武汉工程大学课程设计说明书
第1章 设计条件与任务
1.1设计条件
在常压操作的连续板式精馏塔内分离甲醇-水混合物。塔釜直接蒸汽加热，生产能力和产品的质量要求如下：
生产能力：年处理甲醇-水混合液25000吨（300天/年） 原 料：甲醇（含50%质量分数，下同）的常温液体 分离要求：塔顶甲醇含量不低于99% 塔低甲醇含量不高于2%
操作条件：①塔顶压力：4kPa(表压)；② 进料热状态：泡点进料；③ 回流比：自选；④ 单板压降 ≤0.7kPa。
建厂地址：武汉
1.2设计任务
1 全塔物料衡算、操作回流比和理论塔板数的确定。 2 计算冷凝器和再沸器热负荷。
3 计算精馏段、提馏段的塔板效率，确定实际塔板数。 4 估算塔径。
5 板式塔的工艺尺寸计算，包括溢流装置与塔板的设计计算。
6 塔板的流体力学性能校核，包括板压力降、液面落差、液沫夹带、漏液及液泛的校核。 7 绘制塔板的负荷性能图。塔板的负荷性能图由液相负荷下限线、液相负荷上限线、漏液线、液沫夹带线和溢流液泛线确定。
8 塔的结构确定，包括塔体结构与塔板结构。 塔体结构：塔顶空间，塔底空间，人孔（手孔），支座，封头，塔高等。 塔板结构：采用分块式塔板还是整块式塔板。
9 塔的附属设备选型,包括塔顶冷凝器、塔底(蒸馏釜的换热面积，原料预热器的换热面积与泵的选型（视情况而定）。
10 精馏塔各接管尺寸的确定。 11 绘制精馏塔系统工艺流程图。 12 绘制精馏塔装配图。 13 编写设计说明书。
14计算机要求：编写程序、CAD绘图等。 15 英语要求：撰写英文摘要。
16 设计说明书要求：逻辑清楚，层次分明，书写工整，独立完成。
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第2章 设计方案的确定
设计方案选定是指确定整个精馏装置的流程、主要设备的结构型式和主要操作条件。所选方案必须：①能满足工艺要求，达到指定的产量和质量；②操作平稳，易于调节；③经济合理；④生产安全。在实际的设计问题中，上述四项都必须兼顾考虑。
课程设计方案选定所涉及的主要内容有：操作压力，进料状况，加热方式及其热能的利用。
2.1 操作压力
精馏可在常压、加压或减压下进行，确定操作压力主要是根据处理物料的性质、技术上的可行性和经济上的合理性来考虑。
一般来说，常压精馏最为简单经济，若物料无特殊要求，应尽量在常压下操作。对于沸点低，常压下为气态的物料必须在加压下进行精馏。加压操作可提高平衡温度，有利于塔顶蒸汽冷凝热的利用，或可以使用较便宜的冷却剂，减少冷凝、冷却费用。在相同塔径下，适当提高操作压力还可提高塔的处理能力，但增加塔压，也提高了再沸器的温度，并且相对挥发度也有所下降。对于热敏性和高沸点物料常用减压精馏。降低操作压力，组分的相对挥发度增大，有利于分离。减压操作降低了平衡温度，这样可以只用较低温位的加热剂。但降低压力也导致塔径增大和塔顶蒸汽冷凝温度的降低，且必须使用抽真空的设备，增加了相应的设备和操作费用。本设计为塔顶压力（表压）4kPa下操作。
2.2进料方式
进料的热状态指进料的q值，q的定义为使每千摩尔进料变成饱和蒸汽所需的热量与每千摩尔进料的汽化潜热之比。进料状态主要有五种：冷进料、泡点进料、气、液混合进料、饱和蒸汽进料、过热蒸气进料等。其中泡点进料的操作比较容易控制，并且不受季节气温的影响；另外，泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，在设计和制造时也比较方便。所以本设计操作选择泡点进料,即q=1。
2.3加热方式
精馏塔通常设置再沸器，采用间接蒸汽加热，以提供足够的能量。若待分离的物系为某种轻组分和水的混合物，往往可采用直接蒸汽加热方式，即把蒸汽直接通入塔釜汽化釜液。这样，只需在塔釜安装鼓泡管，可以省去一个再沸器，并且可以利用压力较低的蒸汽来进行加热，操作费用和设备费用均可降低。但在塔顶轻组分回收率一定时，由于蒸汽冷凝水的稀释作用，使残液轻组分浓度降低，所需的塔板数略有增加。对于某些物系（如酒精—水），低浓度时的相对挥发度很大，所增加的塔板数不多，此时采用直接蒸汽加热是合适的。若釜液粘度很大，用间壁式换热器加热困难，此时用直接蒸汽加热可取得良好的效果。
2.4热能的利用
蒸馏过程的原理是多次进行部分汽化和冷凝，因此，热效率很低，通常进入再沸器的能量仅有5%左右被有效的利用。所以，蒸馏系统的热能利用问题应值得认真考虑。
塔顶蒸汽冷凝放出的热量是大量的，但其能位较低，不可能直接用来作塔釜的热源。但可用作低温热源，或通入废热锅炉，产生低压蒸汽，供别处使用。或可采用热泵技术，提高温度后再用于加热釜液。
此外，通过蒸馏系统的合理设置，也可取得节能的效果。例如，可采用设置中间再沸器和中间
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冷凝器的流程，因为设置中间再沸器，可利用温度比塔底低的热源，而中间冷凝器则可回收温度比塔顶高的热量。
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第3章 精馏塔的工艺设计
3.1全塔物料衡算
3.1.1原料液、塔顶及塔底产品的摩尔分数
甲醇（CH3OH）的摩尔质量：MA?32.04kg/kmol 水（H2O）的摩尔质量：MB?18.02kg/kmol 则各部分的摩尔分数为：
wDMA?xDwD1?wD??MAMB0.9932.040.9932.040.01?18.02?0.9824 (3.1)
xF?wFMAwFMA?1?wF?MB0.5032.040.5032.04?0.5018.02?0.3600 (3.2)
xWwwMA??wW1?wW?MAMB0.0232.040.0232.04?0.9818.02 (3.3) ?0.011 33.1.2原料液、塔顶及塔底产品的平均摩尔质量
MD?xDMA?(1?xD)MB?0.9824?32.04?(1?0.9824)?18.02?31.79kg/kmol(3.4)MF?xFMA?(1?xF)MB?0.3600?32.04?(1?0.3600)?18.02?23.07kg/kmol (3.5) MW?xWMA?(1?xW)MB?0.0113?32.04?(1?0.0113)?18.02?18.18kg/kmol(3.6)3.1.3物料衡算进料处理量
F?25000?1000?150.51kmol/h (3.7)
300?24MF3.1.4物料衡算
总物料衡算（直接蒸汽加热）：
F?S?D?W (3.8)
轻组分（甲醇）衡算：
FxF?DxD?WxW （3.9）
由恒摩尔流假设得：
S?L?D?(R?1)D （3.10）
求解得到：
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D?FxF?xWx;W?F?RD;S?(R?1)D;L?F?RD;V?S
D?RxW3.2实际回流比
由数据手册查的甲醇-水（101.325kPa）的物系汽液平衡数据如下：
表3.1 常压下的甲醇-水的气液平衡数据
t/℃ x y t/℃ x
100 0 0 75.3 0.4 96.4 0.02 0.134 73.1 0.5 93.5 0.04 0.234 71.2 0.6 91.2 0.06 0.304 69.3 0.7 89.3 0.08 0.365 67.6 0.8 87.7 0.1 0.418 66 0.9 84.4 0.15 0.517 65 0.95 81.7 0.2 0.579 64.5 1 78 0.3 0.665
3.2.1最小回流比及实际回流比确定
根据101.325KPa下，甲醇-水的汽液平衡组成关系绘出甲醇-水x-y图（见图3.2），泡点进料，所以q=1，即q为一条直线。此时， Xe=XF=0.5
由上表的内插法求得：
xD?ye0.9824?y??0.705 Rmin?ey?0.714?0.8039
e?xe0.714?0.0.3600通过Excel软件，算得R?(1.2~2)Rmin下对应的塔板数并作图如下：
24222018N161412101.11.31.51.71.92.1R/Rmin
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