化工原理课程设计甲醇和水筛板精馏塔分离

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，将原料液通过预加热器至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离系，最小回流比，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用间接蒸汽加热，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 M甲醇=32.04kg/ kmol 水的摩尔质量 M水=18.02kg/kmol

0.40.9997XF=0.432.04=0.273 XD=32.04=0.9947 32.04+0.60.99970.000318.0232.04+18.020.005XW=0.00532.040.995=0.002818

32.04+18.022、原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量

MF=0.273×32.04+（1—0.273）×18.02=21.85kg/kmol MD=0.9947×32.04+(1—0.9947）×18.02=31.96kg/kmol MW=0.002818×32.04+(1—0.002818)×18.02=18.06kg/kmol 3、物料衡算 原料处理量：F=

2?10000000330?24?21.85=115.57kmol/h

总物料衡算：F=D+W 115.57=D+W

甲醇物料衡算：FXF=DXD+WXW 115.57×0.273=D×0.9947+W×0.002818 联立解得 D=31.48kmol/h w=84.09kmol/h <三>塔板数的确定 1、理论板数的求取 ①由 y=

?x1+(?-1)x及甲醇—水在不同温度下的汽—液平衡组成

温度 液相 气相 a 温度 液相 气相 92.9 0.0531 0.2834 7.05 81.6 0.2083 0.6273 90.3 0.0767 0.4001 8.03 80.2 0.2319 0.6485 88.9 0.0926 0.4353 7.55 78 0.2818 0.6775 86.6 0.1257 0.4831 6.5 77.8 0.2909 0.6801 85 0.1315 0.5455 7.93 76.7 0.3333 0.6918 83.2 0.1674 0.5586 6.29 76.2 0.3513 0.7347 82.3 0.1818 0.5775 6.15 73.8 0.462 0.7756 72.7 0.5292 0.7971 3.49 68 0.7701 0.8962 71.3 0.5937 0.8183 3.08 66.9 0.8741 0.9194 a 6.4 6.11 5.35 5.18 4.49 5.11 4.02 2.57 1.64

70 0.6849 0.8492 2.59

am=19a1.a2.a3......a19=4.83 得到相平衡方程 y=

?x4.83x=

1+(?-1)x1+3.83x因为泡点进料，所以q=1 且Xq=XF=0.273 且q点过相平衡线 则yq=

4.83xq=0.645=0.645

1+3.83xqRmin=

xD?yqyq?xqRmin?1. 88=0.94 取操作回流比 R?2.02、求精馏塔的气液相负荷

L?RD?1.88×31.48=59.18kmol/h V=(R+1)D =2.88×31.48=90.66kmol/h

L=L+F=59.18+115.57=174.75kmol/h V=V=90.66kmol/h

3、求操作线方程 精馏段操作线方程 yn?1=提馏段操作线方程 yn?1?xR+D=0.6528Xn+0.3454 R?1R?1WxLxn?W=1.927Xn-2.614×10-3

VV5、逐板计算法求理论板数

因为塔顶为全凝器 y1?XD?0.994 7通过相平衡方程求 X1=

y1=0.9749

4.83-3.83y1再通过精馏段操作线方程 y2=0.6528X1+0.3454=0.9818 ，如此反复得

y1=0.99947 y2=0.9818 y3=0.9446 y4=0.8541 y5=0.7032 y6=0.5603 x1=0.9749 x2=0.9179 x3=0.7793 x4=0.5482 x5=0.3291 x6=0.2087<0.273 当X6

F

x11=5.45×10-3 x12=1.64×10-3<0.002818 总理论板数 NT=12 <包括再沸器> 2、实际板层数的求取

5=8.3≈9 0.66提馏段实际板层数：N提=≈10（不包括再沸器）

0.6精馏段实际板层数：N精=

<四>精馏塔工艺条件及有关物性数据的计算 1、 操作压力计算

塔顶操作压力 PD=101.3+4=105.3KPa 每层塔板压力降 ?P=0.7KPa

进料板压力 PF=105.3+0.7×9=111.6KPa 塔底压力 Pw=PF+0.7×10=118.6KPa

105.3+111.6=108.45KPa

2111.6+120=115.1KPa 提馏段平均压力 Pm′=

2精馏段平均压力 Pm=

2、 操作温度计算（内插法得）

根据甲醇-水的气-液平衡组成表，再通过内插法得： 塔顶温度 tD=64.79℃ 进料板温度 tF=78.3℃ 塔釜温度 tw=99.6℃

tD+tF64.79+78.3==71.54℃ 22tF+tW78.3+99.6==88.95℃ 提馏段平均温度 tm′=22精馏段平均温度 tm=3、 平均摩尔质量的计算

塔顶平均摩尔质量计算

由XD=y1=0.9947 通过相平衡方程求得 X1=0.9749

MVDM=y1M甲+（1-y1）M水=0.9947×32.04+(1-0.9947) ×18.02=31.97Kg/Kmol MLOM=X1M甲+（1-X1）M水=0.9749×32.04+(1-0.9749) ×18.02=31.69 Kg/Kmol 进料板平均摩尔质量计算

通过逐板计算得进料板yF=0.5603，再通过相平衡方程得XF=0.2087 MVFM= yFM甲+（1-yF）M水=0.5603×32.04+（1-0.5603）×18.02=25.87Kg/Kmol

MLFM=XFM甲+（1-XF）M水=0.2087×32.04+（1-0.2087×18.02）=20.95Kg/Kmol 塔釜平均摩尔质量的计算

由Xw=0.002818 查平衡曲线得 yw=0.01346

MVWM=ywM甲+（1-yw）M水=0.01346×32.04+（1-0.01346）×18.02=18.21Kg/Kmol MLWM=XWX甲+（1-XW）M水=0.002818×32.04+（1-0.002818）×18.02=18.06Kg/Kmol 精馏段平均摩尔质量

(MVDM+MVFM)31.97+25.87==28.92Kg/Kmol

22(MLDM+MLFM)31.69+20.95==26.32Kg/Kmol MLM=

22MVM=

提馏段平均摩尔质量

(MVDM+MVFM)25.87+18.21==22.04Kg/Kmol

22(MLFM+MLWM)20.95+18.06==19.50Kg/Kmol MLM′=

22MVM′=

4、平均密度计算

⑴气相平均密度计算

由理想气体状态方程计算 即 精馏段 ?VM=

PmMvm108.45?28.92==1.094 Kg/m? RTm8.314?(71.54+273.15)115.1?22.04=0.8427

8.314?(88.95+273.15)Pm?Mvm? =提馏段?vm′=

RTm?⑵液相平均密度计算

液相平均密度按下式计算 即

1?ai

=ρLmρi塔顶液相平均密度的计算 由tD=64.79℃ 查手册得 ?甲=747.168Kg/m? ?水=980.613Kg/m?

?LPM=ωDωw+ρ甲ρ水1=10.9970.003+746.168980.613=747.7Kg/m?

进料板液相平均密度计算 由tF=78.3℃ 查手册得 ?甲=735.53 Kg/m? ?水=972.82 Kg/m? 进料板液相的质量分率

aA=xFM甲0.2087?32.04==0.3192

xFM甲+(1-xF)M水0.2087?32.04+0.7913?18.02?LFM=

11==881.9Kg/m?

αA1-αA0.31920.6808++ρ甲ρ水735.53972.82提馏段液相平均密度计算 由tw=99.6℃ 查手册得 ?甲=716.36Kg/m? ?水=958.176 Kg/m? ?LWM=

11==957.06Kg/m?

ωw1-ωw0.0050.995++ρ甲ρ水716.36958.676?LDM??LFM747.7?881.91??814.8 Kg/m? 22?LFM??LWM881.91+957.06??919.48Kg/m? 提馏段液相平均密度?LM′=

22精馏段液相平均密度为?LM=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=64.79℃查手册得?甲=18.31mN/m ?水=65.29Mn/m ?LOM=XD?甲+（1-XD）?水=0.9947×18.31+0.0053×65.29=18.56mN/m

进料板液相平均表面张力的计算 由tF=78.3℃ 查手册得 ?甲=17.0647mN/m ?水=62.889mN/m ?LFM=XF?甲+（1-XF）?水=0.2087×17.0647+0.7913×62.889=53.32mN/m

塔釜液相平均表面张力的计算 由tw=99.6℃ 查手册得 ?甲=14.93mN/m ?水=58.9mN/m ?LWM=Xw?甲+(1-Xw)?水=0.002818×14.93+（1-0.2087）×62.889=53.32mN/m

?L????LFM18.56?53.32??35.94mN/m

22?LFM??LW?53.32?58.78??56.05mN/m 提馏段液相平均表面张力为?LM′=

22精馏段液相平均表面张力为?LM=6、液体平均粘度计算

液相平均粘度以下式计算，即lg?LM=?Xilg?i

塔顶液相平均粘度计算 由tD=64.79℃查手册得?甲=0.3289mpa.s ?水=0.4479mpa.s

lg?LDM=XDlg?甲+（1-XD）lg?水=0.9947g（0.3289）+（1-0.9947）lg（0.4479）= —0.4825

?LDM=0.3292mpa.s

进料板液相平均粘度计算 由tF=78.3℃查手册得?甲=0.28193mpa.s ?水=0.37084mpa.s

lg?LFM=XFlg?甲+（1-XF）lg?水=0.2087lg(0.28193)+(1-0.2087)lg(0.37084)=—0.4557

?LFM=0.35mpa.s

由tw=99.6℃ 查手册得?甲=0.226mpa.s ?水=0.289mpa.s

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