化工原理甲醇—水连续填料精馏塔

化工原理课程设计说明书设计题目：甲醇—水连续填料精馏塔设计者：专业：学号：指导老师：2007年7 月13日目录一、设计任务书 (1)二、设计的方案介绍 (1)三、工艺流程图及其简单说明 (2)四、操作条件及精熘塔工艺计算 (4)五、精熘塔工艺条件及有关物性的计算 (14)六、精馏塔塔体工艺尺寸计算 (19)七、附属设备及主要附件的选型计算 (23)八、参考文献 (26)九、甲醇－水精熘塔设计条件图一、设计任务书甲醇散堆填料精馏塔设计：1、处理量：12000 吨/年(年生产时间以7200小时计算)2、原料液状态：常温常压3、进料浓度：41.3%(甲醇的质量分数)塔顶出料浓度：98.5%(甲醇的质量分数)塔釜出料浓度：0.05%(甲醇的质量分数)4、填料类型：DN25金属环矩鞍散堆填料5、厂址位于沈阳地区二、设计的方案介绍1、进料的热状况精馏操作中的进料方式一般有冷液加料、泡点进料、汽液混合物进料、饱和蒸汽进料和过热蒸汽加料五种。

本设计采用的是泡点进料。

这样不仅对塔的操作稳定较为方便，不受厦门季节温度影响，而且基于恒摩尔流假设，精馏段与提馏段上升蒸汽的摩尔流量相等，因此塔径基本相等，在制造上比较方便。

2、精熘塔的操作压力在精馏操作中，当压力增大，混合液的相对挥发度减小，将使汽相和液相的组成越来越接近，分离越来越难；而当压力减小，混合液的相对挥发度增大，α值偏离1的程度越大，分离越容易。

但是要保持精馏塔在低压下操作，这对设备的要求相当高，会使总的设备费用大幅度增加。

在实际设计中，要充分考虑这两个方面的影响，我们一般采用的是常压精馏。

如果在常压下无法完成操作，可以在一定条件下进行小幅度的减压或者增压来改变混合液的相对挥发度，实现精馏分离。

对于甲醇—水二元混合物系统在常压的情况下，相对挥发度的差异很大，容易分离。

因此在考虑多方面因素之后，本设计采用的常压精馏，即塔顶的操作压力控制在101.325kpa 下。

由于本设计精馏塔不是很高，故可近似忽略每层塔板的压降。

在实际计算当中，将全塔近似看做是在恒压下操作。

3、精馏塔加热与冷却介质的确定在实际加热中，由于饱和水蒸气冷凝的时候传热的膜系数很高，可以通过改变蒸汽压力准确控制加热温度。

水蒸气容易获取，环保清洁不产生环境污染，并且不容易使管道腐蚀，成本降低。

因此，本设计是以133.3℃ 总压是300 kpa 的饱和水蒸汽作为加热介质。

冷却介质一般有水和空气。

在选择冷却介质的过程中，要因地制宜充分考虑。

厦门市地处亚热带，夏天室外平均气温25℃。

因此，计算选用25℃ 的冷却水，选择升温10℃，即冷却水的出口温度为35℃。

4、回流比的确定塔顶回流是保证精馏塔连续稳态操作的必要条件之一，并且回流比是影响精馏分离设备投资费用和操作费用的重要因素，也影响混合液的分离效果。

适宜的回流比是操作费用和设备费用之和为最低时候的回流比。

通常适宜回流比的数值范围为：min )0.2~1.1(R R =根据经验，考虑操作费用和设备费用两方面因素，因此选用min 2R R =。

5、填料的选择填料是填料塔的核心构件，它提供了气液两相相接触传质与传热的表面，与塔内件一起决定了填料塔的性质。

填料按装填方式可分为散装填料和规整填料。

本设计选用散装填料――散装金属环距鞍填料。

环距鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯环，又由于本设计的物系为甲醇－水不易腐蚀，故选用金属环距鞍填料D N=25mm。

三、工艺流程图及其简单说明1、工艺流程图(附图一)2、工艺流程简介来自贮槽的原料液经高压泵进入预热器预热到一定温度之后进入精馏塔，塔顶冷凝器将上升蒸汽冷凝成液体，其中一部分作为塔顶产品取出，另一部分重新引回塔顶作为回流液。

最终塔顶出来的甲醇产品再经过一个冷却器冷却后进入甲醇贮槽。

塔釜设有再沸器。

加热的液体产生蒸汽再次回到塔底，沿塔上升，同样在每层塔板上进行汽液两相的热质交换。

塔釜的另一部分釜液经冷却器后排入下水道。

加热蒸汽分为两路，分别进入预热器和再沸器作为加热介质。

降温后的液体水或者是部分水蒸汽随管道排进下水道。

同样，冷却水分为三路，分别进入冷凝器、甲醇产品的冷却器和塔釜的冷却器，充分换热均匀之后，全部排入下水道。

在流程设计伤，釜出液为100℃左右的高温水，热值高，将其送回热水循环管路用于高炉产蒸汽，具有节能的特点。

塔顶采用分段冷凝泡点回流，也是出于节能考虑。

在流量控制上采用自动控制，有利于节约劳动力，并使过程控制精确，并可实现计算机控制，有利于连续生产。

在检修方面充分考虑到泵的日常维护，因此运用双泵设计便于实际生产中的不停车检修。

3、精馏塔塔顶的冷凝方式塔顶冷凝采用全凝器，用水冷凝。

甲醇和水不反应，并且也容易被水冷凝，塔顶出来的汽相温度不高，故本设计选用全凝器。

4、塔顶的回流方式对于小型塔采用重力回流，回流冷凝器一般安装在比精熘塔略高的地方，液体依靠自身的重力回流。

但是必须保证冷凝器内有一定持液量，或加入液封装置防止塔顶汽相逃逸至冷凝器内。

本设计采用重力回流，全凝器放置略高于塔顶的位置，并且设置流量计检测和保证冷凝器内的液面高度。

5、精熘塔塔釜的加热方式加热方式分为直接蒸汽和间接蒸汽加热。

间接蒸汽加热是通过再沸器使釜液部分汽化，维持原来的浓度，重新再进入塔底。

使上升蒸汽与回流下来的冷液再进行热质交换。

这样减少了理论板数，从而降低了成本，但是也存在着增加加热装置的缺点。

综合考虑以上两方面因素，本设计选用间接蒸汽加热。

四、操作条件及精熘塔工艺计算：1 操作条件与基础数据(1) 操作压力精馏操作按操作压力分为常压、加压和减压操作。

精馏操作中压力影响非常大。

当压力增大时，混合液的相对挥发度将减小，对分离不利；当压力减小时，相对挥发度将增大，对分离有利。

但当压力不太低时，对设备的要求较高，设备费用增加。

因此在设计时一般采用常压蒸馏。

当常压下无法完成操作时，则采用加压或减压蒸馏。

对于甲醇-水系统在常压下相对挥发度相差较大，较易分离，故本设计采用常压精馏。

(2) 气液平衡关系及平衡数据表二甲醇－水汽液相平衡数据温度t/°C 液相中甲醇的摩尔分数汽相中甲醇的摩尔分数温度t/°C液相中甲醇的摩尔分数汽相中甲醇的摩尔分数100 0 0 78.14 0.2942 0.6658 99.41 0.0017 0.0125 76.52 0.3524 0.7044 99.25 0.0035 0.0250 75.34 0.4021 0.7341 97.80 0.0123 0.0889 74.22 0.4543 0.7595 97.35 0.0141 0.0975 73.21 0.5022 0.7853 96.92 0.0198 0.1214 71.95 0.5628 0.8123 95.82 0.0258 0.1589 70.90 0.6243 0.8350 95.06 0.0330 0.1882 69.15 0.7173 0.8773 94.13 0.0357 0.2145 68.07 0.7898 0.9098 92.24 0.0525 0.2746 67.57 0.8231 0.9225 90.00 0.0740 0.3560 67.17 0.8426 0.9300 88.57 0.0872 0.3950 66.90 0.8574 0.9385 86.93 0.1079 0.4400 66.89 0.8720 0.9422 85.37 0.1289 0.4776 65.98 0.9185 0.9638 83.38 0.1635 0.5370 65.73 0.9295 0.9682 81.95 0.1912 0.5724 65.71 0.9380 0.971280.25 0.2327 0.6162 64.68 0.9885 0.994779.06 0.2684 0.6483 64.65 1 1(3) 物料平衡计算①物料衡算已知：1、原料液及塔顶，塔底产品的摩尔分率甲醇的摩尔质量：M A＝32 kg/kmol水的摩尔质量：M B＝18 kg/kmolx F’＝41.3% ，x D’＝98.5% ，x w’＝0.05% (均为质量比)x F ＝(x F’ / M A ) / [ x F’/M A ＋(1－x F’)/ M B ]＝(41.3/ 32) / (41.3/ 32 ＋58.7/ 18 )＝28.35%x D ＝(x D’ / M A ) / [ x D’ /M A ＋(1－x D’) / M B ]＝(98 .5/ 32) / ( 98.5 / 32 ＋1.5 / 18 )＝97.36%x W ＝(x W’ / M A ) / [ x W’ / M A ＋(1－x W’) / M B ]＝(0.05 / 32) / ( 0.05 / 32 ＋99.95 / 18 )＝0.028%2、原料液及塔顶，塔底产品的平均摩尔质量M F＝28.35% ×32 ＋71.65% ×18＝21.969kg/kmolM D＝97.36%×32＋2.64%×18＝31.63 kg/kmolM W＝0.028%×32 ＋99.972%×18＝18.891 kg/kmol3、物料衡算原料处理量：F＝12000 t/y＝（12×106 / 7200）/21.969＝75.86kmol/h总物料衡算：75.86 ＝D ＋W甲醇物料衡算：75.86×28.35% ＝D×97.36% ＋W×0.028%得D＝22.074kmol/hW＝53.786kmol/h表一塔顶、塔底、进料液的物料数据(二)理论塔板数的确定甲醇－水属于理想物系，可采用以下三种方法求解理论塔板数：1、拟合相平衡曲线后逐板计算法在101.3kpa的总压下，甲醇和水的混合物系的x－y图是建立在汽液平衡数据下，表示的是不同温度下互成平衡的汽液两相组成y与x的关系。

对于理想物系，汽相组成y恒大于液相组成x，因此相平衡线位于y＝x对角线上方。

平衡线偏离对角线越远，表示该溶液越容易分离。

如果已知甲醇和水的混合物系的汽液平衡关系，即汽液平衡数据，则离开理论板的互成平衡、温度相等的汽液两相组成y n与x n之间的关系就可以确定。

若知道由该板下降的液体组成x n及由它的下一层塔板上升的汽相组成y n+1之间的关系，从而塔内各板的汽液相组成可逐板予以确定，从而便可以求得在指定分离条件下的理论板层数。

(1) 由手册查出甲醇－水汽液相平衡数据，拟合出相平衡方程及作出x－y图，表二甲醇－水汽液相平衡数据[1]温度t/°C 液相中甲醇的摩尔分数汽相中甲醇的摩尔分数温度t/°C液相中甲醇的摩尔分数汽相中甲醇的摩尔分数100 0 0 78.14 0.2942 0.6658 99.41 0.0017 0.0125 76.52 0.3524 0.7044 99.25 0.0035 0.0250 75.34 0.4021 0.7341 97.80 0.0123 0.0889 74.22 0.4543 0.7595 97.35 0.0141 0.0975 73.21 0.5022 0.7853 96.92 0.0198 0.1214 71.95 0.5628 0.8123 95.82 0.0258 0.1589 70.90 0.6243 0.8350 95.06 0.0330 0.1882 69.15 0.7173 0.8773 94.13 0.0357 0.2145 68.07 0.7898 0.9098 92.24 0.0525 0.2746 67.57 0.8231 0.9225 90.00 0.0740 0.3560 67.17 0.8426 0.9300 88.57 0.0872 0.3950 66.90 0.8574 0.9385 86.93 0.1079 0.4400 66.89 0.8720 0.9422 85.37 0.1289 0.4776 65.98 0.9185 0.9638 83.38 0.1635 0.5370 65.73 0.9295 0.9682 81.95 0.1912 0.5724 65.71 0.9380 0.9712 80.25 0.2327 0.6162 64.68 0.9885 0.994779.06 0.2684 0.6483 64.65 1 1在对甲醇和水二元物系汽液平衡数据做拟合之后，可得出汽相组成y和液相组成x的函数关系式：Y ＝0.00187＋7.03393X －40.64685X2＋157.6139X3－388035736X4＋598.11499X5－554.46395X6 ＋282.15362X7－60.45038X8(2) 求最小回流比及操作回流比由于本设计采用的是泡点进料，q＝1，x q＝x F＝0.2835根据拟合得到的y －x方程，可得到y q＝0.658最小回流比Rmin＝(x D－y q) / (y q –x q) 可得到Rmin＝0.843所以回流比R＝2Rmin＝2×0.843＝1.686(3)求精熘塔的汽、液相负荷L＝RD＝1.686×22.074＝37.217kmol/hV＝(R＋1) D＝2.686×22.074＝59.291kmol/hL’＝L＋F＝37.217＋75.86＝113.077kmol/hV’＝V＝59.291kmol/h(4)精熘段和提熘段的操作线方程精熘段操作线方程为：y＝(R/ R+1)x ＋x D/（R+1）＝(1.686/2.686)x ＋0.9736/2.686＝0.628x＋0.3395提熘段操作线方程为：y’＝(L’/V’)x －(W/ V’)x W ＝(113.077/59.291)x－(53.786/59.291)×0.00028＝1.907x－0.000254(5)逐板计算法求理论塔板数规定塔釜是第一层塔板，从下往上依次命名为第2、3……n块。