三、塔板数的确定
⑴ 理论板层数NT的求取
因为甲醇与水属于理想物系，可采用图解法求解（见相平衡图1---1） 最小回流比及其操作回流比的求解：yδ=0.647，xδ=0.273 Rmin=(xD-yδ)/(yδ-xδ)
=(0.882-0.647)/(0.647-0.273) =0.628
取操作回流比为：R=1.8Rmin=1.8×0.628=1.130 a．精馏塔的气、液相负荷
L=R×D=1.13×89.02=100.59kmol/h V=(R+1)×D=2.13×89.02=189.61kmol/h L’=L+F=100.59+289.06=389.65kmol/h V’=V=189.61kmol/h b．精馏段、提馏段操作线方程
精馏段操作线：y=L/V×x+D/V×xd=0.5305x+0.414 提馏段操作线：y’=L’/V’×x’－W/V’×xw=2.055x’-0.002 c．图解法求理论塔板层数
根据图一所示，可求得结果为 总理论塔板数NT为8块(包括再沸器) 进料板位置NF为自塔顶数起第4块 ⑵ 理论板层数NT的求取
精馏段实际塔板数 N精=3/60%=5块 提馏段实际塔板数 N提=5/60%=9块
四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据数据的计算
⑴ 操作压力的计算
设每层塔压降： △P=0.9KPa（一般情演况下，板式塔的每一个理论级压降约在0.4~1.1kPa）
进料板压力： PF=101.3+5×0.9=105.8(KPa) 精馏段平均压力：Pm=(101.3+105.8)/2=103.5(KPa) 塔釜板压力： PW=101.3+14×0.9=113.9(KPa) 提馏段平均压力：Pm’=(105.8+113.9)/2=109.85(KPa) ⑵ 操作温度的计算
查表⑴可得
6
安托尼系数 A B C Min～Max H2O 7.07406 1657.46 227.02 10～168 CH3OH 7.19736 1574.99 238.23 -16～91 H2O的安托尼方程： lgPOA=7.07406-1657.46/(tA+227.02) CH lgPO
3OH的安托尼方程：B=7.19736-1574.99/(tB+238.86) 甲醇的tB
lg101.3=7.19736-1574.99/(tB+238.86)
tB=64.5(℃)
由泡点方程试差可得当 tD=67.0℃时 ∑Kixi≈1 同理可求出 tF=85.2℃时 ∑Kixi≈1
tW=103.2℃时 ∑Kixi≈1
所以 塔顶温度 tD=67.0℃
进料板温度 tF=85.2℃
塔釜温度 tW=103.2℃
精馏段平均温度 tm=(67.0+85.2)/2=76.1(℃) 提馏段平均温度 t’m=(103.2+85.2)=94.2(℃) ⑶ 平均摩尔质量的计算 a. 塔顶平均摩尔质量计算
由xD=y1=0.882 查平衡曲线(图一)得 x1=0.727 MVDm=0.882×32.04+(1-0.882)×18.01=30.38kg/mol MLDm=0.727×32.04+(1-0.727)×18.01=28.21kg/mol b. 进料板平均摩尔质量计算
由yF=0.600 查平衡曲线(图一)得 x1=0.220 MVFm=0.600×32.04+(1-0.600)×18.01=26.43kg/mol MLFm=0.220×32.04+(1-0.220)×18.01=21.10kg/mol c. 塔釜平均摩尔质量计算
由y1’=0.006 查平衡曲线(图一)得 x1’=0.001 M’VWm=0.006×32.04+(1-0.006)×18.01=18.09kg/mol M’LWm=0.001×32.04+(1-0.001)×18.01=18.02kg/mol d. 精馏段平均摩尔质量
MVm=(30.38+26.43)/2=28.41kg/mol MLm=(28.21+21.10)/2=24.66kg/mol e. 提馏段平均摩尔质量
M’Vm=(26.43+18.09)/2=22.26kg/mol M’Lm=(21.10+18.02)/2=19.56kg/mol ⑷ 平均密度的计算 a. 精馏段平均密度的计算
Ⅰ 气相 由理想气体状态方程得
7
ρ
/RT3
Vm=PmMvwm=(103.5×28.41)/[8.314×(273.15+76.1)]=1.01kg/m
Ⅱ 液相 查⑵可得tD=67.0℃时 ρA＝979.4kg/m3 ρB=750.0kg/m3
tF=85.2℃时 ρA＝968.5kg/m3 ρ3B=735.0kg/m
ρ
=1/(0.93/750.0+0.07/979.4)=762.5kg/m3
LDm
进料板液相的质量分率
αA=(0.220×32.04)/(0.220×32.04+0.780×18.01)=0.334
ρ
LFm=1/(0.334/735.0+0.666/968.5)=875.6kg/m
3
精馏段液相平均密度为
ρ
3
Lm=(762.5+875.6)/2=819.1 kg/m
b. 提馏段平均密度的计算
Ⅰ 气相 由理想气体状态方程得
ρ’Vm=PmMvw/RTm=(109.35×22.27)/[8.314×(273.15+94.2)]=0.80kg/m3 Ⅱ 液相 查⑵可得t3w=103.2℃时 ρA＝956.1kg/m ρB=720.0kg/m3 αA=(0.001×32.04)/(0.001×32.04+0.999×18.01)=0.0018
ρ’3Lwm=1/(0.0018/720.0+0.9982/956.18)=955.62kg/m 提馏段平均密度
ρ’3
Lm=(955.62+875.6)/2=915.6 kg/m
⑸ 平均粘度的计算
液相平均粘度依下式计算 即
lgμ
Lm=∑xilgμ
i
a．塔顶液相平均粘度的计算 由tD=67.0℃查⑵得 μA=0.4233mPa.s μB=0.3110mPa.s
lgμLDm=0.882lg(0.3110)+0.118lg(0.4233)
=-0.49
μ
LDm=0.323mPa.s
b．进料板平均粘度的计算
由tF=85.2℃查⑵得 μA=0.3320mPa.s μB=0.2550mPa.s
lgμ
LFm=0.220lg(0.2550)+0.780lg(0.3320)
=-0.50
μLFm=0.313mPa.s
精馏段平均粘度
μ
Lm=(0.323+0.313)/2=0.318mPa.s
c．塔底液相平均粘度的计算 由tW=103.2℃查⑵得
μA=0.275mPa.s μB=0.220mPa.s
lgμ
LWm=0.00199lg(0.220)+0.99801lg(0.275)
=-0.56
μLWm=0.275mPa.s
提馏段平均粘度
8
μL’m=(0.275+0.313)/2=0.294mPa.s
⑹ 平均表面张力的计算
液相平均表面张力依下式计算 即
σ
Lm=∑xiσ
i
a. 塔顶液相平均表面张力的计算 由tD=67.0℃查⑵得
σA=64.91mN/m σB=18.30mN/m
σ
LDm=0.882×18.30+0.118×64.91=23.80 mN/m
b. 进料板液相平均表面张力的计算 由tF=85.2℃查⑵得
σA=62.22mN/m σB=16.40N/m
σ
LFM=0.220×16.4+0.780×62.22=52.14 mN/m
c. 塔底液相平均表面张力的计算 由tW=103.2℃查⑵得
σA=58.20mN/m σB=14.40N/m
σLWm=0.00199×14.40+0.99801×58.2=58.11 mN/m
精馏段液相平均表面张力
σ
Lm=(52.14+23.80)/2=37.97 mN/m
提馏段液相平均表面张力 σ’Lm=(52.14+58.11)/2=55.13 mN/m
五、精馏塔的塔体工艺尺寸计算
⑴ 由上面可知精馏段 L=100.59kmol/h
V=189.61kmol/h
a． 塔径的计算 精馏段的气、液相体积流率为
VS=VMVm/3600ρ
Vm=(189.61×28.405)/(3600×1.01)=1.481m
3
/s
LS=LMLm/3600ρ
×24.655)/(3600×819.1)=0.00084m3
Lm=(100.59/s
u?L??V2max?C?式中，负荷因子C?C20(?由史密斯关联图⑶查得C20再求
V0.02)0.图的横坐标为 Flv=L/V×(ρl/ρv)0.5=0.0162
取板间距，HT=0.40m,板上清液层高度取hL=0.05m，则HT-hL=0.35 m
史密斯关联图如下
9
由上面史密斯关联图，得知 C20=0.075 气体负荷因子 C= C20×(σ/20)=0.08526 Umax=2.43
取安全系数为0.8，则空塔气速为 U=0.8Umax=0.8×2.43=1.94m/s D?/0.2
V0.785u=0.986m
按标准塔径圆整后为D=1.0m 塔截面积为At=3.14×1×1=0.785 m2
实际空塔气速为U实际=1.481/0.785=1.887 m/s
U实际/ Umax=1.887/2.43=0.78(安全系数在充许的范围内，符全设计要求)
⑵ 由上面可知提馏段 L=389.65kmol/h
V=189.61kmol/h
a．提馏段塔径的计算
提馏段的气、液相体积流率为
L’S=L’MLm/3600ρ’Lm=(389.65×19.56)/(3600×915.6)=0.2200m3/s umax?C V’S=V’MVm/3600ρ’Vm=(189.61×22.26)/(3600×0.80)=1.4660m3/s
?L??V?V式中，负荷因子C?C20(?0.02)0.2由史密斯关联图⑶查得C20再求
图的横坐标为 Flv=L/V×(ρl/ρv)0.5=0.051
取板间距，HT=0.40m，板上清液层高度取hL=0.06m，则HT-hL=0.34 m 由史密斯关联图，得知 C20=0.076
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