摘要：填料塔为连续接触式的气液传质设备，与板式塔相比，不仅结构简单，而且具有生产能力大，分离填料材质的选择，可处理腐蚀性的材料，尤其对于压强降较低的真空精馏操作，填料塔更显示出优越性。

本文以甲醇-水的混合液为研究对象，因甲醇-水系统在常压下相对挥发度相差较大，较易分离，所以此设计采用常压精馏。

根据物料性质、操作条件等因素选择填料塔，此设计采用泡点进料、塔底再沸器和塔顶回流的方式，将甲醇—水进行分离的填料精馏塔。

通过甲醇—水的相关数据，对全塔进行了物料衡算和热料衡算，得出精馏产品的流量、组成和进料流量、组成之间的关系，进而得到精馏塔的理论板数。

分析了进料、塔顶、塔底、提馏段、精馏段的流量及其物性参数。

对精馏段和提留段的塔径及填料层高度进行了计算，以确定塔的结构尺寸。

对塔内管径、液体分布器、筒体壁厚进行了选型计算，从而得到分离甲醇—水混合物液的填料精馏塔。

关键词：填料塔；流量；回流比；理论板数；工艺尺寸第一章：设计任务书 (1)一、设计题目 (1)二、操作条件 (1)三、填料类型 (1)四、设计内容 (2)第二章：工艺设计计算 (2)一、设计方案的确定 (2)二、精馏塔的物料衡算 (3)三、理论塔板数的确定 (3)四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 (8)五、精馏塔塔体工艺尺寸的计算 (10)六、填料层压降的计算 (13)七、筒体壁厚的计算 (14)八、管径的计算 (14)九、液体分布器简要设计 (16)第三章：结论 (18)一、设计感想 (18)二、全章主要主要符号说明 (19)三、参考资料： (20)第一章：设计任务书一、设计题目在抗生素类药物生产过程中，需要用甲醇溶媒洗涤晶体，洗涤过滤后产生废甲醇溶液，其组成为含甲醇46%、水54%（质量分数），另含有少量的药物固体微粒。

为使废甲醇溶液重复利用，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。

设计要求废甲醇溶媒的处理量为4t/h,塔底废水中甲醇含量≤0.5%（质量分数）。

二、操作条件1、操作压力为常压2、进料热状态自选（饱和）3、回流比自选4、塔底加热蒸汽压力0.3MPa（表压）三、填料类型因甲醇溶媒中含有少量的药物固体微粒，应选用金属散装填料，以便定期拆卸和清理。

填料类型和规格自选。

四、设计内容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的计算；5、填料层压降的计算；6、液体分布器的简要设计；7、精馏塔接管尺寸计算；8、绘制精馏塔设计条件图；9、对设计过程的评述和有关问题的讨论。

第二章：工艺设计计算一、设计方案的确定本设计任务为分离甲醇—水混合物，对于二元混合物的分离，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。

甲醇常压下的沸点为64.7℃，所以采用常压操作。

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

塔釜采用间接蒸汽加热方式。

填料类型选用散装金属环矩鞍填料。

二、精馏塔的物料衡算1、原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数甲醇的摩尔质量M A =32.04 kg kmol ，水的摩尔质量M B =18.02 kg kmolD 0.99732.040.9950.99732.040.00318.02x ==+W 0.00532.040.0030.00532.040.99518.02x ==+0.4632.040.3240.4632.040.5418.02F x ==+2、原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量F M =0.3239×32.04＋0.6761×18.02=22.56kg kmolD M =0.9947×32.04＋0.0053×18.02=31.9657kg kmol W M =2.8183××32.04＋0.9972×18.02=18.059kg kmol3、物料衡算废甲醇溶媒的处理量为4t/h,则原料液的处理量为,4000177.3022.56n F q kmol h == 总物料衡算：,,177.30n D n W q q =+ （1）甲醇物料衡算：,,177.300.3240.9950.003q n D n W q ⨯=⨯+⨯ （2） 联立方程（1）（2）解得：,,58.38119.92n D n W q kmol hq kmol h=⎧⎨=⎩三、理论塔板数的确定对甲醇—水二元物系，采用图解法求理论板层数 1、由手册查得甲醇—水物系的汽液平衡数据甲醇—水物系的气液平衡数据2、求最小回流比及操作回流比查的甲醇—水物系的气液平衡数据，绘出x y图。

由于泡点进料q=1,在图上作直线x=0.995交对角线与a 点，作直线x=0.324交平衡点与q 点，连线aq 两点，过q 点作横轴的平行线交纵轴与一点，读的y=0.682。

即最小回流比如下：min 0.9950.6820.8740.6820.324R -==-取操作回流比min 1.5 1.31R R == 5 3、求精馏塔的气液相负荷,,,,,,,,, 1.31(1) 2.3157.38132.5575.17177.30252.47132.55n L n D n V n D n L n L n F n V n V q Rq kmol h q R q kmol h q q q kmol h q q kmol h''==⨯57.38=75.17=+=⨯==+=+===4、求操作线方程 精馏段操作线方程：,,,,75.1757.380.9950.5710.431132.55132.55n L n D D n Vn Vq q y x x x x q q =+=+⨯=+（3） 提馏段操作线方程：,,,,252.47119.920.003 1.9050.003132.55132.55n L n W W n V n V q q y x x x x q q '''='-='+⨯='-'（4） 5、理论板层数（采用逐板法） 由(1)(1)A AA A x y x y -α=-，再根据甲醇—水物系的气液平衡数据中的数据可计算出不同温度下的挥发度，见下表：表1所以 4.45α== 由1(1)q q qx y x α=+α-得(1)yx y=α-α-将 4.45α=代入相方程(1) 4.45 3.45y yx y y==α-α--（5）联立（3）（4）（5）方程式可自上而下逐板计算所需理论板数。

因塔顶全凝， 则10.995D y x ==由（3）式求得第一块板下降组成10.9950.9784.45 3.45 4.45 3.450.995y x y ===--⨯利用（1）式计算第二块板上升蒸汽组成为20.5710.4310.5710.9780.4310.989y x =+=⨯+=交替使用（1）式和（3）式直到n F x x ≤，然后改用提馏段操作线方程，直到n W x x ≤为止。

计算结果见表2。

表2精馏塔的理论塔板数为T N =13-1=12（不包括再沸器）进料板位置8FN=四、精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算由甲醇—水物系的汽液平衡数据，采用内插法，计算结果如下：塔顶温度64.6Dt=℃塔底温度W 99.5t=℃进料温度77.4Ft=℃水跟甲醇的物理性质见表3表3塔顶第一块板有关参数：气相流量：1,,(1) 2.3157.38132.55n V n D q R q kmol h =+=⨯=液相流量：1,, 1.3157.3875.17n L n D q R q kmol h =⨯=⨯=由表2可知，塔顶第一块板的气相组成为10.995y =，液相组成为10.978x =气相平均摩尔质量为 10.99532.040.00518.0231.97V M kg kmol =⨯+⨯=液相平均摩尔质量为 10.97832.040.02218.0231.73L M kg kmol =⨯+⨯=气相密度为 113101.32531.971.1548.314337.75V V PM kg m RTρ⨯===⨯由表3内插法的64.6℃时，水的密度为980.73kg m ，甲醇的密度为755.73kg m则液相密度为 13980.70.022755.70.978760.7L kg m ρ=⨯+⨯=由1lg 0.022lg 0.4400.978lg 0.327L μ=+可计算出液体的黏度为10.329L mPa s μ=同理，进料板（第一块板）的有关参数： 气相流量：81,,132.55n V n V q q kmol h ==液相流量：81,,,75.17177.30252.47n L n L n F q q q kmol h =+=+=由表2可知，塔顶第一块板的气相组成为80.624y =，液相组成为80.272x =气相平均摩尔质量为80.62432.040.37618.0226.77V M kg kmol =⨯+⨯=液相平均摩尔质量为80.27232.040.72818.0221.83L M kg kmol =⨯+⨯=气相密度为 883101.32526.770.9318.314350.55V V PM kg m RTρ⨯===⨯由表3内插法的77.4℃时，水的密度为973.363kg m ，甲醇的密度为740.523kg m则液相密度为：83973.360.728740.520.272910.03L kg m ρ=⨯+⨯=由8lg 0.728lg 0.3690.272lg 0.285L μ=+可计算出液体的黏度为80.344L mPa s μ=五、精馏塔塔体工艺尺寸的计算1、塔径的计算 ①精馏段塔径的计算在本设计中采用泛点气速法计算适宜的空塔气速 取泛点率0.7Fuu =，则依据贝恩-霍根关联式计算调填料的泛点气速法 14180.23lg t V V F L L L V L a u w A K g w ρρμερρ⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫=-⎢⎥ ⎪⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎣⎦查表可知A=0.06225，K=1.75 g=9.81 2m s散装金属环矩鞍散装填料，假设其公称直径为50㎜，则查表可知t a =74.9 ε=96％液相质量流量为 11,75.1731.732385.14L n L L w q M kg h =⨯=⨯=气相质量流量为 11,132.5531.974237.62V n V V w q M kg h =⨯=⨯=代入上式得：14180.2374.9 1.1542385.14 1.154lg 0.3290.06225 1.759.810.96760.74237.62760.7F u ⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫=- ⎪⎪ ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎣⎦求得： 4.85F u m s =则0.7 3.40F u u m s ==0.618D m === 由于8NDD >故可采用N D 50散装金属环矩鞍填料。