甲醇-水分离板式精馏塔的设计.doc

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 常压 2) 进料热状态 自选 3) 回流比 自选 4) 塔底加热蒸气压力 0.3Mpa（表压）（三）塔板类型筛孔板（四）工作日每年工作日为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1设计方案的确定12精馏塔的物料衡算12.1原料液及塔顶和塔底的摩尔分率12.2原料液及塔顶和塔底产品的平均摩尔质量12.3物料衡算13塔板数的确定23.1理论板层数的求取23.1.1相对挥发度的求取23.1.2求最小回流比及操作回流比23.1.3求精馏塔的气、液相负荷33.1.4求操作线方程33.1.5采用逐板法求理论板层数33.2实际板层数的求取43.2.1液相的平均粘度43.2.2精馏段和提馏段的相对挥发度53.2.3全塔效率ET 和实际塔板数54精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算64.1操作压力的计算64.2操作温度计算64.3平均摩尔质量计算64.4平均密度计算74.4.1气相平均密度计算74.4.2液相平均密度计算74.5液体平均表面张力的计算74.6液体平均粘度85精馏塔的塔体工艺尺寸计算85.1塔径的计算85.2精馏塔有效高度的计算96塔板主要工艺尺寸的计算106.1溢流装置计算106.1.1堰长106.1.2溢流堰高度106.1.3弓形降液管宽度和截面积106.1.4降液管底隙高度116.2塔板布置116.2.1塔板的分块116.2.2边缘区宽度确定116.2.3开孔区面积计算116.2.4筛孔计算及排列127塔板的流体力学验算127.1塔板压降127.1.1干板阻力计算127.1.2气体通过液层的阻力计算127.1.3液体表面张力的阻力计算137.2液面落差137.3液沫夹带137.4漏液147.5液泛148塔板负荷性能图158.1漏液线158.2液沫夹带线158.3液相负荷下限线168.4液相负荷上限线178.5液泛线179筛板塔设计计算结果1910精馏塔接管尺寸计算2010.1塔顶蒸气出口管的直径2010.2回流管的直径2010.3进料管的直径2010.4塔底出料管的直径2111对设计过程的评述和有关问题的讨论2112设计图纸2113参考文献2214主要符号说明22221 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，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。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。2 精馏塔的物料衡算2.1 原料液及塔顶和塔底的摩尔分率甲醇的摩尔质量 =32.04kg/kmol水的摩尔质量 =18.02kg/kmol2.2 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=0.91432.04+(1-0.914) 18.02=30.83kg/kmol=0.01732.04+(1-0.017) 18.02=18.26kg/kmol2.3 物料衡算原料处理量 总物料衡算 141.598=D+W苯物料衡算 联立解得 D=48.462kmol/h W=93.136kmol/h3 塔板数的确定3.1 理论板层数的求取3.1.1 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 y1000.000.0075.30.400.72996.40.020.13473.10.500.77993.50.040.23471.20.600.82591.20.060.30469.30.700.87089.30.080.36567.60.800.91587.70.100.41866.00.900.95884.40.150.51765.00.950.97981.70.200.57964.51.001.0078.00.300.665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3.1.2 求最小回流比及操作回流比泡点进料： 故最小回流比为=取操作回流比为R=2=20.653=1.3063.1.3 求精馏塔的气、液相负荷 3.1.4 求操作线方程精馏段操作线方程为=+=+=0.566+0.396 （a）提馏段操作线方程 （b）3.1.5 采用逐板法求理论板层数由 得 将 =4.45 代入得相平衡方程 （c）联立（a）、（b）、（c）式，可自上而下逐板计算所需理论板数。因塔顶为全凝则由（c）式求得第一块板下降液体组成利用（a）式计算第二块板上升蒸汽组成为交替使用式（a）和式（c）直到，然后改用提馏段操作线方程，直到为止，计算结果见表3。表3板号12345678y0.9140.7950.6600.5430.3730.2020.0850.023x0.7050.4660.304xF0.2110.1180.0540.0200.005xW 精馏塔的理论塔板数为 =8（包括再沸器）进料板位置 3.2 实际板层数的求取3.2.1 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：3.2.2 精馏段和提馏段的相对挥发度根据表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 3.2.3 全塔效率ET 和实际塔板数全塔效率可用奥尔康公式：计算所以精馏段 提馏段精馏段实际板层数 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 每层塔板压降 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 4.3 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4.4 平均密度计算4.4.1 气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即 4.4.2 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 4.5 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4.6 液体平均粘度计算见2.2.1精馏段液相平均黏度5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算 5.1 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5.2 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6 塔板主要工艺尺寸的计算6.1 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：6.1.1 堰长取6.1.2 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 6.1.3 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。6.1.4 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。6.2 塔板布置6.2.1 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。6.2.2 边缘区宽度确定取 6.2.3 开孔区面积计算开孔区面积按式计算其中 故 6.2.4 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7 塔板的流体力学验算7.1 塔板压降7.1.1 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7.1.2 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7.1.3 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）7.2 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。7.3 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。7.4 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。7.5 液泛为防止塔内发生液泛，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 塔板负荷性能图8.1 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）8.2 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 0.005， 1.413 1.366 1.190 1.081由上表数据即可作出液沫夹带线（2）8.3 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）8.4 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）8.5 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 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 9 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2.20310 精馏塔接管尺寸计算10.1 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10.2 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10.3 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10.4 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11 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，采用筛板精馏塔的原因主要是其具有结构简单，造价低，生产能力较大，气体分撒均匀，传质效率较高等优点，但也有筛孔易堵塞等缺点。由塔板负荷性能图可以看出，在本设计中的塔板的设计点在正常操作范围内，气液两相流量的变化对塔板效率影响不大，可以获得较理想的塔板效率。但操作弹性不大，增产的潜力较小。12 设计图纸绘制生产工艺流程图（见附图1）； 绘制精馏塔设计条件图（见附图2）。13 参考文献1杨祖荣，刘丽英，刘伟.化工原理.北京：化学工业出版社，20082刘光启，马连湘，刘杰.化学化工物性数据手册（有机卷）.北京：化学工业出版社