化工原理课程设计-甲醇-水混合液筛板精馏塔设计

化工原理课程设计

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攀枝花学院

生物与化学工程学院

化工原理课程设计

设计题目：甲醇－水混合液筛板精馏塔设计

姓名：

学号：

年级：2012级

指导老师：

设计时间：二O一四年十二月

化工原理课程设计

第 2 页 共 30 页 设计任务书

一、设计条件

年处理量：104500吨

料液初温：20℃

料液浓度： 34.5% （甲醇质量分率）

塔顶产品浓度：98%（甲醇质量分率）

塔底釜液含甲醇量不高于1%(以质量计)

每年实际生产天数：330天（一年中有一个月检修）

精馏塔塔顶压强：4KPa（表压）

单板压降不超过0.7KPa

冷却水温度：20℃

饱和水蒸汽压力：0.25MPa(表压)

设备型式：筛板塔

建厂地区压力：1atm

二、设计任务

完成精馏塔工艺设计，精馏设备设计，有关附属设备的设计和选用，绘制精馏工艺流程图，设备结构图，编制设计说明书。

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第 3 页 共 30 页 目 录

第一章 综述

1.1精馏原理及其在工业生产中的应用………………………………

1.2精馏操作对塔设备的要求（生产能力、效率、流动阻力、操作弹性、结构、造价和工艺特性）………………………………

1.3常用板式塔类型及本设计的选型 ………………………………

1.4本设计所选塔的特性………………………………

第二章 工艺条件的确定和说明

2.1确定操作压力………………………………

2.2确定进料状态………………………………

2.3确定加热剂和加热方式 ………………………………

第三章 流程的确定和说明（附流程简图）

3.1流程的说明 ………………………………

3.2设置各设备的原因（精馏设备、物料的储存和输送、必要的检测手段、操作中的调节和重要参数的控制、热能利用）

第四章 精馏塔的设计计算

4.1物料衡算 ………………………………

4.2回流比的确定 ………………………………

4.3塔板数的确定………………………………

4.4工艺条件及物性数据计算 ………………………………

4.5汽液负荷计算 （将结果进行列表）………………………………

4.6精馏塔工艺尺寸计算（塔高、塔径、溢流装置、塔板布置及筛孔化工原理课程设计

第 4 页 共 30 页 数目与排列）………………………………

4.7塔板流动性能校核（液沫夹带量校核、塔板阻力校核、降液管液泛校核、液体在降液管中停留时间校核以及严重漏液校核）

4.8塔板负荷性能图………………………………

第五章 精馏塔附属设备设计

5.1主要工艺接管尺寸的计算和选取（进料管、回流管、釜液出口管、塔顶蒸汽管、塔底蒸汽管、人孔等）………………………………

5.2塔顶冷凝器/冷却器设计，热负荷、 冷却剂及其进、出口温度

5.3塔底再沸器设计………………………………

5.4原料预热器设计（2-3选一项设计）………………………………

5.5泵的设计………………………………

第六章 主要计算结果列表

6.1塔板主要结构参数表………………………………

6.2塔板主要流动性能参数表………………………………

第七章 设计结果的讨论和说明………………………………

第八章 参考文献………………………………

第九章 课程设计总结………………………………

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第 5 页 共 30 页 第一章 综述

1.1精馏原理及其在工业生产中的应用

（1）精馏原理：液体混合物经多次部分汽化和冷凝后，便可得到几乎完全的分离。精馏利用混合物中各组分挥发度的不同将混合物进行分离。在精馏塔中，塔釜产生的蒸汽沿塔逐渐上升，来自塔顶冷凝器的回流液从塔顶逐渐下降，汽液两相在塔内实现多次接触，进行传质、传热，轻组分上升，重组分下降，使混合液达到一定程度的分离。如果离开某一块塔板（或某一段填料）的汽相和液相的组成达到平衡，则该板（或该填料段）称为一块理论板或一个理论级。然而，在实际操作的塔板上或一段填料层中，由于汽液两相接触时间有限，汽液相达不到平衡状态，即一块实际操作的塔板（或一段填料层）的分离效果常常达不到一块理论板或一个理论级的作用。要想达到一定的分离要求，实际操作的塔板数总要比所需的理论板数多，或所需的填料层高度比理论上的高。

（2）在工业生产中的应用：在整个国民经济生产中，板式塔占有相当大的比重，工业上应用最多、使用经验较为丰富的有筛板塔、浮阀塔、泡罩塔和舌型塔。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。

1.2精馏操作对塔设备的要求（生产能力、效率、流动阻力、操作弹性、结构、造价和工艺特性）

精馏所进行的是气、液两相之间的传质，而作为气、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气、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：

（1）生产能力： 气、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。

（2）效率：在条件允许下，保证拥有最高效率。

（3）流动阻力：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。

（4）操作弹性：操作稳定，弹性大，即当塔设备的气、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。

（5）结构：结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。

（6）造价：制造价格便宜，容易接受。

（7）工艺特性：耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修，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。 化工原理课程设计

第 6 页 共 30 页 1.3常用板式塔类型及本设计的选型

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。

根据指导老师的要求及各种塔板的比较，本设计选择的是筛板塔。

1.4本设计所选塔的特性

（1）筛板塔的优点：

①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；

②处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加10～15％；

③塔板效率高，比泡罩塔高15％左右；

④压降较低，每板压力比泡罩塔约低30％左右；

⑤板上液面落差也比较小。

（2）筛板塔的缺点：

①塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀；

②操作弹性较小(约2～3)；

③小孔筛板容易堵塞。

第二章 工艺条件的确定和说明

2.1确定操作压力

精馏操作可在常压、减压和加压下进行。应该根据处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性原则。对热敏物料，一般采用减压操作，可使相对挥发度增大，利于分离，但压力减小，导致塔径增加，要使用抽空设备。对于物性无特殊要求的采用常压操作。

塔顶压力 KPaP325.105顶

单板压降 0.7KPaΔP

进料板压力 KPaPF525.10967.0325.105

塔底压力 KPaPW025.113117.0325.105

精馏段平均压力 KPaPn425.1072)525.109325.105(

提留段平均压力 KPaPm275.1112)025.113525.109('

2.2确定进料状态

进料热状态以进料热状态参数q表达，即

原料液的千摩尔汽化热的热量进料变为饱和蒸气所需将KmolIIIIqLVFV1

在实际生产中，加入精馏塔中的原料液可能有5种热状况：①q>1时，为低于泡点温度的冷液进料；②q=1时，为泡点下的饱和液体；③0

第 7 页 共 30 页 原则上，在供热量一定的情况下，热量就尽可能由塔底输入，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，免受季节气温影响，精、提馏段采用相同塔径以便于制造，则常采用饱和液体（泡点）进料，但需增设原料预热器。若工艺要求减少塔釜加热量避免釜温过高、料液产生聚合或结焦，则应采用气态进料。根据条件，本设计为泡点进料（即q=1）。

2.3确定加热剂和加热方式

加热剂：低压饱和水蒸气；

加热方式：间接蒸汽加热。

蒸馏大多采用间接蒸汽加热，设置再沸器。有时也可采用直接蒸汽加热，例如蒸馏釜残液的主要组分是水，且在低浓度下轻组分的相对挥发度较大时（如乙醇与混合液）宜用直接蒸汽加热，其优点是可以利用压强较低的加热蒸汽以节省操作费用，并省掉间接加热设备。但由于直接蒸汽的加入，对釜内溶液起一定稀释作用，在进料条件和产品纯度、轻组分收率一定的前提下，釜液浓度相应降低，故需在提馏段增加塔板以达到生产要求。

第三章 流程的确定和说明（附流程简图）

3.1流程的说明

工艺流程设计是化工设计中极其重要的环节，它通过工艺流程图的形式，形象地反映了化工生产由原料输入到产品输出的过程，其中包括物料和能量的变化，物料的流向以及生产中所经历的工艺过程和使用的设备仪表等。工艺流程图集中地概况了整个生产的全貌。工艺流程设计也是工艺设计的核心，在整个设计中，设备选型、工艺计算、设备布置等工作都与工艺流程有直接关系。只有流程确定后，其他各项工作才能开展，工艺流程设计涉及各个专业方面，根据各方面的反馈信息修改原先的工艺流程。因此，流程要在设计中不断修改完善，尽可能使过程在优化条件下操作。所以，在化工设计中工艺流程的设计总是最早开始，最晚结束。

本设计的精馏塔是筛板塔，其流程简图如下：

原料

A+B 汽 液 全凝器

液相回流 馏出液

A(B)

气相回流

再沸器 残液

B(A)