课程设计模板(32页).doc

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1、-课程设计模板-第 26 页年处理量六万吨甲醇-水板式精馏塔的工艺设计摘 要精馏是利用混合液中各组分间挥发度的差异，通过多次部分汽化，部分冷凝实现液体混合物分离，并获得高纯度产品的一种操作。板式塔可以分为泡罩塔、筛板塔、浮阀塔等。根据板上气液接触方式，设计采用浮阀塔。浮阀塔具有以下特点：1.处理能力大；2.操作弹性大；3.使用周期长；4.结构简单。设计任务为分离甲醇和水混合物。对于二元混合物的分离，应采用常压下的连续精馏装置。设计采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送入储罐。该物系属易分

2、离物系，最小回流比较小，操作回流比取最小回流比的1.5倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。关键词：甲醇 精馏塔 浮阀塔 工艺设计目 录前 言1第1章 绪论2第1.1节 研究有关背景2第1.2节 研究内容3第1.3节 工艺分析6第1.4节 影响精馏塔精馏操作的因素9第1.5节 工艺流程简介11第2章 精馏塔的设计计算12第2.1节 设计任务和条件12第2.2节 设计方案的确定12第2.3节 精馏塔的物料衡算12第2.4节 塔板数的确定14第2.5节 热量衡算17第2.6节 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算19第2.7节 精馏塔塔体工艺尺寸计算22第2.8节 塔板主要工艺尺寸计

3、算24第2.9节 塔板流体力学验算26第2.10节 塔板负荷性能图29第3章 塔附件设计33第3.1节 接管进料管33第3.2节 法兰33第3.3节 筒体与封头33第3.4节 人孔34结 论35附 表37参考文献39致 谢41前 言甲醇最早由木材干馏而得，故称木精。甲醇为无色液体，易燃，爆炸极限6.036.5（体积）。有毒性，甲醇蒸汽与眼接触可引起失明，饮用亦可致盲。甲醇用途很广，主要用来制备甲醛以及在有机合成工业中用作甲基化剂和溶剂，也可加加入汽油或单独用作汽车或飞机的燃料1。 甲醇是基本有机原料之一。主要用于制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲胺和硫酸二甲酯等多种有机产品。甲醇是重要的燃料，可掺入汽

4、油作替代燃料使用。20世纪80年代以来，甲醇用于生产汽油辛烷值添加剂甲基叔丁基醚、甲醇汽油、甲醇燃料，以及甲醇蛋白等产品，大大促进了甲醇生产的发展和市场需要；甲醇已经作为F1赛车的燃料添加剂使用，也广泛应用于甲醇燃料电池中。甲醇为重要的化工原料，主要用作防冻剂、萃取剂、橡胶加速剂，亦可作染料、树脂、人造革、火漆薄膜、玻璃纸、喷漆等的溶剂以及油漆、颜料去除剂、有机合成的中间体等，甲醇制烯烃的技术最近也取得了一定进展。甲醇还是一种清洁的燃料，除了直接掺入汽、柴油作为燃料外，燃料电池技术正越来越受到人们的关注。精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，在化工、炼油、石油化工等工业中具有广泛的应用。精

5、馏过程在能量计的驱动下，使气，液两相多次直接接触和分离，利用液相混合物中各相组分挥发度的不同，使易挥发组分由液相向气相转移，难挥发组分由气相向液相转移。实现原料混合物中各组成成分的分离过程是同时进行传质传热的过程2。第1章 绪论第1.1节 研究有关背景精馏概念利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的回流，使气、液两相逆向多级接触，在热能驱动和相平衡关系的约束下，使得易挥发组分（轻组分）不断从液相往气相中转移，而难挥发组分(重组分)却由气相向液相中迁移，使混合物得到不断分离，该过程被称为精馏3。精馏原理料液自塔的中部某适当位置连续的加入塔内，塔顶设有冷凝器将塔顶蒸汽冷凝为液体。冷凝液的

6、一部分回流入塔顶，称为回流液，其余部分作为塔顶产品（馏出液）连续排出。在塔内上半部（加料位置以上）上升蒸汽和回流液体之间进行着逆流接触和物质传递。塔底部装有再沸器（蒸馏釜）以加热液体产生蒸汽，蒸汽沿塔上升，与下降的液体逆流接触并进行物质传递，塔底连续排出部分液体作为塔底产品。在塔的加料位置以上，上升蒸汽中所含的重组分向液相传递，而回流液中的轻组分向气相传递。如此物质交换的结果，使上升蒸气中轻组分的浓度逐渐升高。只要有足够的相际接触表面和足够的液体回流量，到达塔顶的蒸气将成为高纯度的轻组分。塔的上半部完成了上升蒸汽的精制，即除去其中的重组分，因而称为精馏段。在塔的加料位置以下，下降液体（包括回流

7、液和加料中的液体）中的轻组分向气相传递，上升蒸气中的重组分向液相传递。这样，只要两相接触面和上升蒸气量足够，到达塔底的液体中所含的轻组分可降至很低，从而获得高纯度的重组分。塔的下部完成了下降液体中重组分的提浓即提出了轻组分，因而称为提馏段。一个完整的精馏塔应包括精馏段和提馏段，在这样的塔内可将一个双组分混合物连续地、高纯度地分离为轻、重两组分4。化工厂中精馏操作是在直立圆形的精馏塔内进行的。塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填料。尽管塔板的形式和填料的种类很多，但塔板上的液层和填料表面都是气液两相进行热交换和质交换的场所5。1.1.3发展前景精馏是一种广泛使用的分离方法6。鉴于塔设备在炼油和石

8、化工业中的作用、重要地位和当今我国石化工业面临的形势，按照塔内件研究的历史发展规律，结合我国塔设备操作现状和现有塔内件的技术水平，提出现阶段和未来的塔内件开发方向可以从三个主要方面拓展。即：塔内件现阶段实用技术的发展；塔内件储备技术的开发；大型塔设备的应用基础研究及科学化塔内件设计技术基础研究。设备科学化设计是未来塔设备的发展方向，现有经验设计技术难以适应未来塔设备科学化设计的要求，因此需要开展科学化塔内件设计技术的技术储备7。第1.2节 研究内容1.2.1性状及功能纯甲醇为无色透明略带乙醇气味的易挥发液体，沸点65，熔点-97.8，和水相对密度0.7915。甲醇能和水以任意比互溶，但不形成共

9、沸物，能和多数常用的有机溶剂(乙醇、乙醚、丙酮、苯等)混溶，并形成恒沸混合物。甲醇剧毒，内服10ml有失明危险， 30ml能导致人死亡，空气中允许最高甲醇蒸汽浓度为0.05mg/h。易燃烧，其蒸汽能和空气形成爆炸性混合物，爆炸极限6.036.5(体积)8。甲醇具有上述多种重要的物理化学性质，使它在许多工业部门得到广泛的用途，特别是由于能源结构的改变，和碳一化学工业的发展，甲醇的许多重要的工业用途正在研究开发中。例如甲醇可以裂解制氢，用于燃料电池，日益引人注目。甲醇通过ZMS-5分子筛催化剂转化为汽油已经工业化为固体燃料转化为液体燃料开辟了捷径。甲醇加一氧化碳加氢可以合成乙醇。又如甲醇可以裂解制

10、烯烃。这对石油化工原料的多样化，面对石油资源日渐枯竭对能源结构的改变，具有重要意义。甲醇化工的新领域不断地被开发出来其广度和深度正在发生深刻的变化。工业甲醇的用途十分广泛，不仅可以作为许多有机物的良好溶剂，而且还可用于合成纤维、甲醛、塑料、医药、农药、染料、合成蛋白质等工业生产，是一种基本的有机化工原料。甲醇和汽油（柴油）或其它物质可混合成各种不同用途的工业用或民用的新型燃料，甲醇和汽油混合可作为燃料用于运输业。水是由氢、氧两种元素组成的物质，一般无毒。在常温常压下为无色无味的透明液体，是人类生命的源泉。水是地球上最常见的物质之一，是包括无机化合、人类在内所有生命生存的重要资源，也是生物体最重

11、要的组成部分。水在生命演化中起到了重要作用。它是一种狭义不可再生的资源，广义再生资源。对于人来说，水是仅次于氧气的重要物质。对人体具有以下功能：（1）溶解消化功能；（2）参与代谢功能；（3）载体运输功能；（4）调节抑制功能；（5）润滑滋润功能；（6）稀释和排毒功能。表1.1 甲醇9和水10的物性甲醇水化学式结构简式性状透明，无色，纯品清淡，类似乙醇；粗品刺激难闻透明，无色，无味分子量32.0418.02密度792（20）1000（4）熔点-97.5沸点64.7100溶解性易溶1.2.2工艺流程精馏就是通过多级蒸馏，使混合气液两相经多次混合接触和分离，并进行质量和热量的传递，使混合物中的组分达到

12、高程度的分离，进而得到高纯度的产品。反应精馏可以减少某些系统的能源成本11。甲醇和水混合液经进料管由精馏塔中的进料板处流入塔内，开始精馏操作；当釜中的料液建立起适当液位时，再沸器进行加热，使之部分汽化返回塔内。气相沿塔上升直至塔顶，由塔顶冷凝器将其进行全部或部分冷凝。将塔顶蒸汽凝液部分作为塔顶产品取出，称为馏出物。另一部分凝液作为回流返回塔顶。回流液从塔顶沿塔流下，在下降过程中与来自塔底的上升蒸汽多次逆向接触和分离。当流至塔底时，被再沸器加热部分汽化，其气相返回塔内作为气相回流，而其液相则作为塔底产品采出3。流程如下：图1.1 精馏塔流程1.2.3精馏塔的常规工艺条件变化在操作压力不变的情况下

13、，提高塔釜温度，则使塔内液相中易挥发的组份减少，上升蒸汽的速度增大，从而提高传质效率。若由塔顶得到产品，则塔釜排出难挥发物中易挥发组份减少；若塔釜排出物为产品，则可提高产品质量，但塔顶排出的易挥发组份中夹带的难挥发组份增多，故损失增大。在平衡操作中，釜温突然升高，当来不及调整相应的压力和温度时，必然导致塔釜液被蒸干，压力升高。这时，塔内重组份容易被蒸到塔顶，使塔顶产品不合格。在操作温度一定的情况下，提加压可提高塔的生产力，使操作稳定，但在塔釜产品中易挥发组份的含量则会增加。精馏操作中常常规定了操作压力的调节范围。当由于外界因素而使操作压力受到影响时，塔的正常操作就会被破坏。当进料温度低于加料板

14、上的温度时，加入的物料全部进入提馏段，使提馏负荷增加，塔釜消耗蒸汽量增加，塔顶难挥发组份降低。饱和蒸汽进料，则进料温度高于加料板上的温度，加入的物料全部进入精馏段，提馏段的负荷减少，精馏段的负荷增加，会使塔顶产品质量降低。加料量的变化直接影响到蒸汽量，蒸汽量增大会产生夹带、液泛。加料量过低，塔的平衡操作不好维持，蒸汽速度减小，塔板容易漏液，使精馏效率降低。在低负荷操作时，可适当增大回流比，使塔在负荷下限之上操作，以维持塔的操作正常稳定。加料组份的变化直接影响到产品质量。重组份的浓度增高会使精馏段负荷增加，分离效果不好。若从塔釜得到产品，则塔顶损失增加。若加料组份中易挥发组份浓度增加，会使提馏段

15、的负荷增加，夹带的易挥发组份增多造成塔釜产品质量不合格。若重组份浓度增高，加料口往下移，反之则上移。操作温度、回流量和操作压力都须相应地调整，才能保证精馏操作的稳定性12 。第1.3节 工艺分析1.3.1塔型的选择精馏塔的分离能力或分离出的产品纯度，与原料体系的性质、操作条件及塔的性能有关。实现精馏过程的气、液传质设备，主要有板式塔和填料塔两大类。相比较而言，在塔效率上，板式塔效率稳定；在液气比方面，板式塔适应范围较大；在安装维修方面，板式塔较容易进行；在造价上，板式塔更经济；且板式塔质量较轻，故选择板式塔。1.3.2板式塔的分类气-液传质设备主要分为板式塔和填料塔两大类。板式塔为逐级接触型气

16、-液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气-液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、川流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等。（1）泡罩塔泡罩塔是工业上应用最早的塔板（1813年),它主要由升气管及泡罩构成。泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种，以前者使用较广。泡罩有80mm、100mm、150mm三种尺寸，可根据塔经的尺寸选择。泡罩的下部周边开有很多齿缝，齿缝一般为三角形、矩形或梯形。泡罩在塔板上为正三角形排列。操作时，液体横向流过塔板，靠溢流堰保持塔板上有一定厚度的液层，齿缝浸没于液层之中而形成液封。升气管的顶部应高于泡罩齿缝的上沿，以防止液体从中漏下。上升气体通过齿缝进入液层时，被

17、分散成许多细小的气泡或股流，在板上形成鼓泡层，为气液两相的传热和传质提供大量的界面。泡罩塔板的优点是操作弹性大，塔板不易堵塞；缺点是结构复杂、造价高、板上液层厚，塔板压降大，生产能力及板效率较低。泡罩塔已逐渐被筛板、浮阀塔所取代，在新建塔设备中已很少采用。（2）筛板塔筛板塔也是传质过程中常见的塔设备，它的主要优点有：结构比浮阀塔更为简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60，为浮阀塔的80左右；处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加1015；塔板效率高，比泡罩塔高15左右；压降较低，每板压力比泡罩塔约低30左右。筛板塔的缺点是：板安装的水平度要求较高，否则气液接触不均；操作弹性较小（约23）；小孔筛板容

18、易堵。（3）浮阀塔浮阀塔实在泡罩塔的基础上发展起来的，它主要的改进是取消了升气管和泡罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在某一数值。这一改进使浮阀塔在弹性操作、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越，但在处理粘稠度大的物料方面又不及泡罩塔可靠。浮阀广泛用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中。塔经从200mm到6400mm，使用效果均较好。国外浮阀塔经，大者可达10m，塔高可达80m，板数有的多达数百块。浮阀塔的类型很多，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。近年来研究开发出的新型浮阀有船型浮阀、管型浮阀、

19、梯形浮阀、双层浮阀、V-V型浮阀、混合浮阀等，其共同的特点是加强了流体的导向作用和气体的分散作用，使气液两相的流动更趋于合理，操作弹性和塔板效率得到进一步的提高。但应指出，在工业应用中，目前还多采用F1型浮阀，其原因是F1型浮阀已有系列化标准，各种设计数据完善，便于设计和对比。浮阀塔的特点：处理能力大，比同塔经的泡罩塔可增加2040，而接近于筛板塔；操作弹性大，一般约为59，比筛板、泡罩和舌形塔版的操作弹性要大得多；塔板效率高，比泡罩塔高15左右；压力小，在常压塔中每块板的压降一般为400660；液面梯度小；使用周期长，粘度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常操作；结构简单，安装容易，制造费用

20、为泡罩塔板的6080，为筛板塔的120130。目前从国内外实际使用情况看，主要的塔板类型为浮阀塔、筛板塔及泡罩塔，而前两者使用尤为广泛13。1.3.3操作压力精馏操作可在常压、加压或减压下进行，操作压力的大小由经济上的合理性和物料的性质决定。提压操作可减少气相体积流量，增加塔的生产能力，但也使物系的相对挥发度降低，不利分离。回流比增加或塔高增加，会使再沸器所用的热源品位增加，导致操作费用与设备费用的增加。1.3.4进料状态进料状态与塔板数、塔经、塔的热负荷及回流量均有密切的联系。在实际的生产过程中进料状态有多种，但一般都将料液经预热器加热到泡点温度后才送入塔内，其主要原因是由于此时塔的操作比较

21、容易控制而且不受季节变化的影响；在泡点进料时，精馏段与提馏段的塔经相同，在设计和制造上提供了方便13。泡点进料也是最为经济的一种进料方式。加料方式和加料热状况加料方式和加料热状况的选择：加料方式采用泵加料。虽然进料方式有多种，但是饱和液体进料时进料温度不受季节、气温变化和前段工序波动的影响，塔的操作比较容易控制；此外，饱和液体进料时精馏段和提馏段的塔径相同，无论是设计计算还是实际加工制造这样的精馏塔都比较容易，为此，本次设计中采取泡点进料。1.3.6回流比回流比是精馏塔的重要参数，对总成本的影响有利有弊。从回流比的定义来看，回流比可以在零至无穷大之间变化，前者对应于无回流，后者对应于全回流，但

22、实际上回流比不能小于某一下限，否则即使有无穷多个理论板也到不到分离要求。回流比的这一下限成为最小回流比4。根据物系的相对挥发度、进料状态及组成，可以算出达到分离要求时所需的最小回流比。通常，操作回流比为最小回流比的1.2-2.0倍。由于本设计的最小回流比较小，所以操作回流比取最小回流比的1.5倍。1.3.7加热剂和再沸器的选择加热剂为100下的饱和水蒸气（1个标准大气压）。再沸器可分为釜式再沸器、热虹吸式再沸器及强制回流式再沸器。釜式再沸器有两种，一种是卧式再沸器，另一种是夹套式再沸器。卧式再沸器，壳方为釜液沸腾，管内可以加热蒸汽。塔底液体进入底液池中，在进入再沸器的管际空间被加热而部分汽化。

23、蒸汽引到塔底最下一块塔板的下面，部分液体则通过再沸器内的垂直挡板，作为塔底产物被引出。夹套式再沸器，液面上方必须留有蒸发空间，常用于传热面较小或间歇精馏中。热虹吸式再沸器，它是依靠釜内部分汽化所产生的汽、液混合物，其密度小于塔底液体密度，由密度差产生静压差使液体自动从塔底流入再沸器，因此该种再沸器又称自然循环再沸器。强制循环再沸器，对于高粘度液体和热敏性气体宜用泵强制循环式再沸器，因流速大、停留时间短，便于控制和调节液体循环量13。本设计采用热虹吸式再沸器。1.3.8冷却剂和冷凝器的选择冷却剂为水。冷凝器是将塔顶蒸汽冷凝成液体，部分冷凝液作塔顶产品，其余作回流液返回塔顶，使塔内气液两相的接触传

24、质得以进行。按冷凝器与塔的位置，可分为整体式、自流式和强制循环式。整体式，将冷凝器与精馏塔制成一体。这种布局的优点是上升蒸汽压降较小，蒸汽分布均匀，缺点是塔顶结构复杂，不便维修，当需用阀门、流量计来调节时，需较大位差，需增大塔顶板与冷凝器间距离，导致塔体过高。该型式常用于减压蒸馏或传热面较小场合。自流式，将冷凝器装在塔顶附近的台架上，靠改变台架的高度来获得回流和采出所需的位差。强制循环式，当冷凝器换热面过大时，装在塔顶附近对造价和维修都是不利的，故将冷凝器装在离塔顶较远的低处，用泵向塔提供回流液。在一般情况下，冷凝器采用卧式，因为卧式的冷凝液膜较薄，故对流传热系数较大，且卧式便于安装和维修13

25、。本设计冷凝器采用自流式冷凝器。蒸馏釜的加热方式通常包括直接蒸汽加热和间接蒸汽加热。直接加热由塔底进入塔内，优点是可利用压力较低的蒸汽进行加热，在釜内只需安装鼓泡管而可节省设备费用13。由于重组分是水故省略加热装置。但在一定的回流比较条件下，塔底蒸汽对回流有稀释作用，使用理论板数增加，费用增加，间接蒸汽加热器是塔釜液部分汽化维持原来浓度，以减少理论板数。本设计采用间接蒸汽加热。第1.4节 影响精馏塔精馏操作的因素1.4.1物料平衡的影响和制约根据精馏塔的总物料衡算可知，对于一定的原料液流量F和组成xF，只要确定了分离程度xD和xW，馏出液流量D和釜残液流量W也就被确定了。采出率D/F: D/F

26、=(xF-xW)/(xD-xW) 不能任意增减，否则进、出塔的两个组分的量不平衡，必然导致塔内组成变化，操作波动，使操作不能达到预期的分离要求。在精馏塔的操作中，需维持塔顶和塔底产品的稳定，保持精馏装置的物料平衡是精馏塔稳态操作的必要条件。通常由塔底液位来控制精馏塔的物料平衡。1.4.2塔顶回流比的影响回流比是影响精馏塔分离效果的主要因素，生产中经常用回流比来调节、控制产品的质量。当回流比增大时，精馏产品质量提高；当回流比减小时，xD减小而xW增大，使分离效果变差。回流比增加，使塔内上升蒸汽量及下降液体量均增加，若塔内汽液负荷超过允许值，则可能引起塔板效率下降，此时应减小原料液流量。调节回流比

27、的方法可有如下几种：（1）减少塔顶采出量以增大回流比。（2）塔顶冷凝器为分凝器时，可增加塔顶冷剂的用量，以提高凝液量，增大回流比。（3）有回流液中间贮槽的强制回流，可暂时加大回流量，以提高回流比，但不得将回流贮槽抽空。必须注意，在馏出液采出率D/F规定的条件下，籍增加回流比R以提高xD的的方法并非总是有效。加大操作回流比意味着加大蒸发量与冷凝量，这些数值还将受到塔釜及冷凝器的传热面的限制。1.4.3进料热状况的影响当进料状况发生变化时，应适当改变进料位置，并及时调节回流比R。一般精馏塔常设几个进料位置，以适应生产中进料状况，保证在精馏塔的适宜位置进料。如进料状况改变而进料位置不变，必然引起馏出

28、液和釜残液组成的变化。进料情况对精馏操作有着重要意义。常见的进料状况有五种，不同的进料状况，都显著地直接影响提馏段的回流量和塔内的汽液平衡。精馏塔较为理想的进料状况是泡点进料，它较为经济和最为常用。1.4.4塔釜温度的影响釜温是由釜压和物料组成决定的。精馏过程中，只有保持规定的釜温，才能确保产品质量。因此釜温是精馏操作中重要的控制指标之一。当釜温低于规定值时，应加大蒸汽用量，以提高釜液的汽化量，使釜液中重组分的含量相对增加，泡点提高，釜温提高。当釜温高于规定值时，应减少蒸汽用量，以减少釜液的汽化量，使釜液中轻组分的含量相对增加，泡点降低，釜温降低。此外还有与液位串级调节的方法等。1.4.5操作

29、压力的影响塔的压力是精馏塔主要的控制指标之一。在精馏操作中，常常规定了操作压力的调节范围。塔压波动过大，就会破坏全塔的气液平衡和物料平衡，使产品达不到所要求的质量14。 第1.5节 工艺流程简介连续精馏装置主要包括精馏塔，再沸器，冷凝器，冷却器，原料预热器及贮槽等。原料液经原料预热器加热至规定温度后，由塔中部加入塔内。液体再沸器受热后部分汽化，产生的蒸汽自塔底经过各层塔上升，与板上回流液接触进行传质，从而使上升蒸汽中易挥发组分的含量逐渐提高，至塔顶引出后进入冷凝器中冷凝成液体，冷凝的液体一部分作为塔顶产品，另一部分由塔顶引入塔内作为回流液，蒸馏釜中排出的液体为塔底的产品。图1.2 精馏塔工艺流

30、程第2章 精馏塔的设计计算第2.1节 设计任务和条件原料液含甲醇20，其余为水15,16。产品甲醇含量不低于93残液中甲醇含量不高于2年处理量60000t 20甲醇产品操作条件：精馏塔塔顶压力 4KPa（表压）进料状态 泡点进料加热蒸汽压力 101.325KPa单板压降 不大于0.7KPa设备型式 浮阀塔设备工作日 300天/年，24h/天 连续运行第2.2节 设计方案的确定本设计任务为分离甲醇和水混合物。对于二元混合物的分离，应采用常压下的连续精馏装置。本设计采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷

31、却器冷却后送入储罐。该物系数易分离物系，最小回流比较小，操作回流比取最小回流比的1.5倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。第2.3节 精馏塔的物料衡算表2.1 甲醇-水物系气液平衡数据4温度t（）液相中的摩尔分数x气相中的摩尔分数y1000.00000.000092.90.05310.283490.30.07670.435388.90.09260.435386.60.12570.483185.00.13150.545583.20.16740.558582.30.18180.577581.60.20830.627380.20.23190.648578.00.28180.67757

32、7.80.29090.680176.70.33330.691876.20.35130.734773.80.46200.775672.70.52920.797171.30.59370.818370.00.68490.849268.00.77010.896266.90.87410.919464.51.00001.0000原料液及塔顶、塔釜的产品的摩尔分数甲醇的摩尔质量 水的摩尔质量 原料液及塔顶、塔釜的产品的平均摩尔质量原料液产品的平均摩尔质量 塔顶产品的平均摩尔质量 塔釜产品的平均摩尔质量 物料衡算进料量由公式 (1) (2)联立（1）（2）得第2.4节 塔板数的确定,根据乙醇-水相平衡关系图可

33、得 根据乙醇-水相平衡关系图可得,根据乙醇-水相平衡关系图可得泡点进料，则q线方程为q线与相平衡线交点为最小回流比确定取操作回流比精馏段操作线方程17：即：提馏段操作线方程： 即：18图2.1 理论板层数图2.2 理论板层数放大0.20.10.20.10.0图2.3 理论板层数局部放大采用直角阶梯法求理论板层数，如图所示，在塔底或恒沸点附近作图时要将图局部放大，求解结果为：理论板层数 （不包括再沸器）进料板位置 精馏段的板层数 =4提馏段的板层数 =3（包括进料板）实际板层数的求取 设,则 精馏段实际板层数 = 4/0.52=7.68 提馏段实际板层数 总实际板层数 第2.5节 热量衡算已知下

34、列数据3：（1） 加热蒸汽为101.3（表压）的饱和蒸汽；（2） 冷却水进口温度为15，出口温度为30，比热容为4.187；（3） 甲醇的摩尔质量为32，水的摩尔质量为18；（4） 66.28时甲醇的汽化热为9；（5） 近似认为塔顶流出液为纯甲醇，塔釜为纯水。（6） 忽略热损失。表2.2 热量衡算数据温度66.28（塔顶）86.79（进料）98.43（塔底）甲醇9的摩尔比热容/90.1896.67水10的摩尔比热容/75.6275.79原料液平均摩尔比热容 ）原料液的焓 原料液带入的热量 回流液的焓近似取纯甲醇的焓 回流液带入的热量 塔顶蒸汽的热焓近似地取纯甲醇蒸汽的焓塔顶蒸汽带出的热量塔底产

35、品的焓近似地取纯水的焓 塔底产品带去的热量 由能量衡算得 （表压）的水蒸气汽化潜热为 水蒸气用量为 对塔顶全凝器作能量衡算 塔顶馏出液的焓等于回流液的焓 塔顶产品带出去的热量 水的比热容 ）冷却水用量 第2.6节 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算2.6.1操作压力塔顶操作压力：塔釜操作压力：进料板操作压力：精馏段平均压力：提馏段平均压力：2.6.2操作温度塔顶温度：进料温度：塔底温度：精馏段平均温度：提馏段平均温度：2.6.3平均摩尔质量（1） 塔顶平均摩尔质量的计算 查相平衡图得（2）进料平均摩尔质量计算由图解法得 （3）塔釜平均摩尔质量计算由图解法得 精馏段平均摩尔质量提馏段平均摩尔质

36、量2.6.4平均密度（1）气相平均密度由理想气体状态方程计算，即：（精馏段）（提馏段）（2）液相平均密度 表2.3 不同温度下甲醇9和水10的密度温度（）甲醇的密度 （）水的密度 （）5075098860741983707319788072197290713965100704958已知混合液密度： (为质量分数)塔顶：由，查表2.3数据运用内插法求液相平均密度进料：由，查表2.3数据运用内插法求液相平均密度塔釜：由，查表2.3数据运用内插法求液相平均密度则精馏段平均密度提馏段平均密度2.6.5液相表面张力表2.4 不同温度下甲醇9-水10的表面张力温度（）甲醇表面张力（mN/m）水表面张力（m

37、N/m）6018.666.27017.764.38016.762.69015.860.710014.658.8液体平均表面张力的计算依下式计算即：（1） 塔顶液相平均表面张力计算利用表2.4中的数据分别求甲醇和水在下的表面张力：（2）进料板液相平均表面张力计算利用表2.4中的数据分别求甲醇和水在下的表面张力：（3）塔釜液相平均表面张力计算利用表2.4中的数据分别求甲醇和水在下的表面张力精馏段液相平均表面张力：提馏段液相平均表面张力：第2.7节 精馏塔塔体工艺尺寸计算2.7.1塔径的计算19,20（1）最大空塔气速和空塔气速最大空塔气速计算公式：精馏段的气、液相体积流率为：由计算，其中由史密斯关

38、联图查取，图中横坐标为：取板间距=0.45m，板上液层高度=0.05m，则图2.4 史密斯关联图查图2.4得=0.073，则取安全系数为0.6，则空塔气速为（2）塔经按标准塔径圆整后得：D=1.0m塔截面积实际空塔气速为2.7.2塔高的计算在精馏段，进料板处及提馏段各开1个人孔，其高度均为0.8m，故精馏塔的有效高度为第2.8节 塔板主要工艺尺寸计算2.8.1溢流装置计算21因塔径，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘，各项计算如下：（1）堰长 取（2）溢流堰高度 溢流堰高度计算公式选用平直堰，堰上层高度依下式计算，即近似取E=1，则取板上层液高度，故（3）弓形降液管宽度及截面积由查弓形降液

39、管宽度参数得，故 依下式验算液体在降液管中停留时间，即：故降液管设计合理。(4)降液管低隙高度 计算公式式中液体通过降液管底隙时的流速取，则故降液管低隙高度设计合理。2.塔板布置及浮阀数目与排列取阀孔动能因数，则孔速则每层塔板上的浮阀数为:取边缘区宽度，破沫区宽度依下式计算塔板上鼓泡区面积，即浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取同一横排孔心距t=75mm=0.075m，则可按下式估算排间距，即考虑到塔的直径较大，必须采用分块式塔板，而各分块的支承与衔接也要占去一部分鼓泡区面积，因此排间距不宜采用77mm，应小于此值，故按t=75mm，以等腰三角形叉排方式作图，得浮阀数N=93个。按N=93重新核

40、算孔速及阀孔动能因数：阀孔动能因数变化不大，仍在912范围内。塔板开孔率第2.9节 塔板流体力学验算2.9.1气相通过浮阀塔板的压降可根据式来计算塔板压强降（1）干板阻力： 由式先计算临界空速，即：因，则可按下式计算，即（2）板上充气液层阻力本设计分离甲醇和水的混合液，即液相为水，可取充气系数，依式计算，即 （3）克服表面张力所造成的阻力h0 因本设计采用浮阀塔，其h0很小，可忽略不计。因此，气体流经一层浮阀塔的压降所相当的液柱高度为单板压降 2.9.2淹塔为了防止淹塔现象的发生，要控制降液管中清液高度，而（1）与气体通过塔板的压降相当的液柱高度（2）液体通过降液管的压头损失 因不设进口堰，故

41、按下式计算，即（3）板上液层高度 取 则取 ， 则可见，符合防止淹塔的要求。2.9.3雾沫夹带通常用操作时的空塔气速与发生液泛时的空塔气速的比值作为估算雾沫夹带量的指标，此比值称为泛点率。保证泛点率F1在规定的范围内，即可保证物沫夹带量达到规定的指标。泛点率可按下面的经验公式进行计算，即：以上两式中：板上液体流经长度，m。对于单溢流塔板，；板上液流面积，m3。对于双溢流塔板，；泛点负荷系数，可根据气相密度及板距由图查得；物性系数，由相关表格可查得。 甲醇和水可按正常系统查物性系数，查泛点负荷系数图CF=0.103，则以上两式计算出来的泛点率都在80以下，故可知物沫夹带量能够满足规定的指标0.1

42、（液）（汽）。第2.10节 塔板负荷性能图2.10.1雾沫夹带线对于一定的物系及一定的塔板结构，式中， 及均为已知值，相应于的泛点率上限值亦可确定，将各已知数代入上式，便得出的关系式 ，据此作出雾沫夹带线。按泛点率=80%计算如下整理得： （1）或 物沫夹带线为直线，则在操作范围内任取两个值，算出相应的值列于表2.5中。表2.5 雾沫夹带线数据0.0010.0021.541.512.10.2液泛线由确定液泛线。忽略式中项，代入上式。得到物系一定，塔板结构尺寸一定，则，及等均为定值，而与又有如下关系，即式中阀孔数N与孔径d0亦为定值。因此，可将上式简化，得 （2）在操作范围内任取若干个值，依式算

43、出相应的值列于表2.6中。表2.6 液泛线数据0.00050.0010.00150.0022.642.592.542.482.10.3液相负荷上限线液体的最大流量应保证降液管液体停留时间不低于35s， 液体在降液管内停留时间，求出上限液体流量值（常数)，在图上，液相负荷上限线为与气体流量无关的竖直线。以作为液体在降液管中停留时间的下限，则 （3）2.10.4漏液线对于F1型重阀，依计算，则又知，即式中，均为已知数，故可由此式求出气相负荷的下线值，据此作出与液相流量无关的水平漏液线。以作为规定气体最小负荷的标准，则 （4） 2.10.5液相负荷下限线取堰上液层高度作为液相负荷下限条件，依下列的计算式计算出的下限值，依此作出液相负荷下限线，该线为与气相流量无关的竖直线。取，则： （5）根据本题表2.5、表2.6及式（3）式（5）可分别作出塔板负荷性能图上的（1）（5）共5条线，见图2.5。图2.5 塔板负荷性能图由塔板负荷性能图可以看出：在任务规定的气液负荷下的操作点A(设计点），处在适宜操作区域内的适中位置。塔板的气相负荷上限完全由雾沫夹带控制。按固定的气液比，由上图查出塔板的气相负荷上限 ，气相负荷下限所以：操作弹性=第3章 塔附件设计