甲醇-水连续精馏工艺设计

设计任务书

设计题目

设计题目：甲醇—水分离过程板式精馏塔的设计

设计要求：年产纯度为99.5%的甲醇12000吨，塔底馏出液中含甲醇不得高于0.1%，原料液中含甲醇40%，水60% 。

操作条件

1) 操作压力自选

2) 进料热状态自选

3) 回流比自选

4) 塔底加热蒸气压力0.3Mpa（表压）

塔板类型

筛孔塔

工作日

每年工作日为330天，每天24小时连续运行。

1初选设计方案(参考王国胜P72)

1.1初选原则工艺流程

本任务，处理量比较大，采用连续精馏过程。甲醇-水溶液经卧式套管式换热器预热后，送入连续板式精馏塔。塔顶上升蒸气采用列管式全凝器冷凝后，流入回流罐，部分回流，其余作为塔顶产品经冷却器冷却后送至贮槽。塔釜采用间接蒸汽再沸器供热，塔底产品经冷却后送入贮槽。流程图见下图。

1.2初选操作条件

1.2.1加料方式的选择

加料方式共有两种：高位槽加料和泵直接加料。采用泵直接加料，具有结构简单，安装方便等优点，而且可以引入自动控制系统来实时调节流量及流速。

故本设计采用泵直接加料。

1.2.2进料热状况的选择

进料热状态有五种。原则上，在供热一定的情况下，热量应尽可能由塔底输入，使产生的气相回流在全塔发挥作用，即宜冷液进料。但为使塔的操作稳定，免受季节气温变化和前道工序波动的影响，常采用泡点进料，塔的操作比较容易控制；而且，塔内精馏段和提留段上升的气体量变化较小，可采用相同的塔径，便于设计和制造。但将原料预热到泡点，就需要增设一个预热器，使设备费用增加。有时为了减少再沸器的热负荷，可在料液预热时加入更多的热量，甚至采用饱和蒸汽进料。

综合考虑各方面因素，本设计决定采用泡点进料，即q=1 。

1.2.3塔釜加热方式的选择

塔釜可采用间接蒸汽加热或直接蒸汽加热。直接蒸汽加热的优点是，可利用压强较低的加热蒸汽，并省掉间接加热设备，以节省操作费用和设备费用。但直接蒸汽加热，只适用于釜中残液是水或与水不互溶而易于分离的物料，所以通常

情况下，多采用间接蒸汽加热。

故本设计采用间接蒸气加热方式。

1.2.4操作压力的选择

精馏可以常压，加压或减压条件下进行。确定操作压力时主要是根据处理物料的性质，技术上的可行性和经济上的合理性来考虑的。

对于沸点低，常压下为气态的物料必须在加压条件下进行操作。在相同条件下适当提高操作压力可以提高塔的处理能力，但是增加了塔压，也提高了再沸器的温度，并且相对挥发度液会下降。对于热敏性和高沸点的物料常用减压蒸馏。降低操作压力，组分的相对挥发度增加，有利于分离。减压操作降低了平衡温度，这样可以使用较低位的加热剂。但是降低压力也导致了塔直径的增加和塔顶冷凝温度的降低，而且必须使用抽真空设备，增加了相应的设备和操作费用。

本次任务是甲醇和水体系，甲醇-水这一类的溶液不是热敏性物料，且沸点又不高，所以不需采用减压蒸馏。这类溶液在常压下又是液态，塔顶蒸气又可以用普通冷却水冷凝，因而也不需采用加压蒸馏。所以为了有效降低设备造价和操作费用对这类溶液采用常压蒸馏。

1.2.5塔顶冷凝方式的选择

塔顶冷凝有全凝和分凝两种方式。甲醇与水不反应，且容易冷凝，故塔顶采用全凝器，用水冷凝。塔顶出来的气体温度不高，冷凝后的回流液和产品无需进一步冷却，选用全凝器符合要求。

1.2.6回流方式的选择

液体回流可借助位差采用重力回流或用泵强制回流。采用重力回流可节省一台回流泵，节省设备费用，但用泵强制回流，便于控制回流比。考虑各方面综合因素，采用重力回流。

1.2.7回流比的选择

对于一定的分离任务，采用较大的回流比时，操作线的位置远离平衡线向下向对角线靠拢，在平衡线和操作线之间的直角阶梯的跨度增大,每层塔板的分离效率提高了，所以增大回流比所需的理论塔板数减少，反之理论塔板数增加。但是随着回流比的增加，塔釜加热剂的消耗量和塔顶冷凝剂的消耗量液随之增加，操作费用增加，所以操作费用和设备费用总和最小时所对应的回流比为最佳回流比。

综合考虑各个因素，本设计采用回流比为最小回流比的1.8倍。即：R=1.8 Rmin。

2塔板类型的选择（参考付家新教材P133）

技术比较成熟的精馏塔的塔板类型共有三种：泡罩塔板，筛孔塔板，浮阀塔板。浮阀塔板具有结构简单，制造方便，造价低等优点，且开孔率大，生产能力大，阀片可随气流量大小而上下浮动，故操作弹性大，气液接触时间长，因此塔板效率较高。

本设计采用浮阀塔板。

3精馏塔的工艺设计

3.1全塔物料衡算（参考化工原理教材或潘国昌P11）

3.1.1 原料液及其塔顶、塔底产品的摩尔分率

M

甲醇的摩尔质量为：32.04kg/kmol

a

水的摩尔质量为： 18.01k g /k m b M = 原料液摩尔分率：0.4/32.04

0.270.4/32.040.6/18.01

x =

=+进

塔顶采出液摩尔分率：0.995/32.04

0.990.995/32.040.005/18.01

x ==+顶

塔釜采出液摩尔分率：40.001/32.04

5.62100.001/32.040.999/18.01

x -=

=⨯+釜

3.1.2 全塔物料衡算

771.2100.995 1.2100.005()(24330)47.5/32.0418.01

D kmol h ⨯⨯⨯⨯=+÷⨯=

4

4

0.99 5.621047.50174.43/0.27 5.6210D W F W F D kmol h χχχχ----⨯==⨯=--⨯

174.4347.50126.93/W F D kmol h =-=-=

3.2 塔体工艺尺寸的设计

3.2.1 理论板数的确定(参考化工原理教材)

本设计采用图解法求理论塔板数。因为是常压塔，所以塔内各处压力接近常压（实际上略高于常压），依据常压下的气液平衡关系求理论板书不会引起太大的误差。

3.2.1.1 查常压下甲醇-水体系的气液相平衡数据

查《化学工程手册》PXX 得常压下甲醇-水体系的气液相平衡数据如下表。

表X 常压下甲醇-水体系的气液相平衡数据