甲醇—水溶液连续精馏浮阀塔的设计 毕业论文.doc

学生毕业设计（论文）题 目甲醇水溶液连续精馏浮阀塔的设计作 者 院 (系)化学与化工学院专 业化学工程与工艺指导教师 答辩日期2011年 5 月 22 日摘 要甲醇作为重要的基本有机化工原料之一，主要应用于精细化工、塑料等领域，用于制作甲醛、醋酸、甲胺等有机化合物，也是农药、医药的重要原料之一。随着世界能源的日趋紧缺，甲醇又逐步发展成为能源的替代品之一。在深加工后可作为一种新型清洁燃料，也可加入汽油掺烧。由于常用甲醇多为其水溶液，因此，研究和改进甲醇-水体系的精馏设备是非常重要的。鉴此，本论文将以甲醇-水为原料，设计最优浮阀塔，具体是采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝器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入储罐。该物系属易分离物系，操作回流比取最小回流比的1.2倍。塔釜采用直接蒸汽加热，塔底产品冷却后送至储罐。 本文用经验计算法和逐板计算法确定了理论塔板数，并对塔的进料位置、塔板数、塔径等参数的设计，得到最佳的、节能的浮阀塔。 关 键 词：精馏塔；浮阀塔；泡点进料论文类型：工程设计abstractmethanol as an important basic organic chemical raw materials, mainly used in one of the fine chemical, plastic 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, methanol 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 meaning 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 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 plate 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目录目 录1 绪论11.1甲醇的生产方法发展史11.2甲醇作为燃料的优势11.2.1作为民用清洁燃料11.2.2 作为车用燃料替代汽油22 设计任务32.1 技术来源32.2 设计任务及要求33 流程的确定和说明43.1 塔型选择143.2 操作条件的选择43.2.1 操作压力43.2.2 进料状态43.2.3 加热方式44 精馏塔实际板数计算154.1 物料衡算54.2 塔板数的确定54.2.1 最小回流比及操作回流比的确定54.2.2 理论板数的求取64.2.3 实际塔板数的确定85 精馏塔塔体尺寸计算95.1 塔径的计算395.1.1 精馏塔内的摩尔流率95.1.2 精馏塔内汽液相的平均温度及密度95.1.3 精馏塔内汽液相的平均体积流量95.1.4 塔径的求取95.2 精馏塔有效高度的计算106溢流堰116.1 溢流堰的设计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 安定区的选择117 浮阀数目的确定及排列6127.1 浮阀数目127.2 排列128 流体力学验算7138.1 气体通过浮阀塔板的压力降(单板压降)138.1.1 干板阻力138.1.2 液层阻力138.2 漏夜验算138.3 液泛验算149 总结15参考文献16致谢17i甲醇水溶液连续精馏浮阀塔的设计1 绪论甲醇是基础的有机化工原料和优质燃料，在发达国家中产量仅次于乙烯、丙烯、苯而居第四位。甲醇用途十分广泛，发展前景非常广阔。甲醇在高温和催化剂的作用下直接氧化可以制甲醛。近年来，国内外40%以上的甲醇用于制甲醛，进而合成树脂、塑料及其它化工原料。甲醛还用来制取丁二醇、等近一百种下游产品。甲醇还可以制甲醇汽油和甲醇燃料电池。甲醇汽油是在汽车燃油中直接添加15的甲醇，经严格的科学工艺配制，与同标号国标无铅汽油具有同等适用范围和效果，是一种清洁环保燃料。同时，甲醇汽油的推广应用对石油能源的储备具有战略意义。 精馏是化工生产中常用的液体混合物的分离操作。精馏操作是利用互溶液体混合物的相对挥发度不同，从而实现各组分分离的单元操作。1.1甲醇的生产方法发展史 20世界30年代初，几乎全部由木材蒸馏制造甲醇，世界的甲醇产量约4.5万吨。1923年，德国巴登苯胺纯碱公司（badische anilin and soda fabrik-basf）的两位科学家米塔许（mittash）和施耐德（schneider）实验了用一氧化碳和氢气，在300-400的温度和30-50mpa的压力下，通过锌铬催化剂的催化作用合成甲醇，并于当年首先实现了甲醇合成的工业化，建成年产300t甲醇的高压合成法装置。从20世纪20年代至60年代中期，所有甲醇装置均采用高压法，采用锌铬催化剂。1966年英国帝国化学工业公司（i.c.i）研制成功铜基催化剂，并开发了低压工艺，即i.c.i工艺。1971年，德国鲁奇公司开发了另一种低压合成甲醇工艺，简称lurgi工艺。20世纪70年代中期以后，世界上新建和扩建的甲醇装置几乎都采用低压法。50多年来，几乎成为工业上生产甲醇的唯一方法，生产工艺不断的得到改进，生产规模日益增大，扩大了甲醇的消费范围。1.2甲醇作为燃料的优势1.2.1作为民用清洁燃料早在“六五”时期，中国政府就投巨资在山西省建设煤制甲醇燃料及清洁汽车产业化示范基地，按规划，到2010年山西省燃料甲醇生产能力将达l0mt/a，其推广地首选北京。北京的公交车冬天一直使用以甲醇为主要原料的防冻液；而日常生活中燃料甲醇及灶具自1983年起就逐步形成产品，进人市场，现已在全国形成产业，并颁布了国标gb166631996醇基液体燃料及农业部部颁标准ny3111997醇基民用燃料、ny3121997醇基民用燃料灶具，燃料甲醇经过近20年的家用灶具、火锅灶具、餐饮及食堂大灶的使用证明，比油料、液化气更安全可靠、洁净卫生。 1甲醇水溶液连续精馏浮阀塔的设计1.2.2 作为车用燃料替代汽油甲醇是一种物理化学性质与汽油近似的有机燃料。可以由天然气、煤、生物原料等生产制得。甲醇用于汽车替代燃料，主要是按照一定的比例，同汽油进行混合以达到改善尾气排放、节约能源的目的。目前，经实践广泛使用的有按85甲醇和15汽油进 行混合的m85燃料，以及100甲醇的m100燃料。甲醇之所以能够作为汽车燃料，主要是由甲醇本身的性质特点所决定。（1）抗爆性好：甲醇的辛烷值大，马达法辛烷值（mon）为106，研究法辛烷值（ron）为112，远高于普通汽油。甲醇与汽油混溶后辛烷值比同标号汽油提高35个单位，可以提高汽车发动机的压缩比，起到抗爆剂的作用，防止汽油机出现爆震现象。（2）理论混合气热效率高：甲醇的热值为19.9mjkg，汽油热值为43.50mjkg，但甲醇理论混合气的热效率却与汽油相当，这是甲醇能够成为汽车燃料的主要条件。许多赛车使用甲醇燃料，就是因为其热效率很高。（3）着火极限宽：汽油和甲醇的着火极限分别是1.47.6和6.736.0，甲醇燃料能够在较宽的混合气浓度范围内工作。（4）排放物安全：甲醇是一种毒性有机化合物，可经呼吸道、消化道和皮肤接触方式进入人体，破坏人的神经和视觉系统。作为燃料，甲醇发生火灾的可能性比汽油小，且火灾后造成的危害也比汽油轻。低浓度时，甲醇的毒性要小于汽油。 7甲醇水溶液连续精馏浮阀塔的设计2 设计任务2.1 技术来源目前，精馏塔的设计方法以严格计算为主，也有一些简化的模型，但是严格计算法对于连续精馏塔是最常采用的，我们此次所做的计算也采用严格计算法。2.2 设计任务及要求设计用于一连续精馏塔分离甲醇水混合液。原料液中含甲醇摩尔分数为0.40，于加入塔中。塔顶设全凝器，泡点回流。塔顶馏出液含甲醇摩尔分数为90，釜液含甲醇摩尔分数为1。处理量为5000，可取回流比为最小回流比的1.2倍，全塔效率为0.80。表2.1甲醇水溶液体系的平衡数据1液相中甲醇的含量(摩尔分数)汽相中甲醇的含量(摩尔分数)液相中甲醇的含量(摩尔分数)汽相中甲醇的含量(摩尔分数)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 流程的确定和说明3.1 塔型选择1由于产品粘度较小，流量较大，为减少造价，降低生产过程中压降和塔板液面落差的影响，提高生产效率，选用浮阀塔。3.2 操作条件的选择3.2.1 操作压力精馏操作按操作压力分为常压精馏，加压精馏和减压精馏。一般采用常压精馏，压力对挥发度的影响不大。在常压下不能进行分离或达不到分离要求时，采用加压精馏；对于热敏性物质采用减压精馏。由于甲醇水体系对温度的依赖性不强，常压下为液态，为降低塔的操作费用，操作压力选为常压。3.2.2 进料状态进料方式一般有冷液进料，泡点进料，过热蒸汽进料，饱和蒸汽进料和气液混合物进料。虽然进料方式有多种，但是泡点进料时进料温度不受季节、气温变化和前段工序波动的影响，塔的操作比较容易控制；此外，饱和液体进料时精馏段和提馏段的塔径基本相同，无论是设计计算还是实际加工制造这样的精馏塔都比较容易，为此，本次设计中采取泡点进料。3.2.3 加热方式 精馏塔的设计中多在塔底加一个再沸器以采用间接蒸汽加热以保证塔内有足够的热量供应。但是当待分离物系为某种轻组分与水的混合物时，往往可将加热蒸汽直接通入塔釜以汽化釜液，这样可省去一个再沸器，无论是设备费用还是操作费用都可以降低，因此本设计采用直接蒸汽加热。4 精馏塔实际板数计算14.1 物料衡算已知：，进料液平均相对分子质量： (4.1)由 (4.2) (4.3)可得： (4.4)4.2 塔板数的确定 4.2.1 最小回流比及操作回流比的确定采用作图法求最小回流比泡点进料，则 由图得 故最小回流比为： (4.5)图4.1甲醇水溶液汽液相平衡图5 取操作回流比为： (4.6) 4.2.2 理论板数的求取由进料 知 (4.7) (4.8) (4.9)图4.2 吉利兰关联图由 查吉利兰图 得所以 (4.10)检验：用逐板计算法检验以上计算的理论塔板数相平衡方程式： (4.11) 精馏段操作线方程: (4.12)提馏段操作线方程： (4.13)泡点进料 (4.14)第1块塔板上升的气相组成 (4.15)第1块塔板下降的液相组成 (4.16)第2块塔板上升的气相组成第2块塔板下降的液相组成因为，第5快板上升的气相组成由提留段操作方程计算所需理论塔板总数为（含塔釜），进料板位置，精馏段需4块板。4.2.3 实际塔板数的确定已知全塔效率： (4.17)可得实际板数： (4.10) 精馏段实际板数： (4.18) 提留段实际板数： (4.19)5 精馏塔塔体尺寸计算5.1 塔径的计算35.1.1 精馏塔内的摩尔流率已知精馏塔顶为全凝器，凝液在泡点温度下部分回流入塔。根据恒摩尔流的假定（通常不同液体的摩尔汽化热较为接近，因而l和v应取为摩尔流量，这种简化成为恒摩尔流假定），此时回流液的流量l即为精馏段逐板下降的液体量。精馏段 (5.1) (5.2)提馏段 (5.3) (5.4)5.1.2 精馏塔内汽液相的平均温度及密度表5.1由已知数据可查表的原料液、馏出液和塔釜液的对应温度3名称原料液馏出液塔釜液 温度t/ 73.8 64.787.5表则精馏塔内的汽相平均温度为 (5.5) 液相平均温度为 (5.6)平均温度下的汽相平均密度为 (5.7) 液相平均密度为 (5.8)5.1.3 精馏塔内汽液相的平均体积流量 (5.9) (5.10) 5.1.4 塔径的求取已知 (5.11) 空塔气速，因此需先计算出最大允许气速 (5.12) (5.13)取塔板间距，板上液层高度，那么分离空间为： (5.14)功能参数 (5.15)可根据泛点关联图查得，由于，需先求平均表面张力全塔的平均温度 (5.16)则平均表面张力为 则 (5.17) 按标准塔径圆整后为 (5.18) 塔截面积为 (5.19) 则实际的空塔气速为 (5.20) 5.2 精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为：提馏段有效高度为：在进料板上方开一人孔，其高度为故精馏塔的有效高度为：6溢流堰6.1 溢流堰的设计6.1.1 溢流堰的形式溢流堰一般设计成弓形堰，弓形堰的堰顶一般设计成平堰，当液流量小时可以设计成齿形堰,齿形堰又分为矩形锯齿形堰和三角形锯齿堰，液量再小时还可设计成圆管型。6.1.2 溢流堰高度溢流堰的高度关系到塔板上净液体的高度，塔板上净液高度一般控制在50100，净液高度关系到气液传质也即板效率，但堰高升高增加了塔板的压降，影响到生产的规模，堰高过低，板效率就要下降，一般选择堰高在2575，减压塔有时采用100的堰高，对于泡罩塔可采用的堰高，尤其是对于具有反应的塔板采取高的堰高以保证塔板上反应的时间，而浮阀塔多采用堰高。取。6.2 堰上液高横过堰上的液体高度与堰的形状和液体流量有关，一般控制在，为了保证液体在板上的均匀度，该值不应小于。6.3 安定区的选择在进口堰和浮阀之间要留有一定的缓冲地带，使得液体在板上有个较好的分配，这个区域叫做进口安定区。在浮阀和出口堰之间也有一个缓冲区，以避免含泡沫的液体进入降液管，这个区域叫做出口安定区。不同物料和不同的操作状况对进口安定区和出口安定区的要求不尽相同。一般来讲进口安定区控制在，出口安定区控制在。7 浮阀数目的确定及排列6我国制定了和国外v-1型浮阀相近的f-1型浮阀标准系列。该浮阀标准采用两种阀重，轻阀为1.5约2425，重阀为2约3233。浮阀塔板的厚度为2，3，4三种，浮阀在板上的开孔统一为39。阀的排间距选定为三种：65，80，100，每排的阀间距都为75。阀的开度：开启前为2.5，最大开度为8.5。虽然目前我国除采用圆形的浮阀以外，尤其在大型的塔中采用改善液体流动的带有开孔的条形浮阀称为导向浮阀。但在中小型企业仍以f-1浮阀采用为多。本设计采用f-1型重型浮阀，重量为33，孔径为39。 7.1 浮阀数目由前面的计算基本上决定了塔径的大小，浮阀的数目根据我国的标准可由下式初步的估计： 浮阀数目 (7.1)气体通过阀孔时的速度 (7.2)取动能因数，那么，因此个 (7.3)7.2 排列由于采用分块式塔板，故采用等腰三角形叉排,排间距为65。 8 流体力学验算7 8.1 气体通过浮阀塔板的压力降(单板压降) (8.1)8.1.1 干板阻力浮阀由部分全开转为全部全开时的临界速度为 (8.2)因为所以干板阻力 (8.3)8.1.2 液层阻力 (8.4)取板上液层充气程度因数，那么： 8.2 漏夜验算取动能因数，相应的气相最小负荷为： (8.5) 其中 (8.6)所以 (8.7)可见不会产生过量漏液。8.3 液泛验算溢流管内的清液层高度 (8.8)其中，所以，为防止液泛，通常，取校正系数，则有： (8.9)可见，即不会产生液泛。表8.1设计结果汇总8序号设计项目设计结果序号设计项目设计结果1塔型浮阀塔14塔径(mm)16002操作压力常压15塔截面积(m2)2.00963进料状态泡点进料16实际空塔气速(m/s)1.334加热方式直接蒸汽加热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理论板数1120堰上液高(mm)608实际板数1421浮阀类型f-1重型9原料液温度()73.822浮阀重量（g）3310馏出液温度(