甲醇-水精馏塔的设计

1、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23000吨/年，以对废甲醇溶媒进行精馏。得到含量95%（质量分数）的甲醇溶媒。塔底废水中甲醇含量3%（质量分数）。（二）操作条件1) 操作压力 4kPa(表压) 2) 进料热状态 q=2/33) 回流比 最小回流比的1.3倍4) 塔底加热蒸气压力 0.3Mpa（表压） 5）单板压力降 0.7kPa（三）塔板类型浮阀塔（F1型）（四）工

2、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 录一、概述41.1 设计依据41.2 技术来源41.3 设计任务及要求5二：计算过程61. 塔型选择62. 操作条件的确定62.

3、1 操作压力62.2 进料状态62.3 加热方式72.4 热能利用73. 有关的工艺计算73.1 最小回流比及操作回流比的确定83.2 塔顶产品产量、釜残液量及加热蒸汽量的计算93.3 全凝器冷凝介质的消耗量93.4 热能利用103.5 理论塔板层数的确定103.6 全塔效率的估算113.7 实际塔板数124. 精馏塔主题尺寸的计算124.1 精馏段与提馏段的体积流量124.1.1 精馏段124.1.2 提馏段144.2 塔径的计算154.3 塔高的计算175. 塔板结构尺寸的确定175.1 塔板尺寸185.2 弓形降液管185.2.1 堰高185.2.2 降液管底隙高度h0195.2.3 进

4、口堰高和受液盘195.3 浮阀数目及排列195.3.1 浮阀数目195.3.2 排列205.3.3 校核206. 流体力学验算216.1 气体通过浮阀塔板的压力降(单板压降)216.1.1 干板阻力216.1.2 板上充气液层阻力216.1.3 由表面张力引起的阻力226.2 漏液验算226.3 液泛验算226.4 雾沫夹带验算237. 操作性能负荷图237.1 雾沫夹带上限线237.2 液泛线247.3 液体负荷上限线247.4 漏液线247.5 液相负荷下限线247.6 操作性能负荷图258. 各接管尺寸的确定278.1 进料管278.2 釜残液出料管278.3 回流液管288.4 塔顶上

5、升蒸汽管288.5 水蒸汽进口管281.1设计依据本设计依据于教科书的设计实例，对所提出的题目进行分析并做出理论计算。1.2设计任务及要求原料： 甲醇水溶液，年产量65000吨 甲醇含量：46；水含量：54（质量分数）设计要求：塔顶的甲醇溶媒含水量小于等于0.3（质量分数） 塔底废水中甲醇含量小于等于0.5（质量分数）操作条件：1) 塔顶压力 4kPa（表压） 2) 进料热状态 q=2/33) 回流比 最小回流比的1.3倍4) 塔底加热蒸气压力 0.3MPa（表压） 5) 单板压力降 0.7kPa。塔板类型：浮阀塔（F1型）。工作日：每年工作日为300天，每天24小时连续运行。二、设计方案简介

6、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。设计中采用汽液混合物进料，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。三、计算过程根据生产任务，若按年工作日300天，每天开动设备24小时计算，产品流量为9027.8kg/h。1、 操作条件的确定1.1操作压力 塔顶压力 4kPa（表压） 塔底加热蒸气压力 0.3MPa（表压）1.2进料状态 进料热状态 q=2/3 为汽液混合物进料2、精馏塔物料衡算由于精馏过程的计算均以摩尔分数为准，需先把设计要求中的质量分数转化为摩尔分

7、数。甲醇的摩尔质量 =32.04kg/kmol水的摩尔质量 =18.02kg/kmol原料液进料流量 进料组成 塔顶馏出液组成 塔底釜液组成 原料液及塔顶和塔底产品的平均摩尔质量：=0.32432.04+(1-0.324) 18.02=22.56kg/kmol=0.04+(1-0.9948) 18.02=31.967kg/kmol=0.04+(1-0.0028) 18.02=18.059kg/kmol2.1全塔物料衡算总物料衡算 F=D+W 400.167=D+W (1)甲醇物料衡算 F =D +W (2)联立以上两式解得 D=129.568kmol/h W=270.599kmol/h2.2求

8、最小回流比及操作回流比汽液混合物进料：q= 2/3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/xy温度/ x y1000.000.0075.30.400.72996.40.020.13473.10.500.77993.50.040.23471.20.600.82591.20.060.30469.30.700.87089.30.080.36567.60.800.91587.70.100.41866.00.900.95884.40.150.51765.00.950.97981.70.200.57964.51.001.0078.00.300.665表2温度/挥发度温度/挥发度96.

9、47.582784.63293.57.332 75.34.03591.26.843 73.13.52589.36.61071.23.14387.76.464 69.32.86884.46.06667.62.69181.75.501 662.534所以相平衡方程： （3）q线方程：y= （4）联立（3）（4）解得：=0.2129 0.5462故最小回流比为 =取操作回流比为R=1.3=1.752.3塔内气、液相流量（1）精馏段：L=RD (5) V=(R+1)D (6)(2) 提馏段：=L+qF (7) =V-(1-q)F (8)式中 L-精馏段液相摩尔流率，kmol/h V-精馏段气相摩尔流率

10、，kmol/h -提馏段液相摩尔流率，kmol/h -提馏段气相摩尔流率，kmol/h依次代入数值，解得：226.744kmol/h=356.312kmol/h=L+qF=493.522kmol/h=V-(1-q)F=222.923kmol/h3、 塔板层数的确定3.1理论板层数的计算求操作线方程：精馏段操作线方程为=+=0.636+0.362 （a）提馏段操作线方程 （b）线方程：y=0.972-2x (c)相平衡方程：x=y/-(-1)y (d)联立方程（a）（b），求得两线交点横坐标xf=0.232，通过逐板计算法，先交替使用精馏段操作线方程（a）和相平衡方程(d)计算，直到xf,再交替

11、使用提馏段操作线方程（b）和相平衡方程(d)计算，直到xm,结果见下表y1=0.9948x1=0.9773 y2=0.9836 x2=0.9309y3=0.9541x3=0.8237y4=0.8859x4=0.6357y5=0.7663x5=0.4242y6=0.6318x6=0.2783y7=0.5390x7=0.2081xfy8=0.4573x8=0.1592y9=0.3491x9=0.1076y10=0.2347x10=0.0645y11=0.1394x11=0.0351y12=0.0744x12=0.0177y13=0.0359x13=0.0083y14=0.0150x15=0.003

12、4y15=0.0042x15=0.00095所以，总理论板数为15（包括蒸馏釜），其中，精馏段6块，提馏段9块，第七块为加料板。3.2 全塔效率的计算全塔效率可用奥尔康公式：计算全塔的相对平均挥发度：=4.45塔顶温度由安托尼方程及试差法求得塔顶温度由表1及内插法求得塔底温度tW=99.5 全塔的平均温度：tm=(tD=tW)/2=82.5在温度下查得因为所以，全塔液体的平均粘度：全塔效率所以精馏段 提馏段3.3实际板层数的计算=/精馏段实际板层数 块提馏段实际板层数 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 =4+101.3=105.3kPa每层塔板压降

13、 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：塔顶温度 进料板温度 精馏段平均温度 5.3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5.4平均密度计算5.4.1气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即 5.4.2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 5.5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 塔顶液相平均表

14、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5.6液体平均粘度计算见2.2.1精馏段液相平均黏度5.7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/xy温度/ x y1000.000.0075.30.400.72996.40.020.13473.10.500.77993.50.040.23471.20.600.82591.20.060.30469.30.700.87089.30.080.36567.60.800.91587.70.100.41866.00.900.95884.40.150.51765.00.950

15、.97981.70.200.57964.51.001.0078.00.300.665表2温度/挥发度温度/挥发度96.47.582784.63293.57.332 75.34.03591.26.843 73.13.52589.36.61071.23.14387.76.464 69.32.86884.46.06667.62.69181.75.501 662.534所以5.8液相的平均粘度进料黏度：根据表1，用内插法求得查手册2得 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：1.1.1 精馏段和提馏段的相对挥发度

16、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 块5、 精馏塔的塔体工艺尺寸计算6.1塔高的计算塔高包括塔的有效高度，顶部空间和底部空间高度以及塔裙座高度。对于板式塔来说，有效高度等于实际塔板数与塔板间距的乘积。考虑人孔，进、出接管要求，调整所在位置的板间距。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1.1.2 4.3 塔高的计算塔的高度可以由下式计算： 已知实际塔板数为块，板间距由于料液较清洁，无需经常清洗，可取每隔8块板设一个人孔，则人孔的数目为： 个取人孔两板之间的间距，则塔顶空间，塔底空间，进料板空间高度，那么，全塔高

17、度：6.2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=1.0m塔截面积为实际空塔气速为6.3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7、 塔板主要工艺尺寸的计算7.1溢流装置计算因塔径D1.0m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：i. 堰长ii. 取iii. 溢流堰高度由选用平直堰，堰上液层高度由式近似取E=1，则取板上清液层高度故 iv.

18、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。v. 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。b) 塔板布置i. 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。ii. 边缘区宽度确定取 iii. 开孔区面积计算开孔区面积按式计算其中 故 iv. 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8、 塔板的流体力学验算；塔板负荷性能图；精馏塔接管尺寸计算；8.1塔板的流体力学验算塔板压降i.

19、干板阻力计算干板阻力由式计算由，查干筛孔得流量系数图3得， 故 液柱ii. 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0.63。液柱iii. 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）b) 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。c) 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。d) 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。e) 液泛为防止塔内发生

20、液泛，降液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。8.2塔板负荷性能图f) 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， 0.450 0.511 0.552 0.576由上表数据即可作出漏液线（1）g) 液沫夹带线以 =0.1kg液/kg气为限，求关系如下由 =0.0537=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 0.003 0.0

21、05， 1.413 1.366 1.190 1.081由上表数据即可作出液沫夹带线（2）h) 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）i) 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）j) 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 0.003 0.005， 1.888

22、1.842 1.505 0.929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，71.82平均压力，103.053气相流量，0.8644液相流量，0.00555实际塔板数206有效段高度87塔径，18板间距，0.49溢流形式单溢流10降液管形式弓形11堰长，0.6012堰高，0.053713板上液层高度，0.0614堰上液层高度，0.006315

23、降液管管底隙高度，0.013115安定区宽度，0.06517边缘区宽度，0.03518开孔区面积，20.53719筛孔直径，0.00520筛孔数目275621孔中心距，0.01522开孔率，%10.123空塔气速，1.10124筛孔气速，15.9325稳定系数1.6926每层塔板压降，550.18927负荷上限液泛控制28负荷下限液漏控制29液沫夹带0.002330气相负荷上限，1.34631气相负荷下限，0.61132操作弹性2.2038.3精馏塔接管尺寸计算k) 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l) 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m) 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n) 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查表取9、 辅助设备选型计算；设计结果汇总表10、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，