甲醇精餾工藝流程設(shè)計

1、摘 要甲醇最早由木材和木質(zhì)素干餾制的，故俗稱木醇，這是最簡單的飽和脂肪組醇類的代表物。無色、透明、高度揮發(fā)、易燃液體。略有酒精氣味。分子式 C-H4-O。近年來，世界甲醇的生產(chǎn)能力發(fā)展速度較快。甲醇工業(yè)的迅速發(fā)展，是由于甲醇是多種有機(jī)產(chǎn)品的基本原料和重要的溶劑，廣泛用于有機(jī)合成、染料、醫(yī)藥、涂料和國防等工業(yè)。由甲醇轉(zhuǎn)化為汽油方法的研究成果，從而開辟了由煤轉(zhuǎn)換為汽車燃料的途徑。近年來碳一化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，甲醇制乙醇、乙烯、乙二醇、甲苯、二甲苯、醋酸乙烯、醋酐、甲酸甲酯和氧分解性能好的甲醇樹脂等產(chǎn)品，正在研究開發(fā)和工業(yè)化中。甲醇化工已成為化學(xué)工業(yè)中一個重要的領(lǐng)域。本設(shè)計選擇了以50萬t/a甲醇精餾的

2、產(chǎn)量作為生產(chǎn)計算與設(shè)計的任務(wù)，本設(shè)計從工藝角度對其主要設(shè)備進(jìn)行了物料衡算、熱量衡算、等工藝計算。對主要設(shè)備進(jìn)行了機(jī)械設(shè)。關(guān)鍵詞：甲醇 精餾 ABSTRACTMethanol is a kind of very important organic chemical raw materials, is also a kind of fuel, is a chemical carbon based products, in the national economy occupies very important position. In recent years, with the developm

3、ent of methanol subordinate products, especially the popularization and application of the methanol fuel, methanol demand increases. In order to meet the needs of economic development, methanol, carried out the 200000 t/a of methanol project. The design of the main content is process demonstration,

4、and the material balance calculations and heat balance calculations, etc. This design with the situation of China, with advanced technology and are easy, economy, environment protection principle, the coal for raw materials; Use of GSP gasification process the gasification; NHD purification process

5、synthesis gas purification; Low voltage of mean temperature tube synthesis tower methanol synthesis; Three tower distillation process refined methanol; In addition to strictly control the "three wastes" emissions, make full use of waste heat, reduce the energy consumption and ensure safety

6、 and health personnel.Keywords：methanol synthesis；gas distillation；process flow目錄1、緒論1.1概況1.11 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.1.1.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀1.1.1.2國外研究現(xiàn)狀1.1.2 甲醇的用途及在化學(xué)工業(yè)中的地位1.1.3甲醇的性質(zhì)1.2 甲醇精餾工藝流程1.21 甲醇精餾工藝分類 1.2.1.1雙塔精餾1.2.2 甲醇精餾工藝比較及選擇1.2.3甲醇精餾工藝主要設(shè)備選擇2、甲醇精餾裝置主要設(shè)備工藝設(shè)計及計算2.1主要設(shè)備加壓精餾塔工藝計算2.1.1物料衡算2.1.2熱量衡算2.1.4.1.加熱介質(zhì)的選擇2.

7、1.4.2冷卻介質(zhì)的選擇2.1.4.3冷凝器的熱負(fù)荷 2.1.3理論塔板數(shù)計算2.1.4最小回流比計算2.1.5相對揮發(fā)度計算2.1.6物性參數(shù)計算2.2主要設(shè)備加壓精餾塔的設(shè)計計算 2.2.1 填料的選擇 2.2.2塔徑計算 2.2.3填料層高度和壓降計算 2.2.4液體分布器的設(shè)計計算 2.2.5液體收集器及再分布器設(shè)計計算 2.2.6塔體厚度及封頭厚度的確定 2.2.8 塔內(nèi)管徑計算及選型2.2.9裙坐的設(shè)計計算2.2.10塔釜設(shè)計計算2.2.11手孔及人孔設(shè)計2.2.12校核3、四塔甲醇精餾裝置工藝設(shè)計3.1預(yù)精餾系統(tǒng)3.2加壓精餾系統(tǒng)3.3回收精餾系統(tǒng)1、緒論1.1概況1.1.1國內(nèi)

8、外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.1.1.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國是煤豐富的國家，甲醇原料采用天然氣和煤的較多。目前產(chǎn)量幾乎各占一半。生產(chǎn)工藝有單產(chǎn)甲醇和聯(lián)產(chǎn)甲醇兩種。聯(lián)產(chǎn)甲醇除在合成氨裝置聯(lián)產(chǎn)甲醇外，還可利用化工廠尾氣或結(jié)合城市煤氣聯(lián)產(chǎn)甲醇。我國以天然氣為原料合成甲醇技術(shù)主要有：一段蒸汽轉(zhuǎn)化工藝和中國成達(dá)公司的純氧兩段轉(zhuǎn)化工藝。自86年我國就開發(fā)了低壓甲醇合成和精餾技術(shù)，目前國內(nèi)廣泛采用的管殼式副產(chǎn)蒸汽合成塔和兩塔精餾就源于該開發(fā)，后又推廣了“U”形冷管合成塔，精餾也從兩塔發(fā)展到三塔，既可生產(chǎn)GB338-2004優(yōu)等品精甲醇，又可生產(chǎn)美國OM一232KAA級精甲醇，含醇污水的處理工藝已取得突破性進(jìn)展，污水處

9、理后可回收利用，故甲醇裝置在正常生產(chǎn)時實現(xiàn)了無含醇污水排放。1.1.1.2國外研究現(xiàn)狀在世界基礎(chǔ)有機(jī)化工原料中，甲醇消費量僅次于乙烯、丙烯和苯，是一種很重要的大宗化工產(chǎn)品。甲醇作為基礎(chǔ)有機(jī)化工原料，用來生產(chǎn)甲醛、甲胺、醋酸等各種有機(jī)化工產(chǎn)品。根據(jù)對汽車代用能源的預(yù)測，甲醇是必不可少的替代品之一。甲醇制烯烴的預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益可以和以石腦油和輕柴油為原料制烯烴大體相近。甲醇制烯烴的技術(shù)開發(fā)，將有效改善乙烯、丙烯等產(chǎn)業(yè)對石油輕烴原料資源的過度依賴，開辟出一條新的烯烴生產(chǎn)途徑。因此，甲醇工業(yè)的發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。目前，國外以天然氣為原料生產(chǎn)的甲醇占92% ，以煤為原料生產(chǎn)的甲醇23 %，因此國外公司的甲醇技

10、術(shù)均集中于天然氣制甲醇。國際上廣泛采用的先進(jìn)的甲醇生產(chǎn)工藝技術(shù)主要有：DAVY(原ICI)、TOPSOE、Uhde、Lurgi公司甲醇技術(shù)等，不同甲醇技術(shù)的消耗及能耗差異不大，其主要的差異在于所采用的主要設(shè)備甲醇合成塔的類型不同。1.1.1.3主要發(fā)展趨勢 主要發(fā)展趨勢有以下幾點： 生產(chǎn)的原料轉(zhuǎn)向天然氣、烴類加工尾氣。從甲醇生產(chǎn)的實際情況核算，采用天然氣為原料比用固體為原料的投資可降低5O ；采用乙炔尾氣則經(jīng)濟(jì)效果更為顯著。目前國際上，生產(chǎn)甲醇的原料以天然氣為主約占9O ，以煤為原料只占2 。國內(nèi)近年來以煤為原料生產(chǎn)甲醇的比例在逐步上升，這與中國的能源結(jié)構(gòu)有關(guān)。 生產(chǎn)規(guī)模大型化，單系列最大規(guī)模

11、達(dá)225萬噸年，即單系列Et產(chǎn)7500公噸。規(guī)模擴(kuò)大后，可降低單位產(chǎn)品的投資和成本。 充分回收系統(tǒng)的熱量。產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)壓力的蒸汽，以驅(qū)動壓縮機(jī)及鍋爐給水泵、循環(huán)水泵的透平，實現(xiàn)熱能的綜合利用。 采用新型副產(chǎn)中壓蒸汽的甲醇合成塔，降低能耗。 采用節(jié)能技術(shù)，如氫回收技術(shù)、預(yù)轉(zhuǎn)化、工藝?yán)淠猴柡图夹g(shù)、燃燒空氣預(yù)熱技術(shù)等，降低甲醇消耗。1.1.2 甲醇的用途及在化學(xué)工業(yè)中的地位目前，甲醇在有機(jī)合成工業(yè)中，是僅次于烯烴和芳烴的重要基礎(chǔ)有機(jī)原料。隨著技術(shù)的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的改變，甲醇又開辟了許多新的用途。甲醇是較好的人工合成蛋白的原料，蛋白轉(zhuǎn)化率較高，發(fā)酵速度快，無毒性，價格便宜。甲醇用途廣泛，是基礎(chǔ)的有機(jī)化工

12、原料和優(yōu)質(zhì)燃料。主要應(yīng)用于精細(xì)化工，塑料等領(lǐng)域，用來制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲脂等多種有機(jī)產(chǎn)品，也是農(nóng)藥、醫(yī)藥的重要原料之一。甲醇在深加工后可作為一種新型清潔燃料，也加入汽油摻燒。甲醇是容易輸送的清潔燃料，可以單獨或與汽油混合作為汽車燃料，用它作為汽油添加劑可起節(jié)約芳烴，提高辛烷值的作用，汽車制造也將成為耗用甲醇的巨大部門，甲醇的消費已超過其傳統(tǒng)用途，潛在的耗用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其化工用途，滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個部門。特別是隨著能源結(jié)構(gòu)的改變，甲醇有未來主要燃料的候補(bǔ)燃料之稱，需用量十分巨大。我國目前甲醇的產(chǎn)量還較低，但近年來發(fā)展速度較快，近五年來甲醇的生產(chǎn)規(guī)模有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。從我國能源

13、結(jié)構(gòu)出發(fā)，甲醇由煤制的技術(shù)已經(jīng)成熟，近幾年由煤制甲醇的工藝已經(jīng)全面工業(yè)化生產(chǎn)，將來在我國甲醇有希望替代石油燃料和石油化工的原料，蘊(yùn)藏著潛在的巨大市場。我國甲醇工業(yè)無疑將迅速發(fā)展起來甲醇工業(yè)的迅速發(fā)展，是因為甲醇是多種有機(jī)產(chǎn)品的基本原料和重要溶劑，廣泛的應(yīng)用在化工、醫(yī)藥、輕工、紡織及運輸?shù)刃袠I(yè)，甲醇在有機(jī)合成工業(yè)中，是僅次于烯烴和芳烴的重要基礎(chǔ)原料。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的改變，基礎(chǔ)又有了很多新用途。甲醇是較好的人工合成蛋白的原料，蛋白轉(zhuǎn)化率較高，發(fā)酵速度快，無毒性，價格便宜。目前甲醇的深加工產(chǎn)品已達(dá)120多種，我國以甲醇為原料的一次加工產(chǎn)品已有近30種。在化工生產(chǎn)中，甲醇可用于制造甲

14、醛、醋酸、氯甲烷、甲胺、甲基叔丁基醚（MTBE）、聚乙烯醇（PVA）、硫酸二甲酯、對苯二甲酸二甲酯（DMT）、二甲醚、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲醇等以甲醇為中間體的煤基化學(xué)品深加工產(chǎn)業(yè)：從甲醇出發(fā)生產(chǎn)煤基化學(xué)品是未來C1化工發(fā)展的重要方向。比如神華集團(tuán)發(fā)展以甲醇為中間體的煤基化學(xué)品深加工，利用先進(jìn)成熟技術(shù)，發(fā)展“甲醇醋酸及其衍生物”；利用國外開發(fā)成功的MTO或MTP先進(jìn)技術(shù)，發(fā)展“甲醇烯烴及衍生物”的2大系列。甲醇是非常易于運輸?shù)那鍧嵢剂?，可以單獨與汽油混合作為汽車燃料。近幾年，汽車工業(yè)在我國獲得了飛速發(fā)展，隨之帶來能源供應(yīng)問題。石油作為及其重要的能源儲量是有限的，而甲醇燃料以其安全、廉價、燃燒

15、充分，利用率高、環(huán)保的眾多優(yōu)點，替代汽油已經(jīng)成為車用燃料的發(fā)展方向之一。我國政府已充分認(rèn)識到發(fā)展車用替代燃料的重要性，并開展了這方面的工作。隨著C1化工的發(fā)展，由甲醇為原料合成乙二醇、乙醛和乙醇等工藝正日益受到重視。甲醇作為重要原料在敵百蟲、甲基對硫磷和多菌靈等農(nóng)藥生產(chǎn)中，在醫(yī)藥、染料、塑料和合成纖維等工業(yè)中都有著重要的地位。甲醇還可經(jīng)生物發(fā)酵生成甲醇蛋白，用作飼料添加劑，有著廣闊的應(yīng)用前景。特別是近年來碳一化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，甲醇制乙醇、乙烯、乙二醇、甲苯、二甲苯、乙酸乙烯、甲酸甲酯和氧分解性能好的甲醇樹脂等產(chǎn)品正在研究開發(fā)和工業(yè)化中。甲醇化工已成為化學(xué)工業(yè)的一重要領(lǐng)域。目前，甲醇的消費一超過其

16、傳統(tǒng)用途，潛在的消耗量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其化工用途，滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個部門。特別是隨著能源結(jié)構(gòu)的改變，甲醇有未來主要原料的候補(bǔ)原料之稱，需用量十分巨大。今后甲醇的發(fā)展速度將更為迅速。1.1.3甲醇的性質(zhì)甲醇（Methanol，Methylalcohol）又名木醇，木酒精，甲基氫氧化物，是一種最簡單的飽和醇?；瘜W(xué)分子式為CH3OH，結(jié)構(gòu)式如下：H|H-C-OH|H分子結(jié)構(gòu)：C原子以sp3雜化軌道成鍵，0原子以sp3雜化軌道成鍵。分子為極性分子。最早從木材干餾得到故又稱木醇或木精。甲醇是無色有酒精氣味易揮發(fā)的液體。熔點-93.9、沸點64.7、密度0.7914克/厘米3（20）、能溶于水和許多有機(jī)溶劑。甲

17、醇有毒，誤飲510毫升能雙目失明，大量飲用會導(dǎo)致死亡。禁酒的國家，把甲醇摻入酒精中成變性酒精，使其不能飲用。甲醇易燃，其蒸氣與空氣能形成爆炸混合物，甲醇完全燃燒生成二氧化碳和水蒸氣，同時放出熱量：2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O。工業(yè)上用一氧化碳和氫氣的混合氣（合成氣）在一定的條件下制備甲醇：甲醇可用做溶劑和燃料，也是一種化工原料，主要用于生產(chǎn)甲醛（HCHO）：工業(yè)酒精里含有甲醇，但是工業(yè)酒精的主要成分還是乙醇。甲醇有較強(qiáng)的毒性，對人體的神經(jīng)系統(tǒng)和血液系統(tǒng)影響最大，它經(jīng)消化道、呼吸道或皮膚攝入都會產(chǎn)生毒性反應(yīng)，甲醇蒸氣能損害人的呼吸道粘膜和視力。急性中毒癥狀有：頭疼、惡心、胃痛、疲倦、

18、視力模糊以至失明，繼而呼吸困難，最終導(dǎo)致呼吸中樞麻痹而死亡。慢性中毒反應(yīng)為：眩暈、昏睡、頭痛、耳鳴、現(xiàn)力減退、消化障礙。甲醇攝入量超過4克就會出現(xiàn)中毒反應(yīng)，誤服一小杯超過10克就能造成雙目失明，飲入量大造成死亡。致死量為30毫升以上，甲醇在體內(nèi)不易排出,會發(fā)生蓄積，在體內(nèi)氧化生成甲醛和甲酸也都有毒性。在甲醇生產(chǎn)工廠，中國有關(guān)部門規(guī)定，空氣中允許甲醇濃度為5mg/m3，在有甲醇?xì)獾默F(xiàn)場工作須戴防毒面具，廢水要處理后才能排放，允許含量小于200mgL甲醇的中毒機(jī)理是，甲醇經(jīng)人體代謝產(chǎn)生甲醛和甲酸（俗稱蟻酸），然后對人體產(chǎn)生傷害。常見的癥狀是，先是產(chǎn)生喝醉的感覺，數(shù)小時后頭痛，惡心，嘔吐，以及視線模

19、糊。嚴(yán)重者會失明，乃至喪命。失明的原因是，甲醇的代謝產(chǎn)物甲酸會累積在眼睛部位，破壞視覺神經(jīng)細(xì)胞。腦神經(jīng)也會受到破壞，產(chǎn)生永久性損害。甲酸進(jìn)入血液后，會使組織酸性越來越強(qiáng)，損害腎臟導(dǎo)致腎衰竭。甲醇中毒，通?？梢杂靡掖冀舛痉?。其原理是，甲醇本身無毒，而代謝產(chǎn)物有毒，因此可以通過抑制代謝的方法來解毒。甲醇和乙醇在人體的代謝都是同一種酶，而這種酶和乙醇更具親和力。因此，甲醇中毒者，可以通過飲用烈性酒（酒精度通常在60度以上）的方式來緩解甲醇代謝，進(jìn)而使之排出體外。而甲醇已經(jīng)代謝產(chǎn)生的甲酸，可以通過服用小蘇打（碳酸氫鈉）的方式來中和。1.2 甲醇精餾工藝流程1.2.1 甲醇精餾工藝分類1.2.1.1雙塔

20、精餾雙塔精餾流程是我國老的甲醇裝置中采用較廣的一種精餾流程(見圖1.1)。從合成單元來的粗甲醇經(jīng)泵加壓再經(jīng)粗甲醇預(yù)熱器預(yù)熱后進(jìn)入預(yù)精餾塔(常壓操作)。為了提高預(yù)精餾塔后甲醇的穩(wěn)定性并盡可能回收甲醇，塔頂采用兩級冷凝，經(jīng)部分冷凝后的大部分甲醇、水及少量雜質(zhì)留在液相作為回流返回塔，二甲醚等輕組分(初餾分)及少量的甲醇、水由塔頂逸出，塔底含水甲醇則由泵送至主精餾塔。主精餾塔操作壓力稍高于預(yù)精餾塔，但也可以認(rèn)為是常壓操作，塔頂?shù)玫骄状籍a(chǎn)品，塔底排出的含微量甲醇及其它重組分的廢水送往水處理系統(tǒng)。 圖1.1雙塔精餾工藝流程1.2.1.2三塔精餾三塔流程是目前甲醇生產(chǎn)裝置應(yīng)用最廣泛的精餾工藝(見圖1.2)

21、，與雙塔流程最大不同是將精餾過程分為加壓精餾和常壓精餾，充分利用加壓精餾塔冷凝器的高品位熱能作為常壓精餾塔再沸器的熱源，減少蒸汽供應(yīng)量，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。由合成單元送來的粗甲醇經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱后進(jìn)入預(yù)精餾塔，溶解在粗甲醇中的低沸點雜質(zhì)在預(yù)精餾塔塔頂精餾出并送入燃料管網(wǎng)；從預(yù)精餾塔塔底來的物料經(jīng)泵加壓后，送人加壓精餾塔。加壓精餾塔塔頂為9999(體積分?jǐn)?shù))以上的甲醇蒸氣，冷凝后的甲醇進(jìn)入回流槽，一部分作為精甲醇產(chǎn)品送到精甲醇昆合罐，另一部分返回加壓精餾塔塔頂作為回流。在加壓精餾塔塔底排出的甲醇水溶液送至常壓精餾塔。常壓精餾塔下部設(shè)雜醇油采出口，抽出含甲醇、水的異丁基油，以保證低于水沸點的雜質(zhì)(主

22、要是醇類)分離出塔。常壓精餾塔塔底采出的廢水送往廢水處理系統(tǒng)。圖1.2 三塔精餾工藝流程1.2.1.3四塔精餾（3+1塔）四塔精餾工藝流程見（圖1.3）。粗甲醇先后與常壓精餾塔塔釜水、加壓精餾塔塔頂精甲醇換熱到75左右進(jìn)入預(yù)精餾塔；塔頂氣經(jīng)過兩級冷凝，不凝氣再經(jīng)洗滌后出裝置，冷凝液和洗滌水返回塔頂全回流。塔釜甲醇水經(jīng)泵加壓并與加壓精餾塔塔釜甲醇水換熱后進(jìn)入加壓精餾塔，塔頂甲醇蒸氣進(jìn)入常壓精餾塔塔釜冷凝蒸發(fā)器冷凝，冷凝液進(jìn)入回流罐，經(jīng)回流泵加壓后，一部分返回塔頂作回流，另一部分為精甲醇產(chǎn)品出裝置。加壓精餾塔塔釜甲醇水自壓進(jìn)入常壓精餾塔精餾，塔頂分出剩余甲醇，塔釜水一部分返回預(yù)精餾塔塔頂洗滌器，剩

23、余廢水去污水處理系統(tǒng)。側(cè)線抽出雜醇油進(jìn)入汽提塔，塔頂氣體返回常壓精餾塔，汽提塔側(cè)線雜醇油出裝置，塔釜水去污水處理或返回氣化工段使用。圖1.3四塔精餾工藝1.2.2 甲醇精餾工藝比較及選擇與雙塔流程相比，三塔流程利用蒸汽潛熱的多重效用，充分達(dá)到節(jié)能的目的，但其總投資增加、能耗大幅度下降，操作費用也顯著降低。由于同一流程設(shè)備投資增加的幅度較生產(chǎn)規(guī)模增加的幅度小得多，而噸甲醇能耗保持不變，所以同一流程投資的回收期隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大而縮短。一般在100 kta以上的甲醇裝置應(yīng)采用三塔流程。四塔流程與三塔流程相比，總投資和能耗都增加，但四塔流程的優(yōu)勢是可以產(chǎn)出高純度的甲醇，并且裝置規(guī)模越大，這種經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢

24、越明顯。另一方面，四塔流程中，常壓精餾塔塔底的廢水幾乎不含雜質(zhì)，若將其用作預(yù)精餾塔的萃取水，則可節(jié)約大量的脫鹽水。如果由于廢水循環(huán)而導(dǎo)致的高沸點雜質(zhì)的積累對產(chǎn)品質(zhì)量造成影響，可以通過調(diào)節(jié)補(bǔ)充新鮮水的水量來抑制系統(tǒng)中高沸點物質(zhì)的積累，既節(jié)約用水又利于環(huán)保。總體而言，四塔流程的優(yōu)勢在裝置規(guī)模越大時越能得到體現(xiàn)，在環(huán)保方面也具有積極意義。本設(shè)計選擇四塔工藝流程。1.2.3甲醇精餾工藝主要設(shè)備選擇精餾的主要設(shè)備是精餾塔，而塔的內(nèi)件是實現(xiàn)氣液接觸和熱質(zhì)傳遞的主要元件，常用的塔內(nèi)件分塔盤和填料兩種。填料是最早使用的塔內(nèi)件，當(dāng)初使用在小塔徑的塔里，由于其設(shè)計、制造、安裝難度不大，應(yīng)用十分廣泛。隨著化學(xué)工業(yè)的

25、發(fā)展，精餾塔的內(nèi)徑越來越大，于是氣液分布不均問題顯得突出，效率大幅下降，直徑大于2米的塔的效率已相當(dāng)?shù)?，溝流和邊界效?yīng)嚴(yán)重，為解決這些問題，人們開發(fā)了板式塔，但是板式塔的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造和安裝精度要求高，因而人們又加緊了對填料塔放大技術(shù)的攻關(guān)，在解決了氣液分布等問題后，大型裝置又開始使用填料塔。目前的填料分為散堆填料和規(guī)整填料。設(shè)計的甲醇精制采用的是規(guī)整填料精餾工藝技術(shù)，該技術(shù)的好壞取決于氣液接觸程度，即取決于液體在填料表面分布的均勻程度，氣體的分布較容易，液體分布均勻很難，故液體分布器是填料塔的一個關(guān)鍵部件，它是決定著填料塔的放大效應(yīng)。采用槽式液體分布器和槽-盤式液體分布器可以較好地解決抗堵、

26、防夾帶等問題，壓降小、負(fù)荷彈性大。本甲醇精餾裝置采用的是以規(guī)整填料為塔內(nèi)件的四塔精餾工藝，精餾用汽為低壓蒸汽。各塔再沸器蒸汽冷凝液用作粗甲醇預(yù)熱器熱源，以節(jié)約能量。為了減少甲醇的損失，在常壓精餾塔后增加了一個塔,以對污水中的甲醇進(jìn)行回收處理，現(xiàn)在一般叫3+1塔工藝流程。采用規(guī)整填料為塔內(nèi)件的3+1塔精餾工藝，其特點是：1、精甲醇產(chǎn)品的質(zhì)量好，甲醇回收率高；2、能耗低。比兩塔工藝減少蒸汽消耗約30%左右；3、操作的靈敏性比板式塔好，但其穩(wěn)定性不如板式塔好；4、采取了萃取精餾和共沸精餾工藝，有效解決了微量難分離組分的脫除問題；5、 分離效率高，操作彈性大，生產(chǎn)能力大。2、甲醇精餾加壓塔工藝設(shè)計及計

27、算2.1加壓精餾塔工藝計算2.1.1物料衡算已知： =32.04kg/kmol ； =18.02kg/kmol ； 進(jìn)料流量 F=45662.1kg/h ；設(shè)甲醇的質(zhì)量分率 =87% 水的質(zhì)量分率 =13% 另外還有乙醇和雜醇的量較小，這里忽略不計。設(shè)計壓力Pc=0.6MPa; 設(shè)計溫度tF=120; 摩爾分率單位：%M=0.87×32.04+0.13×18.02=30.23 kg/kmol進(jìn)料的摩爾流量 =45662.1/30.23=1510.4896kmol/h原料液甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)=32/8787 32 + 1318 =2.72/(2.72+0.72)=0.79餾出液甲醇

28、質(zhì)量分?jǐn)?shù) XD=99/329932+118=3.094/(3.094+0.05556)=0.98釜殘液甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)Xw=1/32132+9918=0.031250.03125+5.5=0.181根據(jù)物料衡算方程 計算出 D=1148.443 kmol/h W=362.047 kmol/h塔頂氣相、液相，進(jìn)料和塔底的溫度分別為：，表2.1 常壓下甲醇-水的氣液平衡與溫度關(guān)系液相甲醇摩爾百分?jǐn)?shù)(x)氣相甲醇摩爾百分?jǐn)?shù)(y)溫度/00100.05.3128.3492.97.6740.0190.39.2643.5388.913.1554.5585.020.8362.7381.628.1867.7578

29、.033.3369.1876.746.2077.5673.852.9279.7172.759.3781.8371.368.4984.9270.085.6289.6268.087.4191.9466.910010064.7注：摘自化工原理課程設(shè)計 P710表19-38（2）。查表2-1，用內(nèi)插法解得塔頂： 98-87.41100-87.41=tLD-66.964.7-66.9 解得tLD=120 100-98100-91.94=64.7-tVD64.7-66.9 解得tVD=120 塔釜： 13.15-18.113.15-20.83=85-tW85-81.6 解得tW=136精餾段平均溫度：t1

30、=tVD+tF2 =120+1202=120提餾段平均溫度： t2=tW+tF2 =136+1202=1282.1.2相對揮發(fā)度計算進(jìn)料溫度（0.6MPa）120，取泡點進(jìn)料q=1;塔頂溫度為120;在120溫度下，根據(jù)安托因公式計算出甲醇和水的飽和蒸汽壓，注：水的安托因常數(shù)為A=7.1827，B=1722.632，C=232.7987。式中 -飽和蒸汽壓，KPa； t-物系溫度，。代入數(shù)據(jù)得，水的飽和蒸汽壓=130.652kpa。甲醇的安托因常數(shù)為A=18.5875，B=3626.55，C=-34.29式中 -飽和蒸汽壓，mmHg； T-物系溫度，K。=3.39代入數(shù)據(jù)得，甲醇的飽和蒸汽壓=

31、442.77 kpa.2.1.3最小回流比確定泡點進(jìn)料q=1，xq=xF,=3.39結(jié)合相平衡方程 yq=xq1+(-1)xq=xF1+（-1)xF=0.927Rmin=xD-yqyq-xq=0.3869用作圖法求最小回流比由于進(jìn)料為泡點進(jìn)料q=1，所以畫q線與平衡線交點，用交點坐標(biāo)x,y求最小回流比 圖2.1 由甲醇-水的平衡數(shù)據(jù)繪制x-y圖操作回流比可取為最小回流比的1.12.0倍，所以取1.2×0.3869=0.4642所以，回流比確定為0.4642物料衡算表R=0.46420.4642×1148.443=533.107kmol/h533.107+1×151

32、0.4896=2143.597kmol/hL+D=533.107+1148.443=1681.55kmol/h表2-2物料衡算表物料流量（kmol/h）組成物料物流（kmol/h） 進(jìn)料F1510.4896甲醇 0.87水 0.13精餾段上升1681.55蒸汽量V塔頂產(chǎn)品D1148.443甲醇0.98水 0.02提餾段上升1681.55蒸汽量V塔底殘液W362.047甲醇0.181水0.819精餾段下降533.107液體量L提餾段下降2143.597液體量L2.1.4熱量衡算2.1.4.1.加熱介質(zhì)的選擇常用的加熱劑有飽和水蒸汽和煙道氣。飽和水蒸汽是一種應(yīng)用最廣的加熱劑。由于飽和水蒸汽冷凝時的

33、傳熱膜系數(shù)很高，可以通過改變蒸汽的壓力準(zhǔn)確地控制加熱溫度。燃料燃燒所排放的煙道氣溫度可達(dá)1001000，適用于高溫加熱。缺點是煙道氣的比熱容及傳熱膜系數(shù)很低，加熱溫度控制困難。本設(shè)計選用0.7MPa（溫度為180）的低壓蒸汽作為加熱介質(zhì)，水蒸汽易獲得、清潔、不易腐蝕加熱管，不但成本會相應(yīng)降低，塔結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜。2.1.4.2冷卻介質(zhì)的選擇常用的冷卻劑是水和空氣，應(yīng)因地制宜加以選用。受當(dāng)?shù)貧鉁叵拗疲鋮s水一般為1035.如需冷卻到較低溫度，則需采用低溫介質(zhì)，如冷凍鹽水、氟利昂等。本設(shè)計選用32的冷卻水,選升溫10，即冷卻水的出口溫度為42.根據(jù)計算所得，=120，=136注：下標(biāo)1為甲醇，下標(biāo)2為

34、水。2.1.4.3冷凝器的熱負(fù)荷 其中 -塔頂上升蒸汽的焓 -塔頂餾出液的焓對于全凝器作熱量衡算（忽略熱量損失）因塔頂餾出液幾乎為純甲醇，故其焓可近似按純甲醇進(jìn)行計算，則全凝器的熱負(fù)荷為（塔頂溫度為65下，甲醇的汽化熱為953.4809kJ/kg）953.4809×1681.55×32.04=5.14×107 kJ/h120下，水的比熱容為1205158.3 kg/h3.再沸器的熱負(fù)荷和加熱蒸汽消耗量在=136下，甲醇的汽化熱為1025.26kJ/kg，水的汽化熱為2254.24 kJ/kg選用0.7MPa（700kpa，180）低壓蒸汽為加熱介質(zhì)再沸器的熱負(fù)荷為

35、因釜殘液幾乎為水，故其焓可按純水進(jìn)行計算，即2254.24×18.02=40621.40kJ/kmol則 1681.55×40621.40=6.83×107 kJ/h加熱蒸汽消耗量為由附錄查得P為700kpa時水的汽化熱為2071.5 kJ/kg。則32971.27kg/h2.1.5理論塔板數(shù)計算應(yīng)用圖解法求理論塔板數(shù)精餾段操作線方程為 截距 0.669連接（，），（0，）與q線交于d點，連接（，）與d點，得到提餾段操作線、然后，由平衡線與操作線可得精餾塔理論板數(shù)，但由于極小，利用作圖法畫出理論板數(shù)，梯級數(shù)為9塊。 圖2.2 加壓塔求理論塔板數(shù)的圖解法塔頂溫度下：

36、=804.252kpa =130.652kpa 804.252/130.652=6.156塔底溫度下：=945.304kpa =308.248kpa945.304/308.248=3.067全塔平均揮發(fā)度：4.345因為塔底設(shè)有再沸器，所以精餾塔理論板數(shù)要比梯級數(shù)少1，所以精餾塔理論板數(shù)為8塊，精餾段為3塊，提餾段為5塊。2.1.6物性參數(shù)計算2.1.6.1.精餾塔設(shè)計的主要依據(jù)和條件表2-5 水在不同溫度下的密度溫度/60708090100110密度/(g/ cm3)0.98320.97780.97180.96530.95840.9510表2-6 甲醇在不同溫度下的密度溫度/10203040

37、5060密度/(g/ cm3)0.80080.79150.78250.77400.76500.7555表2-7 水在不同溫度下的黏度溫度/8090100110120130黏度/0.35650.31650.28380.25890.23730.2177表2-8甲醇在不同溫度下的黏度溫度/10152065.3171.8698.52黏度/0.6860.6380.5910.3320.2950.225用內(nèi)插法可以計算出水和甲醇在塔頂、塔底和進(jìn)料溫度下的密度和黏度舉例：tD=1200.9405 g/ cm30.1641表2-9 水和甲醇在不同溫度下的密度溫度/120136120水密度/(g/ cm3)0.9

38、4050.93660.9541甲醇密度/(g/ cm3)0.69470.68920.7135表2-10 水和甲醇在不同溫度下的黏度溫度/120136120水黏度/()0.19190.17200.2603甲醇黏度/()0.14730.13130.20222.1.6.2.塔頂條件下的流量和物性參數(shù)32.04×0.98+18.02×（1-0.98）=31.76kg/kmol31.76×1681.55=53406.03kg/h31.76×533.107=16931.48kg/h由XD=a132.04a132.04+(1-a1)18.020.98=0.9887，=

39、1-=0.0113 1.4352cm3/g所以 0.6968 g/ cm3=696.8 kg/ m3 0.9707 kg/ m30.1919×0.98+0.1473×（1-0.98）=0.191塔頂出料口質(zhì)量流量：D=1148.443×31.76=36474.55 kg/h表2-11 塔頂部數(shù)據(jù)結(jié)果表符號數(shù)值31.760.9707696.80.19136474.551148.4432.1.6.3.塔底條件下的流量和物性參數(shù)32.04×0.181+18.02×(1-0.181)=20.558kg/kmol0.6151 kg/ m3XW=a132.

40、04a132.04+(1-a1)18.02由于=0.181=0.2821，=0.7179 1.1758cm3/g所以 0.8505 g/ cm3=850.5kg/ m30.1313×0.181+0.1720×（1-0.181）=0.164620.558×1681.55=34569.3kg/h20.558×2143.597=44068.067kg/h塔底質(zhì)量流量：W=362.047×20.558=7442.96kg/h表2-12 塔底部數(shù)據(jù)結(jié)果表符號數(shù)值20.5580.6151850.50.16467442.96362.0472.1.6.4.進(jìn)料

41、條件下的流量和物性參數(shù)32.04×0.79+18.02×(1-0.79)=29.0958 kg/kmol 0.9323 kg/ m3XF=a132.04a132.04+(1-a1)18.02由于=0.79=0.87，=0.131.356 cm3/g所以 0.7375 g/ cm3=737.5kg/ m31681.55×29.0958=48926.04kg/h精餾段：29.0958×533.107=15511.17kg/h提餾段：29.0958×2143.597=62369.67kg/h0.2022×0.79+0.2603×(

42、1-0.79)=0.2144進(jìn)料質(zhì)量流量：F= 45662.1kg/h表2-13 進(jìn)料數(shù)據(jù)結(jié)果表符號數(shù)值29.09580.9323737.50.214445662.11510.48962.1.6.5.精餾段的流量和物性參數(shù)0.9515kg/ m3 717.15kg/ m3 51166.035kg/h16221.325kg/h0.40542.1.6.6.提餾段的流量和物性參數(shù)0.7737kg/ m3794 kg/ m341747.67 kg/h53218.87 kg/h0.1895 2.1.6.7.體積流量塔頂：15.28m3/s塔底：15.61m3/s進(jìn)料： 14.58m3/s精餾段： 14.

43、93m3/s提餾段：15.095m3/s表2-14 精餾段、提餾段數(shù)據(jù)結(jié)果表精餾段提餾段氣相密度0.95150.7737液相密度717.15794氣相摩爾流量1681.551681.55氣相質(zhì)量流量51166.03541747.67液相黏度/0.40540.1895液相摩爾流量533.1072143.597液相質(zhì)量流量16221.32553218.872.2主要設(shè)備加壓精餾塔的設(shè)計計算2.2.1 填料的選擇 填料是填料塔的核心構(gòu)件，它提供了氣液兩相接觸傳質(zhì)與傳熱的表面，與塔內(nèi)件一起決定了填料塔的性質(zhì)。目前，填料的開發(fā)與應(yīng)用仍是沿著散裝填料與規(guī)整填料兩個方面進(jìn)行。本設(shè)計選用規(guī)整填料，規(guī)整填料是一

44、種在塔內(nèi)按均勻幾何圖形排布、整齊堆砌的填料，規(guī)定了氣液流路，改善了溝流和壁流現(xiàn)象，壓降可以很小，同時還可以提供更大的比表面積，在同等溶劑中可以達(dá)到更高的傳質(zhì)、傳熱效果。與散裝填料相比，規(guī)整填料結(jié)構(gòu)均勻、規(guī)則、有對稱性，當(dāng)與散裝填料有相同的比表面積時，填料空隙率更大，具有更大的通量，單位分離能力大。填料是填料塔的核心構(gòu)件，它提供了氣液兩相相接觸傳質(zhì)與傳熱的表面，與塔內(nèi)件一起決定了填料塔的性質(zhì)。目前，填料的開發(fā)與應(yīng)用仍是沿著散裝填料與規(guī)整填料兩個方面進(jìn)行。 本設(shè)計選用規(guī)整填料，金屬板波紋250Y型填料。 規(guī)整填料是一種在塔內(nèi)按均勻圖形排布、整齊堆砌的填料，規(guī)定了氣液流路，改善了溝流和壁流現(xiàn)象，壓降

45、可以很小，同時還可以提供更大的比表面積，在同等溶劑中可以達(dá)到更高的傳質(zhì)、傳熱效果。 與散裝填料相比，規(guī)整填料結(jié)構(gòu)均勻、規(guī)則、有對稱性，當(dāng)與散裝填料有相同的比表面積時，填料空隙率更大，具有更大的通量，單位分離能力大。 250Y型波紋填料是最早研制并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的板波填料，它具有以下特點： （1）比表面積與通用散裝填料相比，可提高近1倍，填料壓降較低，通量和傳質(zhì)效率均有較大幅度提高。 （2）與各種通用板式塔相比，不僅傳質(zhì)面積大幅度提高，而且全塔壓降及效率有很大改善。 （3）工業(yè)生產(chǎn)中氣液質(zhì)均可能帶入“第三相”物質(zhì)，導(dǎo)致散裝填料及某些板式塔無法維持操作。鑒于250Y型填料整齊的幾何結(jié)構(gòu)，顯示出良好

46、的抗堵性能，因而能在某些散裝填料塔不適宜的場合使用，擴(kuò)大了填料塔的應(yīng)用范圍。 鑒于以上250Y型的特點，本設(shè)計采用Mellapok-250Y型填料所選的規(guī)整的參數(shù)為型號峰高mm比表面積m2/m3理論板數(shù)1/m空隙率%壓力降MPa/mCB250Y122502.5-3973.0×10-42.2.2塔徑計算2.2.2.1.精餾段塔徑計算由氣速關(guān)聯(lián)式式中 -干填料因子； -液體粘度，； -金屬絲網(wǎng)規(guī)整填料為0.30； -液體、氣體質(zhì)量流速； -氣體、液體密度； -重力加速度。精餾段：=0.9515kg/ m3，=717.15kg/ m3，=0.97，=250，=0.4054，=1621.32

47、5 kg/h，=51166.035 kg/h，=0.30代入式中求解得 4.26m/s空塔氣速 0.5×4.26=2.13 m/s體積流量 14.93m3/s2.988m圓整后：3000mm，空塔氣速2.2m/s2.2.2.2.提餾段塔徑計算提餾段：=0.7737kg/ m3，=794 kg/ m3，=0.97，=250，=0.1895，=53218.87 kg/h，=41747.67 kg/h，=0.30代入上面的公式中，解得 4.2m/s空塔氣速 0.5×4.2=2.1m/s體積流量 15.095m3/s3.03m圓整后：3100mm，空塔氣速2.1 m/s綜合：整塔塔

48、徑取3100mm。2.2.2.3 液體噴淋密度的驗算 填料塔的液體噴淋密度是指單位時間、單位塔截面上液體的噴淋量，其計算式為 . =14.93×36000.785×3.1×3.1=7124式中 U液體噴淋密度，m3/(m2·h)； Lh液體噴淋量，m3/h； D填料塔直徑，m。 為使填料能獲得良好的潤濕，塔內(nèi)液體噴淋量應(yīng)不低于某一極限值，此極限值稱為最小噴淋密度，以Umin表示。 對于規(guī)整填料，其最小噴淋密度可從有關(guān)填料手冊中查得，設(shè)計中，通常取Umin=0.2。 U>Umin 塔徑符合2.2.3填料層高度和壓降計算2.2.3.1.精餾段 所選的規(guī)

49、整的參數(shù)為型號峰高mm比表面積m2/m3理論板數(shù)1/m空隙率%壓力降MPa/mCB250Y122502.5-3973.0×10-4根據(jù)所選的填料的參數(shù)，選取1m填料高度等于2.5塊理論塔板，壓力降為3.0×10-4MPa/m,即=1/2.5=0.4m,用于加壓操作，HETP要在計算結(jié)果上加0.1m,即HETP=0.5m;3.0×10-4MPa/m=300Pa/m。則精餾段填料層高度為 =3×0.5=1.5m精餾段總壓降3.0×10-4×1.5=450Pa2.2.3.2.提餾段根據(jù)所選的填料的參數(shù)，已知1m填料高度等于2.5塊理論塔板，

50、壓力降為3.0×10-4MPa/m,即=1/2.5+0.1=0.5m；3.0×10-4MPa/m=300Pa/m則提餾段填料層高度為 =5×0.5=2.5m提餾段總壓降3.0×10-4×2.5=750Pa2.2.3.3全塔填料層總高度用上訴方法計算出填料層高度后還應(yīng)留出一定的安全系數(shù)。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，填料層的設(shè)計高度一般為Z，=（1.2-1.5）Z Z，=1.5Z=1.5×4=6m Z精、=2.25m ; Z提、=3.75m2.2.3.4.全塔填料層總壓降=450+750=1200Pa2.2.3.5全塔填料層高度和壓降計算匯總表參數(shù)精餾

51、段提餾段全塔壓降（Pa/m）300300-總壓降/ Pa4507501200填料層高度/m2.253.7562.2.4液體分布器的設(shè)計計算液體在填料塔內(nèi)均勻分布，可以增大填料的潤濕表面積，以提高分離效果，因此液體的初始分布十分重要。所以要求分布裝置要有與填料相匹配的分液密度和均勻的分布質(zhì)量。近年來的實踐表明，大直徑填料塔的放大的問題主要是保證液體初始分布均勻，若能保證單位塔截面的噴淋點數(shù)目與小塔相同，大型填料塔的傳質(zhì)效率將不會低于小型塔。本設(shè)計選用的是多孔型直列排管式液體分布器，其適用于塔徑大于800mm，有壓型塔器設(shè)備?？梢暂^好地解決抗堵、防夾帶等問題，壓降小、負(fù)荷彈性大。其結(jié)構(gòu)如圖所示。2

52、.2.5液體收集器及再分布器設(shè)計計算液體在填料層內(nèi)向下流動時，有偏向塔壁流動的傾向，偏流往往造成塔中心的填料不被潤濕。塔徑越小，對應(yīng)于單位截面積的周邊越長，這種現(xiàn)象越嚴(yán)重。為將流動塔壁處的液體重新匯集并引向塔中央?yún)^(qū)域，可在填料塔層內(nèi)每隔一定高度設(shè)置液體再分布器。本次設(shè)計填料層沒有分段，所以只設(shè)一個液體分布器。選取截錐式再分布器。2.2.6 塔內(nèi)管徑計算及選型2.2.6.1.塔頂蒸汽管從塔頂?shù)嚼淠鞯恼羝麑?dǎo)管，尺寸必須適合，以免產(chǎn)生過大壓降，特別在減壓過程中，過大壓降會影響塔的真空度。操作壓力為0.6MPa，蒸汽速度 圓整后 dp=900mm對應(yīng)法蘭的尺寸如下：公稱直徑管子法蘭螺栓橡膠石棉墊片D

53、gdHDD1D2b重量公斤）數(shù)量直徑×長度外徑內(nèi)徑厚度900920107510209802437.924M24×8098092032.2.6.2回流管L1L=16931.48kg/h696.8kg/m3=24.3m3/hR=0.4642 回流流量VD=24.3×0.4642=11.3m3/h冷凝器安裝在塔頂時，回流液在管道中的流速一般不能過高，否則冷凝器高度也要相應(yīng)提高，對于重力回流，一般取速度為0.20.5m，本次設(shè)計取。 d=4VD3600u=115mm圓整后 d=120mm對應(yīng)法蘭的尺寸如下：公稱直徑管子法蘭螺栓橡膠石棉墊片DgdHDD1D2b重量公斤）數(shù)量直徑×長度外徑內(nèi)徑厚度125133235200178101.988M16×4017813322.2.6.3進(jìn)料管本次加料選用泵加料，所以由泵輸送時可取1.52.5m/s，本次設(shè)計取=1.6m/s。 圓整后 d=200mm公稱直徑管子法蘭螺栓橡膠石棉墊片DgdHDD1D2b重量公斤）數(shù)量直徑×長度外徑內(nèi)徑厚度200219315280258143.88M16×502582192對應(yīng)法蘭