填料精馏塔课程设计.doc

填料精馏塔课程设计精馏塔设计计算1 操作压力与基础数据（1）操作压力精馏塔操作按操作压力分为常压、加压和减压操作。精馏操作中压力影响非常大。当压力增大时，混合液的相对挥发度将减小，对分离不利；当压力减小时，相对挥发度会增大，对分离有利。但当压力不太低时，对设备的要求较高，设备费用增加。因此在设计时一般采用常压蒸馏。当常压下无法完成操作时，则采用加压或减压蒸馏。对于乙醇 水系统在常压下相对挥发度相差较大，较易分离，故本设计采用常压蒸馏。（2）气、液平衡关系数据如表1：平均温度t10095.58986.785.384.182.782.3液相乙醇x01.97.219.6612.3816.6123.3726.08气相乙醇y01738.9143.7547.0450.8954.9555.8平均温度t81.580.779.879.779.378.7478.4178.15液相乙醇x32.7339.6550.7951.9857.3265.6374.7289.43气相乙醇y59.2661.2265.6565.9968.4173.8578.1589.43根据以上数据绘出 x-y 平衡图（3）物料平衡计算 物料衡算。已知:F = 3000t 摩尔分率 ： 进料平均相对分子质量 ： 根据气、液平衡表（x-y-t表）利用内插法求塔顶温度 ，。塔釜温度 ，进料温度。a、 塔顶温度，b、 塔釜温度 c、 进料温度 回流比的确定查乙醇 水物系在101.3 kpa 下的温度组成图可知，对组成为乙醇的摩尔分数为0.207的进料，泡点为81.9、露点为91.7。又因进料的平均摩尔质量 查附录十三可知30时 ，液体变蒸气时 ， 乙醇和水的平均比热容，乙醇和水的汽化潜热分别为，将料液由30升温至81.9所需热量为：继续加热使之完全汽化。本设计中所需的汽化潜热都是在正常沸点下的值，可认为沸点低的乙醇在81.9完全汽化再升温至91.7则 q线方程为q线与平衡线的交点e，查图知：，代入式取，则R=1.58 。 相对挥发度：t=95.5时，t=78.41时，2、精馏塔的工艺计算（1）物料衡算 物流示意图（略） 物料衡算a、 已知：F=3000t，年开工300天。 进料摩尔流量 已求得 ，。总物料 F = D + W ，易挥发组分解得 ，b、 塔顶产品的平均相对分子质量： 塔顶产品流量：C、 塔釜产品的平均相对分子质量：塔釜产品流量 F = D + W = 172.164 + 244.333 = 416.497(kg/h) 物料衡算结果如表2：单位进料F塔顶D塔釜W物料流量Kg/h416.497172.164244.333Kmol/h17.484.08713.394组成质量分率40%94%2%摩尔分率20.7%85.97%0.97%（2）热量衡算 热流示意图（略） 热量衡算a、 加热介质和冷却剂的选择（a） 加热介质的选择 本设计选用300kpa(温度为133.3)的饱和水蒸气作为加热介质，水蒸气易获得、清洁、不易腐蚀加热管，不但成本会相应降低，塔结构也不复杂。（b） 冷却剂的选择。常用的冷却剂是水和空气，应因地制宜加以选用。受本地气温限制，冷却水一般为10 - 25。本地最热月份平均气温为25，故选用25的冷却水，选升温10，即冷却水的出口温度为35。b、 冷凝器的热负荷冷凝器的热负荷： ，其中 塔顶上升蒸气的焓，kcal/kmol， 塔顶馏出液的焓，kcal/kmol。其中 乙醇的蒸发潜热，kcal/kmol 水的蒸发潜热，kcal/kmol沸点下蒸发潜热数据如表3项目沸点/蒸发潜热/(kcal/kmol)/k乙醇78.39469516.2水1009729647.3注：1 kcal = 4.184 kJ蒸发潜热与温度的关系：，其中对比温度。由沃森公式计算塔顶温度下的潜热：78.23时，对乙醇 对水，同理得：，蒸发潜热=（kcal/kmol） =（kcal/kmol）对全凝器作热量衡算（忽略热量损失）选择泡点回流，因为塔顶乙醇含量很高，与露点相接近，所以：代入数据得：c、 冷却介质消耗量： d、 加热器的热负荷及全塔热量衡算。选用300kpa（温度为133.3)的饱和水蒸气为加热介质。列表计算乙醇、水在不同温度下混合的比热容单位：kcal/(kg如表4乙醇水乙醇水注：1 kcal =4.18kJ乙醇： 水： 根据表2有：D = 172.164 kg/h，W = 244.333 kg/h对全塔进行热量衡算：为了简化计算，以进料焓为基准做热量衡算： = -738.58+3625.90+70768.06-0 = 73655 （kcal/h）塔釜热损失为10%，则 = 0.9，则式中 加热器理想热负荷，kcal/h 加热器实际热负荷，kcal/h 塔顶馏出液带出热量，kcal/h 塔底带出热量，kcal/h加热蒸汽消耗量：热量衡算结果如表5：符号数值70768 kcal/h7077 kg/h0-738.58 kcal/h符号数值3625.9 kcal/h81839 kcal/h158.54 kg/h(3) 理论板数的计算虽然本设计的相对挥发度在改变，但仍可用捷算法计算。可取 ，最少理论板数应用吉利兰关联求理论板数N，精馏段理论板数，先求精馏段的最少理论板数。其中，以代替，则有：，捷算法求得总板数为15块，进料位置在第7块。3、精馏塔主要尺寸的设计计算不同温度下乙醇和水的密度表6乙醇/水温度（）708090100乙醇密度（）745735724716水密度（）977.8971.8965.3958.4乙醇水特殊黏度表7塔顶塔底进料乙醇/水温度（）78.2198.1383.25乙醇黏度（mpas）0.4430.3700.406水黏度（mpas）0.3640.2880.342（1） 塔顶条件下的流量及物性参数 ，气相平均相对分子质量： 液相平均相对分子质量：气相密度：kg/液相密度：，查表6，内插法 液相粘度查表7得：， ， 塔顶出料口质量流量 ：D=4.08642.13=172.1434kg/h塔中顶部数据结果表8符号数值42.1342.131.462747.680.432172.1434.086（2） 塔底条件下的流量及物性参数 =0.0079 ， =0.02液相相对分子质量：由于很小，所以液相可视为纯水 气相密度：=98.13液相密度：=98.13100，视同纯水，查表6有：液相粘度查表7得：， 塔底流量 ：W=13.39418.02=241.36（kg/h）塔底数据结果表9符号 数值 18.0218.020.591958.40.288241.3613.394（3） 进料条件下的流量及物性参数F=17.48kmol/h ， =20.7% =0.4查表1得： 16.6120.723.3750.89y54.95y=53.35%=0.534 气相平均相对分子质量： 液相平均相对分子质量 ： 气相密度 液相密度由表6数据，同上用内插法，求出, 液相粘度查表7得：t=83.25 ， 进料流量 F=进料数据结果表11符号 数值 33.0023.831.13857.890.355416.49717.48(4) 精馏段的流量及物性参数 气相平均相对分子质量： 液相平均相对分子质量： 气相密度： 液相密度： 液相粘度： 气相流量：V=(R+1)D=(1.58+1)4.086=10.54(kmol/h)V=10.5437.57=395.99(kg/h) 液相流量：L=RD=1.584.086=6.46(kmol/h) L=6.4632.98=213.05(kg/h)(5) 提馏段的流量及物性参数 气相平均相对分子质量： 液相平均相对分子质量： 液相密度： 气相密度： 液相粘度： 气相流量：V= V-(q-1)F=8.46 (kmol/h) =8.4625.51=215.81 (kmol/h) 液相流量：L=L + qF=L+F=6.46+1.11917.48=26.02( kmol/h) L=26.0220.93=544.60(kg/h)精馏段、提馏段数据结果表12性质精馏段提馏段气相平均相对分子质量/（kgkmol-1）37.5725.51液相平均相对分子质量/（kgkmol-1）32.9820.93气相密度/（kgm-3）1.2960.86液相密度/（kgm-3）802.79908.15气相摩尔流量/（kmolh-1）10.548.46气相质量流量/（kgh-1）395.99215.81液相粘度/（mPas）0.3940.32液相摩尔流量/（kmolh-1）6.4626.02液相质量流量/（kgh-1）213.05544.604、 填料的选择填料是填料塔的核心构件，它提供了气、液两相相接触传质与传热的表面，与塔内件一起决定了填料塔的性质。目前，填料的开发与应用仍是沿着散装填料与规整填料两个方面进行。 本设计选用规整填料，金属板波纹250Y型填料。 规整填料是一种在塔内按均匀图形排布、整齐堆砌的填料，规定了气、液流路，改善了沟流和壁流现象，压降可以很小，同时还可以提供更大的比表面积，在同等溶剂中可以达到更高的传质、传热效果。 与散装填料相比，规整填料结构均匀、规则、有对称性，当与散装填料有相同的比表面积时，填料空隙率更大，具有更大的通量，单位分离能力大。 250Y型波纹填料是最早研制并应用于工业生产的板波填料，它具有以下特点： 第一、比表面积与通用散装填料相比，可提高近1倍，填料压降较低，通量和传质效率均有较大幅度提高。 第二、与各种通用板式塔相比，不仅传质面积大幅度提高，而且全塔压降及效率有很大改善。 第三、工业生产中气液质均可能带入“第三相”物质，导致散装填料及某些板式塔无法维持操作。鉴于250Y型填料整齐的几何结构，显示出良好的抗堵性能，因而能在某些散装填料塔不适宜的场合使用，扩大了填料塔的应用范围。 鉴于以上250Y型的特点，本设计采用Mellapok-250Y型填料，因本设计塔中压力很低。5、 塔径的设计计算 （1） 精馏段塔径计算 由气速关联式 ： 式中：泛点气速，m/s； g 重力加速度，9.81m/s；a 填料总比表面积，； 填料层空隙率，；A 关联常数，250Y型为0.291； L、V液、气相质量流量，kg/h； 气、液相密度，kg/； 液相黏度，mpas精馏段：，a=250，=0.394，L=213.05kg/h，V=395.99kg/h，A=0.291，K=1.75代入式中求解得： =3.34m/s空塔气速：u=0.5=0.53.34=1.67m/s体积流量：V =D=m圆整后：D=400mm，空塔气速u=0.53m/s（2） 提留段塔径计算 所以=3.33 m/s空塔气速：u=0.5=0.53.33=1.66(m/s)体积流量： = D=圆整后：D=400mm，空塔气速u=0.66 m/s(3) 选取整塔塔径精馏段和提馏段塔径圆整后D=400mm，为精馏塔的塔径。6、 填料层高度的计算 （1）精馏段 u=0.53 m/s,所以F=u=0.603查图得精馏段填料高度式中精馏段理论板数据据前所算得7； 2.5（查得）精馏段总压降（2） 提留段=0.66 m/s，所以查图得提馏段填料高度式中提馏段理论板数据根据前面算得8； 2.5（查得） 提馏段总压降（3）全塔填料层压降 （4）填料总高度 填料层高度和压降计算汇总表13参数精馏段提馏段全塔气动因子/（m/s）(kg/m2)0.6030.