甲醇精馏塔设计说明书.docx

1、甲醇精馏塔设计说明书设计条件如下：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：w 0.7 Kpa塔底加热蒸气压力： 0.5M Kpa（ 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

2、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=32 Kg/Kmol 水的摩尔质量： MB=18 Kg/KmolxF=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=22.54 Kg/KmolMD= 99.47*32+0.53%*18=41.37 Kg/KmolMW= 0.28%*32+99.72%*18=26.91 Kg/Kmol3、 物料衡算3原料处理量： F=（3.61*10 3）/22.54=160.21 Kmol/h总物料衡算

3、： 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 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 （x q=0.324,y q=0.675）故最小回流比为 Rmin= （x D- y q）/（ y

4、q - x q）=0.91 取最小回流比为： R=2Rmin=2*0.91=1.823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/hL =L+F=94.42+160.21=254.63 Kmol/hV =V=146.30 Kmol/h4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 N )x + (W/V )xw=(254.63/146.30)

5、 x -(108.33/146.30)*0.28% =1.7405 x -0.00215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： N f=102、实际板层数的求取y (1 x )x (1 y )温度t (C)xy4.03575.30.40.7293.52573.10.50.7793.14371.20.60.8252.86869.30.70.8702.69167.60.80.9152.53466.00.90.9582.45465.00.950.9793.036一 0.345 (见后)一*一 =1.047 故 E= 47%精馏

6、段实际板层数： N精=9/47%=20 N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 = 101.3 Kpa每层塔板压降： P= 0.7 Kpa进料板压力：Pf= 105.3+0.7*20 = 119.3 Kpa精馏段平均压力：(105.3+119.3) /2 = 112.3 Kpa2、 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 C 进料板温度：t f= 76.3 C精馏段平均温度：tM= 70.45 C3、 平均

7、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= 0.986MVd=0.9947*32+(1-0.9947)*18=31.93MLDm=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=0.607 x f=0.229MVFm=0.607*32+(1-0.607)*18=26.50Mfh=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=29.22MLm= (31.80+21.21)/2=26.514、平均密度计算气相密度

8、计算PmMVmRTm由理想气体状态方程计算，即1123*29.22 1.15Kg/M38.314*(273 70.45)液相平均密度计算液相平均密度依下式计算，即LF0.34560.6544A /精馏段液相平均密度为:Lm ( 12)2 812Kg/m35、液体平均表面张力计算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= 64.6 C,查手册得LD0.9947 A 0.0053 B 19.05mN/mA 17.5 mN/mB 62.7 mN / mlf 0.229 a 0.771 bm52.35 mN / m进料板液相平均表面张力的计算 由t f=

9、 76.3 C,查手册得精馏段液相平均表面张力为:Lm6、平均粘度的计算液相平均粘度依下式计算，即 lg x ig i塔顶液相平均粘度的计算由tD= 64.6 C 查手册得，A= 0.34mpa/ s B=0.437mpa/slg LDm 0.9947lg A 0.0053lg B 解得 LDm =0.34mpa/s进料板液相平均粘度的计算由t f= 76.3 C 查手册得a = 0.28mpa/s B=0.374mpa/ slg LFm 0.229lg A 0.771 lg b 解得 LFm=0.35mpa/s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LsVMvm3

10、600* VmLMLm3600* Lm146.30*29.223600*1.1594.42*26.513600*8121.033m3/s856*10 4m3/s其中C= C20洼）2由 umax8.56*10 4 (812)121.08 (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UHT-h l=0.40-0.06 = 0.34m 查史密斯关联图得， C。= 0.074C = C20 咗）2 .7（第）2 0.083Umax 0.0838 2.204m/s- 1.15取安全系数为0.7，则空塔气速为u Umax 0.7*2.20

11、4 1.543 m/s按标准塔径圆整后，为 D=1.0m 塔截面积为A D2 0.785m24实际空塔气速为 u=1.033/0.785=1.316 m/s2、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:塔长 l W=0.66D=0.

12、66m溢流堰咼度 hw 由hw= hL-h owhow284e（5）231000 lw选用平直堰，堰上液层高度 hoW近似取E= 1，则how284 8.56*10 4* 3600）23 7.93m1000 0.66取板上清液层高度 hL= 60mm故 hw 60* 10 3 7.93*10 3 52.07*10 3m弓形降液管宽度 W和截面积Af由 lw/D=0.66,查图得 A/At=0.0722 W d/D=0.124Af 0.0722* A 0.0567m2Wd 0.124D 0.124m验算液体在降液管中停留时间3600AHLh3600*0.567*0.40 26.5s 5s8.56

13、*10 4 * 3600故降液管设计合理故降液管底隙设计合理开孔面积A（七）筛板的液体力学验算1、塔板压降干板阻力hc 0.051(也)2()C0 L由 d0/ S = 3/5=1.667, 得 C0= 0.772干板阻力hc计算故 hc 0.051（蔦）2（烤）0.0448液注气体通过液层的阻力 hi计算hi =3 hLUaA Af1.033 1.4伽/s0.785 0.0567Fo1.418 1.15 1.52Kg查图得，3 =0.59故 hl hL (hw how) 0.59(52.07*10 3 7.93* 10 3) 0.0354 m液柱液体表面张力的阻力 h计算液体表面张力所产生的

14、阻力 h由下式计算4* 35.7*10 30.00359m 液柱Lgd0 812*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。h p=0.0448+0.0354+0.00359=0.084m 液柱气体通过每层塔板的压降为P hp Lg 0.084*812*9.81 667.45 0.7KPa(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）3-2L Ht hf6竺斗 dd）3.2 0.041 Kg叹汽0.1 Kg叹汽 35.7*10 0.40 0.15

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,min5.7*10 evhf 2.5hL 2.5* 0.06 0.15mu0,min 4.4C0 J(0.0056 0.13hL h )44* 0.772”(0.0056 0.13*0.06 0.00359) *81% 帖 8.94m/s实际孔速 u0 19.23 m/ s u0,minUo稳定系数为K 1923 2.15 1.5U0,min 8.94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 （Ht hw）甲醇一水物系属不易发泡物质，取 =0

16、.6 则:3(Ht hw) 0.6* (0.4 52.07*10 ) 0.271m而 Hd hp hL hd板上不设进口堰，hd=0.153(u0)2 0.153 * 0.082 0.001m液柱Hd= 0.084 0.06 0.001=0.145液柱Hd (Ht hw)故在本设计中不会发生泛液现象（八）塔板负荷性能图以ev 0.1Kg%g汽为限，求V： - Ls关系如下65.7*10 ( Ua )3.2 (Ht hf)1、漏液线整理得Vsmin = 4.85 j0.00201 0.13 0.05207 0.00284(3600/3 L：V 0.664.85 0.00878 0.1144 L：

17、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o35.7*10 3 0.27 2.2Ls232.84 3600LS 23how E( s) 3 0.0061000 lw1000* 0.006 32 0.66Ls=( ) 2*取E = 1,则2.844 3=5.6* 10 m /s 36003、VS 1.4713 11.99Ls23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0.00060.00150.00300.0045Vs m力1.3861.3141.2221.144液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度 how= 0.00

18、6m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4 s作为液体在降液管中停 留时间的下限AfHTLS故 Ls,maxAfHT0.0567* 0.403 35.67*10 m /s液泛线令Hd由Hdhl(Hthp hLhLhw)hd联立得，HthphL1) hw=(hwhow1) how hc hd h忽略h将how与LS , hd与VS , hc与VS的关系代入上式，并整 理得aVs2 b cLs2 dlj3式中a 70(丄) b Ht ( 叭(aqC。) Lc 0153仆2 d 2.84*10 3E(1 )(3600/3/(Iwh。) lw将有关数据代入

19、得a 0.042 b 0.188c =1372 d 1.40故 0.042VS2= 0.188 1372LS21.4LS23VS2= 4.476- 32666.67LS2 33.333LS23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0.00060.00150.00300.0045Vs吆2.0561.9911.8681.705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,min 0.676 Vs,max=

20、1.344操作弹性为1344 1.988Vs,min 0.676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 , C70.452平均压力Pm ,KPa112.333气相流量VS ,(m /s)1.0334液相流量Ls ,m/s-48.56*105实际塔板数296有效段高度Z ,m12.47塔径,m1.08板间距,m0.49溢流形式单溢流10降液管形式弓形11堰长,m0.6612堰咼,m52.07*10 -13板上液层咼度，m0.0614堰上液层咼度,m7.93*10 -315降液管底隙高度，m0.01616安定区宽度，m0.06517边缘区宽度，m0.03518开孔区面积，m 20

21、.53219筛孔直径，m0.00520筛孔数目273121孔中心距，m0.01522开孔率，%10.123空塔气速，m/s1.54324筛孔气速，m/s19.2325稳定系数2.1526每层塔板压降，Pa667.4527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）0.04130气相负荷上限,m/s1.34431气相负荷下限,m/s0.67632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