甲醇-水分离过程板式精馏塔的设计
1.设计方案的确定
本设计任务为分离甲醇和水混合物。

对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。

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。

塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷凝冷却后送至储罐。

该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的1.8倍。

塔釜采用间接蒸汽加热①。

2.精馏塔的物料衡算
2.1.原料液及塔顶、塔顶产品的摩尔分率
甲醇的摩尔质量M A=32.04kg/kmol
水的摩尔质量M B=18.02 kg/kmol
x F=
0.46/32.04
0.324 0.46/32.040.54/18.02
=
+
x D=
0.95/32.04
0.914 0.95/32.040.05/18.02
=
+
x W=
0.03/32.04
0.0171 0.03/32.040.97/18.02
=
+
2.2.原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量
M F=0.324*32.04(10.324)*18.0222.56
+-=kg/kmol M D=0.914*32.04(10.914)*18.0230.83
-=kg/kmol M W=0.0171*32.04(10.0171)*18.0218.26
+-=kg/kmol 2.3.物料衡算
原料处理量F=
30000*1000
184.7
24*300*22.56
=kmol/h
总物料衡算184.7=D+W
甲醇物料衡算184.7*0.324=0.914D+0.0171W 联立解得D=63.21 kmol/h
W=121.49 kmol/h
3.塔板数的确定
3.1.理论塔板层数N T的求取
3.1.1.由手册查的甲醇-水物系的气液平衡数据
温度饱和蒸汽压（甲醇）kPa 饱和蒸汽压（水）kPa 64.5 101.3 25.003
70 125.1458 31.157
75 150.8157 38.544
80 180.667 47.343
85 215.19957.808
90 254.946970.095
95 300.48384.513
100 352.4169101.3
由上数据可绘出x-y图和t-x(y)图。

表一.甲醇-水体系的t-x(y)图
表二.甲醇-水体系的相平衡曲线
3.1.2.求甲醇-水的相对挥发度αm
α=甲醇饱和蒸汽压/水饱和蒸汽压
由甲醇-水的气液平衡数据算得
α1=4.052 α2=4.017 α3=3.913 α4=3.816 α5=3.723 α6
=3.637 α7=3.555 α8=3.479
αm=（α1α2α3α4α5α6α7α8）1/8=3.77
3.1.3.求最小回流比
因为是泡点进料，则x F =x q。

y q =
q 3.77*0.324
0.644 1q1
==
++
αX
（α-1）X（3.77-1）*0.324
R min
0.9140.644
0.8437
0.6440.324
D q
q q
X Y
Y X
--
===
--
回流比R= 1.8R min =1.8*0.8437=1.52
3.1.
4.求精馏塔气、液相负荷
L=RD=1.52*63.21=96.08 kmol/h
V=(R+1)D=2.52*63.21=159.29 kmol/h
L′=L+F=96.08+184.7=280.78 kmol/h
V ′=V=159.29 kmol/h
3.1.5.求操作线方程
精馏段操作线方程为 y='96.080.914*63.210.60320.3627159.29159.29
D L D x X x x V V +=+=+ （a ） 提馏段操作线方程为
'
'
''''''280.780.0171*121.49 1.7630.013159.29159.29L W y x x x x V V =-=-=- （b ） 相平衡方程为
3.77 2.77y y x y
==-α-(α-1)y （c ） 3.1.6.理论塔板数的确定
因为y 1= x D ，则由式（c ）得
x 1=0.9140.7383.77 2.77*0.914
=- 又由式（a ）得
y 2=0.6032*0.738+0.3627=0.808
交替使用式（a ）和（c ）直到x n ≤x F ,然后改用式（b ）和（c ）计算，直到x n ≤x W 为止，计算结果见下表三。

表三.理论塔板层数
根据以上数据绘出甲醇-水体系的相平衡曲线图
总理论塔板数 N T =9（包括再沸器） 进料板位置 N F =4
3.2.实际塔板数的求取
3.2.1.操作温度计算
由表一图中泡点方程可计算得 泡点(进料板)温度 t F =83.77 ºC 塔顶温度 t D =70.56 ºC 精馏段平均温度 t m =（83.77+70.56）/2=77.17 ºC 此温度下，查手册，得
甲醇的黏度 μ=0.285 mPa ·s 水的黏度 μ=0.371 mPa ·s 平均黏度 1n L i i i x ==∑μμ=0.324*0.285+0.676*0.371=0.343 mPa ·s
又有全塔效率 E 0=*100%T P
N N 查手册可得 E 0=0.49（αL μ）-0.245=0.49*(3.77*0.343)-0.245=0.46
则精馏段实际塔板层数 N=N F /E 0100%=3/0.46≈7 块 提馏段实际塔板层数 N=N D /E 0100%=5/0.46≈11块
4.精馏塔的工艺条件及有关物性的计算
4.1.操作压力
塔顶操作压力 P=101.3 kPa 每层塔板压降 ΔP=0.7 kPa 进料板压力 P F =101.3+0.7*9=107.6 kPa 精馏段平均压力 P m =（101.3+107.6）/2=104.45 kPa
4.2.操作温度计算
由3.2.1.可得
泡点(进料板)温度 t F =83.77 ºC 塔顶温度 t D =70.56 ºC 精馏段平均温度 t m =（83.77+70.56）/2=77.17 ºC
4.3.平均摩尔质量计算
塔顶平均摩尔质量计算
由表三得 x 1=0.738
M VDm =0.914*32.04+（1-0.914）*18.02=30.83 kg/kmol
M LDm = 0.738*32.04+（1-0.738）*18.02=28.37 kg/kmol 进料板平均摩尔质量计算
由表三得
y F =0.581 x F =0.269
M VFm =0.581*32.04+（1-0.581）*18.02= 26.17 kg/kmol M LFm =0.269*32.04+（1-0.269）*18.02=21.79 kg/kmol 精馏段平均摩尔质量
M Vm =（30.83+26.17）/2=28.5 kg/kmol M Lm =（28.37+21.79）/2=25.08 kg/kmol
4.4.平均密度计算
气相平均密度计算，即
ρVm =
m Vm m P M RT 104.45*28.5/（8.314*（77.17+273.15））=1.0221kg/m 3。