甲醇-水填料精馏塔的课程设计

Ⅰ摘要：填料塔为连续接触式的气液传质设备，与板式塔相比，不仅结构简单，而且具有生产能力大，分离填料材质的选择，可处理腐蚀性的材料，尤其对于压强降较低的真空精馏操作，填料塔更显示出优越性。本文以甲醇-水的混合液为研究对象，因甲醇-水系统在常压下相对挥发度相差较大，较易分离，所以此设计采用常压精馏。根据物料性质、操作条件等因素选择填料塔，此设计采用泡点进料、塔底再沸器和塔顶回流的方式，将甲醇—水进行分离的填料精馏塔。通过甲醇—水的相关数据，对全塔进行了物料衡算和热料衡算，得出精馏产品的流量、组成和进料流量、组成之间的关系，进而得到精馏塔的理论板数。分析了进料、塔顶、塔底、提馏段、精馏段的流量及其物性参数。对精馏段和提留段的塔径及填料层高度进行了计算，以确定塔的结构尺寸。对塔内管径、液体分布器、筒体壁厚进行了选型计算，从而得到分离甲醇—水混合物液的填料精馏塔。关键词：填料塔；流量；回流比；理论板数；工艺尺寸-1-第一章：设计任务书..............................................................................1一、设计题目.................................................................................1二、操作条件.................................................................................1三、填料类型.................................................................................1四、设计内容.................................................................................2第二章：工艺设计计算..........................................................................2一、设计方案的确定......................................................................2二、精馏塔的物料衡算..................................................................3三、理论塔板数的确定..................................................................3四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算...........................8五、精馏塔塔体工艺尺寸的计算................................................10六、填料层压降的计算................................................................13七、筒体壁厚的计算....................................................................14八、管径的计算............................................................................14九、液体分布器简要设计............................................................16第三章：结论.......................................................................................18一、设计感想...............................................................................18二、全章主要主要符号说明........................................................19三、参考资料：............................................................................20-1-第一章：设计任务书一、设计题目在抗生素类药物生产过程中，需要用甲醇溶媒洗涤晶体，洗涤过滤后产生废甲醇溶液，其组成为含甲醇46%、水54%（质量分数），另含有少量的药物固体微粒。为使废甲醇溶液重复利用，拟建立一套填料精馏塔，以对废甲醇溶媒进行精馏得到含水量≤0.3%（质量分数）的甲醇溶媒。设计要求废甲醇溶媒的处理量为4t/h,塔底废水中甲醇含量≤0.5%（质量分数）。二、操作条件1、操作压力为常压2、进料热状态自选（饱和）3、回流比自选4、塔底加热蒸汽压力0.3MPa（表压）三、填料类型因甲醇溶媒中含有少量的药物固体微粒，应选用金属散装填料，以便定期拆卸和清理。填料类型和规格自选。-2-四、设计内容1、精馏塔的物料衡算；2、塔板数的确定；3、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算；4、精馏塔的塔体工艺尺寸的计算；5、填料层压降的计算；6、液体分布器的简要设计；7、精馏塔接管尺寸计算；8、绘制精馏塔设计条件图；9、对设计过程的评述和有关问题的讨论。第二章：工艺设计计算一、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，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。甲醇常压下的沸点为64.7℃，所以采用常压操作。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储槽。塔釜采用间接蒸汽加热方式。填料类型选用散装金属环矩鞍填料。-3-二、精馏塔的物料衡算1、原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数甲醇的摩尔质量MA=32.04kgkmol，水的摩尔质量MB=18.02kgkmolD0.99732.040.9950.99732.040.00318.02xW0.00532.040.0030.00532.040.99518.02x0.4632.040.3240.4632.040.5418.02Fx2、原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量FM0.3239×32.04＋0.6761×18.0222.56kgkmolDM0.9947×32.04＋0.0053×18.0231.9657kgkmolWM2.8183××32.04＋0.9972×18.0218.059kgkmol3、物料衡算废甲醇溶媒的处理量为4t/h,则原料液的处理量为,4000177.3022.56nFqkmolh总物料衡算：,,177.30nDnWqq（1）甲醇物料衡算：,,177.300.3240.9950.003qnDnWq（2）联立方程（1）（2）解得：,,58.38119.92nDnWqkmolhqkmolh三、理论塔板数的确定对甲醇—水二元物系，采用图解法求理论板层数1、由手册查得甲醇—水物系的汽液平衡数据-4-甲醇—水物系的气液平衡数据温度t℃液相中的甲醇的摩尔分数汽相中的甲醇的摩尔分数温度t℃液相中的甲醇的摩尔分数汽相中的甲醇的摩尔分数1000.00.075.30.400.72996.40.020.13473.10.500.77993.50.040.23471.20.600.82591.20.060.30469.30.700.87089.30.080.36567.60.800.91587.70.100.41866.00.900.95884.40.150.51765.00.950.97981.70.200.57964.51.01.078.00.300.6652、求最小回流比及操作回流比查的甲醇—水物系的气液平衡数据，绘出xy图。-5-00.10.20.30.40.50.60.70.80.9100.20.40.60.81由于泡点进料q=1,在图上作直线x=0.995交对角线与a点，作直线x=0.324交平衡点与q点，连线aq两点，过q点作横轴的平行线交纵轴与一点，读的y=0.682。即最小回流比如下：min0.9950.6820.8740.6820.324R取操作回流比min1.51.31RR53、求精馏塔的气液相负荷,,,,,,,,,1.31(1)2.3157.38132.5575.17177.30252.47132.55nLnDnVnDnLnLnFnVnVqRqkmolhqRqkmolhqqqkmolhqqkmolh4、求操作线方程精馏段操作线方程：-6-,,,,75.1757.380.9950.5710.431132.55132.55nLnDDnVnVqqyxxxxqq（3）提馏段操作线方程：,,,,252.47119.920.0031.9050.003132.55132.55nLnWWnVnVqqyxxxxqq（4）5、理论板层数（采用逐板法）由(1)(1)AAAAxyxy，再根据甲醇—水物系的气液平衡数据中的数据可计算出不同温度下的挥发度，见下表：表1温度t℃挥发度温度t℃挥发度96.47.58275.34.03593.57.33273.13.52591.26.84371.23.14389.36.61069.32.86887.76.46467.62.69184.46.06666.02.53481.75.50165.02.45478.04.632所以1512154.45由1(1)qqqxyx得(1)yxy-7-将4.45代入相方程(1)4.453.45yyxyy（5）联立（3）（4）（5）方程式可自上而下逐板计算所需理论板数。因塔顶全凝，则10.995Dyx由（3）式求得第一块板下降组成10.9950.9784.453.454.453.450.995yxy利用（1）式计算第二块板上升蒸汽组成为20.5710.4310.5710.9780.4310.989yx交替使用（1）式和（3）式直到nFxx，然后改用提馏段操作线方程，直到nWxx为止。计算结果见表2。表2板号组成1234567y0.9950.9890.9750.9440.8830.7910.694x0.9780.9530.8980.7910.6300.4600.338板号组成8910111213y0.6240.3970.1870.0690.0210.004x0.2720.1290.0490.0160.0050.0009FxWx精馏塔的理论塔板数为TN=13-1=12（不包括再沸器）-8-进料板位置8FN四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算由甲醇—水物系的汽液平衡数据，采用内插法，计算结果如下：塔顶温度64.6Dt℃塔底温度W99.5t℃进料温度77.4Ft℃水跟甲醇的物理性质见表3表3水的重要物理性质温度t/（℃）密度/（kg/m³）黏度/（mPa·s）张力/（N/m）比热容Cp/（j/kg·k）20998.21.00572.604.18360983.20.468866.204.17870977.80.406164.304.18780971.80.356562.604.19590965.30.316560.704.208100958.40.283858.804.220甲醇的重要物理性质温度t/（℃）密度/（kg/m³）黏度/（mPa