现场管理-年产5万吨粗甲醇精制车间工艺设计(doc 47页)

本科毕业论文 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 设计题目：设计题目：5 万吨/年粗甲醇精制车间工艺设计 The Design of 50000 Tons Per Year of Crude Methanol Refining Workshop 系系 别：别： 班班 级：级： 姓姓 名：名： 指指 导导 教教 师：师： 2 0 1 5 年6 月1 日 本科毕业论文 I 目目 录录 第一章 概述.- 1 - 1.1 甲醇的理化性质 - 1 - 1.1.1 物理性质 - 1 - 1.1.2 化学性质 - 1 - 1.2 甲醇产品主要用途- 1 - 1.3 甲醇行业发展现状 - 2 - 1.3.1 国内现状 - 2 - 1.3.2 国外现状 - 2 - 第二章 甲醇精馏车间设计.- 3 - 2.1 甲醇精馏工艺过程概述 - 3 - 2.2 常见工艺6比较 - 3 - 2.2.1 单塔精馏 - 3 - 2.2.2 双塔精馏 - 3 - 2.2.3 三塔精馏 - 4 - 2.3 设备选型 - 5 - 2.3.1 精馏塔 - 5 - 2.3.2 其他 - 6 - 2.4 设计工艺说明 - 6 - 第三章 工艺计算.- 8 - 3.1 物料衡算 - 8 - 3.1.1 设计要求 - 8 - 3.1.2 计算过程 - 8 - 3.2 能量衡算.- 11 - 3.2.1 预精馏塔热量衡算.- 11 - 3.2.2 加压塔热量衡算.- 13 - 3.2.3 常压塔热量衡算.- 14 - 3.2.4 精馏系统能量结果汇总.- 15 - 第四章 常压精馏塔设计- 17 - 4.1 基础数据.- 17 - 4.2 塔板数的计算.- 18 - 4.2.1 处理能力 .- 18 - 4.2.2 最小理论板数 Nm.- 18 - 4.2.3 最小回流比 Rmin.- 19 - 4.2.4 进料位置 ND.- 20 - 4.2.5 实际理论板数 NT.- 20 - 4.2.6 全塔效率的估算 ET.- 21 - 4.3 精馏段与提馏段的体积流量.- 21 - 4.3.1 精馏段 .- 21 - 4.3.2 提馏段 .- 23 - 4.4 塔径计算.- 24 - 4.4.1 精馏段 .- 25 - 4.4.2 提馏段 .- 25 - 4.5 塔内件设计 .- 26 - 本科毕业论文 II 4.5.1 溢流堰的设计 .- 28 - 4.5.2 降液管的设计 .- 28 - 4.5.3 塔板布置及浮阀数目与排列 .- 29 - 4.6 塔板流体力学.- 31 - 4.6.1 汽相通过浮阀塔压降 .- 31 - 4.6.2 液泛 .- 31 - 4.6.3 雾沫夹带 .- 32 - 4.7 塔板负荷性能图.- 32 - 4.7.1 雾沫夹带线 .- 32 - 4.7.2 液泛线.- 33 - 4.7.3 液相负荷上限线.- 34 - 4.7.4 液相负荷下限线.- 34 - 4.7.5 漏液线.- 34 - 4.8 常压塔主要尺寸确定 .- 34 - 4.8.1 塔高设计.- 34 - 4.8.2 接管设计.- 35 - 第五章 结论- 38 - 5.1 原料粗甲醇成份 .- 38 - 5.2 物料衡算 .- 38 - 5.3 能量衡算 .- 38 - 5.4 常压塔工艺汇总 .- 39 - 5.5 常压塔设备汇 .- 39 - 致 谢.- 40 - 参考文献.- 41 - 附 录.- 43 - 本科毕业论文 III 50000 吨/年粗甲醇精制车间工艺设计 摘 要： 甲醇是一种重要的有机化工原料，在化工、纺织、医药及运输等方面有着广泛的应用。在化工领 域，甲醇是制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲胺、甲基叔丁基醚、聚乙烯醇、硫酸二甲酯、对苯二甲酸二 甲酯、二甲醚、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲醇等产品的原料。 甲醇可掺入汽油用作替代燃料。20 世纪 80 年开始，甲醇被用于生产甲醇汽油及甲醇燃料中的添 加剂，以提高辛烷值，也被用于生产甲醇蛋白等产品，促进了甲醇生产的发展和市场需要。 本设计目的是将粗甲醇精制到含量为 99.95%的精甲醇。基于当前甲醇精馏的工艺，三塔精馏技术 应用最为广泛。三塔精馏具有能耗低、产品质量高等优点。所以本次工艺设计以三塔精馏工艺为原理， 通过物料衡算、能量衡算、设备选型、常压塔（主要设备）的尺寸计算以及车间布局等完成设计。 关键词：关键词：甲醇，精馏，三塔精馏，工艺设计 本科毕业论文 - 1 - 第一章 概述 1.1 甲醇的理化性质 1.1.1 物理性质 甲醇1（CH4O）是结构简单的饱和一元醇，分子量为 32.04，沸点为 64.7，是一种无 色并带有酒精气味的易挥发液体，其 CAS 号有 67-56-1、170082-17-4。甲醇能够与水、醇、 乙醚、酯、苯、卤代烃 以及许多有机溶剂互 溶，但不与 脂肪烃类化合物 互溶。甲醇详 细的物理性质如表 1： 表 1 甲醇物理性质表2 项目项目数值数值项目项目数值数值 液态密度 kg/m3 (20) 804.8 熔点/ -97.5 气态密度 kg/m3 (100) 3.984 闪点（闭环） 9.4 气态粘度 （100）sPa 12.3 沸点 64.6 液态粘度 (20)sPa 0.580 表面张力 mN/m(20) 22.07 1.1.2 化学性质 甲醇由甲基、羟基组成的，具有醇所具备的化学性质3。可发生氧化反应、酯化反应、 卤化反应、脱水反应、甲基化反应等。 如：甲醇在纯氧中能够剧烈燃烧，生成水蒸气(I)、二氧化碳(IV)；甲醇和氟气会产生 猛烈的反应4；甲醇与水、乙醇、乙醚、苯、酮、卤代烃以及许多其他有机溶剂相混溶，遇 热、明火或氧化剂时易燃烧。 1.2 甲醇产品主要用途 1）甲醇是一种极为重要的有机化工原料。甲醇主要用作于生产甲醛，甲醇总产量的一 半将用于甲醛的生产，甲醛是生产合成树脂不可少的原料。甲醇作为甲基化试剂时可用来生 本科毕业论文 - 2 - 产丙烯酸甲酯、甲胺、对苯二甲酸二甲酯、甲烷氯化物、甲基苯胺等；甲醇羰基化可以产生 醋酸、甲酸甲酯、醋酸酐等有机合成中间体，这些中间体是制造染料、药品、农药、香料、 漆料等的原料。 2）甲醇是一种有机溶剂。甲醇溶解性能优于乙醇，可以用来调制漆料。作为萃取剂， 甲醇可用于分离一些物质，还可用于检验和测定硼。 3）甲醇可作为优良的燃料。在汽车燃油中可以直接添加 3-5的甲醇，目前世界各国关 注的焦点集中在直接将甲醇当作燃料，已被一些发电站作为燃料。 4）甲醇可以被用作防冻剂。冬天汽车水箱中适量添加甲醇能使水箱中循环冷却水不因 气温过低而被冻住。 1.3 甲醇行业发展现状 1.3.1 国内现状 1950 年前后，中国甲醇工业开始发展，此前我国运用前苏联所开发的技术建设高压甲醇 合成装置，该方法采用 Zn-Cr 氧化物作为催化剂。1960 年以后，我国建成以焦炭和石脑油作 为生产原料的甲醇生产设备，南化公司所研制开发的中压铜基催化剂大大推动合成氨联产甲 醇这一生产行业的发展。1970 年后，中国自主研发合成氨联产甲醇生产工艺过程，九十年代， 我国甲醇工业进入快速发展时期，其主要生产工艺为联醇工艺；“十一五”期间出现了以单 醇生产为主的第二个快速发展期，生产规模、技术水平等方面都有了很大程度的发展。 2000 年后，随着经济的持续发展，甲醇可作为清洁的液体燃料替代品，因此甲醇得到了 大幅的推广使用，而甲醇作为煤化工的主要产品也同样得到了快速的发展，使得甲醇生产能 力大幅上升，生产技术也不断提高。 1.3.2 国外现状 1920 年前后，高压法合成甲醇成为甲醇在国外的工业化生产的标志。这种方法采用 Zn- Cr 氧化物作为催化剂，一氧化碳和氢气作为原料，操作条件为压力 30-35MPa、温度 300- 400。 伴随着合成技术的更新和生产规模的扩大，甲醇生产原料也发生了变化，由过去的以煤 和焦炭气化为路线的生产，发展到以天然气和煤作为主要合成原料的生产路线，当前由天然 气所生产的甲醇约占甲醇总生产量的 80%。煤作为制备甲醇原料气的生产工艺中，虽然气化 和净化比较复杂，并且生产成本相对较高，但对于缺少油气但是富煤的国家和地区，这种生 产工艺就成了主要的原料路线，约占 90%。 本科毕业论文 - 3 - 第二章 甲醇精馏车间设计 2.1 甲醇精馏工艺过程概述 由粗甲醇精制得到精甲醇，采用的方法为精馏法，在精制的过程中，根据甲醇质量，可 采用化学净化和吸收的方法。整个精制过程工业上称之为粗甲醇的精馏5。 2.2 常见工艺6比较 2.2.1 单塔精馏 甲醇的单塔精馏过程是将甲醇-水-重组分在一个塔内进行分离的过程，该方法可以获得 一般工业上所需要的精甲醇。优点是节约投资，减少了热能的损耗；但是对于纯度要求较高 的下游生产流程，一步精馏得到的精甲醇纯度远远不能满足要求。 2.2.2 双塔精馏（图 1） 甲醇精馏中的双塔精馏是最为普遍应用的甲醇精制方式。特点是流程简单、操作方便、 一次投资少。适用于精制含有二甲醚等轻组分、还原性杂质含量较低的粗甲醇。其中，第一 个塔为预精馏塔，第二个塔为主精馏塔，两者再沸器的热源都是来自循环气压缩机驱动透平 排出的低压蒸汽。 图1，双塔精馏的工艺流程 预精馏塔分离轻组分和溶解性的气体，如氢气、一氧化碳、二氧化碳等，塔顶回流大部 分的水和甲醇。同时从冷凝器里抽一部分冷凝液以减少挥发性较小的轻组分。为减少塔顶所 本科毕业论文 - 4 - 排出气体中甲醇的损失，可在塔顶设置二级冷凝器。 主精馏塔主要除去重组分，其中包括水、乙醇和高级醇等，得到符合要求的精甲醇。原 料液从预塔塔底输送到主塔进料口，高级醇从加料板以下侧线引出，含微量甲醇的水从塔底 排除，精甲醇则从塔顶处冷凝取出。 双塔精馏工艺投资省、建设周期短、装置简单易于操作和管理。虽然消耗高于三塔精馏 工艺，但对于生产规模 50000ta 以下的小装置，其技术经济指标较占优势，其节能降耗途 径可以采用高效填料来达到降低蒸汽消耗的目的。 2.2.3 三塔精馏（图 2） 三塔精馏工艺采用两个主精馏塔，第一个主精馏塔为加压塔，第二个塔为常压塔，利用 加压塔的塔顶蒸汽冷凝热作为第二主精馏塔再沸器的加热源。这样不仅节约了加热蒸汽，而 且也节省冷却用水，有效的利用了热能。 图2，三塔精馏的工艺流程 粗甲醇在槽内与碱液中和后进再沸器加热，后进入预精馏塔，在预精馏塔顶分离出轻组 分，塔釜液经过加压泵送至加压塔。在加压塔塔顶位置形成高纯度甲醇蒸汽，作为常压塔的 塔底再沸器的热源，甲醇蒸汽冷凝后通过加压泵送回塔顶回流槽，其中一部分送往加压塔塔 顶作为回流液，另一部分作为产品储存。加压塔塔釜没有气化的粗甲醇溶液靠加压塔内部压 力输送到常压塔。常压塔塔顶生成低压高纯度的甲醇气体，进入常压塔冷凝器降温冷凝后一 部分回流到塔内，另一部分作为产品送往储槽，常压塔塔底残液再做处理。 生产规模 50000ta 以上时，适合采用三塔精馏技术，虽然一次性投资较高，约高 15 一 30 ，但操作费用和能耗都相对较低，可降低约 30 一 40。所生产的精甲醇质量较 好，乙醇含量较低，能满足甲醇羰基化合成醋酸、醋酐等对优质甲醇的要求。 本科毕业论文 - 5 - 2.3 设备选型 2.3.1 精馏塔 塔设备可以分为板式塔和填料塔两大类。 （1）板式塔内设置一定数量的塔板，气体以鼓泡状、泡沫状、蜂窝状、或者喷射形式 穿过板上的液层，进行传质、传热。在正常操作下，气相为分散相，液相为连续相，气相组 成呈阶梯变化，属于逐级接触逆流操作过程。 （2）填料塔里装有一定高度填料层，液体从塔顶沿着填料表面往下流，气体逆流向上 流，气、液两相接触密切来进行传质和传热。一般气相是连续相，液相是分散相，气相的组 成为连续变化，属于微分接触逆流操作过程。 在工业生产中，处理物料量很大时多采用板式塔，塔径在 0.8m 以下时一般采用填料塔。 本设计为年产量 5 万吨甲醇精制过程，物料量较大，故采用板式塔。 板式塔可分为错流塔板和逆流塔板两大类。 逆流板所需要较高的气速才能够维持板上的液层，操作范围较小，分离效率很低，工业 上用得很少，故本设计采用错流塔板。 在几种主要的错流塔板中，最早应用的是泡罩塔，而目前使用最广泛的是筛板塔和浮阀 塔。 泡罩塔 优点：因为升气管高出了液层，不易发生漏液的现象，有较好的操作弹性， 也即当气液流量有较大的波动时，仍然能够维持几乎恒定的板效率；泡罩塔塔板不易堵塞， 适合处理各种物料。缺点：塔板的结构复杂，金属量消耗比较大，造价较高；塔板压降较大， 兼因雾沫夹带现象比较严重，限制了气速的提高，致使塔的生产能力和板效率均比较低。 筛板塔 优点：结构比较简单，其造价低廉，气体的压降比较小，板上的液面落差也 比较小，生产能力和塔板效率均比泡罩塔高些。缺点：操作的弹性比较小，筛孔小时容易堵 塞。 浮阀塔 浮阀塔兼有泡罩塔和筛板塔的优点，成为国内应用最为广泛的塔型。目前我 国已经采用的浮阀有五种，但最常用的浮阀形式为 F1 型、V-4 型两种。F1 型浮阀又分为轻 阀和重阀，对于 V-4 型浮阀塔的特点是阀孔冲成向下面弯曲的文丘里形，来减少气体通过浮 阀塔板时的压强降。阀片除了腿部相应加长以外，其余的结构尺寸与 F1 型轻阀无异。可见 V-4 型浮阀适合于减压系统。 浮阀塔优点： 生产能力大。因为浮阀塔板既有较大开孔率，所以它的生产能力比泡罩塔大 20%至 30%， 本科毕业论文 - 6 - 与筛板塔相近。 操作弹性大。因为阀片可以自由的升降来适应气量的变化，所以维持正常的操作所容 许的负荷波动范围比泡罩塔和筛板塔都要宽。 塔板的效率高。因为上升气体以水平方向吹入的液层，所以气液接触时间较长，而雾 沫夹带量比较小，板效率较高。 气体的压强降及液面落差比较小。因为气液流过浮阀塔板时遇到的阻力比较小，所以 气体压强降和板上的液面落差都比泡罩塔板小。 塔的造价低。因为构造简单，容易制造，浮阀塔的成本造价一般为泡罩塔的 60%至 80%， 为筛板塔的 120%至 130%。但是浮阀塔不宜与处理容易结焦和黏度大的系统，但是对于黏度 稍微大些及有一般聚合现象的系统时，浮阀塔也能够正常操作。 故本设计粗甲醇的精馏中，三个塔均采用 F1 型重阀浮阀塔。 2.3.2 其他 精馏装置所附属的设备主要为换热器和泵。包括塔底原料液的再沸器、塔顶蒸汽的冷凝 器、原料液的预热器和产品的冷却器等。其中再沸器和冷凝器为保证精馏工序的正常连续稳 定操作是必不可少的两类换热器设备。 再沸器其作用可将塔内最后一块板下的原料液加热，使液体升温至沸点发生汽化为蒸汽 继续上升，提供上升气流，保证塔板的气液相进行传质。 冷凝器将蒸汽进行冷凝为液体，部分或者全部冷凝液参与回流，提供精馏塔内下降的液 流，保证气液相传质。而部分冷凝器是为了冷却产品。 2.4 设计工艺说明 稀碱液从碱液槽（D109）进入中和罐（D102） ，粗甲醇由粗甲醇罐（D101）通过原料泵 （P101）进入中和罐（D102） ，二者在中和罐（D102）中进行混合，调节酸碱度，通过原料 预热器（E101）加热到一定温度后进入预精馏塔（T101） 。 在预精馏塔（T101）中，粗甲醇多次的部分汽化和部分冷凝分离出轻组分，从塔顶出来 的气体先通过一级冷凝器（E102）冷却后的粗甲醇液体送回预塔回流罐（D103） ，部分未冷 凝的二甲醚等以及未完全冷凝的甲醇气体再进入二级冷凝器（E103）继续冷凝，冷凝液进入 预精馏塔回流罐（D103） ，气体排出进行燃烧或者送入转化工序。预精馏塔回流罐（D103） 内的粗甲醇经预塔回流泵（P102）返回预精馏塔塔顶回流。塔釜液通过再沸器（E104）进行 加热原料液来保证上升气流。 脱出轻组分的粗甲醇原料液从预精馏塔（T101）塔釜出来经过加压塔进料泵（P103）加 本科毕业论文 - 7 - 压，再经过预热器（E105）升温后，送入加压精馏塔（T102） 。 在加压精馏塔（T102）中，塔底的再沸器（E107）保证了上升气流的流速，塔顶的送出 的高温甲醇蒸汽进入常压再沸器（E109）作为热流体与常压塔塔底液体换热，换热后的精 甲醇一部分经过加压塔回流泵（P104）送往塔顶做回流液，另一部分经过加压塔产品冷却器 （E106）冷却后送往精甲醇产品储罐。 从加压塔底部出来的粗甲醇因加压塔自身的压力直接通过预热器（E113）加热后输送到 常压塔（T103） 。 在常压塔顶得到了高纯度的甲醇蒸汽，进入常压塔顶冷凝器（E110）冷凝，冷凝液送到 常压塔回流罐（D105）缓冲；从常压塔冷凝器（E110）出来的气体再经过常压塔排气冷凝器 （E113）冷凝，冷凝液也送到回流罐（D105） ，排气冷凝器上部没有冷凝的气体放空。常压 塔回流槽出来的的精甲醇经过分配器一部分经常压塔回流泵（P105）送回塔内回流，另一部 分经产品冷却器（E108）去精甲醇产品储罐。塔底釜液经冷却器（E112）冷却后送往釜液罐 （D108）进入处理工序。 本科毕业论文 - 8 - 第三章 工艺计算 3.1 物料衡算 3.1.1 设计要求 表 2 粗甲醇成份及含量 成分N2和 Ar CO2H2OCH3OHCH3OCH3C2H5OHC4H9OH 含量 （wt%） 0.021.697.5090.290.200.150.15 要求：A粗甲醇中甲醇回收率不小于 99%(重量百分含量) B精馏工段产品为精甲醇，其甲醇含量不小于 99.95%(重量百分含量) C加压塔和常压塔的采出量之比 46 计算，常压塔釜液含有甲醇 1% 3.1.2 计算过程 （1）整体计算（F=D+W） 化工行业年工作日记为 330 天 精甲醇年产量为 50000 t，粗甲醇中含甲醇量为 90.29% 则精甲醇产量为： = 6.3131 t/h = 6313.1 kg/h d/h24*d330 t50000 粗甲醇进料量为： =6992.0 kg/h %29.90 h/313.1kg6 粗甲醇中各组分的量计算后整理如表 3： 表 3 粗甲醇中各组分的量 组 分含 量进 料 量 N2Ar0.02%6992.00.02%=1.4kg/h CO21.69 %6992.01.69%=118.2kg/h CH3OH90.29%6992.090.29%=6313.1 kg/h CH3OCH30.2%6992.00.2%=14.0 kg/h C2H5OH0.15%6992.00.15%=10.5 kg/h C4H9OH0.15%6992.00.15%=10.5 kg/h 本科毕业论文 - 9 - H2O7.5%6992.07.5%=524.4 kg/h 其中：1.初馏分为乙醇和丁醇 2.轻馏分为甲醚 3.不凝气为二氧化碳、氮气、氩气。 （2）预精馏塔 进料：进料： 1.粗甲醇=6992.0kg/h（其中精甲醇 6313.1 kg/h） 2.碱液：为防止工艺管路和设备的腐蚀，加入 8%的氢氧化钠溶液与酸性物质反应中和，使其 呈弱碱性，每吨精甲醇的耗碱量按 0.1kg 计算 则消耗 NaOH 量=0.16.3=0.63kg/h NaOH 溶液量=0.638%7.875kg/h 碱液中水量=7.875(1-8%)=7.25kg/h 3. 软水：软水的加入量按精甲醇的 20%计 则需补加软水=6313.120%-7.25-524.4=731.0kg/h 出料：出料： 表 4 塔顶出料表 N2ArCH3OCH3CO2 1.4kg/h 14.0 kg/h118.2kg/h 表 5 塔釜出料表 甲醇乙醇丁醇水氢氧化钠总量 6313.1kg/h10.5 kg/h10.5 kg/h1262.6 kg/h0.63kg/h 7597.3kg/h 表 6 预精馏塔进出料总表 物料 N2和 Ar （kg/h ） CO2 （kg/h ） H2O （kg/h ） NaOH （kg/h ） CH3OH （kg/h ） CH3OCH3 （kg/h ） C2H5OH （kg/h ） C4H9OH （kg/h ） 合计 （kg/h ） 进料 1.4118.21262.60.636313.114.010.510.57730.9 顶出 1.4118.214.0133.6 釜出 1262.60.636313.110.510.57597.3 本科毕业论文 - 10 - （3）加压塔物料衡算 进料（预精馏塔塔釜出料）：进料（预精馏塔塔釜出料）： 水 量= 预精馏塔出料水量 =1262.6 kg/h 甲 醇 量= 预出料甲醇量 =6313.1 kg/h 初 馏 物= 预出料初馏物 =10.5+10.5=21.0 kg/h 氢氧化钠=预 出 料 碱 量=0.63kg/h 总进料量=预塔底出料总量=7597.3 kg/h 表 7 加压塔进料含量表 H2OCH3OH初馏物NaOH总量 1262.6 kg/h6313.1 kg/h21.0 kg/h0.63kg/h7597.3 kg/h 出料：出料： A. 塔顶出料 产品甲醇（1）=6313.14/101/0.99952526.5kg/h B. 塔釜出料 塔釜出料=7597.3-2526.5=5070.8 kg/h 表 8 加压精馏塔总表 物料 H2ONaOHCH3OH 初馏物合计 进料1262.6kg/h0.63kg/h6313.1kg/h21.0kg/h7597.3kg/h 顶出2526.5kg/h（产品甲醇 1） 釜出7597.3-2526.5=5070.8 kg/h （4）常压塔物料衡算 进料：进料： 总进料量=加压塔塔釜出料量=5070.8 kg/h 出料：出料： A. 塔顶出料 产品甲醇（2）=6313.16/1099%1/0.9995=3751.9kg/h 本科毕业论文 - 11 - B. 塔釜出料 水=1262.6kg/h NaOH=0.63 kg/h 初馏物=21.0kg/h 甲醇=5070.8-3751.9-1262.6-0.63-21.0=34.67kg/h （5）粗甲醇中甲醇回收率 表 9 物料平衡汇总表 成分成分物料物料加压塔出料加压塔出料常压塔出料常压塔出料常压塔釜出料常压塔釜出料 甲醇 6313.1kg/h2526.5kg/h3751.9kg/h34.67 kg/h NaOH0.63 kg/h0.63 kg/h 水 1262.6 kg/h1262.6 kg/h 初馏物 21.0 kg/h21.0 kg/h 合计 7597.3kg/h2526.5kg/h3751.9kg/h1318.9kg/h 甲醇回收率=（加压塔采出精甲醇量+常压塔采出精甲醇量）/粗甲醇中精甲醇量 =（2526.5+3751.9）/6313.1 =99.45% 3.2 能量衡算（） WDLV QQQQ 3.2.1 预精馏塔热量衡算 (1)(1)进料带入热量进料带入热量 取回流液与进料量之比为 1:4， 表 10 预塔带入热量表 进热 项目 粗甲醇软水回流液热蒸 汽 成分二甲醚甲醇水异丁 醇 外补水碱液甲醇水 流量 kg/h 14.06313.1524.410.5731.07.251896.56 温度 65656565787860 比热 kJ/k g 2.964.1872.314.1874.1872.86 焓 kJ/k 1280.3 8 2118. 62 本科毕业论文 - 12 - g 热量 kJ 17925. 32 1214640 .44 142718. 08 1576 .58 238734. 37 2367. 75 325449. 70 Q蒸汽 Q入Q粗甲醇Q软水Q回流液Q蒸汽 17925.321214640.44142718.081576.58238734.372367.75325449.70Q 蒸汽 1943412.24Q蒸汽 (2)(2)出料热量计算出料热量计算 表 11 物料带出热量表 出热部分塔顶塔底热损失 成分二甲醚回流液甲醇水（碱液）以 5%计 液体比热 kJ/kg 2.642.933.2234.187 流量 kg/h 14.01896.566313.11262.65 液体冷凝热 kJ/kg 523.381046.75 温度 64648282 热量 kJ 9692.762340867.111668463.95433510.68 5%Q入 Q出Q二甲醚Q回流液Q预后甲醇Q损 9692.762340867.111668463.95433510.685%Q人 4452534.505%Q入 因为能量守恒，所以 Q入Q出 即 1943412.24Q蒸汽4452534.505%Q入=4452534.50+5%（1943412.24Q蒸汽） 解得 Q蒸汽2743466.18kJ/h 塔底再沸器通过 0.35Mpa 蒸汽加热，不计冷凝水的显热，则所需蒸汽量为： G1 蒸汽1294.93kg/h 62.2118 18.2743466 表 12 预精馏塔热量总表 带入热量 kJ/h带出热量 kJ/h 粗甲醇入热 1376860.42 塔顶二甲醚出热 9692.76 塔顶加入冷凝残 241102.12 塔顶回流甲醇蒸 2340867.11 本科毕业论文 - 13 - 液入热汽 塔顶回流液入热 325449.70 塔底预后粗甲醇 2101974.63 加热蒸汽 2743466.18 热损失 234343.92 总入热 4686878.42 总出热 4686878.42 （3 3）冷却水用量：）冷却水用量： 设入口冷却水的温度 30，出口冷却水的温度 40，平均比热为 4.187kJ/kg Q入Q甲醇Q甲醇蒸汽9692.762340867.112350559.87kJ/h Q出Q二甲醚Q回流液Q损失9692.76325449.70234343.92569486.38kJ/h Q传Q入Q出2350559.87569486.381781073.49kJ/h 又 Q传G1 水4.187（4030） 则 G1 水42538.18kg/h 3.2.2 加压塔热量衡算 通过 ChemCAD 调试条件如下： 塔顶温度=115 回流温度=115 塔底的温度=124 进料的温度=82 回流比=2.8 甲醇温度=40 (1)(1)进料带入热量进料带入热量 表 13 进料带入热量表 物料进料回流液加热蒸汽 组分甲醇水碱液甲醇 流量 kg/h 6313.11262.67074.2 温度 100100115 比热 kJ/kg 3.3734.1873.71 热量 kJ/h 2129408.63528650.623018207.43 Q蒸汽 总计 kJ/h 2658059.253018207.43 Q蒸汽 Q入Q进料Q回流Q蒸汽2658059.253018207.43Q蒸汽 5676266.68Q蒸汽 (2)(2)物料带出热量物料带出热量 表 14 出料带出加压塔热量表 物料精甲醇回流液塔底出料热损失 本科毕业论文 - 14 - 组分甲醇甲醇甲醇水碱 流量 kg/h 2526.57074.23786.61262.6 温度 115115124124 比热 kJ/kg 3.713.713.874.26 汽化热 1046.751046.75 热量 kg/h 3722545.1010423126.281817113.61666955.82 5%Q入 Q出Q精甲醇Q回流Q塔底Q热损失 3722545.1010423126.281817113.61666955.825%Q入 16629740.815%Q入 Q入Q出 ，即 5676266.68Q蒸汽16629740.815%Q入 解得，Q蒸汽11828723.65kJ/h 加压塔采用中压蒸汽加热，所需蒸汽量 G2 蒸汽5583.22kg/h 62.2118 511828723.6 回流液和产品的冷凝潜热 Q潜（2526.57074.2）1046.7510049532.73kJ/h 供给常压塔再沸器热量 Q供Q潜（15%）10049532.73（15%）9547056.09kJ/h 3.2.3 常压塔热量衡算 通过 ChemCAD 调试条件如下： 塔顶温度=65 塔釜温度=105 进料温度=70 回流液温度=40 冷却水进口温度=30 冷却水出口温度=40 回流比=3.23 (1)(1)物料带入热量物料带入热量 表 15 常压塔入塔热量表 物料进料回流液再沸器加热 组分甲醇水碱甲醇 流量 kg/h 5070.81262.612118.64 本科毕业论文 - 15 - 温度 707040 比热 kJ/kg 3.0564.1872.68 热量 kg/h 1084745.54370055.431299117.89 Q加热 Q入Q进料Q回流液Q加热 1084745.54370055.431299117.89Q加热 2753918.86Q加热 (2)(2)物料带出热量物料带出热量 表 16 常压塔出塔热量表 物料精甲醇回流液釜液热损失 成分甲醇甲醇甲醇水碱 流量 kg/h 3751.912118.6434.671262.6 温度 6565105105 比热 kJ/kg 2.962,963.514.187 潜热 kJ/kg 1046.751046.75 热量 kJ/h 4649166.8915016812.7 6 12777.63555083.15 5%Q入 Q出Q精甲醇Q回流液Q釜液Q热损失 4649166.8915016812.7612777.63555083.155%Q入 20233840.435%Q入 Q入Q出 ，即 2753918.86Q加热20233840.435%（2753918.86Q加热） 解得，Q加热18544860.54kJ/h 因为 Q供9547056.09kJ/h 中压蒸汽加热量： Q蒸汽Q加热Q供18544860.549547056.098997804.45kJ/h 故所需蒸汽量： G3 蒸汽4247.01kg/h 62.2118 8997804.45 冷却水用量： 对于热流体 Q入21298779.4kJ/h Q出Q精甲醇（液）Q回流液（液）（3751.912118.64）402.681701321.89kJ/h Q传Q入（15%）Q出21298779.495%1701321.8918532518.54kJ/h 冷却水用量为：G3 水442620.46kg/h 3040187.4 418532518.5 本科毕业论文 - 16 - 3.2.4 精馏系统能量结果汇总 A.外加蒸汽总量：G蒸汽G1 蒸汽G2 蒸汽G3 蒸汽 1294.935583.224247.0111125.16kg/h B.冷却水总量：G水G1 水G3 水 42538.18442620.46485158.64kg/h C.热量总表见表 17： 表 17 精馏系统能量衡算总表 项目物流预塔加压塔常压塔 进料 1617962.542658059.251454800.97 回流 325449.703018207.431299117.89 加热 2743466.1811828723.6518544860.54 带入热量 kJ/h 合计 4686878.4217504990.3321298779.40 塔顶出料 2350559.8714145671.3819665979.65 塔釜出料 2101974.632484069.43567860.78 热损失 234343.92875249.521064938.97 带出热量 kJ/h 合计 4686878.4217504990.3321298779.40 本科毕业论文 - 17 - 第四章 常压精馏塔设计 设计要求： A.要求精甲醇的纯度为质量分数 99.95% B.操作条件： 塔顶压力=0.01106Pa 塔底压力=0.07106Pa 进料温度=70 塔顶温度=65 塔底温度=105 回流液温度=40 4.1 基础数据 （1 1）含量计算）含量计算 常压塔进料液相甲醇的含量：100%74.7% 5070.8 10/66313.1 【查表2得到对应汽相中甲醇的含量为 87.18%】 原料液中甲醇的摩尔分数：Yf100%79.3% 18/82.1232/18.87 32/18.87 精甲醇中甲醇的摩尔分数：Yd100%99.9% 18/05 . 0 32/95.99 32/95.99 残液中甲醇的摩尔分数：Yw2.9% 18/9532/5 32/5 进料液气相中甲醇的摩尔分数：Xf62.8% 18/6.126232/3787.86 32/3787.86 精甲醇中甲醇的摩尔分数：Xd99.9% 18/05 . 0 32/95.99 32/95.99 残液中甲醇的摩尔分数： Xw1.5% 18/%)95.9967.349.1318(32/%95.9967.34 32/%95.9967.34 进料液的平均摩尔质量： MfXfM甲醇（1Xf）M水62.8%32（162.8%）1826.79kg/kmol 本科毕业论文 - 18 - 馏出液的平均摩尔质量： MdXdM甲醇（1Xd）M水=99.9%32（1-99.9%）18=31.99kg/kmol 釜残液的平均摩尔质量： MwXwM甲醇（1Xw）M水=1.5%32（1-1.5%）18=18.21kg/kmol （2 2）操作温度和压力）操作温度和压力 入口压力（表压）：（0.071060.01106）69/850.0110658.71 kPa 精馏段 平均温度：1/2（7065）67.5 平均压力（表压）：1/2(58.7110310103) 34.35kPa 提馏段 平均温度：1/2(70105) 87.5 平均压力（表压）：1/2(58.7110370103) 64.36kPa 4.2 塔板数的计算 4.2.1 处理能力 F189.28kmol/h f M G 26.79 5070.8 精馏段物料量7： D精F189.28117.92kmol/h wd wf XX XX 1.5%99.9% 1.5%62.8% 提馏段物料量： W提F189.2871.36kmol/h wd fd XX XX %5.1%9.99 %8.62%9.99 4.2.2 最小理论板数 Nm 先求平均挥发度： 查数据手册2，9得到以下数据： 表 18 饱和蒸汽压表 甲醇饱和蒸汽压水饱和蒸汽压 65103.194kPa25.014 kPa 70125.146 kPa31.164 kPa 105411.397 kPa120.850 kPa 本科毕业论文 - 19 - 由公式 7得： OH OHCH P P 2 3 A塔顶（65）处相对挥发度 125.4 014.25 194.103 d B加料板（70）处相对挥发度 016.4 164.31 146.125 f C塔底（105）处相对挥发度 404.3 850.120 397.411 w 平均挥发度：70.3404.3016.4 wf 已知：Xd99.9%,Xw1.5%; 由Fenske公式7： 块48.8 70.3lg %5.1 %5.11 %9.991 %9.99 lg lg 1 1 lg min wd d X X X X N w 4.2.3 最小回流比 Rmin 塔中各组分如表 19： 表 19 各组分参数列表 组分进料组成 Xi,F釜液组成 Xi,W i 甲醇 62.8%1.5%3.404 水 37.2%98.5%4.016 根据恩德伍德公式12计算： ，q X n i ij Fiij 1 1 1 min ij DiijX R 进料是饱和液相，故 q1 则有：0 016.4 372.0016.4 404.3 862.0404.3 求得： 647.3 本科毕业论文 - 20 - 则11.10111.111 647.3125.4 598.0125.4 647.3404.3 501.0404.3 min R 4.2.4 进料位置 ND 适宜进料位置： 块5.31) 628.0 628.01 999.01 999.0 lg( 125.4lg 1 1) 1 1 lg( lg 1 D F F D D D X X X X N 圆整后取：块4 D N 4.2.5 实际理论板数 NT 取 R适宜1.5Rmin1.510.1115.17 则313.0 117.15 11.1017.15 1 适宜 min适宜 R RR 根据吉利兰图（图 3） 图 3，吉利兰图 本科毕业论文 - 21 - 得到：37.0 1 T minT N NN 其中48.8 min N 解得：NT14.05 块 4.2.6 全塔效率的估算 ET 全塔平均温度为：1/2（10565）85 在温度 85下查得9水的粘度：sPa103355 . 0 3- 水 在温度 85下查得甲醇2的粘度：sPa10265 . 0 3- 甲醇 ）（ 水甲醇ff X1X 0.26510-30.6280.335510-3（1-0.628） 0.29110-3 sPa 全塔效率为7：4737.0)296.088.3(49.0)(49.0 245.0-245.0 T E 实际进料板：ND/ET=4/0.47378.49 块 实际板数为：NT/ET14.05/0.473729.730 块 4.3 精馏段与提馏段的体积流量 4.3.1 精馏段 精馏段数据如表 20： 表 20 精馏段数据表 位置进料板塔顶（第一板） xf0.7501xl0.9998质量分数 yf0.8720yl0.9995 Xf 0.628Xl 0.999摩尔分数 Yf 0.793Yl 0.999 MLf 25.89MLD31.99摩尔质量 kg/kmol MVf29.10MVD31.99 温度 7065 本科毕业论文 - 22 - 液相平均摩尔质量：MLkg/kmol94.28 2 99.3189.25 2 LDLf MM 气相平均摩尔质量：MVkg/kmol55.30 2 99.3110.29 2 VV Df MM 液相的平均温度： 5 . 67 2 6570 2 Df m tt t 在 67.5下查表：kg/m3 ,20.979 水 3 /kg21.752m 甲醇 液相平均密度： 水甲醇 LmLm Lm xx 11 其中8750.0 2 9998.07501.0 2 lf Lm xx x 所以 3 /66.774mkg Lm 那么精馏段的液相负荷为：LRD精15.17117.921788.85kmol/h hm LM L Lm L n /83.66 66.774 94.2885.1788 3 假设理想气体，在 67.5， 135.675103 kPa 时： 3水 水 /86.0 )5.6715.273(3145.8 18675.135 mkg RT PM 3甲醇 甲醇 /53.1 )5.6715.273(3145.8 32675.135 mkg RT PM 汽相密度为： 水甲醇 VmVm Vm xx 11 其中9358.0 2 9995.0872.0 2 yy 1f Vm x 解得 3 /457.1mkg Vm 精馏段汽相负荷为： V(R1)D精（15.17+1）117.921906.77kmol/h Vnhm VM Vm /66.39980 457.1 55.3077.1906 3 V 本科毕业论文 - 23 - 表 21 精馏段负荷表 名称液相（L）汽相（V） 平均摩尔质量 kg/kmol 28.9430.55 平均密度 kg/m3 774.661.46 体积流量 m3/h 66.8339980.66 4.3.2 提馏段 提馏段数据如表 22： 表 22 提馏段数据表 位置进料板（F）塔釜（W） xf0.7501Xw0.0005质量分数 yf0.8720yw0.05 Xf0.628Xw0.015摩尔分数 Yf0.793Yw0.029 MLf25.89MLw18.18摩尔质量 kg/kmol MVf29.10Mvw18.41 温度 70105 液相平均摩尔质量：MLkmolkg MM LWLf /04.22 2 18.1889.25 2 气相平均摩尔质量：MVkg/kmol76.23 2 41.1810.29 2 VwV MM f 液相平均温度为：5.87 2 10570 2 w tt t f m 在 67.5下查表： 11，1 3 /00.967mkg 水