甲醇-水分离精馏塔设计 完整版

1 0.4 4.04 0.4(1 0.729)

2

3
4
则
0.9194 (1 0.8741) 1.643 0.8741 (1 0.9194)

m

1 2 3
4
4
4.65
相平衡方程为；
y x/ 1 ( 1x )
化工原理课程设计
甲醇-水分离精馏塔的设计
系
别：
应用化学与环境工程系系 应用化学 09 级 1 班 燕化龙 5090ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ021033 秦英月 2012 年 6 月 1 日
专业（班级） ： 作者（学号） ： 指导教师： 完成日期：
设计内容及要求
一、设计任务：
在抗生素类药物生产过沉重， 需要甲醇溶媒洗涤晶体， 洗涤过后产生废甲醇溶媒， 其组成为含甲醇 46%、水 54%（质量分率，下同） ，另含有少量的药物固体颗粒。 为使废甲醇溶媒重复利用，拟修建一常压操作的连续精馏塔。要求年处理量为 5 万吨，馏出液组成为含水 2%，废水含甲醇≤0.5%
2.4 求理论板数：逐板计算法（塔顶全凝器）
应用精馏方程： y1=xD=0.965 xw=0.00282 第一块塔板： y1=xD=0.965
q
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x1=0.856 第二块塔板： y2=0.900 x2=0.66 第三块塔板： y3=0.782 x3=0.44 第四块塔板： y4=0.65 x4=0.29 此时 x4<xF 换用提留段方程： 第五块塔板： y5=0.52 x5=0.19 第六块塔板： y6=0.34 x6=0.1 第七块塔板： y7=0.18 x7=0.045 第八块塔板： y8=0.079 x8=0.018 第九块塔板： y9=0.03 x9=0.0066 第十块塔板： y10=0.0096 x10=0.0021 此时 x10=0.0021<0.00282 即为提留段所需的板数。 所需要的总的理论板数为：10 精馏段理论板层数为 4，第 4 层为加料板 提镏段理论板层数为 6（包括再沸器）
2.3 求操作线方程
精馏段操作线方程： L D 92.55 61.7 y x xD x xD =0.6x+0.4xD V V 154.25 154.25 提馏段操作线方程： L W 277.41 123.15 y x xW x xW 1.8 x 0.8 xW V V 154.25 154.25
2、操作温度计算
依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中苯，甲苯的饱和蒸气压 由内差法计算。计算结果如下： 塔顶温度： t D 64.7 C 进料板温度： t F 78.2 C 塔底温度：tW =99.5 C 精馏段平均温度： t M （64.7+78.2）/2=71.45 C 提馏段平均温度：T m=(78.2+99.5)/2=88.85 C
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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 水的摩尔质量
xF
M甲醇 32kg / kmol M水 18kg / kmol
0.46 / 32 =0.324 0.46 / 32 0.54 / 18 0.98 / 32 xD =0.965 0.98 / 32 0.02 / 18 0.005 / 32 xW =0.00282 0.005 / 32 0.995 / 18
因为
所以 xq xf 0.324
代入相平衡方程解得： yq=0.701 xD yq 0.75 Rmin= yq xq R=2Rmin=1.5
2.2 精馏塔的气液相负荷
精馏段液体流量 精馏段气体流量 提馏段液体流量 提馏段气体流量
L=RD=1.5×61.7=92.55kmol/h V=(R+1)D=(1.5+1)×61.7=154.25kmoi/h L′=L+F=92.55+184.86=277.41kmol/h V′=V=154.25kmoi/h
五、设计要求
（1）设计计算说明书撰写规范、严谨，条理清晰； （2）数据可靠，论证合理，有设计价值； （3）图纸绘制应符合化工制图的标准。
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学生
签名：
指导教师 签名：
系主任
签名：
教研室主任签名：
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目录
一、符号说明 ...................................................5 二 、精馏塔的物料衡算 ...........................................7 三、塔板数的确定 ................................................7 四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 .........................9 五、精馏塔的工艺尺寸计算 ....................................... 12 六、塔板主要工艺尺寸的计算 ..................................... 13 七、筛板的流体力学验算 ......................................... 16 八、塔板负荷性能图 ............................................. 18 九、各接管尺寸的确定 ........................................... 21 十、塔体设计总表 ............................................... 23 十一、绘制生产工艺流程图 ....................................... 25 十二、绘制塔体及内件尺寸 ....................................... 26 十三、问题讨论： ............................................... 27 十四、设计感想 ................................................. 28 参考文献 ...................................................... 29 谢 辞 ........................................................ 29
希腊字母
α－相对挥发度 β－充气系数，量纲为一 δ－筛板厚度， m ξ－孔隙率，量纲为一 μ－粘度 Cp θ－液体在降液管停留的时间， s ρ－密度 kg/m3 Φ－开孔率，量纲为一 σ－表面张力
下标
r －气相 L －液相 l －精馏段 min－最小 max－最大 A －易挥发组分 B －难挥发组分 L －液相的 V－气相的 W－塔底的 D－塔顶的 F－进料版的
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（11）对设计过程的评述和有关问题的讨论。
四、设计数据基础
甲醇 -水物系的气液平衡数据 温度 t℃ 100 96.4 93.5 91.2 89.3 87.7 84.4 81.7 78.0 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 0.0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.15 0.20 0.30 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 0.0 0.134 0.234 0.304 0.365 0.418 0.517 0.579 0.665 0.729 0.779 0.825 0.870 0.915 0.958 0.979 1.0
2、 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
MF 0.324 32 (1 0.324) 18 22.54kg / kmol
MD 0.965 32 (1 0.965) 18 31.51kg / kmol MW 0.00282 32 (1 0.00282) 18 18.04kg / kmol
3、 物料衡算
原料处理量 总物料衡算 易挥发组分物料衡算 联立上式（1） 、 （2）得：
F 4166.7 / 22.54 184.86kmol / h
F=D+W 0.324F=0.965D+0.00282W D= 61.7kmol/h W=123.15 kmol/h （1 ） （2 ）
三、塔板数的确定
1、q 值的计算
因为泡点进料，所以 q=1
2、理论板数的确定 2.1 最小回流比的求取：
全塔平均相对挥发度的求取；
y (1 x ) x (1 y ) 得
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由

1
0.304(1 0.06) 6.84 0.06(1 0.304) 0.517(1 0.15) 6.07 0.15(1 0.517)
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一、符号说明
英文字母
Aα －阀孔的鼓泡面积 m2 Af －降液管面积 m2 AT －塔截面积 m2 b －操作线截距 C －计算 umax 负荷系数（无因次） c0 －流量系数（无因次） D －塔顶流出液量 kmol/h D －塔径 m d－ 填料直径， m d0 －阀孔直径 m ET －全塔效率（无因次） E －液体收缩系数（无因次） ev －物沫夹带线 kg 液 /kg 气 F －进料流量 kmol/h F0 －筛孔动能因子 m/s g －重力加速度 m/s2 HT －板间距 m Hd －清液高度 m hc －与干板压强相当的液柱高度 m hd －与液体流过降液管的压降相当液柱高度 m hl－与板上液层阻力相当的液柱高度 m hf －板上鼓泡层高度 m hL －板上液层高度 m h0 －降液管底隙高度 m how－堰上液层高度 m hw －出口堰高度 m hσ －与克服液体表面张力的压降所相当的液柱高度 m K －物性系数（无因次） Lh－液体体积流量 m3/h lw－堰长， m Ls －液体体积的流量 m3/s Lw －溢流堰长度 m M －分子量 kg/kmol N －塔板数 NT －理论塔板数 P －操作压强 Pa Δ P－压强降 Pa q －进料状态参数 R －回流比 Rmin－最小回流比
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u －空塔气速 m/s u0－气体通过筛孔的速度 ,m/s uo,min－漏液点气速， m/s tF－ 进料板温度℃ tD－塔顶 温度℃ tW－塔底 温度℃ tm－平均 温度℃ W－釜残液流量 kmol/h wc －边缘区宽度 m wd －弓形降液管的宽度 m ws －破沫区宽度 m x －液相中易挥发组分的摩尔分率 y －气相中易挥发组分的摩尔分率 Z －塔高 m
2.5 实际板数的求取
精馏段实际板数：ND=4/0.56=8 提馏段实际板数：N W=6/0.56=11
四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算
1、操作压力计算
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塔顶操作压力
每层塔板压降 进料板压力 塔底压强为 精馏段平均压力
PD＝4＋101.3＝105.3 kpa
ΔP=0.7kpa PF=105.3＋ 0.7×8=110.9kpa P w＝ PF＋ 11×0.7＝118.6 kpa P m＝（ 105.3＋ 108.8）/2=107.1kpa
3、平均摩尔质量计算
塔顶平均摩尔质量计算 y1 = xD=0.965 由相平衡方程算得 x1 =0.856
二、操作条件：
操作压力： 4kPa（表压）
进料状况：自选 回流比：自选 单板压降：<0.7kPa 全塔效率：ET＝56％ 三、塔板类型 筛板 四、工作日 每年 300 天，每天 24 小时连续运行 五、厂址 建厂地址：蚌埠地区
三、设计内容
（1）精馏塔的物料衡算 （2）塔板数的确定 （3）精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 （4）精馏塔的塔体工艺尺寸计算 （5）塔板主要工艺尺寸的计算 （6）塔板的流体力学验算 （7）塔板负荷性能图 （8）精馏塔接管尺寸计算 （9）绘制生产工艺流程图 （10）绘制塔体及内件尺寸图