甲醇-水精馏分离板式塔设计 - 图文

河西学院化学化工学院课程设计

河 西 学 院

Hexi University

化工原理课程设计

题 目:甲醇-水精馏分离板式塔设计 学 院:化学化工学院 专 业:化学工程与工艺 学 号:2014210025 姓 名:王川东

指导教师:杨自嵘

2016年 11月 15 日

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化工原理课程设计任务书

一、设计题目

甲醇-水溶液连续精馏塔设计

二、设计任务及操作条件

1.设计任务

生产能力（进料量）15000吨/年 操作周期7200小时/年

进料组成 40%（质量分率，下同） 塔顶产品组成 ≥95% 塔底产品组成 ≤2%

2.操作条件

操作压力 塔顶为常压 进料热状态 饱和蒸汽进料 加热蒸汽 饱和水蒸汽 3.设备型式 浮阀塔 4.厂址 吉林省吉林市 三、设计内容

1.设计方案的选择及流程说明 2.塔的工艺计算 3.主要设备工艺尺寸设计

（1）塔径、塔高及塔板结构尺寸的确定 （2）塔板的流体力学校核 （3）塔板的负荷性能图

（4）总塔高、总压降及接管尺寸的确定 4.辅助设备选型与计算 5.设计结果汇总

6.工艺流程图及精馏工艺条件图 7.设计评述

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目 录

设计任务书

1.概述 ............................................................................................................................ 1

1.1精馏原理及其在化工生产上的应用 ............................................................. 1 1.2精馏塔对塔设备的要求 ................................................................................. 1 1.3常用板式塔类型及本设计的选型 ................................................................. 1 1.4本设计所选塔的特性 ..................................................................................... 2 1.5流程的确定和说明 ......................................................................................... 2 2.塔板的工艺设计 ........................................................................................................ 3

2.1精馏塔全塔物料衡算 ..................................................................................... 3 2.2温度的计算 ..................................................................................................... 4 2.3密度的计算 ..................................................................................................... 5 2.4液体的平均表面张力的计算 ......................................................................... 6 2.5黏度的计算 ..................................................................................................... 7 2.6相对挥发度 ..................................................................................................... 7 2.7气、液相体积流量计算 ................................................................................. 7 2.8理论塔板的计算 ............................................................................................. 8 2.9塔径的初步设计 ............................................................................................. 9 2.10溢流装置 ..................................................................................................... 10 2.11塔板布置及浮阀数目与排列 ..................................................................... 12 3.塔板的流体力学计算 .............................................................................................. 13

3.1气相通过浮阀塔板压降 ............................................................................... 13 3.2淹塔 ............................................................................................................... 14 3.3物沫夹带线 ................................................................................................... 15 3.4塔板负荷性能图 （泛点率按70%计算） ............................................... 16 3.5浮阀塔工艺设计计算结果 ........................................................................... 18 4.塔附件设计 .............................................................................................................. 19

4.1接管 ............................................................................................................... 19

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4.2回流管 ........................................................................................................... 20 4.3塔釜出料管 ................................................................................................... 20 4.4塔顶蒸气出料管 ........................................................................................... 20 4.5塔釜进气管 ................................................................................................... 20 4.6裙座 ............................................................................................................... 20 4.7塔的顶部空间高度 ....................................................................................... 21 4.8塔的底部空间高度 ....................................................................................... 21 4.9人孔 ............................................................................................................... 21 4.10塔高计算 ..................................................................................................... 21 4.11再沸器的选择 ............................................................................................. 21 5.总结 ......................................................................................................................... 22 6.附录 .......................................................................................................................... 23 参考文献 ..................................................................................................................... 24

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摘要：本设计采用浮阀塔分离甲醇和水，通过图解法计算得出理论板数为11块，回流比为2，算出塔板效率0.45455，实际板数为22块，进料位置为第16块，在浮阀塔主要工艺尺寸的设计计算中得出塔径为1.0米，总塔高7.0米，每层浮阀数目为39个。通过浮阀塔的流体力学验算，证明各指标数据均符合标准。同时还对精馏塔的辅助设备进行了选型计算。

关键词：甲醇，水，连续精馏，浮阀塔 1.概述

1.1精馏原理及其在化工生产上的应用

实际生产中，在精馏柱及精馏塔中精馏时，上述部分气化和部分冷凝是同时进行的。对理想液态混合物精馏时，最后得到的馏液(气相冷却而成)是沸点低的B物质，而残液是沸点高的A物质，精馏是多次简单蒸馏的组合。精馏塔底部是加热区，温度最高；塔顶温度最低。精馏结果，塔顶冷凝收集的是纯低沸点组分，纯高沸点组分则留在塔底。

1.2精馏塔对塔设备的要求

精馏设备所用的设备及其相互联系，总称为精馏装置，其核心为精馏塔。常用的精馏塔有板式塔和填料塔两类，通称塔设备，和其他传质过程一样，精馏塔对塔设备的要求大致如下：

①生产能力大：即单位塔截面大的气液相流率，不会产生液泛等不正常流 动。 ②效率高：气液两相在塔内保持充分的密切接触，具有较高的塔板效率或传质效率。 ③流体阻力小：流体通过塔设备时阻力降小，可以节省动力费用，在减压操作是时，易于达到所要求的真空度。

④有一定的操作弹性：当气液相流率有一定波动时，两相均能维持正常的流动，而且不会使效率发生较大的变化。 ⑤结构简单，造价低，安装检修方便。

⑥能满足某些工艺的特性：腐蚀性，热敏性，起泡性等。 1.3常用板式塔类型及本设计的选型

常用板式塔类型有很多，如：筛板塔、泡罩塔、舌型塔、浮阀塔等。而浮阀塔具有很多优点，且加工方便，故有关浮阀塔板的研究开发远较其他形式的塔板广泛，是目前新型塔板研开发的主要方向。近年来与浮阀塔一直成为化工生中主要的传质设备，浮阀塔多用不锈钢板或合金 。实际操作表明，浮阀在一定程度的漏夜状态下，使其操

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作板效率明显下降，其操作的负荷范围较泡罩塔窄，但设计良好的塔其操作弹性仍可达到满意的程度。

浮阀塔塔板是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的，它吸收了两者的优点。所以在此我们使用浮阀塔，浮阀塔的突出优点是结构简单，造价低，制造方便；塔板开孔率大，生产能力大等。

甲醇与水的分离是正常物系的分离，精馏的意义重大，在化工生产中应用非常广泛，对于提纯物质有非常重要的意义。所以有必要做好本次设计 1.4本设计所选塔的特性 浮阀塔的优点是：

①生产能力大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，其开孔面积大于泡罩塔板，生产能力比泡罩塔板大 20%～40%，与筛板塔接近。

②操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此维持正常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔，泡罩塔都大。

③塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故气液接触时间较长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。

④气体压降及液面落差小，因气液流过浮阀塔板时阻力较小，使气体压降及液面落差比泡罩塔小。

⑤塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的 50%～80%，但是比筛板塔高 20%～30%。

但是，浮阀塔的抗腐蚀性较高（防止浮阀锈死在塔板上），所以一般采用不锈钢作成，致使浮阀造价昂贵，推广受到一定限制。随着科学技术的不断发展，各种新型填料，高效率塔板的不断被研制出来，浮阀塔的推广并不是越来越广。 近几十年来，人们对浮阀塔的研究越来越深入，生产经验越来越丰富，积累的设计数据比较完整，因此设计浮阀塔比较合适 1.5流程的确定和说明

本设计任务为分离甲醇-水溶液的混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。甲醇和水的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物

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上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入甲醇的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成甲醇和水的分离。 2.塔板的工艺设计 2.1精馏塔全塔物料衡算

F：原料液流量?kmol/h?xF：原料组成?mol%? D：塔顶产品流量?kmol/h?xD：塔顶组成?mol%?

W：塔底残夜流量?kmol/h?xW：塔底组成?mol%?

甲醇的摩尔质量MA?32.04?kg/mol? 水的摩尔质量MB?18.02?kg/mol?

0.40/32.04?0.2726

0.40/32.04?0.60/18.020.95/32.04?0.9144 塔顶组成：XD?0.95/32.04?0.05/18.020.02/32.04?0.0112 塔底组成：XW?0.02/32.04?0.98/18.02 原料甲醇组成：XF? 平均摩尔质量：MF?0.2726?32.04?0.7274?18.02?21.8418

MMD?0.9144?32.04?0.0856?18.02?30.8399 ?0.0112?32.04?0.9888?18.02?18.1770

7W1.5?10 原料处理量：F??95.3829(kmol/h) 7200?21.8418 物料衡算式：F?D?W

FxF?DxD?WxW

根据上式解得：D?27.637?kmol/h?W?67.7829?kmol/h? 表1 甲醇-水在气，液平衡组成与温度的关系

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液相中苯的摩尔分数x/%

温度t/℃ 100 96.4 93.5 91.2 89.3 87.7 84.4 81.7 78.0 75.3 73.1 71.2 69.3 67.6 66.0 65.0 64.5

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.15 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 0.95 1

气相中苯的摩尔分数y/% 0 0.134 0.234 0.304 0.365 0.418 0.517 0.579 0.665 0.729 0.779 0.825 0.870 0.915 0.958 0.979 1

由手册查的甲醇-水物系的气、液平衡数据，绘出x-y图，见图1所示

图1 图解法求理论板层数 2.2温度的计算

利用表1中数据由拉格朗日插值可求得tF、tD、tW。

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Rmin?XD?YqYq?Xq?0.9144?0.6074?0.8187

0.6074?0.2324R?1.5Rmin?1.228

93.5?91.2t?93.5,tF=71.65℃ ?F0.04?0.060.23?0.0464.5?6.5tD?64.5 ②tD: , tD=64.67℃ ?1?0.950.98?1.0100?96.9t?100 ③tW：,tW=97.966℃ ?W0?0.020.0113?0?t?t71.65?64.676?68.163℃ ④精馏段的平均温度：t1?FD?22?t?t71.65?97.966?84.808℃ ⑤提馏段的平均温度：t2?FW?22 ①tF: 2.3密度的计算 ①精馏段

已知：t1=68.163℃ x1?0.766y91?0.900 1??kg/kmol? ML1?32.04?0.7669?18.02?0.2331?28.7719Mv1=32.04?0.9001?18.02?0.2331?30.6394(kg/mol)

?? ②提馏段

已知：t2=84.808℃ x2?0.1438y2?0.504 8??kg/kmol? ML2?32.04?0.9001?18.02?0.0999?30.6394Mv2=32.04?0.5048?18.02?0.4952?25.0973(kg/mol)

??表2 不同温度下甲醇和水的密度 温度/℃

60 983.2 761.1

80 971.8 737.4

100 958.4 712.0

?水(kg/m3) ?甲醇(kg/m3) 由t1=68.163℃：

?80?6068.163?60?ρ甲?756.4471?kg/m3? ?971.8?983.2ρ甲-767.180?6068.163?60?ρ水?978.5471?kg/m3? ?971.8?983.2ρ水-983.2

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由t2=84.808℃，查手册得

?ρ'甲=731.2938?kg/m3?ρ'水=968.6748?kg/m3? 在精馏段：液相密度?L1：

10.7669?32.04/(0.7669?32.04?18.02?0.233)1-0.8541=1.2782?10?3 ??ρL1756.4471978.5471 得?L1?782.3715(kg/m3) 气相密度?V1：

?V1?30.6394?273.15?0.8522(kg/m3)

28.7719?1273.15?68.1631 在提馏段：液相密度?L2：

1?0.1438?32.04/(0.1438?32.04?18.02?0.8562)1?0.2300=1.10939?10?3 ?739.2938968.6748?L2 得 ?L2?901.3924(kg/m3) 气相密度?V2：

?V2?25.0973?273.15?0.85496(kg/m3)

22.4?(273.15?84.808)2.4液体的平均表面张力的计算 温度/℃

甲醇表面张力/mN/m 水表面张力/mN/m

60 17.33 66.2

80 15.04 62.6

100 12.8 58.8

?mN/m??水?65.3116?mN/m? 由tD?64.68℃，查手册得 ?甲醇?16.7946?mN/m? 塔顶液：?LDm?0.9144?16.7946?(1?0.9144)?65.3116?20.9477?mN/m??水?64.0195?mN/m? 由tF?71.65℃ ，查手册得 ?甲醇?15.9861?mN/m? 进料板液相：?LFm?0.2726?15.9961?(1?0.2726)?64.0195?50.9283 由tw?97.966℃，查手册得?甲醇?60.55?mN/m??水?59.189?mN/m?

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（m2） 考虑到10%热损失，A'?1.1?20.65?22.72

5.总结

通过这次课程设计，让我更加深刻了解课本知识，和以往对知识的疏忽得以补充，在设计过程中遇到一些模糊的公式和专业用语，比如说经济刮板运输机及皮带运输的选择，在选择选择刮板皮带运输选型时,在使用手册时，有的数据很难查出，但是这些问题经过这次设计，都一一得以解决，我相信这本书中还有很多我为搞清楚的问题，但是这次的课程设计给我相当的基础知识，为我以后工作打下了严实的基础。

虽然这次课程是那么短暂的2周时间，我感觉到这些天我的所学胜过我这一学期所学，这次任务原则上是设计，其实就是一次大的作业，是让我对课本知识的巩固和对基本公式的熟悉和应用，计算力学和运动学及预选电动机过程中的那些繁琐的数据，使我做事的耐心和仔细程度得以提高。课程设计是培训学生运用本专业所学的理论知识和专业知识来分析解决实际问题的重要教学环节，是对三年所学知识的复习和巩固。同样，也促使了同学们的相互探讨，相互学习。因此，我们必须认真、谨慎、踏实、一步一步的完成设计。如果时间可以重来，我可能会认真的去学习和研究，也可能会自己独立的完成一个项目，我相信无论是谁看到自己做出的成果时心里一定会很兴奋。此次设计让我明白了一个很深刻的道理：团队精神固然很重要，担人往往还是要靠自己的努力，自己亲身去经历，这样自己的心里才会踏实，学到的东西才会更多。

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6.附录

单流型塔板系列参数 塔径D/mm 塔截面积AT/m2 弓形降液管 塔板间距HT/mm 300 700 0.3590 350 450 300 800 0.5027 450 500 600 350 1000 0.7854 450 500 600 350 450 1200 1.1310 500 600 800

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降液管面积d堰长lw/mm 466 500 525 529 581 640 管宽W/mm 87 105 120 100 125 160 Af/m2 Af/AT LW/D 0.0248 0.0325 0.0395 0.0363 0.0502 0.0717 6.9 9.06 11.0 7.22 10.0 14.2 0.677 0.714 0.734 0.661 0.726 0.800 650 714 800 120 150 200 0.0534 0.0770 0.1120 6.8 9.8 14.2 0.650 0.714 0.880 794 876 960 150 190 240 0.0816 0.15 0.161 7.2 10.2 14.2 0.661 0.730 0.80 河西学院化学化工学院课程设计

350 450 1400 1.5390 500 600 800 450 1600 2.0110 500 600 800 450 1800 2.5450 500 600 800 参考文献

[1]贾绍义,柴诚敬.化工传递与单元操作课程设计[M].天津大学出版社,2002. [2]陈迁乔,王娟,曲虹霞,马卫华.化工原理[M].国防工业出版社,2007. [3]化工过程及设备设计[M].华南理工大学出版社,1986. [4]王静廉,黄璐.化工设计[M].天津大学出版社,1989. [5]马江权,冷一欣.化工原理课程设计[M].中国石化出版社,2011.

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[10]柴诚敬,刘国维,李阿娜.化工原理课程设计[M].天津:天津科学技术出版社,1995.

1056 1171 1286 199 255 325 0.1450 0.2070 0.2918 7.21 10.3 14.5 0.660 0.732 0.805 903 1029 1104 165 225 270 0.1020 0.1610 0.2065 6.63 10.45 13.4 0.645 0.735 0.790 1165 1312 1434 214 284 354 0.1700 0.2570 0.3540 6.74 10.1 13.9 0.647 0.730 0.797 24

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答 辩 记 录 与 综 合 成 绩 评 定 表 1．答辩陈述： 2．质询解答： 记录人： 年 月 日 成绩评定： 学号 2014210025 指导教师：杨子嵘 年 月 日

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姓名 王川东 组员互评 组长评分 论文成绩 10% 15% 40% 答辩成绩 35% 总评成绩

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