设计一台分离甲醇-乙醇板式精馏塔

黄石理工学院课程设计1目录课程设计任务书……………………………………………………………………21.设计方案的确定及工艺流程的说明……………………………………………31.1流程示意图……………………………………………………………………31.2流程和方案的说明及论述……………………………………………………31.2.1流程的说明…………………………………………………………………31.2.2设计方案确定………………………………………………………………32.精馏塔的工艺计算………………………………………………………………42.1精馏塔的物料衡算……………………………………………………………42.1.1物料衡算……………………………………………………………………42.1.2相对挥发度的计算…………………………………………………………42.2塔板数的确定…………………………………………………………………42.2.1理论板数的计算……………………………………………………………42.2.2精馏塔塔效率的计算………………………………………………………62.3塔的工艺条件及物性数据计算………………………………………………72.3.1混合液平均摩尔质量计算…………………………………………………72.3.2平均密度计算………………………………………………………………72.3.3液体平均表面张力…………………………………………………………82.3.4提馏气液相体积流量………………………………………………………82.4塔体工艺尺寸计算……………………………………………………………82.4.1精馏段塔径计算……………………………………………………………82.4.2精馏塔高度计算……………………………………………………………102.4.3溢流装置计算………………………………………………………………102.5塔板负荷性能…………………………………………………………………102.5.1浮阀计算及其排列…………………………………………………………102.6塔板流体性能校核……………………………………………………………112.6.1泡沫夹带量校核……………………………………………………………112.6.2塔板阻力计算………………………………………………………………122.6.3降液管液面校对……………………………………………………………122.6.4液体在降液管内停留时间校核……………………………………………122.6.5严重漏液校核………………………………………………………………132.6.6塔板负荷性能图……………………………………………………………132.7换热器的计算…………………………………………………………………142.7.1原料预热器…………………………………………………………………142.7.2塔顶冷凝器…………………………………………………………………152.7.3塔底再沸器…………………………………………………………………152.7.4贮罐体积计算………………………………………………………………152.7.5进料罐线直径………………………………………………………………153.设备结果汇总表…………………………………………………………………164.主要参考文献……………………………………………………………………18黄石理工学院课程设计2课程设计任务书一、设计题目：分离甲醇—乙醇板式精馏塔的设计二、设计要求工艺条件与数据（1）原料液含甲醇79%（mol，下同）；含乙醇21%（2）馏出液含甲醇99.85%，残留液含甲醇2%；（3）年产10万吨精甲醇，设每年工作时间为7200小时；（4）料液可视为理想溶液，取Ф=0.5，K=1；（5）常压操作，泡点进料。三、设计内容1、精馏塔的物料衡算及塔板数的确定；2、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；3、精馏塔的塔体及塔板工艺尺寸计算；4、塔板的流体力学运算；5、塔板的负荷性能图的绘制；6、精馏塔接管尺寸计算；7、绘制带控制点的生产工艺流程图；8、绘制主体设备图。四、设计说明书1、目录2、设计方案的确定及工艺流程的说明3、工艺计算及主体设备设计4、设计结果一览表5、对本设计的评述及有关问题的说明6、主要符号说明7、参考文献8、附图黄石理工学院课程设计31．设计方案的确定及工艺流程的说明1.1流程示意图原料冷凝器→塔顶产品冷却器→甲醇的储罐→甲醇↓↑↓回流原料罐→原料预热器→精馏塔↑↓回流再沸器←→塔底产品冷却器→乙醇的储罐→乙醇1.2流程的说明及方案的确定1.2.1流程的说明首先，甲醇和乙醇的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到泡点温度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。因为被加热到泡点，混合物中既有气相混合物，又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入苯的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成甲醇和乙醇的分离。1.2.2设计方案的确定1.操作压力精馏操作可在常压，加压，减压下进行。应该根据处理物料的性能和设计总原则来确定操作压力。例如对于热敏感物料，可采用减压操作。本次设计甲醇和乙醇为一般物料因此，采用常压操作。2.进料状况进料状态有五种：过冷液，饱和液，气液混合物，饱和气，过热气。但在实际操作中一般将物料预热到泡点或近泡点，才送入塔内。这样塔的操作比较容易控制。不受季节气温的影响，此外泡点进料精馏段与提馏段的塔径相同，在设计和制造上也叫方便。本次设计采用泡点进料，即q=1。3.加热方式精馏塔釜的加热方式一般采用间接加热方式，若塔底产物基本上就是水，而且在浓度极稀时溶液的相对挥发度较大，便可以采用直接加热。直接蒸汽加热的优点是：可以利用压力较低的蒸汽加热，在釜内只需安装鼓泡管，不需安装庞大的传热面，这样，操作费用和设备费用均可节省一些，然而，直接蒸汽加热，由于蒸汽的不断涌入，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。塔釜中易于挥发组分的浓度应较低，因而塔板数稍微有增加。但对有些物系。当残液中易挥发组分浓度低时，溶液的相对挥发度大，容易分离故所增加的塔板数并不多，此时采用间接蒸汽加热是合适的。黄石理工学院课程设计44.冷却方式塔顶的冷却方式通常水冷却，应尽量使用循环水。如果要求的冷却温度较低。可考虑使用冷却盐水来冷却。5.热能利用精馏过程的特性是重复进行气化和冷凝。因此，热效率很低，可采用一些改进措施来提高热效率。因此，根据上述设计方案的讨论及设计任务书的要求，本设计采用常压操作，泡点进料，间接蒸汽加热以及水冷的冷却方式，适当考虑热能利用。2.精馏塔的工艺计算2.1精馏塔的物料衡算2.1.1物料衡算：甲醇的摩尔质量：MA=32.04kg/kmol乙醇的摩尔质量：MB=46.07kg/kmol馏出液的平均摩尔质量MF=0.9985*32.04+（1-0.9985）*46.07=32.06kg/kmol馏出液流量：D=100000*1000/(7200*32.06)=433.22kmol/h料液中甲醇的摩尔分数：xF=79%塔顶产品甲醇的摩尔分数：xD=99.85%塔底产品甲醇的摩尔分数：xW=2%总物料衡算：F=D+W①苯的物料衡算：F*xF=D*xD+W*xW②联立①②式得：F=550.53kmol/hW=117.31kmol/h2.1.2相对挥发度的计算：T=337.9K时，PA=101.3KPa,PB=57.43KPa.1=PA/PB=101.3/57.43=1.764T=351.6K时,PA=168.2KPa,PB=101.3KPa.2=PA/PB=168.2/101.3=1.66则=66.1*764.1=1.712.2塔板数的确定2.2.1理论板层数的求算(1)平衡线方程的求算黄石理工学院课程设计5汽液相平衡方程式：xxyy171.11yyx71.071.1(2)q线方程进料状态由五种，即过冷液体进料（q1),饱和液体进料（q＝1），气液混合进料（1q0)和过热蒸汽进料(q0)，本设计选用的为泡点进料，故q=1。最小回流比xp=xF=0.79,yp=1.71xF/(1+0.71xF)由两式得：yp=0.8655,Rmin=(xD-yp)/(yp-xp)=1.76R=(1.1~2.0)Rmin=2.5(3)精馏段液相流量：L=RD=2.5×433.22=1083.05kmol/h精馏段气相流量：V=L+D=1083.05+433.22=1516.27kmol/h精馏段操作线方程：y=0.714x+0.285提馏段液相流量：L'=L+q*F=1083.05+1×550.53=1633.58kmol/h提馏段气相流量：V'=V+(q-1)*F=1516.27mol/h汽相回流比：R'=V'/W=12.9提馏段操作线方程：y=1.08x-0.0016(4)理论塔板数的确定先交替使用相平衡方程和精馏段操作线方程计算如下：y1=xD=0.9985→x1=0.997y2=0.997→x2=0.995y3=0.996→x3=0.992y4=0.994→x4=0.989y5=0.991→x5=0.985y6=0.988→x6=0.980y7=0.985→x7=0.974y8=0.981→x8=0.967y9=0.976→x9=0.959y10=0.970→x10=0.950y11=0.963→x11=0.938y12=0.955→x12=0.925y13=0.946→x13=0.911y14=0.935→x14=0.894y15=0.923→x15=0.876y16=0.910→x16=0.856y17=0.896→x17=0.835y18=0.881→x18=0.812y19=0.865→x19=0.789﹤xF交替由相平衡方程和提馏段操作线方程计算如下：黄石理工学院课程设计6y20=0.851→x20=0.769y21=0.829→x21=0.739y22=0.797→x22=0.697y23=0.751→x23=0.638y24=0.687→x24=0.562y25=0.606→x25=0.473y26=0.509→x26=0.378y27=0.407→x27=0.286y28=0.307→x28=0.206y29=0.221→x29=0.142y30=0.152→x30=0.095y31=0.101→x31=0.062y32=0.065→x32=0.039y33=0.041→x33=0.024y34=0.024→x34=0.014﹤xW故理论板为34块，精馏板为18块，第19块为进料板。故理论板为26块，精馏板为14块，第15块为进料板。2.2.2精馏塔实际塔板数与全塔效率的计算板效率ET利用奥康尔的经验公式245.0LT0.49E）（计算，其中α为塔顶与塔底的平均温度下的相对挥发度，L为塔顶与塔底的平均温度下的相对液体粘度黄石理工学院课程设计7mPa.s。对于多组分的相对液体黏度iLiLx其中Li为液态组分i的液相黏度;x为液态组分i的摩尔分数。L=0.79*0.306+0.21*0.508=0.3484(t=70℃)，=1.71，-0.245LT)0.49(E0.5563，实际塔板数N实=N理/ET=472.3塔的工艺条件及物性数据计算2.3.1混合液的平均摩尔质量计算进料板的甲醇的摩尔分数为：x=0.79y=0.8655VFmM=0.8655*32.04+(1-0.8655)*46.07=33