甲醇-水连续精馏塔的设计讲解

- 1 - 目录

一、概述

1． 精馏操作对塔设备的要求和类型 .......................................................... 3

2．精馏塔的设计步骤 ..................................................................................... 3

二、精馏塔的物料衡算 ..................................................................................... 4

三、塔板数的确定 ............................................................................................. 5

四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据数据的计算 ..................................... 6

五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算 ................................................................... 10

六、塔板主要工艺尺寸的计算 ....................................................................... 12

七、筛板的流体力学验算 ............................................................................... 15

八、塔板负荷性能图 ....................................................................................... 18

九、筛板塔设计计算结果 ............................................................................... 23

十、参考文献.................................................................................................... 25

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（一） 设计题目 甲醇-水连续精馏塔的设计

（二） 计任务及操作条件

1) 进料：甲醇含量为35%（质量百分率，下同）的常温液体；

2) 产品的甲醇含量不得低于98%；

3) 年处理 甲醇-水混合液：17500吨（开工率300 天/年）；

4) 操作条件

a) 塔顶压力： 常压 b) 进料热状态：自选

c) 回流比： R=2Rmin d) 加热方式：间接蒸汽 e) 单板压降： ≤0.75kPa

（三） 板类型 筛板塔

（四） 厂址 新乡地区

（五）设计内容

1、设计说明书的内容

1) 精馏塔的物料衡算；

2) 塔板数的确定；

3) 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；

4) 精馏塔的塔体工艺尺寸计算；

5) 塔板主要工艺尺寸的计算；

6) 塔板的流体力学验算；

7) 塔板负荷性能图；

8) 精馏塔接管尺寸计算；

9) 对设计过程的评述和有关问题的讨论。

2、设计图纸要求

绘制生产工艺流程图（选作）；完成精馏塔的工艺设计，有关附属设备的设计和选型，绘制精馏塔系统带控制点的工艺流程图及其精馏塔设备的工艺条件图，编写设计说明书。

附： 汽液平衡数据

一、概述

3 1． 精馏操作对塔设备的要求和类型

㈠ 对塔设备的要求

精馏所进行的是气(汽)、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求：

⑴ 气(汽)、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。

⑵ 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。

⑶ 流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。

⑷ 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。

⑸ 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。

⑹ 塔内的滞留量要小。

实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。

㈡ 板式塔类型

气－液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，板式塔为逐级接触型气－液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气－液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛。

筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：

⑴ 结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60％，为浮阀塔的80％左右。

⑵ 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加10～15％。

⑶ 塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。

⑷ 压降较低，每板压力比泡罩塔约低30％左右。

筛板塔的缺点是：

⑴ 塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。

⑵ 操作弹性较小(约2～3)。

⑶ 小孔筛板容易堵塞。

2．精馏塔的设计步骤

本设计按以下几个阶段进行：

⑴ 设计方案确定和说明。根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、主要设备型式及其材质的选取等进行论述。

⑵ 蒸馏塔的工艺计算，确定塔高和塔径。

⑶ 塔板设计：计算塔板各主要工艺尺寸，进行流体力学校核计算。接管尺寸、泵等，并画出塔的操作性能图。

⑷ 管路及附属设备的计算与选型，如再沸器、冷凝器。

4 ⑸ 抄写说明书。

⑹ 绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图。

本设计任务为分离醇和水的混合物，对于二元混合物的分离，应采用连续常压精馏流程。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回流至塔内，其余部分经产品冷凝器冷却后送至贮罐。该物系属于易分离物系，最小回流比比较小，故操作回流比取最小回流比的1.8倍。塔底采用间接蒸气加热，塔底产品经冷却后送至贮罐。

二、精馏塔的物料衡算

⑴ 原料液及其塔顶、塔底产品的摩尔分率

甲醇的摩尔质量为：32.04kg/kmol

水的摩尔质量为： 18.01kg/kmol

xf=232.001.18/65.004.32/35.004.32/35.0

965.00317.00306.001.18/02.004.32/98.004.32/98.0xd

⑵ 原料液及其塔顶与塔底产品的平均摩尔质量

Mf=32.04×0.232+18.01×(1-0.232)=21.26kg/mol

Md=32.04×0.965+18.01×(1-0.965)=31.55kg/mol

则可知：

原料的处理量：F=16.11221.6724300100017500kmol/h

WXDXFXWDF

99%XFXDFD

)/(70.26965.0232.016.11299.0%99hKMolXXFDDF

由总物料衡算 ;WDF

46.8570.2616.112DFW

WDFXWXDFX

003.046.85965.070.2616.112232.0WDXFXXDFW

)/(70.26)/(46.85hKmolDhKmolW

003.0WX

5 三、塔板数的确定

⑴ 理论板层数NT的求取

因为甲醇与水属于理想物系，可采用图解法求解（见相平衡图1---1）

最小回流比及其操作回流比的求解：yδ=0.630，xδ=0.232

Rmin=(xD-yδ)/(yδ-xδ)=232.0630.0630.0965.0 =0.8417

取操作回流比为：R=2Rmin=2×0.8417=1.6834

a．精馏塔的气、液相负荷

L=R×D=1.6834×26.70=44.95kmol/h

V=(R+1)×D=2.6834×26.70=71.65kmol/h

L’=L+F=44.95+112.16=157.11kmol/h

V’=V=71.65kmol/h 46.8565.7111.157'WL

b．精馏段、提馏段操作线方程

精馏段操作线：y=L/V×x+D/V×xd=3596.06275.0965.065.7170.2665.7195.44xx

提馏段操作线：y’=L’/V’×x’－W/V’×xw=0035.0'1927.2003.065.7146.85'65.7111.157xx

c．图解法求理论塔板层数