甲醇水二元物料板式精馏塔设计.docx
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甲醇水二元物料板式精馏塔设计.docx
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甲醇水二元物料板式精馏塔设计
吉林化工学院
化工原理课程设计
题目甲醇-水二元物料板式精馏塔设计
教学院化学和制药工程学院专业班级制药0601学生姓名
学生学号06210134
指导教师
2008年12月20日
化工原理设计任务书
设计题目:
甲醇-水二元物料板式精馏塔
设计条件:
常压:
p1atm
处理量:
70Kmolh
进料组成:
XF0.55
馏出液组成:
XD0.965
釜液组成:
XW0.025(以上均为摩尔分率)
塔顶全凝器泡点回流
回流比:
R(1.12.0)Rmin
加料状态:
q1.0
单板压降:
0.7kpa
设计任务:
完成该精馏塔的工艺设计(包括物料衡算、热量衡算、筛板塔的设计算)画出带控制点的工艺流程图、塔板负荷性能图、精馏塔工艺条件图。
写出该精馏塔的设计说明书,包括设计结果汇总和设计评价。
化工原理课程设计任务书Ⅱ
摘要Ⅴ
绪论1
第一章设计方案简介1
1.2设计思路1
1.3选塔依据2
第二章设计计算3
2.1塔的物料衡算3
2.2适宜回流比的确定3
2.3操作线方程的确定:
3
2.4理论板数的确定5
2.5平均分子量的计算5
2.6全塔效率ET5
2.7实际塔板数8
第三章板式塔主要工艺尺寸的设计计算5
3.1塔的工艺条件及物性的数据计算6
3.1.1操作压强的计算6
3.1.2温度的计算6
3.1.3塔内各段汽、液两相组分的平均分子量6
3.1.4精馏段及提馏段的密度7
3.1.5液体表面张力的计算7
3.1.6各段汽液负荷计算8
3.2塔和塔板的主要工艺尺寸的计算9
3.2.1塔径D的计算9
3.2.2精馏塔有效高度计算9
3.2.3溢流装置的计算9
3.2.4塔板布置10
3.2.5筛孔计算及其排列10
3.2.6板式塔结构10
3.3筛板的流体力学验算10
3.3.1气体通过筛板压降相当的液柱高度11
3.3.2液夹带量eV的验算11
3.3.3漏液的验算11
3.3.4液泛的验算11
3.4塔板负荷性能图12
3.4.1雾沫夹带线.12
3.4.2液泛线12
3.4.3液相负荷上限线13
3.4.4漏液线(气相负荷下限线)13
3.4.5液相负荷下相线13
3.4.6塔板负荷性能图14
3.5设计计算结果汇总一览表16
3.6热量衡算14
3.6.1塔顶热负荷15
3.6.2塔底热负荷15
设计评述17
结束语17
参考文献18
主要符号说明18
附录19
摘要利用混合物中各组分挥发能力的差异,通过液相和气相的回流,使气、液两相逆向多级接触,在热能驱动和相平衡关系的约束下,使得易挥发组分(轻组分)不断从液相往气相中转移,而难挥发组分却由气相向液相中迁移,使混合物得到不断分离,称该过程为精馏。
该过程中,传热、传质过程同时进行,属传质过程控制原料从塔中部适当位置进塔,将塔分为两段,上段为精馏段,不含进料,下段含进料板为提馏段,冷凝器从塔顶提供液相回流,再沸器从塔底提供气相回流。
气、液相回流是精馏重要特点。
在精馏段,气相在上升的过程中,气相轻组分不断得到精制,在气相中不断地增浓,在塔顶获轻组分产品。
在提馏段,其液相在下降的过程中,其轻组分不断地提馏出来,使重组分在液相中不断地被浓缩,在塔底获得重组分的产品,
精馏过程和其他蒸馏过程最大的区别,是在塔两端同时提供纯度较高的液相和气相回流,为精馏过程提供了传质的必要条件。
提供高纯度的回流,使在相同理论板的条件下,为精馏实现高纯度的分离时,始终能保证一定的传质推动力。
所以,只要理论板足够多,回流足够大时,在塔顶可能得到高纯度的轻组分产品,而在塔底获得高纯度的重组分产品。
通过对精馏塔的运算,主要设备的工艺设计计算——物料衡算、热量衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算,可以得出精馏塔的各种设计如塔的工艺流程、生产操作条件及物性参数是合理的,以保证精馏过程的顺利进行并使效率尽可能的提高。
本设计是以甲醇――水物系为设计物系,以浮阀塔为精馏设备分离甲醇和水。
浮阀塔是化工生产中主要的气液传质设备,此设计针对二元物系甲醇--水的精馏问题进行分析,选取,计算,核算,绘图等,是较完整的精馏设计过程。
通过逐板计算得出理论板数为10块,回流比为1.31,算出塔效率为0.446,实际板数为18块,进料位置为第5块,在板式塔主要工艺尺寸的设计计算中得出塔径为1米,有效塔高7.2米。
通过浮阀塔的流体力学验算,证明各指标数据均符合标准。
在此次设计中,对塔进行了物料衡算,本次设计过程正常,操作合适。
第一章设计方案介绍
、设计方案
本设计任务为分离甲醇和水的混合物。
对于二元混合物的分离,应采用连续精馏流程,因为其具有生产能力大,产品质量稳定等优点。
甲醇-水混合液以汽液混合物状态(q=1)送入精馏塔,塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝,一部分入塔回流,其余经塔顶产品冷却器冷却后,送至储罐,塔釜采用间接蒸汽再沸器供热,塔底产品冷却后,送入储罐(附简单流程图)。
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
采用间接蒸汽加热,塔底产品经冷却后送至储罐。
筛板塔是现今使用最广泛的一种塔型,设计比较成熟,具体优点如下:
(1)结构简单、金属耗量少、造价低廉.
(2)气体压降小、板上液面落差也较小.
(3)塔板效率较高.改进的大孔筛板能提高气速和生产能力,且不易堵塞塞孔
第二章精馏塔工艺设计计算
一、物料衡算
1、原料液及塔顶,塔底产品的摩尔质量
甲醇的摩尔质量:
MA32kg/kmol水的摩尔质量:
MB=18kg/kmolMF0.5532(10.55)1825.7kg/kmolMD0.96532(10.965)1831.51kg/kmolMW0.02532(10.025)1818.35kg/kmol
2、物料衡算
总物料衡算:
FDW
即DW70⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
(1)易挥发组分物料衡算:
DxDWxwFxF
即D0.965W0.025700.55⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
(2)由
(1)和
(2)解得D=39.10kmol/hW=30.90kmol/h
二、板数的确定
1、操作回流比的求取
可采用图解法求回流比(因q=1),采用逐板法求理论板数。
由表2--1甲醇-水物系的气液平衡数据,绘出x-y图,如图2-1。
采用图解法求最小回流比,在图2-1中的对角线上,自点e(0.55,0.55)作垂直线ef即为进料线(q线),该线和平衡线的交点坐标为:
yq=0.801,xq=0.55。
故最小回流比为:
取操作回流比为:
xDyq0.9650.801
Rmin=Dq==0.653
yqxq0.8010.55
R=2Rmin=20.653=1.31
图2-1
2、精馏塔气液相负荷
LRD1.3139.1051.22kmol/h精馏段:
V(R1)D(1.311)39.190.32kmol/h
提馏段:
LLF51.2270122.22kmol/hVV90.32kmol/h
D0.567xn0.433
Vn
3、操作线方程的确定
提馏段操作线方程:
LW
yn1xnxW=1.342xn0.008
VV
精馏段操作线方程:
Lyn1xnn1Vn
相对挥发度的计算及相平衡方程:
当气体服从道尔顿分压定律时,由式iyA/yB得到相对挥发度i如表2-2:
xA/xB
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
挥发度
7.05
8.03
7.55
6.5
7.93
6.29
6.15
6.4
6.11
5.35
序号
11
12
13
14
15
16
17
18
19
挥发度5.184.495.114.033.53.082.592.581.64表2-2不同温度下的相对挥发度数值
1
121819194.84
相平衡方程:
xnynyn
1yn4.843.84yn
5、精馏塔理论塔板数及理论加料位置
采用相平衡方程和操作线方程式利用逐板计算法(利用Excel电子表格)求得各理论板气液相组成(见表2-3):
塔板
1
2
3
4
5
6
7
气相组成
0.965
0.9153
0.8246
0.6535
0.3683
0.13632
0.034370
液相组成
0.8507
0.6907
0.4929
0.2804
0.1075
0.03158
0.007302
表2-3各理论板气液相组成
x3=0.49290.55xqx70.0073020.015xw
总理论板数:
NT=8块(包括再沸器)
进料位置:
NF3块6、全塔效率的计算
化合物
A
B
C
甲醇
7.19736
1574.99
238.86
水
7.07406
1657.46
227.02
表2-4甲醇和水的安托因(Antoine)常数
2块板数,理论提馏段为5块板数,不防设精馏段实际板数为5块板12块板数。
因为理论精馏段板数为数,提馏段实际板数为
(1)计算塔顶泡点温度pD101.3kpa假设tD=65.2℃:
tD(试差法)
∵01574.99
∵logpA7.19736
A76.25238.86
01657.46
logpB7.07406
B76.25227.02
解得pA0158.17kpapB040.62kpa
3)计算塔底泡点温度tW(试差法)
pW101.3180.7113.9kpa假设tW101.42℃:
01657.46
logpB7.07406
101.42227.02
解得pA0370.55kpapB0106.56kpa
(4)液体黏度的计算由《化工原理》(上)查得90%甲醇黏度和40%甲醇黏度,并通过内差法计算出55%甲醇黏度,计算结果如表2-5。
温度/℃
水黏度/mpa.s
90%甲醇黏度/mpa.s
40%甲醇黏度/mpa.s
55%甲醇黏度/mpa.s
65.2
0.455
0.417
0.640
0.573
76.25
0.390
0.362
0.500
0.459
101.42
0.248
0.254
0.260
0.262
表2-5不同温度下的液体黏度
∵LDxDCH3OH(1xD)H2O0.9650.573(10.965)0.4550.569mpa.s
LFxFCH3OH(1xF)H2O0.43310.459(10.4331)0.390.42mpa.s
LWxWCH3OH(1xW)H2O0.0073020.262(10.007302)0.2620.275mpa.s
∴Lm(LDLFLW)3(0.5690.420.275)30.421mpa.s(5)全塔效率的计算
ET0.49(L)0.2450.49(4.840.421)0.2450.412
∴精馏段实际板数NT224.855
TET0.421
提馏段实际板数NT5512.1413
TET0.421和假设的精馏段实际板数为5块板数,提馏段实际板数为13块板数相符。
∴ET0.421
第三章板式塔有关物性及主要工艺尺寸的设计计算一、物性数据计算
1、操作压强P的计算:
取每层塔板压降为P=0.7kPa,则塔顶压强PD101.3kPa
进料板压强PF101.350.7104.8kPa
塔底压强PW101.3180.7113.9kPa
pDpF101.3104.8
精馏段平均压强pm1103.05kpa
22
提馏段平均压强pm2pFpW104.8113.9109.35kpa
22
2、操作温度t的计算:
依据操作压强,由泡点方程通过试差法计算出泡点温度,其中甲醇、水的饱和蒸汽压由安托因方程计算,计算过程如上,计算结果如下:
塔顶温度:
tD=65.2℃
进料温度:
tF=76.25℃
塔底温度:
tW101.42℃
精馏段平均温度:
tm1tDtF(65.276.52)70.725°C
22
提馏段平均温度:
tm2tFtW(76.52101.42)88.835°C
m222
3、平均摩尔质量计算
(1)塔顶:
y1xD0.965x10.8507
1
MVDm0.96532.042(10.965)18.01531.55kgmol1
1
MLDm0.850732.042(10.8507)18.01529.94kgmol1
(2)进料板:
xF0.4929yF0.8247
MVFm0.824732.042(10.8247)18.01529.26kgmol1
MLFm0.492932.042(10.4929)18.01524.93kgmol1
(3)塔底:
xw0.007302yw0.03438
MVWm0.0343832.042(10.03438)18.01518.50kgmol-1
-1
MLWm0.00730232.042(10.007302)18.01518.12kgmol-1
(4)精馏段平均摩尔质量:
气相:
31.5529.26-1MVm130.41kgmol
液相:
29.9424.93-1
MLm127.44kgmol-12
5)提馏段平均分子量:
气相:
29.2618.50-1MVm223.08kgmol
液相:
24.9318.12-1
MLm221.53kgmol
2
4、平均密度的计算
(1)气相平均密度Vm的计算
103.0530.41
精馏段平均密度:
Vm1pm1Mvm1103.0530.411.09kgm-3
Vm1RTm18.314(273.1570.725)
提馏段平均平均密度:
Vm2pm2Mvm2109.3523.080.84kgm-3
Vm2RTm28.314(273.1588.835)
(2)液相平均密度Lm的计算
AB求相应的液相密度。
LALB
①塔顶平均密度的计算:
33tD=65.2℃时,查《化工原理》(上)得,A734.9kg/m3B980.4kg/m3
0.96532.042
由式
aA0.980
A0.96532.04210.96518.015
0.9800.023
LDm1/()738.6kg/m3
LDm734.9980.4
33
②对于进料板:
tF=76.25℃时得:
A738.9kg/m3B794.05kg/m3
0.433132.042
aA0.633
A0.492932.0420.507118.015
0.6330.3673LFm1/()813.0kg/m3LFm738.9974.05
③对于塔底:
tW101.42℃时得:
A709.858kg/m3B957.5kg/m3
0.00730232.042
aA0.0123
A0.00730232.0420.99269818.015
0.01230.98773LWm1/()954.1kg/m3LWm709.85818.015
LDmLFm738.6813.0775.8kgm-3Lm1775.8kgm22
LWmLFm813.0954.1Lm2
2
3)精馏段平均液相密度:
提馏段平均液相密度:
883.6kgm-3
位置
平均温度oC
甲醇mN/m
水mN/m
塔顶
65.2
18.2
65.23
进料
76.25
16.9
63.15
塔底
101.42.1
15.08
58.56
表3-1物性数据—表面张力
n
5、液体表面张力的计算
根据《化工手册》查得不同温度下甲醇和水的表面张力,
如表3-1。
根据式
ii平均表面张力,如下:
i1
则塔顶:
进料:
塔底:
Dm
Fm
wm
0.96518.210.96565.2319.85mN/m
0.492916.910.492963.1540.35mN/m
0.00730215.0810.00730258.5658.25mN/m
则精馏段:
ml1
DMFM19.8540.3530.10mN/m
2
FMWM
22二、气液负体积流率及塔径的计算1、精馏段的气液体积流率及塔径
提馏段:
lm2
2
40.3558.2549.30mN/m
VMVm1
90.3230.41
3600Vm1
36001.09
LMLm1
51.2227.44
3
0.699m3
3600775.8
3600Lm1
s1
LS1
31
0.0005m3s1
0.00053600775.812()20.019
0.69936001.09板上液层高度hL=0.05mHT-hL=0.35-0.05=0.30m查得史密斯关联图到C200.064
L0.230.100.2
C1C20(L)0.20.064()0.20.0695
2020
775.81.09-1
umax10.0695
1.853ms-1
1.09
取安全系数为0.6,则空塔速度为0.6max0.61.8531.112
2、提馏段的气液体积流率及塔径
Vs2
VMVm,2
3600Vm,2
90.3223.080.689m3s1
36000.84
Ls2
LMLm,2
3600Lm,2
121.2221.530.00082m3s1
3600883.6
式中C由CC20(L)0.2计算其中的C20查史密斯关联图,图的横坐标为20
L120.000823600883.612L2()20.03860.84
VLhh(VL)
0.6893600
取板间距HT=0.35m查史密斯关联图得到
板上液层高度hL=0.05mHT-hL=0.35-0.05=0.30m
C200.062
L0.249.300.2
C2C20()0.062()0.0743
2020
883.6
umax20.0745
0.84-12.41ms
0.84
取安全系数为0.6,则空塔速度为u0.6umax0.62.411.45ms-1
三、馏段塔和塔板主要工艺尺寸计算
1、塔有效高度的计算:
精馏段有效高度为Z1N1-1HT(51)0.41.6m提馏段有效高度为Z2N2-1HT(131)0.44.8m在进料板上方开一个小孔,气高度为0.8m
ZZ1Z20.81.64.80.87.2m故精馏塔的有效高度为12
2、装置计算
因D1.0m,可采用单溢流弓型降液管,采用凹形受液盘,不设进口堰,各项计算如下:
(1)溢流堰长lW
lW0.60D0.601.00.60m
(2)溢流堰高度hWhWhLhOW
选平直堰,堰上液高度为hOW,近似取E=1,
hOW2.84103E
Lh23336000.000523
(h)32.841031()30.006mlW0.60
取板上清液层高度hL50mm故hWhLhOW0.050.0060.044m
(3)弓形降液管的宽度Wd和降液管的面积Af
由lw0.60查弓型降液管图得Wd/D=0.115,Af/AT=0.056D
故Wd0.115D0.1151.00.115m
2
Af0.056AT0.0560.7850.0440m2
3600AfHT
Lh1
故降液管设计合理。
(4)降液管底隙高度h0取液体通过降液管底隙的流速u00.08ms-1,依下式计算降液管底隙高度h0
LS10.00053600
h01
lWu0
S10.0104m
0.600.083600hW1h010.0440.01040.0336m0.006m
故降液管底隙高度设计合理。
选用凹形受液盘深度hw'50mm
3、塔板布置
(1)塔般的分块
因80mmD,故塔板采用分块式。
由文献
(一)查表5-3得,塔板分为3块
(2)边缘区宽度确定取WsWs0.065mWc0.035m。
D1.0
xWdWS(0.1150.065)0.32m
rDWC1.00.0350.465m
2C2
4)筛孔数n和开孔率φ
本设计所处理的物系无腐蚀性,可选用3.5mm碳钢板,取筛孔直径d5mm。
取筛孔的孔径d0=5mm
符合要求。
气体通过筛孔的气速u0A00.0740.544
四、板的流体力学验算
1、塔板压降
d5
1)干板阻力hc计算:
干板阻力hc,由d051.67查文献
(1)中图5-10得C0=0.7723
hc0.051(u0)2(V)0.051(17.36)2(1.09)0.0362
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- 甲醇 二元 物料 板式 精馏塔 设计