化工原理甲醇—水精馏塔设计

1、沈阳化工大学化工原理课程设计说明书专 业:制药工程班 级：制药 1102学生姓名：黄奎兴学 号： 11220223指导老师：王国胜设计时间： 2014.5.20-2014.6.20成绩：1/22化工原理课程设计任务书设计题目：分离甲醇 - 水混合液的填料精馏塔二 原始数据及条件生产能力：年生产量甲醇1 万吨（年开工300 天）原料：甲醇含量为30%（质量百分数，下同）的常温液体分离要求：塔顶甲醇含量不低于95%，塔底甲醇含量不高于0.3%。建厂地区：沈阳三 设计要求（一） . 一份精馏塔设计说明书，主要内容要求：（ 1）. 前言（ 2）. 流程确定和说明（ 3）. 生产条件确定和说明（ 4）.

2、 精馏塔设计计算（ 5）. 主要附属设备及附件选型计算（ 6）. 设计结果列表（ 7）. 设计结果的自我总结与评价（ 8）. 注明参考和试用的设计资料（ 9）. 结束语2/22（二）绘制一份带控制点工艺流程图。（三）制一份精馏塔设备条件图四设计日期： 2013 年 5 月 20 日至 6 月 20 日前言精馏塔分为板式塔和填料塔两大类。 填料塔又分为散堆填料和规整填料两种。 板式塔虽然结构较简单， 适应性强，宜于放大，在空分设备中被广泛采用。但是，随着气液传热、传质技术的发展，对高效规整填料的研究，一些效率高、压降小、持液量小的规整填料的开发，在近十多年内，有逐步替代筛板塔的趋势。实际生产中，

3、 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，3/22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。精馏塔的优点：归纳起来，规整填料塔与板式塔相比，有以下优点：1) 压降非常小。气相在填料中的液相膜表面进行对流传热、 传质，不存在塔板上清液层及筛孔的阻力。 在正常情况下， 规整填料的阻力只有相应筛板塔阻力的1/5 1/6 ；2) 热、质交换充分，分离效率高，使产品的提取率提

4、高；3) 操作弹性大，不产生液泛或漏液，所以负荷调节范围大，适应性强。负荷调节范围可以在30% 110%，筛板塔的调节范围在70%100%；4) 液体滞留量少，启动和负荷调节速度快；5) 可节约能源。由于阻力小，空气进塔压力可降低 0.07MPa 左右，因而使空气压缩能耗减少 6.5%左右；6) 塔径可以减小。此外，应用规整填料后，由于当量理论塔板的压差减小，全精馏制氩可能实现，氩提取率提高 10%15%。本文以甲醇和水的混合液为研究对象， 因为甲醇和水在常压下相对挥发度较大，较易分离。根据物理性质，操作条件等因素条件下选用泡点进料，塔顶再沸器和塔顶回流的方式，将甲醇和4/22水进行分离的填料

5、精馏塔。本课程设计者能力有限，在设计中难免会有不足之处，恳请老师和读者给予批评指正。化工原理课程设计任务书 .2前言 . .3符号说明 . . 8第一章 流程与生产条件的确定和说明. 11第一节 流程的确定和说明 .11一加料方式 .11二进料状况 .12三塔顶冷凝方式 .12四回流方式 .13五加热方式 .135/22六加热器 .13第二节 生产条件确定和说明 .错误！未定义书签。一塔内操作压力的选择 .错误！未定义书签。二塔顶全凝剂的选择 .错误！未定义书签。三塔底加热介质的选择 .错误！未定义书签。四回流状态及操作回流比的选择错误！未定义书签。第二章 精馏塔设计计算 .错误！未定义书签。

6、一操作压力的选择 .错误！未定义书签。二气液平衡关系及数据 .错误！未定义书签。第三章塔板的工艺设计 .错误！未定义书签。第一节 物料衡算 .错误！未定义书签。一精馏塔全塔物料衡算 .错误！未定义书签。二精馏塔物性数据计算 .错误！未定义书签。第二节 热量衡算 .错误！未定义书签。一冷凝器的热负荷 .错误！未定义书签。二冷却介质消耗量 .错误！未定义书签。三加热器的热负荷及全塔热量衡算错误！未定义书签。四. 加热蒸汽消耗量 .错误！未定义书签。第三节精馏塔主要尺寸的设计 .错误！未定义书签。一塔顶条件下的物性参数 .错误！未定义书签。二塔釜条件下的流量及物性参数错误！未定义书签。三进料条件下的

7、流量计物性参数错误！未定义书签。6/22四精馏段的流量及物性参数 .错误！未定义书签。五提馏段 .错误！未定义书签。第四章理论塔板的计算 .错误！未定义书签。一回流比的计算 .错误！未定义书签。二气液相负荷 .错误！未定义书签。三. 塔板效率及实际塔板数 .错误！未定义书签。四 塔径的初步设计 .错误！未定义书签。五填料层的计算 .错误！未定义书签。第五章附属设备及主要附件的选型计算错误！未定义书签。一冷凝器的选用 .错误！未定义书签。二、加热器的选用 .错误！未定义书签。三、塔内管径的计算及选择 .错误！未定义书签。四除雾沫器 .错误！未定义书签。五. 液体分布器的选取 .错误！未定义书签。

8、六塔斧设计 .错误！未定义书签。七填料支撑板的选择 .错误！未定义书签。八塔的顶部空间高度 .错误！未定义书签。第六章 设计结果及个人总结 .错误！未定义书签。第七章自我评价与说明 .错误！未定义书签。第八章参考文献 .错误！未定义书签。7/22符号说明英文字母AT塔截面积m2C计算 umax 时的负荷系数，无因次8/22Co流量系数，无因次D塔顶馏出物流量 kmol/sD塔径 md0阀孔直径 mE液流收缩系数，无因次ET总板效率（全塔效率） ，无因次Fo阀孔动能因数， kg1/ 2 /(s m1 / 2 )F进料流量 kmol/hG重力加速度 m / s2H塔高 mh浮阀的开度 mho降液管

9、底隙高度 mhL板上液层高度 mh与克服表面张力的压强降相当的液柱高度，m液柱K物性系数，量纲为 1Ls塔内液体流量 m3 / hN一层塔板上的浮阀总数N P实际板层数NT理论板层数p压强降 Pap操作压强 Pa9/22R回流比Rmin最小回流比u空塔气速 m/sM分子量 kg/molW塔底产品（釜残液）流量kmol/sx液相中易挥发组分的摩尔分数y气相中易挥发组分的摩尔分数Z塔高 m希腊字母相对挥发度，量纲为1液体在降液管内停留时间s黏度mPa sLV液相密度气相密度kg / m3kg / m3液体表面张力N/m；液体密度矫正系数，量纲为1系数，量纲为1；填料因子 1/m下标max最大min

10、最小L液相10/22V12ABF气相精馏段提馏段易挥发组分难挥发组分原料液第一章流程与生产条件的确定和说明第一节流程的确定和说明一加料方式加料方式有两种：高位槽加料和泵直接加料。采用高位槽加料，通过控制液位高度， 可以得到稳定的流量和流速。 通过重力加料，可以节省一笔动力费。 但由于多了高位槽， 建设费用也相应增加。采用泵加料，受泵的影响，流量不太稳定，流速也忽大忽小，从而影响了传质效率，但其结构简单，安装方便，如采用11/22自动控制泵来控制泵的流量和流速， 其控制原理较复杂， 且设备操作费用高。本次试验采用泵直接加料。二进料状况进料状况一般有冷液进料、泡点进料。对于冷液进料，当组成一定时，

11、流量一定，对分离不利，节省加热费用。但冷液进料受环境影响较大。 对于沈阳地区来说， 存在较大温差， 冷液进料会增加塔底蒸汽上升量， 增大建设费用。 采用泡点进料， 不仅对稳定塔操作较为方便，且不受季节温度影响。综合考虑，设计上采用泡点进料。泡点进料时，基于恒摩尔流假定，精馏段和提馏段上升蒸汽的摩尔流量相等， 故精馏段和提馏段塔径基本相等，制造上较为方便。三塔顶冷凝方式塔顶冷凝采用全凝器，用水冷凝。甲醇和水不反应，且容易冷凝，故使用全凝器。 塔顶出来的气体温度不高， 冷凝后回流液和产品温度不高，无需进一步冷却，此次分离是希望得到甲醇，选用全凝器符合要求。12/22四回流方式回流方式可分为重力回流

12、或理量或塔板数较多时，回流冷凝器不易安装在塔顶。 而且塔顶冷凝器不易安装、 检修和清理。 在这种情况下， 可采用强制回流， 塔顶上升蒸汽采用冷凝器冷却以回流流入塔中。由于本次设计为小型塔，故采用强制回流。五加热方式加热方式可采用间接蒸汽加热或直接蒸汽加热。直接蒸汽加热，蒸汽直接由塔底进入塔内。 由于总组分是水， 故省略加热装置。但在一定的回流比条件下，塔底蒸汽对回流液有稀释作用，使理论塔板数增加， 费用增加。 间接蒸汽加热是通过加热器使釜液部分汽化， 维持原来的浓度， 以减少理论塔板数， 缺点是增加加热装置。本次设计采用间接蒸汽加热。六加热器采用 U 型管蒸汽间接加热器，用水蒸气作加热剂。因为

13、塔较小，可将加热器放在塔内，即再沸器。这样釜液部分汽化，维持了原有浓度，减少理论塔板数。13/2214/22第二节生产条件确定和说明一塔内操作压力的选择一般来说，主要根据物料的性质、原料的性质，对产品浓度的要求、 设备来源、 工厂的生产规模、 能量综合利用等情况。 因此，选择合理的操作条件， 对本设计采用常压蒸馏，即在 1atm 压力条件下操作。二塔顶全凝剂的选择全凝器的冷却剂用循环水，因塔顶蒸汽温度较高，用自来水做冷却剂方便且便宜，为了冷却作用完全，塔顶蒸汽和冷却水间必须保持适宜的温度差（冷却水温度一般为 1025）。三塔底加热介质的选择饱和水蒸气是一种应用最广泛的加热剂， 它冷凝时的传热系

14、数很高，可以通过改变蒸汽的压力准确的控制加热温度。四回流状态及操作回流比的选择回流液体为饱和液体，回流比的大小不仅影响所需要的理论板数、塔径、塔板的结构尺寸，还影响加热蒸汽和冷却水消耗量，回流比选择原则是使塔的设备费用和操作费用的综合最低。同时也考虑到操作条件的弹性，变精馏操作回流比，从而调节塔的分离能力。15/22在设计时若选用的回流比过大，此时所需要的理论板数很小，但这样的精馏塔在操作时，改变回流比所起的调节作用很小，不利于操作调节。因此，本设计中取 R=1.5Rmin ，不宜取得过大。精馏段操作线斜率：RminxDyqk1 xDxqRmin第二章精馏塔设计计算一操作压力的选择精馏操作常在

15、常压、减压下进行。操作压力常取决于冷凝温度，一般除热敏物质外，凡通过常压蒸馏难以实现分离要求，并能用循环水将馏出物冷凝下来的系统，均宜采用减压蒸馏；对常压下馏出的冷凝温度过低的系统，需提高塔压或采用冷冻盐水作为冷却剂；而常压下呈气态的物料必须采用加压蒸馏。本设计对象是甲醇水混合液，建厂地址为沈阳，因此常采用常压蒸馏，操作压力为1atm。二气液平衡关系及数据温度甲醇摩尔分数温度甲醇摩尔分数t/ 液相气相t/ 液相气相x/ y/ x/ y/ 1000073.846.2077.5616/2292.95.3128.3472.752.9279.7190.37.6740.0171.359.3781.838

16、8.99.2643.5370.068.4984.9285.013.1554.5568.085.6289.6281.620.8362.7366.987.4191.9478.028.1867.7564.710010076.733.3369.18表一甲醇水汽液相平衡数据表摘自 化工工艺设计手册下册P110 表 19-38 （ 8）甲醇水 X-Y图10.90.80.7y 0.60.50.40.30.20.1000.20.4x 0.60.81图一甲醇 - 水 -X-Y图第三章塔板的工艺设计第一节 物料衡算17/22一精馏塔全塔物料衡算1. 原料液及塔顶，塔底产品的摩尔分率已知 F=1 万吨质量分数Xf=

17、30%XD=95% Xw=0.3%水的摩尔质量M 水 =18.02 kg/kmol甲醇的摩尔质量M 甲醇 =32.04 kg/kmolF '100001031388.89 kg / h30024进料液、馏出液、釜残液的摩尔分数分别为xF 、 xD 、 xW ：FDw30 / 32.040.194230 / 32.0470 / 18.0298 / 32.040.914498 / 32.042 /18.020.3 / 32.040.00160.3/ 32.0499.7/18.022. 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量M0.194232 .04 （10.1942） 18.0220.72k

18、g / kmolM D32.00.9144 18.02 (1 0.9144)30.80kg/kmolM w32.040.001618.02(1 0.0016) 18.04 kg / kmolWDM D D30.8014.15435.82 kg / hW wM wW52.8818.04953.96kg / h3. 物料衡算原处理量F '1388.89kmol / hF67.03M20.72物料衡算F=D+W（ 1）18/22Fx FDx D WxW（2）联立（ 1）（2）解得W=52.88 kmol/hD=14.15 kmol/h塔顶进料塔斧质量分数（ %）91.4419.420.16摩

19、尔质量 Kg/kmol30.8020.7218.04摩尔流量 kmol / h14.1567.0352.88质量流量 kg/h435.821388.89952.89表二物料衡算结果表温度甲醇摩尔分数温度甲醇摩尔分数t/ 液相气相t/ 液相气相x/ y/ x/ y/ 1000073.846.2077.5692.95.3128.3472.752.9279.7190.37.6740.0171.359.3781.8388.99.2643.5370.068.4984.9285.013.1554.5568.085.6289.6281.620.8362.7366.987.4191.9478.028.1867.7564.710010076.733.3369.18二精馏塔物性数据计算19/221. 操作温度计算利用上表一中的数据由内插法可求得tF 、 tD 、 tW进料：59.3752.9271.372.7t F82.22 C19.4252.92t F72.7塔顶：91.4487.41t LD66.9t LD66.195C10087.4164.766.910091.4464.7t VDtVD67.04C10091.9464.766.9塔釜： 00.16100t wt w 99.