甲醇-水分离连续精馏塔工艺流程

连续精馏塔课程设计说明书

题目名称:甲醇-水分离连续精馏塔工艺流程

系部：化学与环境工程系

专业班级：煤化11-7（民）班

学生姓名：阿布来提.吐鲁甫

学号： 2011232513

指导教师：李亮晨

完成日期:2014年6月15号至2014年7月10号

精馏是借助回流技术来实现高纯度和高回收率的分离操作，在抗生素药物生产中，需要甲醇溶媒洗涤晶体，洗涤过滤后产生废甲醇溶媒，然后对甲醇溶媒进行精馏。操作一般在塔设备中进行，塔设备分为两种，板式塔和填料塔。符合性能图，它对自行设计, 改进现有设备生产状况都较为重要。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。

关键词：精馏，填料塔，设备设计。

1、设计任务书 (5)

2、设计的方案介绍 (5)

2.1、操作压力的确定 (5)

2.2、板式塔的分类与要求 (5)

2.3、回流比的确定 (6)

3、工艺流程图及其简单说明 (6)

3.1、精馏塔的冷凝方式和加热 (6)

3.2、工艺流程图 (7)

4、精馏塔的工艺条件 (7)

5、精馏塔物料衡算 (8)

5.1、溢流装置的设计 (8)

5.2、甲醇摩尔分率的转换 (9)

5.3、塔板版面布置............................ 错误！未定义书签。

5.4、塔板校核 (10)

6、塔板负荷性能图............................ 错误！未定义书签。

6.1、漏液线 (12)

6.2、液体流量下限线 (12)

6.3、液体流量上限线 (12)

6.4、液沫夹带 (12)

6.5、液泛线 (13)

7、操作流程 (15)

8、设计评述 (16)

9、符号说明 (17)

10、参考文献 (19)

11、总结 (20)

新疆工程学院

课程设计评定意见

设计题目

系部_________________ 专业班级

学生姓名_________________ 学生学号

评定意见：

评定成绩：

指导教师（签名）：年月日

新疆工程学院

化学与环境工程系系(部)课程设计任务书

2013-2014学年2 学期2014年7月10日

教师（签名）系（部）主任（签名）年月

1、 设计任务书

甲醇散堆填料精馏塔设计

原料液状态

处理量：100=F kmol/h ，常温常压 ,塔顶温度为65℃，塔釜温度为93.5℃进料

浓度: 35.0=F x （甲醇的质量分数）,塔顶出料浓度： 95.0=D x （甲醇的质量分数）, 塔釜出料浓度：04.0=W x （甲醇的质量分数）,323=O H CH M kg/kmol

182=O H M kg/kmol

填料类型：DN25金属环矩鞍散堆填料

2、设计的方案介绍

2.1、操作压力的确定

在精馏操作中，压力的影响非常大。当压力增大的时候，混合液的相对挥发度减小，这样有可能会使得汽相和液相的组成越来越接近，分离越来越难；而当压力减小的时候，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，要充分考虑这两个方面的影响，我们一般采用的是常压精馏。如果在常压下无法完成操作，可以在一定条件下进行小幅度的减压或者增压来改变混合液的相对挥发度，实现精馏分离。对于甲醇—水二元混合物系统在常压的情况下，相对挥发度的差异很大，容易分离。因此在考虑多方面因素之后，本设计采用的常压精馏，即塔顶的操作压力控制在101.325kpa 下。

由于本设计精馏塔不是很高，故可近似忽略每层塔板的压降。在实际计算当中，将全塔近似看做是在恒压下操作。

2.2、板式塔的分类与要求

吸收和精馏都属于均相混合物分离过程的单元操作,都涉及气液两相间的质量与热量传递。工业上实现这一过程的主要设备为气液传质设备。气液传质设备的种类繁多，根据塔内气接触情况可分为两大类：一类是逐级接触式的板式塔，另一类是连续接触式的填料塔。

1）设备的生产能力和生产强度要大，后者指单位时间单位塔截面积上的处里量或气液流量

2）传质效率要高，板式塔的传质效率通常用塔板效率来衡量，填料塔则可用传质单元高度来表示。

3）流体阻力要小，指气体通过每层塔板或每米填料层高度的压降要小，此点对吸收填空精馏等操作尤为重要。

4）设备的操作弹性要大，指最大气速负荷与最小气速负荷之比要大，此值大小反映了塔对负荷变化的适应能力。

5）塔的结构简单，投资小。安装检修方便。

3.3、回流比的确定

塔顶回流是保证精馏塔连续稳态操作的必要条件之一，并且回流比是影响精馏分离设备投资费用和操作费用的重要因素，也影响混合液的分离效果。适宜的回流比是操作费用和设备费用之和为最低时候的回流比。通常适宜回流比的数值范围为： min )0.2~1.1(R R

3、工艺流程图及其简单说明

3.1、工艺流程简介

由贮槽流出的原料液经高压泵进入预热器预热到一定温度之后进入精馏塔，塔顶冷凝器将上升蒸汽冷凝成液体，其中一部分作为塔顶产品取出，另一部分重新引回塔顶作为回流液。最终甲醇产品再进入一个冷却器进行冷却后进入甲醇贮槽。塔釜设有再沸器。加热的液体产生蒸汽再次回到塔底，沿塔上升，同样在每层塔板上进行汽液两相的热质交换。塔釜的另一部分液体经过冷却器后排入下水道。加热蒸汽分为两路，分别进入预热器和再沸器作为加热介质。降温后的液体水或者是部分水蒸汽随管道排进下水道。同样，冷却水分为三路，分别进入冷凝器、甲醇产品的冷却器和塔釜的冷却器，充分换热均匀之后，全部排入下水道。

3.2、精馏塔的冷凝方式和加热方式

由于之前选择的冷却介质是水，甲醇和水不反应，容易冷凝，并且塔顶出来

的汽相温度不高，因此本设计选用全凝器。

加热方式分为直接蒸汽和间接蒸汽加热。本设计选用的是间接蒸汽加热。间接蒸汽加热是通过再沸器使釜液部分汽化，维持原来的浓度，重新再进入塔底。

3.3、工艺流程图

精馏的工艺流程图的确定

4、精馏塔的工艺条

在101.3kpa的总压下，甲醇和水的混合物系的x-y图是建立在汽液平衡数据下，表示的是不同温度下互成平衡的汽液两相组成y与x的关系。对于理想物系来看，汽相组成y恒大于液相组成x，因此相平衡线位于y=x对角线上方。平衡线偏离对角线越远，表示该溶液越容易分离。如果已知甲醇和水的混合物系的汽液平衡关系，即汽液平衡数据，则离开理论板的互成平衡、温度相等的汽液两相组成y n与x n之间的关系就可以确定。若知道由该板下降的液

x n 及由它的下一层塔板上升的汽相组成y n+1之间的关系，从而塔内各板的汽液相组成可逐板予以确定，从而便可以求得在指定分离条汽液平衡数据和汽液平衡相图。

甲醇和水二元混合物

汽液平衡数据

因此，在作精馏塔的设计过程中，甲醇和水汽液平衡数据是设计的基础。

5、精馏塔物料衡算

5.1、甲醇摩尔分率的转换

已知：100=F kmol/h 35.0=F x 95.0=D x

04.0=W x

323=O H CH M kg/kmol 182=O H M kg/kmol 解：1.3410004

.095.004

.003=?--=--=

F x x x x D W D W F kmol/h

h kmol RD L /2.681.342=?==

h kmol D R V /3.1021.34)12()1(=?+=+=

塔顶物料平均千摩尔质量为：

h kmol M x M x M B B A A D /3.311805.03295.0=?+?=+= 塔顶气相密度为：3/13.1)

65273(314.83

.313.101m kg RT PM D g =+??==

ρ 塔顶液相密度及表面张力近似按甲醇计算。20℃下甲醇的密度30/791m kg p =体积膨胀系数4102.12-?=β℃,计算可得65℃下甲醇的密度：

34

00/750)

2065(102.121791

)(1m kg t t L =-?+=-+=

-βρρ 65℃下甲醇的表面张力m N /0182.0=σ精馏段上升与下降的气液体积流量为

h m VM V g

D

g /283313

.13

.313.1023=?=

=

ρ

h m LM V L

D

L /846.2750

3

.312.683=?=

=

ρ

取,400mm H T = m h L 06.0=则分离空

间为34.006.04.0=-=-L T h H 气液动能参数为

026.013

.175********.2==g L g

L V V ρρ， 气体负荷因子20C 为0.071，因表面的张力的差异，气体负荷因子校正为

s m C C /070.00182.002.0071.002.02

.02

.020=??

?

??=

??

? ??=

σ

计算最大允许速率max u 为

s m C u g g L /8.113.113

.175007.0max =-=-=ρρρ

取空塔速率为最大允许速率的0.7倍，则空塔速率为

s m u u /26.18.17.07.0max =?== 取m u

V D g

892.026

.114.3787

.044=??=

=

π

所以根据标准塔径圆整为m D 1=

5.2、溢流装置的设计

塔截面积为222785.013.144

1

4m D A T =??==

π

根据m D l W 75.0175.075.0=?== 可取得75.0=D

l

W

11.0=T

f A A 即20864.0785.011.011.0m A A T f =?==

5.3、塔板版面布置

取m W m W c s 05.0,07.0==确定

18.0=D

W d

即 m D W d 18.0118.018.0=?==

()m W W D X s d 25.0)07.018.0(21

2=+-=+-=

m W D r S 45.005.02

1

2=-=-=

得22

22425.0)arcsin (2m r X r X r X A a =+-?= 筛孔正三角形排列，取孔径3,40

0==d t

mm d 得 开孔率 %1.10)(907.00

=?=t

d ? 筛孔数 339415.12

=?

=t A n a

筛孔总面积20043.0m A A a ==?

5.4、塔板校核

取板()

0702.02,

6.0,

6.00

0=-==f T A A A d d δ

δ确定孔流系数73.00=C .

s m A V u g /30.180

0==

计算a u ： s m A A V u f

T g a /29.12=-=

故气相动能因子 )./(37.15.05.05

.0s m kg u F g

a a ==ρ

确定充气系数62.0=β。

计算气体通过塔板的压降p h m h h h l d p 084.0=+=β

计算液体通过降液管的压降r h m h l V h w L r 5

2

01018.915.0-?=???

? ??= 计算降液管内清液层高度d H 相对密度.5.0=?

m h h h H r L p d 144.0=++=

m h H W

T 2265.02

=+ 计算液沫夹带量v e

干气

液体kg Kg h H A A V h H u e L T f T g f T

v /0366.05.2107.510

7.52

.36

2

.3'6=?????

? ??-??=???

?

??-??=---σ

σ液沫夹带量可以允许

计算克服液体表面张力的作用引起的压降计算液沫夹带量σh

m d h L 0025.081.940

==

ρσ

σ

计算液点气速ow u ()s m h h C u L

g

L ow /63.813.00056.04.40

=-+=ρ

ρσ

()25.112.2->==

ow

o

u u k 由塔板校结构可见，塔板结构参数选择基本合理，所设计的各项尺寸可用。

6、塔板负荷性能图

在操作范围内，任取几个Ls 值，依上式计算出Vs 的值，计算结果如下表 在负荷性能图上，作出操作点A ，连接OA ，即作出操作线。由图二可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为漏控制。由图查得

1) 漏液线是气相负荷下限线它表示塔板再严重漏液时气体流量与液体流量之

间的关系。图中a 线 。

2) 液体流量下限线液体流量愈低，则板上堰长W l 取得太大，板上液体流动严重不均匀，使塔板效率及刷下降。图中才C 线。

3) 液体流量下限线，液体流量超过此线，对于一定截面积高度的降液管，其液

体停低板效率。图像指d 线，

h m H A T f /5

~33600V 3L ?=

4) 过量液泡夹带线，气液流量超过此线时，将产生过量的液夹带使板效率严重

下降。图中b 线.

液泛线 当气液负何过大时， 降液管内泡未层高度有可能过高而引发液泛。 液泛线表示降液管中泡未层高度达到最大允许值时的气液负荷关系。气液负荷超过此线，测塔不能正常操作，图中e 线。

6.1、漏液线

第一点：液体流量h m V L /846.23=，

s m u ow /63.8=相应气体体积流量为：

h m A u V ow g /133630==

第二点：液体流量h m V L /103=

得04.1=E ,m h ow 016.0= 于是

m h h h ow w L 069.0=+= 对应液点气速为 s m u ow /09.9=

故 h m A u V ow g /140730==

6.2、液体流量下限线

0.00600284.0h 3

2=???

? ??=W

h

OW

L

L E 故 h m l E w /3.200284.0006.0V 33

2L =??? ??= 负荷性能图h m /3.2V 3L =处作直线，即为液体流量下限线2

6.3、液体流量上限线

液体停留时间为3s

h m H A T f /5.413

3600

V 3L =?=

负荷性能图h m /5.41V 3L =处作直线，即为液体流量下限线3

6.4 、液沫夹带

液沫夹带量，采用公式

1.0-107.5e 2

.36

-=???

?

???=

f

T a

L V h H u σ

()s m h H

f T

/52.1107.51.0u 2

.316'=-??

? ???=-σ

于是 ()

h m A A u f T /3823V 3'g =-= 第二点流体流量为m h h m L 069.0,/10V 3L ==

m h L 1725.05.2h f ==

()s m h H

f T

/38.1107.51.0u 2

.316'

=-?

?

? ???=-σ

()h m A A u f T /3470V 3'g =-=

可知液沫夹带量在设计范围

6.5 、液泛线

第一点为设计点,/846.2V 3L h m = 62.0,06.0h L ==βm ，

06.062.021h 2

00p ?+???

?

??=+=C u g h h L g L d ρρβ m 5r 1018.9h -?=

r L p d h h h 2265.0H =++=

已知73.0C 0=, s m /9.29u 0= 得

h m A u /4629V 300g ==

第二点为设计点 ,/10V 3L h m = m 069.0h L =

069.062.0h p ?+=+=d L d h h h β

m h l V w L 001135.0153.0h 2

0r =???

?

???=

2265.0001135.0069.0069.062.021H 200d =++++???

?

??=C u g L g ρρ 由上式解出0u 为 s m /8.27u 0= 塔板工作线h m A u /4303V 300g == 在负荷性能图上作出为 4.995846.22833==L g

V V 读出A,B 两点的纵坐标值即为()

min

g

V 和()

max

g

V ，并求出操作弹性：

操作弹性=

()()

78.12150

3825

min

max ==

g g V V