化工原理课程设计—甲醇和水筛板精馏塔分离

设计计算<一>设计方案的确定本设计任务为分离甲醇-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，将原料液通过预加热器至泡点后送入精馏塔内。

塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，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。

该物系属易分离系，最小回流比，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。

<二>精馏塔的物料衡算1、原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率甲醇的摩尔质量 M 甲醇=32.04kg/ kmol 水的摩尔质量 M 水=18.02kg/kmolX F =0.432.04=0.2730.40.6+32.0418.02 X D =0.999732.04=0.99470.99970.0003+32.0418.02X W =0.00532.04=0.0028180.0050.995+32.0418.022、原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量M F =0.273×32.04+（1—0.273）×18.02=21.85kg/kmol M D =0.9947×32.04+(1—0.9947）×18.02=31.96kg/kmol M W =0.002818×32.04+(1—0.002818)×18.02=18.06kg/kmol 3、物料衡算 原料处理量：F=210000000=115.573302421.85⨯⨯⨯kmol/h总物料衡算：F=D+W 115.57=D+W甲醇物料衡算：FX F =DX D +WX W 115.57×0.273=D×0.9947+W×0.002818 联立解得 D=31.48kmol/h w=84.09kmol/h <三>塔板数的确定 1、理论板数的求取 ①由 y=1+(-1)xxαα及甲醇—水在不同温度下的汽—液平衡组成温度 液相 气相 a 温度 液相 气相 a 92.9 0.0531 0.2834 7.05 81.6 0.2083 0.6273 6.4 90.3 0.0767 0.4001 8.03 80.2 0.2319 0.6485 6.11 88.9 0.0926 0.4353 7.55 78 0.2818 0.6775 5.35 86.6 0.1257 0.4831 6.5 77.8 0.2909 0.6801 5.18 85 0.1315 0.5455 7.93 76.7 0.3333 0.6918 4.49 83.2 0.1674 0.5586 6.29 76.2 0.3513 0.7347 5.11 82.3 0.1818 0.5775 6.15 73.8 0.462 0.7756 4.02 72.7 0.5292 0.7971 3.49 68 0.7701 0.8962 2.57 71.3 0.5937 0.8183 3.08 66.9 0.8741 0.9194 1.64 700.6849 0.8492 2.59am=1919......3.2.1a a a a =4.83 得到相平衡方程 y=4.83=1+(-1)x 1+3.83x xxαα因为泡点进料，所以q=1 且Xq=XF=0.273 且q 点过相平衡线 则y q=4.83=0.6451+3.83qqx x =0.645Rmin=D q q qx y y x --=0.94 取操作回流比 min 2.0 1.88R R ==2、求精馏塔的气液相负荷==RD L 1.88×31.48=59.18kmol/h V=(R+1)D =2.88×31.48=90.66kmol/hL =L+F=59.18+115.57=174.75kmol/h V =V=90.66kmol/h3、求操作线方程 精馏段操作线方程 1n y +=1RR ++1D x R +=0.6528Xn+0.3454 提馏段操作线方程 1W n n Wx Ly x V V+=-=1.927Xn-2.614×10-35、逐板计算法求理论板数因为塔顶为全凝器 10.9947D y X == 通过相平衡方程求 X 1=11=0.97494.83-3.83y y再通过精馏段操作线方程 y 2=0.6528X 1+0.3454=0.9818 ，如此反复得当X 6<Xq 后，改用相平衡方程与提馏段操作方程yn+1=1.927Xn-12.614×10-3计算.如此反y 12=7.88×10-3x 12=1.64×10-3<0.002818可得到进料板位置 N F=6总理论板数 N T =12 <包括再沸器> 2、实际板层数的求取精馏段实际板层数：N 精=50.6=8.3≈9 提馏段实际板层数：N 提=60.6≈10（不包括再沸器）<四>精馏塔工艺条件及有关物性数据的计算 1、 操作压力计算塔顶操作压力 P D =101.3+4=105.3KPa 每层塔板压力降 P=0.7KPa进料板压力 P F =105.3+0.7×9=111.6KPa 塔底压力 Pw=P F +0.7×10=118.6KPa精馏段平均压力 Pm=105.3+111.6=108.452KPa提馏段平均压力 P m ′=111.6+120=115.12KPa2、 操作温度计算（内插法得）根据甲醇-水的气-液平衡组成表，再通过内插法得： 塔顶温度 t D =64.79℃ 进料板温度 t F =78.3℃ 塔釜温度 t w =99.6℃精馏段平均温度 t m =+64.79+78.3==71.5422D F t t ℃ 提馏段平均温度 t m ′=+78.3+99.6==88.9522F W t t ℃3、 平均摩尔质量的计算塔顶平均摩尔质量计算由X D =y 1=0.9947 通过相平衡方程求得 X 1=0.9749M VDM =y 1M 甲+（1-y 1）M 水=0.9947×32.04+(1-0.9947) ×18.02=31.97Kg/Kmol M LOM =X 1M 甲+（1-X 1）M 水=0.9749×32.04+(1-0.9749) ×18.02=31.69 Kg/Kmol 进料板平均摩尔质量计算通过逐板计算得进料板y F =0.5603，再通过相平衡方程得X F =0.2087 M VFM = y F M 甲+（1-y F ）M 水=0.5603×32.04+（1-0.5603）×18.02=25.87Kg/Kmol M LFM =X F M 甲+（1-X F ）M 水=0.2087×32.04+（1-0.2087×18.02）=20.95Kg/Kmol塔釜平均摩尔质量的计算由X w =0.002818 查平衡曲线得 y w =0.01346M VWM =y w M 甲+（1-y w ）M 水=0.01346×32.04+（1-0.01346）×18.02=18.21Kg/Kmol M LWM =X W X 甲+（1-X W ）M 水=0.002818×32.04+（1-0.002818）×18.02=18.06Kg/Kmol 精馏段平均摩尔质量M VM =VDM VFM (M +M )31.97+25.87==28.92/22Kg KmolM LM =LDM LFM (M +M )31.69+20.95==26.32/22Kg Kmol提馏段平均摩尔质量M VM ′=VDM VFM (M +M )25.87+18.21==22.04/22Kg KmolM LM ′=LFM LWM (M +M )20.95+18.06==19.50/22Kg Kmol4、平均密度计算⑴气相平均密度计算由理想气体状态方程计算 即 精馏段VM =m vm P M 108.4528.92==1.0948.314(71.54+273.15)m RT ⨯⨯ Kg/m提馏段vm ′=m vm P M 115.122.04==0.84278.314(88.95+273.15)m RT ''⨯'⨯ ⑵液相平均密度计算 液相平均密度按下式计算 即i 1a =m i∑ρL ρ 塔顶液相平均密度的计算 由t D =64.79℃ 查手册得 甲=747.168Kg/m水=980.613Kg/mLPM =11==747.70.9970.003++746.168980.613甲水D wωωρρKg/m进料板液相平均密度计算 由t F =78.3℃ 查手册得 甲=735.53 Kg/m水=972.82 Kg/m进料板液相的质量分率F x 0.208732.04===0.3192x +(1-x )M 0.208732.04+0.791318.02F F M aA M ⨯⨯⨯甲甲水LFM =11==881.91-0.31920.6808++735.53972.82甲水A A ααρρKg/m提馏段液相平均密度计算 由t w =99.6℃ 查手册得 甲=716.36Kg/m水=958.176 Kg/mLWM = 11==957.061-0.0050.995++716.36958.676甲水w w ωωρρKg/m精馏段液相平均密度为LM =747.7881.91814.822LDM LFM ρ+ρ+== Kg/m 提馏段液相平均密度LM′=881.91+957.06919.4822LFM LWM ρ+ρ==Kg/m 5、液体平均表面张力的计算 液相平均表面张力依下式计算 即LM =X ii塔顶液相平均表面张力的计算 由t D =64.79℃查手册得甲=18.31mN/m水=65.29Mn/mLOM =X D甲+（1-X D ）水=0.9947×18.31+0.0053×65.29=18.56mN/m进料板液相平均表面张力的计算 由t F =78.3℃ 查手册得 甲=17.0647mN/m水=62.889mN/mLFM =X F甲+（1-X F ）水=0.2087×17.0647+0.7913×62.889=53.32mN/m塔釜液相平均表面张力的计算 由tw=99.6℃ 查手册得 甲=14.93mN/m 水=58.9mN/mLWM =X w甲+(1-X w )水=0.002818×14.93+（1-0.2087）×62.889=53.32mN/m精馏段液相平均表面张力为LM =18.5653.3235.9422L LFM OM δ+δ+==mN/m提馏段液相平均表面张力为L M′=53.3258.7856.0522LFM LW M δ+δ+==mN/m 6、液体平均粘度计算液相平均粘度以下式计算，即lgLM=X i lgi塔顶液相平均粘度计算 由t D =64.79℃查手册得甲=0.3289mpa.s水=0.4479mpa.slgLDM =X D lg 甲+（1-X D ）lg 水=0.9947g （0.3289）+（1-0.9947）lg （0.4479）=—0.4825LDM =0.3292mpa.s进料板液相平均粘度计算 由t F =78.3℃查手册得甲=0.28193mpa.s 水=0.37084mpa.slgLFM =X F lg 甲+（1-X F ）lg 水=0.2087lg (0.28193)+(1-0.2087)lg(0.37084)=—0.4557LFM =0.35mpa.s由t w =99.6℃ 查手册得甲=0.226mpa.s 水=0.289mpa.slgLWM =X w lg 甲+(1-X w )lg 水=0.002818lg(0.226)+(1-0.002818)lg(0.289)=-0.5394LWM =0.2888mpa.s精馏段液相平均黏度为LM =+0.32920.350.339722LDM LFM μμ+==mpa.s 提馏段液相平均黏度为L M′=0.28880.350.319422LFM LW M μ+μ+==mpa.s <五>精馏塔的塔体工艺尺寸计算1、 塔径的计算精馏段的气液相体积流率为 Vs=90.6628.92==0.665736003600 1.094vm vm VM ⨯⨯ρ m/sLs=59.1826.32==0.00053136003600814.8lm lm LM ⨯⨯ρ m/s提馏段的气液相体积流率为V s ′=90.6622.04==0.6586360036000.8427vm vm VM '⨯'⨯ρm /sL s ′=174.7519.50==1.02936003600919.48lm lm LM '⨯'⨯ρ×10-3 精馏段 u max =-L VVc ρρρ式中C 由C 20求取，C 20可通过查图（P 129页）筛板塔的泛点关联图的横坐标 0.000531814.8=0.6657 1.094sL sV L V ρρ 取板间距H T =0.35m （通过筛板塔的的泛点关联图）（书P 129 图10-42）得到C 20=0.068 C=C 20（20dL ）0.2=0.068×(35.9420) 0.2=0.07646 最大空塔气速u max =-814.8-1.094=0.0746=2.085/1.094L V V cm s ρρρ 取安全系数为0.8，则空塔气速u=0.8u max =0.8×2.085=1.668m/s 440.6657==0.7133.14 1.668s V m u π⨯⨯按标准塔径圆整后 D=0.8m （据书P 129 表10-1）塔截面积为A T = 3.140.8==0.502444D π⨯²²m ² 实际空塔气速 u=0.6657==1.325/0.5024s T V m s Amax 1.325==0.632.085u u 实(安全系数在允许范围内，符合设计要求) 提馏段同理查阅得C201.0291030.6586⨯-=0.05161查表得 H T =0.35m C 20′=0.07 C ′=C20′(20L δ')0.2=0.07(56.0520)0.2=0.08602 Umax ′=C同上取安全系数0.8 u ′=0.8 Umax ′=0.8×2.84=2.272m/s D ′=圆整取D ′=0.8m 同上A T ′=0.5024㎡ 实际空塔气速u ′=T 0.65861.313A 0.5024s V '==' max 1.313==0.462.84u U ''（符合安全系数范围，设计合理）2、精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为Z 精=（N 精-1）H T =（9-1）×0.35=2.8m 提馏段有效高度为Z 提=（N 提-1）H T =（10-1）×0.35=3.15m 在加料板上设一人孔，其高度为0.7m故精馏塔的有效高度为Z=Z 精+Z 提+0.7=2.8+3.15+0.7=6.65m <六>塔板主要工艺尺寸的计算 1、溢流装置计算因塔径D=0.8，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘 ⑴堰长l w 取l w=0.6D=0.48m ⑵溢流堰高度h w 由h w =h L —h ow 选用平直堰，堰上液层高度h ow =2.84()/31000hwL E l ²取E=1.03 h ow =2.840.00053136001.03()/3=7.3510000.48⨯⨯⨯²mm h ow ′=2.840.00102936001.03()/3=11.3110000.48⨯⨯⨯²mm取板上清液高度为h L =60mm h w =60-7,35=0.05265m h w ′=60-11.31=0.04869m ⑶弓形降液管宽度w d 和截面积A f 由=0.6lw D 查图（P127页 弓形降液管的宽度与面积图）得=0.052f T A A =0.1dw D所以A f =0.052A T =0.052×0.5024=0.02612㎡W d =0.1D=0.1×0.8=0.08m所以依式计算液体在降液管中的停留时间精馏段：=360036000.026120.35==17.2170.0005313600f T h A H s L ⨯⨯⨯ > 3~5s （故设计合理） 提馏段：′=360036000.026120.35==8.8840.0010293600f T h A H s L '⨯⨯'⨯ >3~5s(故设计合理)⑷降液管低隙高度h 。