化工原理课程设计
题目甲醇—水分离板式精馏塔的设计系（院）化学与化工系
专业化学工程与工艺
班级2009级2班
学生姓名***
学号****
指导教师
职称讲师
二〇一一年十二月二十二日
滨州学院
课程设计任务书
专业09化工班级本二班学生姓名***
发题时间：2011 年112 月8 日
一、课题名称
甲醇——水分离板式精馏塔设计
二、课题条件（原始数据）
原料：甲醇、水溶液
处理量：3550Kg/h
原料组成：28%（甲醇的质量分率）
料液初温：20℃
操作压力、回流比、单板压降：自选
进料状态：冷液体进料
塔顶产品浓度：97%（质量分率）
塔底釜液含乙醇含量不高于0.1%（质量分率）
塔顶：全凝器
塔釜：饱和蒸汽间接加热
塔板形式：筛板
生产时间：300天/年，每天24h运行
冷却水温度：20℃
设备形式：筛板塔
厂址：****
三、设计内容（包括设计、计算、论述、实验、应绘图纸等根据目录列出大标题即可）
1 、设计方案的选定
2、精馏塔的物料衡算
3、塔板数的确定
4、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算（加热物料进出口温度、密
度、粘度、比热、导热系数）
5、精馏塔塔体工艺尺寸的计算
6、塔板主要工艺尺寸的计算
7、塔板的流体力学验算
8、塔板负荷性能图（精馏段）
9、换热器设计
10、馏塔接管尺寸计算
11、制生产工艺流程图（带控制点、机绘，A2图纸）
12、绘制板式精馏塔的总装置图（包括部分构件）（手绘，A1图纸）
13、撰写课程设计说明书一份
设计说明书的基本内容
⑴课程设计任务书
⑵课程设计成绩评定表
⑶中英文摘要
⑷目录
⑸设计计算与说明
⑹设计结果汇总
⑺小结
⑻参考文献
14、有关物性数据可查相关手册
15、注意事项
●写出详细计算步骤，并注明选用数据的来源
●每项设计结束后列出计算结果明细表
●设计最终需装订成册上交
四、进度计划（列出完成项目设计内容、绘图等具体起始日期）
1.设计动员，下达设计任务书0.5天
2.收集资料，阅读教材，拟定设计进度1-2天
3.初步确定设计方案及设计计算内容5-6天
4.绘制总装置图2-3天
5.整理设计资料，撰写设计说明书2天
6.设计小结及答辩1天
目录
摘要 (1)
第一章概述 (1)
1.1精馏操作对塔设备的要求 (1)
1.2板式塔类型 (2)
第二章设计方案的确定 (3)
2.1操作条件的确定 (3)
2.2确定设计方案的原则 (4)
第三章塔的工艺尺寸得计算 (6)
3.1精馏塔的物料衡算 (6)
3.1.1摩尔分率 (6)
3.1.2平均摩尔质量 (6)
3.1.3 物料衡算 (6)
3.1.4 回收率 (7)
3.2塔板数的确定 (7)
3.2.1理论板层数N的求取 (7)
3.3 精馏塔有关物性数据的计算 (11)
3.3.1 操作压力计算 (11)
3.3.2 操作温度计算 (11)
3.3.3 平均摩尔质量计算 (11)
3.3.4 平均密度计算 (12)
3.3.5 液体平均表面张力计算 (13)
3.3.6 液体平均黏度计算 (14)
3.4 精馏塔的塔体工艺尺寸设计 (14)
3.4.1 塔径的计算 (15)
3.4.2 精馏塔有效高度的计算 (15)
3.5 塔板主要工艺尺寸的计算 (18)
3.5.1 溢流装置计算 (18)
3.5.2 塔板布置 (21)
3.6 筛板的流体力学验算 (23)
3.6.1 塔板压降 (23)
3.6.2液面落差 (25)
3.6.3 液沫夹带 (26)
3.6.4 漏液 (26)
3.6.5 液泛 (27)
3.7 塔板负荷性能图 (27)
3.7.1 漏液线 (28)
3.7.2 液沫夹带线 (28)
3.7.3 液相负荷下限线 (28)
3.7.4 液相负荷上限线 (30)
3.7.5 液泛线 (30)
第四章塔附属设计 (35)
4.1 塔附件设计 (35)
4.2 筒体与封头 (37)
4.3 塔总体高度设计 (38)
4.3.1 塔的顶部空间高度 (38)
4.3.2 塔的底部空间高度 (38)
4.3.3 塔体高度 (38)
4.4 附属设备设计 (38)
4.4.1 冷凝器的选择 (38)
4.4.2 泵的选择 (39)
设计小结 (41)
附录 (42)
参考文献 (39)
摘要
化工生产过程中所处理的原料，中间产物，粗产品几乎都是由若干组分组成的混合物，而且其中大部分都是均相物质。生产中为了满足存储、运输。加工和使用的要求，时常将这些混合物分离为较纯净的物质。
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、石油化工等工业得到广泛应用。精馏过程在能量驱动下，使气、液两相多次接触和分离，利用各组分挥发度的不同，使挥发组分由液相向气相转移，实现原料混合物中各组分分离，该过程是同时进行传热传质过程。本次设计任务为设计一定处理量的分离乙醇-水混合物的精馏塔。
板式精馏塔也是很早出现的一种板式塔，20世纪50年代起对板式精馏塔进行了大量工业规模的研究，逐步掌握了筛板塔的性能，并形成了较完善的设计方法。与泡罩塔相比，板式精馏塔具有下列优点：生产能力（20%——40%）塔板效率（10%——50%）而且结构简单，塔盘造价减少40%左右，安装，维修都较容易。而在板式精馏塔中，筛板塔有结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60％，为浮阀塔的80％左右，处理能力大等优点，综合考虑更符合本设计的要求。
化工原理课程设计是培养我们化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性、经济合理性。
本课程设计的主要内容是过程的物料衡算，工艺计算，结构设计和校核。关键词：板式精馏塔筛板计算校核
第一章概述
甲醇~水是工业上最常见的溶剂，也是非常重要的化工原料之一，是无色、无毒、无致癌性、污染性和腐蚀性小的液体混合物。因其良好的理化性能，而被广泛地应用于化工、日化、医药等行业。近些年来，由于燃料价格的上涨，甲醇燃料越来越有取代传统燃料的趋势，且已在郑州、济南等地的公交、出租车行业内被采用。山东业已推出了推广燃料乙醇的法规。
长期以来，甲醇多以蒸馏法生产，但是由于甲醇~水体系有共沸现象，普通的精馏对于得到高纯度的甲醇来说产量不好。但是由于常用的多为其水溶液，因此，研究和改进醇`水体系的精馏设备是非常重要的。
塔设备是最常采用的精馏装置，无论是填料塔还是板式塔都在化工生产过程中得到了广泛的应用，在此我们作板式塔的设计以熟悉单元操作设备的设计流程和应注意的事项是非常必要的。
1.1精馏操作对塔设备的要求
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，首先必须要能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求：（1）气(汽)、液处理量大，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。
（2）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。
（3）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，从而降低操作费用。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。
（4）结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。
（5）耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。
（6）塔内的滞留量要小。
实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求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要求，抓住主要矛盾，进行选型。
1.2板式塔类型
气－液传质设备主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，填料塔的设计将在其他分册中作详细介绍，故本书将只介绍板式塔。
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。
板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔(1813年)、筛板塔(1832年)，其后，特别是在本世纪五十年代以后，随着石油、化学工业生产的迅速发展，相继出现了大批新型塔板，如S型板、浮阀塔板、多降液管筛板、舌形塔板、穿流式波纹塔板、浮动喷射塔板及角钢塔板等。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，因此，本章只讨论筛板塔的设计。
筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有：
（1）结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60％，为浮阀塔的80％左右。
（2）处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加10～15％。
（3）塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。
（4）压降较低，每板压力比泡罩塔约低30％左右。
筛板塔的缺点是：
（1）塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。
（2）操作弹性较小(约2～3)。
（3）小孔筛板容易堵塞。
第二章设计方案的确定
本设计任务为甲醇—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。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，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至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。
2.1操作条件的确定
确定设计方案是指确定整个精馏装置的流程、各种设备的结构型式和某些操作指标。例如组分的分离顺序、塔设备的型式、操作压力、进料热状态、塔顶蒸汽的冷凝方式等。下面结合课程设计的需要，对某些问题作些阐述。
2.1.1操作压力
蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行。确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。例如，采用减压操作有利于分离相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导致塔径增加，同时还需要使用抽真空的设备。对于沸点低、在常压下为气态的物料，则应在加压下进行蒸馏。当物性无特殊要求时，一般是在稍高于大气压下操作。但在塔径相同的情况下，适当地提高操作压力可以提高塔的处理能力。有时应用加压蒸馏的原因，则在于提高平衡温度后，便于利用蒸汽冷凝时的热量，或可用较低品位的冷却剂使蒸汽冷凝，从而减少蒸馏的能量消耗。
2.1.2 进料状态
进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。在实际的生产中进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。此外，在泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便。
2.1.3加热方式
蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。有时也可采用直接蒸汽加热。若塔底产物近于纯水，而且在浓度稀薄时溶液的相对挥发度较大(如酒精与水的混合液)，便可采用直接蒸汽加热。直接蒸汽加热的优点是：可以利用压力较低
的蒸汽加热；在釜内只须安装鼓泡管，不须安置庞大的传热面。这样，可节省一些操作费用和设备费用。然而，直接蒸汽加热，由于蒸汽的不断通入，对塔底溶液起了稀释作用，在塔底易挥发物损失量相同的情况下，塔底残液中易挥发组分的浓度应较低，因而塔板数稍有增加。但对有些物系(如酒精与水的二元混合液)，当残液的浓度稀薄时，溶液的相对挥发度很大，容易分离，故所增加的塔板数并不多，此时采用直接蒸汽加热是合适的。
值得提及的是，采用直接蒸汽加热时，加热蒸汽的压力要高于釜中的压力，以便克服蒸汽喷出小孔的阻力及釜中液柱静压力。对于甲醇水溶液，一般采用0.4~0.7KPa（表压）。
2.1.4冷却剂与出口温度
冷却剂的选择由塔顶蒸汽温度决定。如果塔顶蒸汽温度低，可选用冷冻盐水或深井水作冷却剂。如果能用常温水作冷却剂，是最经济的。水的入口温度由气温决定，出口温度由设计者确定。冷却水出口温度取得高些，冷却剂的消耗可以减少，但同时温度差较小，传热面积将增加。冷却水出口温度的选择由当地水资源确定，但一般不宜超过50℃，否则溶于水中的无机盐将析出，生成水垢附着在换热器的表面而影响传热。
2.2确定设计方案的原则
确定设计方案总的原则是在可能的条件下，尽量采用科学技术上的最新成就，使生产达到技术上最先进、经济上最合理的要求，符合优质、高产、安全、低消耗的原则。为此，必须具体考虑如下几点：
2.2.1满足工艺和操作的要求
所设计出来的流程和设备，首先必须保证产品达到任务规定的要求，而且质量要稳定，这就要求各流体流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定，从而需要采取相应的措施。其次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可能波动。再其次，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原因，以便采取相应措施。
2.2.2满足经济上的要求
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当地利用塔顶、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。又如冷却水出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量，另方面也影响到所需传热面积的大小，即对操作费和设备费都有影响。同样，回流比的大小对操作费和设备费也有很大影响。
2.2.3保证安全生产
例如甲醇属易燃物料，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，而对第三个原则只要求作一般的考虑。
第三章 塔的工艺尺寸得计算
3.1精馏塔的物料衡算
3.1.1摩尔分率
甲醇的摩尔质量 32/A M k g k m o l = 水的摩尔质量 18/B M k g k m o l
= 原料液28/32
0.179528/3272/18F x =
=+
塔顶97/32
0.947997/323/18
D x =
=+ 塔底产品0.1/32
0.0005630.1/3299.9/18
W x =
=+ 3.1.2平均摩尔质量
原料液 0.179532(10.1795)1820.51F M k g k m o l =?+-?= 塔顶 0.947932(10.9479)1831.2D M k g k m o l =?+-?= 塔底产品 00005633210000563181801/W M kg kmol =.?+(-.)?=. 3.1.3 物料衡算
进料流量 3550
173.06/20.513
F kmol h =
=
全塔物料衡算 F D W =+
轻组分 F D W F X
D X W X =+
式中 F —原料液流量，kmol/h
D —流出液流量，kmol/h W —釜残液流量，kmol/h
X F —原料液中易挥发组分的摩尔分数 X D —流出液中易挥发组分的摩尔分数 X W —釜残液中易挥发组分的摩尔分数
馏出液流量 32.69/D k
m o l h = 釜液流量 140.3
7/W k m o l h = 3.1.4 回收率
乙醇的回收率
32.690.9479
100%100%99.75%173.060.1795
D A F Dx Fx η?=
=?=? 水的回收率
(1)140.37(10.000563)
100%100%98.80%(1)173.06(10.1795)
W B F W x F x η-?-=
?=?=-?-
3.2塔板数的确定
3.2.1理论板层数N 的求取
3.2.1.1 最小回流比及操作回流比计算
表3-1甲醇—水气、液平衡组成（摩尔）与温度关系
由上表数据（姚玉英主编《化工原理课程设计》天津:天津大学出版社，2002）作甲醇-水的t-x-y 图如下图3-1所示：
图3-1乙醇的t-x(y)相图
当0.1795F X =时，由图3-1乙醇的t-x(y)相图，可查得溶液的泡点温度为 T 泡=82.67℃
查得泡点温度下乙醇的汽化热1087.73KJ/Kg,水的汽化热2301.0761 KJ/Kg 所以1121(1)40157.03/m r r x r x KJ Kg =??-=+ 平均温度T=62.67℃
原料液的比热容C P =76.72 KJ/(Kmol. ℃)
1.1195p m
m
c t r q r ?+=
= 所以q 线方程为y=9.3682x-1.5021
根据进料线方程确定最小回流比如下图3-2所示：
图3-2最小回流比的确定
由上图可以看出精馏段操作线与平衡线的交点坐标为（0.225 /0.6）
故min 0.94790.6
0.92770.60.225
q D q q x y R y x --=
==-- 取min 220.9277 1.855R R ==?=
故精馏段操作线方程0.64990.331111
D x R
y x y x R R =+→=+++ 式中 R —回流比 3.2.1.3 图解法求塔板数
图3-3理论与塔板数的图解求法
由上图可以看出总理论板数N=10(包含再沸器)，精馏段理论板数为5块,其中第6块板为加料板。
3.2.2实际板层数的求取
取全塔效率E=0.46， 则有
15011N =÷.46=块 25011N =÷.46=块
总板效率的求取一般两种方法： 1.经验数据
2.采用O ’connell 法，0.2450.49()L T E αμ-= 适用范围：0.17.5L αμ=-，板上液流长度≤1m.
α --塔顶和塔底平均温度下的相对挥发度； L μ--塔顶和塔底平均温度下的粘度。L i Li x μμ=∑
3.3 精馏塔有关物性数据的计算
物性数据数据的查取和估算对于工艺设计计算非常重要，精馏塔设计中主要的物性数据包括啊：密度、粘度、比热容、汽化潜热和表面张力。 3.3.1 操作压力计算(影响气相密度，进而影响V s →D →塔板结构参数)
取塔顶表压为0Kpa 。
塔顶操作压力 101.325D P KPa =
每层塔板压降 0.7P KPa ?= ，一般0.4-0.7kPa ，浮阀塔板的压降为0.265—0.53kPa ，筛板的小于浮阀塔板，泡罩的大于浮阀塔板。
进料板压力 101.3250.711109.025F P KPa =+?= 塔底操作压力 116.7250.76106.025W P KPa =+?= 精馏段平均压力 (101.325109.025)/2105.175m P KPa =+=
提馏段平均压力 '(109.025106.025)/2107.525m P KPa =+=
3.3.2 操作温度计算
利用表3-1中数据由拉格朗日插值可求得F t 、D t 、W t 。
进料口F t ：
84.484.481.7
0.150.20.17950.15
F t --=-- , F t =82.807℃
塔顶D t ：66.066.065.00.900.950.94790.90
D t --=--，D t =65.042℃
塔釜W t ：10010096.400.020.00005630
W t --=--，W t =99.99℃
精馏段平均温度 182.80765.042
73.924522F D t t t -++===℃
提馏段平均温度 282.8199.99
91.398522
F W t t t -++===℃
3.3.3 平均摩尔质量计算 3.3.3.1 精馏段的平均摩尔质量
精馏段平均温度1t -
=73.9245℃ 液相组成1x ：
1
75.373.175.373.9245
0.40.50.4x --=
--，1x =46.25%
气相组成 1y ：
1
75.373.175.373.9245
0.7290.7790.729y --=
--，1y =76.03% 所以 1320.462518(10.4625)24.6475L M -
=?+?-= kg/kmol 1320.760318(10.7603)28.6442
V M -
=?+?-= kg/kmol 3.3.3.2 提馏段平均摩尔质量
提馏段平均温度2t -
=91.3985℃ 液相组成2x ：
293.596.293.591.3985
0.040.060.04x --=
--，2x =58.27% 气相组成2y ：
2
93.591.293.591.3985
0.2340.3040.234y --=
--，2y =0.2925 % 所以 2320.0582718(10.05827)18.816L M -
=?+
?-= kg/kmol 2320.292
518(10.2925)22.095
V M -
=?+?-= kg/kmol 3.3.4 平均密度计算
求得在1t -
与2t -
下甲醇与水的密度。不同温度下乙醇和水的密度（姚玉英《化工原理（上）》P360-361页附录二十）见表3-2。
表3-2不同温度下乙醇和水的密度
温度/℃ ρ甲
ρ水
温度/℃ ρ甲
ρ水
70 759.86 977.8 95 719.87 961.85 80
734.87
968.971.86 100
714.87
958.4
90 724.87
965.3965.3
精馏段平均温度1t -
=73.9245℃ 80-7073.92-70
734.87-744.87ρ-744.87
=，ρ甲=735.58 kg/3m
80-7073.92-70971.8-977.8977.8
ρ=-, ρ水
=975.45 kg/3m
同理 2t -
=91.3985℃ 95-909103985-90719.87-724.87724.87
ρ=-， ρ甲
=73.47 kg/3m
959091.3985-90961.85965.3965.3
ρ-=--， ρ水=964.34 kg/3m 在精馏段，液相密度1L ρ：
1
1
0.462532/[0.46253218(10.4625)]10.6047744.48975.45
L ρ??+?--=
+
31821.36/L g m ρ=
气相密度1V ρ：
1V ρ=
28.6442105.175
8.314(273.1573.9245)
??+=1.04 kg/3m
在提馏段，液相密度2L ρ：
2
10.0582732/[0.058273218(10.05827)]10.09910
723.47964.34
L ρ??+?--=
+
32933.54/L kg m ρ=
气相密度2V ρ：
2V ρ=
22.095107.525
8.314(273.1593.3985)
??+=0.78 kg/3m
3.3.5 液体平均表面张力计算
不同温度下乙醇和水的表面张力（姚玉英《化工原理（上）》P362-365页附录二十
一）见表3-3。
表3-3乙醇和水不同温度下的表面张力
温度/℃
70 80 90 100 甲醇表面张力/3310/N m - 17.5 16.5 15.85 14.5 水表面张力/3310/N m - 64.3
62.6
60.7
58.8