甲醇水填料塔 精馏课程设计！ 完整版

摘要：本说明书介绍了甲醇—水溶液填料精馏塔的优化设计，主要内容包括了此次课程设计的计算机编程—最佳回流比的优化计算、塔的主要尺寸设计（包括塔板的板面设计、阻力损失等）、辅助设备选型、填料精馏塔图纸的绘制等若干重要环节。本文详细阐述了设计的思路，计算贯穿在整个设计中，最后得出一定条件下的最优化设计方案，并在附录中填加了优化设计的程序清单。

关键词：甲醇精馏；填料塔；优化设计 1 前言

本次课程设计任务为设计一甲醇—水溶液填料精馏塔，要求处理量： 20000（吨/年）、料液浓度：15%（wt%）、产品浓度：99.5%（wt%）、回收率： 99.9%、填料类型：鲍尔环、每年实际生产时间：7200小时/年。通过对甲醇—水填料精馏塔的优化设计，提出对于一定工艺要求的最优化方案，从而达到节能和节省费用的目的。

在化工生产中，精馏是最常用的单元操作,，是分离均相液体混合物的最有效方法之一。在化学工业中，总能耗的40%用于分离过程，而其中的95%是精馏过程消耗的因此，有必要开辟多种途径来回收利用余热，降低再沸器能耗，实现精馏节能。同时，精馏所需费用在生产装置的总投资及操作费中占了相当大的比例。当今世界对甲醇的需求量极大，而甲醇的精馏也越来越受到重视，因此甲醇的精馏的研究也越来越重要。甲醇精馏塔的优化设计无论是对节省投资，还是降低能耗，都具有非常重要的意义。

为了使填料塔的设计获得满足分离要求的最佳设计参数(如理论板数、热负荷等) 和最优操作工况(如进料位置、回流比等) ,准确地计算出全塔各处的组分浓度分布(尤其是腐蚀性组分) 、温度分布、汽液流率分布等,常采用高效填料塔成套分离技术。而且,20 世纪80 年代以来,以“高效填料及塔内件”为主要技术代表的新型填料塔成套分离工程技术在国内受到普遍重视。由于其具有高效、低阻、大通量等优点,广泛应用于化工、石化、炼油及其它工业部门的各类物系分离。进入20 世纪90 年代,高效填料塔成套分离工程技术开始向行业化、复合化、节能化、大型化方向发展,如复合塔。所谓复合塔(Compound Tray) 是指人们将塔板与填料有机地结合起来而形成的一种新型塔板。其目的在于将塔板的优点和填料的优势加以互补。此种复合塔具有效率高、通量大及压降小的性能。在国内,复合塔板已在溶剂回收、酒精、丙酮和甲醇精馏中成功应用。

实践证明，对于甲醇精馏分离能力，不能仅依靠高效能的塔内件应用于

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塔内以达到降低能耗，而甲醇精馏工艺流程的改进也可以明显降低能耗． 2 方案论证 2.1 精馏塔类型

本次设计采用填料塔精馏。精馏是气液两相之间的传质过程，而传质过程是由能提供气液两相充分接触的塔设备完成，并要求达到较高的传质效率。根据塔内气液接触部件的结构型式，可分为板式塔与填料塔两大类。板式塔内设置一定数量塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上液层进行质量、热量传递，气液相组成呈阶梯变化，属于逐级接触逆流操作过程。填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶填料表面下流，气体逆流而上，（也有并流向下者）与液相接触进行质量、热量传递,气液相组成沿塔高连续变化,属于微分接触操作过程[4].

工业对塔设备的主要要求：①生产能力大；②传质、传热效率高；③气流的摩擦阻力小；④操作稳定，适应性强，操作弹性大；⑤结构简单、材料耗用量少；制造安装容易，操作维修方便。此外还要求不易堵塞、耐腐蚀等。实际上，任何塔设备都难以满足上述要求，因此，设计者应根据塔型特点、物系性质、生产工艺条件、操作方式、设备投资、操作与维修费用等技术经济评价以及设计经验等因素，依矛盾的主次，综合考虑，选择适宜的塔型。

2.2 精馏压力

塔的操作压力的选择实际上是塔顶和培底温度的选取问题[5]。在塔顶产品的组成被决定以后，塔顶的温度和压力只能选定一项。精馏操作通常可在常压、减压和加压下进行。确定操作压力时，必须根据所处理的物料性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行全面考虑。操作压力常取决于冷凝温度。一般除热敏性物料外，凡通过常压蒸馏不难实现分离要求，并能用江河水或循环水将馏出物冷凝下来的系统，都应采用常压蒸馏；对热敏性物料或混合液沸点过高的系统则宜采用减压蒸馏；对常压下馏出物的冷凝温度过低的系统，需提高塔压或采用深井水、冷冻盐水作为冷却剂；而常压下呈气态的物料必须采用加压蒸馏。例如苯乙烯常压沸点为145.2℃,而将其加热到102℃以上就会发生聚合，故苯乙烯应采用减压蒸馏；脱丙烷、丙烯塔操作压力提高到1765kPa时，冷凝温度约50℃，便可用江河水或循环水进行冷凝冷却，则运转费用减少[6]. 本次设计的对像为甲醇—水溶液物系，故采用常压精馏。 2.3 进料方式

进料可以是过冷液体(q＞1)、饱和液体(q＝1)、气液两相(1＞q＞o)、饱和

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蒸气(q＝o)或过热蒸汽(q＜o)。不同的进料状态对塔的热负荷、塔径和所需的培板数都有影响，但进料状态主要取决于系统的前一工序的物料状态。从设计的角度来看，饱和液体进料时，精馏段和提馏段的气液流率基本相近，两段塔径可以相同以便于设汁和制造，操作上也比较容易控制。因此，如果原料为过冷液体，可考虑加设原料预热器，将料液预热至泡点。从操作费用的角度来看，对于高温精馏(即塔顶用冷却水冷凝，塔釜用低压蒸汽加热)，当D／F值大时宜采用较小的q值；当D／F值较小时宜采用q值较大的气液相混合进料；对于低温精馏(如塔顶用173K液态乙烯蒸发制冷，塔釜用273K丙烯蒸汽加热)，不论D／F值如何，均以采用较高的q值为经济[6]。对于具体情况，需要综合考虑设备费用和操作费用两方面的因素。因此，本次设计采用泡点进料方式。 2.4 填料类型

填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。较典型的散装填料有拉西环，鲍尔环，阶梯环，矩鞍形、弧鞍形，环矩鞍形等。规整填料是按一定的几何图形排列，整齐堆砌的填科。规整填料种类很多，根据其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等，工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填料。波纹填料按结构分为网波纹填料和板波纹填料两大类，可用陶瓷、塑料、金同等材质制造。规整填料其特点是压降低、分离效率高，特别适用于精密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏性物系的精馏提供了有效的手段。尽管其造价高，但因性能优良仍得到了广泛的应用。

本次设计填料采用鲍尔环，方式为乱堆。鲍尔环它的结构是在普通拉西环的壁上开一层或两层长方形孔。开孔时，孔材不完全从环上断开，而是断开四边形的三条边，保留另一边，并使其开出舌状弯向环的中心，几乎在环中心对接起来。上下两层孔的位置是错开的。—般孔的面积为整个环壁的35％左右。这样．气、液体便可从一个个孔中流过，流通性能改善，对于同样的孔隙率流动阻力大为降低，环的内表面积得以充分利用。只外，由于开孔后保留的舌片向中心弯去，所以液体的分布较为均匀，改进了拉西环使液休向壁偏流的缺点。正固如此，与拉西环相比．鲍尔环具有生产能力大、阻力小、效率局、操作弹性大等优点。 2.5 加热方式

本次设计选用直接蒸加热。塔釜料液的加热方式可以是间接加热或直

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接加热。通常情况下，如果要求加热的温度低于180℃，一般都采用饱和水蒸气作为加热剂(也可以使用其他工序的热载体)。为了避免加热蒸汽冷凝产生的冷凝水与塔内的物料混合，塔底可设再沸器采用间接方式加热，同时管线上应安装冷凝水排除器(疏水器)，以便在防止蒸汽逸出的情况下及时地排除冷凝水。如果精馏的物料是水溶液，水为难挥发组分，则可采用直接蒸汽加热的方式，塔底只需设置简单的蒸汽分布管，不需要设置再沸器。如果塔底要求加热的温度超过了180℃左右，则应考虑采用其他的高温热源，如烟道气等。关于加热蒸汽温度的选择，应考虑经济效益，传热温差不宜选取得过大，以能够使跺脚传热维持在核状沸腾阶段为宜。过高的蒸汽温度或压力不仅不利于传热，而且还将导致设备费用和操作费用大大增加。 2.6回流比的选择

适宜的回流比是指精馏过程中设备费用与操作费用两方面之和为最低时的回流比。精馏过程的主要设备费用有精馏塔，再沸器和冷凝器，当回流比最小时，塔板数为无穷大，故设备费用最大，当回流比略大于最小回流比时，塔板数便从无穷多锐减到某一值，塔的设备费用随之锐减，当回流比继续增大时，塔板数仍随之减少，但已较缓慢。但是，由于回流比的增加，导致上升蒸气量随之增加，从而使塔径、再沸器、冷凝器等尺寸相应增大，设备费用随之上升。对特殊物系的场合，则应根据实际需要选定回流比。在进行课程设计时，也可参考同类生产的经验值选定，必要时可选若干个R值，利用吉利兰图（简捷法）[5]求出对应理论塔板N，N-R曲线，从中找出适宜操作回流比。 3 数学模型的建立

优化设计模型以填料精馏塔年总费用最低为优化目标，用菲波那契法求解单变量优化问题，回流比R为变量建立数学模型如下：

J?J1?J2?J3?J4 3-1

式中

J J1

J2

填料精馏塔年总费用，元/年；

填料精馏塔塔体年投资折旧费及维修费用，元/年； 冷凝器年运转费用，元/年；

再沸器年运转费用或加热蒸汽费用，元/年； 填料年折旧费用，元/年。

J3

J4

3.1 精馏塔塔体年投资折旧费及维修费用J1

J1?M&SI?Fc?0.06?CH 3-2

式中

0.06 Fc

精馏塔年维修费用比率；

年折旧率；一般可取折旧年限5~8，Fc=0.125~0.2；

4

CH

M&SI

塔体费用，元；

通货膨胀系数，缺乏数据时按年增5%计算。

其中塔体费用CH为：

?H?2CH?Cexp?6.95?0.1808lnWs?0.02468?lnWs??0.0158? 3-3

DT??其中： Ws=pDT(H+0.8116DT)brs，H?N?HETP?HA 式中

Ws

C

塔质量，kg；（化工系统工程基础） 美元与人民币兑换率； 塔高，m；

塔壁厚，m；常压b?3mm，可取5mm； 碳钢密度，kg/m3； 塔径，m； 理论塔板数； 等板高度，m；

塔两端高度，m；包括塔顶空间、塔底空间、裙座（常用化工单元设备的设计）、及塔内件、进料等空间的总和。

H

b

?s

DT

N

HETP

HA

等板高度与许多因素有关，不仅取决于填料的类型和尺寸，而且受系统物性、操作条件及设备尺寸的影响。目前尚无准确可靠的方法计算填料的等板高度，一般采用实验的方法测定，或从工业应用的实际经验中选取HETP值，或从填料手册中查得。 本次设计采用下式计算：

HETP?0.3048exp?n?0.187ln?L?0.213ln?L?

式中

?L ?L

液体表面张力，N/m； 液体粘度，Pa.s。

式中n值见下表（吴俊生，邵惠鹤．精馏设计、操作和控制．北京：中国石化出版社．1997） 填料种类 金属鲍尔环 金属矩鞍环 陶瓷矩鞍环

填料尺寸

#25（1英寸）

1.3104 1.3104 1.3104

#40（1.5英寸）

1.5747 1.5499 1.5953

#50（2英寸）

1.8380 1.7482 1.9029

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