甲醇-水精馏塔化工原理课程设计

南京工业大学《化工原理》课程设计设计题目 常压甲醇－水筛板精馏塔设计学生姓名 陈献富 班级、学号 化工070313指导教师姓名 刘晓勤、王晓东课程设计时间2010年6月14日-2010年6月25日课程设计成绩指导教师签字化学化工学院课程名称化工原理课程设计设计题目常压甲醇－水筛板精馏塔设计学生姓名周佳佳专业化学工程与工艺班级学号1001090605设计日期2010 年6 月14 日至2009 年6 月25日设计条件及任务：设计体系：甲醇－水体系设计条件：进料量：F= 200 kmol/h进料浓度：Z F= 0.35 （摩尔量分数）进料状态：q= 1.08操作条件：塔顶压强为4kPa(表压)，单板压降不大于0.7kPa。

塔顶冷凝水采用深井水，温度t＝12℃；塔釜加热方式：间接蒸汽加热，采用3kgf/cm2(表压)水蒸汽全塔效率：E T = 52%分离要求：X D= 0.995（质量分数）；X W= 0.002（质量分数）；回流比：R/R min =1.6指导教师刘晓勤、王晓东2010年6月11日目录绪论1.精馏简介蒸馏是分离液体混合物的一种方法，是一种属于传质分离的。

广泛应用于炼油、、轻工等领域。

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，其挥发性能不同（或沸点不同）来实现分离目的。

以本设计所选取的甲醇-水体系为例，加热甲醇（沸点64.5℃）和水（沸点100.0℃）的混合物时,由于甲醇的沸点较低（即挥发度较高）,所以甲醇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。

经过多次部分汽化部分冷凝，最终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。

在工业精馏设备中，使部分汽化的液相与部分冷凝的气相直接接触，以进行气液相际传质，结果是气相中的难挥发组分部分转入液相，中的易挥发组分部分转入气相，也即同时实现了液相的部分汽化和气相的部分冷凝。

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，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。

本设计着重讨论常压下甲醇-水双组分体系精馏。

2.塔设备简介塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。

根据塔内气液接触件的结构型式，可分为板式塔和填料塔两大类。

板式塔内设置一定数量踏板，气体以鼓泡活喷射形式穿过板上液层进行质、热传递，气液相组成成阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。

填料塔内有定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流而上（也有并流向下者）与液相接触进行质、热传递，气相组成沿塔高连续变化，属微分接触操作过程。

工业上对塔设备的主要要求：（1）生产能力大；（2）传质、传热效率高；（3）气流的摩擦阻力小；（4）操作稳定，适应性强，操作弹性大；（5）结构简单，材料消耗少；（6）制造安装容易，操作维修方便。

此外还要求不易堵塞、耐腐蚀等。

实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，因此，设计者应根据塔型特点、物系性质、生产工艺条件、操作方式、设备投资、操作与维修费用等技术经济评价以及设计经验等因素，依矛盾的主次，综合考虑，选择适宜的塔型。

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。

3.体系介绍本设计的体系为甲醇-水体系。

101.325kPa下，甲醇－水体系汽液平衡数据如下：温度t(℃) 液相组成x 气相组成y 温度t(℃) 液相组成x 气相组成y100 0 0 75 0.4 0.796 0.02 0.1 73 0.5 0.894 0.04 0.2 71 0.6 0.891 0.06 0.3 69 0.7 0.989 0.08 0.4 68 0.8 0.988 0.1 0.4 66 0.9 184 0.15 0.5 65 1 182 0.2 0.6 65 1 178 0.3 0.7注：x、y分别为气液两相中甲醇的摩尔分数4.设计要求设计条件：体系：甲醇-水体系已知：进料量F=200 kmol/h进料浓度ZF= 0.35（摩尔分数）进料状态：q＝ 1.08操作条件：塔顶压强为4 kPa(表压)，单板压降不大于0.7kPa。

塔顶冷凝水采用深井水，温度t＝12℃；塔釜加热方式：间接蒸汽加热全塔效率ET= 52%分离要求： XD = 0.995（质量分数）；XW= 0.002（质量分数）； R/Rmin=1.6 。

第一节概述1.1精馏操求作对塔设备的要求工业上对塔设备的主要要求：（1）生产能力大；（2）传质、传热效率高；（3）气流的摩擦阻力小；（4）操作稳定，适应性强，操作弹性大；（5）结构简单，材料消耗少；（6）制造安装容易，操作维修方便。

此外还要求不易堵塞、耐腐蚀等。

1.2板式塔类型塔设备大致可以分为两类，一类是有降液管的塔板，如泡罩、浮阀、筛板、导向筛板、舌形、S形、多降液管塔板等；另一类是无降液管塔板，如传流式筛板（栅板）、穿流式波纹板等。

工业上应用较多的是有降液管的浮阀、筛板和泡罩塔板等。

1.2.1筛板塔筛板塔板简称筛板，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(孔径为3—8mm)和大孔径筛板(孔径为10—25mm)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)。

筛板的优点是结构简单，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。

筛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，塔板的造价可减少40%左右；安装容易，也便于清理检修。

但其缺点是筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料。

值得说明的是，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。

然而近年来，由于设计和控制水平的不断提高，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。

综合考虑利弊，对于甲醇-水体系，本设计选用筛板塔。

1.2.2浮阀塔浮阀广泛应用于精馏、吸收和解析等过程。

其主要特点是在塔板的开孔上装有可浮动懂得浮阀，气流从浮阀周边以稳定的速度水平地进入塔板上液层进行两相接触。

浮阀可以根据气流量的大小而上下浮动，自行调节。

浮阀的主要优点是生产能力大，操作弹性大，分离效率高，塔板结构较泡罩塔简单。

1.2.3泡罩塔泡罩塔是最早使用的板式塔，其主要构件是泡罩、升气管及降液管。

泡罩的种类很多，国内用较多的是圆形泡罩。

泡罩的主要优点是操作弹性较大，液气比范围大，适用于多种介质，操作稳定可靠；但其结构复杂、造价高、安装维修不方便，气相压降较大。

现虽已为新型塔板取代，但鉴于其某些优点，仍有使用。

1.3设计单元操作方案简介蒸馏过程按操作方式的不同，分为连续蒸馏和间歇蒸馏两种流程。

连续蒸馏具有生产能力大，产品质量稳定等优点，工业生产中以连续蒸馏为主。

间歇蒸馏具有操作灵活、适应性强等优点，但适合于小规模、多品种或多组分物系的初步分离。

故分离苯-甲苯混合物体系应采用连续精馏过程。

蒸馏是通过物料在塔内的多次部分气化与多次部分冷凝实现分离的，热量自塔釜输入，由冷凝器和冷却剂中的冷却介质将余热带走。

塔顶冷凝装置可采用全凝器、分凝器-全凝器两种不同的设置。

工业上以采用全凝器为主，以便准确控制回流比。

本设计中采用全凝器。

1.4精馏塔的设计简介1.4.1 筛板塔设计须知（1）筛板塔设计是在有关工艺计算已完成的基础上进行的。

对于气、液恒摩尔流的塔段，只需任选其中一块塔板进行设计，并可将该设计结果用于此塔段中。

例如，全塔最上面一段塔段，通常选上面第一块塔板进行设计；全塔最下面一段塔段，通常选最下面一块塔板进行设计。

这样计算便于查取气液相物性数据。

（2）若不同塔段的塔板结构差别不大，可考虑采用同一塔径，若不同塔段塔板的可能有差异。

对筛孔少、塔径大的塔段，为减少筛孔数、空心距与筛孔直径之比t/d进塔壁处液体“短路”，可在近塔壁处设置挡板。

只有当不同塔段的塔径相差较大时才考虑采用不同塔径，即异径塔。

1.4.2 筛板塔的设计程序⑴确定设计方案；⑵平衡级计算和理论塔板的确定；⑶塔板的选择；⑷实际板数的确定；⑸塔体流体力学计算；⑹管路及附属设备的计算与选型；⑺撰写设计说明书和绘图。

第二节设计方案的初步确定2.1操作条件的确定2.1.1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：⑴压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。

⑵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。

⑶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，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，q＝1。

2.1.3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。

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。