甲醇精馏塔设计说明书.docx
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甲醇精馏塔设计说明书
设计条件如下:
操作压力:
105.325Kpa(绝对压力)进料热状况:
泡点进料
回流比:
自定
单板压降:
w0.7Kpa
塔底加热蒸气压力:
0.5MKpa(表压)
全塔效率:
ET=47%建厂地址:
武汉
[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:
MA=32Kg/Kmol水的摩尔质量:
MB=18Kg/Kmol
xF=32.4%
xD=99.47%
xW=0.28%
2、原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
MF=32.4%*32+67.6%*18=22.54Kg/Kmol
MD=99.47*32+0.53%*18=41.37Kg/Kmol
MW=0.28%*32+99.72%*18=26.91Kg/Kmol
3、物料衡算
3
原料处理量:
F=(3.61*103)/22.54=160.21Kmol/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=51.88Kmol/hW=108.33Kmol/h
(三)塔板数的确定
1、理论板层数MT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(xq=0.324,yq=0.675)
故最小回流比为Rmin=(xD-yq)/(yq-xq)=0.91取最小回流比为:
R=2Rmin=2*0.91=1.82
3求精馏塔的气、液相负荷
L=RD=1.82*51.88=94.42Kmol/hV=(R+1)D=2.82*51.88=146.30Kmol/h
L'=L+F=94.42+160.21=254.63Kmol/h
V=V=146.30Kmol/h
4精馏段操作线方程为:
y=(L/V)x+(D/V)xd=(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'N')x'+(W/V')xw=(254.63/146.30)x'-(108.33/146.30)*0.28%=1.7405x'-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:
NT=13(包括再沸器)
进料板位置:
Nf=10
2、实际板层数的求取
y(1x)
x(1y)
温度t(C)
x
y
4.035
75.3
0.4
0.729
3.525
73.1
0.5
0.779
3.143
71.2
0.6
0.825
2.868
69.3
0.7
0.870
2.691
67.6
0.8
0.915
2.534
66.0
0.9
0.958
2.454
65.0
0.95
0.979
3.036
一0.345(见后)
一*一=1.047故E°=47%
精馏段实际板层数:
N精=9/47%=20N提=4/47%=9
(4)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:
Pd=101.3Kpa
每层塔板压降:
△P=0.7Kpa
进料板压力:
Pf=105.3+0.7*20=119.3Kpa
精馏段平均压力:
(105.3+119.3)/2=112.3Kpa
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:
td=64.6C进料板温度:
tf=76.3C
精馏段平均温度:
tM=70.45C
3、平均摩尔质量计算
塔顶平均摩尔质量计算:
由XD=y1=0.9947,查y-x曲线(附表),得
X1=0.986
MVd=0.9947*32+(1-0.9947)*18=31.93
MLDm=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
yf=0.607xf=0.229
MVFm=0.607*32+(1-0.607)*18=26.50
Mfh=0.229*32+(1-0.229)*18=21.21
所以精馏段平均摩尔质量:
MVn=(31.93+26.50)/2=29.22
MLm=(31.80+21.21)/2=26.51
4、平均密度计算
⑴气相密度计算
PmMVm
RTm
由理想气体状态方程计算,即
112・3*29.221.15Kg/M3
8.314*(27370.45)
⑵液相平均密度计算
液相平均密度依下式计算,即
LF
0.3456
0.6544
A/
⑶精馏段液相平均密度为:
Lm(1
2)2812Kg/m3
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
877.7Kg/m3
塔顶液相平均表面张力的计算
由tD=64.6C,查手册得
LD
0.9947A0.0053B19.05mN/m
A17.5mN/m
B62.7mN/m
lf0.229a0.771b
m
52.35mN/m
⑵进料板液相平均表面张力的计算由tf=76.3C,查手册得
⑶精馏段液相平均表面张力为:
Lm
6、平均粘度的计算
液相平均粘度依下式计算,即lg—xigi
⑴塔顶液相平均粘度的计算
由tD=64.6C查手册得,
A=0.34mpa/sB=0.437mpa/s
lgLDm0.9947lgA0.0053lgB解得LDm=0.34mpa/s
⑵进料板液相平均粘度的计算
由tf=76.3C查手册得
a=0.28mpa/sB=0.374mpa/s
lgLFm0.229lgA0.771lgb解得LFm=0.35mpa/s
⑶精馏段液相平均表面张力为
(五)精馏塔的塔体工艺尺寸计算
1、塔径的计算
Ls
VMvm
3600*Vm
LM
Lm
3600*Lm
146.30*29.22
3600*1.15
94.42*26.51
3600*812
1.033m3/s
856*104m3/s
其中C=C20洼)2
由umax
8.56*104(812)12
1.08(1.15)
精馏段的气、液相体积流率为:
0.021
取板间距Hr=0.4m,板上液层高度hL=0.06m,贝U
HT-hl=0.40-0.06=0.34m查史密斯关联图得,C。
=0.074
C=C20咗)2°.°7(第)20.083
Umax0.0838^2.204m/s
■-1.15
取安全系数为0.7,则空塔气速为
uUmax0.7*2.2041.543m/s
按标准塔径圆整后,为D=1.0m塔截面积为AD20.785m2
4
实际空塔气速为u=1.033/0.785=1.316m/s
2、精馏塔有效高度的计算
精馏段有效高度为Z精=(N精一1)Hr=(20-1)*0.4=7.6m
提馏段有效高度为Z提=(N提一1)HT=(9-1)*0.4=3.2m
在进料板上方开2人孔,其高度为0.8m
故精馏塔有效高度为Z=N精+N提+0.8*2=12.4m
(六)塔板主要工艺尺寸的计算
1、溢流装置计算
因塔径D=1.0m,可选用单溢流弓形降液管,采用凹形受液盘,各项计算如下:
⑴塔长lW=0.66D=0.66m
⑵溢流堰咼度hw由hw=hL-how
how
284e(5)23
1000lw
选用平直堰,堰上液层高度hoW
近似取E=1,则
how
2848.56*104*3600)237.93m
10000.66
取板上清液层高度hL=60mm
故hw60*1037.93*10352.07*103m
⑶弓形降液管宽度W和截面积Af
由lw/D=0.66,查图得A/At=0.0722Wd/D=0.124
Af0.0722*A0.0567m2
Wd0.124D0.124m
验算液体在降液管中停留时间
3600AH
Lh
3600*0.°567*0.4026.5s5s
8.56*104*3600
故降液管设计合理
故降液管底隙设计合理
⑶开孔面积A
(七)筛板的液体力学验算
1、塔板压降
干板阻力hc0.051(也)2(」)
C0L
由d0/S=3/5=1.667,得C0=0.772
⑴干板阻力hc计算
故hc0.051(蔦)2(烤)0.0448液注
⑵气体通过液层的阻力hi计算
hi=
3hL
Ua
AAf
1.0331.4伽/s
0.7850.0567
Fo
1.4181.151.52Kg
查图得,3=0.59
故hlhL(hwhow)0.59(52.07*1037.93*103)0.0354m液柱
⑶液体表面张力的阻力h计算
液体表面张力所产生的阻力h由下式计算
4*35.7*103
0.00359m液柱
Lgd0812*9.81*0.005
气体通过每层塔板的液柱高度hp可按下式计算,即
hp=hc+hi+h。
hp=0.0448+0.0354+0.00359=0.084m液柱
气体通过每层塔板的压降为
PhpLg0.084*812*9.81667.450.7KPa(设计允许值)
2、液面落差对于筛板塔,的影响。
3、液沫夹带液沫夹带量
液面落差很小,且本例的塔径和液流量均不大,故可忽略液面落差
6
-(也)3-2
LHthf
6
竺斗dd)3.20.041Kg叹汽0.1Kg叹汽35.7*100.400.15.Kg汽.Kg汽
故在本设计中,液沫夹带量ev在允许范围内
4、漏液
对于筛板塔,漏液点气速U0,min
5.7*10ev
hf2.5hL2.5*0.060.15m
u0,min4.4C0J(0.00560.13hLh)
44*0.772”(0.00560.13*0.060.00359)*81%帖8.94m/s
实际孔速u019.23m/su0,min
Uo
稳定系数为K19232.151.5
U0,min8.94
故在本设计中无明显漏液
5、液泛
为防止塔内发生液泛,降液管内液层高度Hd应服从以下关系
Hd(Hthw)
甲醇一水物系属不易发泡物质,取=0.6则:
3
(Hthw)0.6*(0.452.07*10)0.271m
而HdhphLhd
板上不设进口堰,hd=0.153(u0)20.153*0.0820.001m液柱
Hd=0.0840.060.001=0.145液柱
Hd(Hthw)
故在本设计中不会发生泛液现象
(八)塔板负荷性能图
以ev0.1Kg%g汽为限,求V:
-Ls关系如下
6
5.7*10(Ua)3.2(Hthf)
1、漏液线
整理得
Vsmin=4.85j0.002010.130.052070.00284(3600/3L:
'
V0.66
4.850.008780.1144L:
3
在操作范围内,任取几个L:
值,依上式计算出V:
值,计算结果列于下表
竺輕(严严o’
35.7*1030.272.2Ls23
2.843600LS23
howE(s)30.006
1000lw
1000*0.006320.66
Ls=()2*
取E=1,则
2.84
43
=5.6*10m/s3600
3、
VS1.471311.99Ls23
在操作范围内,任取几个LS值,依上式计算出VS值,计算结果列于下表
Ls吆
0.0006
0.0015
0.0030
0.0045
Vsm力
1.386
1.314
1.222
1.144
液相负荷下限线
对于平直堰,取堰上液层高度how=0.006m作最小液体负荷标准
4、
据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限。
液相负荷上限线
4s作为液体在降液管中停留时间的下限
AfHT
LS
故Ls,max
AfHT
0.0567*0.40
33
5.67*10m/s
液泛线
令Hd
由Hd
hl
(Ht
hphL
hL
hw)
hd
联立得,Ht
hp
hL
—1)hw=(
hw
how
1)howhchdh
忽略h将how与LS,hd与VS,hc与VS的关系代入上式,并整理得
aVs2bcLs2dlj3
式中a70^(丄)bHt(叭
(aqC。
)L
c0・153仆\2d2.84*103E
(1)(3600/3
/(Iwh。
)lw
将有关数据代入得
a0.042b0.188
c=1372d1.40
故0.042VS2=0.1881372LS2—1.4LS23
VS2=4.476-32666.67LS233.333LS23
在操作范围内,任取几个Ls值,依上式计算出Vs值,计算结果列于下表
Ls叱
0.0006
0.0015
0.0030
0.0045
Vs吆
2.056
1.991
1.868
1.705
由上表数据可作出液泛线5
根据以上各线方程,可作出筛板塔的负荷性能图(附图)
在负荷性能图上,作出操作点A,连接OA即作出操作线,由图看出,该筛板的
操作上限为液沫夹带线控制,下限为液相负荷下限线控制。
Vs,min0.676Vs,max=1.344
操作弹性为13441.988
Vs,min0.676
所设计筛板的主要结果汇总于下表
序号
项目
数值
1
平均温度tm,C
70.45
2
平均压力Pm,KPa
112.3
3
3
气相流量VS,(m/s)
1.033
4
液相流量Ls,m/s
-4
8.56*10
5
实际塔板数
29
6
有效段高度Z,m
12.4
7
塔径,m
1.0
8
板间距,m
0.4
9
溢流形式
单溢流
10
降液管形式
弓形
11
堰长,m
0.66
12
堰咼,m
52.07*10-
13
板上液层咼度,m
0.06
14
堰上液层咼度,m
7.93*10-3
15
降液管底隙高度,m
0.016
16
安定区宽度,m
0.065
17
边缘区宽度,m
0.035
18
开孔区面积,m2
0.532
19
筛孔直径,m
0.005
20
筛孔数目
2731
21
孔中心距,m
0.015
22
开孔率,%
10.1
23
空塔气速,m/s
1.543
24
筛孔气速,m/s
19.23
25
稳定系数
2.15
26
每层塔板压降,Pa
667.45
27
负荷上限
液沫夹带
28
负荷下限
液相负荷下限
29
液沫夹带量ev(Kg液/Kg气)
0.041
30
气相负荷上限,m/s
1.344
31
气相负荷下限,m/s
0.676
32
操作弹性
1.988
附:
1)甲醇-水温度组成图
2)甲醇-水y-x及理论塔板图
3)塔板负荷性能图
4)生产工艺流程图
参考资料
化工原理实验课程设计
化工原理
化工原理(21世纪)化工工程制图化工过程单元设计化工过程设计
化工设计
天津大学出版社化学工业出版社华南理工
化学工业出版社化学工业出版社化学工业出版社化学工业出版社
5)筛板精馏塔设计条件图
余国琮王志魁周正烈魏崇光匡国柱、史启才
[英]R.Smith、王保国译
王静康