甲醇—水连续填料精馏塔的设计

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： 化工工艺 学号： 指导老师：

2005年07月20日 目录 一、 前言 …………………………………………………………(3) 二、 工艺流程说明…………………………………………………(4) 三、 精馏塔的设计计算 1.由质量分率求甲醇水溶液的摩尔分率………………（5） 2.全塔物料衡算…………………………………………………（5） 3.采用图解法，求解RMin，R ……………………………………(5） 4.填料塔压力降的计算…………………………………………(6） 5.D、Z、P计算…………………………………………………（7） 6.计算结果列表 ………………………………………………（14） 四、 辅助设备的选型计算 7.储槽的选型计算…………………………………………… （15） 8.换热器的选型计算 …………………………………………（16） 9.主要接管尺寸的选型计算 …………………………………（19） 10.泵的选型计算 …………………………………………… （21） 11.流量计选取 ……………………………………………… （21） 12.温度计选取 ……………………………………………… （22） 13.压力计选取 ……………………………………………… （22） 五、 设备一览表 …………………………………………………（23） 六、 选用符号说明 ………………………………………………（24） 七、 参考文献 ……………………………………………………（25） 八、 结束语……………………………………………………… (25) 前 言 甲醇俗称木醇，木精，是一种大宗有机化学品，它不仅容易运输和储藏，而且可以作为很多有机化学品的中间原料。由它可以加工成的有机化学品有100余种，广泛用于有机合成、染料、医药、涂料和国防等工业。随着近年来技术的发展和能源结构的改变，甲醇开辟了新的用途。甲醇是较好的人工合成蛋白质的原料，目前，世界上已经有30万吨的甲醇制蛋白质的工业装置在运行。甲醇是容易运输的清洁燃料，可以单独或与汽油混合作为汽车燃料，从而开辟了由煤转换为汽车燃料的途径。用孟山都法可以将甲醇直接合成醋酸。随着近年来碳一化学工业的发展，甲醇制乙醇、乙烯、乙二醇、甲苯、醋酸乙烯、醋酐、甲酸甲酯和氧分解性能好的甲醇树脂等产品，正在研究开发和工业化中。此外，甲醇在工业应用和实验室中是十分重要的溶剂。许多反应在甲醇作为溶剂时产率非常好。虽然有一定的毒性，但相对于其它有机溶剂来说，还是比较安全的。 本次设计的精馏塔是用来分离回收甲醇的，所以塔釜排出的水中含有的甲醇含量不大于0.002％（wt％），以提高甲醇的回率，减少对环境的污染；塔顶得到的甲醇的浓度为98.5％（wt％），可以代替纯的甲醇直接使用，这说明塔的效率是很好的。采用填料式精馏塔，因为随着填料塔技术的不断完善，在性能上比板式塔要好很多，而且填料塔的结构比较简单，制造、维修难度和造价比板式塔低很多，所以选用填料塔，可以减少设计、制造、操作费用。也是符合实际生产需要的。 工艺流程说明 本次设计的精馏塔是用来分离回收甲醇的，要求回收甲醇的浓度达到98.5％，所采用的流程如图所示，含19%的原料液通过原料泵加压，再经过过滤器、原料预热器，再进精馏塔进行精馏分离，塔顶气相通过冷凝器冷凝，不凝气体放空。冷凝液一部分由回流泵压回塔内作为回流液，其余部分则作为产品输送到罐场包装。

塔形的选择： 具体选择塔型时，要根据被分离物料的性质和负荷，要求精馏过程的压力降、温度以及腐蚀程度等条件决定。目前主要有板式塔和填料塔两种。根据计算要求该塔分离效率高，压力降小，应采用填料塔。

填料塔与板式塔相比，具有一定的优点： （1） 生产能力大。板式塔内件的开孔率均在50%以上，而填料塔中的空隙率则超过90%，故单位塔截面积上，填料塔的生产能力一般均高于板式塔。 （2） 分离效率高。工业填料塔每米理论级大多在2级以上，最多可达10级以上，而常用的板式塔每米理论级最多不超过2级。研究表明，在减压和常压操作下，填料塔的分离效率明显优于板式塔。 （3） 压力降小。填料塔由于空隙率高，故其压降远远小于板式塔。一般情况下，板式塔的每个理论级压降约在0.4－1.1Kpa。填料塔约为0.01－0.27KPa。压降低能降低操作费用，节约能耗。 （4） 持液量小。填料塔持液量一般小于6%，而板式塔则高达8%－12%。持液量大，虽可稳定操作，但增长开工时间，增加操作周期及操作费用。 （5） 操作弹性大。填料对负荷变化的适应性很大，而板式塔的操作弹性一般很小。 （6） 填料塔塔内结构简单，耐腐蚀，且灵活，价廉。

目前工业上95%以上采用填料塔，只有当液体处理量特别大或有固体时，才采用板式塔。 主机（精馏塔）的设计计算 1.由质量分率求甲醇水溶液的摩尔分率： 1165.002.18/19.0104.32/19.004.32/19.0/1//BFAFAFFMaMaMax

9736.002.18/985.0104.32/985.004.32/985.0/1//BDADADDMaMaMax 001127.002.18/002.0104.32/002.004.32/002.0/1//BWAWAWWMaMaMax 求得各个物料的摩尔分率如下：

2.全塔物料衡算 F=平均分子量总生产时间年处理量1

45.298835.002.181165.004.32160607200000115000s

kgsmol/

则有：

1165.045.29W0.001127D97360.`45.29WDWxDxFxWDF

WDF 解得 W=25.956smol/ D=3.494smol/

3.采用图解法，求解RMin，R 甲醇－水溶液的平衡数据及部分数据。 温度 t/℃ 液相中甲醇 摩尔分数 xA 汽相中甲醇 摩尔分数 yA 温度 t/℃ 液相中甲醇 摩尔分数 xA 汽相中甲醇 摩尔分数 yA 100 0.0 0.0 75.3 0.40 0.729 96.4 0.02 0.134 73.1 0.50 0.779

物料 塔顶 进料 塔釜 摩尔分率 0.9736 0.1165 0.001127 93.5 0.04 0.234 71.2 0.60 0.825 91.2 0.06 0.304 69.3 0.70 0.870 89.3 0.08 0.365 67.6 0.80 0.915 87.7 0.10 0.418 66.0 0.90 0.958 84.4 0.15 0.517 65.0 0.95 0.979 81.7 0.20 0.579 64.5 1.0 1.0 78.0 0.30 0.665

由平衡数据在坐标纸上描点，画出甲醇－水溶液的x-y图 （附图在后）。 由图读知N=12-1=11 ，从塔顶算起第7块塔板为进料板，塔的理论塔板数为11。 原料泡点进料，故xq=xF=0.1165,从图可知yq=0.440，故有：

649.11165.0440.0440.09736.0qqqMinxyyxRD



对于指定的物系，RMin只取决于分离要求，即设计型计算中达到一定分离程度所需回流比的最小值，实际操作回流比应大于最小回流比。但增大回流比，起初显著降底所需塔板层数，设备费用明显下降。再增加回流比，虽然塔板层数仍可继续减少，但下降的非常慢。与此同时，随着回流比的加大，塔内上升蒸气量也随之增加，致使塔径、塔板面积、再沸器、冷凝器等设备尺寸相应增大。因此，回流比增至某一数值时，设备费用和操作费用同时上升，回流比的采用原则是使设备费用和操作费用的总费用最小。通常，适宜回流比的数值范围为R=（1.1~2.0）RMin。本设计中取R＝2RMin 。 R=2 RMin =2×1.649 =3.298 4. 填料塔压力降的计算 各组分的饱和蒸汽压由安托尼方程

CTBALnps 求得各组分的饱和蒸汽压的计算值： 塔顶的压力：109.5 kPa 塔釜的压力：（wt =103℃）

PaPA3874250 PaPB1120600

000225.0Ax 999775.0Bx ∴BBAAWxPxPP00 =Pa112370998873.0112060001127.0387425 所以精馏塔的压力降为：DWPPP =Pa2870109500112370 5. D、Z、P计算 5.1精馏段 5.1.1平均温度mt

料液泡点进料，取85Ft℃,假设67Dt℃，则精馏段平均温度 8567()762mt精℃

5.1.2平均分子量mM 塔顶：9736.01yxD ，由图可知1x0.950 mVMD

0.973632.04+（1-0.9736）18.02＝31.67kg/kmol

mLMD

0.95032.04+(1-0.950)18.02=31.34 kg/kmol

进料板： 1165.0Fx， 由图可知440.0Fy VFmM0.44032.04＋（1-0.440）18.02＝24.12kg/kmol LFmM0.116532.04+(1-0.1165)18.02=19.65kg/kmol

项目 安托尼方程常数 饱和蒸汽压 A B C 67℃ 103℃ 甲醇 11.9673 3626.55 -34.29 111025 387425 水 11.6834 3816.44 -46.13 27171.8 112060