年產(chǎn)15萬噸甲醇三塔精餾工藝設計

1、41/47年產(chǎn)15萬噸甲醇三塔精餾工藝設計The Process Design of Three-tower-distillationon 15kt/a Methanol目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc32687 摘要 PAGEREF _Toc32687 IAbstract HYPERLINK l _Toc20190 PAGEREF _Toc20190 II HYPERLINK l _Toc27762 主要符號說明 PAGEREF _Toc27762 III HYPERLINK l _Toc3844 第一章 甲醇生產(chǎn)及其精餾工藝的選擇 PAGEREF _Toc3

2、844 1 HYPERLINK l _Toc31053 1.1 甲醇的性質(zhì)及用途 PAGEREF _Toc31053 1 HYPERLINK l _Toc7462 1.1.1 甲醇的性質(zhì) PAGEREF _Toc7462 1 HYPERLINK l _Toc16237 1.1.2 甲醇的用途 PAGEREF _Toc16237 2 HYPERLINK l _Toc2965 1.1.3甲醇發(fā)展及前景 PAGEREF _Toc2965 3 HYPERLINK l _Toc9903 1.2 甲醇精餾工藝的比較與選擇 PAGEREF _Toc9903 4 HYPERLINK l _Toc2459 1.

3、2.1 甲醇精餾的重要性 PAGEREF _Toc2459 4 HYPERLINK l _Toc25838 1.2.2 甲醇精餾工藝概述 PAGEREF _Toc25838 4 HYPERLINK l _Toc542 1.2.3 甲醇工藝流程的選擇 PAGEREF _Toc542 5 HYPERLINK l _Toc10950 第二章 工藝計算 PAGEREF _Toc10950 7 HYPERLINK l _Toc10892 2.1 物料衡算 PAGEREF _Toc10892 7 HYPERLINK l _Toc9585 2.1.1 設計任務與摩爾衡算 PAGEREF _Toc9585 7

4、 HYPERLINK l _Toc6538 2.1.2 預塔物料衡算 PAGEREF _Toc6538 8 HYPERLINK l _Toc20694 2.1.3 加壓塔的物料衡算 PAGEREF _Toc20694 8 HYPERLINK l _Toc27224 2.1.4 常壓塔的物料衡算 PAGEREF _Toc27224 8 HYPERLINK l _Toc12562 2.2 熱量衡算 PAGEREF _Toc12562 9 HYPERLINK l _Toc28373 2.2.1 塔頂冷凝器的熱量衡算 PAGEREF _Toc28373 9 HYPERLINK l _Toc23717

5、2.2.2 全塔的熱量衡算 PAGEREF _Toc23717 11 HYPERLINK l _Toc18204 2.2.3 塔釜冷凝再沸器的熱量衡算 PAGEREF _Toc18204 13 HYPERLINK l _Toc12403 第三章 常壓精餾塔設計 PAGEREF _Toc12403 14 HYPERLINK l _Toc13839 3.1 塔板數(shù)的確定 PAGEREF _Toc13839 14 HYPERLINK l _Toc26428 3.1.1 平均相對揮發(fā)度的計算 PAGEREF _Toc26428 14 HYPERLINK l _Toc21818 3.2 理論塔板層數(shù)的求

6、取 PAGEREF _Toc21818 15 HYPERLINK l _Toc29332 3.3 全塔效率和實際塔板層數(shù)的求取 PAGEREF _Toc29332 173.4 精餾段和提餾段的數(shù)據(jù)的計算18 HYPERLINK l _Toc26695 3.5 精餾塔的塔體工藝尺寸 PAGEREF _Toc26695 22 HYPERLINK l _Toc27786 3.5.1 塔徑的計算 PAGEREF _Toc27786 22 HYPERLINK l _Toc91 3.5.2 精餾塔有效高度的計算 PAGEREF _Toc91 24 HYPERLINK l _Toc12554 3.6 塔板主

7、要工藝尺寸的計算 PAGEREF _Toc12554 25 HYPERLINK l _Toc12492 3.7 塔板布置 PAGEREF _Toc12492 27 HYPERLINK l _Toc14725 3.8 浮閥個數(shù)及排列 PAGEREF _Toc14725 27 HYPERLINK l _Toc3855 3.9 浮閥塔板流體力學的驗算 PAGEREF _Toc3855 28 HYPERLINK l _Toc26688 3.9.1 精餾段流體力學的驗算 PAGEREF _Toc26688 28 HYPERLINK l _Toc5231 3.9.2 提餾段流體力學的驗算 PAGEREF

8、_Toc5231 31 HYPERLINK l _Toc22799 3.10 塔板負荷性能圖 PAGEREF _Toc22799 32 HYPERLINK l _Toc7771 3.10.1 精餾段負荷性能圖 PAGEREF _Toc7771 32 HYPERLINK l _Toc2274 3.10.2 提餾段負荷性能圖 PAGEREF _Toc2274 35 HYPERLINK l _Toc32315 3.11 塔體壁厚計算 PAGEREF _Toc32315 37 HYPERLINK l _Toc4820 3.12 接管設計 PAGEREF _Toc4820 38 HYPERLINK l

9、_Toc31945 3.12.1 塔頂蒸氣出口管的直徑DV PAGEREF _Toc31945 38 HYPERLINK l _Toc30364 3.12.2回流管的直徑DR PAGEREF _Toc30364 38 HYPERLINK l _Toc5434 3.12.3 進料管的直徑DF PAGEREF _Toc5434 39 HYPERLINK l _Toc15244 3.12.4 塔底出料管的直徑Dw PAGEREF _Toc15244 39 HYPERLINK l _Toc3780 3.12.5 再沸器返塔連接管直徑DV PAGEREF _Toc3780 39 HYPERLINK l

10、_Toc3907 3.13 常壓塔工藝計算匯總 PAGEREF _Toc3907 40 HYPERLINK l _Toc3198 結(jié) 論 PAGEREF _Toc3198 41 HYPERLINK l _Toc22536 致 謝 PAGEREF _Toc22536 42參考文獻 PAGEREF _Toc8368 43 HYPERLINK l _Toc22536 附 錄 PAGEREF _Toc22536 44年產(chǎn)15萬噸甲醇三塔精餾工藝設計摘要：甲醇作為重要的有機化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料，其用途廣泛，主要應用于精細化工，塑料，農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。正因為其在工業(yè)生產(chǎn)中的重要地位，往往對其純度有較高要求，但合成

11、反應條件如溫度、壓力、催化劑等的作用使合成反應偏離主反應方向生成各種副產(chǎn)物，成為甲醇中的雜質(zhì)，所以為了獲得高純度的甲醇，需進行精餾除質(zhì)。本設計通過對單、雙、三塔三種工藝設計進行比較，最終選用先進、高效和能耗較低的三塔工藝并使用F1重型浮閥塔為精餾系統(tǒng)的主設備。通過物料衡算，得出為了滿足生產(chǎn)每年需16.64萬噸含92%的粗甲醇；通過對常壓塔的工藝尺寸計算，得出塔高為31.88米，塔徑為1.4米，精餾段塔板數(shù)為20塊，提餾段塔板數(shù)為30板，等主要參數(shù)并對部分設備進行校核。通過核算就本設計在生產(chǎn)中的可行性進行分析，最終表明本設計在生產(chǎn)中是可行的。關(guān)鍵詞：甲醇 三塔精餾 常壓塔 工業(yè)設計 The Pr

12、ocess Design of Three-tower-distillation on 150kt/a MethanolAbstract：Methanol as an important organic chemical raw materials and fuel quality, wide range of uses, mainly used in the field of fine chemicals, plastics, and agriculture. Because of its important role in the industrial production, the hi

13、gher the purity is often required, but the effect of reaction conditions such as temperature, pressure, catalyst of the synthesis reaction deviates from the main direction of the reaction byproducts generated various become methanol impurities, so in order to obtain a high purity methanol, except fo

14、r the quality required for distillation. Through this design, single, double, three towers designed to compare three processes, the final selection of advanced, efficient, and low power consumption technology and use F1 Three Pagodas heavy float valve tower distillation system for the master device.

15、 By material balance, come to meet production needs 166,400 tons of crude methanol containing 92% annually; through the atmospheric tower geometries calculated the tower is 31.88 meters high, the tower diameter of 1.4 meters, rectifying section of the column plate number 20, number plate stripping s

16、ection 30 boards, and other parts of the device and the main parameters to be checked. By accounting for analysis on the feasibility of the design in production, and ultimately show that the design is feasible in production.Key words：Methanol; Three-tower-distillation; Atmospheric tower; Process des

17、ign;主要符號說明Aa塔板開孔區(qū)面積，m2； Af降液管截面積，m2； AT塔截面積，m2； Co流量系數(shù)，無因次； D塔徑，m； eV液沫夾帶量，kg(液)/kg(氣) ； E液流收縮系數(shù)，無因次； ET總板效率，無因次；F閥孔氣相動能因子，kg1/2/(s.m1/2) g重力加速度，9.81 m/s2；hc與干板壓降相當?shù)囊褐叨?，m液柱； h1與板上液層阻力相當?shù)囊褐叨?，m液柱；ho 降液管的底隙高度，m； h與克服表面張力的壓降相當?shù)囊褐叨?，m液柱； hd與液體過降壓管的壓降相當?shù)囊褐叨?，m； hL 板上清液層高度，m； hOW堰上液層高度，m； hW出口堰高度，m； HT 板

18、塔間距，m; H塔高度，m; K穩(wěn)定系數(shù)，無因次；Lw 堰長，m； Lh液體體積流量 ，m3/h；LS液體體積流量 ，m3/s； n閥孔數(shù)目；NT理論塔板層數(shù)； P操作壓力，Pa;P 壓力降，Pa; Pp氣體通過每層塔板的壓降，Pa；r鼓泡區(qū)半徑，m； t浮閥孔的中心距，m；氣體通過浮閥孔的速度，m/s; 漏液點氣速，m/s;Vh 氣體體積流量，m3/h； Vs氣體體積流量，m3/s；Wc 邊緣區(qū)寬度，m； Wd 弓形降液管寬m；WS 破沫區(qū)寬度，m； x 液相摩爾分數(shù)；y 氣相摩爾分數(shù)； Z塔的有效高m；u空塔氣速，m/s;第一章 甲醇生產(chǎn)及其精餾工藝的選擇1.1 甲醇的性質(zhì)及用途1.1.1

19、 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分子式為CH3OH，結(jié)構(gòu)式如下： 分子結(jié)構(gòu)：C原子以sp3雜化軌道成鍵，O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溶劑。甲醇有毒，誤飲510毫升能雙目失明，大量飲用會導致死亡。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：2C

20、H3OH+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。甲醇可以和水以及許多有機液體如乙醇、乙醚等無限地混合，但不能與脂肪族烴類相混合。它易于吸收水蒸汽、二氧化碳和某些其他物質(zhì)，因此，只有用特殊的方法才能制得完全無水的甲醇。同樣，也難以從甲醇中清除有機雜質(zhì)，產(chǎn)品甲醇總含有有機雜質(zhì)約0.01以下。 甲醇可以任意比例同多種有機化合物互溶，并與其中的一些有機化合物生成共沸混合物，據(jù)文獻記載，迄今己發(fā)現(xiàn)與甲醇一起生成共沸混合物的物質(zhì)有1

21、00種以上。共沸混合物與甲醇的沸點比較接近，將影響到蒸餾過程對有機雜質(zhì)的消除。表1.1 甲醇的一般性質(zhì)性質(zhì)數(shù)據(jù)性質(zhì)數(shù)據(jù)密度0.8100g/ml()導熱系數(shù)2.09103J/（cm.s.K）沸點 64.564.7表面張力22.55dyn/cm（20）熔點-97.8粘度5.945104Pa.S(20)臨界溫度240燃燒熱727.038KJ/mol(25液體)臨界壓力78.5atm臨界體積117.8ml/mol生成熱238.798KJ/mol（25液體）201.385KJ/mol（25氣體）臨界壓縮系數(shù)0.224蒸汽壓96.6mmHg（20）腐蝕性常溫無腐蝕性（鉛、鋁例外）熱容2.512.53J(g

22、.) (225液體)，爆炸性6.036.5%（Vol）（在空氣中爆炸范圍）甲醇具有上述多種重要的性質(zhì)，使它在許多工業(yè)部門得到廣泛的用途，特別是由于能源結(jié)構(gòu)的改變，和化學工業(yè)的發(fā)展，甲醇的許多重要的工業(yè)用途正在研究開發(fā)中，例如甲醇可以裂解制氫，用于燃料電池，日益引人注目；甲醇加一氧化碳加氫可以合成乙醇；甲醇可以裂解制烯烴等等。這對石油化工原料的多樣化，面對石油資源日漸枯竭對能源結(jié)構(gòu)的改變，具有重要意義。甲醇化工的新領(lǐng)域不斷地被開發(fā)出來，其廣度和深度正在發(fā)生深刻的變化。1.1.2 甲醇的用途目前，甲醇在有機合成工業(yè)中，是僅次于烯烴和芳烴的重要基礎有機原料。隨著技術(shù)的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的改變，甲醇又開辟

23、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，是基礎的有機化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料。主要應用于精細化工，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，潛在的耗用量遠遠超過其化工用途，滲透到國民經(jīng)濟的各個部門。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燃

24、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)模有了突飛猛進的發(fā)展。從我國能源結(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)展起來附 錄附錄A：甲醇三塔精餾工藝流程圖附錄B：浮閥精餾塔設備圖。1.1.3甲醇發(fā)展及前景(1)甲醇的消費量我國甲醇的消費增長也很快，從1957年的1.664kt，到1990年的83kt，再到1990年的660kt、1991年的780kt，而1995年已經(jīng)達到1133.8kt，1996年達到1081

25、.8kt，2005年7200kt，2008年實際產(chǎn)量達到11260kt，到了2009年全年產(chǎn)量達到近11160kt，新增產(chǎn)能約為850萬噸，而且各地還在籌劃建設的甲醇產(chǎn)能高達4320萬噸，其中有相當一部分配套生產(chǎn)其他煤化工產(chǎn)品。(2)中國甲醇工業(yè)發(fā)展前景近幾年我國甲醇工業(yè)的發(fā)展來看，良好的宏觀經(jīng)濟環(huán)境和下游需求的高速增長使我國的甲醇工業(yè)繼續(xù)保持著穩(wěn)定快速的增長，另外甲醇工業(yè)有較多的下游產(chǎn)品。如甲醛、甲醇汽油、二甲醚等，甲醇需求量與經(jīng)濟的總體發(fā)展有密切關(guān)系。2005年世界甲醇需求量為3800萬噸左右，全球甲醇需求年增長率約在4以上，2010年全球甲醇產(chǎn)量達到5099萬噸，需求量約為4226萬噸。

26、而與此同時，世界甲醇生產(chǎn)格局的變化導致消費格局發(fā)生重大變化。如工業(yè)發(fā)達的美國、西歐、日本等國目前已成為甲醇的主要生產(chǎn)國。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，我國的石油消費總量迅速上升，對進口石油依賴性越來越大，使能源供應的安全問題十分突出，盡快實現(xiàn)能源多樣化，加速代用油品的步伐已成當務之急。在我國整個石油消費市場中，汽油、柴油的消費超過總消費的50%以上，這也是我國能源結(jié)構(gòu)性矛盾的關(guān)鍵所在。據(jù)有關(guān)部門預測，在未來20年內(nèi)我國汽車擁有量將翻一番，更加劇了我國能源危機。另一方面，根據(jù)環(huán)境保護要求，汽車及其他內(nèi)燃機必須采取必要的措施，使尾氣中的CO和烴類等污染物的排放減少，重新尋求潔凈能源和新燃

27、料顯得尤為重要。隨著國家對環(huán)保和生態(tài)治理力度的不斷加大，各大中城市相繼出臺禁止機動車輛使用含鉛汽油的規(guī)定，無鉛汽油所必須的添加劑MTBE將會大幅度增加。多年來，我國一直是甲醇的進口國，特別是最近幾年，國內(nèi)對甲醇的進口量一直保持較高的增長，這同時也表明國內(nèi)甲醇生產(chǎn)成本偏高，工藝技術(shù)落后，能耗高，無法與國外產(chǎn)品抗衡。1.2甲醇精餾工藝的比較與選擇1.2.1甲醇精餾的重要性甲醇作為及其重要的有機化工原料，是碳一化學工業(yè)的基礎產(chǎn)品，在國民經(jīng)濟中占有重要地位。隨著甲醇生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展，節(jié)能降耗和如何提高產(chǎn)品質(zhì)量成為提高甲醇市場競爭力的重要因素，而甲醇生產(chǎn)主要包括原料氣的制備、凈化、壓縮、合成與精餾工段

28、。提高甲醇質(zhì)量要優(yōu)化精餾過程，也要提高粗甲醇的質(zhì)量，而粗甲醇中含有雜質(zhì)的種類和甲醇質(zhì)量，又與原料結(jié)構(gòu)、合成氣的組成和合成條件，甚至設備的材質(zhì)有關(guān)?？梢姶旨状嫉馁|(zhì)量決定了精餾過程的難易,當前甲醇合成多采用銅系催化劑的中、低壓法，由于反應溫度低，減少了副反應，因此降低了粗甲醇的雜質(zhì)含量，為精餾過程創(chuàng)造了有利條件。不論甲醇合成工藝如何改進，粗甲醇中總是含有部分雜質(zhì)，需要通過精餾的方法除去，所以最終決定精甲醇質(zhì)量的步驟仍在精餾工序。精餾工藝是石油、化工工業(yè)中耗能大的單元操作之一，一直是被密切關(guān)注的重要節(jié)能課題。顯然，在追求降低甲醇生產(chǎn)總能耗的同時對降低精餾的能耗亦不容忽視。1.2.2甲醇精餾工藝概述常

29、規(guī)甲醇精制流程可以分為兩大部分，第一部分是預精餾部分，另一部分是主精餾部分。預精餾部分除了對粗甲醇進行萃取精餾脫出某些烷烴的作用之外，另外的還可以脫除二甲醚，和其它輕組分有機雜質(zhì)。其底部的出料被加到主塔的進料板上，主塔頂部出粗甲醇，底部出廢液。甲醇市場競爭非常激烈，特別是近年來，隨著甲醇精餾技術(shù)的進步和計算機在該領(lǐng)域的廣泛應用，舊工業(yè)裝置由于能耗過高，在市場上的競爭力下降，技術(shù)更新和進步將成為必走之路。甲醇精餾生產(chǎn)工藝有多種，分為單塔精餾，雙塔精餾和三塔精餾。甲醇精餾過程的能耗與粗甲醇質(zhì)量關(guān)系很大，隨著甲醇合成條件改進，甲醇精餾工藝出現(xiàn)了較大變化。單塔精餾工藝多用于燃料級甲醇，其它幾種流程多用

30、于生產(chǎn)精甲醇，三塔精餾工藝是在雙塔流程基礎上改進的，其共同點是首先分離出輕組分，然后再分離出水和高沸物。在確定粗甲醇精餾的工藝流程時，應對生產(chǎn)過程中能耗、自動程度、精甲醇質(zhì)量要求等進行綜合考慮，合理選擇適當?shù)木s方法。1.2.3甲醇工藝流程的選擇甲醇精餾的目的，是實現(xiàn)甲醇與水及有機物等雜質(zhì)的分離，生產(chǎn)出合格的精甲醇產(chǎn)品。三塔流程實際上是將二塔流程中的主精餾塔分成了加壓塔和常壓塔。這樣，在同等的生產(chǎn)條件下，降低了主精餾塔的負荷，并且常壓塔利用加壓塔塔頂?shù)恼羝淠裏嶙鳛榧訜嵩?。三塔流程雖然比二塔流程復雜，一次性投入比雙塔精餾高出20%30%，操作難度大，但突出的優(yōu)點是節(jié)能降耗，產(chǎn)品質(zhì)量高，操作費用

31、低。隨著三塔精餾生產(chǎn)規(guī)模的擴大，能耗還有進一步下降的空間。通過計算與比較，本甲醇精餾裝置采用的是以規(guī)整填料為塔內(nèi)件的三塔精餾工藝，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熱器熱源，以節(jié)約能量。 采用規(guī)整填料為塔內(nèi)件的三塔精餾工藝，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。圖1.1 甲醇三塔精餾工藝流程甲醇三塔精餾工藝流程所示。從合成工序來的粗甲醇入預

32、精餾塔，在塔頂除去輕組分及不凝氣，塔底含水甲醇由泵送加壓塔。加壓塔操作壓力為57bar(G)，塔頂甲醇蒸氣全凝后，部分作為回流經(jīng)回流泵返回塔頂，其余作為精甲醇產(chǎn)品送產(chǎn)品儲槽，塔底含水甲醇則進常壓塔。同樣，常壓塔塔頂出的精甲醇一部分作為回流，一部分與加壓塔產(chǎn)品混合進入甲醇產(chǎn)品儲槽。三塔程（見圖1.1）的主要特點是，加壓塔塔頂冷凝潛熱用作常壓塔塔釜再沸器的熱源，這樣既節(jié)省加熱蒸汽，還節(jié)省冷卻水，達到節(jié)能的目的。從粗甲醇合成工段送來的粗甲醇到粗甲醇貯槽,經(jīng)粗甲醇泵打到粗甲醇預熱器，由蒸汽冷凝液升溫至70左右進入預精餾塔，預精餾塔下部的再沸器采用0.5MPa低壓蒸汽間接加熱粗甲醇，保持溫度在80左右，

33、塔頂溫度用回流液控制在64左右，粗甲醇應加堿控制其PH值，以減少粗甲醇介質(zhì)對設備的腐蝕，同時為了增加輕組分物質(zhì)與甲醇的沸點差，應控制粗醇具有一定的濃度，一般控制預后粗甲醇比重為0.860.88。預精餾塔釜液依次通過加壓塔進料泵、預后粗甲醇預熱器進入加壓精餾塔，用0.5MPa低壓蒸汽加熱加壓精餾塔釜液，控制塔釜溫度在130132，溫度約122的塔頂蒸汽進入常壓塔再沸器冷凝，冷凝液一部分通過加壓塔回流分配器回加壓精餾塔作為回流液，另一部分經(jīng)過加壓精甲醇冷卻器冷卻至3540作為產(chǎn)品去精甲醇產(chǎn)品貯槽，塔底較稀的甲醇溶液經(jīng)冷卻進入常壓精餾塔。常壓精餾塔塔釜再沸器由加壓塔塔頂蒸汽加熱，塔頂蒸汽去常壓塔冷凝

34、器，冷凝液一部分打入塔頂作為回流液，另一部分經(jīng)精甲醇冷卻器冷卻后作為產(chǎn)品去精甲醇醇貯槽。本工序的含醇排凈液由封閉系統(tǒng)收集于地下槽中，再由地下槽泵送至粗甲醇貯槽，這樣可避免設備、管道在檢修時排出的含醇排凈液對環(huán)境造成污染。第二章 工藝計算 甲醇的三塔精餾工藝由預塔、加壓塔、常壓塔組成，根據(jù)已知的數(shù)據(jù)分別對其進行物料衡算與熱量衡算。2.1 物料衡算2.1.1設計任務與摩爾衡算表2.1粗甲醇進料組成主要成分CH3OHH2OCH3OCH3Wt%92%7%1%由于其他組分含量甚微，這里忽略不計。已知:=32.04kg/kmol =18.02kg/kmol =46.07 kg/kmol則各組分摩爾分率如下

35、：= = 0.875= = 0.119= 10.8750.119 = 0.006平均摩爾質(zhì)量=0.87532.040.11918.020.00646.07=30.46 kg/kmol年產(chǎn)精甲醇15萬噸，則每天應產(chǎn)精甲醇為：15/(30024)=20833.33（/h）按精甲醇收率為98%,則粗甲醇進料為： 20833.33/(0.920.98)=23107.07（/h）原料液摩爾流量為：= 23107.07/30.46 = 758.60（kmol/h）進料中甲醇摩爾流量：= 758.600.875 = 663.78（kmol/h）進料中水摩爾流量： = 758.600.119 = 90.27（

36、kmol/h）進料中二甲醚摩爾流量：= 758.600.006 = 4.55（kmol/h）2.1.2預塔物料衡算通過后面的加壓塔、常壓塔和回收塔對甲醇精餾得到精甲醇，因此預精餾塔的主要產(chǎn)品是輕餾分二甲醚。甲醇：663.78（kmol/h），水：90.27（kmol/h），二甲醚：4.55（kmol/h）堿液：23107.070.5% = 115.53（/h）軟水加入量為:粗甲醇小時量20%補入堿液帶水量23107.0720%-115.5395% = 4511.67（/h）塔頂初餾物量：初餾物量= 預塔進料2.5% = 23107.072.5% = 577.68（/h）其中 二甲醚：231.0

37、7 /h 甲醇：346.61 /h塔底殘液量（加壓塔進料組成）殘液量= 23107.07115.534511.67577.68= 27156.59（/h）其中 甲醇：23107.070.92346.61=20911.89（/h） 水：1617.494511.67115.53= 6244.69（/h）氫氧化鈉含量很小，忽略不計。2.1.3加壓塔的物料衡算加壓塔在加壓下操作，泡點溫度進料，假設 =0.9985， = 0.25。= 999.87 （kmol/h） =0.652 總物料衡算 = + （2.1）甲醇物料衡算 = + （2.2）=537.00（kmol/h） =462.87（kmol/h）

38、式中 、分別為原料液、餾出液和釜殘液流量，kmol/h；、分別為原料液、餾出液和釜殘液中易揮發(fā)組分的摩爾分率。2.1.4常壓塔的物料衡算設常壓塔在常壓下操作，泡點溫度進料。進料組成為= 0.25，塔頂要求=0.9985，塔釜要求= 0.005。= 462.87 （kmol/h） =0.25 總物料衡算 = + 甲醇物料衡算 = + =114.15（kmol/h） =348.72（kmol/h）2.2 熱量衡算 通過對加壓塔、常壓塔兩塔的進出熱量進行統(tǒng)計，對兩塔進行熱量衡算。2.2.1塔頂冷凝器的熱量衡算(1)熱量衡算式QVQWQLQD圖2.1 塔頂冷凝器的熱量衡算圖如圖所示，根據(jù)熱量衡算式，有

39、： （2.3）式中 塔頂蒸氣帶入系統(tǒng)的熱量； 回流液帶出系統(tǒng)的熱量； 餾出液帶出系統(tǒng)的熱量； 冷凝水帶出系統(tǒng)的熱量。(2)各股物流的溫度與壓力由塔頂蒸汽組成xD=0.9985，通過汽液平衡數(shù)據(jù)表，經(jīng)過試差法可知塔頂蒸氣溫度為64.5，該溫度也為回流液和餾出液的溫度。有給定條件知：塔頂?shù)牟僮鲏簭姙镻=101.33kPa基準態(tài)的選擇以101.33kPa、64.5的液態(tài)甲醇與水熱量衡算的基準態(tài)，則： QL=QD=0(3)各股物流熱量的計算查得甲醇與水在正常沸點下的汽化焓分別為：VHm甲醇（Tb）=35.28kJmol VHm水（Tb）=40.69kJmol正常沸點分別為： Tb甲醇=337.85K

40、Tb水=373.15K 使用Watson公式計算甲醇和水在64.5的汽化焓： VHm(T2)=VHm(T1)()0.38 （2.4）式中 TC臨界溫度查得甲醇和水的臨界溫度分別為： Tc甲醇=512.64K Tc水=647.30K對于甲醇： rHm甲醇(64.5)=35.28()=35.30kJmol-1對于水： rHm水(64.5)=40.69()0.38=42.62kJmol-1由此可計算進入塔頂冷凝器蒸氣的熱量為： =VxD rHm甲醇(64.5)+V(1-xD) rHm水(64.5) =312.770.998535.30+312.770.001542.62 =11044.22103kJ

41、/h代入到熱量衡算式中，可求得塔頂冷凝器帶走的熱量的： =11044.22103kJ/h(4)冷卻水的用量 設冷卻水的流量為qm,則： =qmCp(t2-t1) （2.5）取 t1=25 t2=45以進出口水溫的平均值為定性溫度： tm= eq f(t1+t2,2) =35查得水在35時的比熱容為： Cpm=4.22kJ/(kg) qm=130.86103kg/h2.2.2全塔的熱量衡算如圖所示，對精餾塔進行全塔的熱量衡算。QFQWQDQLQWQB圖2.2 全塔熱量衡算圖(1)熱量衡算式根據(jù)熱量衡算式，可得： QF+QB=QD+QW+QL （2.6）由設計條件知：QL=5%QB=0.05 QB

42、 QF+0.95QB=QD+QW + QW ep f(1388.90.4821,18) ep f(1388.90.4821) eq f(a.b) eqf(a.b) eqf(a.b) 式中QF進料帶入系統(tǒng)的熱量 QB加熱蒸氣帶入系統(tǒng)的熱量 QD餾出液帶出系統(tǒng)的熱量 QW釜殘液帶出系統(tǒng)的熱量 QW冷卻水帶出系統(tǒng)的熱量 QL熱損失各股物流的溫度由各股物流的組成，根據(jù)汽液平衡數(shù)據(jù)表，可得個股物流的溫度分別為：tF86.10 tD64.50 tW99.65基準態(tài)的選擇以101.33kPa、64.5的液態(tài)甲醇和水為熱量衡算的基準態(tài)，且忽略壓力的影響，則：QD=0(2)各股物流熱量的計算由于溫度變化不大，采

43、用平均溫度：根據(jù)比熱容計算各股物流的熱量。據(jù)： CpmabTcT2+ dT3 （2.7）查得：（甲醇） a=40.15 b=31.05102 c=10.29104 d=1.46106 （水） a=92.05 b=-3.995102 c=2.11104 d=0.535106故甲醇的比熱容為：= 40.15+31.05102355.23+（10.29104）355.232+1.46106355.233=86.02水的比熱容為：=92.05+（-3.995）10-2 355.23+（-2.11）10-4355.232+0.53510-6355.233=75.21由此可求得進料與釜殘液的熱量分別為：=

44、462.870.2586.0221.6+462.870.7575.2121.6=778968.55 (kJ/h) =348.720.00586.0235.15+348.720.99575.2135.15 =922304.54( kJ/h)將以上結(jié)果代入到熱量衡算式中：778968.550.95QB0922304.5411044.22103解得： QB11776374.73( kJ/h)熱損失為： QL0.05QB0.0511776374.73588818.74（kJ/h）2.2.3塔釜冷凝再沸器的熱量衡算視加壓塔塔頂為純甲醇蒸汽。已知甲醇蒸氣的壓力為0.57MPa（絕壓），查得該壓力下甲醇蒸汽

45、的汽化熱為 r940kJ/kg加壓塔塔頂甲醇采出量為=537.00（kmol/h）設熱損失為0.1，則甲醇蒸汽冷凝所提供的熱量為 QB0.9qm.r=0.9537.0032.04940=14555836.08 kJ/h故加壓塔塔頂甲醇蒸汽可以為冷凝再沸器提供足夠的熱量而冷凝再沸器實際所需要的甲醇蒸汽量熱量衡算表表2.2熱量衡算表 基準：1h輸 入輸 出項目kJ項目kJ進料778968.55餾出液0甲醇蒸汽11776374.73釜殘液922304.54冷卻水11044.22103熱損失588818.74總計12555343.2812555343.28第三章 常壓精餾塔設計 對于精餾工藝中的常壓塔

46、，通過計算求出塔板數(shù)、塔高、壁厚、塔徑、浮閥數(shù)等主要參數(shù)并對其進行校核。3.1塔板數(shù)的確定 通過對常壓塔的理論塔板數(shù)與塔板效率進行計算，得出實際塔板數(shù)。3.1.1平均相對揮發(fā)度的計算視甲醇與水為理想物系，故塔的平均揮發(fā)度的確定可運用安托寧方程和拉烏爾定律。采用試差法，通過Excel計算。 = A - （3.1） （3.2）雙組份理想液體相對揮發(fā)度的計算3：= （3.3）式中：-純組分液體的飽和蒸汽壓，MPa； T-溫度，K； A、B、C-安托寧常數(shù)。由表查得； ，-液體溫度為T時純組分A、B的飽和蒸汽壓，KPa; -相對揮發(fā)度 其中操作壓力設為101.33 KPa,故P=101.33 KPa采

47、用試差法，先在Excel中設計好相應表格，表格設計思路為：要計算某一組成下混合液的泡點溫度以及相對揮發(fā)度，則在Excel中假定一t值，代入公式4.1中計算出、,再將計算得到的、代入公式4.2中，計算出相應的值，若計算得到的值與所求的混合液組成的值相同，則假定的t值正確，同時可得到相應的值。計算結(jié)果見表4.1。平均相對揮發(fā)度的計算= （3.4）計算得甲醇和水的平均相對揮發(fā)度：=3.76塔頂產(chǎn)品塔底產(chǎn)品進料液=0.9985= 0.005= 0.25= 337.70 K= 372.80 K= 359.30 K=4.12=3.48=3.70 表4.1 塔頂產(chǎn)品、塔底產(chǎn)品、進料液的泡點溫度及相對揮發(fā)度3

48、.2理論塔板層數(shù)的求?。?）求最小回流比及操作回流比因為設為泡點進料，所以 線方程：=相平衡線方程： （3.5）即=0.25 解得0.556 （3.6）操作回流比可取為最小回流比的1.12.0倍，所以取=1.2 =1.451.2=1.74求精餾塔的氣、液相負荷精餾段回流液量：= 1.74114.15 =198.62（kmol/h）精餾段上升蒸汽量：= 2.74114.15=312.77（kmol/h）提餾段回流液量：198.62+462.87=661.49（kmol/h）提餾段上升蒸汽量：=312.77（kmol/h）求操作線方程精餾段操作線方程為： （3.7）提餾段操作線方程為： （3.8）

49、（2）計算法求理論塔板層數(shù)采用逐板計算法，運用Excel交替使用相平衡方程和操作線方程可以快捷、準確地計算出理論塔板數(shù)。其Excel表格設計原理如下：（相平衡）（精餾段操線）計算到則第n-1塊塔板為進料板（相平衡）（精餾段操線）計算到1000mm,故需設人孔。一般每隔68塊塔板設一人孔，所以本設計開6個人孔，即nP=6。采用人孔的直徑為450mm，人孔伸出塔體長200mm。設人孔處的板間距為HP =700mm。（5）裙座裙式支座是由座圈、基礎環(huán)和地腳螺栓座組成。座圈上開有人孔、引出管孔、排氣孔和排污孔。裙座高度是指從塔底封頭切線到基礎環(huán)之間的高度。圓筒形裙式支座制作方便，經(jīng)濟合理，在塔設備支撐

50、中廣泛采用。裙座的座圈高度一般又工藝決定，有再沸器是為35m。所以本設計采用H2=3m。整個精餾塔的有效高度為H=(50-1) 0.5+(0.7-0.5)6+2.3+1.5+0.38+3=31.88m3.6塔板主要工藝尺寸的計算溢流堰裝置計算因塔徑D=1.4m，可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤,深度hw=50mm。由于塔徑小于等于1400mm，故受液盤只需要開一個直徑為10mm的淚孔。堰長取 LW=0.7D=0.71.4=0.98m溢流堰高度hW由hW=hL-hOW選用平直堰，堰上液層高度由下式計算hOW= eq f(2.84,1000) E()2/3 取上清液層高度hL=60mm近似取

51、E=1,則 精餾段 hOW= eq f(2.84,1000) 1()2/3=0.01m故hW=0.06-0.01=0.05m 提餾段 hOW= eq f(2.84,1000) 1()2/3=0.0168m故hW=0.06-0.0168=0.0432m取精餾段與提餾段出口堰hW =hW=0.05m。則精餾段上清液層高度修正為hL=0.05+0.01=0.60m則提餾段上清液層高度修正為hL=0.05+0.0168=0.668m修正的hL對計算umax影響不大，故塔徑的計算不用修正。弓形降液管寬度Wd和截面積Af由 =0.7查弓形降液管參數(shù)曲線得 eq f(Af,AT) =0.095 eq f(W

52、d,D) =0.155則Af=0.095AT=0.0951.54=0.1463m2Wd=0.155D=0.1551.4=0.217m依下式驗算液體在降液管中停留時間精餾段 = eq f(3600AfHT,Lh) =41.10 s5s 提餾段 = eq f(3600AfHT,Lh) =18.76 s5s故降液管設計合理。降液管的底隙高度液體通過降液管底隙的流速一般為0.070.25m/s，取液體通過降液管底隙的流速，則有：精餾段 提餾段 取精餾段降液管底隙高度=0.02m取提餾段降液管底隙高度 =0.035m0.0060.012 且流速在0.070.25m/s范圍內(nèi)，降液管底隙高度設計合理。3.

53、7塔板布置(1)塔板分塊，因D1400mm，查表將塔板分作4塊安裝。(2)邊緣區(qū)寬度確定取Ws= Ws=0.07m WC=0.05m開孔區(qū)面積計算Aa=2(x eq r(r2-x2) + eq f(r2,180) sin-1 eq f(x,r) ) 其中 x= eq f(D,2) -(Wd+Ws)= -(0.217+0.07)=0.413 r= eq f(D,2) -WC=-0.05=0.65故 Aa=2(0.413+sin-1)=0.996m23.8浮閥個數(shù)及排列精餾段浮閥個數(shù)及排列取F1型浮閥，其閥孔直徑d=39mm，初取閥孔動能因子=10，故閥孔的孔速 =9.67(m/s) 浮閥個數(shù) 個

54、 擬定塔板采用等腰三角形排列。取孔心距t75mm作等腰三角形叉排時，m。此處取h65mm。根據(jù)初步估算提供的孔心距t75mm和叉排高度h70mm在塔板上布置浮閥，實得浮閥個數(shù)為189個。根據(jù)在塔板上布置得到的浮閥個數(shù)重新計算塔板的各參數(shù)。實際閥孔氣速 (m/s) 動能因子（在經(jīng)驗值范圍之內(nèi)）開孔率為：= =14.66% 提餾段浮閥個數(shù)及排列取F1型浮閥，其閥孔直徑d=39mm，初取閥孔動能因子=10，故閥孔的孔速 =10.68(m/s)浮閥個數(shù) 個擬定塔板采用等腰三角形排列。取孔心距t75mm作等腰三角形叉排時，m。此處取h75mm。根據(jù)初步估算提供的孔心距t75mm和叉排高度h75mm在塔板

55、上布置浮閥，實得浮閥個數(shù)為177個。根據(jù)在塔板上布置得到的浮閥個數(shù)重新計算塔板的各參數(shù)。實際閥孔氣速m/s動能因子（在經(jīng)驗值范圍之內(nèi)）開孔率為：= =13.72%3.9浮閥塔板流體力學的驗算3.9.1精餾段流體力學的驗算（1）塔板壓降氣體通過浮閥塔板的壓力降(單板壓降)可以由下式計算式中氣體通過干板的壓降板上充氣液層阻力液體表面張力所造成的阻力（2）氣體通過干板的壓降臨界孔速 因，故應在浮閥全開狀態(tài)下計算干板壓降。m 板上充氣液層阻力取充氣系數(shù)=0.5 =hL=0.50.06=0.03m（3）液體表面張力所造成的阻力，此阻力很小，忽略不計。因此，氣體流經(jīng)一層浮閥塔板的壓強降所相當?shù)囊褐叨葹椋?/p>

56、=0.03+0.0379=0.0679m單板壓降 PP=0.0679827.059.81=550.90(Pa)0.6KPa 符合設計要求。（4）霧沫夾帶量校核泛點率 式中 板上液體流經(jīng)長度，m; 板上液流面積，m2 ；泛點負荷系數(shù)，; K特性系數(shù)。板上液流長度Zm根據(jù)kg/m3及HT0.50m，查得=0.12。取K1.0。泛點率小于80%，故不會產(chǎn)生過量的霧沫夾帶。（5）漏液校核當閥孔的動能因子Fo小于5時將會發(fā)生嚴重漏液，故漏液點的孔速可按Fo5計算m/s 穩(wěn)定性系數(shù)（不會產(chǎn)生過量液漏）（6）降液管液泛校核為防止降液管發(fā)生液泛，應使降液管中的清液層高度而 式中：液體通過降液管的壓頭損失 板上

57、液層高度 氣體通過單層塔板壓降所相當?shù)囊褐叨萴 0.0013+0.06+0.0658=0.127m取=0.5 已選定=0.5 m, =0.050m =0.275故成立，故不會產(chǎn)生降液管液泛。通過流體力學驗算，可認為精餾段塔徑及塔板各工藝結(jié)構(gòu)尺寸合適3.9.2提餾段流體力學的驗算1.塔板壓降（1）氣體通過干板的壓降臨界孔速因，故應在浮閥未全開狀態(tài)下計算干板壓降。m （2）板上充氣液層阻力取充氣系數(shù)=0.5 =hL=0.50.0668=0.0334m （3）液體表面張力所造成的阻力，此阻力很小，忽略不計。因此，氣體流經(jīng)一層浮閥塔板的壓強降所相當?shù)囊褐叨葹椋?0.0334+0.0322=0.06

58、56m單板壓降 PP=0.0656927.319.81=596.76(Pa)符合設計要求。2.霧沫夾帶量校核板上液流長度Zm根據(jù)0.876kg/m3及HT0.50m查得=0.11。取K1.0。泛點率小于80%，故不會產(chǎn)生過量的霧沫夾帶。3.漏液校核當閥孔的動能因子Fo小于5時將會發(fā)生嚴重漏液，故漏液點的孔速可按Fo5計算m/s穩(wěn)定性系數(shù)（不會產(chǎn)生過量液漏）4.降液管液泛校核為防止降液管發(fā)生液泛，應使降液管中的清液層高度而 m0.002+0.0668+0.0656=0.134m取=0.5 已選定=0.5 m, =0.05 m =0.275故成立，故不會產(chǎn)生降液管液泛。通過流體力學驗算，可認為精餾

59、段塔徑及塔板各工藝結(jié)構(gòu)尺寸合適3.10塔板負荷性能圖3.10.1精餾段負荷性能圖（1）物沫夾帶線對于一定的物系及一定的塔板結(jié)構(gòu)，式中、K、及均為已知值，將各已知數(shù)代入上式，便得出VsLs的關(guān)系式，據(jù)此可作出符合性能圖中的霧沫夾帶線。按泛點率80%計算 =0.8整理得：0.036Vs+1.31Ls=0.096即Vs=2.6736.39 Ls物沫夾帶線為直線，則在操作范圍內(nèi)作取兩個Ls值，算出Vs。（2）液泛線由此可以確定液泛線，忽略式中+ +（+1）hw+ eq f(2.84,1000) E()2/30.275=398.272+1.5(0.05+0.6782/3)整理得：=28.957636.7

60、6147.182/3（3）液相負荷上限液體的最大流量應保證降液管中停留時間不低于3-5s。 以s作為液體降液管內(nèi)停留時間的下限m3/s（4）漏液線對于 型重閥，依=5作為規(guī)定氣體最小負荷的標準。m3/s（5）液相負荷下限對于平直堰取堰上液層高度how=0.006m作為最小液體負荷標準。由how= eq f(2.84,1000) E()2/3=0.006取E=1,則（LS）min=0.000840m3/s 根據(jù)以上各線方程，可作出浮閥塔精餾段的負荷性能圖，如圖3.1圖3.1精餾段塔板負荷性能圖在負荷性能圖上作出操作線在負荷性能圖上，作出操作點A（0.00178，2.34），連接OA，即作出操作線