甲醇-水精馏塔的设计.pdf

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1、课程设计 甲醇-水分离板式精馏塔的设计 系 别：专业（班级）：作者（学号）：指 导 教 师：完 成 日 期：甲醇-水分离板式精馏塔的设计 (一)设计题目 在抗生素类药物生产过程中，需要用甲醇溶媒洗涤晶体，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微粒。为使废甲醇溶媒重复利用，拟建立一套板式精馏塔，设计要求废甲醇溶媒的处理量为 5 万吨/年，以对废甲醇溶媒进行精馏。馏出液组成为含水 2%，塔底废水中甲醇含量0.5%（质量分数）。（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)全塔效率：Et=56%5）单板压降：0

2、.7KPa （三）塔板类型 筛孔板 （四）工作日 每年工作日为 300 天，每天 24 小时连续运行 （五）设计内容 1、设计说明书的内容 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；5)塔板主要工艺尺寸的计算；6)塔板的流体力学验算；7)塔板负荷性能图；8)精馏塔接管尺寸计算；9)对设计过程的评述和有关问题的讨论。2、设计图纸要求：1)绘制生产工艺流程图（A3 号图纸）；2)绘制精馏塔设计条件图（A3 号图纸）。目录 1 设计方案的确定 1 2 精馏塔的物料衡算 1 2.1 原料液及塔顶和塔底的摩尔分率 1 2.2 原料液及

3、塔顶和塔底产品的平均摩尔质量 1 2.3 物料衡算 1 3 塔板数的确定 2 3.1 理论板层数 的求取 2 3.1.1 相对挥发度的求取 2 3.1.2 求最小回流比及操作回流比 2 3.1.3 求精馏塔的气、液相负荷 3 3.1.4 求操作线方程 3 3.1.5 采用逐板法求理论板层数 3 3.2 实际板层数的求取 4 3.2.1 液相的平均粘度 4 3.2.2 精馏段和提馏段的相对挥发度 5 3.2.3 全塔效率 ET 和实际塔板数 5 4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 6 4.1 操作压力的计算 6 4.2 操作温度计算 6 4.3 平均摩尔质量计算 6 4.4 平均密度计算

4、7 4.4.1 气相平均密度计算 7 4.4.2 液相平均密度计算 7 4.5 液体平均表面张力的计算 7 4.6 液体平均粘度 8 5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 8 5.1 塔径的计算 8 5.2 精馏塔有效高度的计算 9 6 塔板主要工艺尺寸的计算 10 6.1 溢流装置计算 10 6.1.1 堰长 10 6.1.2 溢流堰高度 10 6.1.3 弓形降液管宽度 和截面积 10 6.1.4 降液管底隙高度 11 6.2 塔板布置 11 6.2.1 塔板的分块 11 6.2.2 边缘区宽度确定 11 6.2.3 开孔区面积计算 11 6.2.4 筛孔计算及排列 12 7 塔板的流体力学验算

5、12 7.1 塔板压降 12 7.1.1 干板阻力 计算 12 7.1.2 气体通过液层的阻力 计算 12 7.1.3 液体表面张力的阻力 计算 13 7.2 液面落差 13 7.3 液沫夹带 13 7.4 漏液 14 7.5 液泛 14 8 塔板负荷性能图 15 8.1 漏液线 15 8.2 液沫夹带线 15 8.3 液相负荷下限线 16 8.4 液相负荷上限线 17 8.5 液泛线 17 9 筛板塔设计计算结果 19 10 精馏塔接管尺寸计算 20 10.1 塔顶蒸气出口管的直径 20 10.2 回流管的直径 20 10.3 进料管的直径 20 10.4 塔底出料管的直径 21 11 对设

6、计过程的评述和有关问题的讨论 21 12 设计图纸 21 13 参考文献 22 14 主要符号说明 22 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。精馏塔的物料衡算 原料液及塔顶和塔底的摩尔分率 甲醇的摩尔质量 =32.04kg/kmol 水的摩尔质量 =18.02kg/kmol 原料液摩尔分率：塔顶摩尔分率：塔底摩尔分率：原料液及塔顶和塔底

7、产品的平均摩尔质量 原料液平均摩尔质量：塔顶产品平均摩尔质量 塔底产品平均摩尔质量 2.3 物料衡算 原料处理量 总物料衡算 307.82=D+W 苯物料衡算 307.820.324=0.965D+0.0028W 联立解得 塔板数的确定 理论板层数 的求取 相对挥发度的求取 由 ，再根据表 11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 0.729 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

8、0.70 0.870 89.3 0.08 0.365 67.6 0.80 0.915 87.7 0.10 0.418 66.0 0.90 0.958 84.4 0.15 0.517 65.0 0.95 0.979 81.7 0.20 0.579 64.5 1.00 1.00 78.0 0.30 0.665 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 73.1 3.525 89.3 6.610 71.2 3.143 87.7 6.464 69.3 2.868 84.4 6.066 67.6 2.69

9、1 81.7 5.501 66 2.534 所以 求最小回流比及操作回流比 泡点进料：故最小回流比为 Rmin=取操作回流比为 R=2Rmin=20.796=1.592 求精馏塔的气、液相负荷 求操作线方程 精馏段操作线方程为 =+=（a）提馏段操作线方程 （b）采用逐板法求理论板层数 由 得 将 =4.45 代入得相平衡方程 （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 y1=Xd=0.965 由（c）式求得第一块板下降液体组成 X1=y1/(4.45-3.45y1)=0.965/(4.45-3.450.965)=0.861 利用（a）式计算第二块板上

10、升蒸汽组成为 Y2=0.614X1+0.372=0.901 交替使用式（a）和式（c）直到 ，然后改用提馏段操作线方程，直到 为止，计算结果见表 3。表 3 板号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 y 0.965 0.901 0785 0.649 0.518 0.342 0.183 0.083 0.033 0.011 x 0.861 0.672 0.451 0.294xf 0.195 0.105 0.048 0.020 0.0076 0.0025xw 精馏塔的理论塔板数为 =10（包括再沸器）进料板位置 =4 实际板层数的求取 液相的平均粘度 进料黏度：根据表 1，用内插法求得 查手册

11、2得 lg 求得 塔顶物料黏度：用内插法求得 ，查手册2得 求得 塔釜物料黏度：用内插法求得 ，查手册得 求得 精馏段液相平均黏度：提馏段液相平均黏度：精馏段和提馏段的相对挥发度 根据表 2，用内插法求得 则精馏段的平均挥发度 提馏段的平均挥发度 全塔效率 ET 和实际塔板数 全塔效率可用奥尔康公式：计算 所以精馏段 提馏段 精馏段实际板层数 块 提馏段实际板层数 块 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 操作压力的计算 塔顶操作压力 P=105.3KP a 每层塔板压降 进料板压力 精馏段平均压力 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

12、尼方程计算。计算结果如下：塔顶温度 进料板温度 精馏段平均温度 平均摩尔质量计算 塔顶平均摩尔质量计算 由 ，进料板平均摩尔质量计算 精馏段平均摩尔质量 平均密度计算 气相平均密度计算 由理想气体状态方程计算，即 液相平均密度计算 液相平均密度依下式计算，即 塔顶液相平均密度的计算 由 ，查手册2得 进料板液相平均密度的计算 由 ，查手册得 进料板液相的质量分率 精馏段液相平均密度为 液体平均表面张力的计算 液相平均表面张力依下式计算，即 塔顶液相平均表面张力的计算 由 ，查手册2得 进料板液相平均表面张力为 由 ，查手册2得 精馏段液相平均表面张力为 液体平均粘度 计算见 2.2.1 精馏段

13、液相平均黏度 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 塔径的计算 精馏段的气、液相体积流率为 由 式中的 C 由式 计算，其中 由史密斯关联图查取，图的横坐标为 取板间距 ，板上液层高度 ，则 查史密斯关联图3得 =0.068 取安全系数为 0.6，则空塔气速为 按标准塔径圆整后为 D=1.5m 塔截面积为 实际空塔气速为 精馏塔有效高度的计算 精馏段有效高度为 提馏段有效高度为 在进料板上方开一人孔，其高度为：0.8m 故精馏塔的有效高度为 塔板主要工艺尺寸的计算 溢流装置计算 因塔径 D1.5m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：堰长 取 溢流堰高度 由 选用平直堰，堰上液层高度 由

14、式 近似取 E=1，则 取板上清液层高度 故 弓形降液管宽度 和截面积 由 查弓形降液管的参数图3，得 故 依式 验算液体在降液管中停留时间，即 故降液管设计合理。降液管底隙高度 取 则 故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度 。塔板布置 塔板的分块 因 ，故塔板采用分块板。查塔板分块表得，塔板分为3 块。边缘区宽度确定 取 开孔区面积计算 开孔区面积 按式 计算 其中 故 筛孔计算及排列 本设计所处理的物系无腐蚀性，可选用 碳钢板，取利孔直径 筛孔按正三角形排列，取孔中心距t 为 筛孔数目 n 为 个 开孔率为 气体通过阀孔的气速为 塔板的流体力学验算 塔板压降 干板阻力 计算 干板

15、阻力 由式 计算 由 ，查干筛孔得流量系数图3得，故 液柱 气体通过液层的阻力 计算 气体通过液层的阻力 由式 计算 查充气系数关联图，得 0.66。液柱 液体表面张力的阻力 计算 液体表面张力的阻力 可按式 计算，即 液柱 气体通过没层塔板的液柱高度 可按下式计算，即 液柱 气体通过每层塔板的压降为 （设计允许值）液面落差 对于筛板塔，液面落差很小，且塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。液沫夹带 液沫夹带量由下式计算，即 故 故在本设计中液沫夹带量 在允许范围内。漏液 对筛板塔，漏液点气速 可由下式计算，即 实际孔速 稳定系数为 故在本设计中无明显液漏。液泛 为防止塔内发生液泛，降液

16、管内液层高度 应服从下式的关系，即 甲醇水物系属一般物系，取 ，则 m 而 板上不设进口堰，可由下式计算，即 液柱 液柱 故在本设计中不会发生液泛现象。塔板负荷性能图 漏液线 由 =得 =整理得 在操作数据内，任取几个 值，依上式计算出 值，计算结果见表 4 表 4 ，0.0002 0.0006 0.003 0.005 ，1.134 1.156 1.232 1.277 由上表数据即可作出漏液线（1）液沫夹带线 以 =0.1kg 液/kg 气为限，求 关系如下 由 =0.051 =故 整理得 =在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果见表 5 表 5 ，0.0002 0.0006 0.

17、003 0.005 ，3.298 3.216 2.913 2.726 由上表数据即可作出液沫夹带线（2）液相负荷下限线 对于平直堰，取堰上液层高度 =0.005m 作为最小液体负荷标准。由式得 取 E=1，则 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线（3）液相负荷上限线 以 =4s 作为液体在降液管中停留时间的下限，由 得 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线（4）液泛线 令 由 联立得 忽略 ，将 与 ，与 ，与 的关系式代入上式，并整理得 式中 将有关的数据代入，得 故 在操作范围内，任取几个 值，依上式计算出 值，计算结果列于表 6 表 6 ，0.0002 0.0006 0.

18、003 0.005 ，4.454 4.380 4.042 3.739 由上表数据即可作出液泛线（5）根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图所示 .在负荷性能图上，作出操作点 A，连接 OA，即作出操作线，由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为液漏控制，由上图查得 故操作弹性为 筛板塔设计计算结果 所设计筛板塔的主要结果汇总于表7 表 7 序号 项目 数值 1 平均温度 ，71.5 2 平均压力 ，107.40 3 气相流量 ，1.973 4 液相流量 ，0.0014 5 实际塔板数 19 6 有效段高度 7.6 7 塔径，1.5 8 板间距，0.4 9 溢流形式 单溢流 10

19、 降液管形式 弓形 11 堰长，0.90 12 堰高，0.051 13 板上液层高度，0.06 14 堰上液层高度，0.0090 15 降液管管底隙高度，0.022 15 安定区宽度，0.065 17 边缘区宽度，0.035 18 开孔区面积，2 1.272 19 筛孔直径，0.005 20 筛孔数目 6530 21 孔中心距，0.015 22 开孔率，%10.1 23 空塔气速，1.117 24 筛孔气速，15.36 25 稳定系数 1.66 26 每层塔板压降，565.78 27 负荷上限 液泛控制 28 负荷下限 液漏控制 29 液沫夹带 0.024 30 气相负荷上限，1.346 31

20、 气相负荷下限，0.611 32 操作弹性 2.203 精馏塔接管尺寸计算 塔顶蒸气出口管的直径 操作压力为常压时，蒸气导管中常用流速为1220 m/s，蒸气管的直径为 ，其中 -塔顶蒸气导管内径 m -塔顶蒸气量 m3/s，取 ，则 查表取 回流管的直径 塔顶冷凝器械安装在塔顶平台时，回流液靠重力自流入塔内，流速 可取 0.20.5 m/s。取 ，则 查表取 进料管的直径 采用高位槽送料入塔，料液速度可取 ，取料液速度 ，则 查表取 塔底出料管的直径 一般可取塔底出料管的料液流速 为 0.51.5 m/s，循环式再沸器取 1.01.5 m/s，取塔底出料管的料液流速 为 0.5 m/s 查表

21、取 对设计过程的评述和有关问题的讨论 本设计采用筛板精馏塔设计完成任务，采用筛板精馏塔的原因主要是其具有结构简单，造价低，生产能力较大，气体分撒均匀，传质效率较高等优点，但也有筛孔易堵塞等缺点。由塔板负荷性能图可以看出，在本设计中的塔板的设计点在正常操作范围内，气液两相流量的变化对塔板效率影响不大，可以获得较理想的塔板效率。但操作弹性不大，增产的潜力较小。设计图纸 绘制生产工艺流程图（见附图1）；绘制精馏塔设计条件图（见附图2）。参考文献 1杨祖荣，刘丽英，刘伟.化工原理.北京：化学工业出版社，2008 2刘光启，马连湘，刘杰.化学化工物性数据手册（有机卷）.北京：化学工业出版社，2002 3

22、贾绍义，柴城敬.化工原理课程设计.天津：天津大学出版社，2008 主要符号说明 英文字母 Aa 塔板开孔区面积，m2 hW 进口堰高度，m Af 降液管截面积，m2 h 与克服表面张力的压降相当 的液柱高度，m 液柱 A0 筛孔总面积，m2 Hd 降液管内清液层高度，m AT 塔截面积，m2 HP 人孔处塔板间距，m C0 流量系数，无因次 HT 塔板间距，m C 计算时的负荷系数，lW 堰长，m Cs 气相负荷因子，m/s Ls 液体体积流量，m3/s d0 筛孔直径，m n 筛孔数目 D 塔径，m NT 理论板层数 eV 液沫夹带量，kg(液)/kg(气)P 操作压力，Pa ET 总板效率

23、，无因次 P 压力降，Pa F 气相动能因子，kg1/2/(s*m1/2)Pp 气体通过每层筛板的压降，Pa F0 筛孔气相动能因子，kg1/2/(s*m1/2)t 筛孔的中心距，m hW 出口堰高度，m u 空塔气速，m/s h1 进口堰与降液间的水平距离,m u0 气体通过筛孔的速度，m/s hc 与干板压降相当的液柱高度，m 液柱 u0,min 漏液点气速，m/s hd 与液体流过降液管相当的液柱高度，m u0 液体通过降液管底隙的速度，m/s hf 塔板上鼓泡高度，m Vs 气体体积流量，m3/s h1 与板上液层阻力相当的液柱高度，m 液柱 Wc 边缘无效区宽度，m hL 板上清液层高度，m Wd 弓形降液管宽度，m h0 降液管的底隙高度，m Ws 破沫区宽度，m hOW 堰上液层高度，m Z 板式塔的有效高度，m