化工课程设计甲醇水分离过程填料精馏塔设计.docx

1、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

2、、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

3、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 AM =32.04kg/kmol 水的摩尔质量BM=18.02kg/kmol324. 002. 18/54. 004. 32/46. 004. 32/46. 0=+=F x 982. 002. 18/01. 004. 32/99. 004. 32/99

4、. 0=+=D x 0056. 002. 18/99. 004. 32/01. 004. 32/01. 0=+=W x1.2 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=-+=F M (kg/kmol79. 3102. 18982. 0104. 32982. 0=-+=D M (kg/kmol10. 1802. 180056. 0104. 320056. 0=-+=W M1.3 物料衡算 原料处理量51. 8756. 222430014215000=F kmol/h总物料衡算 87.51=D+W 甲醇物料衡算WD +=00

5、56. 0982. 0324. 051. 87联立解得 D=28.54kmol/h W=58.97kmol/h 2 塔板数的确定 2.1 理论板层数T N 的求取 2.1.1 相对挥发度的求取 由1( 1(A A A A y x y x -=，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/ xy温度/ xy1000.000.0075.30.400.72996.40.020.13473.10.500.77993.50.040.23471.20.600.82591.20.060.30469.30.700.8789.30.080.36567.60.800.91587.70.100.4186

6、6.00.900.95884.40.150.51765.00.950.97981.7 0.20 0.579 64.51.001.0078.0 0.300.665表2温度/ 挥发度 温度/ 挥发度 96.4 7.582 78 4.632 93.5 7.332 75.3 4.035 91.2 6.843 73.13.525 89.36.61071.23.14387.76.46469.32.86884.4 6.066 67.6 2.691 81.7 5.501662.534所以4.45= 2.1.2 求最小回流比及操作回流比 泡点进料：324. 0=F sx x由q 线与平衡线的交点e （x e ，

7、y e ）作图可得：00.20.40.60.810.20.40.60.81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 （x e ，y e ）=（0.324，0.681） 故最小回流比为m in R =D e e ex y y x -=-324. 0681. 0681. 0982. 00.843取操作回流比为R=2m inR =20.843=1.6862.1.3 求精馏塔的气、液相负荷=5. 28686. 1RD L 40.051kmol/h=+=5. 28686. 2 1(D R V 76.551kmol/h=+=F L L 40.051+87.5=127.551

8、kmol/h=V V 76.551kmol/h2.1.4 求操作线方程 精馏段操作线方程为：1n y +=1R R +nx +1D x R +=686. 2686. 1nx +686. 2982. 0=0.63nx +0.366（a ）提馏段操作线方程：=-=-=+0056. 0551. 7659551. 76551. 127 1 m w m m x x vw x VL y1.666mx -0.0043 （b ）2.1.5 采用逐板法求理论板层数 由 1(1 qqqx y x =+- 得yyx 1(-=将 =4.45 代入得相平衡方程yy yyx 45. 345. 4 1(-=-= （c ）联

9、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=D x y由（c ）式求得第一块板下降液体组成=-=-=982. 045. 345. 4982. 045. 345. 4111y y x 0.925利用（a ）式计算第二块板上升蒸汽组成为=+=366. 063. 012x y =+366. 0925. 063. 00.949交替使用式（a ）和式（c ）直到nF x x ，然后改用提馏段操作线方程，直到nWx x 为止，计算结果见表3。表3 y0.9820.949 0.874 0.750 0.6200.4420.247 0.110 0.0410.

10、0115 x0.9250.8070.6090.4030.268x F0.151 0.0690.027 0.00950.00261x W精馏塔的理论塔板数为 TN =10-1=9（不包括再沸器）进料板位置 5=FN2.2 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77.6F t C=用内插法求得64.6D t C = 用内插法求得99.5Wt C=，则塔顶、塔底的平均温度t m =（64.6+99.5）/2 =82.1 C 粘度的计算在t m =82.1 C 时，查得2H2O=0.347s mPa , CH3OH=0.272smPa则由lg 0.807lg(0.3470

11、.193lg(0.272m =+求出0.331m=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m =4.45 2.2.3 全塔效率E T 和实际塔板数 全塔效率可用奥尔康公式：0.2450.49(T mE -=计算所以全板0.2450.49(4.450.3310.446TE-=精馏段实际板层数 =446. 05TT E N N 精11.212 块 提馏段实际板层数 =446. 04 TT EN N 提8.979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 P 101.3DkPa=每层塔板压降 kPa P 7

12、. 0= 进料板压力 101.30.714111.1F P kPa=+= 精馏段平均压力 (101.3111.1 /2106.2mP kPa=+=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 64.6D t C = 进料板温度 77.6F t C=精馏段平均温度 (64.677.6 /271.1mt C=+=3.3 平均摩尔质量计算 塔顶平均摩尔质量计算 由982. 01=D x y925. 01=x=-+=02. 18 982. 01(04. 32982. 0VDm M 31.78kg/kmolkmo

13、lkg M LDm /99. 3002. 18 925. 01(04. 32925. 0=-+=进料板平均摩尔质量计算： 620. 012=y y F268. 012=x x Fkmol kg M VFm /71. 2602. 18 620. 01(04. 32620. 0=-+= kmol kg M LFm /78. 2102. 18 268. 01(04. 32268. 0=-+=-+=02. 18 0115. 01(04. 320115. 0VWM M 18.18kg/kmol =-+=02. 18 00261. 01(04. 3200261. 0LWM M 18.06kg/kmol精馏

14、段平均摩尔质量：kmol kg M Vm /25. 292/ 71. 2678. 31(=+= kmolkg M Lm /39. 262/ 78. 2199. 30(=+=提馏段平均摩尔质量：kmolkg Mkmol kg M LWVW /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 = Pm M vm = 106 . 2 29 . 25 8 . 314 ( 71 . 1 + 273 . 15 =1.091kg/ m 3 RT m 3.4.2 液相平均密度

15、计算 液相平均密度依下式计算，即 1 rV = ai ri 塔顶液相平均密度的计算 由t D = 6 4 .6 C ，查手册3得 3 r A = 7 5 5 .7 2 kg / m r B = 9 8 0 .7 2 kg / m = 3 r LD = 1 0 . 99 / 755 . 72 + 0 . 01 / 980 . 72 757.46kg/ m 3 进料板液相平均密度的计算： 由t F = 7 7 .6 C ，查手册得： 3 r A = 7 4 0 .2 8 kg / m r B = 9 7 3 .2 4 kg / m 3 进料板液相的质量分率： aA = 0 . 268 32 . 0

16、4 0 . 268 32 . 04 + 0 . 732 18 . 02 1 0 . 394 / 740 . 28 + 0 . 606 / 973 . 24 11 = 0 . 394 = 848 . 31 kg / m 3 r LF = 精馏段液相平均密度为： r L = 757 . 46 + 843 . 31） 2 = 800 . 39 kg / m （ / tW = 9 9 .5 C 3 ，查手册2得： 3 r A = 7 1 2 .6 5 kg / m r B = 9 5 8 .7 5 kg / m 3 提馏段液相平均密度为： r LW = 1 0 . 01 / 712 . 65 + 0

17、. 99 / 958 . 75 =955.45kg/ m 3 3.5 液体平均粘度 计算见 3.2.1 精馏段液相平均黏度 m m = 0 .3 3 1 4 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 = VM vm 3600 r v LM = 76 . 551 29 . 25 3600 1 . 091 40 . 051 26 . 39 3600 800 . 39 =0.57 m 3 /s Ls = Lm 3600 r L = =0.0003668 m 3 /s 由 um a x =C r L - rV rV 式中的 C 由式 C = C 20 ( s L

18、m 20 0 .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 H T = 0 .4 0 m ，板上液层高度 h L = 0 .0 6 m ，则 H T - h L = 0 .4 0 - 0 .0 6 = 0 .3 4 m 12 Ls Vs ( rL rV 1/ 2 = 0 . 0003668 3600 0 . 57 3600 ( 800 . 39 1 . 091 1/ 2 = 0 . 0175 查史密斯关联图3得 C =0.068 20 3 3 .4 4 4 C = 0 .0 6 8 20 0 .2 = 0 .0 7 5 4 u max = 0 . 0754

19、800 . 39 - 1 . 091 1 . 091 = 2 . 04 取安全系数为 0.6，则空塔气速为 u = 0 . 6 u ma x = 0 . 6 2 . 04 = 1 . 244 m / s 4V s u 4 0 . 57 3 . 14 1 . 244 D = = = 0.764m 按标准塔径圆整后为 塔截面积为 AT = D=1.0m p 4 D 2 = p 4 1 .0 2 = 0 . 785 m 2 实际空塔气速为： u = vs AT = 0 . 57 0 . 785 = 0 . 726 m / s 4.2 精馏塔有效高度的计算 精馏段有效高度为 Z 精 = N 精 - 2

20、） H T = (12 - 2 0 . 4 = 4 m （ 提馏段有效高度为 Z 提 = Z 提 - 2） H T = ( 9 - 2 0 . 4 = 2 . 8 m （ 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=8.4m 13 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 101.3 kPa(表压。 塔底加热蒸气压力 0.3MPa(表压。 单板压降 0.7 kPa。. 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 1 2 2011-12-3 2011-12-42011-12-5 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 2011-12-32011-12-5 XXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXX XXXXX XXXXX 指导教师 2011 年 12 月 5 日 15