化工原理课程设计__分离甲醇水混合液的浮阀精馏塔设计

四川大学化学工程学院化工原理课程设计——分离甲醇—水混合液的浮阀精馏塔设计者:贺水流学号：1043082025班级：过控一班电话：[phone]邮箱：[e-mail].指导教师：夏素兰设计时间：2013.1.5—2013.2.20四川大学化学工程学院SichuanInstituteofChemicalTechnology一、设计任务设计题目：分离甲醇—水混合液的浮阀精馏塔原料液：组成：甲醇45%水55%处理量：4000kg/h温度：30˚C馏出液：组成：甲醇99.5%残液：组成：甲醇1.5%（均为质量百分数）操作压力：常压连续操作二、背景介绍1.精馏原理精馏过程的基础是混合液组分间挥发度的差异，而塔内的气、液“回流”则是沿塔高不断进行气、液传质实现精馏的必要条件。沿塔流动的气、液相每经过一块塔板都将发生一次气相的部分冷凝和液相的部分气化，气、液相组成随之发生一次改变，使气相中轻组分得到一次增浓，液相中重组分得到一次增浓。其结果最终可在塔顶得到轻组分含量很高的蒸气相（馏出液）产品，而在塔底得到重组分含量很高的釜液产品，从而实现混合液体的高纯度分离。利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的回流，使气、液两相逆向多级接触，在热能驱动和相平衡关系的约束下，使得易挥发组分（轻组分）不断从液相往气相中转移，而难挥发组分却由气相向液相中迁移，使混合物得到不断分离，称该过程为精馏。该过程中，传热、传质过程同时进行，属传质过程控制。其精馏塔如图3-1所示。原料从塔中部适当位置进塔，将塔分为两段，上段为精馏段，不含进料，下段含进料板为提留段，冷凝器从塔顶提供液相回流，再沸器从塔底提供气相回流。气、液相回流是精馏重要特点。2.板式塔作用原理板式塔是在圆柱形壳体内按一定间距水平设置若干层塔板，液体靠重力作用自上而下流经各层板后从塔底排出，各层塔板上保持有一定厚度的流动液层；气体则在压强差的推动力下，自塔底向上依次穿过各塔板上的液层上升至塔顶排出。气、液在塔内逐板接触进行质、热交换，故两相的组成沿塔高呈阶跃式变化。板式塔为逐级接触式气液传质设备，塔内沿塔高装有若干层塔板，液体靠重力作用由顶部逐板流向塔底，并在各块板面上形成流动的液层；气体则靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气、液两相在塔内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。与填料塔相比，板式塔具有压降较大；空塔气速较大；较稳定，效率较高；持液量较大；液气比适应范围较大；安装检修较容易；大直径时造价较低等优点。3.浮阀塔浮阀塔是板式塔的一种，是在泡罩塔和筛孔塔的基础上发展形成的。自20世纪50年代问世后，迅速在石油化工行业得到推广，至今仍为应用最广的塔板结构。在塔板上按一定方式开有若干个阀孔，将浮阀本身带有的几根阀腿插入阀孔后，再将阀腿的底脚旋转90˚，用以限制浮阀开度同时防止阀片被气体吹走。阀片周边有几个冲出的略向下弯的定距片，静止时，浮阀靠定距片与塔板点接触坐落在阀孔上，可避免停工后阀片与板面间的粘连。操作时，由阀孔上升的气流经阀片与塔板间隙沿水平方向进入液层，可增加气液两相的接触时间；浮阀的开度随气量变化，在低气量时，开度较小，气体仍能以足够的气速通过缝隙，可避免漏液现象的发生；在高气量时，阀片自动浮动，开度较大，使气速不致过大，从而可避免过量液沫夹带现象的发生。浮阀的阀片可以浮动，随着气体负荷的变化而调节其开启度，因此，浮阀塔的操作弹性大，特别是在低负荷时，仍能保持正常操作。浮阀塔由于气液接触状态良好，雾沫夹带量小(因气体水平吹出之故)，塔板效率较高，生产能力较大。塔结构简单，制造费用便宜，并能适应常用的物料状况，是化工、炼油行业中使用最广泛的塔型之一。因此，浮阀塔具有性能稳定、操作弹性大、塔板效率高的优点。浮阀主要有V型和T型两种，特点是：生产能力比泡罩塔约大20%～40%；气体两个极限负荷比为5～6，操作弹性大；板效率比泡罩塔高10%～15%；雾沫夹带少，液面梯度小；结构难于泡罩塔与筛板塔之间；对物料的适应性较好等，通量大、放大效应小，常用于初浓段的重水生产过程。三、工艺流程图四、精馏塔的设计1.全塔物料衡算（1）原料液、馏出液及残液的摩尔分数和平均摩尔质量的计算原料液的质量百分率：45%Fa馏出液的质量百分率：99.5%Da图3-1精馏塔作用原理图残液的质量百分率：1.5%Wa甲醇的摩尔质量：kmolkgMA/32水的摩尔质量：kmolkgMB/18则原料液的摩尔分数：/32/32(1)/18FFFFazaa平均摩尔质量：32118FFFMzz馏出液的摩尔分数：/32/32(1)/18DDDDaxaa平均摩尔质量：32118DDDMxx残液的摩尔分数：/32/32(1)/18平均摩尔质量：32118计算得到：0.3152Fz0.9912Dx0.0085Wx22.413/FMkgkmol31.876/DMkgkmol18.119/WMkgkmol（2)原料液、馏出液及残液的摩尔流率计算40004000178.472/22.413FFkmolhM178.472FDW(1)0.99120.0085178.4720.3152FDWFzDxWxDW(2)(1)、（2）联立，解出D=55.701kmol/h，W=122.772kmol/h2.加料热状态参数q值的确定（1）进料液、馏出液、残液的温度确定因为是冷液进料，所以塔顶温度即为塔顶组成的泡点温度，塔底温度即为塔底组成的露点温度。查《化学化工原理物性手册》甲醇和水在不同温度下的饱和蒸汽压列表4-2-1：温度（℃）64.5707580859095100P0A（kPa）101.3125.15150.81180.67215.2254.95300.5352.4P0B（kPa）24.431.1638.5547.3657.870.1184.53101.3表中P0A，P0B分别为甲醇和水在相应温度下的饱和蒸汽压。假设甲醇和水物系视为理想溶液物系，根据拉乌尔定律:000BAABPPxPP与0AAAxyPP，常压连续操作，故P=101.3kPa，根据表4-2-1中数据计算不同温度对应的组分x,y后列表。甲醇——水溶液（101.3kPa）的t-x（y）关系表4-2-2：t/℃64.5707580859095100x10.7460.5590.4050.2760.1690.0780y10.9220.832072.20.5870.4250.2300根据上表做出甲醇和水的t-x（y）关系图:甲醇—水体系t-x（y）图由甲醇—水体系t-x（y）图可查得：原料液组成0.3152Fz时，其泡点温度81.85btC；馏出液组成0.9912Dx时，其泡点温度63.5DtC；010203040506070809010000.20.40.60.81温度/℃摩尔分率x（y）xy残液组成0.0085Wx时，其露点温度CtW98。（2）q值的计算在平均温度81.8530/255.925C下，由《化工原理（上册）》附录12查得甲醇、水的摩尔比热容，由附录13查得甲醇、水的摩尔气化潜热，其相关物性数据如下：甲醇的摩尔比热容2.7553288.16/()pAckJkmolC甲醇的摩尔气化潜热1117.23235750.4/AkJkmol水的摩尔比热容4.1771875.188/()pBckJkmolC水的摩尔气化潜热2364.51842561/BkJkmol假设该体系满足恒摩尔流假设。原料液的平均摩尔比热容179.275/()pmpAFpBFcczczkJkmolC平均气化潜热(1)40414.5/mAFBFzzkJkoml()79.275(81.8530)11.101740414.5mpmbFVFVLmcttIIqII其中，tb与tF分别为原料液的泡点温度和进料温度。（3）q线方程式q线方程：10.8323.09911Fzqyxxqq①3.最小回流比的计算（1）相对挥发度的计算由于前面已经假设物系为理想溶液，则相对挥发度可用PPBA00计算。查《化学化工物性手册》得到甲醇和水在相应温度下的饱和蒸汽压：当81.85bttC时，甲醇的饱和蒸汽压191.46oAPkPa水的饱和蒸汽压51.59oBPkPa此温度下相对挥发度191.463.71151.59oAFoBPP当63.5DttC时，甲醇的饱和蒸汽压90.29oAPkPa水的饱和蒸汽压21.95oBPkPa此温度下相对挥发度：90.294.11321.95oADoBPP当CttW98时，甲醇的饱和蒸汽压351.53oAPkPa水的饱和蒸汽压101.33oBPkPa此温度下相对挥发度：351.533.469101.33oAWoBPP则，精馏段相对挥发度为：'3.7114.1133.91DF提留段相对挥发度为：''3.4694.1133.78WF全塔相对挥发度为：'''3.913.783.7622（2）平衡方程式相平衡方程：13.761(1)12.76nnnnnxxyxx②或3.762.76nnnyxy③（3）最小回流比的计算联立q线方程①与相平衡方程②（或②），解得0.3477dx，0.6674dy最小回流比min0.99120.66741.01260.66740.3477DdddxyRyx（4）实际回流比的计算全回流的最少理论板数：min10.991210.0085lg[()()]lg[()()]110.99120.00857.15lglg3.76WDDWxxxxN根据实验和生产数据统计，一般最适宜回流比的范围为min)2~2.1(RR。取不同的回流比R，得到相应的X值，列于表中，查吉利兰图，得到相应的Y值，根据公式min1YNNY计算得到N，将所得结果列表：Rmin1RRXRmin1NNYNmin1YNNY1.10.04160.5918.87731.30.124940.5215.97851.50.194940.4614.0921.70.254580.4112.8131.90.305990.3812.14462.10.350760.3511.5382.30.390110.3210.98482.50.424960.310.64242.70.456040.2810.3192.90.483940.2710.16393.10.509110.2610.0131由上表做出图象，如下图所示：取0.2R，R/Rmin=1.975030510152000.511.522.533.5理论塔板数回流比RN-NminN+1图10-22吉利兰图1minRRR4.精馏段和提馏段的气、液流量(1)精馏段内气、液流量精馏段内气、液的摩尔流率：2.055.7111.401/LRDkmolh111.40155.7167.101/VLDkmolh（2）提馏段内气、液流量故提馏段内气、液的摩尔流率：'111.4011.107178.472308.025/LLqFkmolh'1167.101(11.107)178.472185.253/VVqFkmolh5.塔板数的计算（1）逐板计算法相平衡方程：13.761(1)12.76nnnnnxxyxx或3.762.76nnnyxy（1）精馏段操作线方程：10.6670.330411DnnnxRyxxRR（2）提馏段操作线方程：'1''1.6630.0056WnnnWxLyxxVV（3）由式（2）与式（3）联立求解得两操作