化工原理课程设计

姓名：王苗苗专业：化学工程与工艺班级：化工0906班。

1、设计题目：填料（散装）精馏塔设计。

2、设计任务：甲醇精馏塔设计。

3、设计条件：

4、设计的内容和要求：

符号说明。1、前言。

本次课程设计的任务是设计分离甲醇-水混合液的精馏塔，塔型为填料塔，填料方式是散装填料，进料为两组分进料(甲醇和水). 塔型的选择因素很多。主要因素有物料性质、操作条件、塔设备的制造安装和维修等。

1 与物性有关的因素

易腐蚀介质，可选用陶瓷或其他耐腐蚀性材料作填料，对于不腐蚀的介质，则可选金属性质或塑料填料，而本设计分离甲醇和水，腐蚀性小可选用金属填料。

2 与操作条件有关的因素

①传质速率受气膜控制的系统，选用填料塔为宜。因为填料塔层中液相为膜状流、气相湍动，有利于减小气膜阻力。

②难分离物系与产品纯度要求较高，塔板数很多时，可采用高效填料。

③若塔的高度有限制，在某些情况下，选用填料塔可降低塔高，为了节约能耗，故本设计选用填料塔。

④要求塔内持液量、停留时间短、压强小的物系，宜用规整填料。

2、工艺流程的叙述。

1 加料方式

加料方式有两种：高位槽加料和泵直接加料。采用高位槽加料，通过控制液位高度，可以得到稳定的流量和流速。

通过重力加料，可以节省一笔动力费用。但由于多了高位槽，建设费用增加；采用泵加料，受泵的影响，流量不太稳定，流速也忽大忽小，从而影响了传质效率，但结构简单、安装方便；如采自动控制泵来控制泵的流量和流速，其控制原理较复杂，且设备操作费用高。本次实验采用泵直接进料。

2 进料状况

进料状况一般有冷液进料、泡点进料。对于冷液进料，当组成一定时，流量一定，对分离有利，节省加热费用。但冷液进料受环境影响较大，对于沈阳地区来说，存在较大温差，且增加塔底蒸汽上升量，增大建设费用。

采用泡点进料，不仅对稳定塔操作较为方便，且不受季节温度影响。综合考虑，设计采用泡点进料。泡点进料时，基于恒摩尔流假定精馏段和提馏段塔径基本相等，制造上较为方便。

3 塔顶冷凝方式

塔顶冷凝采用全凝器，用水冷凝。甲醇和水不反应。且容易冷凝，故使用全凝器。

塔顶出来的气体温度不高，冷凝后回流液和产品温度不高无需进一步冷却。此次分离也是想得到液体甲醇，选用全凝器符合要求。

4 回流方式

回流方式可分为重力回流和强制回流。对于小型塔，回流冷凝器一般安装在塔顶。其优点是回流冷凝器无需支撑结构，其缺点是回流冷凝器回流控制较难。

如果需要较高的塔处理量或塔板数较多时，回流冷凝器不适合于塔顶安装。且塔顶冷凝器不易安装、检修和清理。在这种情况下，可采用强制回流，塔顶上升蒸汽采用冷凝冷却器以冷回流流入塔中。

为便于安装和检修，故采用强制回流。

5 加热方式

加热方式分为直接蒸汽和间接蒸汽加热。直接蒸汽加热是用蒸汽直接由塔底进入塔内。由于重组分是水，故省略加热装置。

但在一定的回流比条件下塔底蒸汽对回流液有稀释作用，但理论塔板数增加，费用增加。间接蒸汽加热是通过加热器使釜液部分汽化。上升蒸汽与回流下来的冷液进行传质，其优点是使釜液部分汽化，维持原来的浓度，以减少理论板数，缺点是增加加热装置。

本次实验采用间接蒸汽加热。

6 加热器

采用u型管蒸汽间接加热器，用水蒸汽作加热剂。因为塔小，可将加热器放在塔内，即再沸器，这样釜液部分汽化，维持了原有浓度，减少了理论板数。

3、基础数据。

精馏操作按操作压力分为常压、加压和减压操作。精馏操作中压力影响非常大。当压力增大时，混合液的相对挥发度将减小，对分离不利；当压力减小时，相对挥发度将增大，对分离有利。

但当压力不太低时，对设备的要求较高，设备费用增加。因此在设计时一般采用常压蒸馏。当常压下无法完成操作时，则采用加压或减压蒸馏。

对于甲醇-水系统在常压下相对挥发度相差较大，较易分离，故本设计采用常压精馏。

1) 进料摩尔分率

2) 进料流量。

平均分子量：

进料流量：

3) 分离要求。

塔顶≥95%（质量分数）；塔底≤0.3%（质量分数）

4、工艺计算。

1. 操作压力

但当压力不太低时，对设备的要求较高，设备费用增加。因此在设计时一般采用常压蒸馏。当常压下无法完成操作时，则采用加压或减压蒸馏。

对于甲醇-水系统在常压下相对挥发度相差较大，较易分离，故本设计采用常压精馏。

2. 物料蘅算。

a.已知：，年开工300天，

进料摩尔流量：

总物料 f = d + w

易挥发组分

解得：d =98.91kmol/h w = 370.33kmol/h

b.塔顶产品的平均相对分子质量：

塔顶产品流量：

c.塔釜产品的平均相对分子质量：

塔釜产品流量：

b.物料衡算结果表：

表13. 确定操作温度。

表2根据以上数据绘出x-y-t平衡图。

根据气液平衡表（x-y-t表）利用内插法求塔顶温度，，塔釜温度，进料温度

a .塔顶温度，

b.塔釜温度。

c.进料温度。

4. 确定回流比。

相对挥发度：

提馏段，精馏段，所以

最小回流比：

当操作费与设备费相比可忽略不计时，操作费/设备费=0，。

最佳回流比：

5. 热量衡算

a.加热介质和冷却剂的选择

(a) 加热介质的选择

常用的加热介质有饱和水蒸气和烟道气。饱和水蒸气是一种应用最广的加热剂。由于饱和水蒸气冷凝时的传热膜系数很高，可以通过改变蒸汽的压力准确地控制加热温度。

燃料燃烧所排放的烟道气温度可达100~1000℃，适用于高温加热。缺点是烟道气的比热容及传热膜系数很低，加热温度控制困难。本设计选用300kpa（温度为133.

3℃）的饱和水蒸气作加热介质，水蒸气易获得、清洁、不易腐蚀加热管，不但成本会相应降低，塔结构也不复杂。

b)冷却剂的选择

常用的冷却剂是水和空气，应因地制宜加以选用。受当地气温限制，冷却水一般为10~25℃。如需冷却到较低温度，则需采用低温介质，如冷冻盐水、氟利昂等。

本设计建厂地区为沈阳。沈阳市夏季最热月份日平均气温为24℃。故选用24℃的冷却水，选升温10℃，即冷却水的出口温度为34℃。

b.冷凝器的热负荷

冷凝器的热负荷：

其中 —塔顶上升蒸汽的焓；

—塔顶馏出液的焓。

其中 —甲醇的蒸发潜热；

—水的蒸发潜热。

蒸发潜热与温度的关系[3]：

其中 —对比温度。

表3 沸点下蒸发潜热列表

由沃森公式计算塔顶温度下的潜热

67.05℃时，对甲醇：

蒸发潜热：

对水，同理得：，蒸发潜热：

对全凝器作热量衡算（忽略热量损失）：

选择泡点回流，因为塔顶甲醇含量很高，与**相接近，所以

代入数据得：

c.冷却介质消耗量

式中wc---冷却水的流量，kg/h

所以此温度下冷却水的比热容

所以。d.加热器的热负荷及全塔热量衡算

选用300kpa（温度为133.3℃）的饱和水蒸气为加热介质，列表计算甲醇、水在不同温度下混合的比热容[单位：kcal/(kg·℃)

表4甲醇和水。

根据表2 对全塔进行热量衡算：

为了简化计算，以进料焓为基准做热量衡算：

塔釜热损失为10%，则，则。

式中 —加热器理想热负荷；

加热器实际热负荷；

—塔顶馏出液带出热量；

—塔底带出热量。

加热蒸汽消耗量：

333k，300kpa）

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