甲醇水筛板式精馏塔工艺设计方案

新疆工业高等专科学校

课程设计任务书

班级石化10-5<3）班专业石油化工生产技术姓名吕志鹏日期2018-6-9

1、论文<设计）题目：甲醇-水筛板式精馏塔工艺设计

2、论文设计任务要求：

<1）学生应在教师指导下按时完成所规定的内容和工作量，最好是独立完成。

<2）选题有一定的理论意义与实践价值，必须与所学专业相关。

<3）主题明确，思路清晰。

<4）文献工作扎实，能够较为全面地反映论文研究领域内的成果及其最新进展。

<5）格式规范，严格按系部制定的论文格式模板调整格式。

<6）所有学生必须在5月15日之前交论文初稿。

3、论文<设计）日期：任务下达日期 2018.5.1

完成日期 2018.6.16

4、指导教师签字：

新疆工业高等专科学校

课程设计成绩评定

报告

课程设计答辩及综合成绩

甲醇-水精馏塔工艺设计

学号：2018232708 学生：吕志鹏

(新疆工业高等专科学校, 乌鲁木齐 830091>

摘要：

精馏是一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法，是工业上应用最广的液体混合物分离方法，广泛应用于石油、化工、食品、冶金等行业。精馏的基本原理是将液体混合物部分汽化，利用其中各组分挥发度不同的特性，实现分离目的的单元操作。

本设计选择板式精馏塔，塔板为筛板式，设计题目为甲醇-水板式精馏塔工艺设计。

关键词：甲醇-水，精馏，板式，筛板塔

目录

概述1

1.物料衡算3

1.1原料液及塔顶塔底产业品的摩尔分率3

1.2 物料衡算3

2.相对挥发度的计算及回流比的确定3

2.1 用内插法求塔顶进料塔釜的温度3

2.2 用内插法求3

2.3 相对挥发度的确定4

2.4 回流比的确定4

3.操作线的确定4

3.1 精馏塔内的气液相负荷4

3.2 精馏段操作线方程4

3.3 提馏段操作线方程4

4.塔板数的确定4

4.1 理论半数的确定4

4.2 实际塔板数的确定5

5.精馏塔主要尺寸的设计计算5

5.1 塔和塔板设计的主要依据和条件6

5.1.1 塔顶条件下的流量及物性参6

5.1.2 进料条件下的流量及物性参数7

5.1.3 精馏段的流量及物性参数8

6.空塔气速计算8

7.筛板塔工艺尺寸的计算9

7.1 塔的有效高度9

7.2 塔径与实际空塔气速9

7.3 溢流装置9

7.4 塔板分布10

7.5 筛孔计算及排列10

8.筛板的流体力学验算10

8.1 相关阻力的计算11

8.2 液沫夹带11

8.3 漏液12

8.4 液泡现象12

9.塔板负荷性能图12

9.1 漏液线12

9.2 液沫夹带线13

9.3 液相负荷下相线14

9.4 液相负荷上限线14

9.5 液泛线14

10.附录16

11.参考文献18

12.致谢19

概述

精馏塔是进行精馏的一种塔式气液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。

蒸馏的基本原理是将液体混合物部分气化,利用其中各组份挥发度不同<相对挥发度）的特性，实现分离目的的单元操作。蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。

气液传质设备的种类繁多，根据塔内气液接触情况可分为两大类：一类是逐级接触式的板式塔，一类是连续接触是的填料塔。逆流条件下传质平均推动力最大，因此这两类塔总体上都是逆流装置<填料塔可采用并流，但大多为逆流操作）。

板式塔通常由圆柱状的塔体及按一定间距水平设置的若干塔板构成，塔内气体在压差作用下由下而上，液体在自身重力作用下由上而下总体呈逆流流动。板式塔可分为有溢流堰式和无溢流堰式<又称穿流式）两大类。对于有溢流式板式塔，在这类塔中塔板上由溢流堰维持一定液层，实际气液接触过程是在一块块塔板上逐级进行的，总体逆流，但在每块塔板上气液呈错流流动，即从上方降液管流下的液体横向流过塔板，翻过溢流堰进入降液管再流向下层塔板，而气体则由下而上穿过板上横流的液层，在液层中实现气液相密切接触然后离开液层，在塔板上方空间汇合后进入上层塔板，每一块塔板相当于一个混合分离器，既要求上升气流与下降气流在板上充分接触，又要求经传质后的气液两相完全分离，各自进入相邻塔板。因此，塔板上的主要部件是气液接触部件和溢流部件，在有的塔型中还设置了促进气液分离的部件。

气液接触部件的任务是引导气流进入液层，并保证气液充分、均匀而良好的接触，形成大量的又是不断更新的气液传质界面，而且要使气液间最后能够较易分离。不同类型的塔板具有不同的气液接触部件，溢流部件主要是维持液体在板上和板间顺序而均匀地流动，保持板上一定的液层，为气液接触提供场所。不同类型塔板的溢流部件基本一致。

塔板上有组织的气液流动应当使气液两相间保持充分、均匀、有效而良好的接触。这是指：相间接触面积要大且具有较强的湍动；气液分布要均匀且能按总体逆流、板上错流的原因保持最大的传质推动力；理论和实践又指出传质表面的不断更新也有利于降低传质阻力，提高传质速率。努力达到这种理想状态是塔板设计和操作改进的下一个方向。

气体通过筛板时的速度不同，气液两相在塔板上的接触状况就不同。塔板上气液两相接触状态有三种状态：鼓泡接触状态、泡沫接触状态、喷射接触状态。对于鼓泡接触状态，当孔速很低时，气体以鼓泡形式穿过板上清液层，此

时塔板上的气泡数量很少，板上液层清晰可见，两相的接触面积为气泡表面，

液体为连续相，气体为分散相。因为气泡数量较少，气泡表面的湍动程度较低，因而传质阻力较大，传质表面积较小，表面更新率也低；对于泡沫接触状态，随着孔速的增大，气泡的数量增多并形成泡沫，此时气液两相的传质面积主要为面积很大的液膜，液体仍为连续相，气体仍为分散相。因为泡沫层的高度湍动，液膜和气膜不断发生破裂与并和又重新形成，为两相传质创造了良好的流动力学条件；而喷射接触状态，当孔速继续增加，动能很大的气体从筛孔喷出穿过液层，将板上的液体破碎成许多大小不等的液滴而抛向踏板上方空间，当液滴回落合并后再次被抛碎成液滴抛出。此时两相传质面积是液滴外表面，液体为分散相，气体为连续相。因为液滴多次形成与合并，使传质表面不断更新，为两相传质创造了较好的流体力学条件。因此，工业生产中气液两相接触一般为泡沫或喷射状态。

当一定物系在塔板结构尺寸已确定的塔内操作时，只有气体和液体的流量是可能变化的因素。对板式精馏塔而言，气液流量随进料量、进料热状况及回流情况不同而异，这些参数的变化直接影响到塔是否能够正常操作以及能否达到规定的分离要求。为了维持塔的正常操作，生产中必须将气液流量控制在一个由塔板结构条件所决定的许可范围内，这个范围就是塔板的负荷<操作）性能图限定的范围。负荷性能图是以气体的体积流量为纵坐标，液体的体积流量为横坐标，在直角坐标系里标绘，图中曲线包括两种：一种是气液流量的流体力学上下限；另一种是塔板工作线或实际负荷线。

气液流体的流体力学上下限是由塔板的结构条件决定的，它包括五条线：(1>漏液线，也称为气相负荷下限线，它表示塔板在严重漏液时的气体流量与液体流量之间的关系，当气体流量低于此线时，将发生严重的漏液。<2）液体流量下限线，当 m时板上液体流动严重不均匀，使塔板效率急剧下降。(3>液体流量上限线，对于一定截面积和高度的降液管，其液体停留时间太短，气泡来不及分离，造成气泡夹带返混，严重时可能导致降液管内液泛，从而降低板效率。<4）过量液沫夹带线，气液流量超过此线时，将产生过量的液沫夹带，使板效率严重下降。液体流量越大，板上清液层与泡沫层高度越高，就越会增加液沫夹带,引起过量液沫夹带的气体量将有所降低。<5）液泛线，当气液负荷过大时，降液管内泡沫层高度有可能过高而引发液泛。液泛线表示降液管中泡沫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，则

塔不能正常操作。

塔板工作线或实际负荷线是由操作要求决定的气液流量关系线。实际气液流量的变化必落在这条直线上，塔板工作线与流体力学上下限比有两个交点，此两交点纵坐标的最大值与最小值之比即为操作弹性，操作弹性打，其操作范围大

即允许的气液负荷变化范围就大，说明塔的适应能力强。

1.物料衡算

1.1原料液及塔顶塔底产业品的摩尔分率

甲醇的摩尔质量水的摩尔质量

1.2 物料衡算

原料处理量

总物料衡算甲醇物料衡算

2.相对挥发度的计算及回流比的确定2.1 用内插法求塔顶进料塔釜的温度

塔顶温度

进料温度

塔釜温度

2.2 用内插法求

精馏段的平均温度

得

提馏段的平均温度

得

2.3 相对挥发度的确定

将分别代入得

故

2.4 回流比的确定

因为泡点进料所以把代入

得则

取操作回流比为

3.操作线的确定

3.1 精馏塔内的气液相负荷

3.2 精馏段操作线方程

3.3 提馏段操作线方程

4.塔板数的确定

4.1 理论半数的确定

有逐板计算法计算板数及相应的组成如下表4-1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

0.950 0.886 0. 799 0.716 0.659 0.556 0.403 0.241 0.120 0.052 0.019

0.816 0.645 0.482 0.371 0.311 0.226 0.136 0.069 0.031 0.013 0.0045

4.2 实际塔板数的确定

全塔的平均温度：

利用内插法计算：

甲醇：

水：

利用内插法计算：

全部塔效率：

实际塔板数:

5.精馏塔主要尺寸的设计计算5.1 塔和塔板设计的主要依据和条件

5.1.1 塔顶条件下的流量及物性参

塔顶液相平均相对分子质量：

利用内插法求:

塔顶气相平均相对分子质量：

气相密度：

用内插法可以求得液相的密度、黏度和平均表面张力：液相密度：

液相黏度：

液相表面张力：

5.1.2 进料条件下的流量及物性参数

进料液相平均相对分子质量：

利用内插法求：

进料气相平均相对分子质量：

气相密度：

里用内插法可以求得液相的密度、黏度和平均表面张力：液相密度:

液相黏度：

5.1.3 精馏段的流量及物性参数

气相平均相对分子质量

液相平均相对分子质量

气相密度

液相密度

液相黏度

液相平均表面张力

6.空塔气速计算

则

取塔板间距板上液层高度那么分离空间

从史密斯关联图查得因为

因为适宜的空塔气速公式

因此需要先计算出最大允许空速

取安全系数为0.7则空塔气速为

7.筛板塔工艺尺寸的计算

7.1 塔的有效高度

在进料板上方开一人孔高度为0.8故精馏塔的有效高度为10.5+0.8=11.3

7.2 塔径与实际空塔气速

按标准塔径圆整后为

实际空塔气速

7.3 溢流装置

堰长取

溢流堰高度因为选用平直堰

弓形降液管宽度和面积由查弓形降液管参数图得

故由

式可以计算出液体在降液管中停留时间

降液管底隙高度取

则

故降液管底隙高度设计合理

7.4 塔板分布

塔板布置因故塔板采用分块式查表得塔块分为4块边缘区宽度

的确定取

开孔区面积计算：

7.5 筛孔计算及排列

甲醇-水物系无腐蚀性故可用碳钢板取筛孔直径筛孔按正三角形排列取孔中心距

筛孔数目：个

开孔率：

气体通过阀孔的气速为：

8.筛板的流体力学验算

8.1 相关阻力的计算

干板阻力的计算即由查干筛孔的流量系数图得

气体通过液层的阻力由计算

查充气系数关联图得

液体表面张力的阻力计算

气体通过每层塔板的液柱高度

气体通过每层塔板的压降为

8.2 液沫夹带

液沫夹带量：

故在设计中液沫夹带量在允许的范围内

8.3 漏液

对筛板塔漏液点气速可由公式计算得：

实际孔速：

稳定系数：

故在本设计中无明显漏液

8.4 液泡现象

为防止塔内发生液泛降液管由液层应服从甲醇-水物系属一般物系取则

而板上不设进口堰可由公式计算得

故在本设计中不会发生液泡现象

9.塔板负荷性能图

9.1 漏液线

由

在操作范围内任取几个值依上式计算出值计算结果

9.2 液沫夹带线

以

在操作范围内任取几个值依上式计算出值计算结果列于表9-2中

图9-2 Ls—Vs关系图

0.0006 0.0015 0.0030 0.0045

3.4106 3.2262 3.0807 2.9215 由上表数据即可作出液沫夹带线2.

9.3 液相负荷下相线

对于平直堰，取堰上液层高度作为最小液体负荷标准

取则

据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线3

9.4 液相负荷上限线

以作为液体在降液管中停留时间的下限

故

据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线4.

9.5 液泛线

令

由

联立得

忽略将,,关系式代入上式并整理得

式中

将有关数据代入得

故：

在操作范围内任取几个值依上式计算出值计算结果

表9—3 Ls—Vs关系图

0.0006 0.0015 0.0030 0.0045

2.49 2.4267 2.3172 2.1945 由上表数据即可作出液泛线.

10.附录

表10-1符号表示

A—塔板开孔区面积m； A—奖液管截面积m

A—筛孔总面积m； A—塔截面积m

d—筛孔直径，m D—塔径，m； e—液沫夹带量kg(液>/kg(气> E—液流收缩系数 E—总板效率

F—气相动能因子，kg /(s m>。

h—与板上液层阻力相当的液柱高度，m

h—板上清液层高度，m； h—降液管的底隙该度，m

h—堰上液层高度，m； h—出口堰高度，m

h —与克服的压降相当的液柱高度，m

H——塔底空间高度；m H——降液管内清液层高度, m

H——塔顶空间高度,m H——塔板间距，m K ——稳定系数 L——堰长，m L——液体体积流量，m/s n——筛孔数目

△P——气体通过每层筛板的压降，Pa

r——鼓泡区半径，m t——筛孔的中心距，m

u——空塔气速，m/s U——泛点气速。m/s

U——气体通过筛孔的速度。

m/s U——漏液点气速。m/s

V——气体体积流量，m /s W——液体质量流量 kg/s W——气体质量流量，kg/s W——边缘无效区宽度，m

W——边缘区宽度，

m W——安定区宽度，m

表10-2甲醇标准温度下气液相摩尔分数

甲醇摩尔分数温度/C 甲醇摩尔分数温度/C