合肥工业大学(宣城校区)化工原理课程设计说明书-分离甲醇、水混合物的板式精馏塔设计概论

课程设计设计题目分离甲醇、水混合物的板式精馏塔设计学生姓名学号专业班级指导教师姚运金2015年7月3日合肥工业大学课程设计任务书目录摘要 (1)绪论 (2)一、板式精馏塔设计流程说明 (3)（一）设计方案的确定 (3)1、装置流程的确定 (3)2、操作压力的选择 (3)3、进料状况的选择 (4)4、加热方式的选择 (4)5、回流比的选择 (4)（二）塔板的类型与选择 (5)1、泡罩塔 (5)2、筛板塔 (5)3、浮阀塔 (5)二、板式精馏塔的设计计算 (6)（一）精馏塔全塔物料衡算 (6)（二）回流比和塔板数的确定 (7)（三）灵敏度分析 (10)（三）用详细计算模块（RadFrac）进行计算 (13)三、塔和塔板主要工艺尺寸计算 (20)（一）塔径 (20)（二）溢流装置 (26)（三）塔板布置 (29)（四）筛孔数目与开孔率 (30)（五）塔的有效高度 (31)（六）塔的实际高度的算 (31)四、筛板的流体力学计算 (32)（一）气体通过筛板压降相当的液柱高度 (32)（二）雾沫夹带量的验算 (33)（三）漏液计算 (33)（四）液泛验算 (34)五、塔板的负荷性能图 (35)（一）精馏段 (35)1、雾沫夹带线（1） (35)2、液泛线（2） (36)3、液相负荷上限线（3） (37)4、漏液线（气相负荷下限线）（4） (37)5、液相负荷下限线（5） (38)（二）提馏段 (39)1、雾沫夹带线（1） (39)2、液泛线（2） (39)3、液相负荷上限线（3） (41)4、漏液线（气相负荷下限线）（4） (41)5、液相负荷下限线（5） (41)六、附属设备设计及接管尺寸 (43)（一）冷凝器的选择 (43)（二）再沸器的选择 (44)（三）泵的选择 (44)（四）接管尺寸 (46)（五）法兰、封头、裙座等 (48)（六）强度设计 (50)七、设计小结 (58)八、参考文献 (59)九、心得体会 (60)摘要:现要求设计一筛板式精馏塔，年产量10万吨的甲醇-水的分离系统，其中料液的甲醇质量分数40%，设计要求馏出液中甲醇的质量分数不少于98%，残液中甲醇质量分数小于0.05%。

通过aspen模拟，确定最小回流比1.01332，进而确定操作回流比1.10914；进行相关计算，得到理论塔板数24和全塔板效率48.18%，进而得到实际塔板数50，进料板位置为第30块塔板,由设计要求计算确定塔相关工艺尺寸（塔高36.954米，塔径2.4米）；此外根据精馏塔工作环境，进行流体力学性能验算，绘制负荷性能图，对整项设计安排整理总结，画出此筛板式精馏塔。

关键词:甲醇-水；筛板式精馏塔设计；aspen模拟；回流比；塔板数；负荷性能图绪论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单元操作。

广泛应用于炼油、化工、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，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。

一、板式精馏塔设计流程说明板式塔的类型有很多，但其设计原则基本相同。

一般来说，板式塔的设计步骤大致如下：①根据设计任务和工艺要求，确定设计方案；②根据设计任务和工艺要求，选择塔板类型；③确定塔径、塔高等工艺尺寸；④进行塔板设计，包括溢流装置的设计、塔板的布置、升气道（泡罩、筛孔或浮阀等）的设计及排列；⑤进行流体力学验算；⑥绘制塔板的负荷性能图；⑦根据负荷性能图，对设计进行分析，若设计不够理想，可对某些参数进行调整，重复上述设计过程，一直到满意为止。

（一）设计方案的确定1、装置流程的确定蒸馏装置包括原料预热器、精馏塔、塔底再沸器、塔顶冷凝器、釜液冷却器、塔顶产品冷却器等设备。

蒸馏过程按照操作方式的不同，可以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、产品质量稳定的优点，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，适合小规模、多品种或多组分物系的初步分离。

蒸馏是通过物料在塔内的多次部分汽化与多次部分冷凝实现分离的，热量自塔釜输入，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。

在此过程中，热能利用率很低，为此，在确定装置流程时应该考虑余热的利用。

譬如，用原料作为塔顶产品（或釜液产品）冷却器的冷却介质，既可将原料预热，又可节约冷却介质。

另外，为保持塔的操作稳定性，流程中除用泵直接送入塔内，原料也可采用高位槽送料，以免受泵操作波动的影响。

塔顶冷凝器装置可采用全凝器、分凝器-全凝器两种不同的设置。

工业上以采用全凝器为主，以便于准确控制回流比。

塔顶分凝器对上升的蒸汽有一定的增浓作用，若后续装置用气态物料。

则宜用分凝器。

总之，确定流程时，要较全面、合理地兼顾设备费用、操作费用、操作控制及安全诸因素。

2、操作压力的选择蒸馏过程按操作压力不同分为常压蒸馏、减压蒸馏和加压蒸馏。

一般，除热敏性物系外，凡通过常压蒸馏能达到分离要求，并能用江河水或循环水将馏出物冷凝下来的物系，都应采用常压蒸馏；对热敏性物系或者混合物泡点过高的物系，则宜采用减压蒸馏；对常压下馏出物的冷凝温度过低的物系，需提高塔压或者采用深井水、冷冻盐水作为冷却剂；而常压下呈气态的必须采用加压蒸馏。

本次课程设计的分离体系是甲醇-水体系，采用常压操作。

3、进料状况的选择蒸馏操作有5种进料状况，进料状况不同，会影响塔内各层塔板的气、液相负荷。

工业上多采用接近泡点的液体进料和饱和液体（泡点）进料，通常用釜残液预热原料。

若工艺要求减少塔釜的加热量，以避免釜温过高，料液产生聚合或结焦，则应采取气态进料。

本次课程设计中采取泡点进料的进料方式。

4、加热方式的选择蒸馏大多采用间接蒸汽加热，设置再沸器。

有时也可采用直接蒸汽加热，例如蒸馏釜残夜中的主要组分是水，且在低浓度下轻组分的相对挥发度较大时（如乙醇和水的混合液）宜用直接蒸汽加热，其优点是可以利用压力较低的加热蒸汽以节省操作费用，并省掉间接加热设备。

但由于直接蒸汽的加入对釜内溶液起一定的稀释作用，在进料条件和产品纯度、轻组分收率一定的前提下，釜液浓度相应降低，故需要在提馏段增加塔板已达到生产要求。

本次课程设计的分离体系是甲醇-水体系，我们采用间接蒸汽加热的加热方式。

5、回流比的选择回流比是精馏操作的重要工艺条件，其选择原则是使设备费用和操作费用之和最低。

如下图。

图1-1 最佳回流比图而在本次课程设计中，我们借助Aspen化工模拟软件，通过其软件包内的简捷设计模块（DSTWU）进行设计计算。

设计中，给定相应的设计参数，通过模拟计算，最终计算出不同理论板数下的回流比，并绘制出回流比-理论板数关系曲线。

在曲线斜率绝对值较小的区域选择最佳回流比。

（二）塔板的类型与选择1、泡罩塔泡罩塔是19世纪初随工业蒸馏建立而发展起来的，属于最早流行的结构。

塔板上的主要部件是泡罩。

它是一个钟形的罩，支在塔板上，其下沿有长条形或椭圆形小孔，与板面保持一定距离。

罩内覆盖着一段很短的升气管，升气管的上口高于罩下沿的小孔或齿逢。

塔板下方的气体经升气管进入罩内之后，折向下到达罩管之间的环形空隙，然后从罩下沿的小孔或齿逢分散成气泡而进入板上的液层。

泡罩塔操作稳定，操作弹性好，能正常操作的最大负荷与最小负荷之比达4~5。

但是，由于它的构造比较复杂，造价高，阻力（变现为气体通过每层板的压降）亦大，而气、液通量和板效率却比其他类型板式塔为低，已逐渐被其他型式的塔所替代。

然后，由于它的使用历史长，对它研究得比较充分，设计数据也积累得较为丰富，故要求可靠性高的场合中仍在使用。

2、筛板塔筛板与泡罩的差别在于取消了泡罩与升气管，而直接在板上开有很多小直径的孔—筛孔。

操作时气体通过小孔上升，液体则通过降液管流到下一层板。

分散成泡的气体使板上液层形成强烈湍动的泡沫层。

筛板塔结构简单，制造维修方便，造价低，板上液面落差小，气体压降低，生产能力较大，相同条件下生产能力高于浮阀塔，塔板效率接近浮阀塔。

其缺点是稳定操作范围窄，筛孔易堵塞，不适宜处理粘性大的、易结焦的和带固体粒子的物料。

但设计良好的筛板塔仍具有足够的操作弹性，对易引起堵塞的物系可采用大孔径筛板。

3、浮阀塔浮阀塔板是在泡罩塔板和筛板塔板的基础上发展起来的，它吸收了两种塔板的优点。

其结构特点是在塔板上开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可以上下浮动的阀片。

气体从浮阀周边水平地进入塔板上的液层，浮阀可根据气流流量的大小而上下浮动，自行调节。

浮阀的类型很多，国内常用的有F1型、V-4型及T 型等，其中以F1型浮阀应用最为普遍。

浮阀塔板的优点是结构简单、制造方便、造价低；塔板开孔率大，生产能力大；由于阀片可随气量变化自由升降，故操作弹性大；因上升气流水平吹入液层，气液接触时间较长，故塔板效率较高。

其缺点是处理易结焦、高粘度的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使得塔板效率和操作弹性下降。

在本次“精馏塔设计”中，综合考虑利弊，选择了筛板塔。

二、板式精馏塔的设计计算（一）精馏塔全塔物料衡算F ：进料量/kmol s ， ：原料中甲醇的含量（摩尔分数，下同） D ：塔顶产品流量/kmol s ， D x ：塔顶轻组分组成W ：塔底残夜流量/kmol s ， W x ：塔底轻组分组成原料中甲醇含量：塔顶产品中甲醇含量：塔底残夜中甲醇含量：塔顶产品流量：物料衡算式：联立方程求解：40/32.040.272740/32.0460/18.02F x ==+98/32.040.965098/32.042/18.02D x ==+0.05/32.040.00028130.05/32.0499.95/18.02W x ==+()10000010000.98/32.040.02/18.020.1223 /300243600D kmol s ⨯⨯+==⨯⨯F D W =+0.1223F W =+0.4331 /F kmol s=F x F D W Fx Dx Wx =+0.27270.96500.12230.0002813F W =⨯+0.2371 /W kmol s=（二）回流比和塔板数的确定（Aspen简捷模块设计计算）通过ASPEN化工模拟软件中的简捷模块（DSTWU）对精馏塔进行简捷计算，根据给定的加料条件和分离要求计算最小回流比、最小理论板数、理论板数和加料板位置。