产6万吨甲醇精馏工艺设计.doc

年产6万吨甲醇精馏工艺设计摘 要6万吨甲醇精馏设计是为大型合成氨厂联产甲醇而设计的，对精馏的原理、方法进行了介绍，在对甲醇精馏的工艺路线、流程进行分析、调研的基础上选择了6万吨甲醇精馏设计，并对甲醇精馏系统进行了物料平衡和热量平衡的计算，并对精馏塔进行了设计，提出了相应的配套设施。关键词：联醇；精馏；萃取目 录前言1符号说明2第1章 设计简介3第1.1节 设计要求3第1.2节 甲醇精馏的原理与方法3第1.3节 主要技术路线5第2章 方案和工艺流程的评定7第2.1节 双塔流程的特点7第2.2节 工艺说明7第2.3节 主要设备选型10第3章 设计计算书11第3.1节 给定数据11第3.2节 物料和热量衡算11第3.3节 精馏塔的设计23结论30参考文献31致 谢3232前 言本文详细论述了6万吨甲醇精馏设计，利用合成氨生产中有害气体（CO、CO2）和H2，采用铜基催化剂，在5.0-15.0MPa压力下生产甲醇。国内联醇工艺存在规模小，绝大部分为30kt/a以下小厂，没有规模效应；技术路线单一，能耗较大（国外先进联醇装置能耗30GJ/t左右，我国联醇装置能耗一般在50GJ/t以上）；国外联醇装置一般规模均在60kt/a以上，托普索的联醇装置80kt/a，而我国大部分是10kt/a的小厂，经济技术指标落后，所以需在合成氨改造的同时，改造联醇装置，串联式联醇装置一般宜扩大到60-80kt/a为宜。通过物料衡算、热量衡算、主要设备工艺，得出所选脱醚塔和甲醇水精馏塔等主要设备的技术参数和设备尺寸，并且证明所得技术参数及设备尺寸均能满足年产6万吨甲醇的设计要求，各项消耗也在消耗控制指标范围内。所以本文对年产6万吨甲醇的精馏工艺设计是比较合理和科学的。符号说明P 压力kPaQ 热量kJ/hG 冷却水量t/tXf 进料中甲醇的摩尔分数Xd 精甲醇中甲醇的摩尔分数Xw 残液中甲醇的摩尔分数Nm 最小理论塔板数a 相对挥发度R 回流比Rm 最小回流比Pa.s 物料的粘度Pa.s，物料的平均粘度Pa.sE0 全塔效率NT 理论塔板数(不包括再沸器)NP 实际塔板数L 液相负荷kmol/hV 气相负荷kmol/h 表面张力N/m 液相密度kg/m3HT 板间距mHL 板上清液层高度mC 气体负荷因子u 空塔速度m/sR 气体常数J/mol.K或atm.m3/kmol.KT 温度KZ 塔的有效高度第1章 设计简介第1.1节 设计要求合成氨联产甲醇是利用合成氨生产中有害气体（CO、CO2）和H2，采用铜基催化剂，在5.0-15.0MPa压力下生产甲醇。国内联醇工艺存在规模小，绝大部分为30kt/a以下小厂，没有规模效应；技术路线单一，能耗较大（国外先进联醇装置能耗30GJ/t左右，我国联醇装置能耗一般在50GJ/t以上）；国外联醇装置一般规模均在60kt/a以上，托普索的联醇装置80kt/a，而我国大部分是10kt/a的小厂，经济技术指标落后，所以需在合成氨改造的同时，改造联醇装置，串联式联醇装置一般宜扩大到60-80kt/a为宜。第1.2节 甲醇精馏的原理与方法为了得到纯甲醇，利用甲醇与各杂质之间各种物理性质上的差异，将杂质分开，在甲醇精制时，通常用精馏与萃取等方法。1.2.1精馏原理利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的回流，使气、液两相逆向多级接触，在热能驱动和相平衡关系的约束下，使得易挥发组分（轻组分）不断从液相往气相中转移，而难挥发组分却由气相向液相中迁移，使混合物得到不断分离，称该过程为精馏。该过程中，传热、传质过程同时进行，属传质过程控制。1.2.2精馏的方法在实际生产中如何体现精馏操作，试用图1-1a的装置形式来说明。原料液加入容器A，并在容器内加热使之沸腾，液相组成x1，部分气化成气相y1，y1进入容器B并使部分气化成y2，这样液相中的甲醇浓度x1x2x3x4。虽然原料液不断向A加入，但由于甲醇的不断蒸发，蒸汽组成y始终大于x，液相中的甲醇组份越来越少，致使操作不能持久继续下去。y4 D y4 y3 D C C y3 y2 x4 C y2 x3 x3 y1 B B 原料液 y1原料液 x2 蒸汽 x2 A蒸汽 A x1 x1 (a) (b)图1-1 精馏的体现如果将各容器中冷凝的液体引回一部分到前一容器，如图11b所示。这样改变操作后由各容器分出的蒸汽所含的易挥发组分量仍然在递增，但就任何一个容器而言，它得自后面一个容器的液体，气中甲醇含量多于他送往前面一个容器的液体中的含量。容器中液体所获得的甲醇含量，则各容器中的液相组成保持不变。这种引回的液体叫做回流液，运用回流液是精馏操作的一个主要特点。根据上述，在A、B、C、D各容器中，易挥发组分甲醇有x1x2x3x4，而气相中甲醇y1y2y3y4，在足够多的容器串联时，从最上层可以得到几乎全部是易挥发组分的蒸汽，冷凝后得到几乎纯粹的馏出液。而从最下一层可以得到几乎全部为难挥发组分，叫做残液。就这样将混合液分离为几乎纯粹的组份。上部易挥发组分蒸出冷凝后取出，最下部取出难挥发组分，同时不断补充原料液，保持：补充原料液上部馏出液下部残液为了使装置简化，又能达到制取纯组分的目的，将图11b的装置做成所谓的精馏塔，即为工业上用以精馏的主要设备。第1.3节 主要技术路线1.3.1精馏工艺的要求精馏工艺的设计，首先要使产品精甲醇的各项指标达到国家标准的要求。其次，精馏及加工中甲醇损耗与能耗也是考核生产工艺的重要指标。在精馏过程中，甲醇损耗约占加工费用的三分之二，所以降低加工费用应主要着眼于降低甲醇的损耗。另外，对于加工过程中流出物的回收利用、环境保护及安全技术措施也是十分重要的。1.3.2精馏工艺的选择.生产规模的确定本设计是考虑为大型化肥厂改造配套的。近年来国内化肥行业技术进步的步伐很快，新技术得到广泛引用，甲醇、烷烃化工艺（简称双甲工艺）就是国内自行开发的新工艺之一。目前国内许多合成氨厂仍然使用传统的铜洗工艺精制原料气，其缺点越来越突出，主要表现在控制指标多、操作不稳定、检修频繁、运行费用高、环境污染严重等。双甲工艺主要是用来取代铜洗工艺，使原料气中的CO和CO2大部分转化为甲醇，变废为宝，而且原料气精制程度高、操作简单、运行稳定、工作环境清洁。双甲工艺的目的主要是精制合成氨原料气，甲醇只是附带产品，客观上限制了甲醇的生产能力，以150000吨年的合成氨装置为例，其甲醇产量在60000吨年左右。所以本设计精甲醇的生产能力确定为60000吨年。工艺流程的选定双甲工艺的甲醇合成压力一般在13MPa，采用铜系催化剂。从原理上讲，也可以认为是联醇生产。在13MPa压力下合成甲醇，反应温度也大幅度降低，因此合成过程中的接续反应、歧化反应明显减少，但是乙醇的生成明显增加。使用铜系催化剂，粗甲醇中的烷烃大量增加，这是联醇生产中对精甲醇质量的主要影响，实践证明，烷烃类杂质大量集中在预塔回流液中，可采用加水萃取的方法采出。粗甲醇中能溶于甲醇的烷烃类杂质大都能与甲醇形成共沸物，集中在预塔的顶部，严重影响精甲醇的质量。为了去掉这部分杂质，在操作时加20左右的冷凝水（占入料量）于预塔回流液收集槽中进行萃取。由于水的加入把回流液稀释，使烷烃类萃取出来，从槽中引出即为甲醇油。对于不溶于水的烃类可以从回流液中采出，即为低沸点初馏物。这样能更好地使预后甲醇液中低沸点杂质脱除干净。因为水的沸点比甲醇的沸点高，加入水后能够改变原来在混合物中的活度系数，使被分离的组份相对挥发度增大，更容易在精馏塔的不同部位分离出成品醇、高沸点物和残液。甲醇合成是体积缩小的反应，增加压力对甲醇合成有利，利用合成氨现有设备，联产甲醇具有投资省，能耗低的优点，联醇后可使原合成氨装置总能力提高4-5%，甲醇占总能力幅度为18-25%。我国目前的甲醇生产中，精馏工艺主要有两种：一种是三塔流程，多用于产量较大的精馏系统；一种是双塔流程，多用于小规模的甲醇精馏。三塔流程就是采用一台预塔，一台加压精馏塔，一台常压精馏塔。加压精馏塔的冷凝器作为常压精馏塔的再沸器，这样精馏塔的蒸汽消耗可降低近一半，精馏1吨甲醇消耗蒸汽约1.21.3吨。但缺点是流程长，操作复杂，投资较大。双塔流程采用一台预塔，一台常压精馏塔（主塔），流程短，操作简单，投资相对较低，但缺点是蒸汽消耗高，1吨甲醇耗蒸汽在1.72吨之间。本设计选用双塔流程。第2章 方案和工艺流程评定第2.1节 双塔流程的特点 轻馏分在预塔中分离出来，精甲醇、高沸点物和残液在主塔中分离出来。从主塔回流液采出的低沸点物引回预塔，进一步回收甲醇。从预塔采出的初馏物和主塔采出的高沸点物，混合后成为“油水”（含甲醇98以上）进油水槽，可以做农药原料，也可以返回系统重新精馏，生产出的产品可做二、三级产品。精馏残液造气工序回收利用。根据用户对产品质量要求不同可以在主塔的几个部位采出精甲醇。第2.2节 工艺说明2.2.1流程说明粗甲醇的精馏分两个阶段，先在轻馏分塔中脱除轻馏分。由于粗甲醇杂质中主要轻馏分是二甲醚，所以也把轻馏分塔称作脱醚塔（或称为预塔）。经脱除轻馏分后的甲醇（简称为预后甲醇）再送入甲醇水精馏塔（或称为主塔），进一步把高沸点的重馏分杂质分离，就可以制得纯度在99.8以上的精甲醇。粗甲醇双塔精馏的流程图如附图所示。粗甲醇在粗甲醇贮槽（B-1）内由2的氢氧化钠溶液调整PH值为8后，用泵（P-1）抽出，经预塔入口预热器（W1）与预塔底加热蒸汽冷凝液换热，使粗甲醇温度提高到70左右，约在高度为三分之二的位置进入预塔（K-1）。同时，在预塔顶回流液中以大约为20的粗甲醇入料量加入冷凝水，控制预塔底的甲醇密度在0.860.87g/ml左右（约含甲醇为70的甲醇水溶液），增大各馏分之间的相对挥发度，有利于各组份之间的分离。预塔底有再沸器（W-3），用压力为0.35MPa的蒸汽加热，使塔内液体蒸发。甲醇及其它组分的蒸汽由塔顶蒸出后，在冷凝器（W-2.2）用冷却水使部分蒸汽冷凝，这冷凝器是分凝器，用冷却水流量控制出气温度在4555之间，以使低沸点组分排出系统。被冷凝的液体进入轻组份萃取器（B-2），加水萃取分离后，用回流泵（P-2）再送至预塔顶作回流液。从塔顶流下的接近沸点的回流液与由塔底蒸发向上的甲醇及其它组分蒸汽在塔内逆流相遇，进行质的交换和热的交换，使大部分甲醇与高沸点馏分冷凝、回流，同时将热传递给低沸点馏分继续气化。由于塔内粗甲醇PH值保持在8左右，在碱性溶液中粗甲醇带来的少量有机胺分解，与二甲醚、醛、酮及少量烷烃被排出塔外。由预塔底出来经脱除轻馏分的预后甲醇，温度在7880，用主塔入料泵（P-3）抽出，经主塔入料预热器（W-4）把温度提高到86以上进入主塔。预热器是用主塔再沸器的蒸汽冷凝水加热。预后甲醇进入主塔的高度可根据主塔入料温度、组分的沸点、主塔采出精甲醇的质量和塔底残液中含醇量进行调节、选择，通常主塔入料位置在从塔底向上的第9至17层塔板之间。精馏塔底也有再沸器（W-6）加热，使塔底料液维持在104110，因此从9至17层进入主塔的料液，再由塔底上升的混合蒸气加热后，水和高沸点组分冷凝下降，而甲醇和与甲醇沸点接近的组份气化，穿过塔盘上升，在每块塔板上与从塔顶喷淋下来的回流液进行质与热的交换，因此，塔板上各层温度按一定的梯度由下向上逐级下降，到达塔顶时出气体温度基本上接近纯甲醇的沸点64.565，蒸汽出塔后进入甲醇冷凝器（W-5），冷凝的液体进入收集槽（B-3），由回流泵（65）再送至塔顶。因此，回流液的纯度是相当高的，但有时可能混有极少量的低沸点杂质，所以在据塔顶37块塔板上进行甲醇采出。精甲醇是沸点采出，采出液经精甲醇冷却器（W-7）把温度降至常温，经流量控制后送到甲醇贮槽（B-4）。在精馏塔底部，当混合液温度达到110时，混合液中的甲醇含量约在0.4左右，其中大部分是水和少量高沸点杂质，被排出塔外，送往废水处理装置。由于主塔顶几乎是将所有的蒸汽全部冷凝，没有脱除低沸点杂质的能力，所以预塔的工作效率往往在主塔中反映出来。如果预塔没有把低沸点杂质脱除尽而带入主塔，尽管主塔不在塔顶或回流液中采出成品甲醇，当低沸点杂质的量积累到一定程度，就会从成品精甲醇中反映出来。预后粗甲醇中多少还有一些低沸点杂质带入主塔，因为不能再从主塔内排出而在回流液中积累起来。根据预后甲醇分析，预后甲醇中主要低沸点杂质的量如表2-1。表2-1 预后甲醇低沸点杂质含量序号杂质名称含量序号杂质名称含量1二甲醚0.00094甲酸甲酯0.000022甲乙醚0.0095丙醛0.00213甲基异丁基醚0.000036丙酮0.0016为了不使这些低沸点杂质在回流液中积累，保持物料平衡，可以从主塔回流液中定量采出少量回流液，把它送回到预塔，进行再一次脱除。采出量根据成品精甲醇或主塔回流液分析低沸点杂质含量而定，一般采出量为预塔入料量的23左右。预塔采用加入冷凝水作为萃取剂，进行萃取精馏，使大部分原溶解于醇的杂质相对挥发度发生变化，较为明显的是大部分饱和烃类杂质被提到预塔上层及回流液中，尤其是辛烷以上的饱和烃，被提至预塔上层，但由于回流液温度低又不能被驱出塔外，因而在预塔回流液中积累。这些杂质在预塔回流液中的含量如表2-2。表2-2 预塔回流液中的主要杂质含量序号杂质含量含量序号杂质含量含量1正己烷0.023357异壬烷0.16492正庚烷0.137428异癸烷0.067573正辛烷0.27909乙酸甲酯0.01074正壬烷0.9406510丁酮0.01575正癸烷0.3726611甲基异丙基酮0.00956异辛烷0.05373这些杂质在预塔回流液中的量，随着连续生产时间的不断增加。由于烃类杂质几乎不溶于水，所以这些杂质的逐渐积累必然会影响精甲醇的水溶性。因此必须从回流液中取出，以消除积累。从预塔顶以粗甲醇量的20加入冷凝水，混合后进入油水分离器，静置萃取分层。从上部可以得到较为纯粹的饱和烃混合物叫做甲醇油（气中含有少量高级醇），经萃取甲醇油以后的稀甲醇做为预塔的回流液。2.2.2主要控制指标温度：预塔底温度 80预塔顶温度 6570预塔顶放空气温度 4550主塔底温度 107110主塔顶温度 65压力：加热蒸汽压力 0.4MPa组分：精甲醇中甲醇含量 99.9精馏残液中甲醇含量 0.5第2.3节 主要设备选型预塔（脱醚塔）：DN120031770 主塔（甲醇水精馏塔）：DN165045400第3章 设计计算书第3.1节 给定数据 精甲醇：6万吨/年 计算基准：300天（7200小时） 粗甲醇组成：甲醇含量90%；轻馏分（以二甲醚计）2%；水含量（包括高沸点乙醇、烷烃等杂质，计算时以水计）8%；粗甲醇密度0.826g/ml。表3-1粗甲醇物性数据组分CH3OH（CH3）2OC4H9OHC8H18H2O气化热，kJ/kg1117.93531.75577.81307.052260.98液体比热容，kJ/（kg.）2.722.6382.5962.264.187第3.2节 物料和热量衡算3.2.1预塔物料及热量平衡精醇量的确定联醇工艺合成甲醇催化剂使用时间较短，一般为1-2个月，长则4-5个月，正常为3-4个月，粗醇工序更换催化剂频繁，更换催化剂到恢复生产需10天，还要影响合成氨和氮肥的正常生产。因此精馏工序工作日一般为290-330d，本计算以300天为基准，即7200小时。精醇小时产量=60000/7200=8.333 t/h粗醇小时需要量(G粗醇):粗醇中含甲醇90%，密度0.826g/ml，精甲醇耗粗甲醇为:8.333/0.9=9.259 t/h， 11.211 m3/h。G粗醇=粗醇小时产量/精醇小时产量=9.259/8.333=1.11 t/t去掉油水和残液中的甲醇，实际精甲醇耗粗醇为1.15 t/t，年需粗醇量为69000t。物料平衡预塔操作条件：入塔粗醇中含轻馏分2%（以二甲醚计）、甲醇含量90%、水含量8%（包括高沸点乙醇、烷烃等杂质，计算时以水计）。精甲醇耗碱0.1kg/t，将烧碱配制成含NaOH 2-5%溶液连续补入预塔中。 进料量 甲醇=粗醇小时量甲醇含量=92590.9=8333 kg/h。水=粗醇小时量粗甲醇含水量=92590.08=740.72 kg/h。烧碱=粗醇小时量耗碱量=8.3330.1=0.8333 kg/h。碱液(以5%NaOH计算)带入水量=碱液量-烧碱=8.3330.1/0.05-0.8333=15.8327kg/h。软水(或蒸汽冷凝水)量:按粗醇20%计。粗醇小时量20%-补入烧碱带入水量=925920%-15.8327=1835.97kg/h。轻馏分量=粗醇小时量轻馏分含量=92590.02=185.18kg/h。主塔来的低沸点物=预塔进量3%=92590.03=277.77 kg/h。 出料量 甲醇 8333 kg/h水（包括粗醇带入水、补充软水、碱液带入水）2592.523 kg/h烧碱 0.8333 kg/h轻馏分 185.18 kg/h初馏物(与主塔来的低沸点相同) 277.77 kg/h表3-2 预塔全塔物料平衡表物料粗甲醇碱液冷凝水初馏物合计进料甲醇8333277.778610.77水740.7215.83271835.972592.523NaOH0.83330.8333轻馏分185.18185.18小计9258.916.6661835.97277.7711389.31出料甲醇8333277.778610.77水2592.5232592.523NaOH0.83330.8333轻馏分185.18185.18小计8518.180.83332592.523277.7711389.31在操作中为了保证精甲醇的质量，从主塔回流量中采出占预塔入料量2-3%的低沸点物进预塔冷凝液收集槽再进预塔继续精馏；同样又从预塔回流液中采出初馏物进油水槽。两塔采出初馏物的密度为0.79g/ml，甲醇含量97.93%，油溶性杂质为2.07%。计算时以100%甲醇计，其量为3%。预塔全塔热量平衡预塔操作条件:塔顶温度62；塔底温度78；进料温度65；回流液温度62；外补水、碱液温度68；回流比=回流量/进料量=0.75。根据进出预塔塔的物料衡算和预塔操作条件，进行热量衡算，求出预塔脱除轻馏分（二甲醚）所需的蒸汽量。预塔顶放空气温度 4550 加热蒸汽压力 0.4 MPa 带入热量Q入热=Q粗甲醇+Q软水+Q回流液+Q低沸点物+Q加热蒸汽其中Q粗甲醇=185.18531.75+8333652.68+740.72654.187 =98469.465+1451608.6+201590.65=1751668.6kJ/h Q软水=1835.97684.187+16.666684.187 =522730.03+4745.077=527475.11kJ/hQ回流液=6944.25602.68=1153856.5 kJ/h表3-3预塔物料带入热量入热项目组分流量，kg/h温度比热容，kJ/（kg. ）热焓，kJ/kg热量，kJ/h合计kJ/kg粗甲醇二甲醚185.18531.7598469.465甲醇8333652.681451608.6水740.72654.187201590.65软水外补水1835.97684.187522730.03碱液16.666684.1874745.077回流液甲醇6944.25602.681153856.51153856.5主塔来低沸点物甲醇277.77602.6846154.26346154.263加热蒸汽水2118.62Q加热蒸汽Q加热蒸汽Q低沸点物=277.77602.68=46154.263 kJ/h于是Q入热=1751668.6+527475.11+1153856.5+46154.263+Q加热蒸汽=3479154.5+ Q加热蒸汽 带出热量Q出热=Q二甲醚+Q预后甲醇+Q回流液+Q初馏物+Q热损失Q二甲醚=185.18(2.6462+523.38)=127229.77 kJ/hQ回流液=6944.25(2.6862+1046.75)=8422750.2 kJ/hQ预后甲醇=83332.6878+2593.364.18778=1741930.3+846955.07=2588883.7 kJ/hQ初馏物=277.77(2.6862+1046.75)=336910.01 kJ/h Q热损失=0.05Q入热 Q出热=Q二甲醚+Q回流液+Q预后甲醇+Q初馏物+Q热损失=8549979.97+2588885.37+336910.01+0.05 Q入热表3-4 预塔物料带出热量出热部位塔顶塔底预后粗甲醇初馏物热损失组分二甲醚回流液甲醇甲醇水(碱液)甲醇以5%计流量，kg/h185.186944.2583332593.3203277.77液体比热容kJ/(kg.)2.642.682.684.1872.68气体冷凝热kJ/kg523.381046.751046.75温度6262787862热量kJ/h127229.778422750.21741930.3846955.07336910.010.05 Q入热合计8549979.972588885.37336910.010.05 Q入热因Q入热= Q出热故3479154.5+ Q加热蒸汽=11475775.35+0.05 Q入热3479154.5+ Q加热蒸汽=11475775.35+0.05(3479154.5+ Q加热蒸汽)Q加热蒸汽=8600609.03 kJ/h蒸发器W-3粗甲醇9259kg/h预塔K-1冷凝器W-2初馏物277.77kg/h主塔来初馏物277.77kg/h轻馏分185.18kg/h加热蒸4059.533汽kg/h水4059.533kg/h预后甲醇10926.36kg/h回流液6944.25kg/h水收集槽B-2图3-1 预塔物流图则由底部循环蒸发器加入的0.35MPa蒸汽量(不计蒸汽冷凝水的显热)为:8600609.03/2118.62=4059.533kg/h每吨粗甲醇脱除轻馏分所需蒸汽量为:塔底蒸汽量/粗醇小时量=4059.533/9.259=438.44kg/t 取438.5 kg/t汇兑表3-3、表3-4，得出预塔热量平衡表3-5表3-5预塔热量平衡带入热量kJ/h带出热量kJ/h塔侧粗甲醇入热1751668.6塔顶二甲醚127229.77塔顶加入冷凝液及碱液527475.11塔顶回流液甲醇蒸汽8422750.2塔顶回流液入热1153856.5塔底预后粗甲醇2588883.7主塔低沸点物热46154.263侧线初馏物带出336910.01加入蒸汽8600609.03热损失603988.18总入热12079763.5总出热12079761.9冷却水计算 从预塔蒸馏出来的甲醇蒸汽含轻馏分和初馏分，进预塔冷却器，通过冷却水用量控制冷却温度，达到分离甲醇、轻馏分和初馏分的目的。甲醇作为回流液返回系统，轻馏分以气态形式放空，初馏物采出后进入油水槽。 热量衡算物料带入热Q入热为表3-3中二甲醚（轻馏分）、回流液甲醇和初馏物的热量之和。Q入热=Q二甲醚+Q回流液+Q初馏物=127229.77+8422750.2+336910.01=8886889.9kJ/h物料带出热Q出热包括回流液、轻馏分、初馏分和热损失Q出热= Q回流液+Q初馏分+ Q二甲醚+Q热损失其中Q回流液=回流量甲醇比热容温度=6944.252.6860=1116635.4kJ/hQ初馏分=初馏分量甲醇比热容温度=277.772.6860=44665.4 kJ/hQ二甲醚=轻馏分量(二甲醚比热容温度+甲醚气冷凝热)=185.18(2.6460+523.38)=126252.0 kJ/hQ热损失=0.05 Q入热=0.058886889.9=444344.5 kJ/h于是Q出热=1731897.3 kJ/h冷凝器W-2A/B冷却水31轻馏分放空185.18kg/h回流液6944.25kg/h初馏分(液)277.77kg/h回流液(气) 6944.25kg/h轻馏分(气) 185.18 kg/h6062图3-2 预塔冷凝器物流图 冷却水用量物料带入热与物料带出热之差，所余热量由水冷却。冷却水进冷凝器温度为31，出冷凝器温度为40。于是Q余热=Q入热-Q出热8886889.9-1731897.3=7154992.6 kJ/h则用水量G1=7154992.6/(40-31) 10004.187=189.87 t/h每吨粗醇脱除轻馏分需冷却水量(G1)为G1=G1/粗醇小时量=189.87/9.259=20.507 t/t3.2.2主塔物料及热量平衡物料平衡 预后甲醇全部进入主塔继续精馏，其密度为0.88g/ml，含甲醇为76.27%。 进料量:包括预后甲醇和回流液 主塔进料量=预塔总出料量-轻馏分-预塔初馏物=10926.36kg/h回流液量:回流液量取进料量的2倍，即21852.72 kg/h 总进料量=主塔进料量+回流液量 =10926.36+21852.72=32779.08 kg/h 出料量 精馏工序所有产品均在此全部分离完成，主要有精甲醇、低沸点物、高沸点物采出、残液和不凝性气体放空。从物料平衡角度看，粗醇中的甲醇就是精甲醇，但实际生产中预塔初馏物采出、主塔高沸点物采出（均称油水）与残液中含的甲醇，应从精甲醇中去掉，剩余部分才是成品精甲醇。高沸点物采出量：物中含甲醇83%，水及其实高沸点物为17%（计算时以水计），密度为0.84g/ml。则其采出量为：预塔进料量3%=92593%=277.77 kg/h（合330.68 l/h）其中含甲醇=277.7783%=230.549 kg/h含水=277.7717%=47.221 kg/h低沸点物采出量:物中含甲醇97.93-99%，油溶性杂质1-2.07%，密度0.79-0.791 g/ml。计算时以100%甲醇计，占预塔进料量的3%。其采出量为：预塔进料量3%=92593%=277.77 kg/h（合351.608 l/h）经计量后送预塔进一步回收甲醇。残液排出量：包括水、碱、甲醇及高沸点物等，其中甲醇含量为1%，计算时以水计。设残液量为x kg/h，则方程式为：x=预后甲醇中的水量+碱量+残液中甲醇含量-高沸点物采出物中水含量x=2592.523+0.8333+0.01x-47.221 得：x=2571.854 kg/h其中含甲醇=2571.8541%=25.72 kg/h成品精甲醇量:即采出精甲醇量。精甲醇量=预后甲醇量-低沸点物采出量-高沸点物采出甲醇量-残液中甲醇含量= 8333-277.77-230.549-25.72=7798.961 kg/h (计算时取7799 kg/h)回流液量: 21852.72 kg/h。精馏塔全塔物料平衡表3-6和物料图3-3表3-6 精馏塔全塔物料平衡表物料入料量kg/h出料量kg/h预后甲醇回流量高沸点物低沸点物残液成品精甲醇回流量甲醇833321852.7230.549277.7725.727798.96121852.7H2O2592.5247.2212546.13NaOH0.83330.8333小计10926.321852.7277.77277.772572.687798.96121852.7合计32779.0832779.91从物料平衡可以看出：成品精甲醇只占粗醇中甲醇的93.6%，有6.4%左右的甲醇进入油水槽和残液中。所以在联醇工艺中提高粗醇的质量、加强精馏操作、减少预塔初馏物和主塔低沸点物、高沸点物的采出，可以大幅度的降低甲醇成本，从而提高甲醇的产量。热量平衡 已知条件:塔顶温度65；塔底温度109；回流液温度63；进料温度86；成品精甲醇温度67。 主塔全塔热量平衡计算 带入热量:Q入热=Q预后粗醇+Q回流液+Q加热蒸汽其中Q预后粗醇=8333862.68+2576.694864.187+16.666864.187=2854412 kJ/hQ回流液=21852.72632.68=3689613.2 kJ/hQ入热=2854412+3689613.2+ Q加热蒸汽=6544025.2+ Q加热蒸汽带出热量:Q出热=Q成品精甲醇+Q残液+Q高沸点物+Q低沸点物+Q回流液+Q热损失其中Q成品精甲醇=7798.961672.68=1400381.4 kJ/hQ残液=25.721092.68+2529.4661094.187+16.6661094.187=1169525.6 kJ/h Q高沸点物=230.549742.68+47.221744.187=60353.337 kJ/hQ低沸点物=277.77632.68=46898.686 kJ/hQ回流液=21852.72(632.68+1046.75)=26563947.91 kJ/hQ热损失=0.05 Q入热Q出热=1400381.4+1169525.6+60353.337+46898.686 +26563947.91+0.05 Q入热=29241106.93+0.05 Q入热 因为 Q入热= Q出热 故6544025.2+ Q加热蒸汽=29241106.93+0.05 Q入热Q加热蒸汽=24236087.36 kJ/h则需0.35MPa的蒸汽量为: 24236087.36/2118.622=11439.552 kg/h每吨精甲醇耗蒸汽:加11439.552/7798.961=1.467 t/t上预塔脱轻馏分所耗蒸汽，则1t精甲醇总汽耗为0.4385+1.467=1.9055 t/t即1.91 t/t图3-3 主塔物流图精甲醇7798.961kg/h高沸点物277.77kg/h低沸点物277.77kg/h预后甲醇10926.36kg/h残液排放2571.854kg/h再沸器W-4蒸汽冷凝水精醇水冷却器W-7回流+低沸点物回流液k21852.72g/h冷凝器W-5精馏塔K-2表3-7 主塔全塔带入热量计算表物料预后甲醇回流液加热蒸汽组分甲醇水碱液甲醇水流量kg/h83332576.69416.66621852.72G加热蒸汽温度86868663比热容kJ/(kg.)2.684.1874.1872.68汽化热kJ/kg2118.622热量kJ/h1920589.8927821.16001.13689613.2G加热蒸汽总热量kJ/h28544123689613.2G加热蒸汽表3-8 主塔全塔带出热量表物料组分流量kg/h温度比热容kJ/(kg.)汽化热kJ/kg热量kJ/h总热量kJ/h精甲醇甲醇7798.961672.681400381.41400381.4残液甲醇25.721092.687513.326水1264.7331094.187577203.1碱液8.3331094.1873803.04高沸点物甲醇115.275742.6822861.239水23.610744.1877315.43低沸点物甲醇138.89632.6823449.34323449.343回流液甲醇10926.36632.681046.7513281973.9613281973.96热损失按5%计0.05Q入热0.05Q入热冷却水量计算冷却水包括主塔冷凝器和精甲醇冷却器的用水量计算。 主塔冷凝器冷却水的用量主塔冷凝器的换热量为回流量加低沸点物进(气态)、出（液态）热量之差。在实际生产中，冷凝器有微量不凝性气体放空，计算时和工程热损失一起考虑，一般在生产实践中定为总入热的5%。冷凝器W-5低沸点物(气)138.90kg/h水40冷却水(31)285.856kg/h放空50回流液(60)10926.36kg/h低沸点物(液)138.90kg/h图3-4 主塔冷凝器物料流程带入热：为回流液和低沸点物的热量之和。即Q入热=Q回流液+Q低沸点物=13281973.96+23449.343=13305423.3 kJ/h带出热:为回流液热、低沸点物带出热和热损失。即Q出热=Q回流液+Q低沸点物+Q热损=10926.36632.68+138.90632.68+0.0513305423.3=2533527.1 kJ/h于是Q余热=Q入热-Q出热=13305423.3-2533527.1=10771896.2 kJ/h冷却水用量(G2):冷却水进冷凝器温度为31，出冷凝器温度为40。G2=10771896.2/（40-31）10004.187=285.856 t/h每吨精甲醇用水量(G2)为: G2=G2/小时精甲醇量=285.856/2.8995=73.306 t/t 成品精甲醇冷却用水量精甲醇由主塔上部采出温度67左右进精甲醇冷却器冷却，降温至40后进精甲醇贮槽。精甲醇带入热量Q入热=甲醇量甲醇比热容入口温度=3899.481672.68=700190.7 kJ/h精甲醇带出热量Q出热=甲醇量甲醇比热容出口温度 =3899.4812.6840=418024.3 kJ/h热损失Q热损=0.05Q入热=0.05700190.7=35009.53 kJ/h于是剩余热量:Q余热=Q入热-Q出热-Q热损 =700190.7-418024.3-35009.53=247156.86 kJ/h所需冷却水量:G3=247156.85/(40-31) 10004.187=6.559 t/t每吨精甲醇用水量(G3)为:G3=G3/小时精甲醇=6.559/3.899=1.682 t/t精馏工序冷却水总量和每吨精甲醇用冷却水量 总用水量G总:包括预塔冷凝器用水量(G1)、主塔冷凝器用水量（G2）和精甲醇冷却器用水量（G3）。G总=G1+G2+G3=94.935+285.856+6.559=385.349 t/h每吨精甲醇用水量(G精甲醇)G精甲醇=G1+G2+G3=20.507+73.306+1.682=95.495 t/t第3.3节 精馏塔的设计3.3.1基础数据已知条件:塔顶压力6.37 kPa(650 mmH2O)塔底压力51.47 kPa(5250 mmH2O)回流温度63 进料温度86 进料中含甲醇76.27 %(wt)、进料量10926.32 kg/h精甲醇中含甲醇99.5 %(wt)残液排放物中含甲醇1 %（wt）当采用沸点进料时不设蒸发段，只设精馏段和提馏段。进料、精甲醇和残液排放物中所含甲醇的摩尔分数Xf、Xd、Xw的计算。进料中甲醇的摩尔分数Xf：Xf=Gf/Mf/（Gf/Mf+GH2O/MH2O）=0.7627/32/(0.7627/32+0.2373/18)=0.6439 精甲醇中甲醇的摩尔分数Xd: Xd=Gd/Md/(Gd/Md+GH2O/MH2O) =0.995/32/(0.995/32+0.005/18)=0.9911 残液中甲醇的摩尔分数Xw: Xw=Gw/Mw/(Gw/Mw+GH2O/MH2O) =0.01/32/(0.01/32+0.99/18)=0.00564塔处理能力 F=G/(Xf.Mf+XH2O.MH2O)=5463.18/0.643932+(1-0.6439) 18=202.230 kmol/h精馏段处理能力:D精=F(Xf-Xw)/(Xd-Xw) =202.230(0.6439-0.00564)/(0.9911-0.00564)=130.98 kmol/h提馏段处理能力:D提=F(Xd-Xf)/(Xd-Xw) =202.230(0.9911-0.6439)/(0.9911-0.00564) =71.25 kmol/h塔板层数的确定 求最小理论塔板数。即在全回流下所需要的理论板数。根据芬斯克（Fansker）公式求取 Nm+1=（Xd/Xd1.Xw1/Xw）/a平均当温度为65时甲醇的饱和蒸汽