甲醇水分离过程板式精馏塔的设计

第一章 设计任务书 1.1 设计题目 设计题目：甲醇—水分离过程板式精馏塔的设计 设计规定：年产纯度为99.5%的甲醇12023吨，塔底馏出液中含甲醇不得高于0.1%，原料液中含甲醇40%，水60% 。 1.2操作条件 1) 操作压力 常压 2) 进料热状态 自选 3) 回流比 自选 4) 塔底加热蒸气压力 0.3Mpa（表压） 1.3塔板类型 筛孔塔 1.4 工作日 每年工作日为330天，天天24小时连续运营。 1.5 设计说明书的内容 (1) 流程和工艺条件的拟定和说明 (2) 操作条件和基础数据 (3) 精馏塔的物料衡算； (4) 塔板数的拟定； (5) 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算； (6) 精馏塔的塔体工艺尺寸计算； (7) 塔板重要工艺尺寸的计算； (8) 塔板的流体力学验算； (9) 塔板负荷性能图； (10) 重要工艺接管尺寸的计算和选取 (11) 塔板重要结构参数表 (12) 对设计过程的评述和有关问题的讨论 第二章 设计原则 2.1拟定设计方案的原则 拟定设计方案总的原则是在也许的条件下，尽量采用科学技术上的最新成就，使生产达成技术上最先进、经济上最合理的规定，符合优质、高产、安全、低消耗的原则。必须具体考虑如下几点： 2.1.1满足工艺和操作的规定 ⑴一方面必须保证产品达成任务规定的规定，并且质量要稳定。这就规定各流体流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定，从而需要采用相应的措施。 ⑵另一方面所定的设计方案需要有一定的操作弹性，各处流量应能在一定范围内进行调节，必要时传热量也可进行调整。 因此，在必要的位置上要装置调节阀门，在管路中安装备用支线。计算传热面积和选取操作指标时，也应考虑到生产上的也许波动。再另一方面，要考虑必需装置的仪表(如温度计、压强计，流量计等)及其装置的位置，以便能通过这些仪表来观测生产过程是否正常，从而帮助找出不正常的因素，以便采用相应措施。 2.1.2满足经济的规定 要节省热能和电能的消耗，减少设备及基建费用。如前所述在蒸馏过程中如能适本地运用塔顶、塔底的废热，就能节约很多生蒸汽和冷却水，也能减少电能消耗。同样，回流比的大小对操作费和设备费也有很大影响。减少生产成本是各部门的经常性任务，因此在设计时，是否合理运用热能，采用哪种加热方式，以及回流比和其他操作参数是否选得合适等，均要作全面考虑，力求总费用尽也许低一些。并且，应结合具体条件，选择最佳方案。 2.1.3满足安全生产的规定 例如甲醇属易燃有毒物料，不能让其蒸汽弥漫车间，也不能使用容易发生火花的设备。又如，塔是指定在常压下操作的，塔内压力过大或塔骤冷而产生真空，都会使塔受到破坏，因而需要安全装置。 以上三项原则在生产中都是同样重要的。但在化工原理课程设计中，对第一个原则应作较多的考虑，对第二个原则只作定性的考虑，而对第三个原则只规定作一般的考虑。 2.2精馏操作对塔设备的规定和类型 2.2.1 对塔设备的规定 精馏所进行的是气(汽)、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔设备，一方面必须要能使气(汽)、液两相得到充足的接触，以达成较高的传质效率。但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具有下列各种基本规定： ⑴ 气(汽)、液解决量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。 ⑵ 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。 ⑶ 流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而减少操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。 ⑷ 结构简朴，材料耗用量小，制造和安装容易。 ⑸ 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。 ⑹ 塔内的滞留量要小。 事实上，任何塔设备都难以满足上述所有规定，况且上述规定中有些也是互相矛盾的。不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体规定，抓住重要矛盾，进行选型。 2.2.2 板式塔类型 气－液传质设备重要分为板式塔和填料塔两大类。精馏操作既可采用板式塔，也可采用填料塔，板式塔为逐级接触型气－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、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。目前从国内外实际使用情况看，重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。 筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的重要优点有： ⑴ 结构比浮阀塔更简朴，易于加工，造价约为泡罩塔的60％，为浮阀塔的80％左右。 ⑵ 解决能力大，比同塔径的泡罩塔可增长10～15％。 ⑶ 塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。 ⑷ 压降较低，每板压力比泡罩塔约低30％左右。 筛板塔的缺陷是： ⑴ 塔板安装的水平度规定较高，否则气液接触不匀。 ⑵ 操作弹性较小(约2～3)。 ⑶ 小孔筛板容易堵塞。 第三章 设计环节 3.1精馏塔的设计环节 本设计按以下几个阶段进行： ⑴ 设计方案拟定和说明。根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、重要设备型式及其材质的选取等进行论述。 ⑵ 蒸馏塔的工艺计算，拟定塔高和塔径。 ⑶ 塔板设计：计算塔板各重要工艺尺寸，进行流体力学校核计算。接管尺寸、泵等，并画出塔的操作性能图。 ⑷ 管路及附属设备的计算与选型，如再沸器、冷凝器。 ⑸ 誊录说明书。 ⑹ 绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图。 3.2 拟定设计方案 本设计任务为分离甲醇——水混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，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加回流至塔内，其余部分经产品冷却器后送至储罐。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。 第四章 精馏塔的工艺计算 4.1物料衡算 4.1.1原料液及其塔顶、塔底产品的摩尔分率 甲醇的摩尔质量为： 水的摩尔质量为： 原料液摩尔分率： 塔顶摩尔分率： 塔底摩尔分率： 4.1.2原料液及其塔顶与塔底产品的平均摩尔质量 原料液平均摩尔质量： 塔顶产品平均摩尔质量 塔底产品平均摩尔质量 4.1.3全塔物料衡算 4.2精馏段操作线方程 甲醇—水属抱负物系，可采用图解法求理论板层数。 ① 由手册查得甲醇—水物系的气液平衡数据（表1），绘出x-y图，见图4.1。 表1 温度/℃ x y 温度/℃ x y 100 0.00 0.00 75.3 0.40 0.729 96.4 0.02 0.134 73.1 0.50 0.779 93.5 0.04 0.234 71.