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1、目 录摘 要1引 言11 总体操作方案21.1 操作压力21.2 进料状况31.3 加热方式31.4 回流比的确定32 设计过程42.1 设计任务与设计图42.2 塔的工艺计算42.2.1 全塔物料衡算42.2.2 原料液、馏出液、釜残夜的摩尔流率52.2.3 物系相平衡数据52.2.4 确定适宜回流比72.2.5 理论板数和实际板数的确定72.3 塔的运行参数的确定92.3.1 操作压力92.3.2 操作温度92.3.3 液体表面张力102.3.4 液体黏度102.4 塔径与塔高的计算112.4.1 塔径的计算112.4.2 塔高的计算123 板面布置及主要尺寸123.1 板面布置123.2
2、 浮阀的排列134 结 论13参考文献13设计总结与致谢15分离甲醇与水二元物系浮阀板精馏塔的设计摘 要：甲醇是结构最为简单的饱和一元醇，也是重要的工业原料，广泛应用在生产、生活等领域。本论文的主要任务是确定精馏塔的主要尺寸及附属的再沸器、冷凝器的尺寸设计，完成对甲醇-水精馏工艺流程和主要设备的选型和设计，根据设计任务，确定操作条件。设计的任务是分离甲醇与水二元物系，处理量为4000千克每小时，进料甲醇的质量分数为0.273，塔顶产品甲醇含量0.965，塔底甲醇含量0.006。根据分离要求，设计塔设备的尺寸，即需要27块塔板，塔径1.83m，塔高6.5m。关键词：甲醇与水；精馏塔；浮阀式；工艺
3、计算The Design of Floating Valve Tower Separation of Methanol And Water SystemAbstract : Methanol is a monohydric alcohols and it possess the most simple structure, it also an important industrial raw material, and it widely used in production, life and other fields. Determine the main size, process d
4、esign, selection of equipment such as reboiler and condenser. Ultimately, we should accomplish the design and equipment selection of methanol and water process. According to the design task to determine the operating conditions. The task of this design is separate methanol and water , our processing
5、 capacity is 4000kg per hour, and the methanol mass fraction in the feed solution is 0.273, after the separation, we require in the distillate fraction of methanol is 0.965, the residue in the night is 0.006. According to the above requirements, after calculation, we can get the size of the tower ,
6、that is we need 27 tower plates, the diameter of the column is 1.83, and the tower height is 6.5m.Key Words : Methanol water; Distillation column; Float valve type; Process calculation引 言本次设计针对的是甲醇与苯二元物系，其中，甲醇在工业，医药，民用等方面都有很广泛的应用。同时对甲醇有不同的浓度要求，有时浓度要求高，甚至是无水甲醇，但因甲醇的挥发性很大，所以获得高浓度的甲醇很是困难1。因此，要想获得高浓度的甲醇
7、溶液，需要把低浓度的甲醇溶液经连续精馏浓缩到高浓度。又因为甲醇和水的挥发度相差不大，精馏的多次分离过程，也就是同时进行多次部分汽化部分冷凝的过程，这样就能得到较高浓度的分离。在实际的化工厂中的精馏操作是在一系列直立的圆柱形精馏塔内进行的，塔内的组成是若干的塔板辅以一定高度的填料。整个精馏过程的实现，除了主体设备精馏塔外，还必须有设备使塔底有上升的蒸汽并使塔顶有下降的液体，这样就需要塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还要配原料液预热器，回流液泵等附属设备，才能实现整个操作。塔设备主要分为连续接触式和间接接触式，前者的代表是填料塔，而后者的代表是板式塔，其中板式塔又分为筛板塔、泡罩塔和浮阀塔2。其中浮阀
8、塔的优点主要有：a.操作弹性大，因为浮阀片可以自由升降来适应气量的变化，因此在正常操作内允许的负荷性能范围大于筛板塔和泡罩塔。b.生产能力大，塔板上浮阀排列比较紧凑，故其开孔的面积大于泡罩塔板，生产能力比泡罩塔板多出20%30%左右，与筛板塔差不多。c.气体压降及液面落差小，因气液流过浮阀塔板时阻力较小，使气体压降及液面落差比泡罩塔小。d.塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故气液接触时间较长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。e.塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的 50%80%，但是比筛板塔高 一些4。浮阀塔的不足之处：因为浮阀塔需要较高的抗腐蚀性，多数采用不锈钢材料制成，
9、故其成本会较高，致使其广泛推广受到限制。近几十年来，人们对浮阀塔的研究越来越深入，生产经验越来越丰富，积累的设计数据比较完整，因此设计浮阀塔比较合适。本次设计就是针对甲醇水二元体系，而进行的常压浮阀精馏塔的设及其其附属设备的选择。 1 总体方案确定 1.1 操作压力精馏可以在常压、减压或加压下进行，这个设计所选择的压力类型主要考虑待处理物料的性质、技术上的可行性和经济上的最优性来决定5。一般来说常压精馏最简单实用且经济性好，对设备要求低，因此当待处理物料没有特殊要求时，可以选择在常压下进行。加压适用于沸点低，在常压下为气态的物料，相同情况下提高压力可以提高塔的处理能力，但是提高了压力就需要对设
10、备有更高的要求6。对于高沸点和热敏性的物料用减压精馏，降低操作压力，组分的相对挥发度增加，这样有利于分离。减压操作降低了平衡温度，这样可以使用较低位的加热剂。但是降低压力也导致了塔直径的增加和塔顶冷凝温度的降低，而且必须使用抽真空设备，增加了相应的设备和操作费用7。本次设计需要分离的是甲醇-水的溶液，该溶液不是热敏性物料，沸点也不高，故不需要在减压下操作，且该物料在常压是液体，则也不需要在加压下进行，这样我们就选取技术上、物料的性质和经济上都统筹到的常压下精馏8。1.2 进料状况进料状态有多种，像过热蒸汽进料、饱和蒸汽进料、汽液混合进料、泡点进料和冷液进料。一般的进料方式是将料液预热到泡点或接
11、近泡点温度后送入，这样进料温度就不会受各种外在因素的影响，塔内的精馏操作就比较容易。另外，当选择泡点进料时，所需的精馏段与提馏段的塔径相同，设备的制造就比较方便。不足之处是泡点进料时料液预热会消耗大量的能量。1.3 加热方式塔底的再沸器采用间接蒸汽加热，来提供足够多的能量。直接蒸汽加热是把蒸汽直接通入塔釜加热釜液，所需的操作费用和设备费用均可降低，但当塔顶回收率一定时，直接蒸汽加热的冷凝水会稀释残液的浓度，这样会使所需的塔板数略有增加。综合考虑，我们采用间接蒸汽加热9。1.4 回流比的确定对于一定的分离任务，采用较大的回流比时操作线的位置远离平衡线的向下向对角线靠拢，在平衡线和操作线之间的直角
12、跨度增大，这样传质推动力就增大了，既而每层塔板的分离效率就增大，所以增大回流比可以减少理论塔板数。缺点是随着回流比的增大，塔釜加热剂的消耗量和塔顶冷凝剂的消耗量也随之增加，带来的是操作费用的增加10。总体来考虑，我们就要选择最佳回流比来兼顾设备费用和操作费用的最小值。本次设计任务，综合各个方面的因素，采用的回流比为最小回流比的1.5倍11。2 设计过程2.1 设计任务与设计图题目：分离甲醇与水二元物系连续精馏塔的设计。指标：处理量 4000 kg/h进料组成：0.273 (质量分数 下同)塔顶产品组成：0.965 塔底产品组成：0.006图1 设计图2.2 塔的工艺尺寸计算2.2.1 全塔物料
13、衡算原料液，馏出液及釜残液的摩尔分数和均摩尔量的计算原料液的质量百分率: 馏出液的质量百分数: 釜残液的质量百分率: 甲醇的摩尔质量：水的摩尔质量：则原料液的摩尔分数： 均摩尔质量： 馏出液的摩尔分数：均摩尔质量：釜残液的摩尔分数：均摩尔质量： 2.2.2 原料液、馏出液、釜残夜的摩尔流率由公式： (1) (2)俩式联立，代入上述数据后的 2.2.3 物系相平衡数据表1 基本物性数据组分 分子式 分子量 沸点 熔点 水 H2O 18.015 373.15K 273.15K 甲醇 CH3OH 32.040 337.85K 176.15K表2 常压下甲醇和水二元物系的相平衡表( t-x-y )t
14、x y t x y10092.990.388.986.685.083.282.381.680.278.0 0 5.31 7.67 9.26 12.57 13.15 16.74 18.18 20.83 23.19 28.18028.3440.0143.5348.3154.5555.8557.7562.7364.8567.7577.876.776.273.872.771.370.068.066.964.729.0933.3335.1346.2052.9259.3768.4985.6287.4110068.0169.1869.1877.5679.7181.8384.9289.6291.94100图2
15、 甲醇水的t-x-y关系图2.2.4 确定适宜的回流比根据甲醇与水的气液平衡表和相对挥发度公式 12 求得相对挥发度 平衡线方程： 在泡点进料的情况下：将带入上式得则最小回流比 实际回流比 2.2.5 理论板数及实际板数的确定(1) 精馏段塔的气液相负荷液相：气相： 提馏段的气液相负荷液相：气相：(2) 精馏段的操作线方程：提馏段的操作线方程： (3) 逐板法计算理论板数：由平衡线方程和精馏段操作线方程 由上至下逐板计算：自开始至超过为止操作线上的点 平衡线上的点 因为，故第五块理论板为加料板，则精馏段共有四块理论板。(4) 由平衡线方程和提馏段操作线方程 4从，由上而下直到为止。 操作线上的
16、点 平衡线上的点 因为，故理论板数不足十一块，综合以上精馏塔理论板数位十一块。(5) 实际塔板数的求取，即 5a. 总板效率的确定由气液平衡表得到塔顶液相平衡温度、气相平衡温度以及塔釜温度，所以平均温度： 在由奥克梅尔公式：5,其中， b. 实际塔板层数，则精馏段塔板数： 提馏段塔板数：，提馏段去掉塔釜有：。2.3 塔的运行参数的确定2.3.1 操作压力设单个板块的压力为：进料板的压力：精馏段的平均压力为：塔釜板块的压力为：提馏段的平均压力为：2.3.2 操作温度根据相平衡数据表得：，精馏段平均温度：，提馏段的平均温度：，总平均温度：2.3.3 液体表面张力表3 张力温度关系图 温度 66.9
17、 82 100 甲醇mN/m 16.185 14.816 12.80 水mN/m 64.36 62.31 58.9 (1) 精馏段a. 塔顶： , ， b.进料板上：82 时， 6(2) 提馏段塔底: 时，, 2.3.4 液体黏度表4 黏度温度关系图 温度 66.9 82 100 甲醇mPa.s 0.3105 0.2721 0.228 水Pa.s 0.4233 0.3478 0.2838 (1) 精馏段查表得:66.9 时, 82 时, (2) 提馏段塔底: 100 时, 2.4 塔径与塔高的计算2.4.1 塔径计算想求取塔径，就得先求出空塔气速，且， 式中 ：13-15参考有关资料，根据塔板
18、间距与塔径的关系表5 塔板间距与塔径的关系塔 径/D,m0.30.50.50.80.81.61.62.42.44.0板间距/HT,mm200300250350300450350600400600初选板间距， 取板上液层高度，故分离空间 HT-h1=0.4-0.06=0.34m根据以上数值，由史密斯关联图查得，C20=0.0715则由公式得校正系数： 17 安全系数为6.5，则空塔气速所以塔径： 2.4.2 塔高的计算精馏段实际塔板数： ，得到则精馏段的实际塔高 提馏段实际塔板数： ，得到则提馏段的实际塔高 实际塔高： 其中：为最上面一块塔板距塔顶的高度 为最下面一块塔板距塔底的高度取 3 板面
19、布置及尺寸确定3.1 板面布置在塔板的受液盘与鼓泡区之间需要设安定区，来促使塔板的液体分布平稳均匀，同时也可防止气体进入降液管，安定区的宽度值通常为50-100mm，估计取18。这一安定区，目的是为液体提供一个脱气的区域，以避免夹带大量气泡的液体进入降液管，通常其宽度为70-100mm，故取。边缘区是塔板靠近塔壁的边缘留出的边宽区域，从而使塔板和塔板紧固件夹紧。对直径在2.5m以下的塔一般边宽取为50mm，对直径在2.5m以上的塔一般可取为60mm或更大些。因为这个设计的塔径在2.5m以下，故取。因为 所以93.2 浮阀的排列因为本设计塔径为：，所以塔板的布置采用分块式，以等腰三角形形式进行叉
20、排，取浮阀塔筛孔直径为：，阀孔按等腰三角形排列19-20空塔气速： 得到开孔率：，因为，故符合要求。因为t=75mm , ， 阀孔数个则每层板上的开孔面积Ao =A a = 0.4956313.8 %=0.0684 结 论这个设计是分离甲醇与水二元物系，我们要设计的是板式浮阀精馏塔，根据甲醇与水的物性特征和操作的适应性，经济的最优性和产量的稳定性。完成该设计要达到4000kg/小时的产量，需要实际塔板数27块，其中精馏段10块，提馏段17块；通过工艺计算得到塔径1.83m、塔高6.5m。参考文献1 徐寿昌. 有机化学M. 北京: 高等教育出版社, 1993, 88-892 曾昭琼. 有机化学M
21、. 北京: 高等教育出版社, 2004, 37-38.3 Quanzeng Wang. Methanol Conversion from Sugar Beet Pulp with Pectin Methyl Esterase D. Maryland: College Park, 2006: 1-4.4 Abdulwahab GIWA, Suleymen KARACAN. Development of Dynamic Models for a Reactive Packed Distillation ColumnD. Ankara: Ankara University, 2012: 118-12
22、8.5 R. Van Kaam, I. Rodriguez-Donis, V. Gerbaud. Heterogeneous Extractive Batch Distillation of Chloroform-Methanol-Water: Feasibility and ExperimentsJ. Chemical engineering science, 2008, 63: 78-94.6 贾绍义, 柴诚敬. 化工单元操作课程设计M. 天津: 天津大学出版社, 2011, 144-150.7 夏清, 陈长贵. 化工原理, 下册(修订版)M. 天津: 天津大学出版社, 2005, 55-
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25、, 58-79.18 刘光启, 马连湘. 化学化工物性参数手册M. 2版. 北京: 化学工业出版社, 2002, 116-129.19 (化学工程手册)编辑委员会. 化学工程手册M. 北京: 化学工业出版社, 1998,156-189.20 国家医药管理局上海医药设计院. 化工工艺设计手册M. 2版. 北京: 化学工业出版社, 1996, 221-223.设计总结与致谢我们的专业是10级化学工程与工艺专业，其中我们主修了化工原理这门课程，里面重要的章节由流体流动、流体输送、传热、吸收、蒸馏和干燥等内容，辅以所学的设计课程和CAD的课程，结合自己的毕业设计，用学到的知识和技巧来完成这次论文，不仅
26、加深了我对化工原理课程的掌握情况，也夯实了自己的理论基础，培养了动手能力。这次毕业论文的设计，以小组的形式进行，每个老师带着大约三四个学生，且每个学生所做的课题不一样，有的是浮阀式精馏塔设计、有的是筛板式精馏塔设计等。在我们的设计过程中，有老师的全力指导，我们也通过图书馆、网页，查询、查阅了大量的相关资料、文件，部分与设计相关内容需要自学，做了这些使自己学习到了大量的知识，同时也开阔了自己的眼界。 我是跟着王小光老师，跟着他做的毕业论文题目是甲醇与水二元物系浮阀式精馏塔的设计，从分过组后，老师就开始跟我们讲设计的相关内容和注意事项，以及怎样完成自己的毕业设计，灌输了很多自己的想法，让我们对于自
27、己的毕业设计有了初步的理解，也知道了它大致的轮廓。在这之后，就着手开始了自己的设计，那时已经没有课程需要修了，但是自己还是得重新复习加深对化工原理精馏这一章节的学习，自己天天就是一半时间用来复习，一半时间提着电脑去自习室弄设计。直到过完年，才全身心的投入到设计上。在这个过程中，自己学到了很多，将excel、word、CAD等工具运用的也更加熟练了。在处理数据上，是一个很大的麻烦，因为我需要进行大量的演算和验证，来达到所需的要求，在做这些的同时，得到了老师无私的帮助，也与同组成员进行讨论。在这次毕业论文设计中，自己花了很多时间，也付出了很多精力，这是在大学期间自己最后一项任务，也最重要，因为我要为这四年画一个不错的结尾，想想花费的这些时间也是值得的，这就要求我能够安心弄设计，也充分利用了这段时间来充实自己。面对大量的数据和太多的细节问题，我们要有足够的耐心，遇到问题，要及时解决，严谨、细致、科学，这才是一个设计者所应具有的。在这里，要谢谢我的指导老师王小光和同一个组的每位同学。吴国松2014年5月30号
