分離甲醇與水二元物系浮閥板精餾塔的設(shè)計(jì)論文設(shè)計(jì)定稿

1、目 錄摘 要1引 言11 總體操作方案21.1 操作壓力21.2 進(jìn)料狀況31.3 加熱方式31.4 回流比的確定32 設(shè)計(jì)過程42.1 設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)圖42.2 塔的工藝計(jì)算42.2.1 全塔物料衡算42.2.2 原料液、餾出液、釜?dú)堃沟哪柫髀?2.2.3 物系相平衡數(shù)據(jù)52.2.4 確定適宜回流比72.2.5 理論板數(shù)和實(shí)際板數(shù)的確定72.3 塔的運(yùn)行參數(shù)的確定92.3.1 操作壓力92.3.2 操作溫度92.3.3 液體表面張力102.3.4 液體黏度102.4 塔徑與塔高的計(jì)算112.4.1 塔徑的計(jì)算112.4.2 塔高的計(jì)算123 板面布置及主要尺寸123.1 板面布置123.2

2、 浮閥的排列134 結(jié) 論13參考文獻(xiàn)13設(shè)計(jì)總結(jié)與致謝15分離甲醇與水二元物系浮閥板精餾塔的設(shè)計(jì)摘 要：甲醇是結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的飽和一元醇，也是重要的工業(yè)原料，廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)、生活等領(lǐng)域。本論文的主要任務(wù)是確定精餾塔的主要尺寸及附屬的再沸器、冷凝器的尺寸設(shè)計(jì)，完成對(duì)甲醇-水精餾工藝流程和主要設(shè)備的選型和設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，確定操作條件。設(shè)計(jì)的任務(wù)是分離甲醇與水二元物系，處理量為4000千克每小時(shí)，進(jìn)料甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.273，塔頂產(chǎn)品甲醇含量0.965，塔底甲醇含量0.006。根據(jù)分離要求，設(shè)計(jì)塔設(shè)備的尺寸，即需要27塊塔板，塔徑1.83m，塔高6.5m。關(guān)鍵詞：甲醇與水；精餾塔；浮閥式；工藝

3、計(jì)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 言本次設(shè)計(jì)針對(duì)的是甲醇與苯二元物系，其中，甲醇在工業(yè)，醫(yī)藥，民用等方面都有很廣泛的應(yīng)用。同時(shí)對(duì)甲醇有不同的濃度要求，有時(shí)濃度要求高，甚至是無水甲醇，但因甲醇的揮發(fā)性很大，所以獲得高濃度的甲醇很是困難1。因此，要想獲得高濃度的甲醇

7、溶液，需要把低濃度的甲醇溶液經(jīng)連續(xù)精餾濃縮到高濃度。又因?yàn)榧状己退膿]發(fā)度相差不大，精餾的多次分離過程，也就是同時(shí)進(jìn)行多次部分汽化部分冷凝的過程，這樣就能得到較高濃度的分離。在實(shí)際的化工廠中的精餾操作是在一系列直立的圓柱形精餾塔內(nèi)進(jìn)行的，塔內(nèi)的組成是若干的塔板輔以一定高度的填料。整個(gè)精餾過程的實(shí)現(xiàn)，除了主體設(shè)備精餾塔外，還必須有設(shè)備使塔底有上升的蒸汽并使塔頂有下降的液體，這樣就需要塔底再沸器和塔頂冷凝器，有時(shí)還要配原料液預(yù)熱器，回流液泵等附屬設(shè)備，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)操作。塔設(shè)備主要分為連續(xù)接觸式和間接接觸式，前者的代表是填料塔，而后者的代表是板式塔，其中板式塔又分為篩板塔、泡罩塔和浮閥塔2。其中浮閥

8、塔的優(yōu)點(diǎn)主要有：a.操作彈性大，因?yàn)楦￠y片可以自由升降來適應(yīng)氣量的變化，因此在正常操作內(nèi)允許的負(fù)荷性能范圍大于篩板塔和泡罩塔。b.生產(chǎn)能力大，塔板上浮閥排列比較緊湊，故其開孔的面積大于泡罩塔板，生產(chǎn)能力比泡罩塔板多出20%30%左右，與篩板塔差不多。c.氣體壓降及液面落差小，因氣液流過浮閥塔板時(shí)阻力較小，使氣體壓降及液面落差比泡罩塔小。d.塔板效率高，由于上升氣體從水平方向吹入液層，故氣液接觸時(shí)間較長(zhǎng)，而霧沫夾帶量小，塔板效率高。e.塔的造價(jià)較低，浮閥塔的造價(jià)是同等生產(chǎn)能力的泡罩塔的 50%80%，但是比篩板塔高 一些4。浮閥塔的不足之處：因?yàn)楦￠y塔需要較高的抗腐蝕性，多數(shù)采用不銹鋼材料制成，

9、故其成本會(huì)較高，致使其廣泛推廣受到限制。近幾十年來，人們對(duì)浮閥塔的研究越來越深入，生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)越來越豐富，積累的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)比較完整，因此設(shè)計(jì)浮閥塔比較合適。本次設(shè)計(jì)就是針對(duì)甲醇水二元體系，而進(jìn)行的常壓浮閥精餾塔的設(shè)及其其附屬設(shè)備的選擇。 1 總體方案確定 1.1 操作壓力精餾可以在常壓、減壓或加壓下進(jìn)行，這個(gè)設(shè)計(jì)所選擇的壓力類型主要考慮待處理物料的性質(zhì)、技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的最優(yōu)性來決定5。一般來說常壓精餾最簡(jiǎn)單實(shí)用且經(jīng)濟(jì)性好，對(duì)設(shè)備要求低，因此當(dāng)待處理物料沒有特殊要求時(shí)，可以選擇在常壓下進(jìn)行。加壓適用于沸點(diǎn)低，在常壓下為氣態(tài)的物料，相同情況下提高壓力可以提高塔的處理能力，但是提高了壓力就需要對(duì)設(shè)

10、備有更高的要求6。對(duì)于高沸點(diǎn)和熱敏性的物料用減壓精餾，降低操作壓力，組分的相對(duì)揮發(fā)度增加，這樣有利于分離。減壓操作降低了平衡溫度，這樣可以使用較低位的加熱劑。但是降低壓力也導(dǎo)致了塔直徑的增加和塔頂冷凝溫度的降低，而且必須使用抽真空設(shè)備，增加了相應(yīng)的設(shè)備和操作費(fèi)用7。本次設(shè)計(jì)需要分離的是甲醇-水的溶液，該溶液不是熱敏性物料，沸點(diǎn)也不高，故不需要在減壓下操作，且該物料在常壓是液體，則也不需要在加壓下進(jìn)行，這樣我們就選取技術(shù)上、物料的性質(zhì)和經(jīng)濟(jì)上都統(tǒng)籌到的常壓下精餾8。1.2 進(jìn)料狀況進(jìn)料狀態(tài)有多種，像過熱蒸汽進(jìn)料、飽和蒸汽進(jìn)料、汽液混合進(jìn)料、泡點(diǎn)進(jìn)料和冷液進(jìn)料。一般的進(jìn)料方式是將料液預(yù)熱到泡點(diǎn)或接

11、近泡點(diǎn)溫度后送入，這樣進(jìn)料溫度就不會(huì)受各種外在因素的影響，塔內(nèi)的精餾操作就比較容易。另外，當(dāng)選擇泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)，所需的精餾段與提餾段的塔徑相同，設(shè)備的制造就比較方便。不足之處是泡點(diǎn)進(jìn)料時(shí)料液預(yù)熱會(huì)消耗大量的能量。1.3 加熱方式塔底的再沸器采用間接蒸汽加熱，來提供足夠多的能量。直接蒸汽加熱是把蒸汽直接通入塔釜加熱釜液，所需的操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用均可降低，但當(dāng)塔頂回收率一定時(shí)，直接蒸汽加熱的冷凝水會(huì)稀釋殘液的濃度，這樣會(huì)使所需的塔板數(shù)略有增加。綜合考慮，我們采用間接蒸汽加熱9。1.4 回流比的確定對(duì)于一定的分離任務(wù)，采用較大的回流比時(shí)操作線的位置遠(yuǎn)離平衡線的向下向?qū)蔷€靠攏，在平衡線和操作線之間的直角

12、跨度增大，這樣傳質(zhì)推動(dòng)力就增大了，既而每層塔板的分離效率就增大，所以增大回流比可以減少理論塔板數(shù)。缺點(diǎn)是隨著回流比的增大，塔釜加熱劑的消耗量和塔頂冷凝劑的消耗量也隨之增加，帶來的是操作費(fèi)用的增加10?？傮w來考慮，我們就要選擇最佳回流比來兼顧設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用的最小值。本次設(shè)計(jì)任務(wù)，綜合各個(gè)方面的因素，采用的回流比為最小回流比的1.5倍11。2 設(shè)計(jì)過程2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)圖題目：分離甲醇與水二元物系連續(xù)精餾塔的設(shè)計(jì)。指標(biāo)：處理量 4000 kg/h進(jìn)料組成：0.273 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) 下同)塔頂產(chǎn)品組成：0.965 塔底產(chǎn)品組成：0.006圖1 設(shè)計(jì)圖2.2 塔的工藝尺寸計(jì)算2.2.1 全塔物料

13、衡算原料液，餾出液及釜?dú)堃旱哪柗謹(jǐn)?shù)和均摩爾量的計(jì)算原料液的質(zhì)量百分率: 餾出液的質(zhì)量百分?jǐn)?shù): 釜?dú)堃旱馁|(zhì)量百分率: 甲醇的摩爾質(zhì)量：水的摩爾質(zhì)量：則原料液的摩爾分?jǐn)?shù)： 均摩爾質(zhì)量： 餾出液的摩爾分?jǐn)?shù)：均摩爾質(zhì)量：釜?dú)堃旱哪柗謹(jǐn)?shù)：均摩爾質(zhì)量： 2.2.2 原料液、餾出液、釜?dú)堃沟哪柫髀视晒剑?(1) (2)倆式聯(lián)立，代入上述數(shù)據(jù)后的 2.2.3 物系相平衡數(shù)據(jù)表1 基本物性數(shù)據(jù)組分 分子式 分子量 沸點(diǎn) 熔點(diǎn) 水 h2o 18.015 373.15k 273.15k 甲醇 ch3oh 32.040 337.85k 176.15k表2 常壓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圖2

15、 甲醇水的t-x-y關(guān)系圖2.2.4 確定適宜的回流比根據(jù)甲醇與水的氣液平衡表和相對(duì)揮發(fā)度公式 12 求得相對(duì)揮發(fā)度 平衡線方程： 在泡點(diǎn)進(jìn)料的情況下：將帶入上式得則最小回流比 實(shí)際回流比 2.2.5 理論板數(shù)及實(shí)際板數(shù)的確定(1) 精餾段塔的氣液相負(fù)荷液相：氣相： 提餾段的氣液相負(fù)荷液相：氣相：(2) 精餾段的操作線方程：提餾段的操作線方程： (3) 逐板法計(jì)算理論板數(shù)：由平衡線方程和精餾段操作線方程 由上至下逐板計(jì)算：自開始至超過為止操作線上的點(diǎn) 平衡線上的點(diǎn) 因?yàn)?lt;，故第五塊理論板為加料板，則精餾段共有四塊理論板。(4) 由平衡線方程和提餾段操作線方程 4從，由上而下直到為止。 操

16、作線上的點(diǎn) 平衡線上的點(diǎn) 因?yàn)?lt;，故理論板數(shù)不足十一塊，綜合以上精餾塔理論板數(shù)位十一塊。(5) 實(shí)際塔板數(shù)的求取，即 5a. 總板效率的確定由氣液平衡表得到塔頂液相平衡溫度、氣相平衡溫度以及塔釜溫度，所以平均溫度： 在由奧克梅爾公式：5,其中， b. 實(shí)際塔板層數(shù)，則精餾段塔板數(shù)： 提餾段塔板數(shù)：，提餾段去掉塔釜有：。2.3 塔的運(yùn)行參數(shù)的確定2.3.1 操作壓力設(shè)單個(gè)板塊的壓力為：進(jìn)料板的壓力：精餾段的平均壓力為：塔釜板塊的壓力為：提餾段的平均壓力為：2.3.2 操作溫度根據(jù)相平衡數(shù)據(jù)表得：，精餾段平均溫度：，提餾段的平均溫度：，總平均溫度：2.3.3 液體表面張力表3 張力溫度關(guān)系圖

17、 溫度 66.9 82 100 甲醇mn/m 16.185 14.816 12.80 水mn/m 64.36 62.31 58.9 (1) 精餾段a. 塔頂： , ， b.進(jìn)料板上：82 時(shí)， 6(2) 提餾段塔底: 時(shí)，, 2.3.4 液體黏度表4 黏度溫度關(guān)系圖 溫度 66.9 82 100 甲醇mpa.s 0.3105 0.2721 0.228 水pa.s 0.4233 0.3478 0.2838 (1) 精餾段查表得:66.9 時(shí), 82 時(shí), (2) 提餾段塔底: 100 時(shí), 2.4 塔徑與塔高的計(jì)算2.4.1 塔徑計(jì)算想求取塔徑，就得先求出空塔氣速，且， 式中 ：13-15參考有

18、關(guān)資料，根據(jù)塔板間距與塔徑的關(guān)系表5 塔板間距與塔徑的關(guān)系塔 徑/d,m0.30.50.50.80.81.61.62.42.44.0板間距/ht,mm200300250350300450350600400600初選板間距， 取板上液層高度，故分離空間 ht-h1=0.4-0.06=0.34m根據(jù)以上數(shù)值，由史密斯關(guān)聯(lián)圖查得，c20=0.0715則由公式得校正系數(shù)： 17 安全系數(shù)為6.5，則空塔氣速所以塔徑： 2.4.2 塔高的計(jì)算精餾段實(shí)際塔板數(shù)： ，得到則精餾段的實(shí)際塔高 提餾段實(shí)際塔板數(shù)： ，得到則提餾段的實(shí)際塔高 實(shí)際塔高： 其中：為最上面一塊塔板距塔頂?shù)母叨?為最下面一塊塔板距塔底的

19、高度取 3 板面布置及尺寸確定3.1 板面布置在塔板的受液盤與鼓泡區(qū)之間需要設(shè)安定區(qū)，來促使塔板的液體分布平穩(wěn)均勻，同時(shí)也可防止氣體進(jìn)入降液管，安定區(qū)的寬度值通常為50-100mm，估計(jì)取18。這一安定區(qū)，目的是為液體提供一個(gè)脫氣的區(qū)域，以避免夾帶大量氣泡的液體進(jìn)入降液管，通常其寬度為70-100mm，故取。邊緣區(qū)是塔板靠近塔壁的邊緣留出的邊寬區(qū)域，從而使塔板和塔板緊固件夾緊。對(duì)直徑在2.5m以下的塔一般邊寬取為50mm，對(duì)直徑在2.5m以上的塔一般可取為60mm或更大些。因?yàn)檫@個(gè)設(shè)計(jì)的塔徑在2.5m以下，故取。因?yàn)?所以93.2 浮閥的排列因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)塔徑為：，所以塔板的布置采用分塊式，以等腰

20、三角形形式進(jìn)行叉排，取浮閥塔篩孔直徑為：，閥孔按等腰三角形排列19-20空塔氣速： 得到開孔率：，因?yàn)?，故符合要求。因?yàn)閠=75mm , ， 閥孔數(shù)個(gè)則每層板上的開孔面積ao =a a ×= 0.49563×13.8 %=0.0684 結(jié) 論這個(gè)設(shè)計(jì)是分離甲醇與水二元物系，我們要設(shè)計(jì)的是板式浮閥精餾塔，根據(jù)甲醇與水的物性特征和操作的適應(yīng)性，經(jīng)濟(jì)的最優(yōu)性和產(chǎn)量的穩(wěn)定性。完成該設(shè)計(jì)要達(dá)到4000kg/小時(shí)的產(chǎn)量，需要實(shí)際塔板數(shù)27塊，其中精餾段10塊，提餾段17塊；通過工藝計(jì)算得到塔徑1.83m、塔高6.5m。參考文獻(xiàn)1 徐壽昌. 有機(jī)化學(xué)m. 北京: 高等教育出版社, 199

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