环境管理_甲醇的介绍以及精馏工艺设计摘要

河南科技学院新科学院河南科技学院化工原理（下）课程设计题目： 处理量为55000吨/年的分离甲醇-水体系精馏分离板式塔设计 学 院：新科学院 专 业：生物工程 班 级：生工 102 姓 名： 李浩亮 学 号： 指导老师： 乔梅英 2012年5月13日甲醇的介绍以及精馏工艺设计摘要甲醇俗称木醇，是最简单的饱和脂肪组醇类的代表物。无色、透明、高度挥发、易燃液体,略有酒精气味,分子式。近年来，世界甲醇的生产能力发展速度较快。甲醇工业的迅速发展，是由于甲醇是多种有机产品的基本原料和重要的溶剂，广泛用于有机合成、染料、医药、涂料和国防等工业。由甲醇转化为汽油方法的研究成果，从而开辟了由煤转换为汽车燃料的途径。近年来碳一化学工业的发展，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树脂等产品，正在研究开发和工业化中。甲醇化工已成为化学工业中一个重要的领域。我国的甲醇市场随着国际市场的原油价格在变化,总体的趋势是走高。随着原油价格的进一步提升，作为有机化工基础原料甲醇的价格还会稳步提高。国内又有一批甲醇项目在筹建。这样，选择最好的工艺利设备，同时选用最合适的操作方法是至关重要的。本计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，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分加回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐，设计对其生产过程和主要设备进行了物料衡算、塔设备计算、热量衡算、换热器设计等工艺计算。由于设计中对文献的收索、查阅、记录都不全，设备的计算及选型都有较大的问题存在，从而选取的操作点的不是在最好的范围内，影响了设计的优良性。目录一、概要- 5 -1 设计题目- 5 -2 设计任务及操作条件- 5 -3 设计内容- 5 - 4 参考资料- 5 -二、计算过程- 6 -1 设计方案的确定- 6 -2 精馏塔的物料衡算- 6 -2.1 原料液及塔顶和塔底的摩尔分率- 6 -2.2 原料液及塔顶和塔底产品的平均摩尔质量- 6 - 2.3 物料衡算- 6 -3 塔板数的确定- 7 -3.1 理论板层数的求取- 7 - 3.1.1 相对挥发度的求取- 7 - 3.1.2 求最小回流比及操作回流比- 7 - 3.1.3 求精馏塔的气、液相符合- 8 - 3.1.4 求操作线方程- 8 - 3.1.5 采用逐板法求理论板层数- 8 -3.2 实际板层数的求取- 9 - 3.2.1 液相的平均粘度- 9 - 3.2.2 精馏段和提馏段的相对挥发度- 10 - 3.2.3 全塔效率和实际塔板数- 10 -4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算- 10 - 4.1 操作压力计算- 10 -4.2 操作温度计算- 11 -4.3 平均摩尔质量计算- 11 -4.4 平均密度的计算- 11 - 4.4.1 气相平均密度计算- 11 - 4.4.2 液相平均密度计算- 12 -4.5 液体平均表面张力的计算- 12 -5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算- 13 -5.1塔径计算- 13 -5.2 精馏塔有效高度的计算- 14 -6 塔板主要工艺尺寸的计算- 15 -6.1 溢流装置计算- 15 - 6.1.1 堰长- 15 - 6.1.2 溢流堰高度- 15 - 6.1.3 弓形降液管宽度和截面积- 15 - 6.1.4 降液管底隙高度- 16 -6.2 塔板布置- 16 - 6.2.1 塔板的分块- 16 - 6.2.2 边缘区宽度确定- 16 - 6.2.3 开孔区面积计算- 16 - 6.2.4 筛孔计算及排列- 17 - 7 塔板的流体力学验算- 17 - 7.1塔板压降- 17 - 7.1.1 干板阻力计算- 17 - 7.1.2 气体通过液层的阻力计算- 18 - 7.1.3 液体表面张力的阻力计算- 18 - 7.2 液面落差- 18 - 7.3 液沫夹带- 18 - 7.4 漏液- 19 - 7.5 液泛- 19 - 8 塔板负荷性能图- 20 - 8.1 漏液线- 20 - 8.2 液沫夹带线- 21 - 8.3 液相负荷下限线- 21 - 8.4 液相负荷上限线- 22 - 8.5 液泛线- 22 - 9 筛板塔设计计算结果- 23 - 10 精馏塔接管尺寸计算- 25 - 10.1 塔顶蒸汽出口管的直径- 25 - 10.2 回流管的直径- 25 - 10.3 进料管的直径- 25 - 10.4 塔底出料管的直径- 26 -11 对设计过程的评述和有关问题的讨论- 26 -12 参考文献 - 26 -13 主要符号说明- 27 -14 设计图纸- 28 - 14.1生产工艺流程图1- 28 - 流程简图2- 28 - 14.2 绘制精馏塔设计条件图1- 29 -三、实习设计总结- 30 - 致谢- 30 -附图一- 31 -概要甲醇-水分离板式精馏塔的设计1、 设计题目： 55000吨/年的甲醇-水体系精馏分离板式塔设计2、 设计任务及操作条件 1、设计任务： 生产能力（进料量）：55000吨/年 操作周期：7200小时/年 进料组成：40%甲醇、60%水（摩尔分率） 塔顶产品组成：95%甲醇 塔底产品组成：0.04%甲醇 2、操作条件： 操作压力：塔顶压强为常压 单板压降：75mm液柱 液柱进料热状态：泡点 加热方式：间接蒸汽加热3、设备型式：筛板式蒸馏塔4、厂址： 新乡地区三、设计内容 1、设计方案的选择及流程说明 2、工艺计算 3、主要设备工艺尺寸设计 （1）塔径及蒸馏段塔板结构尺寸的确定 （2）塔板的流体力学校检 （3）塔板的负荷性能图 （4）总塔高、总压降及接管尺寸的确定 4、辅助设备选型与设计 5、设计结果汇总 6、工艺流程图及精馏塔工艺条件图 7、设计评述四、参考资料 1、石油化学工业规划设计院。塔的工艺计算、北京；石油化学工业出版社，19972、 化工设备技术全书编辑委员会。化工设备全书塔设备设计，上海；上海科学技术出版社，19883、 时钧，汪家鼎等。化学工程手册，北京；化学工业出版社，19864、 上海医药设计院。化工工艺设计手册（上、下），北京；化学工业出版社，19865、 陈敏恒、丛德兹等。化工原理（上、下册）（第二版），北京；化学工业出版社，20006、 大连理工大学化工原理教研室。化工原理课程设计，大连；大连理工大学出版社，19947、 柴诚敏，刘国维，李阿娜。化工原理课程设计，天津；天津科学技术出版社，19958、 张颖、郝东升.化工工艺设计（第2版）.呼和浩特.内蒙古大学出版社.20059、 夏清、陈长贵等，化工原理，下册，天津；天津大学出版社，20051 设计方案的确定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，将料液通过预加热至泡点后进入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下部分加回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。塔釜采用蒸汽间接加热，塔底产品组成经冷却后送至储罐。（注：下标A表示CH5OH ， 下标B表示H2O)2 精馏塔的物料衡算2.1 原料液及塔顶和塔底的摩尔分率甲醇的摩尔质量 =32.04kg/kmol水的摩尔质量 =18.02kg/kmol 2.2 原料液及塔顶和塔底产品的平均摩尔质量=0.432.04+(1-0.4)18.02=23.628kg/kmol=0.9532.04+(1-0.95)18.02=31.339kg/kmol2.3 物料衡算 原料处理量: F=5.5(3002423.628)=323.27kmol/h 总物料衡算：苯物料衡算：联立解得 ： W=187.24kmol/h D=136.03kmol/h3 塔板数的确定3.1 理论板层数的求取3.1.1 相对挥发度的求取由 再根据表1数据可得不同温度下的挥发度表1温度T（）液相摩尔分数x气相摩尔分数y相对挥发度10000096.42%13.40%7.93.54%23.40%7.91.26%30.40%6.89.38%36.50%6.87.710%41.80%6.84.415%51.70%6.81.720%57.90%5.7830%66.50%4.75.340%72.90%4.73.150%77.90%3.71.260%82.50%3.69.370%87.00%2.67.580%91.50%2.6690%95.80%2.6595%97.90%2.64.5100%100% 所以 3.1.2 求最小回流比及操作回流比 泡点进料： 故最小回流比为 取操作回流比为 R=2=20.58=1.163.1.3 求精馏塔的气、液相负荷 3.1.4 求操作线方程 精馏段操作线方程为 0.537+0.44 （） 提馏段操作线方程 （）3.1.5 采用逐板法求理论板层数 由相平衡方程地 将代入得 （）联立（）（）（），自上而下逐板计算所需理论板。因塔顶全凝，则计算结果见表2表2板号124567101112y0.95.0.6690.5100.3110.151.0.0030.0009x0.81.0.3120.1900.09210.0384.0.00070.0002 由表2知 ， 数精馏塔的理论塔板数为 =12(包括再沸器) 进料板位置： 3.2 实际板层数的求取3.2.1 液相的平均粘度塔顶物料黏度：根据表1，用内插法求得， 查手册2得 求得 进料黏度：根据表1，用内插法求得 查手册2得 求得塔釜物料黏度：根据表1,用内插法求得， 查手册得 求得精馏段液相平均黏度：提馏段液相平均黏度：3.2.2 精馏段和提馏段的相对挥发度 根据表一，用内插法求得 则精馏段的平均挥发度 提馏段的平均挥发度 3.2.3 全塔效率和实际塔板数全塔效率可由奥尔康公式：计算 所以精馏段 提馏段 精馏段实际板层数 块 提馏段实际板层数 块4 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算4.1 操作压力计算 塔顶操作压力 每层塔板压降 进料板压力 精馏段平均压力 4.2 操作温度计算 依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度。计算结果如下 塔顶温度 进料板温度 塔釜温度 精馏段平均温度 4.3 平均摩尔质量计算 塔顶平均摩尔质量计算 由， 进料板平均摩尔质量计算 精馏段平均摩尔质量4.4 平均密度计算4.4.1 气相平均密度计算 由理想气体状态方程计算，即 4.4.2 液相平均密度计算 液相平均密度依下式计算，即 塔顶液相平均密度的计算 由，查手册2得 进料板液相平均密度的计算 由，查手册得 进料板液相的质量分率 精馏段液相平均密度为 4.5 液体平均表面张力的计算 液相平均表面张力依下式计算，即 塔顶液相平均表面张力的计算 由，查手册2得 进料板液相平均表面张力计算 由，查手册2得 精馏段液相平均表面张力为 5 精馏塔的塔体工艺尺寸计算5.1 塔径计算 精馏段的气、液相体积流率为 由 式中的C由式计算，其中由史密斯关联图查取，图的横坐标为 取板间距，板上液层高度，则 查史密斯关联图3得=0.068m/s 取安全系数为0.6，则空塔气速为 u 按标准塔径圆整后为 D=1.6m 塔截面积为 实际空塔气速为 u实际 u实际/ umax=0.6(符全设计要求)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：0.8m 故精馏塔的有效高度为 6 塔板主要工艺尺寸的计算6.1 溢流装置计算 因塔径D1.6m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：6.1.1 堰长 取6.1.2 溢流堰高度由选用平直堰，堰上液层高度由式近似取E=1，则取板上清液层高度故 6.1.3 弓形降液管宽度和截面积由 /D=0.60查弓形降液管的参数图3，得 故 依式验算液体在降液管中停留时间，即 故降液管设计合理。6.1.4 降液管底隙高度 取 则 故降液管底隙高度设计合理。 选用凹形受液盘，深度6.2 塔板布置6.2.1 塔板的分块因，故塔板采用分块板。查塔板分块表得，塔板分为3块。6.2.2 边缘区宽度确定取 6.2.3 开孔区面积计算开孔区面积按式计算其中 故 6.2.4 筛孔计算及排列本设计所处理的物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取利孔直径筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为筛孔数目n为个开孔率为 气体通过阀孔的气速为7 塔板的流体力学验算7.1 塔板压降7.1.1 干板阻力计算干板阻力由式计算由，查干筛孔得流量系数图3得， 故 液柱7.1.2 气体通过液层的阻力计算气体通过液层的阻力由式计算 查充气系数关联图，得0.63。液柱7.1.3 液体表面张力的阻力计算液体表面张力的阻力可按式计算，即 液柱气体通过没层塔板的液柱高度可按下式计算，即 液柱 气体通过每层塔板的压降为 （设计允许值）7.2 液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且塔径和液流量均不大，故可忽略液面落差的影响。7.3 液沫夹带液沫夹带量由下式计算，即 故 故在本设计中液沫夹带量在允许范围内。7.4 漏液对筛板塔，漏液点气速可由下式计算，即 实际孔速稳定系数为故在本设计中无明显液漏。7.5 液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高度应服从下式的关系，即 甲醇水物系属一般物系，取，则 =0.5(0.40+0.0515)=0.2258m而 板上不设进口堰，可由下式计算，即 液柱 液柱m液柱 所以 故在本设计中不会发生液泛现象。8 塔板负荷性能图8.1 漏液线由 =得 4.4 = 整理得在操作数据内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果如下0.00030.00080.00140.00250.00300.00401.3901.4171.4421.4801.4941.521由上表数据即可作出漏液线（1）8.2 液沫夹带线以 =0.1kg液/kg气为限，求关系如下由 =0.0515=故 整理得 =在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果如下0.00030.00080.00140.00250.00300.00401.8146 1.76581.71981.65011.62201.5701由上表数据即可作出液沫夹带线 （2）8.3 液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度=0.005m作为最小液体负荷标准。由式得取E=1，则 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线（3）8.4 液相负荷上限线以 =4s 作为液体在降液管中停留时间的下限，由 得 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线 （4）8.5 液泛线令 由 联立得 忽略，将与，与，与的关系式代入上式，并整理得式中 将有关的数据代入，得 故 在操作范围内，任取几个值，依上式计算出值，计算结果如下0.00030.00080.00140.00250.00300.0040 5.3425.2475.1494.9794.9014.736由上表数据即可作出液泛线 （5）根据以上各线方程，可作出筛板塔的负荷性能图，如图所示见附图一在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线，由图可看出，该筛板的操作上限为液泛控制，下限为液漏控制，由上图查得 故操作弹性为9 筛板塔设计计算结果所设计筛板塔的主要结果汇总于下表序号项目符号单位计算结果1平均温度71.2752平均压力106.813平均流量气相2.1894液相0.00145实际塔板数块296塔的有效高度Zm11.67塔径Dm1.68板间距Hm0.49塔板溢流形式单溢流10空塔气速um/s1.08911溢流装置溢流管形式弓形12溢流堰长度m0.9613溢流堰高度m0.051514板上液层高度m0.0615堰上液层高度m0.008516安定区宽度m0.06517边缘区宽度 m0.03518开孔区面积1.54119筛孔直径dm0.00520筛孔个数n个791021筛孔气速m/s12.24322孔中心距tm0.01523开孔率10.124稳定系数1.5225每层塔板压降472.1226负荷上限液泛控制27负荷下限液漏控制28液沫夹带Kg液/kg气0.017629降液管间隙高度m0.02130气相负荷上限1.74131气相负荷下限0.97032操作弹性1.79510 精馏塔接管尺寸计算10.1 塔顶蒸气出口管的直径 操作压力为常压时，蒸气导管中常用流速为1220m/s 蒸气管的直径为其中 ，其中-塔顶蒸气导管内径m -塔顶蒸气量m3/s，取，则 查表取mm10.2 回流管的直径 当塔顶冷凝器械安装在塔顶平台时，回流液靠重力自流入塔内，流速可取0.20.5m/s,取，则 查表取mm10.3 进料管的直径 若采用高位槽送料入塔，料液速度可取,取料液速度,则 查表取10.4 塔底出料管的直径 一般可取塔底出料管的料液流速，循环式再沸器取取塔底出料管的料液流速 查表选11 对设计过程的评述和有关问题的讨论本设计进行甲醇和水的分离，采用直径为1 .0m的精馏塔，选取效率较高、塔板结构简单、加工方便的单溢流方式，并采用了弓形降液盘。精馏塔的主要优点是其具有结构简单，造价低，生产能力较大，气体分撒均匀，传质效率较高等优点，但也有筛孔易堵塞等缺点。由塔板负荷性能图可以看出，在本设计中的塔板的设计点在正常操作范围内，气液两相流量的变化对塔板效率影响不大，可以获得较理想的塔板效率。设计中对文献的收索、查阅、记录都不全，设备的计算及选型都有较大的问题存在，从而选取的操作点的不是在最好的范围内，影响了设计的优良性12 参考文献 1、石油化学工业规划设计院。塔的工艺计算、北京；石油化学工业出版社，1997 2、化工设备技术全书编辑委员会。化工设备全书塔设备设计，上海；上海科学技术出版社，1988 3、时钧，汪家鼎等。化学工程手册，北京；化学工业出版社，1986 4、上海医药设计院。化工工艺设计手册（上、下），北京；化学工业出版社，1986 5、陈敏恒、丛德兹等。化工原理（上、下册）（第二版），北京；化学工业出版社，2000 6、大连理工大学化工原理教研室。化工原理课程设计，大连；大连理工大学出版社，1994 7、柴诚敏，刘国维，李阿娜。化工原理课程设计，天津；天津科学技术出版社，1995 8、张颖、郝东升.化工工艺设计（第2版）.呼和浩特.内蒙古大学出版社.2005 9、夏清、陈长贵等，化工原理，下册，天津；天津大学出版社，200513 主要符号说明Aa塔板开孔区面积，m2hW进口堰高度，mAf降液管截面积，m2h与克服表面张力的压降相当的液柱高度，m液柱A0筛孔总面积，m2Hd降液管内清液层高度，mAT塔截面积，m2HP人孔处塔板间距，mC0流量系数，无因次HT塔板间距，mC计算时的负荷系数，lW堰长，mCs气相负荷因子，m/sLs液体体积流量，m3/sd0筛孔直径，mn筛孔数目D塔径，mNT理论板层数eV液沫夹带量，kg(液)/kg(气)P操作压力，PaET总板效率，无因次P压力降，PaF气相动能因子，kg1/2/(s*m1/2)Pp气体通过每层筛板的压降，PaF0筛孔气相动能因子，kg1/2/(s*m1/2)t筛孔的中心距，mhW出口堰高度，mu空塔气速，m/sh1进口堰与降液间的水平距离,mu0气体通过筛孔的速度，m/shc与干板压降相当的液柱高度，m液柱u0,min漏液点气速，m/shd与液体流过降液管相当的液柱高度，mu0液体通过降液管底隙的速度，m/shf塔板上鼓泡高度，mVs气体体积流量，m3/sh1与板上液层阻力相当的液柱高度，m液柱Wc边缘无效区宽度，mhL板上清液层高度，mWd弓形降液管宽度，m14 设计图纸14.1 生产工艺流程图1原料甲醇预处理甲醇、催化剂酯交换反应废水甘油层分层甲醇、催化剂中和催化剂分离粗制油脂回收甲醇未反应油蒸馏精制染料油生物