【优秀毕设】甲醇水精馏塔毕业设计

中国矿业大学2010届本科生毕业设计 第2页 液气比 持液量 材质要求 安装维修 造价 重量 适应范围较大 较大 一般用金属材质制作 较容易 直径大时一般比填料塔造价低 较轻 对液体喷淋量有一定要求 较小 可用非金属耐腐蚀材料 较困难 直径小于800mm，一般比板式塔便宜，直径大时造价显著增加 较重 板式塔根据塔板上气液接触元件的不同可分为泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、舌形塔、浮

动舌形塔和垂直筛板塔等多种[3,4,5]，它们代表着板式塔的发展方向。

1.3塔设备的发展状况及方向[6,7]

我国塔设备技术的发展，经历了一个漫长的过程。目前，我国常用的板式塔型仍为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔和舌形塔等，填料种类除拉西环、鲍尔环外，阶梯环以及波纹填料、金属丝网等规整填料也常采用。近年来，参考国外塔设备技术的发展动向，加强了对筛板塔的科研工作，提出了斜孔塔和浮动喷射塔等新塔型。对多降液管的塔盘、导向筛板、网孔塔盘等，也都作了较多的研究，并推广应用于生产。其他如大孔径筛板、浮阀-筛板复合塔盘，以及喷淋塔盘、角钢塔盘、旋流塔盘、喷旋塔盘、旋液塔盘等多种塔型和金属胺环填料的流体力学性能、传质性能和几何结构等方面的试验工作也在进行，有些已取得了一定的成果或用于生产。

按照当前化学工程的发展水平分析，新型板式塔的发展可以归类为两个主要方面： （1）传统塔设备构型的改进，属于简单机制的深化； （2）传统塔设备构型机制强化，属于简单机制的复杂化。

鉴于塔设备在炼油和石化工业中的作用、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，可以得出我国现阶段和未来塔内件技术发展的方向，主要有三方面: (1) 塔内件现阶段实用技术的发展 (2) 塔内件储能技术的开发

(3) 大型塔设备的应用基础研究及科学话塔内件设计技术基础研究

1.4塔设备选型及要求[8,9]

对于一个具体的分离过程，设计中选择何种塔型，应根据生产能力、分离效率、塔压降。操作弹性等要求，并结合制造双修造价等因素综合考虑。例如，对于热敏性物系的分离，要求塔压降尽可能低，选用填料塔较为适宜；对于侧线进料和出料的工艺过程，选用板式塔较为适宜；对于有悬浮物或容易聚合物系的分离，为防止堵塞，宜选用板式塔。对于液体喷淋密度极小的工艺过程，若采用填料塔，填料层得不到充分润湿，使其分离效率明显下降，故宜选用板式塔；对于易发泡物系的分离，因填料层具有破碎泡沫的作用，宜选用填料塔。

为保证精馏过程的稳定、高效地操作，实现优质、高产、经济的分离，适宜的塔型及合理的设计是十分关键的，因此设备应满足一下要求：

(1) 生产能力大，即单位塔截面气、液两相通过能力大。不会产生液泛等不正常流动。

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(2) 效率高、操作稳定弹性大。当塔设备的气液负荷量有较大的波动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作，并且塔设备应保证能长期连续操作。 (3) 流体流动的阻力小，即流体通过塔设备的压力降小。这将大大节省成产过程中的动能消耗，以降低常规操作费用。对于减压蒸馏操作，较大的压力降还将使系统无法维持必要的真空度。 (4) 结构简单、材料耗用量小、制造和安装容易。这可以减少基建过程中的投资费用。 (5) 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。 结合以上对塔设备发展状况、选型要求的简介，为满是工艺要求, 本设计采用浮阀塔。

1.5设计步骤[10,11]

本设计的研究方法主要是结合设计内容和设计条件，参阅相关塔设备设计的资料，按照塔设备设计的要求进行设计，以达到培养我们设备设计工程概念的目的。

塔设备的设计一般主要包括两个部分：工艺设计和机械设计。工艺设计中要初步确定各阶段混合物的物理特性，由计算得出的具体数据再进行塔板的最基本设计，主要是与塔板有关的各种计算，在工艺设计的最后还要进行塔的附属设备设计。进入塔设备的机械设计部分后，塔的结构形式渐渐明朗化。机械部分要解决的问题，除了确定塔设备的各细节结构外，更重要的就是要做各种校核工作，以保证设计完成的塔设备不仅能够正常运转，而且必须符合国家安全生产的标准。其校核内容主要包括：质量载荷、地震载荷、风载荷等，还包括强度及稳定性校核。在完成设计部分的任务后，就进入画图阶段。图纸包括一张装配图和若干零件图，均采用计算机绘图，并严格按照设计尺寸进行绘制。

本设计的研究的步骤： (1) 工艺设计计算

① 计算理论塔板数，塔板效率，确定实际塔板数； ② 计算塔径（空塔气速）；

③ 塔盘设计，溢流装置设计，进行流体力学计算，绘制塔板负荷性能图； ④ 选择塔板间距，初步确定塔高。 （2）结构设计计算

① 塔体总体结构设计

② 设计塔盘结构，包括塔盘板、溢流装置、紧固件及支撑件结构；

③ 零部件设计，包括接管、裙座、人孔、塔内件、塔体辅助设备、法兰、吊柱以及平台扶梯。 （3）强度校核 对塔体、封头、裙座等进行强度计算和稳定性校核。 （4）绘制图纸。 （5）提出技术要求。

（6）编写设计说明书，整理图纸。

1.6本章小结

本章主要阐述了本设计的意义，简单分析了塔设备的类型、发展状况及选型要求，在此基础之上形成了本设计的基本设计方法和步骤，阐明了本设计的基本思路。

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2 精馏塔工艺设计计算

[11,12,13,14,15]

设计条件：

进料：；组成(mol%)：CH3OH（液）：0.49，H2O（液）：0.51 塔顶：D=300kt/h；组成(mol%)：CH3OH（气）：0.97， H2O（气）：0.03 塔底：组成(mol%)：CH3OH（液）：<0.5 %

操作压力：0.33MPa(表压) 操作温度：63～140℃ 进料状态：饱和液体进料 塔底加热蒸汽压力：0.35MPa 回流比：自选 塔类型：板式塔

符号说明：

F：原料液流量（kmol/s） 错误！未找到引用源。：原料组成（摩尔分数，下同） D：塔顶产品流量（kmol/s） 错误！未找到引用源。：塔顶组成

W：塔底残液流量（kmol/s） 错误！未找到引用源。：塔底组成

2.1精馏塔全塔物料衡算

2.1.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 已知：D＝错误！未找到引用源。 错误！未找到引用源。＝0.49

错误！未找到引用源。＝0.97 错误！未找到引用源。＝0.005 甲醇的摩尔质量：MA＝32kg／kmol 水的摩尔质量： MB＝18kg／kmol

2.1.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量

MD?32?0.97?18?0.03?31.58kg/kmol MF?32?0.49?18?0.51?24.86kg/kmol MW?32?0.005?18?0.995?18.07kg/kmol

2.1.3物料衡算

假设该甲醇-水分离塔的开工率为300天／年，则

?F?D?W根据物料衡算：?

?FxF?DxD?Wxw?F?1319.4?W代入数值：?

?F?0.49?0.97?1319.4?0.005W解得：F＝2625.2 kmol/h

W= 1305.8kmol/h

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2.2最小回流比的确定

根据表2-1中的数据绘制甲醇-水的x-y图，如图2-1所示。由甲醇-水的x-y图可知该平衡曲线为一不正常的平衡曲线，其具有下凹的部分，为减小误差，由作图法求最小回流比。

表2-1 甲醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度关系（摘自化工艺手册）[16]

平衡温度 t/℃

100 96.4 93.5 91.2 89.3 87.7 84.4 81.7 78.0

液相中甲醇的摩尔分数

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.15 0.20 0.30

气相中甲醇的摩尔分数

0 0.134 0.234 0.304 0.365 0.804 0.517 0.579 0.665

平衡温度 t/℃

75.3 73.1 71.2 69.3 67.6 66.0 65.0 64.5

液相中甲醇的摩尔分数 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 0.95 1.0

气相中甲醇的摩尔分数

0.729 0.779 0.825 0.870 0.915 0.958 0.979 1.0

如图2-1，延长点e与相平衡线相交，交点即为q(错误！未找到引用源。,错误！未找到引用源。。该点由图中读出q(xq,yq)?(0.49,0.77)，所以由公式：

xD?yqRmin?Rmin?1xD?xq可知，最小回流比： Rmin?

xD?yqyq?xq?0.9?70.0.49?1.7

0.7?70.49

图2-1.甲醇-水x-y平衡图