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1、 重庆理工大学 化工原理课程设计 说明书 题目： 甲醇-水板式精馏塔设计 学生班级： 学生姓名： 学生学号： 指导教师： 化学化工学院 2016 年 6 月 28 日 目录 板式精馏塔设计任务书.1 1.前言2 1.1 精馏与塔设备简介 2 1.2 体系介绍.3 1.3 筛板塔的特点.4 2.设计方案的初步确定5 2.1 操作条件的确定 5 2.1.1 操作压力 .5 2.1.2 进料状态 .5 2.1.3 加热方式 .5 2.1.4 冷却剂与出口温度 .6 2.1.5 回流比 .6 2.1.6 热能的利用 .6 2.2 确定设计方案的原则 7 2.3 操作流程简图.8 3.板式精馏塔的工艺参
2、数计算9 3.1 精馏塔物料衡算.9 3.11 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率.9 3.12 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量.9 3.13 物料衡算.10 3.2 甲醇水常压下气液平衡数据.10 3.3 回流比 R 的确定10 3.4 塔板数的确定.11 3.4.1 q 线方程.11 3.4.2 塔的汽、液相负荷11 3.4.3 操作线方程11 3.4.4 逐板计算法求理论板层数11 3.4.5 实际塔板数的确定13 3.5 塔的工艺条件和有关物性数据计算.13 3.5.1 操作压力13 3.5.2 平均分子量13 3.5.3 温度的计算14 3.5.4 密度的计算14 3.5.5 表
3、面张力的计算15 3.5.6 液体粘度的计算16 3.6 塔高塔径的确定.17 3.6.1 精馏塔有效高度的计算17 3.6.2 塔径的计算17 4. 板式塔的结构19 4.1 塔的总体结构19 4.2 总塔高度19 4.2.1 塔顶空间19 4.2.2 塔底空间19 4.2.3 整体塔高19 4.2.4 人孔数19 4.3 溢流装置的计算.20 4.3.1 溢流堰长 lw20 4.3.2 溢流液高度 hw.20 4.3.3 弓形降液管的宽度 wd、截面积 Af 以及停留时间 .20 4.3.4 降液管底隙高度 ho.21 4.4 塔板布置22 4.4.1 塔板的分布22 4.4.2 边缘区2
4、2 4.4.3 筛孔数目与排列22 4.5 塔板的流体力学验算.23 4.5.1 塔板压降23 4.5.2 液沫夹带25 4.5.3 漏液25 4.5.4 液泛26 4.6 塔板负荷性能图.26 4.6.1 漏液线26 4.6.2 液沫夹带线27 4.6.3 液相负荷上限线28 4.6.4 液相负荷下限线28 4.6.5 液泛线28 4.6.6 操作弹性29 5.精馏装置的附属设备32 5.1 管壳式换热器的设计与选型32 5.1.1 塔顶冷凝器（列管式换热器）32 5.1.2 进料预热器36 5.2 再沸器37 5.3 管件37 5.3.1 塔釜残液出料管37 5.3.2 塔顶回流液管38
5、5.3.4 塔釜再沸器蒸汽进口管38 5.3.5 塔顶蒸汽进冷凝器进口管38 5.3.6 塔顶冷凝水管39 5.4 冷凝水泵的选择.39 6. 设计结果汇总41 7.参考文献及设计手册43 8.设计感想44 9.致谢45 1 板式精馏塔设计任务书板式精馏塔设计任务书 一、设计题目一、设计题目 设计题目：甲醇-水板式精馏塔设计 设计要求：年产纯度为 99.8%的甲醇 54000 吨，塔底釜残液中含甲醇不得高于 2%。 二、操作条件二、操作条件 1、塔顶压力：5kpa（表压） 2、原料液中含甲醇(质量分率）：35% 3、进料热状况：泡点 4、回流比：1.5 5、塔底加热蒸汽压力：0.5MPa 6、
6、单板压降：0.7kpa 7、全塔效率：ET=56% 8、厂址：重庆 3、塔板类型塔板类型 筛板塔 四、设计内容四、设计内容 1、流程的确定与说明； 2、塔板和塔径计算； 2 3、塔盘结构设计：i.塔盘工艺尺寸及布置简图；ii.流体力学验算；iii.塔板负荷性 能图。 4、其它；i.加热蒸汽消耗量；ii.冷凝器的传热面积及冷却水的消耗量 五、设计成果五、设计成果 1、设计说明书一份 2、设计图纸包括：带控制点的工艺流程简图，主体设备工艺条件图 3 1.前言前言 化工原理课程设计是理论联系实际的桥梁，是进行体察工程实际问题复杂性的初 次尝试。通过化工原理课程设计，达到综合运用化工原理课程的基本知识
7、，基本原理 和基本计算，进行融会贯通、独立思考，在规定的时间内完成指定的化工单元操作设 计任务，具有初步进行工程设计的能力；达到熟悉工程设计的基本内容，掌握化工单 元操作设计的主要程序和方法；提高和进一步培养分析和解决工程实际问题的能力。 1.1 精馏与塔设备简介精馏与塔设备简介 蒸馏是分离液体混合物的一种方法，是传质过程中最重要的单元操作之一，蒸馏 的理论依据是利用溶液中各组分蒸汽压的差异，即各组分在相同的压力、温度下，其 探发性能不同（或沸点不同）来实现分离目的。例如，设计所选取的甲醇-水体系，加 热甲醇（沸点 64.5）和水（沸点 100.0）的混合物时,由于甲醇的沸点较水为低, 即甲醇
8、挥发度较水高,故甲醇较水易从液相中汽化出来。若将汽化的蒸汽全部冷凝，即 可得到甲醇组成高于原料的产品，依此进行多次汽化及冷凝过程，即可将甲醇和水分 离。这多次进行部分汽化成部分冷凝以后，最终可以在汽相中得到较纯的易挥发组分， 而在液相中得到较纯的难挥发组分，这就是精馏。 在工业中，广泛应用精馏方法分离液体混合物，从石油工业、酒精工业直至焦油 分离，基本有机合成，空气分离等等，特别是大规模的生产中精馏的应用更为广泛。 蒸馏按操作可分为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏等多种方式。按原料中 所含组分数目可分为双组分蒸馏及多组分蒸馏。按操作压力则可分为常压蒸馏、加压 蒸馏、减压（真空）蒸馏。此外，按
9、操作是否连续蒸馏和间歇蒸馏。工业中的蒸馏多 为多组分精馏，本设计着重讨论常压下的双组分精馏，即苯-甲苯体系。 在化学工业和石油工业中广泛应用的诸如吸收，解吸，精馏，萃取等单元操作中， 气液传质设备必不可少。塔设备就是使气液成两相通过紧密接触达到相际传质和传热 目的的气液传质设备之一。 4 塔设备一般分为阶跃接触式和连续接触式两大类。前者的代表是板式塔，后者的 代表则为填料塔。 筛板塔在十九世纪初已应用与工业装置上，但由于对筛板的流体力学研究很少， 被认为操作不易掌握，没有被广泛采用。五十年代来，由于工业生产实践，对筛板塔 作了较充分的研究并且经过了大量的工业生产实践，形成了较完善的设计方法。筛
10、板 塔和泡罩塔相比较具有下列特点：生产能力大于 10.5%，板效率提高产量 15%左右；而 压降可降低 30%左右；另外筛板塔结构简单，消耗金属少，塔板的造价可减少 40%左右； 安装容易，也便于清理检修。本设计讨论的就是筛板塔。 1.2 体系介绍体系介绍 甲醇水体系汽液平衡数据 (101.325kPa)： 甲醇、水密度、粘度、表面张力在不同温度下的值： x00.05310.07670.09260.12570.13150.16740.18180.20830.2319 y00.28340.40010.43530.48310.54550.55850.57750.62730.6485 t/ 1009
11、2.990.388.986.685.083.282.381.680.2 x0.28180.29090.33330.35130.46200.52920.59370.68490.77010.87411.00 y0.67750.68010.69180.73470.77560.79710.81830.84920.89620.91941.00 t/ 78.077.876.776.273.872.771.370.068.066.964.7 5060708090100 表 1.1 5 1.3 筛板塔的特点筛板塔的特点 筛板塔板简称筛板，结构持点为塔板上开有许多均匀的小孔。根据孔径的大小， 分为小 孔径筛板(
12、孔径为 38mm)和大孔径筛板(孔径为 1025mm)两类。工业应用小以小孔径 筛板为主，大孔径筛板多用于某些特殊场合(如分离粘度大、易结焦的物系)。 筛板的优点足结构简单，造价低；板上液面落差小，气体压降低，生产能力较大； 气体分散均匀，传质效率较高。其缺点是筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物 料。 应予指出，尽管筛板传质效率高，但若设计和操作不当，易产生漏液，使得操作 弹性减 小，传质效率下降故过去工业上应用较为谨慎。近年来，由于设计和控制水平的不 断提高， 甲醇760751743734725716 水988.1983.2977.8971.8965.3958.4 甲醇0.3500.30
13、60.2770.2510.225 水0.4790.4140.3620.3210.288 甲醇18.7617.8216.9115.8214.89 水66.264.362.660.758.8 表 1.2 6 可使筛板的操作非常精确，弥补了上述不足，故应用日趋广泛。在确保精确设计和采 用先进控制手段的前提下，设计中可大胆选用。 7 2.设计方案的初步确定设计方案的初步确定 2.1 操作条件的确定操作条件的确定 2.1.1 操作压力操作压力 塔内操作压力的选择不仅牵涉到分离问题，而且与塔顶和塔底温度的选取有关。 根据所处理的物料性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性来综合考虑，一般有 下列原则： 压
14、力增加可提高塔的处理能力，但会增加塔身的壁厚，导致设备费用增加；压 力增加，组分间的相对挥发度降低，回流比或塔高增加，导致操作费用或设备费用增 加。因此如果在常压下操作时，塔顶蒸汽可以用普通冷却水进行冷却，一般不采用加 压操作。操作压力大于 1.6MPa 才能使普通冷却水冷却塔顶蒸汽时，应对低压、冷冻剂 冷却和高压、冷却水冷却的方案进行比较后，确定适宜的操作方式。 考虑利用较高温度的蒸汽冷凝热，或可利用较低品位的冷源使蒸气冷凝，且压 力提高后不致引起操作上的其他问题和设备费用的增加，可以使用加压操作。 真空操作不仅需要增加真空设备的投资和操作费用，而且由于真空下气体体积 增大，需要的塔径增加，
15、因此塔设备费用增加。 综合考虑以上因素本设计采用常压精馏。 2.1.2 进料状态进料状态 泡点进料时，塔的操作易于控制，不受环境影响。饱和液体进料时进料温度不受 季节、气温变化和前段工序波动的影响，塔的操作比较容易控制。此外，泡点进料， 提馏段和精馏段塔径大致相同，在设备制造上比较方便。冷液进塔虽可减少理论板数， 使塔高降低，但精馏釜及提馏段塔径增大，有不利之处。所以根据设计要求，选择泡 点进料，q1。 8 2.1.3 加热方式加热方式 精馏塔的设计中多在塔底加一个再沸器以采用间接蒸汽加热以保证塔内有足够的 热量供应；由于甲醇-水体系中，甲醇是轻组分由塔顶冷凝器冷凝得到，水为重组分由 塔底排出
16、。所以本设计应采用再沸器提供热量，采用 3kgf/cm2（温度 130）间接水 蒸汽加热。 2.1.4 冷却剂与出口温度冷却剂与出口温度 本设计中采用的冷却剂为深井水，深井水水温较江河水水温稳定（如：南京地区 深井水水温常年维持在 12），易于操作条件的控制。 冷却水出口温度过高，则冷却效果不佳；反之，如果温度过低，冷却水用量较大，增 加了成本。综合考虑这两方面因素，本设计的冷却水出口温度选为：30 2.1.5 回流比回流比 选择回流比主要从经济观点出发，力求设备费用和操作费用最低。实际操作的 R 必须大于 Rmin，但并无上限限制。选定操作 R 时应考虑，随 R 选值的增大，塔板数减 少，设备投资减少，但因塔内气、液流量 L，V，L，V增加，势必使蒸馏釜加热量 及冷凝器冷却量增大，耗能增大，既操作费用增大。 若 R 值过大，即气液流量过大，则要求塔径增大， 设备投资也随之有所增大。其设备投资操作费用与 回流比之间的关系如右图所示。总费用最低点对应 的 R 值称为最佳回流比
