甲醇-水分离板式精馏塔的设计

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-水板式分离精馏塔设计 学 院: 化学化工学院 专 业: 化学工程与工艺 学 号: 2014210036 姓 名: 张小宝 指导教师: 冯 敏 2016 年 11 月 29日 化工原理课程设计任务书一、设计题目甲醇-水分离板式精馏塔设计二、设计任务及操作条件1.设计任务生产能力（进料量） 5万 吨/年操作周期 每年300天，每天24小时运行 进料组成 含甲醇46% （质量分率，下同）塔顶产品组成 甲醇含量不低于99.7% 塔底产品组成 甲醇含量不高于0.5% 2.操作条件操作压力 常压 进料热

2、状态 自选 塔底加热蒸汽压力 0.3MPa(表压) 单板压降 0.7kPa 3.设备型式 筛板或浮阀塔板 4.厂址 张掖 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21.4流程的确定和说明22精馏塔的物料衡算22.1原料液及塔顶和塔底的摩尔分率22.

3、2原料液及塔顶和塔底产品的平均摩尔质量32.3物料衡算33塔板数的确定33.1理论板层数的求取33.1.1相对挥发度的求取33.1.2求最小回流比及操作回流比43.1.3求精馏塔的气、液相负荷53.1.4求操作线方程53.1.5采用图解法求理论板层数63.2实际板层数的求取63.2.1液相的平均粘度63.2.2精馏段和提馏段的相对挥发度73.2.3全塔效率ET 和实际塔板数7 4精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算.74.1操作压力的计算74.2操作温度计算84.3平均摩尔质量计算84.4平均密度计算94.4.1气相平均密度计算94.4.2液相平均密度计算94.5液体平均表面张力的计算104.

4、6液体平均粘度115精馏塔的塔体工艺尺寸计算115.1塔径的计算115.2精馏塔有效高度的计算136塔板主要工艺尺寸的计算136.1溢流装置计算136.1.1堰长136.1.2溢流堰高度136.1.3弓形降液管宽度和截面积146.1.4降液管底隙高度156.2塔板布置156.2.1塔板的分块156.2.2边缘区宽度确定156.2.3开孔区面积计算156.2.4筛孔计算及排列167塔板的流体力学验算167.1塔板压降167.1.1干板阻力计算167.1.2气体通过液层的阻力计算167.1.3液体表面张力的阻力计算177.2液面落差177.3液沫夹带177.4漏液187.5液泛188塔板负荷性能图

5、198.1漏液线208.2液沫夹带线218.3液相负荷下限线218.4液相负荷上限线218.5液泛线219筛板塔设计计算结果2410精馏塔接管尺寸计算2510.1塔顶蒸汽出口管的直径2510.2回流管的直径2610.3进料管的直径2610.4塔底出料管的直径2611辅助设备的计算及类型2611.1原料储存罐2611.2再沸器的选择2711.3冷凝器的选择2711.4除沫器2811.5裙座2812对设计过程的评述和有关问题的讨论2813设计图纸2814参考文献29III甲醇-水精馏分离板式塔设计张小宝摘要：设计选用板式精馏塔作为分离设备采用连续精馏的方法分离甲醇-水混合液。一个完整的板式塔主要是

6、由圆柱形塔体、塔板、降液管、溢流堰、受液盘及气体和液体进、出口管等部件组成，这就需要对各个部件做出选择并给出合理的工艺尺寸。因此我们对精馏塔首先进行物料衡算，根据查得的甲醇-水物系平衡数据用作图法求得理论塔板数并由全塔效率确定实际塔板数，然后确定操作压力，操作温度，平均分子量，平均密度等基本物性参数。对塔高、塔径、塔板、溢流装置等各个部件进行计算与核算校验（如负荷性能图）并确定操作弹性，最后计算接管等一些附件的尺寸。关键词：精馏塔，甲醇，水。 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，上述部分汽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

7、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

8、，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

9、其操作弹性仍可达到满意的程度。 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 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

10、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 精馏塔的物料衡算2.1 原料液及塔顶和塔底的摩尔分率甲醇的摩尔质量 水的摩尔质量 2.2 原料液及塔顶和塔底产品的平均摩尔质量2.3 物料衡算原料处理量 总物料衡算 总物料衡算 联立解得 3 塔板数的确定3.1 理论板层数的求取3.1.1 相对挥发度的求取由

11、，再根据表11数据可得到不同温度下的挥发度，见表2表 1 不同温度下水-甲醇的气液平衡数据1000096.40.020.13493.50.040.23491.20.060.30489.30.080.36587.70.100.41884.40.150.51781.70.200.57978.00.300.66575.30.400.72973.10.500.779 71.2 69.3 67.6 66.0 65.0 64.5 0.60 0.70 0.80 0.90 0.95 1.00 0.825 0.870 0.915 0.958 0.979 1.00表2 相对挥发度温度挥发度温度挥发度96.47.5

12、82784.63293.291.289.387.784.481.77.3326.8436.6106.4646.0665.50175.373.171.269.367.6664.0353.5253.1432.8682.6912.534所以3.1.2 求最小回流比及操作回流比泡点进料： 故最小回流比为=取操作回流比为 3.1.3 求精馏塔的气、液相负荷 3.1.4 求操作线方程精馏段操作线方程为 （a）提馏段操作线方程（b）3.1.5 采用图解法求理论板层数图1 图解法求理论板精馏塔的理论塔板数为 =18（包括再沸器）进料板位置 3.2 实际板层数的求取3.2.1 液相的平均粘度进料黏度：根据表1，

13、用内插法求得查手册2得 求得 塔顶物料黏度：用内插法求得，查手册2得 求得 塔釜物料黏度：用内插法求得，查手册得 求得精馏段液相平均黏度：提馏段液相平均黏度：3.2.2 精馏段和提馏段的相对挥发度根据表2，用内插法求得 则精馏段的平均挥发度 提馏段的平均挥发度 3.2.3 全塔效率ET 和实际塔板数全塔效率可用奥尔康公式：计算所以精馏段 提馏段精馏段实际板层数 块提馏段实际板层数 块4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算4.1 操作压力的计算 塔顶操作压力 每层塔板压降 进料板压力 塔釜操作压力 精馏段平均压力 精馏段平均压力 4.2 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

14、温度，其中甲醇、水的饱和蒸气压由安托尼方程计算。计算结果如下：塔顶温度 进料板温度 精馏段平均温度 提馏段平均温度 4.3 平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算由，进料板平均摩尔质量计算 塔底平均摩尔质量计算由 精馏段平均摩尔质量提馏段平均摩尔质量4.4 平均密度计算4.4.1 气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即 4.4.2 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2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 塔底液相平均密度的计算 精馏段液相平均密度为 提馏段液相平均密度为4.5 液体平均表面张力的计算液相平均表面张力依下式计算

15、，即 塔顶液相平均表面张力的计算由，查手册2得 进料板液相平均表面张力为 由，查手册2得 塔底液相平均表面张力为由 精馏段液相平均表面张力为提馏段液相平均表面张力为4.6 液体平均粘度计算见3.2.1精馏段液相平均黏度提馏段液相平均粘度5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 5.1 塔径的计算精馏段的气、液相体积流率为同理可得 由 C由式计算，其中由史密斯关联图查取图 2 史密斯关联图图的横坐标为 取板间距，板上液层高度，则查史密斯关联图2得取安全系数为，则空塔气速为按标准塔径圆整后为 塔截面积为实际空塔气速为同理可得，提馏段中取安全系数为，则空塔气速为 按标准塔径圆整后为 塔截面积为实际空塔气速为 5

16、.2 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一个人孔，其高度为：0.8m故精馏塔的有效高度为6 塔板主要工艺尺寸的计算6.1 溢流装置计算因塔径D1.4m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：6.1.1 堰长取 同理可得提馏段6.1.2 溢流堰高度由选用平直堰，堰上液层高度由式近似取E=1，则取板上清液层高度故 同理可得提馏段 6.1.3 弓形降液管宽度和截面积由 查弓形降液管的参数图3。图 3 弓形降液管的宽度和横截面积得 故 依式验算液体在降液管中停留时间，即同理可得提馏段 > 故降液管设计合理。6.1.4 降液管底隙高度取 则 同理可得

17、提馏段 > 故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度。6.2 塔板布置6.2.1 塔板的分块因，故塔板采用分块板,查塔板分块表得，塔板分为块。6.2.2 边缘区宽度确定取 6.2.3 开孔区面积计算开孔区面积按式计算其中 故 同理可得提馏段 6.2.4 筛孔计算及排列本设计所处理的物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取利孔直径筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为筛孔数目n为个开孔率为气体通过阀孔的气速为同理可得提馏段 7 塔板的流体力学验算7.1 塔板压降7.1.1 干板阻力计算干板阻力由式计算由，查干筛孔得流量系数图3得， 故 同理可得提馏段 7.1.2 气体通过液层的阻力计算气体通过液层

18、的阻力由式计算 查充气系数关联图，得。液柱同理可得提馏段 液柱7.1.3 液体表面张力的阻力计算液体表面张力的阻力可按式计算，即 液柱气体通过没层塔板的液柱高度可按下式计算，即 液柱 气体通过每层塔板的压降为 （设计允许值）同理可得提馏段气体通过每层塔板的压降为 < 7.2 液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。7.3 液沫夹带液沫夹带量由下式计算，即 故 < 同理可得提馏段 < 故在本设计中液沫夹带量在允许范围内。7.4 漏液对筛板塔，漏液点气速可由下式计算，即 = 实际孔速稳定系数为同理可得提馏段实际孔速>故在本设计中无明显

19、液漏。7.5 液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高度应服从下式的关系，即 甲醇水物系属一般物系，取，则而板上不设进口堰，可由下式计算，即 液柱液柱同理可得提馏段液柱液柱故在本设计中不会发生液泛现象。8 塔板负荷性能图8.1 漏液线由 得 =4.4×0.772×0.101×0.58× 整理得同理可得提馏段 在操作数据内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果见表3表3 0.00020.0006 2.831 2.763 3.224 3.133 0.0030.005 2.482 2.312 2.791 2.581 由上表数据即可做出漏液线 8.2 液沫夹带线以

20、为限，求关系如下由 故 整理得 =同理可得提馏段在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果见表4表4 0.00020.0006 0.428 0.441 0.675 0.695 0.0030.005 0.481 0.502 0.765 0.805 由上表数据即可做出漏线8.3 液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准。由式得取E=1，则同理可得提馏段据此可做出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线8.4 液相负荷上限线以 =4s 作为液体在降液管中停留时间的下限，由得同理可得提馏段据此可做出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线8.5 液泛线令 由 联立得 忽略，将与，与，与

21、的关系式代入上式，并整理得式中 将有关的数据代入，得 故 同理可得提馏段 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果列于表5表5 0.00020.0006 3.648 3.523 3.111 3.051 0.0030.005 3.113 2.447 2.841 2.641 由上表数据即可做出液泛线根据以上各线方程，可做出筛板塔的负荷性能图，如图所示 图 4 精馏段负荷性能图 图 5 提馏段负荷性能图在负荷性能图上，做出操作点P，连接OP，即做出操作线，由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为液漏控制，由上可得 故精馏段的操作弹性为同理可得提馏段操作弹性为 9 筛板塔设计计算结果表

22、6 所设计筛板塔的主要结果汇总项目符号单位计算数据备注精馏段提馏段塔径Dm1.41.2塔板距m0.40.4塔板类型单溢流弓形降液管、凹形受液盘分块式塔板空塔气速m/s1.191.385堰长m0.840.72堰高m0.0520.053板上液层高度m0.060.06降液管低隙高度m0.020.016开孔面积0.58每层开孔效率%10.110.1边缘区宽度m0.035安定区宽度m0.05筛板数N 2977 3351等腰三角形叉排孔心距tm0.0150.015同一横排孔心距排间距m0.0800.080相邻横排中心距单板压降653.27689.26液体在降液管内停留时间s27.740.41降液管内清液层

23、高度m液柱0.19890.1434塔的有效高度Zm17.2泛点率%48.4354.07气相负荷上限0.00830.0083雾沫控制气相负荷下限0.000450.00047漏液线控制操作弹性3.5892.00710 精馏塔接管尺寸计算10.1 塔顶蒸汽出口管的直径操作压力为常压时，蒸汽导管中常用流速为1220 m/s，蒸汽管的直径为 ，其中-塔顶蒸汽导管内径m  -塔顶蒸汽量m3/s，取，则 查表取10.2 回流管的直径塔顶冷凝器械安装在塔顶平台时，回流液靠重力自流入塔内，流速可取0.20.5 m/s。取，则查表取10.3 进料管的直径采用高位槽送料入塔，料液速度可取，取料液速度，则

24、查表取10.4 塔底出料管的直径一般可取塔底出料管的料液流速为0.51.5 m/s，循环式再沸器取1.01.5 m/s，取塔底出料管的料液流速为0.5 m/s查表取11 辅助设备的计算及类型11.1 原料储存罐设计原料的储存利用时间为三天设其安全系数为0.8，则有5900.8=373.5711.2 再沸器的选择水的汽化热 11.3 冷凝器的选择(1) 热负荷塔顶.查该温度下的汽化热为，水的汽化热为平均汽化热为（2冷却水用量取冷水的进口温度为出口温度为,水的汽化热为4.18KJ/(Kg.)则（3总传热系数取K=450W/(4)泡点回流时的平均温差(5)换热面积AA=Q/11.4 除沫器 除沫器直径 11.5 裙座基础内径经圆整后裙座取 考虑到基础环腐蚀余量取1.0m；考虑到再沸器，裙座高度为2.0m。12 对设计过程的评述和有关问题的讨论本设计采用筛板精馏塔设计完成任务，采用筛板精馏塔的原因主要是其具有结构简单，造价低，生产能力较大，气体分撒均匀，传质效率较高等优点，但也有筛孔易堵塞等缺点。由塔板负荷性能图可以看出，在本设计中的塔板的设计点在正常操作范围内，气液两相流量的变化对塔板效