分离甲醇-水混合物化工设计

示例1

设计条件如下：

操作压力：105.325 Kpa(绝对压力)

进料热状况：泡点进料

回流比：自定

单板压降：≤0.7 Kpa

塔底加热蒸气压力：0.5M Kpa(表压)

全塔效率：E T=47%

建厂地址：

[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，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却后送至储罐。

该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用间接蒸气加热，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 A=32 Kg/Kmol 水的摩尔质量：M B=18 Kg/Kmol

x F=32.4%

x D=99.47%

x W=0.28%

2、原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量

M F= 32.4%*32+67.6%*18=22.54 Kg/Kmol

M D= 99.47*32+0.53%*18=41.37 Kg/Kmol

M W= 0.28%*32+99.72%*18=26.91 Kg/Kmol

3、物料衡算

原料处理量：F=(3.61*103)/22.54=160.21 Kmol/h

总物料衡算：160.21=D+W

甲醇物料衡算：160.21*32.4%=D*99.47%+W*0.28%

得D=51.88 Kmol/h W=108.33 Kmol/h

(三)塔板数的确定

1、理论板层数M T的求取

甲醇-水属理想物系，可采用图解法求理论板层数

①由手册查得甲醇-水物搦的气液平衡数据，绘出x-y图(附表)

②求最小回流比及操作回流比

采用作图法求最小回流比，在图中对角线上，自点e(0.324，0.324)作垂线ef即为进料线(q线)，该线与平衡线的交战坐标为 (x q=0.324,y q=0.675)

故最小回流比为R min= (x D- y q)/( y q - x q)=0.91

取最小回流比为：R=2R min=2*0.91=1.82

③求精馏塔的气、液相负荷

L=RD=1.82*51.88=94.42 Kmol/h

V=(R+1)D=2.82*51.88=146.30 Kmol/h

L ′=L+F=94.42+160.21=254.63 Kmol/h （非泡点进料要注意q 值） V ′=V=146.30 Kmol/h ④精馏段操作线方程为：

y =(L/V)x + (D/V)x D =(99.42/146.30)x+(51.88/146.30)*99.47%=0.6454x+0.3527 提馏段操作线方程为：

y ′=(L ′/V ′)x ′ + (W/V ′)x W =(254.63/146.30) x ′-(108.33/146.30)*0.28% =1.7405 x ′-0.0021 ⑤图解法求理论板层数

采用图解法求理论板层数(附图)，求解结果为： 总理论板层数：N T =13(包括再沸器) 进料板位置： N F =10 2、实际板层数的求取

)

1()

1(A A A A --=

y x x y α

α

%

47E 047.1*(345.00＝ 故＝　见后）

μαμ=

精馏段实际板层数：N 精＝9/47%=20 N 提＝4/47%=9

(四) 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算

以精馏段为例进行计算

1、 塔顶操作压力：P D ＝101.3 Kpa

每层塔板压降：△P ＝0.7 Kpa

进料板压力：P F ＝105.3+0.7*20＝119.3 Kpa 精馏段平均压力：（105.3+119.3）/2＝112.3 Kpa 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，其中甲醇、水的饱和蒸气压由安托尼方程计算，计算过程略，计算结果如下：

塔顶温度：t D ＝64.6℃ 进料板温度：t F ＝76.3℃ 精馏段平均温度：t M ＝70.45℃ 3、 平均摩尔质量计算

塔顶平均摩尔质量计算：由x D =y 1=0.9947,查y-x 曲线（附表），得

x 1＝0.986

M VDm =0.9947*32+(1-0.9947)*18=31.93 M LDm =0.9860*32+(1-0.9860)*18=31.80 进料板平均摩尔质量计算 由图解理论板（附图），得 y f =0.607 x F =0.229

M VFm =0.607*32+(1-0.607)*18=26.50 M LFm =0.229*32+(1-0.229)*18=21.21 所以精馏段平均摩尔质量： M Vm =（31.93+26.50）/2=29.22 M Lm = (31.80+21.21)/2=26.51 4、 平均密度计算 ⑴气相密度计算

由理想气体状态方程计算，即

3/15.1)

45.70273(*314.822

.29*3.112M Kg RT M P m

V m V m m

=+=

=

ρ（这里也可以分别计算进料

板与塔顶第一板的密度再取平均值） ⑵液相平均密度计算

液相平均密度依下式计算，即

∑

=i

i

L

m

ραρ1

塔顶液相平均密度的计算 由t D ＝64.6℃ 查手册得，

3B 3/K 3.980/K 745m g m g A ＝ ρρ=

3/K 7460053

.09947

.01

m g B

A LD m

=+

=

ρρρ

进料板液相平均密度的计算 由t F ＝76.3℃ 查手册得，

3B 3/K 978/K 735m g m g A ＝ ρρ=

进料板液相的质量分量

%56.3418

*771.032*229.032

*229.0=+=

A α

3/K 7.8776544

.03456

.01

m g B

A LF m

=+

=

ρρρ

⑶精馏段液相平均密度为：

321/K 8122)(m g m

L =+=ρρρ

5、 液体平均表面张力计算

⑴液相平均表面张力依下式计算，即