化工原理甲醇-水板式精馏塔设计

一、甲醇－水板式精馏塔设计条件

（1）生产能力：3万吨/年，年开工300天

（2）进料组成：甲醇含量65%（质量分数）

（3）采用间接蒸汽加热并且加热蒸汽压力：0.3MPa

（4）进料温度：采用泡点进料

（5）塔顶馏出液甲醇含量99%（质量分数）

（6）塔底轻组分的浓度≤1%（本设计取0.01）

（7）塔顶压强常压

（8）单板压降≤0.7Kpa

（9）冷却水进口温度25℃

(10)填料类型：DN25金属环矩鞍散堆填料

二、设计的方案介绍

1、工业流程概述

工业上粗甲醇精馏的工艺流程，随着粗甲醇合成方法不同而有差异，其精制过程的复杂程度有较大差别，但基本方法是一致的。首先，总是以蒸馏的方法在蒸馏塔的顶部，脱出较甲醇沸点低的轻组分，这时，也可能有部分高沸点的杂质和甲醇形成共沸物，随轻组分一并除去。然后，仍以蒸馏的方法在塔的底部或侧脱除水和重组分，从而获得纯净甲醇组分。其次，根据精甲醇对稳定性或其他特殊指标的要求，采取必要的辅助办法。

常规甲醇精制流程可以分为两大部分，第一部分是预精馏部分，另一部分是主精馏部分。预精馏部分除了对粗甲醇进行萃取精馏脱出某些烷烃的作用之外，另外的还可以脱出二甲醚，和其它轻组分有机杂质。其底部的出料被加到主塔的中间入料板上，主塔顶部出粗甲醇，底部出废液，下部侧线出杂醇。

2、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。

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。以茂名市地处亚热带为例，夏天室外平均气温28℃。因此，计算选用28℃的冷却水，选择升温10℃，即冷却水的出口温度为38℃。

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。

三、精馏塔的物料衡算

按精甲醇每年3万吨计算，年工作日为300天。粗甲醇进料组如表2.1，

要求：(1)精甲醇的纯度为99.99% (2）甲醇收率98%

表3.1 粗甲醇进料组成

1.原料及塔顶、塔底产品的摩尔分数

甲醇的摩尔质量：M

甲醇

=32kg/kmol

水的摩尔质量：M

水

=18kg/kmol

x F=

0.65/52

0.65/32+0.35/18

=0.511

x D=

0.99/32

0.99/32+0.01/18

=0.982

x W=

0.01/32

0.01/32+0.99/18

=0.006

2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量为：

M F=0.511×32+0.489×18=25.154

M D=0.982×32+0.018×18=31.748

M W=0.006×32+0.994×18=18.084 3.物料衡算

原料处理量：q

n，F =30000×103

24×300×25.154

=165.66kmol/h

165.66=q

n，D

+q

n，W

165.66×0.511=0.982q

n，D

+0.006q

n，W

联立方程解得：

q

n，D =85.71kmol/h q

n，W

=79.94kmol/h

4.平均相对挥发度

视甲醇与水为理想物系，故塔的平均挥发度的确定可运用拉乌尔定律，采用试差法计算:

x =

p−p B

°p A °−p B

°

双组分理想液体相对挥发度的计算：

α=p A

°p B °

式中：---液体温度为T 时纯组分A 、B 的饱和蒸汽压，KPa: ---溶液上分组分的平衡压力，设为操作压力 ---相对挥发度

假定温度T ，查甲醇、水的饱和蒸汽压表，采用试差法计算出，带入式中，计算出相应的x 值。若计算得到的x 值与所求混合液组成的x 值相等，则假定的T 值正 确，同时得到相应的值。

温度/℃ 压力/KPa 温度/℃ 压力/KPa 30 21.75674 85 215.199 35 27.86375 90 254.9469 40 35.36189 95 300.483 45 44.49296 100 352.4169 50 55.52686 105 411.3966 55 68.76295 110 478.1087 60 84.53133 115 553.2791 65 103.194 120 637.6736 70 125.1458 125 732.6736 75 150.8157 130 837.4025 80

180.667

135

1084.249

︒︒B A P P ，P α︒︒B A P P ，α