李建 化工原理课程设计 参考 - 图文(3)

李健 化工070325 甲醇-水二元筛板精馏塔设计

已知：进料量F=240 kmol/h

进料浓度ZF= 0.15（摩尔分数）

进料状态：q＝ 1

操作条件：塔顶压强为4 kPa(表压)，单板压降不大于0.7kPa。

塔顶冷凝水采用深井水，温度t＝12℃； 塔釜加热方式：间接蒸汽加热

全塔效率ET = 52%

分离要求： ?D= 0.995 ；?W= 0.002 ；回流比R/Rmin =1.6 。

1.5精馏塔的设计步骤

a) b) c) d)

根据设计任务和工艺要求，确定设计方案； 根据设计任务和工艺要求，选择塔板类型； 确定塔径、塔高等工艺尺寸

进行塔板的设计，包括溢流装置的设计塔板的布置升气道（泡罩筛孔或浮阀等）的设计及排列；

e) 进行流体力学验算； f) 绘制塔板的负荷性能图；

g) 根据负荷性能图，对设计进行分析，若设计不够理想，可对某些参数进行调整，重

复上述设计过程，一直到满意为止。

第二节 设计方案的确定

2.1操作条件的确定 2.1.1 操作压力

塔的操作压力的选择实际上是塔顶和塔底温度的选取问题。在塔顶产品的组成确定以后，塔顶的温度和压力只能选定一项。

2.1.2 进料状态

若进塔原料为过冷液体，q值大，则热量主要由塔釜输入，必要求蒸馏釜的传热面积大，设备体积大，此外，因提馏段气液流量大，提馏段塔径要加大。于是，冷液进塔虽可减少理论塔板数，使塔高降低，但蒸馏釜及提馏段塔径增大，亦有不利之处。泡点

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进料时，塔的操作易于控制，不受环境影响。此外，泡点进料，提馏段和精馏段塔径大致相同，在设备制造上比较方便。所以根据设计要求，泡点进料，q＝1。

2.1.3 加热方式

精馏塔的设计中多在塔底加一个再沸器以采用间接蒸汽加热以保证塔内有足够的热量供应；由于甲醇-水体系中，甲醇是轻组分由塔顶冷凝器冷凝得到，水为重组分由

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塔底排出。所以本设计应采用再沸器提供热量，采用3kgf/cm（温度130℃）间接水蒸汽加热。

2.1.4 冷却剂与出口温度

采用深井水，入口温度t＝12℃，由于水的出口温度一般不能超过50℃左右，否则溶解于水中的无机盐将会析出，在传热壁面上形成污垢而影响传热效果。同时考虑到塔顶产品与冷却剂之间必须保持10到20℃的传热温差，取冷却剂出口温度为30℃

2.1.5 回流比（R）的选择

实际操作的R必须大于Rmin，但并无上限限制。选定操作R时应考虑，随R选值的增大，塔板数减少，设备投资减少，但因塔内气、液流量L，V，L’，V’增加，势必使蒸馏釜加热量及冷凝器冷却量增大，耗能增大，即操作费用增大。若R值过大，即气液流量过大，则要求塔径增大，设备投资也随之有所增大。其设备投资操作费用与回流比之间的关系如下图所示。总费用最低点对应的R值称为

最佳回流比。设计时应根据技术经济核算确定最佳R值，常 用的适宜R值范围为：R＝（1.2～2）Rmin。本设计考虑以上 原则选用：R＝1.6Rmin。

2.1.6热能的利用

精馏过程的热效率很低，进入再沸器的能量的95%以上被塔顶冷凝器中冷却介质带走，仅约5%的能量被有效地利用。采用热泵技术可使塔顶蒸气温度提高，提高了温度的蒸气再用于加热釜液，使釜液蒸发的同时，塔顶蒸气冷凝。该方法不仅可节省大量的加热蒸汽，而且还节省了大量的冷却介质。当然，塔顶蒸气可用作低温系统的热源，或通入废热锅炉产生

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低压蒸汽，供别处使用。在考虑充分利用热能的同时，还应考虑到所需增加设备的投资和由此给精馏操作带来的影响。

2.2 确定设计方案的原则

总的原则是尽可能多地采用先进的技术，使生产达到技术先进、经济合理的要求，符合优质、高产、安全、低能耗的原则，具体考虑以下几点。

⑴满足工艺和操作的要求 所设计出来的流程和设备能保证得到质量稳定的产品。由于工业上原料的浓度、温度经常有变化，因此设计的流程与设备需要一定的操作弹性，可方便地进行流量和传热量的调节。设置必需的仪表并安装在适宜部位，以便能通过这些仪表来观测和控制生产过程。

⑵满足经济上的要求 要节省热能和电能的消耗，减少设备与基建的费用，如合理利用塔顶和塔底的废热，既可节省蒸汽和冷却介质的消耗，也能节省电的消耗。回流比对操作费用和设备费用均有很大的影响，因此必须选择合适的回流比。冷却水的节省也对操作费用和设备费用有影响，减少冷却水用量，操作费用下降，但所需传热设备面积增加，设备费用增加。因此，设计时应全面考虑，力求总费用尽可能低一些。 ⑶保证生产安全 生产中应防止物料的泄露，生产和使用易燃物料车间的电器均应为防爆产品。塔体大都安装在室外，为能抵抗大自然的破坏，塔设备应具有一定刚度和强度。

第三节 板式精馏塔的工艺计算

1．理论塔板数的计算与实际板数的确定 1.1 理论板数计算

1.1.1 物料衡算

质量分数与摩尔分数转换：

质量分数 摩尔分数 0.15 0.991146 0.001126 ?F ?D 0.239 0.995 0.002 ?W

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已知进料量F?240Kmol/h，进料组成XF?0.15，进料q?1 设计要求：XD?0.991146 XW?0.001126 衡算方程 ：

Kmol/h?F?D?W??240?D?W?D?36..09??????FX?DX?WX240?0.15?0.991146D?0.001126WKmol/hDW???W?203.91?F

1.1.2 q线方程

XF?0.15 q?1?q线方程为：X?0.15

读图可知平衡线和q线交点为Xe?0.15,Ye?0.518

1.1.3 Rmin和R的确定

RminXD?Ye0.99?0.518???1.283 Ye?Xe0.518?0.15R?1.6Rmin?1.6?1.238?2.05

1.1.4 精馏段操作线方程的确定

精馏段操作线方程：

Yn?1?XR2.050.991146Xn?D?Xn??0.6721Xn?0.32497 R?1R?13.053.051.1.5精馏段和提馏段气液流量的确定

已知 D＝36.09kmol/h R＝2.05 精馏段：L＝RD＝73.985kmol/h

V＝（R＋1）D＝110.0745kmol/h

提馏段：L’＝L＋qF＝73.985+240=313.985kmol/h V’＝V－（1－q）F＝V＝110.0745kmol/h

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1.1.6提馏段操作线方程的确定

提馏段操作线方程：

Ym?1?

WXWL'313.985203.91?0.001126Xm??.Xm??2.85248Xm?0.002086V'V'110.0745110.07451.1.7 逐板计算法

逐板计算法,就是从塔顶或塔底出发,交替使用相平衡方程和操作线方程,逐板计算各理

论板的气、液相组成,直到达到规定的分离要求为止。每利用一次相平衡关系就算做一块理论塔板，利用相平衡关系的总次数就是所需的总理论板数。

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