精餾塔的設(shè)計(jì)計(jì)算

1、第2章精餾塔的設(shè)計(jì)計(jì)算2.1進(jìn)料狀況設(shè)計(jì)中采用泡點(diǎn)進(jìn)料，塔頂上升蒸汽采用全冷凝器冷凝，冷凝液在泡點(diǎn)下回 流至塔內(nèi)該物系屬易分離物系，最小回流比較小，故操作回流比取最小回流比的 1.7倍。塔釜采用間接蒸汽加熱具體如下：塔型的選擇本設(shè)計(jì)中采用浮閥塔。2.2加料方式和加料熱狀況加料方式和加料熱狀況的選擇：加料方式采用泵加料。雖然進(jìn)料方式有多 種，但是飽和液體進(jìn)料時(shí)進(jìn)料溫度不受季節(jié)、氣溫變化和前段工序波動(dòng)的影響 ，塔的操作比較容易控制；此外，飽和液體進(jìn)料時(shí)精餾段和提餾段的塔徑相同 ，無論是設(shè)計(jì)計(jì)算還是實(shí)際加工制造這樣的精餾塔都比較容易，為此，本次設(shè) 計(jì)中采取泡點(diǎn)進(jìn)料。2.3塔頂冷凝方式塔頂冷凝采用全冷

2、凝器用水冷卻。甲醇和水不反應(yīng)而且容易冷卻，故使用 全冷凝器，塔頂出來的氣體溫度不高冷凝回流液和產(chǎn)品溫度不高無需進(jìn)一步冷 卻，此分離也是為了得到甲醇故選用全冷凝器。2.4回流方式回流方式可分為重力回流和強(qiáng)制回流，對(duì)于小型塔冷凝器一般安裝在塔頂。 其優(yōu)點(diǎn)是回流冷凝器無需支撐結(jié)構(gòu)，其缺點(diǎn)是回流控制較難。需要較高的塔處 理或因?yàn)椴灰讬z修和清理，這種情況下采用強(qiáng)制回流故本設(shè)計(jì)采用強(qiáng)制回流。2.5加熱方式加熱方式為直接加熱和間接加熱。直接加熱由塔底進(jìn)入塔內(nèi)。由于重組分 是水故省略加熱裝置。但在一定的回流比條件下，塔底蒸汽對(duì)回流有稀釋作用 ，使理論板數(shù)增加，費(fèi)用增加，間接蒸汽加熱器是塔釜液部分汽化維持原來濃

3、度，以減少理論板數(shù)。本設(shè)計(jì)采用間接蒸汽加熱。2.6工藝流程簡(jiǎn)介連續(xù)精餾裝置主要包括精餾塔，蒸餾釜（或再沸器），冷凝器，冷卻器，原 料預(yù)熱器及貯槽等.原料液經(jīng)原料預(yù)熱器加熱至規(guī)定溫度后， 由塔中部加入塔內(nèi).蒸餾釜（或再 沸器）的溶液受熱后部分汽化，產(chǎn)生的蒸汽自塔底經(jīng)過各層塔上升， 與板上回流 液接觸進(jìn)行傳質(zhì)，從而使上升蒸汽中易揮發(fā)組分的含量逐漸提高，至塔頂引出后進(jìn)入冷凝器中冷凝成液體，冷凝的液體一部分作為塔頂產(chǎn)品，另一部分由塔頂引 入塔內(nèi)作為回流液，蒸餾釜中排出的液體為塔底的產(chǎn)品。第3章設(shè)計(jì)方案的確定設(shè)計(jì)（論文）的主要任務(wù)及目標(biāo)（1）設(shè)計(jì)要求年處理含甲醇50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的甲醇與水混合液 9萬噸

4、，每年按300天 計(jì)算。（每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)）原料組成：50%勺甲醇和50%勺水（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）產(chǎn)品組成：產(chǎn)品含甲醇不低于 95%，殘液中含甲醇不高于2%。當(dāng)?shù)貕簭?qiáng)：按照95kpa計(jì)算。（2）操作條件塔頂壓強(qiáng)101.3kpa （表壓）；進(jìn)料熱狀況，自選；回流比，自選；塔釜加熱蒸汽壓力506kPa；單板壓降不大于0.7kPa;塔板形式為浮閥塔。本設(shè)計(jì)任務(wù)為分離甲醇和水混合物。 對(duì)于二元混合物的分離，本設(shè)計(jì)采用連 續(xù)操作方式的浮閥式精餾裝置。本設(shè)計(jì)采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過預(yù)熱器加熱 至泡點(diǎn)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(diǎn)下一部分 回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送入儲(chǔ)

5、罐。該物系屬易分離物系，操作回流比取最小回流比的1.6倍，塔釜采用間接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品冷卻后送至 儲(chǔ)罐。精餾塔的物料衡算3.1.1原料液及塔頂、塔釜甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)甲醇的摩爾質(zhì)量 MA=32kg/kmol，水的摩爾質(zhì)量 MB=18kg/kmol原料液甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)：0.5/32xF0.360.5/32 0.5/18塔頂甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)：0.95/32Xd0.9640.95 / 320.02 / 1 8塔釜甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)：0.02 / 3 2門 c XW0.0 1 10.02/320.95/183.1.2原料液及塔頂、塔釜產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量原料液產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量：MF=0.36 320.6418

6、 = 23.04塔頂產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量：MD=0. 964320.036= 183塔釜產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量：MW=0. 01 1320. 9 8 9= 1813.1.3物料衡算原料處理量：9 00 00 31 0F5 4 2. 5c3n o l /h243 002 3. 0 4總物料衡算：5 4 2.533 W甲醇物料衡算：54 2.530=36 D 十9 64W0聯(lián)立解得D =2 1 1 .I2mo 1 /hW = 3 3 1.33n o 1 /h3 / 93.2塔板數(shù)的確定3. 2.1理論塔板數(shù)的求解甲醇一水屬理想物系，可采用圖解法求理論板層數(shù)。由手冊(cè)查得甲醇一水物系的氣液平衡數(shù)據(jù)（表3-1

7、）,繪出x-y圖，見圖3-1溫度t (C)液相中的摩爾分?jǐn)?shù)X氣相中的摩爾分?jǐn)?shù) y1000.000.00096.40.020.13493.50.040.23491.20.060.30489.30.080.36587.70.100.41884.40.150.51781.70.200.57978.00.300.66576.00.330.69275.30.400.72973.1t/0C摩爾分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù)0.77971.20.6x/y0.82569.31000.7000.870100表3-1甲醇-水物系氣液平衡數(shù)據(jù)2 4 6 乞0 H0 5OO&0.1340.2340.30403658 I 000

8、6 7 09 o87.70.10.418783.2.1.1回流比的確定84.4在圖中對(duì)角線上81自點(diǎn)78線交點(diǎn)坐標(biāo)為yq=）37 ,0.150.51776.7£0卿00起做q線（泡點(diǎn)線72該線與平衡 可尙q線與平衡線的交點(diǎn)坐標(biāo)71.3 Xq,yq為73.10.50.779(0.36,0.7 ),貝卩71.20.60.825最小回流比為69.30.70.8767.60.80.915660.9R-=8776706866.964.700.05310.07670.09260.13150.20830.28180.33330.4620.52920.59370.68490.85620.87411取

9、回流比 R=1.7R6in=1.70.7°651.319 0.9793.2.1.2操作線方程111.2精餾段氣液負(fù)荷V=(R+1)D=(1.319+1) 211.2=489.773kmol/hL=RD=1.319=278.573kmol/h0.85 / 90.6提餾段氣液負(fù)荷，由于泡點(diǎn)進(jìn)料，q=1則489.773kmol/h278.573+542.53=821.103 kmol/h精餾段操作線方程LD176.073159.206y xxDx0.914 = 0.525x 0.434VV335.278335.278提餾段操作線方程L'L'W,W649.252x V；xW

10、一 649.252 -314.0160.0113 =1.937x-0.011335.27811 / 93.2.1.3圖解法確定理論塔板數(shù)圖3-1理論板層數(shù)圖解法由圖3-1可知，總理論塔板數(shù)Nt為8塊（包括塔釜），進(jìn)料板位置Nf為自塔 頂數(shù)起第5塊。3.2.2全塔效率及實(shí)際塔板數(shù)3.2.2.1 全塔效率根據(jù)奧康奈爾經(jīng)驗(yàn)式ET =0.49（。叫）亠245式中:塔頂與塔底平均溫度下的相對(duì)揮發(fā)度，無因次量，量綱為 1； % 塔頂與塔底平均溫度下的液相黏度，Pa s查相關(guān)資料得甲醇-水物系的相對(duì)揮發(fā)度為a =4.617，計(jì)算得 -0. 34則全塔效率Et =0.49 4.617 0.348 少45 =0

11、.437 =43.7% ,3.2.2.2實(shí)際塔板數(shù)精餾段實(shí)際塔板數(shù)Npt4： 10Et0.437提餾段實(shí)際塔板數(shù)Npt3，7Et 0.437實(shí)際總塔板數(shù) N總-17 (不含塔釜)3.3精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計(jì)算3.3.1操作壓力每層板的壓降 / =0.7kPa塔頂操作壓力PD = 1 0 1. k3P a進(jìn)料板壓力Pf=10 1.3 0x7 10 1P&塔底壓力 PW =1 0 1. 30.7 17 kPa.精餾段平均壓力Pm01.七10自3 4 KP a2提餾段平均壓力Pm = 10 8.七11 = 1'20.7k5a23.3.2操作溫度x 一xXX內(nèi)插法一：，查表

12、1得t 一12一1進(jìn)料板V解得3進(jìn)料板操作溫度tF =7 7. 0(9 ,同理可得塔頂操作溫度tD =6 5. 7(塔底操作溫度tW =9 9. 9(3.3.3平均摩爾質(zhì)量冷=0.914,由平衡曲線得& =0.805塔頂平均摩爾質(zhì)量MVDm=0. 9 1 4 32 (1 0. 91 4) 1 8kg3(k.n8(02/M lde = 0.80$ 32 + (1 - 0.805)叮8 = 29.27kg / kmolXf =X2 =0.315,由平衡曲線得 y2 =0.678進(jìn)料板平均摩爾質(zhì)量Mvf,示0. 678 32 <1 0. 678七1 8kg2 7cm4(9l2/Mlfm

13、 =0.315疋32+ (10.315)"8 = 22.412kg / kmolXW -0.0113，由平衡曲線得y3 =0.018塔底平均摩爾質(zhì)量MVWZm=0. 01 8 32 (1 0.0 1 8) 1 8kg1 8cn2(52/MLW,m =0.0114 32 (1-0.0114) 1 18.159kg/ kmol精餾段平均摩爾質(zhì)量M V,m = 3 0 . 8； 2 7 .夕孑.1 40 kmol29 27+22 412M L,m =:=25.841kg / kmol2 7 4 921 8 2 5 2提餾段平均摩爾質(zhì)量M V m二 一.-rT. 8 7g2 kmol2M L

14、,m =夕0. 2 陋 kn/ol3.3.4 液相和氣相平均密度查相關(guān)資料得甲醇與水在個(gè)溫度下的密度如表3-2。表3-2甲醇與水在各溫度下的密度溫度t (C)607080901003、p 甲醇(kg/m )7517437347257163、p 水(kg/m )983.2977.8971.8965.3958.43.3.4.1 液相平均密度計(jì)算式丄二aAaB°L,m°LA +查表2數(shù)據(jù)運(yùn)用內(nèi)插法求塔頂液相平均密度 751743-75165.71 -60 一 70 -60解得 = 746.431kg/m3訂 - 983.2977.8 -983.265.71 -60 一 70 -6

15、0解得-980.117kg/m3所以：L D0. 95 / 7 4 6/431(17 5 5. 4k3g7 rm/0. 9 5) / 9 80. 1 1 7同理可得進(jìn)料板液相平均密度Plf m=8 5 0. 416陽 m/塔底液相平均密度-LW 9 5 1. 916少 m/精餾段液相平均密度PL,m=8 02. 9kg5m3/提餾段液相平均密度PL,m = 901.209kg /m33.3.4.2氣相平均密度由理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算得精餾段氣相平均密度PmM V mRTm1027 29 161i.8. 3 1 4(7 1-. 4 02 7 3.04kgm/提餾段氣相平均密度V,mPmMv,m10

16、6.9 22.886RT - 8.314 (88.54 273.15)3二 0.814kg/m3.3.5液相平均表面張力查資料得甲醇與水在各溫度下的表面張力如表3-3溫度t (C)60708090100(T 甲醇(mN/m)18.7617.8216.9115.8214.89er 水(mN/m)66.264.362.660.758.8表3-3甲醇與水在各溫度下的表面張力n計(jì)算式匚Lm = X匸ii=1查表3-3數(shù)據(jù)運(yùn)用內(nèi)插法求塔頂液相平均表面張力匚A T8.7665.7160仃.82 -18.76，解得二A =18.223mN/m70-60二 b -66.265.716064.3 一66.2，解

17、得匚B=65.115mN/m70 -60所以；LD m=0. 9 1 41 8. 2 2 3-( 10. 9 14) =6 5. r!N5 m2 2. 23 5同理可得進(jìn)料板液相平均表面張力f,后 4 8. 6 1n6Nm/塔底液相平均表面張力精餾段液相平均表面張力叭,m=22.235 F.616 =35.426mN/m提餾段液相平均表面張力嚴(yán).616 十 58.305 =53.461mN/m3.3.6液相平均粘度查資料得甲醇與水在各溫度下的表面張力如表3-4表3-4甲醇與水在各溫度下的黏度溫度t( C)406080100120l水(mPa s)0.4390.3440.2770.2280.196L 甲醇(mPa- s)0.5490. 4700.3550.2820.237n計(jì)算式m = v X"i丄查表4數(shù)據(jù)運(yùn)用內(nèi)插法求塔底液相平均黏度0.306-0.35