甲醇-水精馏分离板式塔设计

1、河西学院化学化工学院课程设计 河 西 学 院Hexi University化工原理课程设计 题 目: 甲醇-水精馏分离板式塔设计 学 院: 化学化工学院 专 业: 化学工程与工艺 学 号: 2014210025 姓 名: 王川东 指导教师: 杨自嵘 2016年 11月 15 日化工原理课程设计任务书一、设计题目甲醇-水溶液连续精馏塔设计二、设计任务及操作条件1.设计任务生产能力（进料量）15000吨/年操作周期7200小时/年进料组成 40%（质量分率，下同）塔顶产品组成 95% 塔底产品组成 2% 2.操作条件 操作压力 塔顶为常压 进料热状态 饱和蒸汽进料 加热蒸汽 饱和水蒸汽 3.设备型

2、式 浮阀塔 4.厂址 吉林省吉林市 三、设计内容1.设计方案的选择及流程说明2.塔的工艺计算3.主要设备工艺尺寸设计（1）塔径、塔高及塔板结构尺寸的确定（2）塔板的流体力学校核（3）塔板的负荷性能图（4）总塔高、总压降及接管尺寸的确定4.辅助设备选型与计算5.设计结果汇总6.工艺流程图及精馏工艺条件图7.设计评述目 录设计任务书1. 概述11.1精馏原理及其在化工生产上的应用11.2精馏塔对塔设备的要求11.3常用板式塔类型及本设计的选型11.4本设计所选塔的特性21.5流程的确定和说明22.塔板的工艺设计32.1精馏塔全塔物料衡算32.2温度的计算42.3密度的计算52.4液体的平均表面张力

3、的计算62.5黏度的计算72.6相对挥发度72.7气、液相体积流量计算72.8理论塔板的计算82.9塔径的初步设计92.10溢流装置102.11塔板布置及浮阀数目与排列123.塔板的流体力学计算133.1气相通过浮阀塔板压降133.2淹塔143.3物沫夹带线153.4塔板负荷性能图 （泛点率按70%计算）163.5浮阀塔工艺设计计算结果184.塔附件设计194.1接管194.2回流管204.3塔釜出料管204.4塔顶蒸气出料管204.5塔釜进气管204.6裙座204.7塔的顶部空间高度214.8塔的底部空间高度214.9人孔214.10塔高计算214.11再沸器的选择215.总结226.附录2

4、3参考文献24摘要：本设计采用浮阀塔分离甲醇和水，通过图解法计算得出理论板数为11块，回流比为2，算出塔板效率0.45455，实际板数为22块，进料位置为第16块，在浮阀塔主要工艺尺寸的设计计算中得出塔径为1.0米，总塔高7.0米，每层浮阀数目为39个。通过浮阀塔的流体力学验算，证明各指标数据均符合标准。同时还对精馏塔的辅助设备进行了选型计算。关键词：甲醇，水，连续精馏，浮阀塔1. 概述1.1精馏原理及其在化工生产上的应用 实际生产中，在精馏柱及精馏塔中精馏时，上述部分气化和部分冷凝是同时进行的。对理想液态混合物精馏时，最后得到的馏液(气相冷却而成)是沸点低的B物质，而残液是沸点高的A物质，精

5、馏是多次简单蒸馏的组合。精馏塔底部是加热区，温度最高；塔顶温度最低。精馏结果，塔顶冷凝收集的是纯低沸点组分，纯高沸点组分则留在塔底。1.2精馏塔对塔设备的要求精馏设备所用的设备及其相互联系，总称为精馏装置，其核心为精馏塔。常用的精馏塔有板式塔和填料塔两类，通称塔设备，和其他传质过程一样，精馏塔对塔设备的要求大致如下： 生产能力大：即单位塔截面大的气液相流率，不会产生液泛等不正常流 动。 效率高：气液两相在塔内保持充分的密切接触，具有较高的塔板效率或传质效率。 流体阻力小：流体通过塔设备时阻力降小，可以节省动力费用，在减压操作是时，易于达到所要求的真空度。 有一定的操作弹性：当气液相流率有一定波

6、动时，两相均能维持正常的流动，而且不会使效率发生较大的变化。 结构简单，造价低，安装检修方便。 能满足某些工艺的特性：腐蚀性，热敏性，起泡性等。1.3常用板式塔类型及本设计的选型 常用板式塔类型有很多，如：筛板塔、泡罩塔、舌型塔、浮阀塔等。而浮阀塔具有很多优点，且加工方便，故有关浮阀塔板的研究开发远较其他形式的塔板广泛，是目前新型塔板研开发的主要方向。近年来与浮阀塔一直成为化工生中主要的传质设备，浮阀塔多用不锈钢板或合金 。实际操作表明，浮阀在一定程度的漏夜状态下，使其操作板效率明显下降，其操作的负荷范围较泡罩塔窄，但设计良好的塔其操作弹性仍可达到满意的程度。 浮阀塔塔板是在泡罩塔板和筛孔塔板

7、的基础上发展起来的，它吸收了两者的优点。所以在此我们使用浮阀塔，浮阀塔的突出优点是结构简单，造价低，制造方便；塔板开孔率大，生产能力大等。 甲醇与水的分离是正常物系的分离，精馏的意义重大，在化工生产中应用非常广泛，对于提纯物质有非常重要的意义。所以有必要做好本次设计1.4本设计所选塔的特性浮阀塔的优点是： 生产能力大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，其开孔面积大于泡罩塔板，生产能力比泡罩塔板大 20%40%，与筛板塔接近。 操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此维持正常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔，泡罩塔都大。 塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故气液接触时间较长，而

8、雾沫夹带量小，塔板效率高。 气体压降及液面落差小，因气液流过浮阀塔板时阻力较小，使气体压降及液面落差比泡罩塔小。 塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的 50%80%，但是比筛板塔高 20%30%。 但是，浮阀塔的抗腐蚀性较高（防止浮阀锈死在塔板上），所以一般采用不锈钢作成，致使浮阀造价昂贵，推广受到一定限制。随着科学技术的不断发展，各种新型填料，高效率塔板的不断被研制出来，浮阀塔的推广并不是越来越广。 近几十年来，人们对浮阀塔的研究越来越深入，生产经验越来越丰富，积累的设计数据比较完整，因此设计浮阀塔比较合适1.5流程的确定和说明 本设计任务为分离甲醇-水溶液的混合物。对于二元混

9、合物的分离，应采用连续精馏流程。甲醇和水的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入甲醇的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新

10、回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成甲醇和水的分离。2.塔板的工艺设计2.1精馏塔全塔物料衡算 ：原料液流量 ：原料组成 ：塔顶产品流量 ：塔顶组成 ：塔底残夜流量 ：塔底组成 甲醇的摩尔质量 水的摩尔质量 原料甲醇组成： 塔顶组成： 塔底组成： 平均摩尔质量： 原料处理量： 物料衡算式： 根据上式解得： 表1 甲醇-水在气，液平衡组成与温度的关系温度t/液相中苯的摩尔分数x/%气相中苯的摩尔分数y/%1000096.40.020.13493.50.040.23491.20.060.30489.30.080.36587.70.100.4188

11、4.40.150.51781.70.200.57978.00.300.66575.30.400.72973.10.500.77971.20.600.82569.30.700.87067.60.800.91566.00.900.95865.00.950.97964.511 由手册查的甲醇-水物系的气、液平衡数据，绘出图，见图1所示图1 图解法求理论板层数2.2温度的计算 利用表1中数据由拉格朗日插值可求得、。 : ,=71.65 : , =64.67 ：,=97.966 精馏段的平均温度： 提馏段的平均温度：2.3密度的计算 精馏段 已知：=68.163 =() 提馏段 已知：=84.808 =

12、()温度/6080100983.2971.8958.4761.1737.4712.0表2 不同温度下甲醇和水的密度 由=68.163： 由=84.808，查手册得 =731.2938 =968.6748 在精馏段：液相密度： = 得 气相密度： 在提馏段：液相密度： = 得 气相密度： 2.4液体的平均表面张力的计算温度/6080100甲醇表面张力/17.3315.0412.8水表面张力/66.262.658.8 由，查手册得 塔顶液： 由 ，查手册得 进料板液相： 由，查手册得 塔底液： 精馏段液相平均表面张力为： 提馏段液相平均表面张力为：2.5黏度的计算 由,查表得 、 由,查表得 、

13、精馏段黏度 提馏段黏度 2.6相对挥发度 精馏段挥发度 由，得， 所以 提馏段挥发度 由，得， 所以2.7气、液相体积流量计算 精馏段 已知：， ， 质量流量： 体积流量： 提馏段 已知：， ， ， 质量流量： 体积流量： 2.8理论塔板的计算 精馏段 已知: , 故(块) 提馏段 已知： , 故(块) 全塔所需实际塔板数：（块）全塔效率：，其中加料板设置第12块2.9塔径的初步设计 精馏段 横坐标 由式中计算，其中由史密斯关联图查取，查图可知： (m) 横截面积 空塔气速提馏段 横坐标 查图可知:： 圆整: D=1000mm, , 2.10溢流装置 因塔径，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受

14、液盘，各项计算如下： 图3 塔板的结构参数 堰长 溢流堰高度 由,选用平直堰，堰上液层高度由下式计算，即： 近似取 精馏段： 提馏段： 弓形降液管的宽度和横截面 由查下图（的范围0.6-0.8) ， 则 ， ， 降液管内停留时间： 精馏段： 提馏段： 停留时间，故降液管可使用 降液管底隙高度： 精馏段： 提馏段： 要保证良好的液封，一般不低于，故降液管底隙高度设计合理。2.11塔板布置及浮阀数目与排列 取边缘宽度 破沫区宽度 降液管宽度 塔径 计算塔板上的鼓泡区面积，即： 其中 所以图5 单层塔板的结构参数 阀孔计算及其排列：甲醇-水溶液无腐蚀性，可选用碳钢板（碳钢板厚，孔径应不小于），取筛孔

15、直径。筛孔按照正三角形叉排排列，取孔心距。浮阀板按正三角形排列，取中心距 图6正三角形叉排 筛孔数目 开孔率 精馏段气体通过筛孔的气速： 提馏段气体通过筛孔的气速：3.塔板的流体力学计算 3.1气相通过浮阀塔板压降 可根据计算。 精馏段 干板阻力因，故 板上充气液层阻力取：， 液体表面张力所造成的阻力：此阻力较小，可忽略不计因此与气体流经塔板的压降相当的高度为： 提馏段 干板阻力因，故 板上充气液层阻力取， 液体表面张力所造成的阻力：此阻力较小，可忽略不计因此与气体流径塔板的压降相当的高度为：3.2淹塔为防止发生淹塔现象，要求控制降液管中清液高度。 精馏段 单层气体通过塔板压降所相当的液体高度

16、： 液体通过液体降液管的压头损失： 板上液层高度： 则 取，选定, 则 可见，所以符合防止淹塔的要求 提馏段 单层气体通过塔板压降所相当的液体高度： 液体通过液体降液管的压头损失： 板上液层高度：， 则 取， 可见，所以符合防止淹塔的要求3.3物沫夹带线 泛点率 泛点率= 板上液体流经长度： 板上液流面积：精馏段：查物性系数：由于甲醇-水为无泡沫，正常系统则 泛点负荷系数图 泛点率 泛点率 提馏段查物性系数：由于甲醇-水为无泡沫，正常系统则，泛点负荷系数图 泛点率 泛点率 由计算可知，符合要求3.4塔板负荷性能图 （泛点率按70%计算） 物沫夹带线 精馏段 整理得 提馏段 整理得表4 物沫夹带

17、线的气、液体积流量精馏段 0.00010.00020.0010.0041.1651.1621.1381.046提馏段0.00010.00020.0010.0041.2791.2761.2501.521 由上表可作出精馏段、提馏段中的物沫夹带线（1）。 液泛线 ,由此确定液泛线忽略 而 精馏段 整理得 提馏段 整理得表5 液泛线上的气、液体积流量精馏段 0.00010.00050.0010.0040.91650.89060.85870.4379提馏段0.00010.00050.0010.0040.99470.97000.9450.7753 由上表可作出精馏段、提馏段中的液泛线（2）。 液相负荷上

18、限 液体的最大流量应保证降液管中停留时间不低于3-5s。 以5s作为液体在降液管内停留时间的下限 则： 由此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线（3）。 漏液线 以作为规定气体最小负荷的标准 精馏段： 提馏段： 由上可作出精馏段、提馏段的漏液线（4）。 液相负荷下限 取堰上液层高度作为液相负荷下限条件作为液相 负荷下限 线，该线为与气相流量无关的竖直线。 取 由上可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线（5）。 由以上-做出塔板负荷性能图如下：图7 精馏段塔板负荷性能图在负荷性能图上，做出操作点连接,即做出操作线。由上图可看出， 该浮阀板的操作上限为液泛控制，下限为漏液线控制。点的坐标为

19、（0.0004554,0.6679）。 由上图查的：， 故操作弹性为：3.5浮阀塔工艺设计计算结果表7 浮阀塔工艺设计计算结果项目符号单位精馏段提馏段备注塔径1.01.0板间距0.3250.325塔板类型单溢流弓形降液管空塔流速0.6432102263堰长0.65堰高0.044560.03720板上液层高度0.05降液管底隙高0.038560.3584浮阀数个3939等边三角形阀孔气速120267010.9066孔心距0.1170.117单板压降676.3639517.5634液体在降液管内40.33620.877降液管内液层高度0.12850.10928泛点率%37.43540.389气相负

20、荷上限0.88380.9153液泛线控制气相负荷下限0.2520.25181漏液线控制操作弹性3.5073.6354.塔附件设计 4.1接管 进料管：采用直管进料，管径计算： 取 ， 则选择进料管道推荐尺寸取 4.2回流管 采用直管回流管取， 则选择回流管道推荐尺寸取 4.3塔釜出料管 取 ，直管出料 则选择塔釜出料管道推荐尺寸取 4.4塔顶蒸气出料管 直管出气，取出口气速， 则选择塔顶蒸汽出料管道推荐尺寸取 4.5塔釜进气管 采用直管，取， 则选择塔釜进气管道推荐尺寸取 4.6裙座塔底采用裙座支撑，裙座结构性能好，连接处产生的局部阻力小，所以它是 塔设备的主要支座形式，为了制作方便，一般采用

21、圆筒形。由于裙座内径>800mm，故裙座壁厚取16mm。 基础环内径： 基础环外径：圆整：，；基础环厚度：考虑到腐蚀余量取18mm； 考虑到再沸器，裙座高度取1500mm。4.7塔的顶部空间高度塔的顶部空间高度是指塔顶第一层塔盘到塔顶封头的直线距离，塔顶部空间高度为。4.8塔的底部空间高度塔的底部空间高度是指塔底最末一层塔盘到塔底下封头切线的距离，取。4.9人孔 参考课程设计书173页，本塔共22块塔板，需设一个人孔，孔径为 0.5m 4.10塔高计算 精馏段： 提馏段： 在进料孔上方开一人孔，其高度为0.5m，故精馏塔高度为： 4.11再沸器的选择 热负荷：塔底温度， 加热蒸气用量：

22、选用0.25（表压）的饱和蒸汽加热，温度为， 考虑到10%的热损失， 平均温差： 换热系数：w/() 换热面积： 考虑到10%热损失，5.总结通过这次课程设计，让我更加深刻了解课本知识，和以往对知识的疏忽得以补充，在设计过程中遇到一些模糊的公式和专业用语，比如说经济刮板运输机及皮带运输的选择，在选择选择刮板皮带运输选型时,在使用手册时，有的数据很难查出，但是这些问题经过这次设计，都一一得以解决，我相信这本书中还有很多我为搞清楚的问题，但是这次的课程设计给我相当的基础知识，为我以后工作打下了严实的基础。虽然这次课程是那么短暂的2周时间，我感觉到这些天我的所学胜过我这一学期所学，这次任务原则上是设

23、计，其实就是一次大的作业，是让我对课本知识的巩固和对基本公式的熟悉和应用，计算力学和运动学及预选电动机过程中的那些繁琐的数据，使我做事的耐心和仔细程度得以提高。课程设计是培训学生运用本专业所学的理论知识和专业知识来分析解决实际问题的重要教学环节，是对三年所学知识的复习和巩固。同样，也促使了同学们的相互探讨，相互学习。因此，我们必须认真、谨慎、踏实、一步一步的完成设计。如果时间可以重来，我可能会认真的去学习和研究，也可能会自己独立的完成一个项目，我相信无论是谁看到自己做出的成果时心里一定会很兴奋。此次设计让我明白了一个很深刻的道理：团队精神固然很重要，担人往往还是要靠自己的努力，自己亲身去经历，

24、这样自己的心里才会踏实，学到的东西才会更多。 6.附录单流型塔板系列参数塔径D/mm塔截面积AT/m2塔板间距HT/mm弓形降液管降液管面积/m2堰长/mm管宽/mm7000.3590300350450466500525871051200.02480.03250.03956.99.0611.00.6770.7140.7348000.50273004505006005295816401001251600.03630.05020.07177.2210.014.20.6610.7260.80010000.78543504505006006507148001201502000.05340.07700.11206.89.814.20.6500.7140.88012001.131035045050060080