化工原理课程设计填料精馏塔

课 程 设 计 说 明 书

课程名称： 化工原理课程设计 设计题目： 甲醇—水分离过程填料精馏塔的设计 学生姓名： 陈强 学 号： 200905020035 专业班级： 化学工程与工艺（2）班 指导教师： 路有昌

2011 年 11 月 15 日

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课程设计任务书

设计题目 学生姓名 甲醇—水分离过程填料精馏塔的设计 陈强 所在院系 化学与环境工程学院 专业、年级、班 09化学工程与工艺（2）班 设计要求：本设计要求对甲醇—水分离过程填料精馏塔装置进行了设计，主要进行了以下工作：1、对主要生产工艺流程进行了选择和确定。2、对生产的主要设备—填料塔进行了工艺计算设计,其中包括：（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计算；(6)填料层压降的计算。(7)管道的尺寸计算3,绘制精馏塔设计图。 学生应完成的工作： （1），完成查找数据和计算的过程 （2），绘制填料精馏塔设计图 （3），会使用电脑编辑计算过程 参考文献阅读： [1]柴诚敬，张国亮，夏清，等.化工原理（第二版上册）.2005, [2]柴诚敬，张国亮，夏清，等.化工原理（第二版下册）.2005, [3]贾绍义, 柴诚敬.课程原理课程设计.2009,（5）：154-159. [4]玉玮,王立业，俞健良.化工设备机械基础.2011. [5]熊洁羽,化工制图.2010. 工作计划： 任务下达日期： 2011 年 11 月 7 日 任务完成日期： 2011 年 11 月 18 日 指导教师（签名）： 学生（签名）： - 1 - 第 页

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甲醇—水物系的气液平衡数据

温度/℃ 液相中甲醇的气相中甲醇的温度/℃ 液相中甲醇的摩气相中甲醇的

摩尔分数 摩尔分数 尔分数 摩尔分数

100 0 0 75.3 0.4 0.729 96.4 0.02 0.134 73.1 0.5 0.779 93.5 0.04 0.234 71.2 0.6 0.825 91.2 0.06 0.304 69.3 0.7 0.87 .3 0.08 0.365 67.6 0.8 0.915 87.7 0.1 0.418 66 0.9 0.958 84.4 0.15 0.517 65 0.95 0.979 81.7 0.2 0.579 .5 1 1 78 0.3 0.665

在抗生素类药物生产过程中，需要用甲醇溶媒洗涤晶体，洗涤过滤后产生的废甲醇溶媒，其组成为含甲醇46%，水56%（质量分数），另含少量的药物固体颗粒。为使废甲醇溶媒重复利用，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。设计要求甲醇溶媒的处理量为3吨/小时。塔底废水中甲醇含量≦0.5%（质量分数）。

设计中采用泡点进料，甲醇常压下的沸点为.8℃，故可采用常压操作。塔顶上升蒸汽用全冷凝器冷凝，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槽。因所分离物系的重组分为水，故选用直接蒸汽加热方式，釜残液直接排放。

设计中选用金属散装鲍尔环Dn50填料。因废甲醇溶液中含有少量的药物固体微粒，应选用金属散装填料，大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低，根据计算故选用Dn50规格的。

精馏塔的物料衡算

1.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率

甲醇的摩尔质量： MA =32.04kg/kmol 水的摩尔质量: MB=18.02kg/kmol

XF =(0.46/32.04)/[0.46/32.04+0.54/18.02]=0.324 XD=(0.997/32.04)/[0.997/32.04+0.003/18.02]=0.995

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XW =(0.005/32.04)/(0.005/32.04+0.995/18.02)=0.0028

1.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量

MF =0.324*32.04+(1-0.324)*18.02=22.56kg /kmol MD=0.995*32.04+(1-0.995)*18.02=31.97kg/kmol MW=0.0028*32.04+(1-0.0028)*18.02=18.059kg/kmol 1.3物料衡算

废甲醇溶媒的处理量为3吨/小时， 原料处理：F 3000/22.56=132.98kg/h 总物料衡算: 132.98=D+W

甲醇物料衡算: 132.98*0.324=0.995D+0.0028W 解得: D=43.69kmol/h W=.29kmol/h 2.1塔板数的确定

3.1甲醇-水属理想物系,故可用图解法求理论板层数. 13.1.1由以知的甲醇-水物系的气液平衡数据,绘出x-y图. 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.20.1000.20.4- 3 - 第 页 0.60.81 [键入文字] [键入文字]

2.2求最小回流比及操作回流比

泡点进料，q值为1，

采用作图法求最小回流比:在x-y图中对角线上，自点e（0.324,0.324）作垂线即为进料线.该线与平衡线的交点坐标: yq =0.682， xq =0.327. 故最小回流比;

R min=(xD –yq)/(yq –xq)=(0.995-0.682)/(0.682-0.324)=0.85. R=(1.1~2.0)Rmin,故取操作回流比:R=1.5 2.3求精馏塔的气液相负荷

L=R*D=1.5*43.69=65.535kmol/h V=(R+1)*D=L+D=109.225kmol/h L’=L+F=66.535+132.98=198.515kmol/h V’=V=109.225kmol/h

气相组成: y1=0.995 液相组成: x1 =0.992 精溜段的操作线方程为y=0.6x+0.398 提溜段的操作线方程为y’=1.82x-0.004 2.2采用图解法求理论板数 ,如图所示,

由图求解结果为：总理论板数: NT =11 进料位置为: NF=8.

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3.1全塔效率E

绘出甲醇-水的气液平衡数据作t-x图,查得: 塔顶温度: t=.8℃ 塔釜温度:t=99.6℃ 进料温度: t=76.5℃

精馏段的平均温度为tm=(.8+76.5)/2=70.65℃ 提留段的平均温度为t’m=(99.6+76.5)=88.05℃

水的重要物理性质 温度t/ （℃） 20 60 70 80 90 100 温度t/ （℃） 20 60 70 80 90 100

密度ρ（kg/m3） 804.8 761.1 749.4 737.4 7249 712.0 密度ρ/黏度μ/张力σ/（mN/m） 比热容Cp /（Kj/kg.k） 72.60 66.20 .30 62.60 60.70 58.80 μ/4.183 4.178 4.187 4.195 4.208 4.220 （kg/m3） 998.2 983.2 977.8 971.8 965.3 958.4 /（mPa.s） 1.005 0.4688 0.4061 0.3565 0.3165 0.2838 甲醇的重要物理性质 黏度张力σ/（mN/m） 比热容Cp /（Kj/kg.k） 22.07 17.33 16.18 15.04 13.91 12.80 （mPa.s） 0.5800 0.3440 0.3070 0.2770 0.2500 0.2280 3.2实际塔板数的求取

精馏段实际板层数: N=N/E=7/0.47=14.8≈15块 提留段实际板层数: N =N/E=4/0.47=8.5≈9 块.

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4 精馏塔的工艺条件及物性数据的计算

4.1工艺条件

塔顶压力: P=101.3+4=105.3Kpa.

操作温度: 塔顶温度: t=.8℃

塔釜温度:t=99.6℃ 进料温度: t=76.5℃

4.2平均摩尔质量

塔顶平均摩尔质量:

XD=y1=0.995. 由曲线(X-Y图)得:X1=0.992. MVDm=0.995*32.04+(1-0.995)*18.02=31.97kmol/h MLDm =0.99*32.04+(1-0.99)*18.02=31.93kmol/h 进料板层平均摩尔质量: 查X-Y图得: YF=0.545. XF=0.17.

MVF=0.545*32.04+(1-0.545)*18.02=25.66kmol/h MLF =0.17*32.04+(1-0.17)*18.02=20.40 kmol/h 塔底平均摩尔质量:

XW =0.0028. YW =0.014

MVW =0.014*32.04+(1-0.014)*18.02=18.22 kmol/h MLW =0.0028*32.04+(1-0.0028)*18.02=18.06 kmol/h 精馏段平均摩尔质量:

MVJ=(M+M)/2=(31.97+25.66)/2=28.815 kmol/h MLJ=(M+M)/2=(31.90+22.40)/2=26.165kmol/h 提馏段的平均摩尔质量

Mvt=(25.66+18.22)/2=21.94kmon/h Mlt=(20.40+18.06)/2=19.23kmol/h

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4.3平均密度计算

(1).气相平均密度: ρ

v,m =

(PmMVJ)/RTm=(101.3*28.815)/[8.314*(70.65+273.15)]=1.02kg/m3 提留段的蒸汽密度：

ρ

Y，m=Mv，w Pm/[R（T0 +tT）]

=(101.3*21.94)/[8.314*(273.15+88.05)]=0.74kg/m3 (2).液相平均密度计算: 液相平均密度依下列式计算:1/ρ塔顶液相平均密度计算: 由t=.8℃查手册得: ρ

ρ

甲醇

lm=∑αi/ρi

=753 kg/m3 ρ水 =981kg/m3

3

lDm=1/[(0.995/753)+(0.005/977)]=756.8 kg/m

进料板液相平均密度: 由t=76.5℃,查手册得: ρ

甲醇

=739kg/m3 ρ水 =973kg/m3

进料板液相的质量分率：

a甲醇=0.17*32.04/[(0.17*32.04)+(0.83*18.02)]=0.2352 ρ

3

lFm =1/[(0.267/739)+(0.733/973)]=7.15 kg/m

手册得在99.6℃时水的密度为： ρ水=958 kg/m3 ρρ

甲醇

=714kg/m3

3

lWm=1/[(0.003/714)+(0.997/958)]=961.28kg/m

精馏段液相平均密度为:

ρlJ =(756.8+7.15)/2=826.97 kg/m3 提留段液相平均密度：

ρlT=（7.15+961.28）/2=929.215kg/m3 4.4液体平均表面张力计算

液相平均表面张力依下式计算: δ=∑xi/δi

塔顶液相平均表面张力的计算:

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CH3OH=16.58mN/m

由t=.8℃查手册得: σδ

H2O=.96mN/m σ

lDm =0.995*16.58+0.005*.9=16.8216 mN/m

进料板液相表面张力的计算: 由t=76.5℃查手册得: σ σ

甲醇

=15.61mN/m σ水 =63.8mN/m

lFm=0.17*15.61+0.83*62.8=54.777 mN/m

塔釜液体的表面张力接近水的表面张力， 由t= 99.6℃查手册得：σ水 =58.9mN/m σσ

lwm=13.01*0.003+0.997*58.9=58.76 mN/m

甲醇

=13.01mN/m

精馏段液相平均表面张力为:

σlT=(16.8216+54.777)/2=38.50 mN/m 提留段液体平均表面张力为：

σlT =(58.76+54.777)/2=56.77 mN/m

4.5液体平均粘度计算

液相平均粘度依下式计算,即:

lgμm=∑xilgμi

塔顶液相平均表面张力的计算: 由t=.8℃查手册得： μ

lgμ

甲醇

=0.320 mpas μ水 =0.4355mpas

lDm =0.995*lg0.32+0.005*lg0.4355

lDm=0.3205 mpas

解出： μ

进料板液相平均粘度的计算：

由t=76.5℃查手册得： μ lgμ

甲醇

=0.272mpas μ水 =0.3478mpas

lFm =0.17*lg(0.272)+0. 83*lg(0.3573)

lDm=0.3336 mpas

解出： μ

塔釜液体的粘度，由t=99.6℃查手册得： μ

甲醇

=0.2280 mpas μ水 =0.2838mpas

lwm =0.003*lg(0.2280)+0.997*lg(0.2838)

lgμμ

lWm=0.284 mpas

精馏段液相平均粘度为：

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μlJ =(0.3573+0.3205)/2=0.33mpas 提留段液相平均粘度为：

μlT =(0.284+0.3573)/2=0.3207 mpas 5精馏塔的塔体工艺尺寸计算 5.1 塔径的计算

采用气相负荷因子法计算适宜的空塔气速。 5.1.1精馏段塔径计算

L =65.535kmol/h V =109.225kmol/h

液相质量流量WL=65.535*31.90=2090.57kg/kmol 气相质量流量WV=109.225*31.97=3491.92 kg/kmol Eekert通用关联图的横坐标为： ψ(WL/ Wv)/( ρv/ρL)0.5

=(2090.57/3491.92)*(0.8086/756.8)0.5=0.02

由贝恩—霍根关联式 填料的泛点气体速度可由贝恩—霍根关联式计算得 lg[(u0.2Fatρvμ

0.2L)/ (gξ

3

ρL)]=A-K(WL/WV)1/4(ρv/ρL)1/8

查表得：A=0.1 K=1.75 a=109 ξ=0.96 解得uF=4.1852m/s 安全系数取0.8 u=0.8uF=0.7*4.1852=3.35 m/s

D=(4qv,v/∏u)0.5=[4*1.1995/3.14*3.738]=0.601m圆整为700mm 此时，u=0.9509*4/∏D=(4*1.1995)/(3.14*0.7*0.7)=2.47m/s u/uF=3.12/5.34=0.58，在如许范围内，

提溜段的塔径计算：L’= 198.515kmol/h V’=109.225kmol/h 液相质量流量W’L=198.515*18.06=3585.18kg/kmol 气相质量流量W’V=109.225*18.22=1968.23 kg/kmol lg[(u0.2Fatρvμ

0.2L)/ (gξ

3

2

ρL)]=A-K(W’L/W’V)1/4(ρv/ρL)1/8

查表得：A=0.1 K=1.75 a=109 ξ=0.96 umax=4.80m/s, u=0.8 umax=3.84m/s D=(4qv,v/∏u)0.5=0.495m 液体喷淋密度校核， 精馏段的液体喷淋密度为

U=（2092.58/826.97）/（0.785*0.49）=6.578m3 /( m2·h) >0.2m3 /( m·h)

2

精馏段的空塔速度为

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u=(3491.92/1.02)/(0.785*0.49*3600)=2.488m/s 提馏段的液体喷淋密度为

u=(3585.18/929.215)/(0.785*0.49)=10.03m/s, 提馏段的空塔速度为

u=(1968.23/0.74)/(0.785*0.49*3600)=1.92m/s 5.2填料层高度计算 Z=HETP*NT. 精馏段的高度为：

Ln(HETP)=h-1.292lnδl+1.47lnμl HETP=0.93726 查表有: 精馏段填料层高度为： h=7*0.9067=6.56m Z′精=1.25*6.56=8.20 m 提留段填料层高度为： Z提=4*0.47=2.02m Z′提=1.25*2.02=2.382m

设计取精馏段填料层高度为9m,提留段填料层高度为3m 对于金属鲍尔环散装填料, 要求h/D=5～10. hmax≤6m. 取h/D=6, 则 h=5*700=3500 mm. 6填料层压降计算 金属鲍尔环散装填料

采用Eckert通用关联图计算填料层压降. (u2ФΨ/g)*( ρv/ρL) μ

0.2L

=[3.122*160*(ρ水/ρL) /9.81](1.02/756.8)*0.3320.2=0.1185 查图有, 横坐标为: (Wl/ Wv)( ρv/ρl)0.5=0.02. △P/Z=80*9.81=784.8 Pa/m. 精馏段填料层压降为: ΔP精=784.8*9=7.063 KPa

提留段填料层压降为: △P/Z=25*9.81=245.25 Pa/m Δ提馏段的P提=245.25*3=0.735KPa 填料层总压降为:ΔP =7.063+0.735=7.8 KPa

液体分布器简要设计，散装填料，D=700mm，分布点密度选180点/ m2

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布点个数n=180*0.7*0.7=88.2≈点。

布液计算由Ls=(π/4)d02nΦ(2g△H)0.5 Φ取0.6， △H=160mm. 得 d0=[4Ls/πnΦ√2g△H)]0.5 解d0=0.0032mm, 取d0=3.2mm.

管径的计算 1，出料口的计算

WV=109.225*31.97=3491.92 kg/kmol

qv,s= WV/ρ=(3491.92/3600)/1.02=0.951kg/m3 饱和蒸汽进料，选u=30m/s,

d=(4qv,s/πu)0.5=(4*0.951/3.14*30)0.5=0.201m=201mm.

由化工原理上册附录十七与十八，查得，选用Φ203mmx6mm的无缝钢管，其内径di=(203-2*6)=0.191mm,重新核算速度，

u=[4*0.9591/(3.14*0.191*0.191)]=33.2m/s 2,回流管径的计算

qv,s= WV/ρ=(2092.53/3600)/756.8=7.67x10-4kg/m3

选u为1m, d=(4*7.67x10-4/πu)0.5=(4*7.67x10-4/3.14*1)0.5=0.0301m=31mm. 选用Φ32mmx3mm的无缝钢管, 内径di=(32-2*3)=26mm,

重新核算速度，u=[4*7.67x10-4/(3.14*0.026*0.026)]=1.445m/s 3, 进料口的管径的计算

ρ=7.15kg/m3 ,质量流量Wl=3585.18kg/h

qv,s=(3585.18/3600)/7.15=1.11x10-3。进料口u选1.5m/s d=(4qv,s/πu)0.5 =0.0307m/s , 选用Φ50mmx3mm的无缝钢管。 u=[4*1.11x10-3/(3.14*0.042*0.042*)]=0.8m/s。

4，出料口的管径的计算。

质量流量qm,s=.29*18.06=1612.577kg/h，qv,s=(qm,s/3600)/7.15=4.99x10-4m3/s。 u选1.5m/s，d=(4qv,s/1.5π)0.5 =20.59mm, 选用Φ25mmx3mm的无缝钢管。 u=[4*4.99x10-4/(3.14*0.019*0.019)]=1.76m/s。

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5．筒体厚度，内最大有3个大气压，内径Di=700mm,Pc=0.3MPa， 材料Q235C，[σ]t=125Mpa, Ф=0.8(局部无损检测，单面焊接)

计算厚度δ=（PcDi）/[2[σ]tΦ-Pc] =(0.3*700)/[(2*125*0.8)-0.3]=1.05

C1=0.25mm C2=1.0mm,

δn=0.25+1.0+1.05+圆整量=3mm,炭素钢的厚度要大于4mm,所以取6mm 校核水压实验强度， [σ]t=p(Di+δe) /2δe ≤0.9σs Δe=6-1.25=4.75mm, σs=235MPa,

则σt=(0.375*704.75)/(2*4.75)=27.8 MPa

0.9σs=0.9*0.8*235=169 MPa.可见σt﹤0.9σs，所以水压实验强度足够。

6 采用椭圆形封头，厚度为6mm,为防止壁流效应，使气液分部不均，还应设置液体分布装置。精馏段为两个，提馏段为一个液体分布器。

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[键入文字] [键入文字] 指导教师评语： 课程设计报告成绩： ，占总成绩比例： 课程设计其它环节成绩： 环节名称： ，成绩： ，占总成绩比例： 环节名称： ，成绩： ，占总成绩比例： 环节名称： ，成绩： ，占总成绩比例： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本次课程设计负责人意见： 负责人签字： 年 月 日 - 13 - 第 页

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