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1、第一章流程确定和说明1 第一章流程确定和说明1.1 流程的确定和说明1.1.1 加料方式-高位槽进料加料方式有两种：高位槽加料和泵直接加料。 采用高位槽加料通过控制液位高度，可以得到稳定的流量和流速，通过重力加料， 可以减少一笔动力费用， 但是由于多了高位槽，建设费用相应增加。采用泵直接加料，受泵的影响，流量不太稳定，流速也忽大忽小，从而影响了传质效率，但结构简单，安装方便。如果采用自动控制泵的流量和流速，其控制原理复杂，且设备操作费用高，本设计采用高位槽进料。1.1.2 进料状况-泡点进料进料状态与塔板数、 塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。在实际的生产中进料状态有多种， 但一般都将料
2、液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。此外，在泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同， 为设计和制造上提供了方便。 对于沈阳地区来说， 存在较大温差，综合分析，采用泡点进料。1.1.3 塔顶冷凝方式-采用全凝器，使用水冷凝1.1.4 回流方式-重力回流回流方式有重力回流和强制回流。对于小型塔， 一般安装在塔顶优点是无需支撑结构，缺点是控制较难。如需较高的塔处理量或塔板数较多时，不适宜塔顶安装，且不易安装， 检修和清理， 此时可采用强制回流， 塔顶上升蒸汽采用冷凝器以冷回流流入塔内。本次设计采用重力回流。沈阳化工大学化工原理课程设计2 1.1
3、.5 加热方式-间接蒸汽加热蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。 有时也可采用直接蒸汽加热。若塔底产物近于纯水，而且在浓度稀薄时溶液的相对挥发度较大(如酒精与水的混合液 )，便可采用直接蒸汽加热。直接蒸汽加热的优点是：可以利用压力较低的蒸汽加热；在釜内只须安装鼓泡管，不须安置庞大的传热面。这样，可节省一些操作费用和设备费用。然而，直接蒸汽加热，由于蒸汽的不断通入，对塔底溶液起了稀释作用，在塔底易挥发物损失量相同的情况下，塔底残液中易挥发组分的浓度应较低，因而塔板数稍有增加。但对有些物系(如酒精与水的二元混合液 )，当残液的浓度稀薄时，溶液的相对挥发度很大，容易分离，故所增加的塔板
4、数并不多，此时采用直接蒸汽加热是合适的。值得提及的是， 采用直接蒸汽加热时， 加热蒸汽的压力要高于釜中的压力，以便克服蒸汽喷出小孔的阻力及釜中液柱静压力。对于酒精水溶液，一般采用0.40.7KPa（表压） 。饱和水蒸汽的温度与压力互为单值函数关系，其温度可通过压力调节。 同时，饱和水蒸汽的冷凝潜热较大， 价格较低廉， 因此通常用饱和水蒸汽作为加热剂。但若要求加热温度超过180时，应考虑采用其它的加热剂，如烟道气或热油。当采用饱和水蒸汽作为加热剂时，选用较高的蒸汽压力，可以提高传热温度差，从而提高传热效率， 但蒸汽压力的提高对锅炉提出了更高的要求。同时对于釜液的沸腾，温度差过大，形成膜状沸腾，反
5、而对传热不利。本次设计采用间接水蒸气加热。1.1.6 再沸器形式-U型管式再沸器选择再沸器时，首先应满足工艺要求，即在相同的传热面积下要首选体积小的，可以节省费用。本次设计选用U 型管式再沸器，因为与其它形式再沸器相比，它的塔和再沸器之间标高差较小，允许气化率高，操作弹性大，而且本身有蒸发空间。第二章精馏塔的设计计算3 第二章精馏塔的设计计算2.1 操作条件及基础数据2.1.1 操作压力蒸馏操作通常可在常压、 加压和减压下进行。 确定操作压力时， 必须根据所处理物料的性质， 兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。例如，采用减压操作有利于分离相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导
6、致塔径增加， 同时还需要使用抽真空的设备。 对于沸点低、 在常压下为气态的物料， 则应在加压下进行蒸馏。 当物性无特殊要求时， 一般是在稍高于大气压下操作。 但在塔径相同的情况下，适当地提高操作压力可以提高塔的处理能力。有时应用加压蒸馏的原因， 则在于提高平衡温度后， 便于利用蒸汽冷凝时的热量，或可用较低品位的冷却剂使蒸汽冷凝，从而减少蒸馏的能量消耗。 综合以上因素并考虑到甲醇水系统在常压下挥发度相差较大，较易分离，故本设计采用常压精馏。2.1.2 气液平衡时， x、y、t 数据表 2-1-1 气液平衡关系表温度 t/ 甲醇摩尔分数 温度 t/ 甲醇摩尔分数液相 x/ 气相 y/ 液相 x/
7、气相 y/ 100.0 0.00 0.00 73.8 46.20 77.56 92.9 5.31 28.34 72.7 52.92 79.71 90.3 7.67 40.01 71.3 59.37 81.83 88.9 9.26 43.53 70.0 68.49 84.92 85.0 13.15 54.55 68.0 85.62 89.62 81.6 20.83 62.73 66.9 87.41 91.94 78.0 28.18 67.75 64.7 100.00 100.00 76.7 33.33 69.18 沈阳化工大学化工原理课程设计4 注：摘自化工工艺设计手册下册P710表 19-38
8、（2）图 2-1-1 甲醇- 水溶液的 t-x-y图图 2-1-2 甲醇-水溶液的 x-y 图2.1.3挥发度?相关计算（1）塔顶、进料、塔釜气相组成?、?、?606570758085909510000.10.20.30.40.50.60.70.80.91t/x（y）00.10.20.30.40.50.60.70.80.9100.20.40.60.81yx第二章精馏塔的设计计算5 塔顶温度： 66.20塔顶气相组成：66.20-66.964.7-66.9=yD-91.94100-91.94? yD= 94.52%进料温度： 78.45进料气相组成：78.45-81.6 78-81.6=yF-6
9、2.73 67.75-62.73? yF= 67.13%塔釜温度： 99.55塔釜气相组成：99.55-10092.9-100=yW-028.34-0? yW= 1.81%（2）塔顶、进料、塔釜、精馏段、提馏段相对挥发度?、?、?、?、? =y x 1 - y 1 - x塔顶相对挥发度：D=yD xD 1- yD 1- xD=94.52 91.44 1- 94.52 1- 91.44=1.61 进料相对挥发度：F=yF xF 100- yF 100- xF=67.13 27.27 100- 67.13 100- 27.27=5.45 塔釜相对挥发度：沈阳化工大学化工原理课程设计6 W=yW x
10、W 100- yW 100- xW=1.81 0.34100- 1.81 100- 0.34=5.42 精馏段的相对挥发度：1=D+ F2=1.61 + 5.4523.53提馏段的相对挥发度：2=F+ W2=5.45 + 5.422= 5.43（3）全塔平均相对挥发度?取 x-y 曲线上两端点温度下 的平均值。查表 1 得：t = 92.9时1=yAxB yBxA=y(1 - x) (1- y)x=28.34 (100 - 5.31) (100 - 28.34) 5.31= 7.05t = 66.9时2=yAxB yBxA=y(1- x) (1- y)x=91.94 (100 - 87.41)
11、 (100 - 91.41) 87.41= 1.64所以 =1+ 2 2=7.05+1.64 2= 4.35 表 2-1-2 相对挥发度计算结果表全塔平均相对会挥发度精馏段平均相对挥发度提馏段平均相对挥发度124.35 3.53 5.43 2.1.4 回流比的确定作图法求最小回流比：第二章精馏塔的设计计算7 图 2-1-3 最先回流比求算图Rmin=xD- yFyF- xFRmin= 0.59实际回流比为： R = 1.5Rmin= 1.5 0.59 = 0.892.2 精馏塔工艺计算2.2.1 物料衡算（1）物料衡算图0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0
12、.9 1.0 00.20.40.60.81XXDXF（0.9144 0.9144）（0.2727 0.6755）y沈阳化工大学化工原理课程设计8 图 2-2-1 物料衡算示意图（2）物料衡算已知： ? =10万吨/ 年，质量分数： ?= 95%，?= 40%，?= 0.6%M甲醇= 32.04 kg/kmol、M水= 18.02 kg/kmol所以?=10.0 万吨年=10.0 104103 300 24?/ ? = 13888.89 ?/ ?进料液、流出液、釜残液的摩尔分数分别为?、?、?：?=40/32.0440/32.04 + 60/18.02= 0.2727?=95/32.0495/3
13、2.04 + 5/18.02= 0.9144?=0.6/32.040.6/32.04 + 99.4/18.02= 0.0034进料平均相对分子质量：M = 0.2727 32.04 +1 - 0.2727 18.02 = 21.84 kg/kmol原料液：F =13888.8921.84= 635.84 kmol/h第二章精馏塔的设计计算9 总物料：F = D+ W易挥发组分：F?= D?+ W?代入数据得：D = 187.96 kmol/h W = 447.88 kmol/h塔顶产品的平均相对分子质量：MD= 0.9144 32.04 +1 - 0.914418.02 = 30.84 kg/
14、kmol塔顶产品质量流量：D= MDD = 30.84 187.96 = 5796.85 kg/h塔釜产品平均相对分子质量：MW= 0.0034 32.04 +1 - 0.003418.02 = 18.07 kg/kmol塔釜产品质量流量：W= MWW = 18.07 447.88 = 8092.04 kg/h物料衡算结果表 2-2-1 物料衡算结果表塔顶出料塔底出料进料质量流量 /（kg/h ）5796.85 8092.04 13888.89 质量分数 /% 95 0.6 40 摩尔流量 / （kmol/h ）187.96 447.88 635.84 摩尔分数 /% 91.44 0.34 2
15、7.27 沈阳化工大学化工原理课程设计10 2.2.2塔顶气相、液相，进料和塔底的温度：?、?、?、?查表 2-1-1 ，用内插法算得：塔顶：91.44-89.6291.94-89.62=tLD-6866.9-68? tVD= 67.1491.44-87.41 100-87.41=tLD-66.9 67.4-66.9? tLD= 66.20塔釜：0-0.34 0-5.13=100-tW 100-92.9? tW= 99.55进料：28.18-20.8327.27-20.83=81.6-78.0tF-78.0? tF= 78.45精馏段平均温度：t1=tVD+ tF2=66.20 + 78.452= 72.32提留段平均温度：t2=tW+ tF2=99.55 + 78.452= 89.00温度计算结果表 2-2-2 温度计算结果表塔顶气象温度塔顶液相温度进料温度塔底出料温度精馏段平均温度提馏段平均温度?/ ?/?/ tW/ t1/ t2/ 67.14 66.20 78.45 99.55 72.32 89.00 2.2.3热量衡算（1）热量衡算流程说明第二章精馏塔的设计计算11 热量衡算示意图图 2-2-2 热量衡算示意图加热介质的选择常用的加热剂有饱和
