甲醇-水溶液精馏工艺设计 毕业设计

甲醇-水溶液精馏

目录

1 设计方案的确定 ........................................................................................ 1 2 精馏塔的物料衡算 .................................................................................... 2 2.1 原料液及塔顶和塔底的摩尔分率 ................................................ 2 2.2 原料液及塔顶和塔底产品的平均摩尔质量 ............................... 2 2.3 物料衡算 ........................................................................................... 2 3 塔板数的确定 ............................................................................................ 3 3.1 理论板层数NT的求取 ..................................................................... 3 3.1.1 相对挥发度的求取 ................................................................ 3 3.1.2 求最小回流比及操作回流比 ............................................... 4 3.1.3 求精馏塔的气、液相负荷 ................................................... 4 3.1.4 求操作线方程 ......................................................................... 5 3.1.5 采用逐板法求理论板层数 ................................................... 5 3.2 实际板层数的求取 .......................................................................... 7 3.2.1 液相的平均粘度..................................................................... 7 3.2.2 精馏段和提馏段的相对挥发度 ........................................... 7 3.2.3 全塔效率ET 和实际塔板数 ................................................ 8 4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 ........................................ 8 4.1 操作压力的计算 .............................................................................. 8 4.2 操作温度计算 ................................................................................... 8

甲醇-水溶液精馏

4.3 平均摩尔质量计算 .......................................................................... 9 4.4 平均密度计算 ................................................................................. 10 4.4.1 气相平均密度计算 .............................................................. 10 4.4.2 液相平均密度计算 .............................................................. 10 4.5 液体平均表面张力的计算 ........................................................... 11 4.6 液体平均粘度 ................................................................................. 11 5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 ................................................................ 12 5.1 塔径的计算 ......................................................................................................... 12 5.2 精馏塔有效高度的计算 ............................................................... 13 6 塔板主要工艺尺寸的计算 ..................................................................... 13 6.1 溢流装置计算 ................................................................................. 13 6.1.1 堰长lW .................................................................................... 13 6.1.2 溢流堰高度hW ...................................................................... 14 6.1.3 弓形降液管宽度Wd和截面积Af ....................................... 14 6.1.4 降液管底隙高度h0............................................................... 15 6.2 塔板布置 ......................................................................................... 15 6.2.1 塔板的分块 ........................................................................... 15 6.2.2 边缘区宽度确定................................................................... 15 6.2.3 开孔区面积计算................................................................... 15 6.2.4 筛孔计算及排列................................................................... 16 7 塔板的流体力学验算 ............................................................................. 16 7.1 塔板压降 ......................................................................................... 16

甲醇-水溶液精馏

7.1.1 干板阻力hc计算 ................................................................... 16 7.1.2 气体通过液层的阻力h1计算 .............................................. 17 7.1.3 液体表面张力的阻力h 计算 ............................................. 17 7.2 液面落差 ......................................................................................... 18 7.3 液沫夹带 ......................................................................................... 18 7.4 漏液 .................................................................................................. 18 7.5 液泛 .................................................................................................. 19 8 塔板负荷性能图 ...................................................................................... 19 8.1 漏液线 .............................................................................................. 19 8.2 液沫夹带线 ..................................................................................... 20 8.3 液相负荷下限线 ............................................................................ 22 8.4 液相负荷上限线 ............................................................................ 22 8.5 液泛线 .............................................................................................. 22 9 筛板塔设计计算结果 ............................................................................. 25

10、辅助设备的计算及选型 ....................................................... 27 10.1 原料贮罐 ....................................................................... 27 10.2 产品贮罐 ......................................................................... 27 10.3 原料预热器 ..................................................................... 28 10.4 塔顶全凝器 ..................................................................... 30 10.5 塔底再沸器 ..................................................................... 31 10.6 产品冷凝器 ..................................................................... 32 10.7 精馏塔 .............................................................................. 33

甲醇-水溶液精馏

10.8管径的设计 ........................................................................ 33 10.9泵的计算及选型 ............................................................... 35 11参考文献….

………………………………………37

12 对设计过程的评述和有关问题的讨论 ............................................... 38 13 主要符号说明 .......................................................................................... 38

甲醇-水溶液精馏

摘要

目前，我国的甲醇市场随着国际市场的原油价格在变化，总体的趋势是走高。随着原油价格的进一步提升，作为有机化工基础原料——甲醇的价格还会稳步提高。国内又有一批甲醇项目在筹建。这样，选择最好的工艺利设备，同时选用最合适的操作方法就成为投资者关注的重点。

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。

甲醇-水溶液精馏

2 精馏塔的物料衡算

2.1 原料液及塔顶和塔底的摩尔分率 甲醇的摩尔质量 M

A

=32.04kg/kmol 水的摩尔质量

MB

=18.02kg/kmol

x0.42/32.04

F 0.42/32.04 0.58/18.02

0.289 x0.92/32.04D 0.92/32.04 0.08/18.02

0.886

x0.01/32.04W

0.01/32.04 0.99/18.02

0.00565

2.2 原料液及塔顶和塔底产品的平均摩尔质量

MF

=0.289 32.04+(1-0.289) 18.02=22.07kg/kmol M

D

=0.886 32.04+(1-0.886) 18.02=30.16kg/kmol MW

=0.00565 32.04+(1-0.00565) 18.02=18.10kg/kmol

2.3 物料衡算

4.4 107

F80000

249.207kmol/h

总物料衡算 249.207=D+W 苯物料衡算

249.207 0.289 0.886D 0.0056W5

联立解得 D=82.07kmol/h W=167.13kmol/h

甲醇-水溶液精馏

3 塔板数的确定 3.1 理论板层数NT的求取 3.1.1 相对挥发度的求取 由 2 表1

(1 xA)yAxA(1 yA)

，再根据表1[1]数据可得到不同温度下的挥发度，见表

甲醇-水溶液精馏

表2

所以 m

1 2 15 4.45

3.1.2 求最小回流比及操作回流比 泡点进料

yq

xq xF 0.324

4.45 0.289

0.644

mxF

1 ( m 1)xF

1 (4.45 1) 0.289

故最小回流比为

Rmin=

xD yqyq xq

=

4.45 0.2891 (4.45 1) 0.289

0.6253

取操作回流比为

R=2Rmin=2 0.6253=1.251

甲醇-水溶液精馏

3.1.3 求精馏塔的气、液相负荷

L=RD=1.251 82.07=102.67kmol/h

V=(R+1)D=2.251 82.07=184.74kmol

/h

L' =L+F=102.67+184.74=287.41kmol/h

V'=V=184.74kmol

/h

3.1.4 求操作线方程 精馏段操作线方程为

yRD.251n 1=

R 1

xn+

xR 1

=

12.251

x1n+

1.251

=0.566xn+0.396 （a）

提馏段操作线方程

'y

'W.13m 1

LV

'

xm

V

'

xW

287.41184.74

xm

167184.74

0.00565

1.556xm 0.00511

（b）

3.1.5 采用逐板法求理论板层数 由 y xq

q

1 ( 1x 得x

y

q)

( 1)y

将

=4.45 代入得相平衡方程

x

y

( 1)y

y4.45 3.45y

（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

甲醇-水溶液精馏

则y1

xD 0.866

由（c）式求得第一块板下降液体组成

x1

y1

4.45 3.45y

0.866

4.45 3.45 0.866

0.592

利用（a）式计算第二块板上升蒸汽组成为

y2 0.556x1 0.385 0.714

xF

交替使用式（a）和式（c）直到xn直到xn

xW

，然后改用提馏段操作线方程，

为止，

计算结果见表3。 表3

精馏塔的理论塔板数为 进料板位置

NF 3

NT

=8（包括再沸器）

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3.2 实际板层数的求取 3.2.1 液相的平均粘度

进料黏度：根据表1，用内插法求得tF 77.9 C

查手册[2]得 A 0.287mPa s

B 0.367mPa s

lg LF 0.289lg(0.284) 0.696lg(0.367) 求得 LF

0.346mPa s

塔顶物料黏度：用内插法求得tD 65.7 c

，

查手册[2]得 A

0.325mPa s

B 0.433mPa s

lg LD 0.866lg(0.325) 0.086lg(0.433)

求得 LD

0.352mPa s

塔釜物料黏度：用内插法求得tW 96.9 C

，

查手册得 A 0.235mPa s

B 0.294mPa s

lg LW 0.00565g(0.235) 0.983lg(0.294)

求得 LW

0.298mPa s

精馏段液相平均黏度： 精

LD LF

2

0.352 0.346

2 0.349mPa s

提馏段液相平均黏度：

LW LF

0.298 0.346

提

2

2

0.322mPa s

3.2.2 精馏段和提馏段的相对挥发度 根据表2，用内插法求得 F 4.489

D 2.512

w 7.582

则精馏段的平均挥发度

精 D F

2.512 4.489 3.358

甲醇-水溶液精馏

提馏段的平均挥发度

提 W F

7.582 4.489 5.834

3.2.3 全塔效率ET 和实际塔板数 全塔效率可用奥尔康公式：ET所以精馏段ET 提馏段ET

0.349( L)

0.245

0.245

计算

0.49 (3.358 0.349) 0.471

0.49 (5.834 0.322)

NTETN'TE'T

0.245

0.4214

精馏段实际板层数 提馏段实际板层数

N精

20.471

6

4.246 5块

N提

0.4214

14.238 15

块

4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 4.1 操作压力的计算 塔顶操作压力 每层塔板压降 进料板压力 精馏段平均压力

4.2 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：

PD 101k.P3a P 0.7kPa

PF 101.3 0.7 5 104.8kPa Pm (101.3 104.8)/2 103.05kPa

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塔顶温度 tD 65.7 C 进料板温度 tF 77.9 C

精馏段平均温度 tm (65.7 77.9)/2 71.8 C

4.3 平均摩尔质量计算 塔顶平均摩尔质量计算 由xD y1 0.866

，

x1 0.592

MVDm 0.866 32.04 (1 0.866) 18.02 30.16kg/kmolM

LDm

0.592 32.04 (1 0.592) 18.02 26.32kg/kmol

进料板平均摩尔质量计算

yF y3 0.5850

xF x3 0.241

MVFm 0.585 32.04 (1 0.585) 18.02 26.22kg/kmol M

LFm

0.289 32.04 (1 0.289) 18.02 21.40kg/kmol

精馏段平均摩尔质量

MVm (30.16 26.22)/2 28.19kg/kmol M

Lm

(26.32 21.40)/2 23.86kg/kmol

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4.4 平均密度计算 4.4.1 气相平均密度计算 由理想气体状态方程计算，即

mMVm05 28.19Vm

PRT

103. 1.013kg/m

3

m

8.314 (71.8 273.15)

4.4.2 液相平均密度计算 液相平均密度依下式计算，即

1

ai

Vm

i

塔顶液相平均密度的计算 由tD

65.7 C

，查手册[2]得

754.32kg/m3

A

B 980.12kg/m

3

1

3

LDm

0.92/754.32 0.08/980.12

768.48kg/m

进料板液相平均密度的计算 由tF

77.9 C

，查手册得

.86kg/m

3

A 739

B 973.06kg/m

3

进料板液相的质量分率 a0.241 32.04

A

0.241 32.04 0.759 18.02

0.361

LFm

10.361/739.86 0.639/973.06

855.49kg/m3

精馏段液相平均密度为

Lm (768.48 873.65)/2 821.07kg/m

3

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4.5 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

Lm

xi

i

塔顶液相平均表面张力的计算 由tD

65.7 C

，查手册[2]得

A

16.675mN/m

B 65.113mN/m

LDm 0.866 16.675 0.134 65.113 23.166mN/m

进料板液相平均表面张力为 由tF

77.92 C

，查手册[2]得

A

15.278mN/m

B 62.934mN/m

LFm 0.241 15.278 0.759 62.934 51.449mN/m

精馏段液相平均表面张力为

Lm (23.166 51.449)/2 37.307mN/m

4.6 液体平均粘度 计算见3.2.1

精馏段液相平均黏度 LM

0.349

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5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 5.1 塔径的计算

精馏段的气、液相体积流率为

Vs

VM

Vm

3600 Vm

184.74 28.193600 1.013

1.414m/s

3

3

Ls

LM

Lm

3600 Lm

102.67 23.863600 821.07

0.000819m/s

由

um

a

Cx

式中的C由式C

C20(

L

20

)

0.2

计算，其中C20由

史密斯关联图查取，图的横坐标为

Lh L Vh V

1/2

0.000819 3600 821.07

1.414 3600 1.013

1/2

0.02

取板间距HT

0.40m

，板上液层高度hL

0.06m

，则

HT hL 0.40 0.06 0.34m

查史密斯关联图[3]得C20=0.072

37.07

C 0.068

20

0.2

0.0816

umax 0.0816

821.07 1.013

1.013

2.322

取安全系数为0.8，则空塔气速为

u 0.8umax 0.8 2.322 1.86m/s

4VS

4 0.8643.14 1.86

D

u

0.9804m

按标准塔径圆整后为 D=1.0m 塔截面积为

甲醇-水溶液精馏

AT

4

D

2

4

1.0

2

0.785m

2

实际空塔气速为

u

1.4140.785

1.801m/s

5.2 精馏塔有效高度的计算 精馏段有效高度为

Z精 （N精 1）HT (5 1) 0.4 1.6m

提馏段有效高度为

Z提 （N提 1）HT (15 1) 0.4 5.6m

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

Z Z精 Z提 0.8 5.6 1.6 0.8 8m

6 塔板主要工艺尺寸的计算 6.1 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： 6.1.1 堰长lW 取lW

0.8D 0.8 1.0 0.80m

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6.1.2 溢流堰高度hW 由hW

hL hOW

2

选用平直堰，堰上液层高度hOW由式hOW2.84 Lh

E 1000 lW

近似取E=1，则

h 2.84

2/3

1000 1 0.000819 3600

OW

0.00584m

0.80

取板上清液层高度hL 60mm

故

hW 0.06 0.00584 0.05416m

6.1.3 弓形降液管宽度Wd和截面积Af 由 lW

/D=0.80

查弓形降液管的参数图[3]，得

AfA 0.057

Wd 0.124

T

D

故

A2

f 0.057AT 0.057 0.785 0.0448m

Wd 0.124D 0.124 1.0 0.124m

依式

3600AfHT

L验算液体在降液管中停留时间，即h

3600AfHT

3600 0.0448 0.40Lh

0.000819 3600

21.880s 5s

故降液管设计合理。

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6.1.4 降液管底隙高度h0

Lh3600lWu0

'

h0

s/

取 则

u0 0.0m7

'

h0

0.0008191 36003600 0.80 0.07

0.014625m

hW h0 0.05416 0.014625 0.03954m 0.006m

故降液管底隙高度设计合理。

'

选用凹形受液盘，深度hW

50mm

。

6.2 塔板布置 6.2.1 塔板的分块

因D 800mm，故塔板采用分块板。查塔板分块表得，塔板分为3块。 6.2.2 边缘区宽度确定 取

Ws=0.063 Wc=0.035 6.2.3 开孔区面积计算

2

r 1x

sin开孔区面积A

a按式Aa 2 计算 180r

其中

x r

D2

D2

(Wd Ws) Wc

1.02

1.02

(0.124 0.063) 0.315m

0.035 0.465m

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/744m.html