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甲醇-水连续板式筛板精馏塔设计说明书
第一章 绪论
1.1 甲醇的介绍
甲醇，又称“木醇”或“木精”，是最简单的饱和一元醇。甲醇用途广泛，是基础的有机化工原料和优质燃料。主要应用于精细化工，塑料等领域，用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、硫二甲酯等多种有机产物，也是农药、医药的重要原料之一。甲醇在深加工后可作为新型清洁燃料，也加入汽油掺烧。甲醇和氨反应可以制造一甲胺。因此，甲醇的生产具有很大的市场及经济价值。
我国经济的快速发展，国内甲醇产量虽然在稳步增加，但是需求量也大大增加，使得我国甲醇市场供需严重失调。而由于收到国外低价甲醇进军中国的冲击，更加加重了我国市场的供需矛盾。近年来，我国采取了多种政策，使得我国甲醇产量有所上升。在2010年，我国也成为全球主要的甲醇消费市场，也成为世界第一大甲醇生产国。
1.2 化工原理课程设计的目的和要求
课程设计是《化工原理》课程的一个总结性教学环节，是培养综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。在整个教学计划中，它也起着培养独立工作能力的重要作用。
1.3 精馏操作对塔设备的要求
为了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求：
(1) 气(汽)、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。
(2) 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。 (3) 流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。
(4) 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。 (5) 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。 (6) 塔内的滞留量要小。
实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。
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1.4 板式塔类型
在化学工业和石油工业中广泛应用的诸如吸收、解吸、精馏、萃取等单元操作中，气液传质设备必不可少。塔设备就是使气液成两相通过精密接触达到相际传质和传热目的的气液传质设备之一。
塔设备一般分为级间接触式和连续接触式两大类。前者的代表是板式塔，后者的代表则为填料塔，在各种塔型中，当前应用最广泛的是筛板塔与浮阀塔。筛板塔在十九世纪初已应用与工业装置上，但由于对筛板的流体力学研究很少，被认为操作不易掌握，没有被广泛采用。五十年代来，由于工业生产实践，对筛板塔作了较充分的研究并且经过了大量的工业生产实践，形成了较完善的设计方法。
筛板塔和泡罩塔相比较具有下列特点：生产能力大于10.5%，板效率提高产量15%左右；而压降可降低30%左右；另外筛板塔结构简单，消耗金属少，塔板的造价可减少40%左右；安装容易，也便于清理检修。然而筛板塔也存在着一些缺点： （1）塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀；
（2）操作弹性较小(约2～3)； （3） 小孔筛板容易堵塞。
本次设计就是针对水甲醇体系，而进行的常压二元筛板精馏塔的设计及其辅助设备的选型。
1.5 精馏塔的工作原理和工艺流程说明
精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。蒸气由塔底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向蒸气中转移，蒸气中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，蒸气愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，达到组分分离的目的。由塔顶上升的蒸气进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸气返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。
精馏原理 蒸馏的基本原理是将液体混合物部分气化,利用其中各组份挥发度不同（相对挥发度，α）的特性，实现分离目的的单元操作。
连续精馏塔装置流程如图1.1所示:
冷凝 精馏塔 回流 冷却 产品 原料 预热 再沸
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废液 甲醇-水连续板式筛板精馏塔设计说明书
原料液自塔中部的适当位置加入塔内，塔顶冷凝器将上升的蒸汽冷凝成液体，其中一部分作为塔顶产品（馏出液）采出，另一部分引入塔顶作为“回流液”，在塔板上建立液层。塔的底部装有再沸器（塔釜），加热液体产生蒸气回流到塔底，再沿塔上升。加料口将精馏塔分成两段，上段为精馏段，加料口以下为提馏段。在精馏段的各层塔板上，气相与液相密切接触，在温度差和组成差的存在下（传热、传质推动力），气相进行部分冷凝，使其中部分难挥发组分转入液相；同时，气相冷凝时释放的潜热使液体部分汽化，部分易挥发组分转入气相中。经过每层塔板后，净的结果是气相中易挥发组分的含量增高，液相中难挥发组分增浓。只要精馏段有足够的塔板层数，在塔顶即可获得指定纯度的易挥发组分产品。同理，只要提馏段有足够的塔板层数，在塔底可得到高纯度的难挥发组分产品。从以上分析可知，为达到混合液的高纯度分离，除了精馏塔具有足够层数塔板以外，还必须从塔顶引入“回流液”和从塔底产生上升蒸气流，易建立气液两相体系。因此，塔顶液相回流和塔底上升蒸气流是精馏过程连续进行的必要条件。“回流”是精馏与普通蒸馏的本质区别。
1.6 精馏塔的设计步骤
本设计按以下几个阶段进行：
（1） 设计方案确定和说明。根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、 主要设备型式及其材质的选取等进行论述。
（2）蒸馏塔的工艺计算，确定塔高和塔径。
（3）塔板设计：计算塔板各主要工艺尺寸，进行流体力学校核计算。接管尺寸等，并画出塔的操作性能图。
（4）管路及附属设备的计算与选型，如再沸器、冷凝器。 (5) 抄写说明书。
(6) 绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图。
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第二章 总体设计方案的确定
确定设计方案是指确定整个精馏装置的流程、各种设备的结构型式和某些操作指标。本设计任务为分离甲醇-水混合物。对于二元混合物的分离，应采用连续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预加热器至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液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至储罐。该物系属易分离系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐。 下面结合课程设计的需要，对某些问题作些阐述。
2.1操作条件的确定
2.1.1操作压力
蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行。确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。例如，采用减压操作有利于分离相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导致塔径增加，同时还需要使用抽真空的设备。对于沸点低、在常压下为气态的物料，则应在加压下进行蒸馏。当物性无特殊要求时，一般是在稍高于大气压下操作。但在塔径相同的情况下，适当地提高操作压力可以提高塔的处理能力。有时应用加压蒸馏的原因，则在于提高平衡温度后，便于利用蒸汽冷凝时的热量，或可用较低品位的冷却剂使蒸汽冷凝，从而减少蒸馏的能量消耗。
2.1.2 进料状态
进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。在实际的生产中进料状态有多种，本设计选择的进料方式是泡点进料。但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。此外，在泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便。
2.1.3 加热方式
蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。一般蒸馏塔釜残液中的主要组分是水，且在低浓度下轻组分的相对挥发度较大时宜用直接蒸汽加热，其优点是可以利用压力较低的加热蒸汽以节省操作费用，但是由于直接蒸汽加热的加入，对釜内溶液起一定的稀释作用，在进料条件和产品纯度、轻组分收率一定的前提下，釜液浓度相应降低，要在精馏段增加塔板以达到生产要求。根据任务书的要求，对于本次任务采用间接蒸汽加热更为简单，方便。
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