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1、湖南师范大学化工原理课程设计说明书设计题目设计题目 年产 3 万 5 千吨甲醇精馏塔的设计甲醇生产过程精馏塔的设计甲醇生产过程精馏塔的设计1 甲醇水连续精馏塔设计条件甲醇水连续精馏塔设计条件（） 生产能力：35000 吨/年，年开工 7200 小时（） 料液组成：甲醇含量 30%（质量分数）（） 采用间接蒸汽加热（） 采用泡点进料（） 塔顶馏出液甲醇含量 98%（质量分数）（） 塔顶易挥发组分 99%（质量分数）（） 塔顶压强 1.05atm（绝对压强）（） 单板压降70Kpa 液柱（） 加热蒸气压力：0.5Mpa（表压） 主要使用数据主要使用数据表 1 甲醇水溶液汽液相平衡数据（摩尔）xyx
2、yxy0.000.0000.150.5170.700.8700.020.1340.200.5790.800.9150.040.2340.300.6650.900.9580.060.3040.400.7290.950.9790.080.3650.500.7791.001.0000.100.4180.600.825 设计方案的确定设计方案的确定本设计任务为甲醇的精馏。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，其余部分经产品冷凝器冷却后送至储罐。该物系属易挥发物系，最小回流比较
3、小，塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。4 主要工艺计算主要工艺计算4.1 原料及塔顶、塔底产品的摩尔分率原料及塔顶、塔底产品的摩尔分率xF= 0.1940.3 32.04 0.30.3 32.0418.02xD= 0.965 02.1802. 004.3298. 004.3298. 0xw=0.00240.01fFXw图 1 精溜塔工艺流程图4.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量MF=0. 19432.04+(1-0.194)18.02=20.74kg/kmolMD=0.96532.04+0.03518.02=31.55 kg/kmolM
4、W=0.002446+(1-0.0024)18.02=18.10 kg/kmol4.3 物料衡算物料衡算 原料处理量 F= kg/kmol35000 1000234.387200 20.74总物料衡算 F=D+W又 xF=0.194 xD =0.965由0.96599%0.194DFDxD FxF得 D=46.65kmol/h代入上式得：W=F-D =187.73kmol/h甲醇物料衡算 FxF=xDD+Wxwxw =0.00244.4 塔板数的确定塔板数的确定1 理论塔板层数理论塔板层数 Nt的求取的求取可利用图解法求理论板层数由手册查得水-甲醇物系的气液平衡数据，绘出 x-y 图，见图 2
5、。求最小回流比及操作回流比。采用作图法求最小回流比。在图（二）中对角线上，自点（0.194，0.194）作垂线即为进料线，该线与平衡线的交点坐标为yq=0.574 xq=0.194故最小回流比为 Rmin=0.9650.5740.9760.5740.194Dqqqxyyx取操作回流比为 R=2Rmin=20976=1.9524.4.1 操作线方程操作线方程求精馏塔的气液相负荷L=RD=1.95246.65=91.06kmol/hV=(R+1)D=2.95246.65=137.71kmol/hL =L+F=91.68+234.38=325.44 kmol/hV =V=137.71 kmol/h精
6、馏段操作线方程：39.0420.000.9650.6610.32759.045.04DLwyxxxxVV提留段操作线方程：325.4487.730.00242.3630.003137.71137.71wLwyxxxxVV4.4.2 理论塔板数的确定理论塔板数的确定作出两条操作线，并用 M.T 法求出理论板数：NT=10.5精馏段：NT=6提馏段：NT=4.5，由图可知第 7 块为进料板 0.00.40.80.00.40.8Y X 0.000.040.080.000.050.10yx图 2 理论塔板数示意图4.4.3塔板效率和实际塔板数塔板效率和实际塔板数由查图可知当 xD=0.965 时， T
7、D=65.76当 xw=0.0024 时， Tw=99.64平均温度：tm=（65.76+99.64）/2=82.7当 t=82.7时， 1574.99lg7.197362.299482.7238.86ABpAtC求得，pA=199.25kPa而 1657.46lg7.074061.722682.7238.86BBpAtC求得，pB =52.794 kPaa=pA/ pB =199.25/52.794=3.774求得 a=3.72当进料液黏度在 82.7 时L=xFA+(1-xA)B=0.1940.48+（1-0.194）0.3447=0.37095aL=1.4000用 Oconnell 法E
8、T=0.49(aL)-0.245=0.45实际板 NP=块10.5230.45TTN E精馏段实际层数 N精=6/0.45=13 块提馏段实际层数 N提=4.5/0.45=10 块4.5 物性数据计算物性数据计算4.5.1 平均分子量平均分子量4.5.1.1 塔顶塔顶 xD=y1=0.965,查平衡曲线 x1=0.916气相 MVDM=0.96532.04+0.03518.02=31.55/kmol液相 MJDM=0.91632.04+0.08418.02=30.86/kmol4.5.1.2 进料板进料板由图可知， xF=0.120 yF=0.460气相 MVDM=0.4632.04+(1-0
9、.46)18.02=24.47/kmol液相 MLDM=0.1232.04+(1-0.12)18.02=19.70/kmol4.5.1.3 精馏段精馏段气相 MVFM=0.5(31.55+24.47)=28.01/kmol液相 MLFM=0.5(30.86+19.70)=25.28/kmol4.5.2 平均密度平均密度因为 PD=1.03atm=101.325+4=105.325kPa单板压降 P=70mm液柱=0.07011031013=9100Pa=9.1 kPaPF=PD+0.7013=114.425kPa精馏段平均压力 Pm=(105.325+114.425)/2=109.875KPa
10、4.5.2.1 气相气相Pm= 109.875 kPakg/m3109.875 28.011.0668.314 (73.88273.15)mVm Vm mP M RT4.5.2.2 液相液相LM=31913.38/0.1950.805 734.85970.5LFMkg m (1) 塔顶塔顶因为塔顶 T=65.76查手册得 A=749.85/m3； B=980/m3代入公式得 LDM= 756.06/m3（2） 进料板进料板由图 2 可知：X进料板=0.120，查气液相平衡数据可知：T进料板=82所以，进料板 B=970.5/m3 ；A=734.85/m3 进料板液相的质量分率0.12 32.0
11、40.1950.12 32.04 18.02 0.88Aa液相密度 31913.38/0.1950.805 734.85970.5LFMkg m 精馏段液相平均密度为LM=0.5(LDM+LFM)=0.5(756.06 +913.38)=834.72/m34.5.3 表面张力表面张力由公式 m=分别进行计算iiX4.5.3.1 塔顶塔顶由 tD=65.76，查手册得A=18.00mN/m B=65.28mN/mLDm =0.96518.00+0.03565.28=19.651mN/m4.5.3.2 进料板进料板由 tF=82.00，查手册得A=16.8mN/m B=62.22mN/mLFm=0
12、.1216.8+0.8862.22=56.77mN/m4.5.3.3 平均表面张力平均表面张力精馏段液相平均表面张力为：Lm=(19.65+56.77)/2= 38.21mN/m4.5.4液体平均粘度的计算液体平均粘度的计算液体平均粘度的计算公式lgLM=iiXlg4.5.4.1 塔顶塔顶由 tD=65.76,查手册得 A=0.340mPas ；B=0.436mPaslgLDM=0.965lg0.340+0.035lg0.436得 LDM=0.3434.5.4.2 进料板进料板由 tF=82.00,查手册得 A=0.5mPas ；B=0.347mPas得 LFM=0.363 mPas精馏段的平
13、均表面张力为 lm=0.353 mPas4.6 塔和塔板工艺尺寸计算塔和塔板工艺尺寸计算VS=m3/s137.71 28.011.00536003600 1.006VmLmVM LS= m3/s91.06 25.280.00076636003600 834.72LmLmLM 可得：Lh=Ls3600=2.7576m3/hVh=Vs3600=3618 m3/h4.6.1 塔径塔径1 2()0.213hLVhL V 取 HT=0.45m,取板上清液 hL=0.06mHT-hL=0.39m由 Umax=Clvv 查史密斯关联图C20=0.084221.00.785/44TADm smax834.72
14、 1.0660.07401.196/1.066um s取安全系数为 0.7，则空塔气速为u=0.7umax=0.72.069=1.4486m/sD= 44 1.2921.06561.4486sVmu按标准塔径圆整后为 D=1.0m塔截面积为221.00.785/44TADm s实际空塔气速为u=1.005/0.785s=1.280m/s4.6.2精馏塔高度的计算精馏塔高度的计算精馏段有效高度为Z精=（N精-1）HT=（13-1）HT=120.45=5.4m提馏段有效高度为Z提=（N提-1）HT=（15-1）0.4=90.45=4.05m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
15、为Z=Z精+Z提+0.8=5.4+4.05+0.8=10.25m4.6.3溢流装置溢流装置因塔径 D=1.0m5s3600fThAHL3600 0.0567 0.40 0.000766 3600 故符合要求。4.6.3.5 降液管底隙高度降液管底隙高度 h0取降液管底的流速为 =0.08m/s,根据 h0=Lh/(lw3600)计算得：00h0=0.0145m0.000766 3600 0.66 0.08 3600 hw-h0=0.053-0.0145=0.03851m0.006m故降液管底隙高度设计合理，符合要求选用凹形受液盘，深度 h=50nm4.6.4 塔板布置塔板布置4.6.4.1 塔板的分块塔板的分块因为 D800mm，故塔板采用分块式，查表得，塔板分为 3 块。如下图所示:图 3 塔板分块示意图4.6.4.2 边缘区宽度确定边缘区宽度确定取 WS=
