50万吨年甲醇精馏系统毕业设计.doc

摘 要 本设计选择了以 50 万 t/a 甲醇精馏的产量作为生产计算与设计的任务， 参考了河南永城永煤集团龙宇煤化工甲醇厂甲醇精馏的工艺，本设计从工 艺角度对其生产过程和主要设备进行了物料衡算、塔设备简捷法计算、热 量衡算、换热器设计等工艺计算。 目目 录录 1 总总 论论1 1.1 概况.1 1.1.1 甲醇的性质和用途1 1.1.2 甲醇精馏工艺技术比较.4 1.1.3 甲醇精馏工艺的概况7 1.4 甲醇精馏工艺流程说明.18 1.4.1 预精馏系统18 1.4.2 加压精馏系统18 1.4.4 回收精馏系统19 2.甲醇精馏生产工艺设计及计算甲醇精馏生产工艺设计及计算20 2.3 精馏塔工艺计算323 2.3.1 物料衡算.23 2.3.2 热量衡算326 2.3.3 理论塔板数计算728 2.3.4 精馏塔主要尺寸的设计计算.29 2.3.5 填料的选择.34 2.3.6 塔径设计的计算.34 2.3.7 填料层高度的计算.36 2.3.8 全塔高度的确定537 2.5 回收精馏塔工艺计算55 2.5.1 物料衡算.55 2.5.2 热量衡算358 2.5.3 理论塔板数计算760 2.5.4 精馏塔主要尺寸的设计计算.62 2.5.5 填料的选择.67 2.5.6 塔径设计的计算.68 2.5.7 填料层高度的计算.69 2.5.8 全塔高度的确定.70 2.5.9 筒体的厚度和封头的厚度确定.72 参考文献参考文献.82 致致 谢谢.84 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 1 页 第一章第一章 总论总论 1.1 概述概述 甲醇最早由木材和木质素干馏制的，故俗称木醇，这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 c-h4-o。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。 1.1.11.1.1 甲醇的性质和用途甲醇的性质和用途 甲醇性质甲醇性质 甲醇（methanol，methylalcohol）又名木醇，木酒精，甲基氢氧化物，是一种最简单 的饱和醇。化学分子式为 ch3oh，结构式如下： h | h-c-oh | h 分子结构：c 原子以 sp3 杂化轨道成键，0 原子以 sp3 杂化轨道成键。分子为极性分子。 最早从木材干馏得到故又称木醇或木精。甲醇是无色有酒精气味易挥发的液体。熔点- 93.9、沸点 64.7、密度 0.7914 克/厘米 3（20） 、能溶于水和许多有机溶剂。甲醇 有毒，误饮 510 毫升能双目失明，大量饮用会导致死亡。禁酒的国家，把甲醇掺入 酒精中成变性酒精，使其不能饮用。甲醇易燃，其蒸气与空气能形成爆炸混合物，甲 醇完全燃烧生成二氧化碳和水蒸气，同时放出热量：2ch3oh+3o2=2co2+4h2o。 工业上用一氧化碳和氢气的混合气（合成气）在一定的条件下制备甲醇：甲醇可 用做溶剂和燃料，也是一种化工原料，主要用于生产甲醛（hcho）：工业酒精里含 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 2 页 有甲醇，但是工业酒精的主要成分还是乙醇。 甲醇有较强的毒性，对人体的神经系统和血液系统影响最大，它经消 化道、呼吸道或皮肤摄入都会产生毒性反应，甲醇蒸气能损害人的呼吸道 粘膜和视力。急性中毒症状有：头疼、恶心、胃痛、疲倦、视力模糊以至 失明，继而呼吸困难，最终导致呼吸中枢麻痹而死亡。慢性中毒反应为： 眩晕、昏睡、头痛、耳鸣、现力减退、消化障碍。甲醇摄入量超过 4 克就 会出现中毒反应，误服一小杯超过 10 克就能造成双目失明，饮入量大造成 死亡。致死量为 30 毫升以上，甲醇在体内不易排出,会发生蓄积，在体内 氧化生成甲醛和甲酸也都有毒性。在甲醇生产工厂，中国有关部门规定， 空气中允许甲醇浓度为 5mg/m3，在有甲醇气的现场工作须戴防毒面具，废 水要处理后才能排放，允许含量小于 200mgl 甲醇的中毒机理是，甲醇经人体代谢产生甲醛和甲酸（俗称蚁酸） ，然 后对人体产生伤害。常见的症状是，先是产生喝醉的感觉，数小时后头痛， 恶心，呕吐，以及视线模糊。严重者会失明，乃至丧命。失明的原因是， 甲醇的代谢产物甲酸会累积在眼睛部位，破坏视觉神经细胞。脑神经也会 受到破坏，产生永久性损害。甲酸进入血液后，会使组织酸性越来越强， 损害肾脏导致肾衰竭。 甲醇中毒，通常可以用乙醇解毒法。其原理是，甲醇本身无毒，而代 谢产物有毒，因此可以通过抑制代谢的方法来解毒。甲醇和乙醇在人体的 代谢都是同一种酶，而这种酶和乙醇更具亲和力。因此，甲醇中毒者，可 以通过饮用烈性酒（酒精度通常在 60 度以上）的方式来缓解甲醇代谢，进 而使之排出体外。而甲醇已经代谢产生的甲酸，可以通过服用小苏打（碳 酸氢钠）的方式来中和。 甲醇用途甲醇用途 目前，甲醇在有机合成工业中，是仅次于烯烃和芳烃的重要基础有机 原料。随着技术的发展和能源结构的改变，甲醇又开辟了许多新的用途。 甲醇是较好的人工合成蛋白的原料，蛋白转化率较高，发酵速度快，无毒 性，价格便宜。甲醇用途广泛，是基础的有机化工原料和优质燃料。主要 应用于精细化工，塑料等领域，用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫 酸二甲脂等多种有机产品，也是农药、医药的重要原料之一。甲醇在深加 工后可作为一种新型清洁燃料，也加入汽油掺烧。甲醇是容易输送的清洁 燃料，可以单独或与汽油混合作为汽车燃料，用它作为汽油添加剂可起节 约芳烃，提高辛烷值的作用，汽车制造也将成为耗用甲醇的巨大部门，甲 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 3 页 醇的消费已超过其传统用途，潜在的耗用量远远超过其化工用途，渗透到 国民经济的各个部门。特别是随着能源结构的改变，甲醇有未来主要燃料 的候补燃料之称，需用量十分巨大1。 我国目前甲醇的产量还较低，但近年来发展速度较快，近五年来甲醇 的生产规模有了突飞猛进的发展。从我国能源结构出发，甲醇由煤制的技 术已经成熟，近几年由煤制甲醇的工艺已经全面工业化生产，将来在我国 甲醇有希望替代石油燃料和石油化工的原料，蕴藏着潜在的巨大市场。我 国甲醇工业无疑将迅速发展起来13。 1.1.21.1.2 甲醇精馏工艺技数比较甲醇精馏工艺技数比较 工业上粗甲醇精馏的工艺流程，随着粗甲醇合成方法不同而有差异，其 精制过程的复杂程度有较大的差别，但基本方法是一致的。首先，总是以 蒸馏的方法在蒸馏塔的顶部，脱除较甲醇沸点低的轻组分，这时，也可能 有部分高沸点的杂质和甲醇形成共沸物，随轻组分一并除去。然后，仍以 蒸馏的方法在塔的底部或底侧脱除水和重组分，从而获得纯净甲醇组分。 其次，根据精甲醇对稳定性或其他特殊指标的要求，采取必要的辅助方法。 近年来，由于催化剂、粗甲醇合成条件以及制取原料气的改进，粗甲醇 的精馏过程相应有较大的变更。加上新型精馏设备的使用，对工艺流程也 产生一定影响。在决定粗甲醇精馏的工艺流程时，应对这些条件进行综合 考虑，并结合到过程中能源消耗的降低，自动化程度的提高，对精甲醇质 量的特殊要求等等，合理选择适当的精馏方法。 粗甲醇精馏有两种流程，即两塔流程和三塔流程。这两种流程在甲醇精 馏中都是比较成熟的。 粗甲醇双塔精馏流程如图 2-2，第一塔为预精馏塔，第二塔为主精馏塔， 二塔再沸器的热源均为低压蒸汽。预精馏塔用以分离轻组分（二甲醚等） 和溶解的气体（h2、co、co2 等） ，塔顶取出的气体包括不凝性气体、轻组 分、水蒸汽以及甲醇，经过冷凝，大部分水分和甲醇回流入塔。主精馏塔 主要除去的组分包括乙醇、水以及高级醇。含水和高沸点组分的粗甲醇从 该塔中部进入，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，产品甲醇则从塔顶处采出。 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 4 页 该工艺具有流程简单，运行稳定，操作方便，一次投资少的特点，适合 于原料粗甲醇中二甲醚等轻组分、还原性杂质较低的粗甲醇加工。 粗甲醇三塔精馏流程如图 2-3，其中第一塔为预精馏塔，第二塔为加压塔， 第三塔为常压精馏塔。粗甲醇在闪蒸槽中解压，释放出部分溶解在其中的 气体后利用余压将粗甲醇送入粗甲醇预热器。在预热器中，粗甲醇被来自 再沸器的冷凝蒸汽加热，然后送入预精馏塔，在预塔中，入料粗甲醇再次 减压，部分气化。气体从塔顶引出，冷凝下来后经回流泵加压返送回预精 馏塔顶；脱除了轻组分的塔釜液，由预精馏塔塔斧送出，经加压泵送往加 压精馏塔。在加压塔塔顶形成高纯度甲醇蒸汽，这些蒸汽被利用作为常压 塔塔底再沸器热源，高压甲醇蒸汽被冷凝后进入加压精馏塔回流槽，这些 甲醇一部分送往加压塔塔顶做回流液，一部分送往粗甲醇预热器冷却后作 为产品送入储槽；加压精馏塔塔斧未气化的粗甲醇则靠压力直接送往常压 精馏塔。常压精馏塔塔顶生成低压高纯度甲醇气体，甲醇气体进入常压精 馏塔冷凝器降温后，一部分做回流，一部分作为产品冷却后送往储槽；常 压塔塔底残液排出处理。 对于三塔精馏，两个主精馏塔塔板数增加了一倍，自然分离效率大大提 高，然而其能量的消耗反而降低了。但是加压塔对于向塔内提供热源的蒸 汽要求较高，对受压容器的材质、壁厚，制造也有相应的要求，投资较大。 但对于精馏规模较大的装置，从长远看，效益还是明显的。 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 5 页 双塔精馏与三塔精馏技术比较 项目双塔三塔 设备投资两塔，同等规模要比三塔 精馏的设备投资低 20%30% 三塔，尤其是加压塔制造要求高， 投资较大 运行操作流程简单，运行稳定流程相对复杂，操作温度控制较 为严格，另外第一精馏塔塔压、 回流比控制及第二精馏塔负荷的 平衡要求较高 产品质量精甲醇中乙醇含量 100600mg/kg，虽然有时 可达到100mg/kg 的低杂 质甲醇，但能耗和收率均 受影响 精甲醇的纯度可以提至 99.95%， 同时甲醇中含有的其它杂质也较 少 能耗精馏过程能耗大，热能利 用率低 降低主精馏塔的负荷，合理的利 用了热量，较双塔流程节约热能 30%40% 蒸汽消耗二塔再沸器的热源均为低 压蒸汽，汽消耗量相对较 大 常压塔利用加压塔塔顶的蒸汽冷 凝热作为加热源节省了加压蒸汽 精馏塔按内件可以分为板式塔和填料型精馏塔。传统的精馏塔大都是以 浮阀为主的板式塔，但由于板式塔的开孔率低，介质传质、传热效率差， 总体效果并不太理想。效率较高的填料塔是近几年才出现的，采用以高效 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 6 页 丝网波纹填料和配套的分布器为核心的精馏技术。 不论采用何种精馏工艺流程，精馏塔都是该装置的核心设备，其决定着 装置能耗的高低和产品质量的好坏。填料型精馏塔工艺，其核心设备主、 预塔都选用新型填料型精馏塔，塔内采用高效的、经特殊工艺处理的不锈 钢丝网波纹填料和配套的新型气液分布器，该塔具备以下优点： （1）踏板效率高 采用甲醇精馏专用不锈钢丝网波纹填料，孔隙率 0.85m2/m3,理论塔板数 810 块/m,经特殊工艺处理后，具有优 良的传质、传热性能和液体均布能力强等特点。这样可以减少 理论塔板数，降低精馏塔的高度，单位生产能力大。生产控制 中采用较小回流比，提高了精甲醇质量，降低泵的扬程，节省 了电耗。 （2）结构简单，易于维修和安装 精馏塔内填料分层安装，结构简 单，设备体积小，物料在系统中停留时间缩短，产质量提高。 （3）操作弹性大 由于丝网填料具有优良传质、传热性能，能迅速 适应物料各种工艺参数的变化，易于操作，控制手段简单，稳 定区域打，可保证系统有较大的弹性，产品质量稳定。 甲醇精馏填料型三塔工艺技术和甲醇精馏专用丝网规整填料的成功开 发，为众多大，中型甲醇生产企业的增产、降耗提供了技术，为企业大 幅度降低甲醇生产成本、提高产品质量和扩大市场占有率提供了可能， 具有着明显的经济效益和社会效益。 综上所述，本设计采用填料型三塔甲醇精馏工艺技术。另外为了减少甲 醇损失，增加了一个塔，以对污水中的甲醇进行回收处理，故现在一般 叫 3+1 塔工艺流程。 1.1.3 甲醇精馏工艺的概况甲醇精馏工艺的概况 1、工序任务 甲醇精馏是甲醇合成的下游工序，其目的就是对合成装置来的粗甲醇 进行精制，将甲醇中的杂质进行脱除，以生产符合标准的优等级精甲醇产品。 2、装置工艺特点 目前，总体来说甲醇精馏的工艺大体可分为两塔工艺流程和三塔工艺 流程，根据塔内件的不同可分为塔盘精馏、填料精馏和复合型精馏。 本甲醇精馏装置采用的是以规整填料为塔内件的三塔精馏工艺，精馏 用汽为低压蒸汽。各塔再沸器蒸汽冷凝液用作粗甲醇预热器热源，以节约 能量。另外为了减少甲醇的损失，增加了一个塔,以对污水中的甲醇进行回 收处理，故现在一般叫 3+1 塔工艺流程。 精馏的主要设备是精馏塔，而塔的内件是实现气液接触和热质传递的 主要元件，常用的塔内件分塔盘和填料两种。填料是最早使用的塔内件， 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 7 页 当初使用在小塔径的塔里，由于其设计、制造、安装难度不大，应用十分 广泛。随着化学工业的发展，精馏塔的内径越来越大，于是气液分布不均 问题显得突出，效率大幅下降，直径大于 2 米的塔的效率已相当低，沟流 和边界效应严重，为解决这些问题，人们开发了板式塔，但是板式塔的结 构复杂、制造和安装精度要求高，因而人们又加紧了对填料塔放大技术的 攻关，在解决了气液分布等问题后，大型装置又开始使用填料塔。目前的 填料分为散堆填料和规整填料。设计的甲醇精制采用的是规整填料精馏工 艺技术，该技术的好坏取决于气液接触程度，即取决于液体在填料表面分 布的均匀程度，气体的分布较容易，液体分布均匀很难，故液体分布器是 填料塔的一个关键部件，它是决定着填料塔的放大效应。采用槽式液体分 布器和槽-盘式液体分布器可以较好地解决抗堵、防夹带等问题，压降小、 负荷弹性大。 采用规整填料为塔内件的 3+1 塔精馏工艺，其特点是： 1、精甲醇产品的质量好，甲醇回收率高； 2、能耗低。比两塔工艺减少蒸汽消耗约 30%左右； 3、操作的灵敏性比板式塔好，但其稳定性不如板式塔好； 4、采取了萃取精馏和共沸精馏工艺，有效解决了微量难分离组分的脱 除问题； 5、分离效率高，操作弹性大，生产能力大。 1.2 精馏的目的、原理精馏的目的、原理 1.3 甲醇主要技术规格甲醇主要技术规格 1.4 甲醇精馏工艺流程说明甲醇精馏工艺流程说明 1.4.1 预精馏系统预精馏系统 来自甲醇合成装置的粗甲醇（40、0.5mpaa） ，首先进入粗甲醇预热器 e-15501 的管程，被壳程的低压蒸汽冷凝液加热到 70左右，然后进入预 精馏塔 c-15501 的上部。 预精馏塔 c-15501 顶部出来的气相，首先进入预精馏塔一级冷凝器 e- 15506 的壳程，物料被管程的循环冷却水冷却到 67. .5,冷却下来的液体进 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 8 页 入预精馏塔回流槽 t-15501 中；从预精馏塔一级冷凝器 e-15506 出来的气 体进入预精馏塔二级冷凝器 e-15515 的壳程，物料被管程的循环冷却水冷 却到 40左右,冷凝下来的液体进入萃取槽 t15508 中，经工艺水萃取后， 甲醇水溶液进入预精馏塔回流槽 t-15501 中，萃取出来的物料去杂醇油罐； 二级冷凝器中出来的带有甲醇的不凝气，进排放槽 t15506 中，用水洗涤其 中的甲醇后，不凝气去放空总管。 回流槽 t-15501 中的甲醇溶液，经预精馏塔回流泵送入预精馏塔 c- 15501 的顶部作回流液。预精馏塔塔釜的预后甲醇经液位控制后去加压精馏 塔进一步精馏。 低压蒸汽和加压精馏塔来的低压蒸汽冷凝液，分别进入预精馏塔 c- 15501 的再沸器 e-15510 和 e-15514，对管程的介质进行加热来为预精馏塔 精馏提供热量，然后蒸汽冷凝液去 e-15501 加热粗甲醇。 为了防止粗甲醇中的酸性物质对管道和设备造成腐蚀，向粗甲醇中加 入少量 5%左右的 naoh 溶液，将粗甲醇的 ph 值控制在 7. .58 左右。 1.4.2 加压精馏系统加压精馏系统 预精馏塔出来的预后甲醇，经加压精馏塔给料泵加压后，进入加压精 馏塔进料/釜液换热器 e-15513 的管程，被壳程介质加热到泡点后，进入加 压精馏塔 c-15502 的下部，塔顶出来的甲醇蒸汽进入冷凝器/再沸器 e- 15507 的壳程，被管程的介质冷凝后进入加压精馏塔回流槽 t-15502，回流 槽中出来的冷凝液甲醇，部分经加压精馏塔回流泵加压后进入加压精馏塔 顶作回流液，其余的甲醇液进入加压精馏塔精甲醇冷却器 e-15502 的壳程， 被管程的循环冷却水冷却到 40后，去中间罐区的精甲醇计量罐（或粗甲 醇储罐） 。出加压精馏塔釜液去常压精馏塔继续精馏。 低压蒸汽进入加压精馏塔再沸器 e-15511，为加压精馏塔精馏提供热量， 被冷凝后的低压蒸汽冷凝液，去 e-15501 继续作加热介质用。 1.4.4 回收精馏系统回收精馏系统 常压精馏塔底出来的废水，含有 2%左右的甲醇，经回收精馏塔进料泵 加压后，进入回收精馏塔 c-15504，塔顶出来的气相，进回收精馏塔冷凝器 e-15509 的壳程，被管程的循环冷却水冷却到 45左右，进入回流槽 t- 15504，回流槽出来的液体经回收精馏塔回流泵加压后，部分进回收精馏塔 顶部作回流液，其余去中间罐区的杂醇油储罐。 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 9 页 低压蒸汽进入回收精馏塔再沸器 e-15516 的壳程，加热管程介质后为 回收精馏塔精馏提供热量。蒸汽冷凝液去 e-15501。 回收精馏塔底出来的釜液，含有微量的甲醇和有机物，经废水冷却器 e-15512 中的循环冷却水冷却到 60左右后，送出界区去污水生化处理装 置。 第第 2 章章.甲醇精馏生产工艺设计及计算甲醇精馏生产工艺设计及计算 2.1 计算参数计算参数 2.2 预精馏系统工艺计算预精馏系统工艺计算 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 10 页 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 11 页 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 12 页 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 13 页 2.3 加压精馏塔工艺计算加压精馏塔工艺计算 2.3.1 物料衡算物料衡算 已知： =30.23kg/kmol =32.04kg/kmol =18.02kg/kmol m 甲醇 m 水 m 进料流量 f=73734.6kg/h 甲醇的质量分率 =87% 水的质量分率 s w t w =13% 另外还有乙醇和杂醇的量较小，这里忽略不计。摩尔分率单位：% t w 进料的摩尔流量 =73734.6/30.23=2439.1201kmol/h m w f s 甲醇的摩尔分率 =（8773734.6/100）/32）/2439.1201=0.82 f x d=966.2289kmol/h w=1552.1203kmol/h =0.67 w x 根据物料衡算方程 wdf wdf xwxdxf 计算出 2439.12010.82=966.2289+1552.12030.67=0.994 d x d x 进料温度（1000kpa） 107.2，取泡点进料 q=1 f t f t 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 14 页 塔顶温度为128.1 d t 在107.2温度下，根据安托因公式计算出甲醇和水的饱和蒸汽压，注： f t 水的安托因常数为 a=7.1827，b=1722.632，c=232.79874。 ct b ap lg 式中 -饱和蒸汽压，kpa； p t-物系温度，。 代入数据得，水的饱和蒸汽压=130.652kpa。 b p 甲醇的安托因常数为 a=18.5875，b=3626.55，c=-34.29 ct b ap ln 式中 -饱和蒸汽压，mmhg； p t-物系温度，k。 代入数据得，甲醇的饱和蒸汽压=442.77 kpa. a p 回流比确定 由甲醇-水的平衡数据绘制 x-y 图 用作图法求最小回流比 min r 由于进料为泡点进料 q=1，所以画 q 线与平衡线交点，用交点坐标 x,y 求最 小回流比 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 15 页 图 2-2 作图法求最小回流比 3.39 b a p p 652.130 77.442 0.5319 8205818.933 5818.933994 min qq qd xy yx r 操作回流比可取为最小回流比的 1.12.0 倍，所以取 1.20.5319=0.6383 min 2 . 1 rr 所以，回流比确定为0.6383r 0.6383966.2289=617.0337kmol/hdrl 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 16 页 617.0337+12439.1201=3056.1538kmol/hfqll 1583.2626kmol/hvv 表 2-4 物料衡算表 物料流量（kmol/h）组成物料物流 （kmol/h） 精馏段上升 蒸汽量 v 1583.2626 提馏段上升 蒸汽量 v 1583.2626 精馏段下降 液体量 l 617.0337 提馏段下降 进料 f 2439.1201 甲醇 0.820 水 0.18 塔顶产品 d 966.2289 甲醇 0.994 水 0.006 塔底残液 w 1552.1203 甲醇 0.67 水 0.33液体量 l 3056.1538 2.3.2 热量衡算热量衡算3 1.加热介质和冷却剂的选择 加热介质的选择 常用的加热剂有饱和水蒸汽和烟道气。饱和水蒸汽是一种应用最广的 加热剂。由于饱和水蒸汽冷凝时的传热膜系数很高，可以通过改变蒸汽的 压力准确地控制加热温度。燃料燃烧所排放的烟道气温度可达 1001000， 适用于高温加热。缺点是烟道气的比热容及传热膜系数很低，加热温度控 制困难。本设计选用 0.7mpa（温度为 180）的低压蒸汽作为加热介质， 水蒸汽易获得、清洁、不易腐蚀加热管，不但成本会相应降低，塔结构也 不复杂。 冷却剂的选择 常用的冷却剂是水和空气，应因地制宜加以选用。受当地气温限制，冷 却水一般为 1035.如需冷却到较低温度，则需采用低温介质，如冷冻盐 水、氟利昂等。 本设计建厂地区为永城。永城市夏季最热月份日平均气温为 32。故选 用 32的冷却水,选升温 10，即冷却水的出口温度为 42. 根据资料所提供的数据，=128.1，=134.2 d t w t 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 17 页 注：下标 1 为甲醇，下标 2 为水。 2.冷凝器的热负荷 冷凝器的热负荷 ldvdc iivq 其中 -塔顶上升蒸汽的焓 vd i -塔顶馏出液的焓 ld i 对于全凝器作热量衡算（忽略热量损失） 因塔顶馏出液几乎为纯甲醇，故其焓可近似按纯甲醇进行计算，则全 凝器的热负荷为（塔顶温度为 128.1下，甲醇的汽化热为 953.4809kj/kg） 953.48091583.262632.04=4.84107 kj/h c q 128.1下，水的比热容为 d tckgkjcpc /265 . 4 1134818.29 kg/h 12 ttc q w pc c c 3242265 . 4 1084 . 4 7 3.再沸器的热负荷和加热蒸汽消耗量 在=134.2下，甲醇的汽化热为 1025.26kj/kg，水的汽化热为 w t 2254.24 kj/kg 选用 0.7mpa（700kpa，180）低压蒸汽为加热介质 再沸器的热负荷为 lwvwb iivq 因釜残液几乎为水，故其焓可按纯水进行计算，即 2254.2418.02=40621.40kj/kmol blwvw rii 则 1583.262640621.40=6.43107 kj/h b q 加热蒸汽消耗量为 12 ttc q w pc c c 由附录查得 p 为 700kpa 时水的汽化热为 2071.5 kj/kg。则 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 18 页 31040.31kg/h 5 . 2071 1043 . 6 7 r q w b h 2.3.3 理论塔板数计算理论塔板数计算7 由于本次设计时的相对挥发度是变化的，所以不能用简捷法求得，应 用图解法。 精馏段操作线方程为 11 r x x r r y d 截距 0.6067 16383 . 0 994 . 0 1r xd 连接（，） ， （0，）与 q 线交于 d 点，连接（，）与 d 点， d x d x 1r xd w x w x 得到提馏段操作线、然后，由平衡线与操作线可得精馏塔理论板数，但由 于极小，利用作图法画出理论板数，如图所示，梯级数为 12 块。 w x 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 19 页 图 2-3 加压塔求理论塔板数的图解法 塔顶温度下：=804.252kpa =130.652kpa a p b p 804.252/130.652=6.156 b a d p p 塔底温度下：=945.304kpa =308.248kpa a p b p 945.304/308.248=3.067 b a w p p 全塔平均挥发度：4.345 wdm 因为塔底设有再沸器，所以精馏塔理论板数要比梯级数少 1，所以精馏 塔理论板数为 11 块，精馏段为 10 块，提馏段为 1 块。 2.3.4 精馏塔主要尺寸的设计计算精馏塔主要尺寸的设计计算 1.精馏塔设计的主要依据和条件 表 2-5 水在不同温度下的密度 温度/60708090100110 密度/(g/ cm3)0.98320.97780.97180.96530.95840.9510 表 2-6 甲醇在不同温度下的密度 温度/102030405060 密度/(g/ cm3)0.80080.79150.78250.77400.76500.7555 表 2-7 水在不同温度下的黏度 温度/8090100110120130 黏度/smpa0.35650.31650.28380.25890.23730.2177 表 2-8 甲醇在不同温度下的黏度 温度/10152065.3171.8698.52 黏度/smpa0.6860.6380.5910.3320.2950.225 用内插法可以计算出水和甲醇在塔顶、塔底和进料温度下的密度和黏度 举例： 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 20 页 0.9691 g/ cm3 水 水 9718 . 0 80 1 . 84 9718 . 0 9653 . 0 8090 0.2648 水 水 5229 . 0 53 1 . 84 5229 . 0 5146 . 0 5354 smpa 表 2-9 水和甲醇在不同温度下的密度 温度/128.1 d t134.2 w t107.2 f t 水密度/(g/ cm3)0.93760.93310.9531 甲醇密度/(g/ cm3)0.69080.68510.7107 表 2-10 水和甲醇在不同温度下的黏度 温度/128.1 d t134.2 w t107.2 f t 水黏度/()smpa0.22140.20990.2624 甲醇黏度/()smpa0.14730.13130.2022 2.塔顶条件下的流量和物性参数 32.040.994+18.02（1-0.994）=31.96kg/kmol dd xmxmm1 21 31.961583.2626=50601.07kg/hvmv1 31.96617.0337=19720.4kg/hlml1 0.994=0.993，=0.007 d x 1 a 2 a 1.4450cm3/g 2 2 1 1 1 aa l 9376 . 0 007 . 0 6908 . 0 993 . 0 所以 0.6920 g/ cm3=692.0 kg/ m3 l 0.9707 kg/ m3 1 . 12815.273314 . 8 96.31325.101 rt mp v 0.22140.994+0.1473（1-0.994） ddl xx1 21 =0.2210smpa 塔顶出料口质量流量：d=966.228931.96=30880.68 kg/h 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 21 页 表 2-11 塔顶部数据结果表 符 号 kmolkg m / 3 /mkg v 3 /mkg l smpa l hkmolhkg d /摩尔质量 流量 数 值 31.960.9707692.00.221030880.68966.2289 3.塔底条件下的流量和物性参数 32.040.67+18.02(1-0.67)=27.42kg/kmol ww xmxmm1 21 0.8204 kg/ m3 2 . 13415.273314 . 8 42.27325.101 rt mp v 由于=0.67=0.78，=0.22 w x 1 a 2 a 1.3743cm3/g 2 2 1 1 1 aa l 9331 . 0 22 . 0 6851 . 0 78 . 0 所以 0.7276 g/ cm3=727.6kg/ m3 l 0.13130.67+0.2099（1-0.67） wwl xx1 21 =0.1573smpa 27.421583.2626=43413.06kg/h 3 vmv 27.423056.1538=83799.74kg/h 3 lml 塔底质量流量：w=1552.120327.42=42559.1386kg/h 表 2-12 塔底部数据结果表 符 号 kmolkg m / 3 /mkg v 3 /mkg l smpa l hkmolhkg w /摩尔质量 流量 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 22 页 数 值 27.420.8204727.60.157342559.12861552.1203 4.进料条件下的流量和物性参数 32.040.82+18.02(1-0.82)=28.44 kg/kmol ff xmxmm1 21 0.9113 kg/ m3 2 . 10715.273314 . 8 44.28325.101 rt mp v 由于=0.82=0.87，=0.13 f x 1 a 2 a 1.3605 cm3/g 2 2 1 1 1 aa l 9531 . 0 13 . 0 7107 . 0 87 . 0 所以 0.7350 g/ cm3=735.0 kg/ m3 l 1583.262628.44=45027.99kg/h 2 2 vv 精馏段：28.44617.0337=17548.44kg/hlml2 提馏段：28.443056.1538=86917.01kg/h 2 lml 0.20220.82+0.2624(1-0.82)=0.1973 ffl xx1 21 smpa 进料质量流量：f= 42823kg/h 表 2-13 进料数据结果表 符 号 kmolkg m / 3 /mkg v 3 /mkg l smpa l hkmolhkg f /摩尔质量 流量 数 值 28.440.9113735.00.197373734.62439.1201 5.精馏段的流量和物性参数 0.941 kg/ m3 2 9113 . 0 9707. 0 2 21 vv v 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 23 页 713.5kg/ m3 2 0 . 735 0 . 692 2 21 ll l 47814.53kg/h 2 99.4502707.50601 2 21 vv v 18634.42 kg/h 2 44.17548 4 . 19720 2 21 ll l 0.2092 2 1973 . 0 2210 . 0 2 lfld l smpa 6.提馏段的流量和物性参数 0.8659kg/ m3 2 8204 . 0 9113 . 0 2 32 vv v 731.3 kg/ m3 2 6 . 727 0 . 735 2 32 ll l 44220.83 kg/h 2 66.4341399.45027 2 3 2 vv v 85358.38 kg/h 2 74.8379901.86917 2 3 2 ll l 0.1773 2 1973 . 0 1573 . 0 2 lflw l smpa 7.体积流量 塔顶：14.48m3/s 36009707 . 0 07.50601 1 1 1 v s v v 塔底：14.699m3/s 36008204 . 0 06.43413 3 3 3 v s v v 进料： 13.725m3/s 36009113 . 0 99.45027 2 2 2 v s v v 精馏段： 14.102m3/s 2 725.1348.14 2 21ss s vv v 提馏段：14.212m3/s 2 699.14725.13 2 32 ss s vv v 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 24 页 表 2-14 精馏段、提馏段数据结果表 精馏段提馏段 气相密度 3 / mkg v 0.94100.8659 液相密度 3 / mkg l 713.5731.3 气相摩尔流量 1 / hkmol1583.26261583.2626 气相质量流量 1 / hkg47814.5344220.83 液相黏度/smpa0.20920.1773 液相摩尔流量 1 / hkmol617.03373056.1538 液相质量流量 1 / hkg18634.4285358.38 2.3.5 填料的选择填料的选择 填料是填料塔的核心构件，它提供了气液两相接触传质与传热的表面， 与塔内件一起决定了填料塔的性质。目前，填料的开发与应用仍是沿着散 装填料与规整填料两个方面进行。 本设计选用规整填料，规整填料是一种在塔内按均匀几何图形排布、 整齐堆砌的填料，规定了气液流路，改善了沟流和壁流现象，压降可以很 小，同时还可以提供更大的比表面积，在同等溶剂中可以达到更高的传质、 传热效果。 与散装填料相比，规整填料结构均匀、规则、有对称性，当与散装填 料有相同的比表面积时，填料空隙率更大，具有更大的通量，单位分离能 力大。 所选的规整的参数为 型号 峰高 mm 比表面积 m2/m3 理论板数 1/m 空隙率 % 压力降 mpa/m cb500y122502.5973.010-4 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 25 页 2.3.6 塔径设计的计算塔径设计的计算 1.精馏段塔径计算 由气速关联式 8 1 4 1 2 . 0 2 2 75 . 1 lg l g l l g f g l a a g u 式中 -干填料因子； 2 a -液体粘度，； l smpa -金属丝网规整填料为 0.30；a -液体、气体质量流速；gl、 -气体、液体密度； lg 、 -重力加速度。g 精馏段：=0.9410kg/ m3，=713.5kg/ g l m3，=0.97，=250，=0.2092，=18634.42 a 32 /mm l smpal kg/h，=47814.53 kg/h，=0.30ga 代入式中求解得 4.4m/s f u 空塔气速 0.54.4=2.2 m/s f uu5 . 0 体积流量 14.102m3/s s v 2.858m 2 . 214 . 3 102.1444 u v d s 圆整后：3000mm，空塔气速2.2m/sdu 2.提馏段塔径计算 提馏段：=0.8659kg/ m3，=731.3 kg/ m3，=0.97，=250， g l a 32 /mm =0.1773，=85358.38 kg/h，=44220.83 kg/h，=0.30 l smpalga 代入上面的公式中，解得 3.4m/s f u 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 26 页 空塔气速 0.53.4=1.7m/s f uu5 . 0 体积流量 14.212m3/s s v 3.263m 7 . 114 . 3 212.1444 u v d s 圆整后：3400mm，空塔气速1.7 m/sdu 2.3.7 填料层高度的计算填料层高度的计算 1.精馏段 所选的规整的参数为 型号 峰高 mm 比表面积 m2/m3 理论板数 1/m 空隙率 % 压力降 mpa/m cb259y122502.5-3973.010-4 根据所选的填料的参数，选取 1m 填料高度等于 2.5 块理论塔板，压力 降为 3.010-4mpa/m,即=1/2.5=0.4m,3.010-hetpzp/ 4mpa/m=300pa/m。 则精馏段填料层高度为 hetpnz t =100.4=4mhetpnz t 精 精馏段总压降3.010-44 精精 zzpp/ =1.210-3mpa =1200pa 2.提馏段 根据所选的填料的参数，已知 1m 填料高度等于 2.5 块理论塔板，压力 降为 3.010-4mpa/m,即=1/2.5=0.4m,3.010-hetpzp/ 4mpa/m=300pa/m。 则提馏段填料层高度为 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 27 页 hetpnz t =10.4=0.4mhetpnz t 提 提馏段总压降3.010-40.4 提提 zzpp/ =1.210-4mpa =120pa 2.3.8 全塔高度的确定全塔高度的确定5 1.全塔填料层总高度 4+0.4=4.4m 提精 zzz 2.全塔填料层总压降 =1200+120=1320pa 提精 ppp 3 全塔填料层高度和压降计算汇总表 参数精馏段提馏段全塔 压降（pa/m）zp/300300- 总压降/ pa12001201320 填料层高度/m40.44.4 4.填料支承装置 填料支承装置的作用是支承塔内的填料。常用的填料支承装置有栅板 型、孔管型、驼峰型等。对于规整填料，通常选用栅板型支承装置。 5.液体分布装置 液体在填料塔内均匀分布，可以增大填料的润湿表面积，以提高分离 效果，因此液体的初始分布十分重要。所以要求分布装置要有与填料相匹 配的分液密度和均匀的分布质量。 近年来的实践表明，大直径填料塔的放大的问题主要是保证液体初始 分布均匀，若能保证单位塔截面的喷淋点数目与小塔相同，大型填料塔的 传质效率将不会低于小型塔。 本设计选用的是槽式液体分布器和槽盘式液体分布器可以较好地解决 抗堵、防夹带等问题，压降小、负荷弹性大。 槽式液体分布器是由分流槽（又称主槽或一级槽） 、分布槽（又称副槽 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计 第 28 页 或耳机槽）构成的。一级槽通过槽底开孔将液体初分成若干流股，分别加 入其下方的液体分布槽。分布槽的槽底（或槽壁）上设有孔道（或导管） ， 将液体均匀分布于填料层上。槽式液体分布器具有较大的操作弹性和极好 的抗污堵性，特别适合于大气液负荷及含有固体悬浮物、粘度大的液体的 分离场合，应用范围非常广泛。 槽盘式分布器是近年来开发的新型液体分布器，它兼有集液、分液及 分气三种作用，结构紧凑，气液分布均匀，阻力较小，操作弹性高达 10：1，适用于各种液体喷淋量。 6.全塔高度确定 (1)塔顶空间 塔顶空间是塔顶第一块塔板到塔顶切线距离。对于填料塔而言，塔顶 空间即为第一层填料上线到塔顶切线的距离。为了减少塔顶出口气体中携 带液体量，塔顶空间一般取 1.21.5m，以利于气体中的液滴自由沉降。本 设计取塔顶空间为 1.5m。 (2)塔内液体分布器高度 本设计选用的是槽式液体分布器和槽盘式液体分布器可以较好地解决 抗堵、防夹带等问题，压降小、负荷弹性大。