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1、(1)精馏塔全塔物料衡算1 确定塔顶、塔底物料量及组成有全塔物料衡算式F = D + WFx= Dx+ WxWFD联立得:D=81.08 kmol h ，W=29.92 kmol h汇总列表如下:F/kmol hD/ kmol hW/ kmol hxxFDxW11181.0829。920。7120.960.042.确定塔板数查表得,常压下甲醇的沸点 Tb=64。6,乙醇的沸点Tb=78.3，在6578之间甲醇和乙醇的平衡数据如以下图示:温度T)甲醇液相摩尔分数x甲醇气相摩尔分数y650.92020.9532660。83620。8998670.75750。8455680。68370。790669
2、0。61420。7349700。54880。6787710。46380.5991720。38460.5180730。31080.4357740。24170。3521750.17810。2639760。11610。1819770。05890。0955780.00490。0082不同温度下甲醇的气、液相组成：图t-xy图进料状态方程： y =qx -xFq - 1q - 1在x - y 图上画出q 线, xq= 0.764 ， yq= 0.851x- yR=Dq =0.96 - 0.851= 1.2529miny- xqq0.851 - 0.764取R = 2Rmin= 2 1.25 = 2.5精
3、馏段操作线方程： y =Rx +D= 0.7143x + 0.2743xR +1R +1提溜段操作线方程: y =L + qFWx -x= 1.1195 x - 0.0048L + qF - WL + qF - WW利用t - x y 图查得：塔顶温度： tD= 65 塔底温度： t= 77.3 W进料温度： tF= 67.6 tt= 顶 + t底= 64.8 + 77.3 = 71 平22在 71 下 查 化 工 数 据 手 册 并 利 用 内 差 法 求 取 ：m= 0.0303cp = 0.303mPa s ， mLALB= 0.519cp = 0.519mPa s。查t - x - y
4、 图， t = 71时: xA= 0.375, yA= 0.51m= mxLLAA+ m(1 - xLBA) = 0.303 0.375 + 0.519 (1- 0.375)= 0.438cp = 0.438mPa s依据公式：a =po 求a，aApo顶底B在 时：po787.21565a顶=A顶poB顶= 1.7646446.115在时：po1245.33277.3a=A底底poB底= 1.686738.5336aa顶底1.76461.686a = 1.7125全塔效率： ET= 0.49(am)-0.245 = 0.49 (1.73 0.438)-0.245 = 0.529(取ELT=
5、0.5)在 x - y 组成图上绘制的理论塔板数 NT= 18 块不包括再沸器，则实际塔板数为：N= NTpET图两个= 180.5= 36 块不包括再沸器)一、塔径计算1。1、精馏段塔径计算1.1.1 、气相和液相流量计算计算得:在66.3 下查表的65 + 67.6t=平2= 66.3 Cx= 0.809xAb= 0.191y= 0.886Ay= 0.114b气相千摩尔质量为：M= M y+ M y= 32 0.886 + 46 0.114 = 33.596kg/kmolg1A2B液相千摩尔质量：M= 32 0.809 + 46 0.191 = 34.674kg/kmolL气相密度为： r
6、= pM gvRT101.325 33.596= 1.2067kg/m38.314 (273 + 66.3)L = RD = 81.08 2.5 = 202.7V =R +1D = (2.5 +1) 81.08 = 283.78气相体积流量：V =VMg283.78 33.596= 2.1947m3/ssr 3600v1.2067 3600液相甲醇的质量分数：x=M A xA=32 0.809= 0.7466AwMxAA+ MxBB32 0.809 + 46 0.191液相中乙醇的质量分数：x= 1- xBwAw= 1- 0.7466 = 0.2534液相密度的计算：在 66.3下查数据并利用
7、内差法求取：1xxr= 761.1kg / m3Ar= 758.5kg / m3B0.74660.2534r= rAw + rBwLAB= 0.7611 + 0.7585= 1.315则： rL= 758.6kg/m3液相体积流量为：L =LM L202.7 34.674= 2.567 10-3 m3/ss3600 rL1.1.2 、塔径计算3600 760.5取H= 0.5mhTl= 0.08mLr2.567 10-3760.5sVrL=2.19471.2067= 0.0294sv查表得C= 0.09220在66.3 C 时甲醇的外表张力为：s = 16.605510-3 N / m乙醇的外
8、表张力为:s = 19.6326 10-3 N / m则混合物的外表张力为：s = 16.605510-3 0.809 +19.6326 10-3 0.191 = 17.1836 10-3 N / m s0.217.1836 0.2C = C= 0.092= 0.089220泛点气速： u 20 r - rLrvv= Cf20760.5 -1.20671.2067= 0.0892= 2.2375m/s取u = 0.6u = 0.6 2.2375 = 1.3425m/sp u4Vs04 2.19473.14 1.3425D = 1.443m依据标准塔径圆整为： D = 1.6m 则板间距取 0。
9、5m 是可用的塔截面积: A= p D23.14 1.62= 2.0096m2T44s空塔气速： u = VATu u02.1947= 2.0096 = 1.0921m/s1.2、提馏段塔径计算1。2.1、气相及液相流量计算t= 72.45C平在 72。45下查得x= 0.346Ay= 0.48A气相千摩尔质量为：x= 0.654By= 0.52bM= 32 0.48 + 46 0.52 = 39.28kg/kmolg液相千摩尔质量：M= 32 0.346 + 46 0.654 = 41.16kg/kmolL气相密度为： r= pM gvRT101.3 39.28= 1.3858kg/m38.
10、314 (273 + 72.45)气相体积流量：V =VMg283.78 39.28= 2.2343m3/ssr 3600v1.3858 3600液相甲醇的质量分数：x=M A xA=32 0.0.346= 0.2690AwMxAA+ MxBB32 0.346 + 46 0.654液相中乙醇的质量分数： xBw= 1- xAw= 1- 0.2690 = 0.7310在 72。45下查数据并利用内差法求取:r= 746.5kg / m3Ar= 751.3kg / m3B液相密度的计算： 1rL= rAwxA+ rBwxB= 0.2690 + 0.73100.74650.7513= 1.3333则
11、： rL= 750kg/m3L = L + qF = 202.7 + 0.7 111 = 280.4液相体积流量为： L =LML= 280.4 41.16 = 0.00427m3/s1。2。2、塔径计算s3600 rL3600 750取H= 0.45mTh= 0.07m则:LH- h0.004277502.23431.3858TL= 0.45 - 0.07 = 0.38mLsVsrrLv查图得C= 0.083120= 0.0444672.45C 时:甲醇的外表张力为:s = 15.9007 10-3 N / m乙醇的外表张力为：s = 19.027510-3 N / m则混合物的外表张力为：
12、s = 15.90 10-3 0.346 +19.0310-3 0.654 = 17.9510-3 N / m s0.217.95 0.2C = C= 0.0831= 0.081220 20 20r - rLrvv泛点气速： u= Cf= 0.0812 = 1.89m/s750 -1.38581.38580取u= 0.7u = 0.7 1.89 = 1.323m/s4Vp ug04 2.23433.14 1.323D = 1.4667m依据标准塔径圆整为: D = 1.6m 则板间距取 0。5m 是可用的塔截面积： A= p D23.14 1.62= 2.01m2T空塔气速： u =u 5s,
13、故可用三、塔板布置及浮阀数排列3。1 精馏段塔板布置及浮阀数排列3。1。1、塔板布置及浮阀数计算取阀孔动能因子F0F=12,求孔速u01.2067120rVu=0= 10.9240m / s每层塔板上浮阀数为：4 VN =sp d 2u=4 2.1947= 168 3.14 (0.039)2 10.924000取边缘区域宽度:WC= 0.05m破沫区宽度：Ws= 0.08m塔板上鼓泡面积：R2 - x2pxA = 2 (xaD1.6+ R2 sin-1)180RR =-W2C=- 0.05 = 0.75m2x = D - (W + W )2ds= 1.6 - (0.199 + 0.08) 2=
14、0.521m0.752 - 0.5212p0.521A = 2 (0.521a+180 0.752 sin-10.75) = 1.4258m23。1。2、浮阀排列浮阀排列方式承受等腰三角形叉排,取同一横排孔心距 t=75mm，则排间距:At ” =aNt=1.4258= 0.0996 = 113.2mm168 0.075考虑到塔的直径较大，必需承受分块式塔板，而各分块的支承与连接也要占去一局部鼓泡区面积,因此排间距不宜承受 113.2mm,而应小于此值， t ” = 80mm按 t=75mm， t ” = 80mm 以等腰三角形叉排方式作图，排得阀数N=184 个。按N=184 重核算孔速及阀
15、孔动能因数:u=2.1947= 9.99m / s00.785 (0.039)2 184rvF = u00= 9.99= 10.971.2067阀孔动能因数变化不大，仍在 912 范围。塔板开孔率：uf = u0100% = 1.42649.99= 14.3%3。2、提馏段塔板布置及浮阀数排列3.2。1、塔板布置及浮阀数取阀孔动能因子F =12，求孔速u000rV1.3858u=F=120= 10.2m / s每层塔板上浮阀数为：4 VN =sp d 2u=4 2.2343= 183 3.14 (0.039)2 10.20取边缘区域宽度:WC0= 0.06m破沫区宽度：W = 0.1msR2
16、- x2塔板上鼓泡面积:pxA = 2 (xa+ R2 sin-1)180RD1.6R =-W=- 0.06 = 0.74m2C2Dx =- (W+ W )2ds= 1.6 - (0.199 + 0.10) 2=0。501A = 2 (0.501+ 0.742 sin-10.501) = 1.36m20.742 - 0.5012pa1800.743.2.2、浮阀的排列浮阀排列方式承受等腰三角形叉排，取同一横排孔心距t=75mm，则排间距：At ” =aNt=1.36= 99mm183 0.075考虑到塔的直径较大,必需承受分块式塔板，而各分块的支承与连接也要占去一局部鼓泡区面积，因此排间距不宜
17、承受 86。35mm, 而应小于此值， t ” = 80mm按 t=75mm， t ” = 80mm 以等腰三角形叉排方式作图，排得阀数N=184 个。按N=184 重核算孔速及阀孔动能因数：u=2.2343= 10.17m / s00.785 (0.039)2 184rvF = u00= 10.17 = 11.971.3858阀孔动能因数变化不大，仍在 912 范围。塔板开孔率:f = u u0100% = 1.32310.17= 13%四、塔板流体力学验算4.1 精馏段塔板流体力学验算4。1。1、压力降的计算气相通过浮阀塔的压力降可依据塔板压力降公式：h= h + h + hpcls干板阻
18、力：阀全开前: hc= 19.9u0.175ocrL= 19.9u0.175oc760.5阀全开后： h= 5.34 oc rv= 5.34 u1.2067ocuc解得uoc2grL= 9.47m / s2 9.8760.5所以 hc= 19.9 u0.1750rL= 19.9 9.990.175 = 0.0391m760.5板上充气液层阻力：本设备分别甲醇和乙醇的混合液，可取充气系数e= 0.50h = e hl0 L= 0.5 0.08 = 0.04m液体外表张力所造成的阻力,此相阻力，可无视不计。因此，气体流经一层浮阀塔板的压力降所相当的液柱高度为：h= h + hpcl= 0.0391
19、 + 0.04 = 0.0791m(单板压降Dpp= h rpg = 0.0791 760.5 9.8 = 589.5 pLa4.1 。2、淹塔为了防止淹塔现象的发生，要求掌握液管中清液层高度：H F(HdT+ h )wH= Hdp+ H+ hLdl0.002567H= 0.153 ( s )2pLw= 0.153 ()21.056 0.04= 0.000565mH= H+ Hdpl+h = 0.000565 + 0.0791 + 0.08 = 0.15967md取F = 0.5 HT= 0.45hw= 0.0673mF(HT+ h ) = 0.5 (0.45 + 0.0673) = 0.25
20、865mw可见： HF(HdT+ h ) 符合防止淹塔的要求w4.1.3、雾沫夹带板上流体流经长度ZLZ= D - 2WLd= 1.6 - 2 0.199 = 1.202m板上液流面积 AbA = AbT- 2 Af= 2.096 - 2 0.1449 = 1.7198m 2甲醇乙醇可按正常系统取物性系数K=1。0，查图得泛点负荷系数C= 0.127 求泛点率：FVsrr- rv+1.36L ZsLLvF =1KC AFb2.19471.2067+1.36 2.567 10-3 1.202=760.5 -1.2067100% = 42% 1 0.127 1.7198Vsrr- rvLv1F =
21、 0.78 KC AFT= 44%对于大塔，为避开过量雾沫夹带，应掌握泛点率不超过 0。8， 通过计算出的泛点率都在 0.8 以内,故可知雾沫夹带量能够满足：e 0.1kg (液)/kg (气)的要求。v4.2 提留段塔板流体力学验算4。2。1、压力降计算气相通过浮阀塔的压力降可依据塔板压力降公式：h= h + h + hpcls干板阻力：阀全开前： hc= 19.9u0.175ocrL= 19.9u0.175oc750阀全开后： h= 5.34 uoc rv1.3858u= 5.34 occ解得uoc2grL= 8.78m / s2 9.8750所以 hc10.170.175= 19.9 =
22、 0.0398 750板上充气液层阻力：本设备分别甲醇和乙醇的混合液，可取充气系数e= 0.50h = e hl0 L= 0.5 0.07 = 0.035m液体外表张力所造成的阻力，此相阻力，可无视不计.因此，气体流经一层浮阀塔板的压力降所相当的液柱高度为：h= h + hpcl= 0.0398 + 0.035 = 0.0748m(单板压降Dpp4。2.2、淹塔= h rpg = 0.0748 750 9.8 = 549.78 pLa为了防止淹塔现象的发生，要求掌握液管中清液层高度：H F(HdT+ h )wH= Hdp+ H+ hLdl0.00427H= 0.153 ( s )2pLw= 0
23、.153 ()2 1.04 0.04= 0.000161mH= H+ Hdpl+h = 0.0748 + 0.00161 + 0.07 = 0.14641md取F = 0.5 HT= 0.45hw= 0.0529mF(HT+ h ) = 0.5 (0.45 + 0.0529) = 0.2515mw可见H F(HdT+ h ) 符合防止淹塔的要求w4.2。3、雾沫夹带板上流体流经长度ZLZ= D - 2WLd= 1.6 - 2 0.199 = 1.202m板上液流面积 AbA = AbT- 2 Af= 2.01 - 2 0.1449 = 1.7202m 2甲醇乙醇可按正常系统取物性系数K=1.0
24、，查图得泛点负荷系数C= 0.128 求泛点率:FVsrr- rv+1.36L ZsLLv2.23431.3858750 -1.3858+1.36 4.27 10-3 1.202F =1KC AFb1 0.1281.7202100% = 46.8%Vsrr - rLvv1F = 0.78 KC AFT= 47.8%对于大塔，为避开过量雾沫夹带，应掌握泛点率不超过 0。8， 通 过计算出的泛点率都在 0.8 以内，故可知雾沫夹带量能够满足：e 0.1kg (液)/kg (气)的要求。v五、塔板负荷性能图5。1 精馏段塔板负荷性能图5.1。1、雾沫夹带上限线按泛点率=0.8 算出Vs- L 关系s
25、依据公式0.8 =Vs1.2067760.5 -1.2067+1.36L 1.202s1 0.127 1.7198整理得： 0.0408Vs+1.6347 Ls= 0.2184或：Vs= 5.35 - 40.066Ls在操作范围内任取 3 个Ls值，算出相应VsL /m3/s0。0010.0040.007sV /m3/s5。315.195.07s5。1。2、液泛线r1.2067Va = 1.91105 r N 2L= 1.91105 760.5 1682= 0.01074b = fHT+ (f -1- x )h0w= 0.5 0.45 + (0.5 -1- 0.5) 0.0679 = 0.15
26、710.1530.153c = 85.75l 2 h21.0562 0.042w0d = (1+ x0) E 0.6672l 3w取E=1，则d = (1+ 0.5)10.66721.0563= 0.9648整理：aV 2 = b - cL2 - dL32sss0.01074V 2 = 0.1571 - 88.4185.75L2 - 0.9648L32sss或 ：2V 2 = 14.63 - 7984.17L2 - 89.83L3sss在操作范围内任取 3 个Ls值,算出相应VsL /m3/ss0。0010。0050。009V /m3/ss3。703.443。185。1。3、液相负荷上限线以
27、5s 作为降液管中停留时间下限：(L )A H=fT= 0.1449 0.45 = 0.013m3/ss max555。1。4、液漏线以F= 5 作为规定气体最小负荷标准：50(V )s min= p d 2 N 5rv40= 0.785 0.0392 184= 1.0m3/s1.20675。1。5、液相负荷下限线以h= 0.006m 作为规定最小液体负荷标准：ow2.84 3600L 21000 E 3sminlw= 0.006取E=1，则： 0.006 1000 2l(L )s min= 3 w= 0.0004832.84 13600依据塔板负荷性能图(图(V )s max(V )s m
28、in= 3.55m 3 /s= 1.0m 3 /s操作弹性=3.55/1。0=3.55 5.2、提留段塔板负荷性能图5.2.1 、雾沫夹带上限线按泛点率=0.8 算出Vs- L 关系sV1.3858+1.36L1.202依据公式 0.8 =s750 -1.3858s1 0.1281.7202整理得: 0.0426V +1.635L = 0.1761ss或： Vs= 4.13 - 38.38Ls在操作范围内任取 3 个Ls值，算出相应VsL /m3/ss0。0010。0040.007V /m3/ss4.093。983.865.2.2 、液泛线a = 1.91105 rV= 1.91105 1.3
29、858= 0.01042r N 2L750 1842b = fHT+ (f -1- x )h0w= 0.5 0.45 + (0.5 -1- 0.5) 0.0529 = 0.1721c = 0.153 = 88.41l 2 h2w0d = (1+ x0取E=1，) E 0.6672l 3w则： d = (1+ 0.5)1 0.66721.043= 0.9747整理:aV 2 = b - cL2 - dL32sss0.01042V 2 = 0.1721 - 88.41L2 - 0.9747 L32sss或2V 2 = 16.52 - 8484.64L2 - 93.54L3sss在操作范围内任取 3
30、 个Ls值，算出相应VsL /m3/ss0.0010。0050.009V /m3/ss3。953.683.435.2.3 、液相负荷上限线以 5s 作为降液管中停留时间下限：(L )=s maxA HfT = 0.013m3/s55.2。4、液漏线以F= 5 作为规定气体最小负荷标准：50(V )s min= p d 2 N 5rv40= 0.785 0.0392 184= 0.93m3/s1.38585.2。5、液相负荷下限线以h= 0.006m 作为规定最小液体负荷标准:ow22.84 3600L 31000 E 取E=1,则：sminlw= 0.006 0.006 1000 2l(L )= 3