化工原理甲醇—水精馏塔设计

沈阳化工大学化工原理课程设计说明书

专业: 制药工程

班级：制药1102

学生姓名：黄奎兴

学号：11220223

指导老师：王国胜

设计时间：2014.5.20----2014.6.20

成绩：

化工原理课程设计任务书

设计题目：

分离甲醇-水混合液的填料精馏塔

二原始数据及条件

生产能力：年生产量甲醇1万吨（年开工300天）

原料：甲醇含量为30%（质量百分数，下同）的常温液体

分离要求：塔顶甲醇含量不低于95%，塔底甲醇含量不高于0.3%。

建厂地区：沈阳

三设计要求

（一）.一份精馏塔设计说明书，主要内容要求：

（1）.前言

（2）.流程确定和说明

（3）.生产条件确定和说明

（4）.精馏塔设计计算

（5）.主要附属设备及附件选型计算

（6）.设计结果列表

（7）.设计结果的自我总结与评价

（8）.注明参考和试用的设计资料

（9）.结束语

（二）．绘制一份带控制点工艺流程图。

（三）．制一份精馏塔设备条件图

四．设计日期：2013年5月20日至6月20日

前言

精馏塔分为板式塔和填料塔两大类。填料塔又分为散堆填料和规整填料两种。板式塔虽然结构较简单，适应性强，宜于放大，在空分设备中被广泛采用。但是，随着气液传热、传质技术的发展，对高效规整填料的研究，一些效率高、压降小、持液量小的规整填料的开发，在近十多年内，有逐步替代筛板塔的趋势。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。

精馏塔的优点：

归纳起来，规整填料塔与板式塔相比，有以下优点：

1)压降非常小。气相在填料中的液相膜表面进行对流传热、传质，不存在塔板上清液层及筛孔的阻力。在正常情况下，规整填料的阻力只有相应筛板塔阻力的1/5～1/6；

2)热、质交换充分，分离效率高，使产品的提取率提高；

3)操作弹性大，不产生液泛或漏液，所以负荷调节范围大，适应性强。负荷调节范围可以在30%～110%，筛板塔的调节范围在70%～100%；

4)液体滞留量少，启动和负荷调节速度快；

5)可节约能源。由于阻力小，空气进塔压力可降低0.07MPa左右，因而使空气压缩能耗减少6.5%左右；

6)塔径可以减小。

此外，应用规整填料后，由于当量理论塔板的压差减小，全精馏制氩可能实现，氩提取率提高10%～15%。

本文以甲醇和水的混合液为研究对象，因为甲醇和水在常压下相对挥发度较大，较易分离。根据物理性质，操作条件等因素条件下选用泡点进料，塔顶再沸器和塔顶回流的方式，将甲醇和水进行分离的填料精馏塔。

本课程设计者能力有限，在设计中难免会有不足之处，恳请老师和读者给予批评指正。

化工原理课程设计任务书 (2)

前言 (3)

符号说明 (7)

第一章流程与生产条件的确定和说明 (9)

第一节流程的确定和说明 (9)

一．加料方式 (9)

二．进料状况 (9)

三．塔顶冷凝方式 (9)

四．回流方式 (10)

五．加热方式 (10)

六．加热器 (10)

第二节生产条件确定和说明 (11)

一．塔内操作压力的选择 (11)

二．塔顶全凝剂的选择 (11)

三．塔底加热介质的选择 (11)

四．回流状态及操作回流比的选择 (11)

第二章精馏塔设计计算 (12)

一．操作压力的选择 (12)

二．气液平衡关系及数据 (12)

第三章塔板的工艺设计 (14)

第一节物料衡算 (14)

一．精馏塔全塔物料衡算 (14)

二．精馏塔物性数据计算 (15)

第二节热量衡算 (17)

一．冷凝器的热负荷 (17)

二．冷却介质消耗量 (18)

三．加热器的热负荷及全塔热量衡算 (18)

四.加热蒸汽消耗量 (21)

第三节精馏塔主要尺寸的设计 (22)

一．塔顶条件下的物性参数 (22)

二．塔釜条件下的流量及物性参数 (23)

三．进料条件下的流量计物性参数 (24)

四．精馏段的流量及物性参数 (26)

五．提馏段 (27)

第四章理论塔板的计算 (32)

一．回流比的计算 (32)

二．气液相负荷 (33)

三.塔板效率及实际塔板数 (33)

四塔径的初步设计 (35)

五．填料层的计算 (37)

第五章附属设备及主要附件的选型计算 (38)

一．冷凝器的选用 (38)

二、加热器的选用 (39)

三、塔内管径的计算及选择 (39)

四．除雾沫器 (42)

五.液体分布器的选取 (43)

六．塔斧设计 (44)

七．填料支撑板的选择 (45)

八．塔的顶部空间高度 (46)

第六章设计结果及个人总结 (47)

第七章自我评价与说明 (49)

第八章参考文献 (50)

符号说明

英文字母

T A 塔截面积 2m

C 计算max u 时的负荷系数，无因次 Co 流量系数，无因次

D 塔顶馏出物流量 kmol/s D 塔径 m

0d 阀孔直径 m

E 液流收缩系数，无因次

T E 总板效率（全塔效率），无因次

Fo 阀孔动能因数，)/(2/12/1m s kg ? F 进料流量 kmol/h G 重力加速度 2/s m H 塔高 m

h 浮阀的开度 m o h 降液管底隙高度 m L h 板上液层高度 m

σh 与克服表面张力的压强降相当的液柱高度，m 液柱 K 物性系数，量纲为1 Ls 塔内液体流量 h m /3 N 一层塔板上的浮阀总数 P N 实际板层数 T N 理论板层数 p ? 压强降 Pa p 操作压强 Pa R 回流比

min R 最小回流比 u 空塔气速 m/s

M 分子量 kg/mol

W 塔底产品（釜残液）流量 kmol/s x 液相中易挥发组分的摩尔分数 y 气相中易挥发组分的摩尔分数 Z 塔高 m 希腊字母

α 相对挥发度，量纲为1

θ 液体在降液管内停留时间 s

μ 黏度 s mPa ?

L ρ 液相密度 3/m kg V ρ 气相密度 3/m kg σ 液体表面张力 N/m ；

ψ 液体密度矫正系数，量纲为1

φ 系数，量纲为1； 填料因子 1/m 下标

max 最大 min 最小 L 液相 V 气相 1 精馏段 2 提馏段

A 易挥发组分

B 难挥发组分 F 原料液

第一章流程与生产条件的确定和说明

第一节流程的确定和说明

一．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，可以节省一笔动力费。但由于多了高位槽，建设费用也相应增加。采用泵加料，受泵的影响，流量不太稳定，流速也忽大忽小，从而影响了传质效率，但其结构简单，安装方便，如采用自动控制泵来控制泵的流量和流速，其控制原理较复杂，且设备操作费用高。

本次试验采用泵直接加料。

二．进料状况

进料状况一般有冷液进料、泡点进料。对于冷液进料，当组成一定时，流量一定，对分离不利，节省加热费用。但冷液进料受环境影响较大。对于沈阳地区来说，存在较大温差，冷液进料会增加塔底蒸汽上升量，增大建设费用。采用泡点进料，不仅对稳定塔操作较为方便，且不受季节温度影响。

综合考虑，设计上采用泡点进料。泡点进料时，基于恒摩尔流假定，精馏段和提馏段上升蒸汽的摩尔流量相等，故精馏段和提馏段塔径基本相等，制造上较为方便。

三．塔顶冷凝方式

塔顶冷凝采用全凝器，用水冷凝。甲醇和水不反应，且容易冷凝，故使用全凝器。塔顶出来的气体温度不高，冷凝后回流液和产品温度不高，无需进一

步冷却，此次分离是希望得到甲醇，选用全凝器符合要求。

四．回流方式

回流方式可分为重力回流或理量或塔板数较多时，回流冷凝器不易安装在塔顶。而且塔顶冷凝器不易安装、检修和清理。在这种情况下，可采用强制回流，塔顶上升蒸汽采用冷凝器冷却以回流流入塔中。

由于本次设计为小型塔，故采用强制回流。

五．加热方式

加热方式可采用间接蒸汽加热或直接蒸汽加热。直接蒸汽加热，蒸汽直接由塔底进入塔内。由于总组分是水，故省略加热装置。但在一定的回流比条件下，塔底蒸汽对回流液有稀释作用，使理论塔板数增加，费用增加。间接蒸汽加热是通过加热器使釜液部分汽化，维持原来的浓度，以减少理论塔板数，缺点是增加加热装置。

本次设计采用间接蒸汽加热。

六．加热器

采用U型管蒸汽间接加热器，用水蒸气作加热剂。因为塔较小，可将加热器放在塔内，即再沸器。这样釜液部分汽化，维持了原有浓度，减少理论塔板数。