甲醇和水的精馏设计

新疆工程学院
课程设计说明书
题目名称： 甲醇-水筛板塔工艺设计
专业班级： 学生姓 指导教师： 完成日期： 2014.7.4
新疆工程学院
课程设计评定意见
设计题目： 甲醇—水筛板塔工艺设计 学生姓名： 评定指标：
序号
评分指标
具体要求
分数范围
1
学习态度
努力学习，遵守纪律，作风严谨务实，按 期完成规定的任务。
*-
1. 概述
精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板 式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇 精馏塔。
蒸馏的基本原理是将液体混合物部分气化,利用其中各组份挥发度 不同（相对挥发度）的特性，实现分离目的的单元操作。蒸馏按照其操
作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。 本设计题目是：甲醇—水醇精馏塔工艺设计及附属设备选型。筛板
30%
75.3
40%
73.1
50%
71.2
60%
69.3
70%
67.5
80%
66
90%
65
95%
64.5
100%
据此可得甲醇-乙醇系统的x-y图
塔顶 塔釜
进口
36.50% 41.80% 51.70% 57.90% 66.50% 72.90% 77.90% 82.50% 87% 91.50% 95.80% 97.90% 100%
缺点：操作弹性小、筛孔小易堵；
4 工艺计算
4.1确定塔顶、塔底物料量及组成
甲醇的摩尔质量 水的摩尔质量 进料摩尔分数 塔顶摩尔分数 塔釜摩尔分数
M= 0.9832.04+ 0.02 18.01=31.76kg/kmol M=0.02032.042+0.9818,01=18.29kg/kmol 总物料衡算 易挥发组分物料衡算 由上式联立得到
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，选择适应的塔递，气液相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过 程。
2.设计任务书
（1）设计题目: 甲醇-水筛板塔工艺设计 (2) 生产能力： 87600吨/年（年工作日360天，每天开动设备24小时计
算） 进料中甲醇含量：0.422 设计要求：塔顶甲醇的含量不低于98%(摩尔分数) 塔底甲醇的含量不高于2%(摩尔分数)
关键词: 筛板塔,精馏，计算，绘图,
1. 概述 5 2.设计任务书 6 3.设备形式的选择 6 4 工艺计算 7
4.1确定塔顶、塔底物料量及组成 7 4.2确定塔板数和进料位置 7
4.2.1确定操作回流比 8 4..2.2 理论塔板数 9
4.2.3实际板层数的求取 10 4.3.1 塔的精馏段 10
1 塔径的计算 12 2 溢流装置 13 3 塔板布置及阀数排列 14 4 塔板上的流体力学验算 15 5塔板负荷性能图 15 4.3.2 提馏段 17 1 塔径的确定 19 2溢流装置 20 3塔板布置 20 4. 塔板上的流体力学验算 21 5塔板负荷性能图 22 表4-4 精馏塔的设计计算结果汇总一览表 24 参考文献 24 设计心得 25
0— 15分
4
撰写质量
结构严谨，文字通顺，用语符合技术规 范，图、表、排版等符合要求。
0— 15分
合计 0—100分
得分
指导教师（签名）：
评定成绩： 年月日
专业 设计题目
起止时间
新疆工程学院
石化
课程设计任务书
12/13学年 下 学期 13年6月15日 班级 12-7(1) 课程名称 化工原理
甲醇-水筛板塔工艺设计
7 8 9 10 11 12 0.75 0.42 0.26 0.14 0.07 0.030
X 0.95 0.93 0.87 0.80 0.72 0.641< 0.36 0.22 0.12 0.06 0.028 0.0117<xw
精馏塔内理论塔板数为13-1=12块，其中精馏段5块板，提馏段为7 块板，第六块为进料板。
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，材料耗用量少；（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
空塔气速：
2 溢流装置
采用单溢流型的平顶弓形溢流堰、弓形降液管、平形受液盘，且不 设进口内堰。 （1）溢流堰长（出口堰长）
取 （2）溢流堰上液流高度
对平直堰 由及，查【化工原理】下册图8-15 得液流收缩系数，于是：
（满足要求）
堰高：
3 塔板布置及阀数排列
（1）塔板分块 因 塔板分为四块安装
塔径（mm）
0—10分
能独立查阅文献资料及从事其它形式的调
2
能力 与质
设计论证
研，较好地理解课题任务并提出实施方 案，有分析整理各类信息并从中获取新知
识的能力。
0—15分
量
综合能力
设计能运用所学知识和技能，正确的完成 任务。
0—25分
设计质量 论证、分析、计算逻辑合理，条理清晰。 0—20分
3
工作量
内容充实，工作饱满，符合规定要求。
算） 进料中甲醇含量：41%+0.003X(质量分数， X为学号的后两位） 设计要求：塔顶甲醇的含量不低于98%(摩尔分数) 塔底甲醇的含量不高于2%(摩尔分数) 操作压力 常压 进料热状况 q=1.0 回流比料1天，计算2天，说明书撰写1天，整理半天，课程设计答辩 半天 2.本课程设计一律要求用A4稿
4.2.1确定操作回流比
由相对挥发度公式，根据常压下甲醇-水系统的y-x数据得
该体系相对挥发度的算术平均值为
故相平衡线方程为相平衡线方程为
得
因为q =1
最小回流比： 最小回流比
回流比
4..2.2 理论塔板数
精馏段：下降液体的摩尔流量为 上升蒸汽的摩尔流量为
提馏段:下降液体的摩尔流量为: 上升蒸汽的摩尔流量为:
操作压力 常压 进料热状况 q=1
回流比 自选 单板压降 ≤0.8Kpa
3.设备形式的选择
本设计选择板式精馏塔，塔板为筛板塔 筛板主要部件由筛孔、溢流装置和降液管。筛孔分布在上下降液管 之间的踏板有效面积上，作为气体接触的部件。一般情况下孔径是38mm的圆孔，在选择中选择合适的孔径，此外根据气流速度选择合适接 触方式。 筛板塔优点：结构简单、造价低； 气流压降小、板上液面落差小；
主要参考书及参考资料：
[1] 张浩勤、陆美娟主编 化工原理 第二版下册 北京：化学工 业出版社，2006.10 [2] 付家新、王为国、肖稳发主编 化工原理课程设计 北京：化学工 业出版社社， 2010.11 [3] 叶庆国 主编 分离工程 北京：化学工业出版社 ，2009.1
教研室主任（签名）
系（部）主任（签名）
4.2确定塔板数和进料位置
常压下甲醇-水系统的t-x(y)数据 表4-1 常压下甲醇和水的气液平衡数据
温度T（℃） 甲醇液相摩尔分数x
100
0
96.4
2%
93.5
4%
91.2
6%
甲醇气相摩尔分数y 0 13.40% 23.40% 30.40%
89.3
8%
87.7
10%
84.4
15%
81.7
20%
78
1 塔径的计算
（1）初选塔板间距
初选塔板间距及板上液层高度，则： （2）空塔气速选取
按Smith法求取允许的空塔气速（即泛点气速） 查【化工原理】下册图8-13Smith通用关联图得 物系表面张力： 气体负荷因子校正为 泛点气速： （3）操作气速 取空塔速率为最大允许速率的0.8倍，则空塔速率 （4）精馏段的塔径 按标准塔径圆整取，此时的操作气速。 塔截面积：
由，查得甲醇和水的液体表面张力分别为
进料板液相平均表面张力的计算。
由，查得甲醇和水的液体表面张力分别为
精馏段平均表面张力为： ⑦液体的平均粘度
塔顶：查得时甲醇和水的粘度分别为， 故塔顶液体的平均粘度 加料板：查得温度为时甲醇和水的粘度分别为， 故加料板的的平均粘度 精馏段液体的平均粘度
⑧精馏段气相体积流量 ⑨精馏段液相体积流量
指导教师
2014.6.192014.67.2
周数
2周
设计地点 化工系机房
设计目的： 作为本专业的专业基础课，化工原理是设备专业学生对专业课综合学
习与运用的基础，为学生今后进行毕业设计工作奠定基础，是设备专业 技术人员必要的基础训练。
设计任务或主要技术指标： 生产能力： 87600吨/年（年工作日360天，每天开动设备24小时计
气液接触部件的任务是引导气流进入液层，并保证气液充分、均匀 而良好的接触，形成大量的又是不断更新的气液传质界面，而且要使气 液间最后能够较易分离。不同类型的塔板具有不同的气液接触部件，溢 流部件主要是维持液体在板上和板间顺序而均匀地流动，保持板上一定 的液层，为气液接触提供场所。不同类型塔板的溢流部件基本一致。塔 板上有组织的气液流动应当使气液两相间保持充分、均匀、有效而良好 的接触。这是指：相间接触面积要大且具有较强的湍动；气液分布要均 匀且能按总体逆流、板上错流的原因保持最大的传质推动力；理论和实 践又指出传质表面的不断更新也有利于降低传质阻力，提高传质速率。 努力达到这种理想状态是塔板设计和操作改进的下一个方向。
③平均相对分子质量 塔顶： 加料板： 精馏段气相相平均分子量： 精馏段液相平均分子量：
④质量分数 塔顶甲醇的质量分数：
进料板甲醇的质量分数： ⑤平均密度
塔顶：查得时甲醇和水的密度分别为和 加料板：查得温度为时甲醇和水的密度分别为和 精馏段液相平均密度 气相平均密度
⑥液相平均表面张力 塔顶液相平均表面张力的计算。
塔径-塔板分块数
塔板分块数
（2）边缘区宽度与安定区宽度 边缘区宽度：一般为,时，可。 安定区宽度：规定时；时； 本设计取，.
（3）开孔区面积
（4）开孔数n和开孔率
取筛孔的孔径，正三角形排列，筛板采用碳钢，其厚度且取，孔心
距
每层塔板的开孔数个
每层塔板的开孔率（应在5%~15%，故满足要求） 每层塔板的开孔面积
年月日
甲醇-水筛板塔工艺设计
学号:姓名：
摘要:: 本计为分离甲醇－水混合物。对于二元混合物的分离，应采用 连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点
后送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部 分加回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。塔釜采用间 接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐，设计对其生产过程和主要设 备进行了物料衡算、塔设备计算、热量衡算、换热器设计等工艺计算。 筛板塔优点：结构简单、造价低；气流压降小、板上液面落差小；板效 率高。缺点：操作弹性小、筛孔小易堵塞。
塔是一种能耗较低的湿式除尘装置，广泛应用于气体吸收、除尘、降温 等操作。气体进入塔体后从底部向上流动通过筛板层，通过筛板孔径以 及孔间距离的合理设计，以实现最高效率和最小压降。
板式塔通常由圆柱状的塔体及按一定间距水平设置的若干塔板构 成，塔内气体在压差作用下由下而上，液体在自身重力作用下由上而下 总体呈逆流流动。板式塔可分为有溢流堰式和无溢流堰式（又称穿流 式）两大类。对于有溢流式板式塔，在这类塔中塔板上由溢流堰维持一 定液层，实际气液接触过程是在一块块塔板上逐级进行的，总体逆流， 但在每块塔板上气液呈错流流动，即从上方降液管流下的液体横向流过 塔板，翻过溢流堰进入降液管再流向下层塔板，而气体则由下而上穿过 板上横流的液层，在液层中实现气液相密切接触然后离开液层，在塔板 上方空间汇合后进入上层塔板，每一块塔板相当于一个混合分离器，既 要求上升气流与下降气流在板上充分接触，又要求经传质后的气液两相 完全分离，各自进入相邻塔板。因此，塔板上的主要部件是气液接触部 件和溢流部件，在有的塔型中还设置了促进气液分离的部件。
精馏段操作线方程
提镏段操作线方程： 用逐板计算法，计算精馏塔内理论板数如下： 第一块塔板上升的蒸汽组成：
算结果列于表4-2 由计算可知，所需理论塔板数为8块板，第6块板为加料版，精馏段为
5块板。
表4-2 计算结果得蒸汽组成和塔板数
123
4
56
Y 0.98 0.96 0.948 0.912 0.87 0.82
4.2.3实际板层数的求取
⑴全塔效率 塔的平均温度为, 在此温度下查得，，液体的平均粘度如下： 相对挥发度为
故全塔效率 ⑵实际塔板数
精馏段实际塔板数：块， 提馏段实际塔板数：，块 总塔板数块。
4.3.1 塔的精馏段
①平均压力 取每层塔板压降为 塔顶压降：
加料板压降：
平均压降
②平均温度 由插值法得塔顶温度为，加料板温度为