化工原理課程設(shè)計甲醇和水篩板精餾塔分離精品

1、<一>設(shè)計方案的確定本設(shè)計任務(wù)為分離甲醇-水混合物。對于二元混合物的分離，應(yīng)采用連續(xù)精餾流程。設(shè)計中采用泡點進料，將原料液通過預(yù)加熱器至泡點后送入精餾塔內(nèi)。塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡點下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送至儲罐。該物系屬易分離系，最小回流比，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品經(jīng)冷卻后送至儲罐。<二>精餾塔的物料衡算1、原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率甲醇的摩爾質(zhì)量 M甲醇水的摩爾質(zhì)量 M水=/kmolXF=XD=XW=2、原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量MF×32.04+（10.273）&

2、#215;18.02=/kmolMD×32.04+(1）×18.02=kg/kmolMW×32.04+(1)×18.02=kg/kmol3、物料衡算原料處理量：F=kmol/h總物料衡算：F=D+W 115.57=D+W甲醇物料衡算：FXF=DXD+WXW×0.273=D×+W×聯(lián)立解得 kmol/h<三>塔板數(shù)的確定1、理論板數(shù)的求取由 y=及甲醇水在不同溫度下的汽液平衡組成溫度液相氣相a溫度液相氣相a78856870am=得到相平衡方程 y=因為泡點進料，所以q=1 且且q點過相平衡線 則yq=Rmin=取操

3、作回流比 2、 求精餾塔的氣液相負荷1.88×kmol/h V=(R+1)D =2.88×kmol/h kmol/hkmol/h3、 求操作線方程精餾段操作線方程 =+提餾段操作線方程 =×10-35、逐板計算法求理論板數(shù)因為塔頂為全凝器 通過相平衡方程求 X1=再通過精餾段操作線方程 y21 ，如此反復(fù)得y1x1y2x2y3x3y4x4y5x5y6x6=0.當(dāng)X6<Xq后，改用相平衡方程與提餾段操作方程×10-3計算.如此反復(fù)得y7=0.3995x7=0.1211y8=0.2308x8=0.0585y9=0.1101x9=0.025y10=0.0

4、455x10=0.1474y11=0.02578x11=5×10-3y128×10-3x12=4×10-3可得到進料板位置 NF=6總理論板數(shù)NT=12<包括再沸器>2、實際板層數(shù)的求取精餾段實際板層數(shù)：N精=8.39提餾段實際板層數(shù)：N提=10（不包括再沸器）<四>精餾塔工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算1、 操作壓力計算塔頂操作壓力 PD每層塔板壓力降 D進料板壓力 PF=105.3+0.7×9=KPa塔底壓力 Pw=PF×精餾段平均壓力 Pm=KPa提餾段平均壓力 Pm=KPa2、 操作溫度計算（內(nèi)插法得）根據(jù)甲醇-水的

5、氣-液平衡組成表，再通過內(nèi)插法得：塔頂溫度 tD進料板溫度 tF塔釜溫度 tw精餾段平均溫度 tm=提餾段平均溫度 tm=3、 平均摩爾質(zhì)量的計算塔頂平均摩爾質(zhì)量計算由XD=y147 通過相平衡方程求得 X1MVDM=y1M甲+（1-y1）M水47×47) ×18.02=Kg/KmolMLOM=X1M甲+（1-X1）M水×) ×18.02= Kg/Kmol進料板平均摩爾質(zhì)量計算 通過逐板計算得進料板yF，再通過相平衡方程得XFMVFM= yFM甲+（1-yF）M水×32.04+（）×18.02=Kg/KmolMLFM=XFM甲+（1-

6、XF）M水×32.04+（×）=Kg/Kmol塔釜平均摩爾質(zhì)量的計算由Xw=0.002818 查平衡曲線得 ywMVWM=ywM甲+（1-yw）M水×）×18.02=/KmolMLWM=XWX甲+（1-XW）M水×32.04+（1-）×18.02=/Kmol精餾段平均摩爾質(zhì)量MVM=MLM=提餾段平均摩爾質(zhì)量MVM=MLM=4、平均密度計算氣相平均密度計算由理想氣體狀態(tài)方程計算 即精餾段 rVM=Kg/m³提餾段rvm=液相平均密度計算液相平均密度按下式計算 即塔頂液相平均密度的計算 由tD 查手冊得 r甲Kg/m³

7、;r水=9Kg/m³rLPM=Kg/m³進料板液相平均密度計算 由tF=78.3 查手冊得 r甲=735.53 Kg/m³r水=972.82 Kg/m³進料板液相的質(zhì)量分率 rLFM=Kg/m³提餾段液相平均密度計算 由tw 查手冊得 r甲³r水Kg/m³rLWM=Kg/m³精餾段液相平均密度為rLM=Kg/m³提餾段液相平均密度rLM=Kg/m³5、液體平均表面張力的計算液相平均表面張力依下式計算 即 dLM=åXidi塔頂液相平均表面張力的計算 由tD查手冊得d甲mN/m d水Mn

8、/mdLOM=XDd甲+（1-XD）d水47××mN/m進料板液相平均表面張力的計算 由tF=78.3 查手冊得 d甲d水dLFM=XFd甲+（1-XF）d水××mN/m 查手冊得 dddLWM=Xwd甲+(1-Xw)d水×14.93+（1-0.2087）×精餾段液相平均表面張力為dLM=mN/m提餾段液相平均表面張力為dLM=mN/m6、液體平均粘度計算液相平均粘度以下式計算，即mLM=åXimi塔頂液相平均粘度計算 由tD查手冊得m甲mpa.s m水mLDM=XDm甲+（1-XD）m水=g（）+（47）（）= mLDM進

9、料板液相平均粘度計算 由tF=78.3查手冊得m甲=0.28193mpa.s m水mLFM=XFm甲+（1-XF）m水)(0.37084)=mLFM5mpa.s由tw=99.6 查手冊得m甲=0.226mpa.s m水mLWM=Xwm甲+(1-Xw)m水=0.002818lg(0.226)+(1-0.002818)mLWM精餾段液相平均黏度為mLM=提餾段液相平均黏度為mLM=<五>精餾塔的塔體工藝尺寸計算1、 塔徑的計算精餾段的氣液相體積流率為Vs=m³/sLs=m³/s提餾段的氣液相體積流率為Vs=m³/sLs= ×10-3精餾段 uma

10、x= 式中C由C20求取，C20可通過查圖（P129頁）篩板塔的泛點關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)功能參數(shù)取板間距HT=0.35m（通過篩板塔的的泛點關(guān)聯(lián)圖）（書P129 圖10-42）得到C20C=C20（）×()最大空塔氣速umax=取安全系數(shù)為，則空塔氣速umax=0.8×m/sD=按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后 D=0.8m（據(jù)書P129 表10-1）塔截面積為AT=m²實際空塔氣速 u=(安全系數(shù)在允許范圍內(nèi)，符合設(shè)計要求)提餾段同理查閱得C20=查表得HT=0.35m C20C=C20()=0.07()Umax=C=/s uUmax×D=圓整取D=0.8m 同上AT=0.

11、5024實際空塔氣速u=（符合安全系數(shù)范圍，設(shè)計合理）2、精餾塔有效高度的計算精餾段有效高度為Z精=（N精-1）HT=（9-1）×m提餾段有效高度為Z提=（N提-1）HT=（10-1）×m在加料板上設(shè)故精餾塔的有效高度為Z=Z精+Z提+0.7=2.8+5m<六>塔板主要工藝尺寸的計算1、溢流裝置計算因塔徑D=0.8，可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤堰長lw 取lw溢流堰高度hw 由hw=hLhow選用平直堰，堰上液層高度how=取E=1.03 how=mmhow=mm取板上清液高度為hL=60mm hw=60-7,35= hw=60-11.31=弓形降液管

12、寬度wd和截面積Af由 查圖（P127頁 弓形降液管的寬度與面積圖）得所以AfT2×0.5024=0.02612Wd×0.8=所以依式計算液體在降液管中的停留時間精餾段：q=> 35s（故設(shè)計合理）提餾段：q= >35s(故設(shè)計合理)降液管低隙高度h。h。.= u。=/s精餾：h。=提餾：h。=故降液管設(shè)計合理，選用凹形受液盤hw=52.65mm hw2、塔板布置塔板的分塊因D800mm,故塔板采用分塊式，塔板查表可知分為3塊邊緣區(qū)寬度確定取Ws=Ws開孔區(qū)面積計算Aa=2（）x=(wd+ws)=R=wc=故Aa=2（）3篩孔計算及其排列選用d篩孔按正三角形排列

13、，取孔中心距t為 t=3.1d。=3,1×篩孔數(shù)目n為 n=開孔率f=0.907（）2×（）2=9.44%氣體通過閥孔的氣速精餾段 u。=提餾段 u。=(七)塔板的流體力學(xué)驗算1、塔板壓降干板阻力hc計算：（由查資料附表圖3-14干篩孔的流量系數(shù)有C。=0.82）hc=液柱hc=液柱氣體通過液層的阻力hl及hlua=F。=ua=/查資料附表圖3-15充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖，由F。=1.4619 得bhc=bhL=b（hw+how×（0.05265+0.00735）=液柱ua=F。=ua=/查資料附表圖3-15充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖，由F0bhc=bhL=b（hw+how液體表面張

14、力的阻力hs及hs計算hs=hs=氣體通過每層塔板的液柱高度hp及hp計算hp=hp=氣體通過每層塔板的壓降DPp及DPp計算DPp =（設(shè)計允許值）DPp=（設(shè)計允許值）2、 液面落差對于篩板塔，液面落差很小，且本方案的塔徑和液流量均不大，故可忽略頁面落差影響。3、液沫夾帶液沫夾帶量ev及ev計算按經(jīng)驗，一般hfc×ev=液/Kg氣<Kg液/Kg氣ev=Kg液/Kg氣<Kg液/Kg氣故在本設(shè)計中液沫夾帶量ev及ev在允許范圍內(nèi)4、漏液對篩板塔，漏液氣速（）由下式計算實際孔速u。=19.04m/s>穩(wěn)定系數(shù)K=實際孔速u。=18.73>穩(wěn)定系數(shù)K=5、液泛為防

15、止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高Hd及Hd應(yīng)服從下式Hdj（HT+hw） j取0.5；Hdj（HT+hw）j（HT+hw×（0.35+0.03882）=液柱j（HT+hw）×（0.35+0.04869）=m液柱而Hd=hp+hL+hd；Hd= hp+hL+hd板上不設(shè)進口堰hd=hd=hd=液柱Hd=hp+hL+hd=0.07629+0.06+0.001=液柱<液柱Hd= hp+hL+hd=0.0669+0.06+0.001=m液柱<液柱故在本設(shè)計中不會出現(xiàn)液泛現(xiàn)象（八）塔板負荷性能圖由得同理可得在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依上式計算出值，計算結(jié)果列于下表：Ls（L

16、s），Vs，Vs，由上表數(shù)字即可作出漏液線2、液沫夾帶線以=0.1液/氣為限，求Vs-Ls關(guān)系如下由整理得同理可計算出整理得在操作范圍內(nèi)，任取幾個Ls（Ls）值，依上式計算出Vs值，計算結(jié)果列于下表：Ls（Ls），Vs，Vs，由上表得出液沫夾帶線3、液相負荷下限線對于平直堰，取液上液層高度how=0.006m，作為最小液體負荷標(biāo)準(zhǔn)，由下式得取E=1，則同理，據(jù)此作出氣體流量無關(guān)的垂直液相負荷下限圖4、液相負荷上限圖以=4s作為液體在降液管中停留時間的下線，由下式得故據(jù)此可以作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負荷上限圖5、液泛線令由式中，故在操作范圍內(nèi)，任取幾個值，依上式計算出值，計算結(jié)果列于下表由上

17、表數(shù)據(jù)即可作出液泛線（5）<九>換熱器的設(shè)計1、冷凝器的選擇有機物蒸氣冷凝器設(shè)計選用的總體傳熱系數(shù)一般范圍為5001500kcal/(.h.)本設(shè)計取k=600w/(.) 出料溫度：64.6（飽和氣）冷卻水溫度：3040逆流操作：Dt1Dt2Dtm=傳熱面積：A=在此溫度下，查化工原理<第三版>附錄得g甲=1200KJ/Kg，g水=2378KJ/KgQ=wg=×××1220+（1-0.9947）×2378×1226A=設(shè)備型號公稱直徑公稱壓力管程數(shù)管子根數(shù)中心排管數(shù)管程流通面積換熱管長度計算換熱面積f25×60

18、0mm2232160.03643000mm52.82、再沸器的選擇選用120飽和水蒸氣加熱，傳熱系數(shù)取K=600w/(.)100 熱流體溫度：120120逆流操作：Dt1´=20Dt2´Dtm´=同上w´=rv´Vs´7×g´=xwg甲+（1-xw）g水 查表知此溫度下g甲=1100KJ/Kg g水=2400 KJ/Kgg´×1100+（1-0.002818）×2400=2396 KJ/Kgq´=w´g´=2396×A´=設(shè)備型號公稱直

19、徑公稱壓力管程數(shù)管子根數(shù)中心排管數(shù)管程流通面積換熱管長度計算換熱面積f25×700mm4322210.02534500mm111.2（十）餾塔接管尺寸計算1、接管進料管的結(jié)構(gòu)類型很多，本設(shè)計采用直管進料管，管徑計算如下：D= 取=/s25進料，此溫度下r甲=/m3r水=Kg/m3 （查化工原理（上）附錄）rLP=Vs=D=查標(biāo)準(zhǔn)系列 取f32×3回流管 采用直管回流管 取uRDR=查表取f89×4塔釜出料管 取uwDw=查表取f38×3塔頂蒸氣出料筒 直管出氣，取出口氣速u=20m/sD=查表取f273×8塔釜進氣管 采用直管 取氣速u=23m/sD=查表取f273×8法蘭本設(shè)計常壓操作，采用進料管接管法蘭2、筒體與封頭筒體壁厚選6mm，所用材質(zhì)為A3封頭本設(shè)計采用橢圓形封頭，³，選取風(fēng)同樣DN800×6。（選自常用化工單元設(shè)備設(shè)計附表1（A）橢圓封頭尺寸與質(zhì)量（JB/T4729-94）除沫器當(dāng)空塔氣速較大帶液現(xiàn)象嚴(yán)重，以及工藝過程中不許出塔氣速夾帶霧滴的情況下，設(shè)置除沫器，以減少液體夾帶損失，確保氣體純度，保證后續(xù)設(shè)備的正常操作。常用除沫器有折流板式除沫器，絲網(wǎng)除沫器以及程流除沫器。本設(shè)計采用絲網(wǎng)除沫器，其具有比面積大、質(zhì)量輕、空隙大及使用方便等優(yōu)點。設(shè)計氣速選?。海禂?shù)=0.107，除沫