甲醇-水精馏塔化工原理课程设计
南京工业大学
《化工原理》课程设计
设计题目 常压甲醇－水筛板精馏塔设计
学生姓名 陈献富 班级、学号 化工070313
指导教师姓名 刘晓勤、王晓东
课程设计时间2010年6月14日-2010年6月25日
课程设计成绩
指导教师签字
化学化工学院
课程名称化工原理课程设计
设计题目常压甲醇－水筛板精馏塔设计
学生姓名周佳佳专业化学工程与工艺
班级学号1001090605
设计日期2010 年6 月14 日至2009 年6 月25日
设计条件及任务：
设计体系：甲醇－水体系
设计条件：
进料量：F= 200 kmol/h
进料浓度：Z F= 0.35 （摩尔量分数）
进料状态：q= 1.08
操作条件：
塔顶压强为4kPa(表压)，单板压降不大于0.7kPa。
塔顶冷凝水采用深井水，温度t＝12℃；
塔釜加热方式：间接蒸汽加热，采用3kgf/cm2(表压)水蒸汽
全塔效率：E T = 52%
分离要求：X D= 0.995（质量分数）；X W= 0.002（质量分数）；
回流比：R/R min =1.6
指导教师刘晓勤、王晓东
2010年6月11日
目录
绪论
1.精馏简介
蒸馏是分离液体混合物的一种方法，是一种属于传质分离的。广泛应用于炼油、、轻工等领域。蒸馏的理论依据是利用溶液中各组分蒸汽压的差异，即各组分在相同的压力、温度下，其挥发性能不同（或沸点不同）来实现分离目的。以本设计所选取的甲醇-水体系为例，加热甲醇（沸点64.5℃）和水（沸点100.0℃）的混合物时,由于甲醇的沸点较低（即挥发度较高）,所以甲醇易从液相中汽化出来。若将汽化的蒸汽全部冷凝，即可得到甲醇组成高于原料的产品，依此进行多次汽化及冷凝过程，即可将甲醇和水分离。经过多次部分汽化部分冷凝，最终在汽相中得到较纯的易挥发组分，而在液相中得到较纯的难挥发组分，这就是精馏。
在工业精馏设备中，使部分汽化的液相与部分冷凝的气相直接接触，以进行气液相际传质，结果是气相中的难挥发组分部分转入液相，中的易挥发组分部分转入气相，也即同时实现了液相的部分汽化和气相的部分冷凝。
蒸馏按操作可分为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏等多种方式。按原料中所含组分数目可分为双组分蒸馏及多组分蒸馏。按操作压力则可分为常压蒸馏、加压蒸馏、减压（真空）蒸馏。此外，按操作是否连续蒸馏和间歇蒸馏。工业中的蒸馏多为多组分精馏，从石油工业、酒精工业直至焦油分离，基本有机合成，空气分离等等，特别是
大规模的生产中精馏的应用更为广泛。本设计着重讨论常压下甲醇-水双组分体系精馏。
2.塔设备简介
塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液
接触件的结构型式，可分为板式塔和填料塔两大类。板式塔内设置一定数量踏板，气
体以鼓泡活喷射形式穿过板上液层进行质、热传递，气液相组成成阶梯变化，属逐级
接触逆流操作过程。填料塔内有定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体
逆流而上（也有并流向下者）与液相接触进行质、热传递，气相组成沿塔高连续变化，属微分接触操作过程。
工业上对塔设备的主要要求：（1）生产能力大；（2）传质、传热效率高；（3）
气流的摩擦阻力小；（4）操作稳定，适应性强，操作弹性大；（5）结构简单，材料
消耗少；（6）制造安装容易，操作维修方便。此外还要求不易堵塞、耐腐蚀等。
实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，因此，设计者应根据塔型特点、物
系性质、生产工艺条件、操作方式、设备投资、操作与维修费用等技术经济评价以及
设计经验等因素，依矛盾的主次，综合考虑，选择适宜的塔型。
在化学工业和石油工业中广泛应用的诸如吸收，解吸，精馏，萃取等单元操作中，气液传质设备必不可少。塔设备就是使气液成两相通过紧密接触达到相际传质和传热目的的气液传质设备之一。
3.体系介绍
本设计的体系为甲醇-水体系。101.325kPa下，甲醇－水体系汽液平衡数据如下：温度t(℃) 液相组成x 气相组成y 温度t(℃) 液相组成x 气相组成y
100 0 0 75 0.4 0.7
96 0.02 0.1 73 0.5 0.8
94 0.04 0.2 71 0.6 0.8
91 0.06 0.3 69 0.7 0.9
89 0.08 0.4 68 0.8 0.9
88 0.1 0.4 66 0.9 1
84 0.15 0.5 65 1 1
82 0.2 0.6 65 1 1
78 0.3 0.7
注：x、y分别为气液两相中甲醇的摩尔分数
4.设计要求
设计条件：
体系：甲醇-水体系
已知：进料量F=200 kmol/h
进料浓度Z
F
= 0.35（摩尔分数）
进料状态：q＝ 1.08
操作条件：塔顶压强为4 kPa(表压)，单板压降不大于0.7kPa。
塔顶冷凝水采用深井水，温度t＝12℃；
塔釜加热方式：间接蒸汽加热
全塔效率E
T
= 52%
分离要求： X
D = 0.995（质量分数）；X
W
= 0.002（质量分数）； R/R
min
=1.6 。
第一节概述
1.1精馏操求作对塔设备的要求
工业上对塔设备的主要要求：（1）生产能力大；（2）传质、传热效率高；（3）
气流的摩擦阻力小；（4）操作稳定，适应性强，操作弹性大；（5）结构简单，材料
消耗少；（6）制造安装容易，操作维修方便。此外还要求不易堵塞、耐腐蚀等。
1.2板式塔类型
塔设备大致可以分为两类，一类是有降液管的塔板，如泡罩、浮阀、筛板、导向筛板、舌形、S形、多降液管塔板等；另一类是无降液管塔板，如传流式筛板（栅板）、穿流式波纹板等。工业上应用较多的是有降液管的浮阀、筛板和泡罩塔板等。
1.2.1筛板塔
筛板塔板简称筛板，结构持点为塔板上开有许多均匀的小孔。根据孔径的大小，分为小孔径筛板(孔径为3—8mm)和大孔径筛板(孔径为10—25mm)两类。工业应用小以小孔径筛板为主，大孔径筛板多用于某些特殊场合(如分离粘度大、易结焦的物系)。
筛板的优点是结构简单，造价低；板上液面落差小，气体压降低，生产能力较大；气体分散均匀，传质效率较高。筛板塔和泡罩塔相比较具有下列特点：生产能力大于10.5%，板效率提高产量15%左右；而压降可降低30%左右；另外筛板塔结构简单，塔板的造价可减少40%左右；安装容易，也便于清理检修。但其缺点是筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料。
值得说明的是，尽管筛板传质效率高，但若设计和操作不当，易产生漏液，使得操作弹性减小，传质效率下降。然而近年来，由于设计和控制水平的不断提高，可使筛板的操作非常精确，弥补了上述不足，故应用日趋广泛。
综合考虑利弊，对于甲醇-水体系，本设计选用筛板塔。
1.2.2浮阀塔
浮阀广泛应用于精馏、吸收和解析等过程。其主要特点是在塔板的开孔上装有可浮动懂得浮阀，气流从浮阀周边以稳定的速度水平地进入塔板上液层进行两相接触。浮阀可以根据气流量的大小而上下浮动，自行调节。
浮阀的主要优点是生产能力大，操作弹性大，分离效率高，塔板结构较泡罩塔简单。
1.2.3泡罩塔
泡罩塔是最早使用的板式塔，其主要构件是泡罩、升气管及降液管。泡罩的种类很多，国内用较多的是圆形泡罩。
泡罩的主要优点是操作弹性较大，液气比范围大，适用于多种介质，操作稳定可靠；但其结构复杂、造价高、安装维修不方便，气相压降较大。现虽已为新型塔板取代，但鉴于其某些优点，仍有使用。
1.3设计单元操作方案简介
蒸馏过程按操作方式的不同，分为连续蒸馏和间歇蒸馏两种流程。连续蒸馏具有生产能力大，产品质量稳定等优点，工业生产中以连续蒸馏为主。间歇蒸馏具有操作灵活、适应性强等优点，但适合于小规模、多品种或多组分物系的初步分离。故分离苯-甲苯混合物体系应采用连续精馏过程。
蒸馏是通过物料在塔内的多次部分气化与多次部分冷凝实现分离的，热量自塔釜输入，由冷凝器和冷却剂中的冷却介质将余热带走。塔顶冷凝装置可采用全凝器、分凝器-全凝器两种不同的设置。工业上以采用全凝器为主，以便准确控制回流比。本设计中采用全凝器。
1.4精馏塔的设计简介
1.4.1 筛板塔设计须知
（1）筛板塔设计是在有关工艺计算已完成的基础上进行的。对于气、液恒摩尔流的塔段，只需任选其中一块塔板进行设计，并可将该设计结果用于此塔段中。例如，全塔最上面一段塔段，通常选上面第一块塔板进行设计；全塔最下面一段塔段，通常选最下面一块塔板进行设计。这样计算便于查取气液相物性数据。
（2）若不同塔段的塔板结构差别不大，可考虑采用同一塔径，若不同塔段塔板的
可能有差异。对筛孔少、塔径大的塔段，为减少筛孔数、空心距与筛孔直径之比t/d
进塔壁处液体“短路”，可在近塔壁处设置挡板。只有当不同塔段的塔径相差较大时才考虑采用不同塔径，即异径塔。
1.4.2 筛板塔的设计程序
⑴确定设计方案；
⑵平衡级计算和理论塔板的确定；
⑶塔板的选择；
⑷实际板数的确定；
⑸塔体流体力学计算；
⑹管路及附属设备的计算与选型；
⑺撰写设计说明书和绘图。
第二节设计方案的初步确定
2.1操作条件的确定
2.1.1操作压力
塔内操作压力的选择不仅牵涉到分离问题，而且与塔顶和塔底温度的选取有关。根据所处理的物料性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性来综合考虑，一般有下列原则：
⑴压力增加可提高塔的处理能力，但会增加塔身的壁厚，导致设备费用增加；压力增加，组分间的相对挥发度降低，回流比或塔高增加，导致操作费用或设备费用增加。因此如果在常压下操作时，塔顶蒸汽可以用普通冷却水进行冷却，一般不采用加压操作。操作压力大于1.6MPa才能使普通冷却水冷却塔顶蒸汽时，应对低压、冷冻剂冷却和高压、冷却水冷却的方案进行比较后，确定适宜的操作方式。
⑵考虑利用较高温度的蒸汽冷凝热，或可利用较低品位的冷源使蒸气冷凝，且压力提高后不致引起操作上的其他问题和设备费用的增加，可以使用加压操作。
⑶真空操作不仅需要增加真空设备的投资和操作费用，而且由于真空下气体体积增大，需要的塔径增加，因此塔设备费用增加。
综合考虑以上因素本设计采用常压精馏。
2.1.2进料状态
泡点进料时，塔的操作易于控制，不受环境影响。饱和液体进料时进料温度不受季节、气温变化和前段工序波动的影响，塔的操作比较容易控制。此外，泡点进料，提馏段和精馏段塔径大致相同，在设备制造上比较方便。冷液进塔虽可减少理论板数，使塔高降低，但精馏釜及提馏段塔径增大，有不利之处。所以根据设计要求，选择泡点进料，q＝1。
2.1.3加热方式
精馏塔的设计中多在塔底加一个再沸器以采用间接蒸汽加热以保证塔内有足够的热量供应；由于甲醇-水体系中，甲醇是轻组分由塔顶冷凝器冷凝得到，水为重组分由塔底排出。所以本设计应采用再沸器提供热量，采用3kgf/cm2（温度130℃）间接水蒸汽加热。
2.1.4冷却剂与出口温度
本设计中采用的冷却剂为深井水，深井水水温较江河水水温稳定（如：南京地区深井水水温常年维持在12℃），易于操作条件的控制。
冷却水出口温度过高，则冷却效果不佳；反之，如果温度过低，冷却水用量较大，增加了成本。综合考虑这两方面因素，本设计的冷却水出口温度选为：30℃
2.1.5回流比
选择回流比主要从经济观点出发，力求设备费用和操作费用最低。实际操作的R必，但并无上限限制。选定操作R时应考虑，随R选值的增大，塔板数减少，须大于R
min
设备投资减少，但因塔内气、液流量L，V，L’，V’增加，势必使蒸馏釜加热量及冷凝器冷却量增大，耗能增大，既操作费用增大。若R
值过大，即气液流量过大，则要求塔径增大，设备投
资也随之有所增大。其设备投资操作费用与回流比之
间的关系如右图所示。总费用最低点对应的R值称为
最佳回流比。设计时应根据技术经济核算确定最佳R
。本
值，常用的适宜R值范围为：R＝（1.2～2）R
min
设计综合考虑以上原则，选用：R＝1.6R
。
min
2.1.6热能的利用
精馏过程的热效率很低，进入再沸器的能量的95%以上被塔顶冷凝器中冷却介质带走，仅约5%的能量被有效地利用。采用热泵技术可使塔顶蒸汽温度提高，提高了温度的蒸汽再用于加热釜液，使釜液蒸发的同时，塔顶蒸汽冷凝。该方法不仅可节省大量的加热蒸汽，而且还节省了大量的冷却介质。当然，塔顶蒸汽可用作低温系统的热源，或通入废热锅炉产生低压蒸汽，供别处使用。在考虑充分利用热能的同时，还应考虑到所需增加设备的投资和由此给精馏操作带来的影响。
本设计中的热能利用主要有两方面：一、塔顶冷却水的热量，通过水介质导出，可用周边生活区的供暖；二、塔釜残液温度较高，可用于进料的预热。
2.2确定设计方案的原则
总的原则是尽可能多地采用先进的技术，使生产达到技术先进、经济合理的要求，符合优质、高产、安全、低能耗的原则，具体考虑以下几点。
⑴满足工艺和操作的要求所设计出来的流程和设备能保证得到质量稳定的产品。由于工业上原料的浓度、温度经常有变化，因此设计的流程与设备需要一定的操
作弹性，可方便地进行流量和传热量的调节。设置必需的仪表并安装在适宜部位，以
便能通过这些仪表来观测和控制生产过程。
⑵满足经济上的要求要节省热能和电能的消耗，减少设备与基建的费用，
如合理利用塔顶和塔底的废热，既可节省蒸汽和冷却介质的消耗，也能节省电的消耗。回流比对操作费用和设备费用均有很大的影响，因此必须选择合适的回流比。冷却水
的节省也对操作费用和设备费用有影响，减少冷却水用量，操作费用下降，但所需传
热设备面积增加，设备费用增加。因此，设计时应全面考虑，力求总费用尽可能低一些。
⑶保证生产安全生产中应防止物料的泄露，生产和使用易燃物料车间的电器均
应为防爆产品。塔体大都安装在室外，为能抵抗大自然的破坏，塔设备应具有一定刚
度和强度。
2.3操作流程简图
第三节 板式精馏塔的工艺参数计算
3.1 物料衡算与操作线方程
3.1.1物料衡算
已知进料量F ＝200kmol/h ，进料组成X F ＝0.35（摩尔分率），进料q ＝1.08 设计要求：X D ＝0.995（质量分率），Xw=0.002（质量分率） 质量分率 摩尔分率
X D 0.995 0.9911 X w
0.002
0.0011
衡算方程 ：
??
?==????+=?+=???????+=+=h kmol W h
kmol D W D W D WX DX FX W D F W D F
/52.129/48.700011.09911.035.0200200 3.1.2 q 线方程
因为X F ＝0.35 q ＝1 q 线方程为：x ＝0.35
读图可知平衡线和q 线交点为: x e =0.2325，y e =0.699 3.1.3R min 和R 的确定
8371
.02325
.0699.0699
.09911.0e e e min =--=--=
X Y Y X R D
R=1.6R min =1.6×0.8371=1.3393 3.1.4精馏段操作线方程 精馏段操作线方程：
4237.05725.0641.29911.0641.2641.111n n n 1n +=+=+++=
+X X R X X R R Y D
3.1.5精馏段和提馏段气液流量
D ＝70.48kmol/h R ＝1.3393 精馏段：L ＝RD ＝94.39kmol/h
V ＝（R ＋1）D ＝164.87kmol/h
提馏段：L’＝L ＋qF ＝94.39+200=294.39kmol/h V’＝V －（1－q ）F ＝V ＝164.87kmol/h 3.1.6提馏段操作线方程 提馏段操作线方程：
000885.07856.1'''
m 1m -=-=
+m W X V WX X V L Y
3.2 理论塔板数的计算与实际板数的确定
3.2.1理论板数的计算
由于塔釜残液的浓度较低，而塔顶产品的浓度较高，故不适宜用作图法求解理论板数。本设计采用逐板计算的方法求解。 （1）精馏段理论板数
由上而下逐板计算，自x 0=0.9911开始到x i 首次越过x f =0.2325时为止。 x 0=0.9911,y 1=0.9911 x 1=0.9788,y 1=0.9911 x 1=0.9788,y 2=0.9841 x 2=0.9621,y 2=0.9841 x 2=0.9621,y 3=0.9745 x 3=0.9393,y 3=0.9745 x 3=0.9393,y 4=0.9615
x 4=0.9082,y 4=0.9615 x 4=0.9082,y 5=0.9437 x 5=0.8662,y 5=0.9437 x 5=0.8662,y 6=0.9196
x 6=0.8104,y 6=0.9196 x 6=0.8104,y 7=0.8877
x 7=0.7390,y 7=0.8877 x 7=0.7390,y 8=0.8468 x 8=0.6484,y 8=0.8468 x 8=0.6484,y 9=0.7949 x 9=0.5341,y 9=0.7949 x 9=0.5341,y 10=0.7295 x 10=0.4009,y 10=0.7295 x 10=0.4009,y 11=0.6532
x 11=0.2842,y 11=0.6532
因x 11 由上而下逐板计算，自x 11=0.2842开始到x i 首次越过x w =0.0011时为止。 x 11=0.2842,y 12=0.5067 x 12=0.1434,y 12=0.5067 x 12=0.1434,y 13=0.2551 x 13=0.0463,y 13=0.2551 x 13=0.0463,y 14=0.0818 x 14=0.0113,y 14=0.0818 x 14=0.0113,y 15=0.0194 x 15=0.0025,y 15=0.0194 x 15=0.0025,y 16=0.0036 x 16=0.0004,y 16=0.0036 因x 16 提馏段理论板数=15-11+（x 15-x w ）/(x 15-x 16)-1=3.68 块（不含塔釜） 总理论板数=11+3.68=14.68 块（不含塔釜） （理论板数计算由MATLAB 完成，详细程序见附表） 精馏段操作线方程 平衡关系 提馏段操作线方程 平衡关系 3.2.1实际板数的确定 平均相对挥发度α=5.5 平均黏度为μL =0.33mPa ·s 由奥肯奈尔（O`connell ）关联图的E T =0.49 N 精=11/0.49=23块 N 提=3.68/0.49=8块 N P ＝N 精+N 提＝23+8=31块 实际塔板数为31块 3.3操作压强的计算 本设计采用常压精馏根据设计要求，相关计算如下： 塔顶压力P 顶=101.3+4=105.3kPa 单板压降ΔP=0.7kPa 进料板压力p F =105.3+0.7×22=120.7kPa 塔底压力p w =105.3+0.7×31=127.0kPa 精馏段平均压力p m =(105.3+120.7)/2=113.0kPa 提馏段平均压力p m' =(120.7+127.0)/2=123.9kPa 3.4操作温度的计算 通过“t-x-y ”数据进行插值计算得： 泡点进料：x F ＝0.35 进料板温度t F =76.58℃ 塔顶温度：t D =64.51℃ 塔底温度：t W =99.78℃ 精馏段平均温度t m =(76.58+64.51)/2=70.55℃ 提馏段平均温度t m '=(99.78+76.58)/2=88.18℃ （以上温度的插值计算由MATLAB 完成，详细程序见附表。） 常压下甲醇-水气液平衡组成与温度关系 温度t(℃) 液相组成x 气相组成y 温度t(℃) 液相组成x 气相组成y 100 0 0 75 0.4 0.7 96 0.02 0.1 73 0.5 0.8 94 0.04 0.2 71 0.6 0.8 91 0.06 0.3 69 0.7 0.9 89 0.08 0.4 68 0.8 0.9 88 0.1 0.4 66 0.9 1 84 0.15 0.5 65 1 1 82 0.2 0.6 65 1 1 78 0.3 0.7 3.5塔内物料平均分子量、张力、流量及密度的计算 3.5.1密度及流量 设甲醇为a ，水为b 甲醇分子量为：32.04kg/kmol 水的分子量为：18.01 kg/kmol （1）精馏段 精馏段平均温度70.55℃ 由t-x-y 数据插值计算得：x a ＝0.6348，y a ＝0.8407 查表得：748.60=a ρ kg/m 3，13.978=b ρkg/m 3 液相平均分子量：M l =x a M a +(1-x a ) M b =26.92 kg/kmol 气相平均分子量：M v = y a M a +(1-y a ) M b =29.81kg/kmol 液相密度：3 /14.794m kg X M X M M b b b a a a l L =+= ρρρ （液相视为正规溶液） 气相密度：3m /179.1m kg RT M p v v == ρ（气相视为理想气体） 液相流量： /s m 1089.814.794360092 .2639.94360034-?=??=??= L L s M L L ρ 气相流量：/s m 158.1179.1360081 .2987.16436003=??=??= V V S M V V ρ （2）提馏段 提馏段平均温度：88.18℃ 由t-x-y 数据插值计算得：x a ＝0.0937，y a ＝0.4021 查表得：a ρ=727.013/m kg ，b ρ=966.483 /m kg 液相平均分子量：M l ’=x a M a +(1-x a ) M b =19.32kg/kmol 气相平均分子量：M v ’= y a M a +(1-y a ) M b = 23.65kg/kmol 液相密度：3 /43.919' 'm kg X M X M M b b b a a a l L =+= ρρρ （液相视为正规溶液） 气相密度： 3 m'/975.0' 'm kg RT M p v v == ρ（气相视为理想气体） 液相流量： /s m 1072.143.919360032 .1939.294' 3600'''33-?=??=??= L L S M L L ρ 气相流量： /s m 1109.1975.0360065 .2387.164' 3600'''3=??=??= V V S M V V ρ （以上温度的插值计算由MATLAB 完成，详细程序见附表。） 3.5.2液相表面张力的确定： 塔顶液相表面张力 D t =64.51℃,查得：a σ=16.81m N /m , b σ=66.60m N /m b a )1(σσx x a a D -+=σ=17.25m N /m 进料板液相表面张力 t F =76.58℃, a σ=15.43m N /m , b σ=64.42m N /m b a )1(σσσx x a a F -+==47.27m N /m 塔底液相表面张力 t w =99.78℃，a σ=12.82m N /m ，b σ=60.04m N /m b a )1(σσσx x a a W -+==59.99m N /m 精馏段平均液相表面张力 26.322=+= F D σσσ精m N /m 提馏段平均液相表面张力63.532=+= F W σσσ提m N /m 3.5.3液体平均粘度计算 i i m lg lg μμ∑=x 塔顶液体粘度: D t =64.51℃,A μ=0.3289s Pa ?m ,B μ=0.4497s Pa ?m 3298.0lg lg 1m i i m1=?=∑μμμX s Pa ?m 同理,进料板液体2m μ =0.3450s Pa ?m 塔底液体3m μ=0.2886s Pa ?m 精馏段平均液相粘度=精μ(2m μ+1m μ )/2=0.3374s Pa ?m 提馏段平均液相粘度=提μ(2m μ+3m μ )/2=0.3168s Pa ?m 第四节 板式塔主要尺寸的设计计算 4.1塔的有效高度和板间距的初选 4.1.1塔有效高度 精馏段有效高度 m H N Z T P 9.945.0)123()1(1=?-=?-=精 提馏段有效高度m H N Z T P 15.345.0)18()1(2=?-=?-=提 从塔顶开始每隔7块板开一个人孔，其直径为0.6米,开人孔的两块板间距取0.7米 所以应多加高(0.7-0.45)×[31/7]=1m Z=Z 精+Z 提+1.0=9.9+3.15+1.0=14.06m 4.2 塔径 4.2.1精馏段 欲求塔径应先求出空塔气速 u ＝安全系数×u max 功能参数： 01992.0179.114.794158.1000889.0==V L S S V L ρρ）（ 取塔板间距T H =0.45m ，板上液层高度h 1=0.06m ， 那么分离空间：T H -h 1=0.45-0.06=0.39m 从史密斯关联图查得：078.020=C ，由于086 .0202 .020==）σ（精C C 23.2u max =-=V V L C ρρρm/s u=0.7 max u =0.7×2.23=1.56m/s m 97.056.114.3158 .14u 4=??== πS V D 取 D=1.2m 塔截面积： ()2 2 2131.12.14 4 m D A T =?= = π π 实际空塔气速：024.1131.1158 .1u === T S A V s m / 4.2.2提馏段 功能参数：0475.0975.043 .9191109.100172.0''''==V S S S V L ρρ）（ 取塔板间距T H =0.45m ，板上液层高度h 1=0.06m ， 那么分离空间：T H -h1=0.45-0.06=0.39m 从史密斯关联图查得：085.0'20=C ，由于104.020''2 .020==）σ（提C C s m C V V L /19.3' ''' 'u max =-=ρρρ u ’=0.7'u max =0.7×3.19=2.23m/s m 797.023.214.31109.14u''4=??==πS V D 圆整取： D'=0.8m < D 所以其D'=D=1.2m 塔截面积：()2 22131.12.14 4'm D A T =?= = ππ 空塔气速： 982.0131.11109 .1''u'=== T S A V s m / 第五节 板式塔的结构 5.1 塔的总体结构 板式塔内部装有塔板、降液管、各物流的进出口管及人孔（手孔）、基座、除沫器等附属装置。 化工原理课程设计说明书 设计题目：甲醇—水连续填料精馏塔 设计者： 专业： 学号： 指导老师： 2007年7 月13日 目录 一、设计任务书 (1) 二、设计的方案介绍 (1) 三、工艺流程图及其简单说明 (2) 四、操作条件及精熘塔工艺计算 (4) 五、精熘塔工艺条件及有关物性的计算 (14) 六、精馏塔塔体工艺尺寸计算 (19) 七、附属设备及主要附件的选型计算 (23) 八、参考文献 (26) 九、甲醇－水精熘塔设计条件图 一、设计任务书 甲醇散堆填料精馏塔设计： 1、处理量：12000 吨/年(年生产时间以7200小时计算) 2、原料液状态：常温常压 3、进料浓度：41.3%(甲醇的质量分数) 塔顶出料浓度：98.5%(甲醇的质量分数) 塔釜出料浓度：0.05%(甲醇的质量分数) 4、填料类型：DN25金属环矩鞍散堆填料 5、厂址位于沈阳地区 二、设计的方案介绍 1、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。 2、精熘塔的操作压力 在精馏操作中，当压力增大，混合液的相对挥发度减小，将使汽相和液相的组成越来越接近，分离越来越难；而当压力减小，混合液的相对挥发度增大，α值偏离1的程度越大，分离越容易。但是要保持精馏塔在低压下操作，这对设备的要求相当高，会使总的设备费用大幅度增加。在实际设计中，要充分考虑这两 课程设计报告书丙酮水连续精馏浮阀塔的设计学院化学与化工学院 专业化学工程与工艺 学生姓名吴熠 学生学号 指导教师江燕斌 课程编号 课程学分 起始日期 目录 \ "" \ \ \ 第部分设计任务书 设计题目：丙酮水连续精馏浮阀塔的设计 设计条件 在常压操作的连续精馏浮阀塔内分离丙酮水混合物。生产能力和产品的质量要求如下： 任务要求(工艺参数)： .塔顶产品(丙酮)：, (质量分率) .塔顶丙酮回收率：η=0.99(质量分率) .原料中丙酮含量：质量分率(*) .原料处理量：根据、、返算进料、、、 .精馏方式：直接蒸汽加热 操作条件： ①常压精馏 ②进料热状态q=1 ③回流比R=3R min ④加热蒸汽直接加热蒸汽的绝对压强 冷却水进口温度℃、出口温度℃，热损失以计 ⑤单板压降≯ 设计任务 .确定双组份系统精馏过程的流程，辅助设备，测量仪表等，并绘出工艺流程示意图，表明所需的设备、管线及有关观测或控制所必需的仪表和装置。 .计算冷凝器和再沸器热负荷。塔的工艺设计：热量和物料衡算，确定操作回流比，选定板型，确定塔径，塔板数、塔高及进料位置 .塔的结构设计：选择塔板的结构型式、确定塔的结构尺寸；进行塔板流体力学性能校核（包括塔板压降，液泛校核及雾沫夹带量校核等）。 .作出塔的负荷性能图，计算塔的操作弹性。 .塔的附属设备选型,计算全套装置所用的蒸汽量和冷却水用量，和塔顶冷凝器、塔底蒸馏釜的换热面积，原料预热器的换热面积与泵的选型，各接管尺寸的确定。 第部分设计方案及工艺流程图 设计方案 本设计任务为分离丙酮水二元混合物。对于该非理想二元混合物的分离，应使用连续精馏。含丙酮（质量分数）的原料由进料泵输送至高位槽。通过进料调节阀调节进料流量，经与釜液进行热交换温度升至泡点后进入精馏塔进料板。塔顶上升蒸汽使用冷凝器，冷凝液在泡点一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却后送至储罐。该物系属于易分离物系（标况下，丙酮的沸点°），塔釜为直接蒸汽加热，釜液出料后与进料换热，充分利用余热。 工艺流程图 甲醇工艺（精馏工段）设计说明书 一概述 1甲醇生产的发展概况 甲醇生产技术发展很快，近20年来，在原料路线、生产规模、节能降耗、过程控制与优化及与其他化工产品联合生产等发面都有新的突破与进展。 1）原料路线 甲醇生产的原料大致有煤、石油、天然气和含H 2、CO（或CO 2 ）的工业废气 等。从 50年代开始，天然气逐步成为制造甲醇的主要原料，因为它简化了流程，便于输送，降低了成本，目前世界甲醇总产量中约有70%左右是天然气为原料的。但是，随着能源的紧张，如何有效地开发煤炭资源，这是个从未中断过的研究课题，煤气化技术发展迅速，除传统的固定床UGI炉外，固定床鲁奇汽化炉，流化闯温克勒汽化炉，气流床K-T炉，气流床德士古汽化炉的开发均取得进展并都在工业上得到使用。从长远的战略观点来看，世界煤的储藏量远超过天然气和石油。我国情况更是如此，将来以煤制取甲醇的原料路线终将占主导地位。 2）生产规模 甲醇生产技术发展趋势之一是单系列，大型化。由于高压设备尺寸的限制，50年代以前，甲醇合成塔的单塔生产能力一般不超过100~200t/d，60年代不超过200~300t/d。但近十年来，单系列大型甲醇合成塔不断被开发，并在工业生产中使用，Lurgi管壳型甲醇合成塔单塔生产能力可达2500t/d。随着由气轮机驱动的大型离心压缩机研制成功，为合成气压缩机、循环机的大型化提供了条件。 国内的甲醇装置的规模偏小，除引进的Lurgi与ICI装置单系列年产10万吨甲醇外，较多中型化肥厂中单系列甲醇装置年产仅3~4万吨。更有一些单醇与联醇装置年产仅数千吨。今后必须不断创造条件，增大单系列甲醇装置的生产规模。 3）节能降耗 甲醇成本中能源消耗费用占较大比重。目前，甲醇生产技术改进的重点放在采用低能耗工艺，充分回收和利用能量等方面。主要方向是研制性能更好的转化与合成催化剂，降低甲醇合成压力，开发新的净化方法，降低燃料消耗。采用节能型精馏工艺与设备高、中、低位热能的合理配置与低位能热能的合理使用等措施。 4）过程控制 甲醇生产是连续操作，技术密集的工艺。目前正向高度自动化操作水平发展，化工过程优化控制在甲醇生产中得到推广与应用。 国内甲醇装置的过程控制水平还停留在仪表显示与单参数控制水平。采用数学模型方法对系统进行分析，已有初步成果。引进国内外先进控制技术进一步提高自控水平，对发展我国甲醇工业很有意义。 5）联合生产 国内外大多甲醇装置都是与其他化工产品实现联合生产的。甲醇装置成为大型化肥厂或石油化工厂的一个组成部分。其中具有代表性的是合成氨联产甲醇与城市 煤气联产甲醇。此外，还有利用含CO与H 2 的尾气、废气生产甲醇。目前已投产 的有乙炔尾气制甲醇，乙烯裂解废气制甲醇等。 2设计任务 4.3 填料精馏塔设计示例 4.3.1 化工原理课程设计任务书 1 设计题目 分离甲醇-水混合液的填料精馏塔 2 设计数据及条件 生产能力：年处理甲醇-水混合液0.30万吨（年开工300天） 原料：甲醇含量为70%（质量百分比，下同）的常温液体 分离要求：塔顶甲醇含量不低于98%，塔底甲醇含量不高于2% 建厂地址：沈阳 3 设计要求 （1）编制一份精馏塔设计说明书，主要内容： ①前言； ②流程确定和说明； ③生产条件确定和说明； ④精馏塔的设计计算； ⑤主要附属设备及附件的选型计算； ⑥设计结果列表； ⑦设计结果的自我总结评价与说明； ⑧注明参考和使用的设计资料。 （2）编制一份精馏塔工艺条件单，绘制一份带控制点的工艺流程图。 4.3.2 前言 在炼油、石油化工、精细化工、食品、医药及环保等部门，塔设备属于使用量大，应用面广的重要单元设备。塔设备广泛用于蒸馏、吸收、萃取、洗涤、传热等单元操作中。所以塔设备的研究一直是国内外学者普遍关注的重要课题。 塔设备按其结构形式基本上可分为两类：板式塔和填料塔。以前，在工业生产中，当处理量大时多用板式塔，处理量小时采用填料塔。近年来由于填料塔结构的改进，新型的、高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离效能又保持了压降小以性能稳定等特点。因此填料塔已被推广到大型汽液操作中。在某些场合还代替了传统的板式塔。如今，直径几米甚至几十米的大型填料塔在工业上已非罕见。随着对填料塔的研究和开发，性能优良的填料塔必将大量用于工业生产中。 板式塔为逐级接触式汽液传质设备，它具有结构简单、安装方便、操作弹性大、持液量小等优点。同时也有投资费用较高、填料易堵塞等缺点。 本设计目的是分离甲醇-水混合液，处理量不大，故选用填料塔。 塔型的选择因素很多。主要因素有物料性质、操作条件、塔设备的制造安装和维修等。 1 与物性有关的因素 ①易起泡的物系在板式塔中有较严重的雾沫夹带现象或引起液泛，故选用填料塔为宜。因为填料不易形成泡沫。本设计为分离甲醇和水，故选用填料塔。 ②对于易腐蚀介质，可选用陶瓷或其他耐腐蚀性材料作填料，对于不腐蚀的介质，则可选金属性质或塑料填料，而本设计分离甲醇和水，腐蚀性小可选用金属填料。 2 与操作条件有关的因素 ①传质速率受气膜控制的系统，选用填料塔为宜。因为填料塔层中液相为膜状流、气相湍动，有利于减小气膜阻力。 ②难分离物系与产品纯度要求较高，塔板数很多时，可采用高效填料。 ③若塔的高度有限制，在某些情况下，选用填料塔可降低塔高，为了节约能耗，故本设计选用填料塔。 ④要求塔内持液量、停留时间短、压强小的物系，宜用规整填料。 4.3.3 流程确定和说明 1 加料方式 加料方式有两种：高位槽加料和泵直接加料。采用高位槽加料，通过控制液位高度，可以得到稳定的流量和流速。通过重力加料，可 郑州轻工业学院 ——化工原理课程设计说明书 课题：甲醇和水的分离 学院：材料与化学工程学院 班级： 姓名： 学号： 指导老师： 目录 第一章流程确定和说明 (2) 1.1.加料方式 (2) 1.2.进料状况 (2) 1.3.塔型的选择 (2) 1.4.塔顶的冷凝方式 (2) 1.5.回流方式 (3) 1.6.加热方式 (3) 第二章板式精馏塔的工艺计算 (3) 2.1物料衡算 (3) 2.3 塔板数的确定及实际塔板数的求取 (5) 2.3.1理论板数的计算 (5) 2.3.2求塔的气液相负荷 (5) 2.3.3温度组成图与液体平均粘度的计算 (6) 2.3.4 实际板数 (7) 2.3.5试差法求塔顶、塔底、进料板温度 (7) 第三章精馏塔的工艺条件及物性参数的计算 (9) 3.1 平均分子量的确定 (9) 3.2平均密度的确定 (10) 3.3. 液体平均比表面积张力的计算 (11) 第四章精馏塔的工艺尺寸计算 (12) 4.1气液相体积流率 (12) 4.1.1 精馏段气液相体积流率： (12) 4.1.2提馏段的气液相体积流率： (13) 第五章塔板主要工艺尺寸的计算 (14) 5.1 溢流装置的计算 (14) 5.1.1 堰长 (14) 5.1.2溢流堰高度： (15) 5.1.3弓形降液管宽度 (15) 5.1.4 降液管底隙高度 (16) 5.1.5 塔板位置及浮阀数目与排列 (16) 第六章板式塔得结构与附属设备 (24) 6.1附件的计算 (24) 6.1.1接管 (24) 6.1.2 冷凝器 (27) 6.1.3再沸器 (28) 第七章参考书录 (28) 第八章设计心得体会 (29) 第三章设备选型-精馏塔设计说明书3.1 概述 本章是对各种塔设备的设计说明与选型。 3.2设计依据 气液传质分离用的最多的为塔式设备。它分为板式塔和填料塔两大类。板式塔和填料塔均可用作蒸馏、吸收等气液传质过程，但两者各有优缺点，根据具体情况进行选择。设计所依据的规范如下： 《F1型浮阀》JBT1118 《钢制压力容器》GB 150-1998 《钢制塔式容器》JB4710-92 《碳素钢、低合金钢人孔与手孔类型与技术条件》HG21514-95 《钢制压力容器用封头标准》JB/T 4746-2002 《中国地震动参数区划图》GB 18306-2001 《建筑结构荷载规范》GB50009-2001 3.3 塔简述 3.3.1填料塔简述 (1)填料塔 填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备，由外壳、填料、填料支承、液体分布器、中间支承和再分布器、气体和液体进出口接管等部件组成。 填料是填料塔的核心，它提供了塔内气液两相的接触面，填料与塔的结构决定了塔的性能。填料必须具备较大的比表面，有较高的空隙率、良好的润湿性、耐腐蚀、一定的机械强度、密度小、价格低廉等。常用的填料有拉西环、鲍尔环、弧鞍形和矩鞍形填料，20世纪80年代后开发的新型填料如QH—1型扁环填料、八四内弧环、刺猬形填料、金属板状填料、规整板波纹填料、格栅填料等，为先进的填料塔设计提供了基础。 填料塔适用于快速和瞬间反应的吸收过程，多用于气体的净化。该塔结构简单，易于用耐腐蚀材料制作，气液接触面积大，接触时间长，气量变化时塔的适应性强，塔阻力小，压力损失为300～700Pa，与板式塔相比处理风量小，空塔气速通常为0.5-1.2 m/s，气速过大会形成液泛，喷淋密度6-8 m3/(m2.h)以保证填料润湿，液气比控制在2-10L/m3。填料塔不宜处理含尘量较大的烟气，设计时应克服塔内气液分布不均的问题。 (2)规整填料 塔填料分为散装填料、规整填料(含格栅填料) 和散装填料规整排列3种，前2种填料应用广泛。 在规整填料中，单向斜波填料如JKB，SM，SP等国产波纹填料已达到国外MELLAPAK、FLEXIPAC等同类填料水平；双向斜波填料如ZUPAK、DAPAK 等填料与国外的RASCHIG SUPER-PAK、INTALOX STRUCTURED PACKING 同处国际先进水平；双向曲波填料如CHAOPAK等乃最新自主创新技术，与相应型号的单向斜波填料相比，在分离效率相同的情况下，通量可提高25％ -35％，比国外的单向曲波填料MELLAPAK PLUS通量至少提高5％。上述规整填料已成功应用于φ6400，φ8200，φ8400，φ8600，φ8800，φ10200mm等多座大塔中。 (3)板波纹填料 板波纹填料由开孔板组成，材料薄，空隙率大，加之排列规整，因而气体通过能力大，压降小。其比表面积大，能从选材上确保液体在板面上形成稳定薄液 1.4.2 甲醇精馏的典型工艺流程甲醇精馏产生工艺有多种，分为单塔精馏，双塔精馏，三塔精馏与四塔精馏(即三塔加回收塔) (1) 单塔流程描述 采用铜系催化剂低压法合成甲醇,由于粗甲醇中不仅还原性杂质的含量大大减少,而且二甲醚的含量几十倍地降低,因此在取消化学净化的同时,可将预精馏及甲醇-水-重组分的分离在一台主精馏塔内同时进行,即单塔流程,就能获得一般工业上所需要的精甲醇。单塔流程更适用于合成甲基燃料的分离,很容易获得燃料级甲醇。 单塔流程(见图1.1)为粗甲醇产品经过一个塔就可以采出产品。粗甲醇塔中部加料口送入,轻组分由塔顶排出,高沸点的重组分在进料板以下若塔板处引出,水从塔底排出,产品甲醇在塔顶以下若干块塔板引出。 (2) 双塔流程描述 双塔工艺是由脱醚塔,甲醇精馏塔或者主塔组成。主塔在工厂中产量在100万吨/年以下,仅仅能提供简单的过程,所以设备和投资较低。 传统的工艺流程，是最早用于30MPa压力下以锌铬催化剂合成粗甲醇的精制。主要步骤有：中和、脱醚、预精馏脱轻组分杂质、氧化净化、主精馏脱水和重组分，最终得到精甲醇产品。在传统工艺流程上，取消脱醚塔和高锰酸钾的化学净化，只剩下双塔精馏(预精馏塔和主精馏塔)。其高压法锌铬催化剂合成甲醇和中、低压法铜系催化剂合成甲醇都可适用。 从合成工序来的粗甲醇入预精馏塔，此塔为常压操作。为了提高预精馏塔后甲醇的稳定性，并尽可能回收甲醇，塔顶采用两级冷凝。塔顶经部分冷凝后的 大部分甲醇、水及少量杂质留在液相作为回流返回塔，二甲醚等轻组分(初馏分)及少量的甲醇、水由塔顶逸出，塔底含水甲醇则由泵送至主精馏塔。主精馏塔操作压力稍高于预精馏塔，但也可以认为是常压操作，塔顶得到精甲醇产品，塔底含微量甲醇及其它重组分的水送往水处理系统（见图1.2）。 (3) 三塔流程描述 三塔工艺是由脱醚塔，加压精馏塔和常压精馏塔组成，形成二效精馏与二甲醇精馏塔甲醇产品的镏出物的混合物。三塔流程（见图1.3）的主要特点是，加压塔塔顶冷凝潜热用作常压塔塔釜再沸器的热源，形成双效精馏二效精馏，因此热量交换在加压塔顶部和常压塔底部之间进行。这种形式节省大约30%~40%的能源，同时降低了循环冷却水的速度。 从合成工序来的粗甲醇入预精馏塔，在塔顶除去轻组分及不凝气，塔底含水甲醇由泵送加压塔。加压塔操作压力为57bar(G)，塔顶甲醇蒸气全凝后，部分作为回流经回流泵返回塔顶，其余作为精甲醇产品送产品储槽，塔底含水甲醇则进常压塔。同样，常压塔塔顶出的精甲醇一部分作为回流，一部分与加压塔产品混合进入甲醇产品储槽。 (4) 四塔流程描述 四塔流程（见图1.4）包含预精馏塔、加压精馏塔、常压精馏塔和甲醇回收塔。粗甲醇经换热后进入预精馏塔，脱除轻组分后(主要为不凝气、二甲醚等)，塔底甲醇及高沸点组分加压后进入加压精馏塔，加压精馏塔顶的气相进入冷凝蒸发器，利用加压精馏塔和常压精馏塔塔顶、塔底的温差，为常压塔塔底提供热源，同时对加压塔塔顶气相冷凝。冷凝后的精甲醇进入回流罐，一部分作为加压塔回流，一部分作为精甲醇产品出装置，加压塔塔底的甲醇、高沸组分、 精馏塔设计 目录 § 1 设计任务书 (1) § 1.1 设计条件 (1) § 2 概述 (1) § 2.1 塔型选择 (1) § 2.2 精馏塔操作条件的选择 (3) § 2.3 再沸器选择 (4) § 2.4 工艺流程 (4) § 2.5 处理能力及产品质量 (4) § 3 工艺设计 (5) § 3.1 系统物料衡算热量衡算 (5) § 3.2 单元设备计算 (9) § 4 管路设计及泵的选择 (28) § 4.1 进料管线管径 (28) § 4.2 原料泵P－101的选择 (31) § 5 辅助设备的设计和选型 (32) § 5.1 贮罐………………………………………………………………………………… 32 § 5.2 换热设备…………………………………………………………………………… 34 § 6 控制方案…………………………………………………………………………………… 34 附录1~………………………………………………………………………………………… 35 参考文献………………………………………………………………………………………… 37 后 记 (38) §1 设计任务书 §1.1 设计条件 工艺条件：饱和液体进料，进料量丙烯含量x f =65%（摩尔百分数） 塔顶丙烯含量D x =98%，釜液丙烯含量w x ≤2%，总板效率为0.6。 操作条件：建议塔顶压力1.62MPa （表压） 安装地点：大连 §2 概述 蒸馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）常用的一种单元操作，在化工、炼油、石油化工等工业中得到广泛的应用。其中，简单蒸馏与平衡蒸馏只能将混合物进行初步的分离。为了获得较高纯度的产品，应 甲醇-水分离过程板式精馏塔的设计 1.设计方案的确定 本设计任务为分离甲醇和水混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。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冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.8倍。塔釜采用间接蒸汽加热①。 2.精馏塔的物料衡算 2.1.原料液及塔顶、塔顶产品的摩尔分率 甲醇的摩尔质量M A=32.04kg/kmol 水的摩尔质量M B=18.02 kg/kmol x F= 0.46/32.04 0.324 0.46/32.040.54/18.02 = + x D= 0.95/32.04 0.914 0.95/32.040.05/18.02 = + x W= 0.03/32.04 0.0171 0.03/32.040.97/18.02 = + 2.2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 M F=0.324*32.04(10.324)*18.0222.56 +-=kg/kmol M D=0.914*32.04(10.914)*18.0230.83 -=kg/kmol M W=0.0171*32.04(10.0171)*18.0218.26 +-=kg/kmol 2.3.物料衡算 原料处理量F= 30000*1000 184.7 24*300*22.56 =kmol/h 总物料衡算184.7=D+W 甲醇物料衡算184.7*0.324=0.914D+0.0171W 联立解得D=63.21 kmol/h W=121.49 kmol/h 3.塔板数的确定 3.1.理论塔板层数N T的求取 3.1.1.由手册查的甲醇-水物系的气液平衡数据 前言 化工生产中所处理的原料，中间产物，粗产品几乎都是由若干组分组成的混合物，而且其中大部分都是均相物质。生产中为了满足储存，运输，加工和使用的需求，时常需要将这些混合物分离为较纯净或几乎纯态的物质。 精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业得到广泛应用。精馏过程在能量计的驱动下，使气，液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各相分挥发度的不同，使挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移。实现原料混合物中各组成分离该过程是同时进行传质传热的过程。本次设计任务为设计一定处理量的分离四氯化碳和二硫化碳混合物精馏塔。 板式精馏塔也是很早出现的一种板式塔，20世纪50年代起对板式精馏塔进行了大量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。与泡罩塔相比，板式精馏塔具有下列优点：生产能力（2 0%——40%）塔板效率（10%——50%）而且结构简单，塔盘造价减少40%左右，安装，维修都较容易。 化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性、经济合理性。 在设计过程中应考虑到设计的业精馏塔具有较大的生产能力满足工艺要求，另外还要有一定的潜力。节省能源，综合利用余热。经济合理，冷却水进出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量。另一方面影响到所需传热面积的大小。即对操作费用和设备费用均有影响，因此设计是否合理的利用热能R等直接关系到生产过程的经济问题。 本课程设计的主要内容是过程的物料衡算，工艺计算，结构设计和校核。 【精馏塔设计任务书】 一设计题目 精馏塔及其主要附属设备设计 二工艺条件 设计条件如下： 操作压力：105.325 Kpa（绝对压力） 进料热状况：泡点进料 回流比：自定 单板压降：≤0.7 Kpa 塔底加热蒸气压力：0.5M Kpa（表压） 全塔效率：E T=47% 建厂地址：武汉 [ 设计计算] （一）设计方案的确定 本设计任务为分离甲醇- 水混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。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，其余部分经产品冷却后送至储罐。 该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2 倍。塔釜采用间接蒸气加热，塔底产品经冷却后送至储罐。 （二）精馏塔的物料衡算 1、原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 甲醇的摩尔质量：M A=32 Kg/Kmol 水的摩尔质量：M B=18 Kg/Kmol x F=32.4% x D=99.47% x W=0.28% 2、原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 M F= 32.4%*32+67.6%*18=22.54 Kg/Kmol M D= 99.47*32+0.53%*18=41.37 Kg/Kmol M W= 0.28%*32+99.72%*18=26.91 Kg/Kmol 3、物料衡算 3 原料处理量：F=（3.61*10 3）/22.54=160.21 Kmol/h 总物料衡算：160.21=D+W 甲醇物料衡算：160.21*32.4%=D*99.47%+W*0.28% 得D=51.88 Kmol/h W=108.33 Kmol/h （三）塔板数的确定 1、理论板层数M T 的求取 甲醇-水属理想物系，可采用图解法求理论板层数 ①由手册查得甲醇-水物搦的气液平衡数据，绘出x-y 图（附表） ②求最小回流比及操作回流比 采用作图法求最小回流比，在图中对角线上，自点e（0.324 ，0.324）作垂线ef 即为进料线（q 线），该线与平衡线的交战坐标为（x q=0.324,y q=0.675） 故最小回流比为R min= （x D- y q）/（ y q - x q）=0.91 取最小回流比为：R=2R min=2*0.91=1.82 ③求精馏塔的气、液相负荷 L=RD=1.82*51.88=94.42 Kmol/h V=（R+1）D=2.82*51.88=146.30 Kmol/h 目录 设计任务书 一、概述 1、精馏操作对塔设备的要求和类型 (4) 2、精馏塔的设计步骤 (5) 二、精馏塔工艺设计计算 1、设计方案的确定 (6) 2、精馏塔物料衡算 (6) 3、塔板数的确定 (7) 的求取 (7) 3.1理论板层数N T 3.2实际板层数的求取 (8) 4、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 4.1操作温度的计算 (11) 4.2平均摩尔质量的计算 (11) 4.3平均密度的计算 (12) 4.4液相平均表面张力计算 (12) 4.5液体平均粘度计算 (13) 5、精馏塔塔体工艺尺寸计算 5.1塔径的计算 (14) 5.2精馏塔有效高度的计算 (15) 6、塔板主要工艺尺寸计算 6.1溢流装置计算 (16) 6.2塔板的布置 (17) 6.3浮阀计算及排列 (17) 7、浮阀塔流体力学性能验算 (19) 8、塔附件设计 (26) 7、精馏塔结构设计 (30) 7.1设计条件 (30) 7.2壳体厚度计算………………………………………………… 7.3风载荷与风弯矩计算………………………………………… 7.4地震弯矩的计算………………………………………………… 三、总结 (27) 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、设计条件: 年产量: 95%的甲醇17000吨 料液组成(质量分数): (25%甲醇，75%水) 塔顶产品组成(质量分数): (95%甲醇，5%水) 塔底釜残液甲醇含量为6% 每年实际生产时间: 300天/年,每天24小时连续工作 连续操作、中间加料、泡点回流。 操作压力：常压 塔顶压力4kPa(表压) 塔板类型：浮阀塔 进料状况：泡点进料 单板压降：kPa 7.0 厂址：安徽省合肥市 塔釜间接蒸汽加热，加热蒸汽压力为0.5Mpa 三、设计任务 完成精馏塔的工艺设计,有关附属设备的设计和选型,绘制精馏塔系统工艺流程图和精馏塔装配图,编写设计说明书. 设计内容包括： 1、 精馏装置流程设计与论证 2、 浮阀塔内精馏过程的工艺计算 3、 浮阀塔主要工艺尺寸的确定 4、 塔盘设计 5、 流体力学条件校核、作负荷性能图 6、 主要辅助设备的选型 四、设计说明书内容 1 目录 2 概述(精馏基本原理) 3 工艺计算 4 结构计算 5 附属装置评价 6 参考文献 7 对设计自我评价 摘要：设计一座连续浮阀塔，通过对原料，产品的要求和物性参数的确定及对主 毕业设计设计题目：年产10万吨甲醇精馏工段工艺设计 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期： 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日 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 化学与化学工程学院 《化工原理》专业课程设计 设计题目常压甲醇－水筛板精馏塔设计 姓名：潘永春 班级：化工101 学号： 2010054052 指导教师：朱宪 荣 课程设计时间2013、6、8——2013、6、20 化工原理课程设计任务书 专业：化学与化学工程学院：化工101 姓名：潘永春 学号 20100054052 指导教师朱宪荣 设计日期： 2013 年6月8日至 2013年6月20日 一、设计题目：甲醇－水精馏塔的设计 二、设计任务及操作条件： 1、设计任务 生产能力（进料） 413.34Kmol/hr 操作周期 8000小时/年 进料组成甲醇0.4634 水0.5366（质量分率下同） 进料密度 233.9Kg/m3 平均分子量 22.65 塔顶产品组成 >99% 塔底产品组成 <0.04% 2、操作条件 操作压力 1.45bar （表压） 进料热状态汽液混合物液相分率98% 冷却水 20℃ 直接蒸汽加热低压水蒸气 塔顶为全凝器，中间汽液混合物进料，连续精馏。 3、设备形式筛板式或浮阀塔 4、厂址齐齐哈尔地区 三、图纸要求 1、计算说明书（含草稿） 2、精馏塔装配图（1号图，含草稿） 一．前言5 1.精馏与塔设备简介 5 2.体系介绍 5 3.筛板塔的特点 6 4.设计要求: 6 二、设计说明书7 三．设计计算书8 1.设计参数的确定8 1.1进料热状态8 1.2加热方式8 1.3回流比（R）的选择8 1.4 塔顶冷凝水的选择 8 2.流程简介及流程图 8 2.1流程简介8 3.理论塔板数的计算与实际板数的确定9 3.1理论板数计算9 3.1.1物料衡算9 3.1.2 q线方程9 3.1.3平衡线方程10 3.1.4 Rmin和R的确定10 3.1.5精馏段操作线方程的确定10 3.1.6精馏段和提馏段气液流量的确定10 3.1.7提馏段操作线方程的确定10 3.1.8逐板计算10 3.1.9图解法求解理论板数如下图: 12 3.2实际板层数的确定12 4精馏塔工艺条件计算12 4.1操作压强的选择12 4.2操作温度的计算13 《化工设备设计基础》课程设计 题目：甲醇精馏塔的设计 年级：2011级 专业：化学工程与工艺 学号：0116 姓名：高鑫政 指导老师：徐琼 湖南师范大学树达学院 2014 年6 月4 日《化工设备机械基础》课程设计成绩评定栏 设计任务：甲醇精馏塔的设计 完成人：高鑫政学号：0116 评定基元评审要素评审内涵满分评分 设计说明书， 40% 格式规范 设计说明书是否符合 规定的格式要求 10 内容完整 设计说明书是否包含 所有规定的内容 10 设计方案 选材是否合理标准件 选型是否符合要求 10 工艺计算 过程 工艺计算过程是否正 确、完整和规范 10 设计图纸， 30% 图纸规范 图纸是否符合规范、标 注清晰 10 与设计吻合 图纸是否与设计计算 的结果完全一致 15 图纸质量设计图纸的整体质量 的全面评价 5 答辩成绩， 30% PPT质量 PPT画面清晰，重点突 出 10 内容表述答辩表述是否清楚10 回答问题回答问题是否正确10 100 评阅人签名：总分： 评分说明：储罐设计作品的总分=（设计说明书成绩+设计图纸成绩）*0.9+答辩成绩 塔设备设计作品的总分=设计说明书成绩+设计图纸成绩+答辩成绩 设计任务书(十六) 题目：甲醇精馏塔的设计 设计内容： 根据给定的工艺参数设计一筛板塔，具体包括塔体、裙座材料的选择；塔体及封头的壁厚计算及其强度、稳定性校核、筒体和裙座的水压试验应力校核、裙座结构设计及强度校核；塔设备的结构设计；基础环、地脚螺栓计算等 已知工艺参数： 塔体内径/mm 2000 塔高/mm 31000 计算压力/MPa 1.2 设计温度/o C 200 设置地区长沙地震设防烈度8 场地土类Ⅱ类设计地震 分组第二组设计基本地震 加速度 0.2g 地面粗糙度B类塔盘数52 塔盘存留介质100 化工原理课程设计 一、设计题目 甲醇-水连续精馏塔的设计 二、设计条件 1、常压操作：p=１atm 2、进精馏塔的料液含甲醇61％（质量）,其余为水 3、产品的甲醇含量不得低于99％(质量) 4、残液中甲醇含量不得高于３%（质量） 5、生产能力为日处理（24h）66.5吨粗甲醇 三、设计内容 3.１:设计方案的确定及流程说明 ３.1.１:选择塔型 精馏塔属气—液传质设备。气—液传质设备主要有板式塔和填料塔两大类。该塔设计生产时日要求较大,由板式塔与填料塔比较知：板式塔直径放大时，塔板效率较稳定,且持液量较大,液气比适应范围大，因此本次精馏塔设备选择板式塔。 筛板塔是降液管塔板中结构最简单的，制造维修方便，造价低,相同条件下生产能力高于浮阀塔，塔板效率接近浮阀塔。本次设计为分离甲醇与水,所以由各方面条件考虑后，本次设计应用筛板塔。 ３.1.２：精馏方式 由设计要求知,本精馏塔为连续精馏方式 3．1.3：装置流程的确定 为获取也液相产品，采用全凝器。 含甲醇61％(质量分数)的甲醇-水混合液经过预热器,预热到泡点进料。进入精馏塔后分离，塔顶蒸汽冷凝后有一部分作为产品经产品冷却器冷却后流入甲醇贮存罐，一部分回流再进入塔中，塔底残留液给再沸器加热后，部分进入塔中，部分液体作为产品经釜液冷却器冷却后流入釜液贮存罐。 3.1．4:操作压强的选择 常压操作可减少因加压或减压操作所增加的增、减压设备费用和操作费用，提高经济效益，在条件允许下常采用常压操作，因此本精馏设计选择在常压下操作。 3．1.5:进料热状态的选择 泡点进料时，塔的操作易于控制，不受环境影响。饱和液体进料时进料温度不受季节、气温变化和前段工序波动的影响,塔的操作比较容易控制。此外，泡点进料,提馏段和精馏段塔径大致相同,在设备制造上比较方便。冷液进塔虽可减少理论板数，使塔高降低，但精馏釜及提馏段塔径增大，有不利之处。所以根据设计要求,可采用泡点进料，q＝1。 3.1．６：加热方式 本次采用间接加热,设置再沸器 3.1.7:回流比的选择 选择回流比,主要从经济观点出发，力求使设备费用和操作费用最低，一般经验值为：Ｒ＝(1.2~2)Rｍｉn 经后面简捷法计算对应理论板数N时,可知,R=２Rmin时,理论板数最少，所以回流比选择为最小回流比的2倍。 符号说明：英文字母 Aa---- 塔板的开孔区面积，m2 A f---- 降液管的截面积, m2 A T----塔的截面积 m C----负荷因子无因次 C20----表面力为20mN/m的负荷因子 d o----阀孔直径 D----塔径 e v----液沫夹带量 kg液/kg气 E T----总板效率 R----回流比 R min----最小回流比 M----平均摩尔质量 kg/kmol t m----平均温度℃ g----重力加速度 9.81m/s2 F----阀孔气相动能因子 kg1/2/(s.m1/2) h l----进口堰与降液管间的水平距离 m h c----与干板压降相当的液柱高度 m h f----塔板上鼓层高度 m h L----板上清液层高度 m h1----与板上液层阻力相当的液注高度 m ho----降液管底隙高度 m h ow----堰上液层高度 m h W----溢流堰高度 m h P----与克服表面力的压降相当的液注高度m H-----浮阀塔高度 m H B----塔底空间高度 m H d----降液管清液层高度 m H D----塔顶空间高度 m H F----进料板处塔板间距 m H T·----人孔处塔板间距 m H T----塔板间距 m l W----堰长 m Ls----液体体积流量 m3/s N----阀孔数目 P----操作压力 KPa △P---压力降 KPa △Pp---气体通过每层筛的压降 KPa N T----理论板层数 u----空塔气速 m/s V s----气体体积流量 m3/s W c----边缘无效区宽度 m W d----弓形降液管宽度 m W s ----破沫区宽度 m 希腊字母 θ----液体在降液管停留的时间 s υ----粘度 mPa.s ρ----密度 kg/m3 σ----表面力N/m φ----开孔率无因次 X`----质量分率无因次 下标 Max---- 最大的 Min ---- 最小的 L---- 液相的 V---- 气相的 m----精馏段 n-----提馏段 D----塔顶 F-----进料板 W----塔釜 兰州交通大学毕业设计（论文） 年产3.0万吨二甲醚装 置分离精馏工段的设计 学院：化学与生物工程学院 专业：化学工程与工艺 年产3.0万吨二甲醚装置分离精馏工段的设计 摘要 随着社会的发展，能源问题日益成为人们所关注的热门话题，二甲醚作为燃料可代替液化石油气成为可能。二甲醚的合成技术来源主要有甲醇脱水法和一步直接合成法，甲醇脱水法有甲醇液相脱水法和甲醇气相脱水法。相比于甲醇合成法，一步合成法具有流程短、投资省、能耗低且可获得较高的单程转化率的优点。 制取二甲醚的最新技术是从合成气直接制取，相比较甲醇脱水制二甲醚而言，一步法合成二甲醚因为体系存在有未反应完的合成气以及二氧化碳，要得到纯度较高的二甲醚，分离过程比较复杂。合成气法现多采用浆态床反应器,其结构简单,便于移出反应热,易实现恒温操作，它可直接利用CO含量高的煤基合成气,还可在线卸载催化剂。本设计主要针对分离中的精馏工序进行工艺设计，分离二甲醚、甲醇和水三元体系。一步反应后产物分为气液两相，气相产物二甲醚被吸收剂吸收后送入解吸装置，液相甲醇、水进入甲醇分离系统对甲醇进行提纯，以便甲醇的再循环，部分二甲醚根据要求的纯度，从第二精馏塔加入。在设计过程中涉及到二甲醚分离塔的工艺计算包括物料衡算、热量衡算、操作条件等；设备的计算包括塔板数、塔高、塔径等；还有附属设备主要是换热器和泵的设计与选型。最后再通过流体力学演算证明各指标数据是否符合标准。 关键词：二甲醚合成分离三元体系精馏 Annual output of 30,000 tons of dimethyl ether distillation section in the design of separation device Abstract With the development of society, the energy problem has become the hot topic of concern, two ether as fuel can replace liquefied petroleum gas become possible. Two ether synthesis technology the main source of methanol dehydration method and one-step direct synthesis, methanol dehydration of methanol liquid-phase dehydration and methanol gas dehydration. Compared to methanol synthesis, one step synthesis化工原理甲醇—水连续填料精馏塔
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