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1、周口师范学院本科毕业论文（设计）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
2、寸123.1 板面布置123.2 浮阀的排列134 结 论13参考文献13设计总结与致谢151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
3、词：甲醇与水；精馏塔；浮阀式；工艺计算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 mai
4、n size, process design, 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
5、 , our processing 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 siz
6、e of the tower , 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
7、困难1。因此，要想获得高浓度的甲醇溶液，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
8、筛板塔、泡罩塔和浮阀塔2。其中浮阀塔的优点主要有：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
9、抗腐蚀性，多数采用不锈钢材料制成，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
10、处理能力，但是提高了压力就需要对设备有更高的要求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
11、般的进料方式是将料液预热到泡点或接近泡点温度后送入，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
12、线靠拢，在平衡线和操作线之间的直角跨度增大，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
13、的工艺尺寸计算2.2.1 全塔物料衡算原料液，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
14、系的相平衡表( t-x-y )t 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 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
