甲醇-水填料精馏塔的课程设计

1、摘要：填料塔为连续接触式的气液传质设备，与板式塔相比，不仅结构简单，而且具有生产能力大，分离填料材质的选择，可处理腐蚀性的材料，尤其对于压强降较低的真空精馏操作，填料塔更显示出优越性。本文以甲醇-水的混合液为研究对象，因甲醇-水系统在常压下相对挥发度相差较大，较易分离，所以此设计采用常压精馏。根据物料性质、操作条件等因素选择填料塔，此设计采用泡点进料、塔底再沸器和塔顶回流的方式，将甲醇水进行分离的填料精馏塔。通过甲醇水的相关数据，对全塔进行了物料衡算和热料衡算，得出精馏产品的流量、组成和进料流量、组成之间的关系，进而得到精馏塔的理论板数。分析了进料、塔顶、塔底、提馏段、精馏段的流量及其物性参数

2、。对精馏段和提留段的塔径及填料层高度进行了计算，以确定塔的结构尺寸。对塔内管径、液体分布器、筒体壁厚进行了选型计算，从而得到分离甲醇水混合物液的填料精馏塔。关键词：填料塔；流量；回流比；理论板数；工艺尺寸第一章：设计任务书1一、设计题目1二、操作条件1三、填料类型1四、设计内容2第二章：工艺设计计算2一、设计方案的确定2二、精馏塔的物料衡算3三、理论塔板数的确定3四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算8五、精馏塔塔体工艺尺寸的计算10六、填料层压降的计算13七、筒体壁厚的计算14八、管径的计算14九、液体分布器简要设计16第三章：结论18一、设计感想18二、全章主要主要符号说明19三、参考资

3、料：20- 21 -第一章：设计任务书一、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液，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。为使废甲醇溶液重复利用，拟建立一套填料精馏塔，以对废甲醇溶媒进行精馏得到含水量0.3%（质量分数）的甲醇溶媒。设计要求废甲醇溶媒的处理量为4t/h,塔底废水中甲醇含量0.5%（质量分数）。二、操作条件1、操作压力为常压2、进料热状态自选（饱和）3、回流比自选4、塔底加热蒸汽压力0.3MPa（表压）三、填料类型因甲醇溶媒中含有少量的药物固体微粒，应选用金属散装填料，以便定期拆卸和清理。填料类型和规格自选

4、。四、设计内容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的计算；5、填料层压降的计算；6、液体分布器的简要设计；7、精馏塔接管尺寸计算；8、绘制精馏塔设计条件图；9、对设计过程的评述和有关问题的讨论。第二章：工艺设计计算一、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，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。甲醇常压下的沸点为64.7，所以采用常压操作。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槽。塔釜采用间接蒸汽加热方

5、式。填料类型选用散装金属环矩鞍填料。二、精馏塔的物料衡算1、原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数甲醇的摩尔质量MA=32.04 ，水的摩尔质量MB=18.02 2、原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量0.3239×32.040.6761×18.0222.560.9947×32.040.0053×18.0231.96572.8183××32.040.9972×18.0218.0593、物料衡算废甲醇溶媒的处理量为4t/h,则原料液的处理量为总物料衡算： （1）甲醇物料衡算： （2） 联立方程（1）（2）解得：三、理论塔板数的确定对

6、甲醇水二元物系，采用图解法求理论板层数1、由手册查得甲醇水物系的汽液平衡数据甲醇水物系的气液平衡数据温度t液相中的甲醇的摩尔分数汽相中的甲醇的摩尔分数温度t液相中的甲醇的摩尔分数汽相中的甲醇的摩尔分数1000.00.075.30.400.72996.40.020.13473.10.500.77993.50.040.23471.20.600.82591.20.060.30469.30.700.87089.30.080.36567.60.800.91587.70.100.41866.00.900.95884.40.150.51765.00.950.97981.70.200.57964.51.01.

7、078.00.300.6652、求最小回流比及操作回流比查的甲醇水物系的气液平衡数据，绘出图。由于泡点进料q=1,在图上作直线x=0.995交对角线与a点，作直线x=0.324交平衡点与q点，连线aq两点，过q点作横轴的平行线交纵轴与一点，读的y=0.682。即最小回流比如下：取操作回流比53、求精馏塔的气液相负荷4、求操作线方程精馏段操作线方程：（3）提馏段操作线方程：（4）5、理论板层数（采用逐板法）由，再根据甲醇水物系的气液平衡数据中的数据可计算出不同温度下的挥发度，见下表：表1温度t挥发度温度t挥发度96.47.58275.34.03593.57.33273.13.52591.26.8

8、4371.23.14389.36.61069.32.86887.76.46467.62.69184.46.06666.02.53481.75.50165.02.45478.04.632所以 由得将代入相方程（5）联立（3）（4）（5）方程式可自上而下逐板计算所需理论板数。因塔顶全凝，则由（3）式求得第一块板下降组成利用（1）式计算第二块板上升蒸汽组成为交替使用（1）式和（3）式直到，然后改用提馏段操作线方程，直到为止。计算结果见表2。表2板号组成1234567y0.9950.9890.9750.9440.8830.7910.694x0.9780.9530.8980.7910.6300.4600

9、.338板号组成8910111213y0.6240.3970.1870.0690.0210.004x0.2720.1290.0490.0160.0050.0009精馏塔的理论塔板数为=13-1=12（不包括再沸器）进料板位置四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算由甲醇水物系的汽液平衡数据，采用内插法，计算结果如下：塔顶温度塔底温度进料温度水跟甲醇的物理性质见表3表3水的重要物理性质温度t/（）密度/（kg/m³）黏度/（mPa·s）张力/（N/m）比热容Cp/（j/kg·k）20998.21.00572.604.18360983.20.468866.204.17

10、870977.80.406164.304.18780971.80.356562.604.19590965.30.316560.704.208100958.40.283858.804.220甲醇的重要物理性质温度t/（）密度/（kg/m³）黏度/（mPa·s）张力/（N/m）比热容Cp/（j/kg·k）20804.80.580022.0760761.10.344017.3370749.40.307016.1880737.40.277015.0490724.90.250013.91100712.00.228012.80塔顶第一块板有关参数：气相流量：液相流量：由表2可

11、知，塔顶第一块板的气相组成为，液相组成为气相平均摩尔质量为 液相平均摩尔质量为 气相密度为 由表3内插法的64.6时，水的密度为980.7，甲醇的密度为755.7则液相密度为 由可计算出液体的黏度为同理，进料板（第一块板）的有关参数：气相流量：液相流量：由表2可知，塔顶第一块板的气相组成为，液相组成为气相平均摩尔质量为液相平均摩尔质量为气相密度为 由表3内插法的77.4时，水的密度为973.36，甲醇的密度为740.52则液相密度为：由可计算出液体的黏度为五、精馏塔塔体工艺尺寸的计算1、塔径的计算精馏段塔径的计算在本设计中采用泛点气速法计算适宜的空塔气速取泛点率，则依据贝恩-霍根关联式计算调填

12、料的泛点气速法查表可知A=0.06225，K=1.75 g=9.81 散装金属环矩鞍散装填料，假设其公称直径为50，则查表可知 =74.9 =96液相质量流量为 气相质量流量为 代入上式得：求得：则由于故可采用50散装金属环矩鞍填料。提馏段塔径的计算取泛点率，则依据贝恩-霍根关联式计算调填料的泛点气速法查表可知A=0.06225，K=1.75 g=9.81 散装金属环矩鞍散装填料，假设其公称直径为50，则查表可知 =74.9 =96液相质量流量为 气相质量流量为 代入上式得：求得：则由于故可采用50散装金属环矩鞍填料。比较精馏段与提馏段计算结果，两者基本相同。圆整塔径，取D=700则校核精馏段

13、有泛点率符合标准同理校核提馏段泛点率符合标准液体喷淋密度精馏段液体喷淋密度提馏段液体喷淋密度2、填料层高度的计算有查找数据得，50散装金属环矩鞍填料时，HETP=0.65 =0.75则，精馏段的填料高度为，圆整精馏段填料层高度为7m提馏段填料层高度为，圆整提馏段填料层高度为3.5m依据散装填料分段高度推荐值，将精馏段分为两段，每段高度为3.5m。精馏段分段处的物性参数为： 六、填料层压降的计算对50金属散装环矩鞍填料压降的计算依据埃克托通用关联图来计算。先根据气液负荷有关物性数据求出横坐标对于精馏段：对于提馏段：根据空塔气速u及有关物性数据，求出纵坐标： 已知50金属散装环矩鞍填料=71对于精

14、馏段： 代入式中得：对于提馏段： 代入式中得：在埃克托通用关联图中查得：精馏段 则提馏段 则则填料层总压降为七、筒体壁厚的计算内有3个大气压，内径，选用Q235C钢板制造，（局部无损检测，单面焊接）计算厚度。圆整量为3，由于碳素钢制塔式容器厚度要不少于4，所以去4。校核水压强度： 则： ，可见 ，所以水压强度足够采取椭圆型封头厚度为4。八、管径的计算管径的计算依据公式1、塔顶出气管径的计算已知饱和甲醇蒸汽出料u 取30m/s，由GB 8163-87查得选用的无缝钢管其内径d=219-2×6=207，重新核算u=30.32m/s2、塔顶回流管径计算已知u 取2m/s由GB 8163-8

15、7查得选用的无缝钢管其内径d=32-2×4=24，重新核算u=1.971m/s。3、进料管径计算已知u 取1.5m/s 由GB 8163-87查得选用的无缝钢管其内径d=42-2×4=34，重新核算u=1.37m/s。4、塔釜出液管管径计算已知u 取1.5m/s 由GB 8163-87查得选用的无缝钢管其内径d=42-2×4=34，重新核算u=1.45m/s。5、塔釜回流蒸汽管径计算已知u 取30m/s由GB 8163-87查得选用的无缝钢管其内径d=245-2×7=231，重新核算u=27m/s。九、液体分布器简要设计1、液体分布器选型由于该液体混合物

16、中含有固体悬浮物，故本设计采用槽盘式液体分布器，它兼有集液和分液的功能，而且操作弹性大。2、布液点密度按照埃克托建议值，D=700设计取分布点密度为185点/布液点数n=0.785×0.7²×185=71.2点71点按照分布点几何均匀与流量均匀的原则，进行布点设计，设计结果为：二级槽共设5 道，在槽侧面开孔。两槽中心间距130mm,槽宽度65mm,槽高度为170mm.布液点示意图如下由图可知实际布点数为70 个。3、布液计算依据公式 (1)对塔顶和精馏段分段处的液体再分布，相关数据为n=70 g=9.81取=0.60，=130将上述数据代入公式（1）得对进料处的液

17、体再分布，相关数据为n=61 g=9.81取=0.60，=130将上述数据代入公式（1）得第三章：结论一、设计感想通过这次课程设计使我充分理解到化工原理课程的重要性和实用性。更特别是对精馏原理及其操作各方面的了解和设计，对实际单元操作设计中所涉及的各个方面要注意问题都有所了解。，不仅让我将所学的只是应用到实际中，而且对知识也是一种巩固和提升充实。在老师和同学的帮助之下，及时的按要求完成了设计任务，通过这次课程设计，使我获得了很多重要的知识，同时也提高了自己的实际动手和知识的灵活运用能力。二、全章主要主要符号说明符号意义计量单位 M摩尔质量kg/kmol进料率kmol/h塔顶采出率kmol/h塔底采出率kmol/h q进