分离甲醇-水混合物化工设计
-
示例
1
设计条件如下：
操作压力：
105.325
Kpa(
绝对压力
)
进料热状况：泡点进料
回流比：自定
单板压降：≤
0.7 Kpa
塔底加热蒸气压力：
0.5M
Kpa(
表压
)
全塔效率：
E
T
=47%
建厂地址：
[
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，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回流至塔内，其余部分经产品冷却后送至储罐。
该物系属易分离物系，
最小回流比较小，
故操
作回流比取最小回流比的
2
倍。
塔釜采
用
间接蒸气加热，塔底产品经冷却后送至储罐。
(
二
)
精馏塔的物料衡算<
/p>
1
、
原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率
甲醇的摩尔质量：
M
A
=32
Kg/Kmol
水的摩尔质量：
M<
/p>
B
=18 Kg/Kmol
x
F
=32.4%
x
D
=99.47%
x
W
=0.28%
2
、
原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
M
F
=
32.4%*32+67.6%*18=22.54 Kg/Kmol
M
D
=
99.47*32+0.53%*18=41.37 Kg/Kmol
M
W
=
0.28%*32+99.72%*18=26.91 Kg/Kmol
3
、
物料衡算
3
原料处理量：
F=(3.61*10
)/22.54=160.
21 Kmol/h
总物料衡算：
160.21=D+W <
/p>
甲醇物料衡算：
160.21*32.4%=D*99.47%+
W*0.28%
得
D=51.88 Kmol/h
W=108.33 Kmol/h
(
三
)
塔板数的确定
1
、
理论板
层数
M
T
的求取
甲醇
-
水属理想物系，可采用图解
法求理论板层数
①由手册查得甲醇
-
水物搦的气液平衡数据，绘出
x-y
图
(
附表
)
②求最小回流比及操作回流比
<
/p>
采用作图法求最小回流比，在图中对角线上，自点
e(0.324
，
0.324)
作垂线
ef
即为
进料线
(q
线
)
，该线与平衡线的交战坐标为
(x
q
=0.324,y
q
=0.675)
故最小回流
比为
R
min
=
(x
D
-
y
q
)/(
y
q
-
x
q
)=0.91
取最小回流比为：
R=2R
min
< br>=2*0.91=1.82
③求精馏塔的气、液相负荷
第
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L=RD=1.82*51.88=94.42 Kmol/h
V=(R+1)D=2.82*51.88=146.30 Kmol/h
L
′
=L+F=94.42+160.21=254.63
Kmol/h
（非泡点进料要注意
q
值）
V
′
=V=146.30
Kmol/h
④精馏段操作线方程为：
y =(L/V)x +
(D/V)x
D
=(99.42/146.30)x+(51
.88/146.30)*99.47%=0.6454x+0.3527
提馏段操作线方程为：
y
′
=(L
′
/V
′
)x
′
+ (
W/V
′
)x
W
=(254.63/146.30)
x
′
-(108.33/146.30)*0.28%
=1.7405
x
′
-0.0021
⑤图解法求理论板层数
采用图解法求理论板层数
(
附图
)
，求解结果为：
总理论板层数：
N
T
=13(
包括再沸器
)
进料板位置：
N
F
=10
2
、实际板层数的求取
y
< br>(
1
x
)
x
(
1
y
)
温度
t
（℃）
75.3
73.1
71.2
69.3
67.6
66.0
65.0
4.035
3.525
3.143
2.868
2.691
2.534
2.454
x
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0.95
y
0.729
0.779
0.825
0.870
0.915
0.958
0.979
3
.
036
0
.
345
(
见后）
< br>
*
＝
1
.
0
47
故
E
0
< br>＝
47
%
精馏段实际板层数：<
/p>
N
精
＝
9/47
%=20
N
提
＝
4/47%=9
(
四
)
精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算
以精馏段为例进行计算
1
、
塔顶操
作压力：
P
D
＝
101.3
Kpa
每层塔板压降
：△
P
＝
0.7
Kpa
进料板压力：
P
F
＝
105.3+0.7*20
＝
119.3
Kpa
精馏段平均压力：
（
105.3+119.
3
）
/2
＝
1
12.3
Kpa
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、
< br>水的饱和蒸气
压由安托尼方程计算，计算过程略，计算结果如下：
塔顶温度：
t
D
＝
64.6
℃
进料板温度：
t
F
＝
76.3
℃
精馏段平均温度：
t
M
＝
70.45
℃
3
、
平均摩尔质量计算
塔顶平均摩尔质量
计算：由
x
D
=y
1
=0.9947,
查
y-x
曲线（附表）
，得
第
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x
1
＝
0.986
M
VDm
=0.9947*32+(1-0.9947)*
18=31.93
M
LDm
=0.9
860*32+(1-0.9860)*18=31.80
进料板平均摩尔质量计算
由图解理论板（附图）
，得
y
f
=0.607
x
F
=0.229
M
VFm
=0.607*32+(1-0.607)*18=26.50
M
LFm
=0.229*32+(1-0.2
29)*18=21.21
所以精馏段平均摩尔质量：
M
Vm
=
（
31.93+26.50
）
/2=29.22
M
Lm
=
(31.80+21.21)/2=26.51
4
、
平均密度计算
⑴气相密度计算
由理想气体状态方程计算，即
V
m
P
m
M
V
m
RT
m
112
.
3
*
29
.
22
1
.
15
Kg
/
M
3
（这里也可以分别计算进料
8
.
314
*
(
273
70
.
45
)
板与塔顶第一板的密度再
取平均值）
⑵液相平均密度计算
液相平均密度依下式计算，即
1
L
i
m
i
塔顶液相平均密度的计算
由
t
D
＝
64.6
℃
查手册得，
<
/p>
A
745<
/p>
K
g
/
m
3
B
＝
980
.
3
K
g
/
m
3
LD
m
1
0
.
9947
A
< br>
0
.
0053
746
K
g
/
m
3
B
进料板液相平均密度的计算
由
t
F
＝
76.3
℃
查手册得，
A
735
K
g
/
m
3
B
＝
97
8
K
g
/
m<
/p>
3
进料板液相的质量分量
A
m
0
.
229
*
32
34
.
56
%
0
.
< br>229
*
32
0
.
771
*
18
1
0
.
< br>3456
LF
A
0
< br>.
6544
877
.
7
K
g
/
m
3
B
⑶精馏段液相平均密度为：
L
(
1
2
)
2
812
K
g
/
m
3
m
5
、
液体平均表面张力计算
⑴液相平均表面张力依下式计算，即
第
3
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12
页
L
x
i
i
（
苯
、
甲
苯
体
系
可
用
< br>此
式
，
醇
水
体
系
请
用
公
式
m
1
/
4
1
/
4
1
/
4
m
< br>sw
w
so
o
来计算
）
塔顶液相平均表面张力的计算
由
t
D
＝
64.6<
/p>
℃，查手册得
A
18
.
8
mN
/
m
B
65
.
2
<
/p>
mN
/
m
LD
0
.
9947
A
0
.
0053
<
/p>
B
19
.
05
mN
/
m
m
⑵进料板液相平均表面张力的计算
由
t
F
＝
76.
3
℃，查手册得
< br>A
17
.
5
mN
/
m
B
62
.
7
mN
/
m
<
/p>
LF
0
.
229
A
0
.
771
B
52
.
35
mN
/
m
m
⑶精馏段液相平均表面张力为：
<
/p>
L
m
(
LD
m
LF
m
)
2
35
.
7
mN
/
m
6
、
平均粘度的计算
液相平均粘度依下式
计算，即
lg
L
m
⑴塔顶液相平均粘度的计算
由
t
D
＝
64.6
℃
查手册得，
x
lg
i
i
A
＝<
/p>
0
.
34
mpa
/
s
B
＝
0
.<
/p>
437
mpa
/
s
lg
L
D
0
.
9947
lg
A
0
.
005
3
lg
B
解得
L
D
＝
0
.
34
m
pa
/
s
m
m
⑵进料板液相平均粘度的计算
由
t
F
＝
76.3
℃
查手册得
A
＝
0
.
28
mpa
/
s
B
＝
0
.
374
mpa
/
s
lg
L
F
0
.
229
lg
A
0
.<
/p>
771
lg
B
解得
L
F
＝
0
.
3<
/p>
5
mpa
/
s<
/p>
m
m
⑶精馏段液相平均表面张力为
（
1
2
）
A
＝
＝
0
.
345
mpa
/
s
2
（五）精馏塔的塔体工艺尺寸计算
1
、
塔径的计算
精馏段的气、液相体积流率为：
第
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页
V
s
L
s
VM
Vm
146
.
30
*
29
.
22
<
/p>
1
.
033
m<
/p>
3
/
s
3600
*
Vm
36
00
*
1
.
1
5
LM
Lm
94
.
42
*
26
.
51
856
*
10
4
m
3
/
s
3600
*
Lm
3600
*
812
由
u
max
V
0
.
2
C
L
其中
C
＝
C
20
（
L
）
V
2
0
L
h
<
/p>
L
1
2
L
s
L
1
2
8
.
56
*
10
4
812
1
2
(
)
(
)
(
)
0
.
021
V
h
V
V
s<
/p>
V
1
.
08
1
.
15
取板间距
H
T
＝
0.4m
，板上液层高度
h
L
=0.06m
，则
H
T
-h
L
=0.40-0.06
＝
0.34m
查史密
斯关联图得，
C
20
＝
0.074
C
＝
C
20
（
L
20
0
.
2
）
0
.
< br>074
（
35
.
7
0
.
2
）
0
.
083
20
u
max
< br>
0
.
083
< br>812
1
.
< br>15
2
.
204
m
/
s
1
.
15
取安全系数为
0.7
，则空塔气速为
u
<
/p>
u
max
0<
/p>
.
7
*
2
.
204
1
.
543
m
/
s
4V
s
4
*
1.033
D
<
/p>
0
.
948<
/p>
m
/
s
u
*
1
.
543
按标准塔径圆
整后，为
D=1.0m
塔截面积为
A
T
4
D
2
0
.
785
m
2
实际空塔气速为
u=1.033/
0.785=1.316
m
/
s
2
、
精馏塔有效高度的计算
（实际高度要注意人孔处、
< br>进料板、
再沸器、
塔顶空间等）
精馏段有效高度为
Z
精
＝（
N
精
－
< br>1
）
H
T
＝（
20-1
）
*0.4
＝
7.6m
提馏段有效高度为
< br>Z
提
＝（
N
提
－
1
）
H
T
＝（
9-1
）
*0.4
＝
3.2m
在进料板上方开
2
人孔，其高度为
0.8m
故精馏塔有效高度为
Z
＝
N
精
+N
提
+0.8*2
＝
12.4m
（六）塔板主要工艺尺寸的计算
1
、
溢流装置计算
因塔径
D
＝
1.0m
，可选用单溢流
弓形降液管，采用凹形受液盘，各项计算如下：
⑴塔长
l
W
=0.66D=0.66m
⑵溢流堰高度
h
W
由
h
W
＝
h
L
-h
OW
选用平直堰，堰上液层高度
h
OW
2
.
84<
/p>
L
h
2
3
h
ow
E
(
)
1
0
0
0
l
< br>w
近似取
E
＝
1
，则
<
/p>
2
.
84
8
.
56
*
10
4
*
3600<
/p>
2
3
h
ow
*
1
*
(
)
7
.
93
m
1000
0
.
66
取板上清液层高度
h
L
＝
60mm
第
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页
故
h
w
60
*
10
3
7
.
93
*
10
3
52
.
07
*
10
3
m
⑶弓形降液管宽度
W
d
和截面积
A
f<
/p>
由
l
w
/D=0.66,
查图得
A
f
/A
T
=0.0722
W
d
/D=0.124
A
f
0
.
0722
*
A<
/p>
T
0
.
0567
m
2
W
d
0
.
124
D
0
.
124
m
验算液体在降液管中停留时间
360
0
A
f
H
T<
/p>
L
h
3600
*
0
.
056
7
*
0
.
40
26
.
5<
/p>
s
5
s
4
8
.
56
*
10
*
3600
故降液管设计合理
⑷降液管底隙高度
h
0
h
0
<
/p>
L
h
＝
0
.
08
m
/
s
取
u
0
3600
*
l
w
u
0
8
.
56
< br>*
10
*
3600
0
.
016
m
0
.
< br>006
m
3600
*
0
.
66
*
0
.
08
4
则
h
0
故降液管底隙设计合理
=50mm
选用凹形受液盘，深度
h
w
2
、
塔板布置
⑴塔板的分块
因
D
≥
800mm
，故塔板采用分块式，且分为
3
块
⑵边缘区宽度确定
取
W
S
W
S
0
.
065
m
W
C
0
.
035
m
⑶开孔面积
A
a
A
a
2
(
x
r
x
< br>其中，
x
2
< br>2
r
2
180
sin
1
< br>x
r
D
(
W
d
W
s
)
0
.
5
(
0
.
124
0
.
065
)
0
.
311
m
2
D
r
W
c
0
.
5
0
.
035
0
.
465
m
2
*
0
.
465
2
1
0
.
311
2
2
故
A
a<
/p>
2
(
0
.
311
0
.
465
0
.
311
sin
)<
/p>
0
.
532<
/p>
m
2
180
0<
/p>
.
465
⑷筛孔计算及其排列
本例所处理的物系无腐蚀性，可选用
δ
＝
3mm
碳钢板，取
筛孔直径
d
0
=5mm
筛孔按正三角形排列，取孔中心距
t
为
t<
/p>
＝
3d
0
＝
15 mm
1
.
155
A
a
1
.
155
*
0
.
532
2731
个
t
2
0
.
015
2
d
0
.
0
05
2
开孔率为
＝
0
.
907
（
0
)
2
0
.
90
7
*
（
)
<
/p>
10
.
1
%
t
0
.
015
筛孔数目
n<
/p>
为
n
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