化工课程设计甲醇水分离过程填料精馏塔设计.docx
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化工课程设计甲醇水分离过程填料精馏塔设计
天津农学院
化工原理课程设计任务书
设计题目：
甲醇-水分离过程填料精馏塔设计系别：
食品科学系专业：
食品科学与工程学生姓名:
XXX学号:
XXXXXXXXXXXXXX指导教师:
XXXXXXX
化工原理课程设计任书
一、设计题目
在抗生素类药物生产过程中，需要用甲醇洗涤晶体，洗涤过滤后产生废甲醇溶媒，其组成为含甲醇46%、水54%（质量分数），另含有少量的药物固体颗粒。
为使废甲醇溶媒重复利用，拟建立一套填料精馏塔，以对废甲醇溶媒进行精馏，得到含水量1%的甲醇溶媒。
设计要求废甲醇的处理量为14215吨/年，塔底废水中甲醇含量为1%。
二、操作条件
（1操作压力常压。
（2进料热状态自选。
（3回流比自选。
（4塔底加热蒸气压力0.3MPa（表压。
三、塔板类型
筛板或浮阀塔板（F1型）。
四、工作日
每年工作300天，每天24小时连续运行。
五、厂址天津地区。
六、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；七、设计计算1、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加回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。
塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。
本设计使用的是浮阀塔，浮阀塔有生产能力大、操作弹性大、塔
板效率高、气体压降及液面落差小和抗腐蚀性较高等优点。
甲醇具有腐蚀性，所以浮阀塔适合本设计的要求。
工艺流程草图：
图1甲醇-水分离工艺流程草图
1精馏塔的物料衡算
1.1原料液及塔顶和塔底的摩尔分率甲醇的摩尔质量A
M=32.04kg/kmol水的摩尔质量
B
M
=18.02kg/kmol
324.002
.18/54.004.32/46.004
.32/46.0=+=Fx982.002
.18/01.004.32/99.004
.32/99.0=+=Dx0056
.002
.18/99.004.32/01.004
.32/01.0=+=
Wx
1.2原料液及塔顶和塔底产品的平均摩尔质量
（kg/kmol56.2202.18324.0104.32324.0=⨯-+⨯=FM（kg/kmol
79.3102.18982.0104.32982.0=⨯-+⨯=DM（kg/kmol
10.1802.180056.0104.320056.0=⨯-+⨯=WM
1.3物料衡算原料处理量
51.8756
.222430014215000=⨯⨯=
Fkmol/h
总物料衡算87.51=D+W甲醇物料衡算
W
D⨯+⨯=⨯0056.0982.0324.051.87
联立解得D=28.54kmol/hW=58.97kmol/h2塔板数的确定2.1理论板层数TN的求取2.1.1相对挥发度的求取由
1（1（AAAAyxyx--=
α，再根据表1数据可得到不同温度下的挥发度，见
表2
表1
温度
/℃x
y
温度/℃x
y
100
0.00
0.00
75.3
0.40
0.72
9
96.4
0.02
0.134
73.1
0.50
0.779
93.5
0.04
0.234
71.2
0.60
0.825
91.2
0.06
0.304
69.3
0.70
0.87
89.3
0.08
0.365
67.6
0.80
0.91
5
87.7
0.10
0.418
66.0
0.90
0.95
8
84.4
0.15
0.517
65.0
0.95
0.97
9
81.70.200.57964.5
1.00
1.00
78.00.30
0.665
表2
温度/℃挥发度温度/℃挥发度96.47.582784.63293.57.33275.34.03591.26.84373.1
3.52589.3
6.610
71
.2
3.143
87.7
6.464
69.3
2.868
84.46.06667.62.69181.75.501
66
2.534
所以4.45α
==
2.1.2求最小回流比及操作回流比泡点进料：
324
.0==Fs
xx
由q线与平衡线的交点e（xe，ye）作图可得：
00.2
0.4
0.6
0.8
1
0.2
0.4
0.6
0.8
1
图2甲醇-水的y-x相图
在上图中我们可以得到q线与平衡线的交点为e（xe，ye）=（0.324，0.681）故最小回流比为
minR=
Deee
xyyx--=
=--324
.0681.0681.0982.00.843
取操作回流比为
R=2min
R=2⨯0.843=1.686
2.1.3求精馏塔的气、液相负荷
=⨯==5.28686.1RDL40.051kmol/h
=⨯=+=5.28686.21（DRV76.551kmol/h
=+=FLL'
40.051+87.5=127.551kmol/h
==VV'
76.551kmol/h
2.1.4求操作线方程精馏段操作线方程为：
1
ny+=
1
RR+n
x+
1
DxR+=
686
.2686.1n
x+
686
.2982.0=0.63
n
x+0.366
（a）
提馏段操作线方程：
=⨯-
=
-
=
+0056.0551
.7659551
.76551.127'
'
'1
'mwmmxxv
wxV
Ly
1.666m
x-0.0043（b）
2.1.5采用逐板法求理论板层数由1（1q
q
q
xyxαα=
+-得y
y
x1（--=
αα
将α=4.45代入得相平衡方程
y
yy
y
x45.345.41（-=
--=
αα（c）
联立（a）、（b）、（c）式，可自上而下逐板计算所需理论板数。
因塔顶为全凝则982
.01==
Dxy
由（c）式求得第一块板下降液体组成
=
⨯-=
-=
982
.045.345.4982
.045.345.41
1
1yyx0.925
利用（a）式计算第二块板上升蒸汽组成为
=+=366.063.012xy=
+⨯366.0925.063.00.949
交替使用式（a）和式（c）直到n
Fxx≤，
然后改用提馏段操作线方程，直到n
W
xx≤为止，
计算结果见表3。
表3
y
0.982
0.9490.8740.7500.620
0.442
0.2470.1100.04
1
0.0115x
0.925
0.807
0.609
0.403
0.268≤xF
0.1510.069
0.0270.00
95
0.00261≤xW
精馏塔的理论塔板数为T
N=10-1=9（不包括再沸器）
进料板位置5=F
N
2.2实际板层数的求取2.2.1液相的平均粘度根据表1，用内插法求得77.6FtC
=︒
用内插法求得64.6DtC=︒用内插法求得99.5W
tC
=︒，
则塔顶、塔底的平均温度tm=（64.6+99.5）/2=82.1C︒
粘度的计算
在tm=82.1C︒时，查得［2］μH2O
=0.347smPa⋅,μ
CH3OH
=0.272s
mPa
⋅
则由lg0.807lg（0.3470.193lg（0.272mμ=+
求出0.331m
μ=
2.2.2全塔相对挥发度
由表2可求得全塔的平均相对挥发度αm=4.452.2.3全塔效率ET和实际塔板数全塔效率可用奥尔康公式：
0.245
0.49（
Tm
Eαμ-=计算
所以全板0.245
0.49（4.450.331
0.446T
E
-=⨯⨯=
精馏段实际板层数=
=
=
446
.05T
TENN精11.2≈12块提馏段实际板层数=
=
=
446
.04''T
TE
NN提
8.97≈9块
全塔实际板层数N=12+9=21块3精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算3.1操作压力的计算塔顶操作压力P101.3D
kPa
=
每层塔板压降kPaP7.0=∆进料板压力101.30.714111.1FPkPa
=+⨯=精馏段平均压力（101.3111.1/2106.2m
PkPa
=+=
3.2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。
计算结果如下：
塔顶温度64.6DtC=︒进料板温度77.6FtC
=︒
精馏段平均温度（64.677.6/271.1m
tC
=+=︒
3.3平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算由982
.01==
Dxy
925
.01=x
=
⨯-+⨯=02.18982.01（04.32982.0VDmM31.78kg/kmol
kmol
kgMLDm/99.3002.18925.01（04.32925.0=⨯-+⨯=
进料板平均摩尔质量计算：
620
.012==yyF
268
.012==xxF
kmolkgMVFm/71.2602.18620.01（04.32620.0=⨯-+⨯=kmolkgMLFm/78.2102.18268.01（04.32268.0=⨯-+⨯=
=
⨯-+⨯=02.180115.01（04.320115.0VWMM18.18kg/kmol=
⨯-+⨯=02.1800261.01（04.3200261.0LWMM18.06kg/kmol
精馏段平均摩尔质量：
kmolkgMVm/25.292/71.2678.31（=+=kmol
kgMLm/39.262/78.2199.30（=+=
提馏段平均摩尔质量：
kmol
kgM
kmolkgMLW
VW/92.192/78.2106.18（/45.222/71.2618.18（=+==+=
3.4平均密度计算3.4.1气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即rV=PmMvm=106.2´29.258.314´（71.1+273.15=1.091kg/m3RTm3.4.2液相平均密度计算液相平均密度依下式计算，即1rV=åairi塔顶液相平均密度的计算由tD=64.6°C，查手册[3]得3rA=755.72kg/mrB=980.72kg/m=3rLD=10.99/755.72+0.01/980.72757.46kg/m3进料板液相平均密度的计算：
由tF=77.6°C，查手册得：
3rA=740.28kg/mrB=973.24kg/m3进料板液相的质量分率：
aA=0.268´32.040.268´32.04+0.732´18.0210.394/740.28+0.606/973.2411=0.394=848.31kg/m3rLF=
精馏段液相平均密度为：
rL=757.46+843.31）2=800.39kg/m（/tW=99.5°C3，查手册[2]得：
3rA=712.65kg/mrB=958.75kg/m3提馏段液相平均密度为：
rLW=10.01/712.65+0.99/958.75=955.45kg/m33.5液体平均粘度计算见3.2.1精馏段液相平均黏度mm=0.3314精馏塔的塔体工艺尺寸计算4.1塔径的计算精馏段的气、液相体积流率为：
Vs=VMvm3600rvLM=76.551´29.253600´1.09140.051´26.393600´800.39=0.57m3/sLs=Lm3600rL==0.0003668m3/s由umax=CrL-rVrV式中的C由式C=C20（sLm200.2计算，其中C由20史密斯关联图[4]查取，图的横坐标为：
取板间距HT=0.40m，板上液层高度hL=0.06m，则HT-hL=0.40-0.06=0.34m12
LsVs（rLrV1/2=0.0003668´36000.57´3600（800.391.0911/2=0.0175查史密斯关联图[3]得C=0.06820æ33.444öC=0.068´ç÷è20ø0.2=0.0754umax=0.0754800.39-1.0911.091=2.04取安全系数为0.6，则空塔气速为u=0.6umax=0.6´2.04=1.244m/s4VsÕu4´0.573.14´1.244D===0.764m按标准塔径圆整后为塔截面积为AT=D=1.0mp4D2=p4´1.02=0.785m2实际空塔气速为：
u=vsAT=0.570.785=0.726m/s4.2精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为Z精=N精-2）HT=（12-2´0.4=4m（提馏段有效高度为Z提=Z提-2）HT=（9-2´0.4=2.8m（在提溜段开1个人孔，在精馏段开1个人孔，其高度均为：
0.8m，故精馏塔的有效高度为：
Z=Z精+Z提+0.8´2=4+2.8+1.6=8.4m13
2．对课程设计成果的要求〔包括图表、实物等硬件要求〕：
塔顶压力101.3kPa（表压。
塔底加热蒸气压力0.3MPa（表压。
单板压降≤0.7kPa。
.3．主要参考文献：
《化工原理》《化工原理课程设计》柴诚敬主编高等教育出版社贾绍义柴诚敬主编天津大学出版社4．课程设计工作进度计划：
序号起迄日期122011-12-32011-12-4—2011-12-5工作内容熟悉该设计基本流程及查阅相关资料进行有关计算并核对结果，整理数据及结果主指导教师王步江日期：
2011年12月5日14
天津农学院课程设计说明书设计名称设计题目设计时间系专班姓别业级名化工原理课程设计甲醇-水分离过程填料精馏塔设计2011-12-3——2011-12-5XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX指导教师2011年12月5日15
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