必要的位置上要装置调节阀门，在管路中安装备用支线。计算传热面积和选取操作指标时 ，也应考虑到生产上的可能波动。再其次，要考虑必需装置的仪表(如温度计、压强计，流量计等 )及其装置的位置 ，以便能通过这些仪表来观测生产过程是否正常 ，从而帮助找出不正常的原因，以便采取相应措施 。(2) 满足经济上的要求要节省热能和电能的消耗，减少设备及基建费用。如前所述在蒸馏过程中如能适当地

20、利用塔顶、塔底的废热 ，就能节约很多生蒸汽和冷却水，也能减少电能消耗 。 又如冷却水出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量，另方面也影响到所需传热面积的大小，即对操作费和设备费都有影响。同样，回流比的大小对操作费和设备费也有很大影响。降低生产成本是各部门的经常性任务，因此在设计时 ，是否合理利用热能，采用哪种加热方式，以及回流比和其他操作参数是否选得合适等，均要作全面考虑 ，力求总费用尽可能低一些。而且，应结合具体条件 ，选择最佳方案。例如 ，在缺水地区 ，冷却水的节省就很重要；在水源充足及电力充沛、价廉地区，冷却水出口温度就可选低一些，以节省传热面积 。(3) 保证安全生产例如酒精属易燃物料

21、，不能让其蒸汽弥漫车间，也不能使用容易发生. 专业资料 .火花的设备 。 又如，塔是指定在常压下操作的，塔内压力过大或塔骤冷而产生真空，都会使塔受到破坏 ，因而需要安全装置 。以上三项原则在生产中都是同样重要的。但在化工原理课程设计中，对第一个原则应作较多的考虑，对第二个原则只作定性的考虑，而对第三个原则只要求作一般的考虑 。. 专业资料 .第三章塔板的工艺计算3.1 精馏塔的物料衡算3.1.1 原料液及塔顶 、塔底产品的摩尔分率表 3-1 甲醇 - 水相关物性参数表项目分子式摩尔质量 M沸点 /临界温度临界压强tc /0 CPc/Kpa甲醇 ACH3OH32.0464.5288.56833.

22、4水 BH O18.02100318.574107.72甲醇的摩尔质量 M 甲 =32.04kg/ kmol水的摩尔质量 M 水 =18.02kg/kmol0.40.999732.04XD=32.04XF= 0.40.6=0.2730.99970.0003 =0.994732.04+18.0218.0232.040.005XW=32.04=0.0028180.005+ 0.99532.0418.02. 专业资料 .3.1.2 原料液及塔顶 、塔底产品的平均摩尔质量M F0.27332.04 （1-0.273 ） 18.0221.85kg / kmolM D0.994732.04 (1-0.99

23、47） 18.0231.96kg / kmolM W0.002818 32.04 (1-0.002818) 18.02 18.06kg / kmol3.1.3 物料衡算原料处理量 ：210000000F=330=115.57kmol/h24 21.85总物料衡算 ： FDW115. 57 D W甲醇物料衡算 ：FX FDX DWXW115. 57 0. 273D0. 9947W 0.00联立解得D=31.48kmol/hw=84.09kmol/h3.2 塔板数的确定3.2.1 理论板数的求取x及甲醇 水在不同温度下的汽 液平衡组成由 y=1+( -1)x表 3-2甲醇 - 水的气液平衡组成温度

24、液相气相温度液相气相92.90.05310.28347.0581.60.20830.62736.490.30.07670.40018.0380.20.23190.64856.1188.90.09260.43537.55780.28180.67755.3586.60.12570.48316.577.80.29090.68015.18850.13150.54557.9376.70.33330.69184.4983.20.16740.55866.2976.20.35130.73475.1182.30.18180.57756.1573.80.4620.77564.02. 专业资料 .72.70.529

25、20.79713.49680.77010.89622.5771.30.59370.81833.0866.90.87410.91941.64700.68490.84922.59m = 19 a1.a2.a3.a19 =4.83得到相平衡方程x4.83xy= 1+(=1+3.83x-1)x因为泡点进料 ，所以 q=1xq xF0.273且 q 点过相平衡线则 yq4.83xq=0.645 =0.6451+3.83xqxDyq=0.94取操作回流比R2. 0R m i n 1. 88Rmin =xqyq3.2.2精馏塔的气液相负荷L=RD=1.8831.4859.18kmol / hVR1D2. 8

26、831. 4890. 66kmol/ hLL F59.18115.57174.75kmol / hV =V9 0. 6 6 k m o l / h3.2.3 操作线方程Rx精馏段操作线方程yn=x+D=0.6 528+0.3 454+ 1R+1nR +1提馏段操作线方程yn 1L xnWx = 1. 9 2 72. 614310wVV3.2.4 逐板计算法求理论板数因为塔顶为全凝器yxD0.99471通过相平衡方程求y1=0.9749x1=4.83-3.83y1再通过精馏段操作线方程y20.6528x1 0.3454 0.9818 ，如此反复得y1 =0.99947x1 =0.9749. 专业

27、资料 .y2 =0.9818x 2=0.9179y3 =0.9446x3=0.7793y4 =0.8541x 4=0.5482y5 =0.7032x5=0.3291y6 =0.5603x6=0.20870.273当 x6 xq 后，改用相平衡方程与提馏段操作方程yn 1 1.927xn 12.614 103计算 .如此反复得y7 =0.3995x 7 =0.1211y8 =0.2308x8=0.0585y9 =0.1101x9=0.025y10 =0.0455x10=0.1474y11 =0.02578x11=5.45 10-3y12 =7.88 10-3x12 =1.64 10-3 0.00

28、2818可得到进料板位置NF 6总理论板数NT123.2.5 实际板层数的求取精馏段实际板层数 ： N精58.3 90.6提馏段实际板层数 ： N提610（不包括再沸器 ）0.63.3 精馏塔工艺条件及有关物性数据的计算3.3.1 操作压力计算塔顶操作压力PD101. 34105. 3KPa每层塔板压力降P=0.7KPa. 专业资料 .进料板压力P105. 30. 7 9 111. 6KPaF塔底压力PwPF 0.7 10 118.6KPa精馏段平均压力m105.3+ 1 11. 6P =2=1 0 8.4K5P a提馏段平均压力111.6 +120Pm=1 15.K1 Pa23.3.2 操作

29、温度计算 （内插法得 ）根据甲醇 - 水的气 -液平衡组成表 ，再通过内插法得 ：塔顶温度tD64. 79进料板温度tF78. 3塔釜温度tw99. 6精馏段平均温度tm=tD +tF=64. 79+78. 32= 71.542提馏段平均温度tm = tF +tW= 7 8. 3+ 9 9.=68 8. 95223.3.3 平均摩尔质量的计算塔顶平均摩尔质量计算由 xDy1 0.9947通过相平衡方程求得x1=0.9749M VDM（ 1 y ） M1 0.9947 18.02 31.97Kg / Kmoly1 M甲 +- 1水 =0.9947 32.04M LOMX1M甲+（1）M-X 1水

30、 =0.9749 32.04 1 0.9749 18.02 31.69 Kg / Kmol进料板平均摩尔质量计算通过逐板计算得进料板yF0.5603，再通过相平衡方程得 x0.2087FM VFM yF M 甲 + （ 1-y F） M水0.560332.04 （10.5603） 18.0225.87Kg / Kmol. 专业资料 .M LFMxF M 甲 + （ 1-xF） M水0.208732.04 （10.208718.02） 20.95Kg / Kmol塔釜平均摩尔质量的计算由 xF =0.002818 查平衡曲线得 yw0.01346M VFM yF M 甲 +（ 1-y F） M水

31、 =0.0134632.04 （10.01346） 18.02 18.21Kg / KmolM LFMX F M 甲 +（ 1-X F） M水 =0.00281832.04 （10.002818） 18.0218.06Kg / Kmol精馏段平均摩尔质量MVM = (MVDM+MVFM) =31.97+25.87=28.92Kg /Kmol22(M LDM+M LFM )31.69+20.95MLM =2=26.32Kg /Kmol2提馏段平均摩尔质量(M VDM +M VFM )25.87+18.21MVM =2=22.04Kg /Kmol2(M LFM +M LWM )20.95+18.06MLM =2=19.50Kg / Kmol23.3.4 平均密度计算3.3.4.1 气相平均密度计算由理想气体状态方程计算