1、 學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目甲醇水溶液連續(xù)精餾浮閥塔的設(shè)計(jì)作 者 院 (系)化學(xué)與化工學(xué)院專 業(yè)化學(xué)工程與工藝指導(dǎo)教師 答辯日期2011年 5 月 22 日摘 要甲醇作為重要的基本有機(jī)化工原料之一，主要應(yīng)用于精細(xì)化工、塑料等領(lǐng)域，用于制作甲醛、醋酸、甲胺等有機(jī)化合物，也是農(nóng)藥、醫(yī)藥的重要原料之一。隨著世界能源的日趨緊缺，甲醇又逐步發(fā)展成為能源的替代品之一。在深加工后可作為一種新型清潔燃料，也可加入汽油摻燒。由于常用甲醇多為其水溶液，因此，研究和改進(jìn)甲醇-水體系的精餾設(shè)備是非常重要的。鑒此，本論文將以甲醇-水為原料，設(shè)計(jì)最優(yōu)浮閥塔，具體是采用泡點(diǎn)進(jìn)料，將原料液通過(guò)預(yù)熱器加熱至泡點(diǎn)后送入精餾塔內(nèi)。

2、塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝器在泡點(diǎn)下一部分回流至塔內(nèi)，其余部分經(jīng)產(chǎn)品冷卻器冷卻后送入儲(chǔ)罐。該物系屬易分離物系，操作回流比取最小回流比的1.2倍。塔釜采用直接蒸汽加熱，塔底產(chǎn)品冷卻后送至儲(chǔ)罐。 本文用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法和逐板計(jì)算法確定了理論塔板數(shù)，并對(duì)塔的進(jìn)料位置、塔板數(shù)、塔徑等參數(shù)的設(shè)計(jì)，得到最佳的、節(jié)能的浮閥塔。 關(guān) 鍵 詞：精餾塔；浮閥塔；泡點(diǎn)進(jìn)料論文類型：工程設(shè)計(jì)abstractmethanol as an important basic organic chemical raw materials, mainly used in one of the fine chemical, pla

3、stic and other fields, used to make formaldehyde, acetic acid, organic compounds, such as a amine is pesticides, an important raw material of pharmaceutical. as global energy is in short supply, methanol developed into one of the alternative energy. after the deep processing as a new clean fuel, met

4、hanol can add into mixed burning gasoline, too. due to its aqueous methanol more commonly, therefore, its very important to study and improve methanol-water system of distillation equipment. so that, my thesis will with methanol-water as raw materials, design the optimal float valve tower. the meani

5、ng is that liquid materials will be heated to a bubble point after into the column. the top of tower vapor rising coagulants condensation, the condenser is in bubble point within the next part of the backflow to the tower and the rest part of the product cooled into the tank. methanol-water belongs

6、to easy separating content department, operating reflux ratio take 1.2 times of minimum reflux ratio. tower kettle used to direct steam heating the bottom products sent to tank after cooling. with experience calculation method and driven plate calculation method, we calculate the theory of tower pla

7、te number. to the best, energy-saving float valve tower, we design optimal the materials feeding position, towers plate number, tower size plate and other parameters. key words: distillation column, valve tower, bubble point feedingthesis: engineering design目 錄1 緒論11.1甲醇的生產(chǎn)方法發(fā)展史11.2甲醇作為燃料的優(yōu)勢(shì)11.2.1作為

8、民用清潔燃料11.2.2 作為車用燃料替代汽油22 設(shè)計(jì)任務(wù)32.1 技術(shù)來(lái)源32.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求33 流程的確定和說(shuō)明43.1 塔型選擇143.2 操作條件的選擇43.2.1 操作壓力43.2.2 進(jìn)料狀態(tài)43.2.3 加熱方式44 精餾塔實(shí)際板數(shù)計(jì)算154.1 物料衡算54.2 塔板數(shù)的確定54.2.1 最小回流比及操作回流比的確定54.2.2 理論板數(shù)的求取64.2.3 實(shí)際塔板數(shù)的確定85 精餾塔塔體尺寸計(jì)算95.1 塔徑的計(jì)算395.1.1 精餾塔內(nèi)的摩爾流率95.1.2 精餾塔內(nèi)汽液相的平均溫度及密度95.1.3 精餾塔內(nèi)汽液相的平均體積流量95.1.4 塔徑的求取95.2 精

9、餾塔有效高度的計(jì)算106溢流堰116.1 溢流堰的設(shè)計(jì)116.1.1 溢流堰的形式116.1.2 溢流堰高度116.2 堰上液高116.3 安定區(qū)的選擇117 浮閥數(shù)目的確定及排列6127.1 浮閥數(shù)目127.2 排列128 流體力學(xué)驗(yàn)算7138.1 氣體通過(guò)浮閥塔板的壓力降(單板壓降)138.1.1 干板阻力138.1.2 液層阻力138.2 漏夜驗(yàn)算138.3 液泛驗(yàn)算149 總結(jié)15參考文獻(xiàn)16致謝171 緒論甲醇是基礎(chǔ)的有機(jī)化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料，在發(fā)達(dá)國(guó)家中產(chǎn)量?jī)H次于乙烯、丙烯、苯而居第四位。甲醇用途十分廣泛，發(fā)展前景非常廣闊。甲醇在高溫和催化劑的作用下直接氧化可以制甲醛。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外

10、40%以上的甲醇用于制甲醛，進(jìn)而合成樹(shù)脂、塑料及其它化工原料。甲醛還用來(lái)制取丁二醇、等近一百種下游產(chǎn)品。甲醇還可以制甲醇汽油和甲醇燃料電池。甲醇汽油是在汽車燃油中直接添加15的甲醇，經(jīng)嚴(yán)格的科學(xué)工藝配制，與同標(biāo)號(hào)國(guó)標(biāo)無(wú)鉛汽油具有同等適用范圍和效果，是一種清潔環(huán)保燃料。同時(shí)，甲醇汽油的推廣應(yīng)用對(duì)石油能源的儲(chǔ)備具有戰(zhàn)略意義。 精餾是化工生產(chǎn)中常用的液體混合物的分離操作。精餾操作是利用互溶液體混合物的相對(duì)揮發(fā)度不同，從而實(shí)現(xiàn)各組分分離的單元操作。1.1甲醇的生產(chǎn)方法發(fā)展史 20世界30年代初，幾乎全部由木材蒸餾制造甲醇，世界的甲醇產(chǎn)量約4.5萬(wàn)噸。1923年，德國(guó)巴登苯胺純堿公司（badische

11、anilin and soda fabrik-basf）的兩位科學(xué)家米塔許（mittash）和施耐德（schneider）實(shí)驗(yàn)了用一氧化碳和氫氣，在300-400的溫度和30-50mpa的壓力下，通過(guò)鋅鉻催化劑的催化作用合成甲醇，并于當(dāng)年首先實(shí)現(xiàn)了甲醇合成的工業(yè)化，建成年產(chǎn)300t甲醇的高壓合成法裝置。從20世紀(jì)20年代至60年代中期，所有甲醇裝置均采用高壓法，采用鋅鉻催化劑。1966年英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司（i.c.i）研制成功銅基催化劑，并開(kāi)發(fā)了低壓工藝，即i.c.i工藝。1971年，德國(guó)魯奇公司開(kāi)發(fā)了另一種低壓合成甲醇工藝，簡(jiǎn)稱lurgi工藝。20世紀(jì)70年代中期以后，世界上新建和擴(kuò)建的甲

12、醇裝置幾乎都采用低壓法。50多年來(lái)，幾乎成為工業(yè)上生產(chǎn)甲醇的唯一方法，生產(chǎn)工藝不斷的得到改進(jìn)，生產(chǎn)規(guī)模日益增大，擴(kuò)大了甲醇的消費(fèi)范圍。1.2甲醇作為燃料的優(yōu)勢(shì)1.2.1作為民用清潔燃料早在“六五”時(shí)期，中國(guó)政府就投巨資在山西省建設(shè)煤制甲醇燃料及清潔汽車產(chǎn)業(yè)化示范基地，按規(guī)劃，到2010年山西省燃料甲醇生產(chǎn)能力將達(dá)l0mt/a，其推廣地首選北京。北京的公交車冬天一直使用以甲醇為主要原料的防凍液；而日常生活中燃料甲醇及灶具自1983年起就逐步形成產(chǎn)品，進(jìn)人市場(chǎng)，現(xiàn)已在全國(guó)形成產(chǎn)業(yè)，并頒布了國(guó)標(biāo)gb166631996醇基液體燃料及農(nóng)業(yè)部部頒標(biāo)準(zhǔn)ny3111997醇基民用燃料、ny3121997醇基民

13、用燃料灶具，燃料甲醇經(jīng)過(guò)近20年的家用灶具、火鍋灶具、餐飲及食堂大灶的使用證明，比油料、液化氣更安全可靠、潔凈衛(wèi)生。1.2.2 作為車用燃料替代汽油甲醇是一種物理化學(xué)性質(zhì)與汽油近似的有機(jī)燃料?？梢杂商烊粴?、煤、生物原料等生產(chǎn)制得。甲醇用于汽車替代燃料，主要是按照一定的比例，同汽油進(jìn)行混合以達(dá)到改善尾氣排放、節(jié)約能源的目的。目前，經(jīng)實(shí)踐廣泛使用的有按85甲醇和15汽油進(jìn) 行混合的m85燃料，以及100甲醇的m100燃料。甲醇之所以能夠作為汽車燃料，主要是由甲醇本身的性質(zhì)特點(diǎn)所決定。（1）抗爆性好：甲醇的辛烷值大，馬達(dá)法辛烷值（mon）為106，研究法辛烷值（ron）為112，遠(yuǎn)高于普通汽油。甲醇

14、與汽油混溶后辛烷值比同標(biāo)號(hào)汽油提高35個(gè)單位，可以提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，起到抗爆劑的作用，防止汽油機(jī)出現(xiàn)爆震現(xiàn)象。（2）理論混合氣熱效率高：甲醇的熱值為19.9mjkg，汽油熱值為43.50mjkg，但甲醇理論混合氣的熱效率卻與汽油相當(dāng)，這是甲醇能夠成為汽車燃料的主要條件。許多賽車使用甲醇燃料，就是因?yàn)槠錈嵝屎芨?。?）著火極限寬：汽油和甲醇的著火極限分別是1.47.6和6.736.0，甲醇燃料能夠在較寬的混合氣濃度范圍內(nèi)工作。（4）排放物安全：甲醇是一種毒性有機(jī)化合物，可經(jīng)呼吸道、消化道和皮膚接觸方式進(jìn)入人體，破壞人的神經(jīng)和視覺(jué)系統(tǒng)。作為燃料，甲醇發(fā)生火災(zāi)的可能性比汽油小，且火災(zāi)后造成的

15、危害也比汽油輕。低濃度時(shí)，甲醇的毒性要小于汽油。 2 設(shè)計(jì)任務(wù)2.1 技術(shù)來(lái)源目前，精餾塔的設(shè)計(jì)方法以嚴(yán)格計(jì)算為主，也有一些簡(jiǎn)化的模型，但是嚴(yán)格計(jì)算法對(duì)于連續(xù)精餾塔是最常采用的，我們此次所做的計(jì)算也采用嚴(yán)格計(jì)算法。2.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求設(shè)計(jì)用于一連續(xù)精餾塔分離甲醇水混合液。原料液中含甲醇摩爾分?jǐn)?shù)為0.40，于加入塔中。塔頂設(shè)全凝器，泡點(diǎn)回流。塔頂餾出液含甲醇摩爾分?jǐn)?shù)為90，釜液含甲醇摩爾分?jǐn)?shù)為1。處理量為5000，可取回流比為最小回流比的1.2倍，全塔效率為0.80。表2.1甲醇水溶液體系的平衡數(shù)據(jù)1液相中甲醇的含量(摩爾分?jǐn)?shù))汽相中甲醇的含量(摩爾分?jǐn)?shù))液相中甲醇的含量(摩爾分?jǐn)?shù))汽相中甲醇

16、的含量(摩爾分?jǐn)?shù))0.00.00.29090.68010.05310.28340.33330.69180.07670.40010.35130.73470.09260.43530.46200.77560.12570.48310.52920.79710.13150.54550.59370.81830.16740.55850.68490.84920.18180.57750.77010.89620.20830.62730.87410.91940.23190.6485110.28180.6775 3 流程的確定和說(shuō)明3.1 塔型選擇1由于產(chǎn)品粘度較小，流量較大，為減少造價(jià)，降低生產(chǎn)過(guò)程中壓降和塔板液面落

17、差的影響，提高生產(chǎn)效率，選用浮閥塔。3.2 操作條件的選擇3.2.1 操作壓力精餾操作按操作壓力分為常壓精餾，加壓精餾和減壓精餾。一般采用常壓精餾，壓力對(duì)揮發(fā)度的影響不大。在常壓下不能進(jìn)行分離或達(dá)不到分離要求時(shí)，采用加壓精餾；對(duì)于熱敏性物質(zhì)采用減壓精餾。由于甲醇水體系對(duì)溫度的依賴性不強(qiáng)，常壓下為液態(tài)，為降低塔的操作費(fèi)用，操作壓力選為常壓。3.2.2 進(jìn)料狀態(tài)進(jìn)料方式一般有冷液進(jìn)料，泡點(diǎn)進(jìn)料，過(guò)熱蒸汽進(jìn)料，飽和蒸汽進(jìn)料和氣液混合物進(jìn)料。雖然進(jìn)料方式有多種，但是泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)進(jìn)料溫度不受季節(jié)、氣溫變化和前段工序波動(dòng)的影響，塔的操作比較容易控制；此外，飽和液體進(jìn)料時(shí)精餾段和提餾段的塔徑基本相同，無(wú)論是設(shè)

18、計(jì)計(jì)算還是實(shí)際加工制造這樣的精餾塔都比較容易，為此，本次設(shè)計(jì)中采取泡點(diǎn)進(jìn)料。3.2.3 加熱方式 精餾塔的設(shè)計(jì)中多在塔底加一個(gè)再沸器以采用間接蒸汽加熱以保證塔內(nèi)有足夠的熱量供應(yīng)。但是當(dāng)待分離物系為某種輕組分與水的混合物時(shí)，往往可將加熱蒸汽直接通入塔釜以汽化釜液，這樣可省去一個(gè)再沸器，無(wú)論是設(shè)備費(fèi)用還是操作費(fèi)用都可以降低，因此本設(shè)計(jì)采用直接蒸汽加熱。4 精餾塔實(shí)際板數(shù)計(jì)算14.1 物料衡算已知：，進(jìn)料液平均相對(duì)分子質(zhì)量： (4.1)由 (4.2) (4.3)可得： (4.4)4.2 塔板數(shù)的確定 4.2.1 最小回流比及操作回流比的確定采用作圖法求最小回流比泡點(diǎn)進(jìn)料，則 由圖得 故最小回流比為：

19、 (4.5)圖4.1甲醇水溶液汽液相平衡圖5 取操作回流比為： (4.6) 4.2.2 理論板數(shù)的求取由進(jìn)料 知 (4.7) (4.8) (4.9)圖4.2 吉利蘭關(guān)聯(lián)圖由 查吉利蘭圖 得所以 (4.10)檢驗(yàn)：用逐板計(jì)算法檢驗(yàn)以上計(jì)算的理論塔板數(shù)相平衡方程式： (4.11) 精餾段操作線方程: (4.12)提餾段操作線方程： (4.13)泡點(diǎn)進(jìn)料 (4.14)第1塊塔板上升的氣相組成 (4.15)第1塊塔板下降的液相組成 (4.16)第2塊塔板上升的氣相組成第2塊塔板下降的液相組成因?yàn)?，?快板上升的氣相組成由提留段操作方程計(jì)算所需理論塔板總數(shù)為（含塔釜），進(jìn)料板位置，精餾段需4塊板。4.2

20、.3 實(shí)際塔板數(shù)的確定已知全塔效率： (4.17)可得實(shí)際板數(shù)： (4.10) 精餾段實(shí)際板數(shù)： (4.18) 提留段實(shí)際板數(shù)： (4.19)5 精餾塔塔體尺寸計(jì)算5.1 塔徑的計(jì)算35.1.1 精餾塔內(nèi)的摩爾流率已知精餾塔頂為全凝器，凝液在泡點(diǎn)溫度下部分回流入塔。根據(jù)恒摩爾流的假定（通常不同液體的摩爾汽化熱較為接近，因而l和v應(yīng)取為摩爾流量，這種簡(jiǎn)化成為恒摩爾流假定），此時(shí)回流液的流量l即為精餾段逐板下降的液體量。精餾段 (5.1) (5.2)提餾段 (5.3) (5.4)5.1.2 精餾塔內(nèi)汽液相的平均溫度及密度表5.1由已知數(shù)據(jù)可查表的原料液、餾出液和塔釜液的對(duì)應(yīng)溫度3名稱原料液餾出液塔

21、釜液 溫度t/ 73.8 64.787.5表則精餾塔內(nèi)的汽相平均溫度為 (5.5) 液相平均溫度為 (5.6)平均溫度下的汽相平均密度為 (5.7) 液相平均密度為 (5.8)5.1.3 精餾塔內(nèi)汽液相的平均體積流量 (5.9) (5.10) 5.1.4 塔徑的求取已知 (5.11) 空塔氣速，因此需先計(jì)算出最大允許氣速 (5.12) (5.13)取塔板間距，板上液層高度，那么分離空間為： (5.14)功能參數(shù) (5.15)可根據(jù)泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)圖查得，由于，需先求平均表面張力全塔的平均溫度 (5.16)則平均表面張力為 則 (5.17) 按標(biāo)準(zhǔn)塔徑圓整后為 (5.18) 塔截面積為 (5.19) 則

22、實(shí)際的空塔氣速為 (5.20) 5.2 精餾塔有效高度的計(jì)算精餾段有效高度為：提餾段有效高度為：在進(jìn)料板上方開(kāi)一人孔，其高度為故精餾塔的有效高度為：6溢流堰6.1 溢流堰的設(shè)計(jì)6.1.1 溢流堰的形式溢流堰一般設(shè)計(jì)成弓形堰，弓形堰的堰頂一般設(shè)計(jì)成平堰，當(dāng)液流量小時(shí)可以設(shè)計(jì)成齒形堰,齒形堰又分為矩形鋸齒形堰和三角形鋸齒堰，液量再小時(shí)還可設(shè)計(jì)成圓管型。6.1.2 溢流堰高度溢流堰的高度關(guān)系到塔板上凈液體的高度，塔板上凈液高度一般控制在50100，凈液高度關(guān)系到氣液傳質(zhì)也即板效率，但堰高升高增加了塔板的壓降，影響到生產(chǎn)的規(guī)模，堰高過(guò)低，板效率就要下降，一般選擇堰高在2575，減壓塔有時(shí)采用100的堰

23、高，對(duì)于泡罩塔可采用的堰高，尤其是對(duì)于具有反應(yīng)的塔板采取高的堰高以保證塔板上反應(yīng)的時(shí)間，而浮閥塔多采用堰高。取。6.2 堰上液高橫過(guò)堰上的液體高度與堰的形狀和液體流量有關(guān)，一般控制在，為了保證液體在板上的均勻度，該值不應(yīng)小于。6.3 安定區(qū)的選擇在進(jìn)口堰和浮閥之間要留有一定的緩沖地帶，使得液體在板上有個(gè)較好的分配，這個(gè)區(qū)域叫做進(jìn)口安定區(qū)。在浮閥和出口堰之間也有一個(gè)緩沖區(qū)，以避免含泡沫的液體進(jìn)入降液管，這個(gè)區(qū)域叫做出口安定區(qū)。不同物料和不同的操作狀況對(duì)進(jìn)口安定區(qū)和出口安定區(qū)的要求不盡相同。一般來(lái)講進(jìn)口安定區(qū)控制在，出口安定區(qū)控制在。7 浮閥數(shù)目的確定及排列6我國(guó)制定了和國(guó)外v-1型浮閥相近的f-

24、1型浮閥標(biāo)準(zhǔn)系列。該浮閥標(biāo)準(zhǔn)采用兩種閥重，輕閥為1.5約2425，重閥為2約3233。浮閥塔板的厚度為2，3，4三種，浮閥在板上的開(kāi)孔統(tǒng)一為39。閥的排間距選定為三種：65，80，100，每排的閥間距都為75。閥的開(kāi)度：開(kāi)啟前為2.5，最大開(kāi)度為8.5。雖然目前我國(guó)除采用圓形的浮閥以外，尤其在大型的塔中采用改善液體流動(dòng)的帶有開(kāi)孔的條形浮閥稱為導(dǎo)向浮閥。但在中小型企業(yè)仍以f-1浮閥采用為多。本設(shè)計(jì)采用f-1型重型浮閥，重量為33，孔徑為39。 7.1 浮閥數(shù)目由前面的計(jì)算基本上決定了塔徑的大小，浮閥的數(shù)目根據(jù)我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)可由下式初步的估計(jì)： 浮閥數(shù)目 (7.1)氣體通過(guò)閥孔時(shí)的速度 (7.2)取動(dòng)

25、能因數(shù)，那么，因此個(gè) (7.3)7.2 排列由于采用分塊式塔板，故采用等腰三角形叉排,排間距為65。 8 流體力學(xué)驗(yàn)算7 8.1 氣體通過(guò)浮閥塔板的壓力降(單板壓降) (8.1)8.1.1 干板阻力浮閥由部分全開(kāi)轉(zhuǎn)為全部全開(kāi)時(shí)的臨界速度為 (8.2)因?yàn)樗愿砂遄枇?(8.3)8.1.2 液層阻力 (8.4)取板上液層充氣程度因數(shù)，那么： 8.2 漏夜驗(yàn)算取動(dòng)能因數(shù)，相應(yīng)的氣相最小負(fù)荷為： (8.5) 其中 (8.6)所以 (8.7)可見(jiàn)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)量漏液。8.3 液泛驗(yàn)算溢流管內(nèi)的清液層高度 (8.8)其中，所以，為防止液泛，通常，取校正系數(shù)，則有： (8.9)可見(jiàn)，即不會(huì)產(chǎn)生液泛。表8.1設(shè)計(jì)結(jié)果匯總8序號(hào)設(shè)計(jì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果序號(hào)設(shè)計(jì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果1塔型浮閥塔14塔徑(mm)16002操作壓力常壓15塔截面積(m2)2.00963進(jìn)料狀態(tài)泡點(diǎn)進(jìn)料16實(shí)際空塔氣速(m/s)1.334加熱方式直接蒸汽加熱17塔有效高度(m)6.25最小回流比0.4318溢流堰形式弓形6操作回流比0.5219溢流堰高度(mm)507理論板數(shù)1120堰上液高(mm)608實(shí)際板數(shù)1421浮閥類型f-1重型9原料液溫度()73.822浮閥重量（g）3310餾出液溫度()64.7