年产16万吨甲醇精馏工段设计.doc

年产16万吨甲醇精馏工段设计摘 要甲醇作为一种用途广泛的有机化工产品，醇还能与有机酸、无机酸、氨、苯、一氧化碳、乙炔、金属钠、苯胺等作用。即可发生氧化反应、氨化反应、酯化反应、羰基化反应、卤化反应等多种化学反应，甲醇生产越来越受到重视。仔细研究工艺设计任务书，明确设计任务后，查阅相关资料，选择了甲醇精馏的工艺流程。对工艺流程中的主塔进行工艺计算，即回流比及塔板数的计算、精馏塔的塔体工艺尺寸计算、塔板的主要工艺尺寸的计算、流体力学验算、绘制塔板负荷性能图，最后需要编写设计说明书，并绘制主塔设备图。通过物料衡算，得出了主要的物料流量及塔温；对工艺结构进行设计，实际塔板数为20块，每层塔板高度为0.40m，总的塔高数为19.14m，塔径为3.2m；接着进行了流体力学验算，并绘制了操作性能图，结果表明计算符合要求；然后对主要接管和辅助设备根据要求进行了选择；其次对设计结果进行了列表；最后绘制了精馏塔设备图。通过这次设计，进一步的巩固了化工原理课程中的相关知识，且学会了对化工设备的设计，为今后从事化工打下了一定的基础。 关键词：甲醇；精馏；工艺设计 The Process Design of Section Annual Output of 16 Tons of Methanol DistillationAbstract: Methanol as a versatile organic chemical products, alcohol and also organic acids, inorganic acids, ammonia, benzene, carbon monoxide, acetylene, metallic sodium, aniline and so on. Oxidation reaction can occur, various chemical reactions amination, esterification reaction, carbonization reaction, halogenations reaction, methanol production more and more attention.Careful study of the process design task book, clear design task, access to relevant information, select the methanol distillation process. The main tower on the process for process calculations, namely reflux ratio calculation and plate number, rectifying column tower body size calculation process, plate of the main technical size calculation , fluid checking, drawing tray load performance chart Finally, you need to write design specifications , and draw the main tower map. We can obtain the flow of the main material of the tower by the means of calculating of material and heat. When we design the process structure, we should use 20 pieces of tower plate, which has its standards: the height of each layer is 0.40 m, the height is 19.14m ,the tower diameter is 3.2 m; then we should carry on the fluid mchanics calculation, and draw the performance chart, and finally we will find the calculation meets the requirements; the next steps are as following, firstly, having a selection according to the requirements of main pipe and accessory equipment, Secondly, listing the design results ,finally, drawing the rectification tower equipment We can further strengthen the relevant knowledge of chemical principles courses after this design, and we can learn the design of chemical equipment, and then lay a certain foundation in the chemical industry in the future.Keywords : methanol; distillation; process design目 录1 绪论11.1甲醇的性质及用途11.1.1 甲醇的物理性质11.1.2 甲醇的化学性质11.1.3 甲醇的用途21.2甲醇的生产方法及工艺流程21.2.1原料来源21.2.2甲醇的生产方法31.2.3工艺流程31.3国内外甲醇生产概况91.3.1国外甲醇的生产发展概况91.3.2国内甲醇的生产发展概况102物料衡算122.1 设计条件122.2 操作条件132.3甲醇的摩尔分数、的计算132.4 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量132.5物料衡算133主塔的工艺设计计算143.1回流比及塔板数的确定143.1.1塔温的确定143.1.2适宜回流比的确定143.1.3操作线方程的确定153.1.4理论板数的确定153.1.5全塔效率163.1.6实际塔板数173.2精馏塔的塔体工艺尺寸计算183.2.1 塔径计算183.2.2塔高的确定233.2.3壳体、封头尺寸的选择233.3塔板的主要工艺尺寸的计算243.3.1塔板形式的选择243.3.2溢流堰的设计243.3.3降液管的设计253.3.4塔板上筛孔的布置263.4流体力学验算283.4.1塔板压降283.4.2液面落差303.4.3液沫夹带303.4.4漏液303.4.5液泛313.5塔板负荷性能图323.6塔板结构的确定373.6.1塔高设计373.6.2接管设计384对设计过程的评述和有关问题的讨论39参考文献41致 谢42曲靖师范学院化学化工学院2014届本科毕业论文1 绪论甲醇最早由木材干馏而得，故称“木精”，其化学式为CH3OH。相对分子质量为32.041，是一种结构最简单的饱和一元醇。甲醇取自天然气，是一种碳氢化合物，其本身是一种酒精，固有酒精气味。甲醇为无色液体，易燃，爆炸极限6.0%36.5%（体积）。有毒性，甲醇蒸汽与眼接触可引起失明，饮用亦可致盲。常温常压下，纯甲醇是一种无色、中性、极性、易挥发、易流动、易燃的有毒液体。它可以与水、乙醇、酯、乙醚、苯、酮、卤代烃和大多数其他有机溶剂混合，只轻微地溶于脂肪和油。甲醇作为一种用途广泛的有机化工产品，同时也是一种重要的基本有机化工原料。随着国名经济的发展，甲醇的生产也促进了化学工业的发展。1.1甲醇的性质及用途1.1.1 甲醇的物理性质甲醇是最简单的饱和一元醇，化学式为：CH3OH，在常温常压下，单质甲醇是无色、易发辉、有酒精气味的有毒液体。能与水、醇类、乙醚、苯、酯类、卤代烃和许多其他有机溶剂互溶，但是不与脂肪烃类化合物混溶。它相关的部分物理性质如表1-1。表1-1 甲醇的部分物理性质2项目数值项目数值液体密度kg/m3(20)804.8熔点/-97.5气体密度kg/m3(100)3.984闪点（闭环）/9.4气体粘度(100)12.3沸点/64.6液体粘度（20）0.580表面张力mN/m(20)22.071.1.2 甲醇的化学性质甲醇分子组成中羟基的碱性极微弱，因此对酚酞和石蕊均显中性。甲醇能发生完全氧化反应，生成二氧化碳和水，也能发生部分氧化生成甲醛，甲醇脱氢也可生成甲醛。此外，甲醇还能与有机酸、无机酸、氨、苯、一氧化碳、乙炔、金属钠、苯胺等作用。即可发生氧化反应、氨化反应、酯化反应、羰基化反应、卤化反应等多种化学反应。1.1.3 甲醇的用途甲醇是很重要的有机化工原料和溶剂，当前，世界上甲醇的生产能力为每年近千万吨，其中将近30%至40%的甲醇用于生产甲醛。此外，在合成材料、医药、农药、香料、染料和油漆等工业中，甲醛是不可缺少的溶剂和原料。甲醇在能源方面的用途早在上世纪90年代就得到了快速的发展，例如甲醇制备甲基叔丁基醚燃料电池3、燃料甲醇4等等。此外，甲醇低压羰基化制备乙酸的技术在近年来也发展很快，已经成为生产乙酸的主要方法5。以甲醇为原料制得的人工蛋白称为甲醇蛋白。含有丰富的维生素和蛋白质，营养价值超过粮食和大豆油饼，成本比鱼粉便宜，无毒，收率高6。上世纪80年代以来，甲醇的非化工用途受到人们的重视，并为甲醇的用途开辟一个新的领域。甲醇和燃料油相比是一类廉价、辛烷值高（高达110）、热效率高、对环境的污染小的液体燃料。甲醇若直接作为汽车发动机的燃料，虽然热值只有汽油的一半，但它使汽车行驶一样的里程消耗的甲醇哈汽油之比不是2：1，而仅为1.07：17,其热效率高出汽油90%以上。可见，甲醇作发动机的燃料，经济上是合理的，所以可以代替汽油作为轮船、机车、飞机的燃料，也可以做发电厂轮机的燃料。甲醇还可以与汽油掺混 燃料，作为汽车的燃料5。1.2甲醇的生产方法及工艺流程1.2.1原料来源合成甲醇的原料主要有三种：一是以天然气为原料蒸汽转化法，二是以煤为原料煤气化法，三是重油部分（石脑油、重油、渣油等）部分氧化法。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8。由于由煤制的技术已经掌握，本设计中采用以煤为原料合成甲醇。甲醇的生产工艺过程分为合成气（氢和一氧化碳）的制造、甲醇的合成、甲醇的精制三部分。根据原料不同，有以下三种方法：（1）天然气蒸汽转化法是以天然气为原料制合成气生产甲醇，其工艺装置主要由合成气制备（包括天然气压缩、加氢脱硫、烃类转化、蒸汽动力和废热回收）、甲醇合成（包括合成压缩气、甲醇合成、甲醇分离）和甲醇精馏三部分，这种方法是国内外的发展趋势。用这种方法生产甲醇的优点是投资少、成本低、运输方便、操作简单。因此，充分利用天然气合成甲醇，是国内外主要的发展方向。（2）煤气化法是用煤制造合成气。以煤为原料（包括焦炉气）生产甲醇，从工艺技术角度来说，最大的区别在于甲醇原料气的制备，按制气的方式有固定床、流化床、气流床之分；按气化技术发展阶段有第一代气化技术、第二代气化技术、第三代气化技术之分。（3）重油部分氧化法油品（石脑油、重油、渣油等）部分氧化制合成气的工艺主要有德士古和壳牌两个比较著名的方法。德士古采用高压气化技术，壳牌采用中压气化技术。原油精馏所得的220以下的馏分称为原油，又称石脑油。以石脑油为原料生产合成气的方法有加压蒸汽转化法、催化部分氧化法、加压非催化部分氧化法、间歇催化转化法等。目前用石脑油生产甲醇原料气的主要方法是加压蒸汽转化法。重油是石油炼制过程中的一种产品，根据炼制方法不同，可分为常压重油、减压重油、裂化重油及它们的混合物。1.2.2甲醇的生产方法 当今甲醇生产技术主要采用中压法和低压法两种工艺，并且以低压法为主，这两种方法生产的甲醇约占世界甲醇产量的80%以上。 高压法：()是最初生产甲醇的方法，采用锌铬催化剂，反应温度，压力 高压法由于原料和动力消耗大，反应温度高，生成粗甲醇中有机杂质含量高，而且投资大，。其发展长期以来处于停顿状态。低压法：5.08.0，低压法基于高活性的酮基催化剂，其活性明显高于锌铬催化剂，反应温度低（240270）。在较低压力下可获得较高的甲醇收率，且选择性好，减少了副反应，改善了甲醇质量，降低了原料消耗，此外，由于压力低，动力消耗也相应降低，工艺设备制造相对容易。中压法：9.812.0，随着甲醇工业的大型化，若采用低压法势必导致工艺管道和设备较大，因此在低压法的基础上适当提高合成压力，即发展成为中压法。中压法扔采用高活性的酮基催化剂，反应温度与低压法相同，但由于提高了压力，相应的动力消耗也有所增加。我国能源结构以煤为主，煤炭资源丰富，本设计是选用煤为原料生产甲醇。1.2.3工艺流程甲醇合成不论采用锌铬催化剂或铜基催化剂，均受其选择性的限制，且受合成条件压力、温度、合成气组成的影响，在生产甲醇反应的同时，还伴随着一系列副反应，其产品系主要是由甲醇以及水，有机杂质等组成的混合液，故为粗甲醇。合成得到的粗甲醇浓度一般达不到使用要求，还需要进行甲醇的精制过程。虽然开发了高活性的铜基催化剂，合成甲醇从高压法转向低压法，完成了合成甲醇技术的一次重大飞跃，但仍存在许多问题：反应器结构复杂；单程转化率低，气体压缩和循环的耗能大；反应温度不易控制，反应器热稳定性差。所有这些问题向人们揭示，在合成甲醇技术方面仍用很大的潜力，更新更高的技术等待我们去开发。下面介绍20世纪80年代以来所取得的新成果。（1）气液固三项合成甲醇工艺 首先由美国化学系统公司提出，采用三相液化床，液相是惰性介质，催化剂是ICI的Cu-Zn改进型催化剂。对液相介质的要求：在甲醇合成条件下有很多的热稳定性和化学稳定性。既是催化剂的硫化介质，又是反应器吸收介质，甲醇在液相介质中的溶解度越小越好，产物甲醇以气相的形式离开反应器。这类液相介质有如三甲苯，液体石蜡和正十六烷等。后来Berty等人提出了相反的观点，采用的液相介质除了热稳定性及化学稳定性外，要求甲醇在其溶液中的溶解度越大越好，产物甲醇不是以气相形式离开反应器，而是以液相形式离开反应器，在反应器外进行分离。经试验发现四甘醇二甲醚是及理想的液相介质。和在该液相中的气液相平衡常数很大，采用Cu-Zn-Al催化剂，其单程转化率大于相同条件下气相的平衡转化率。气液固三相工艺的优点是：反应器结构简单，投资少；由于介质的存在改善了反应器的传热性能，温度易于控制，提高了反应器的热稳定性；催化剂的颗粒小，内扩散影响易于消除；合成甲醇的单程转化率高，壳达15%-20%，循环比大为减小；能量回收利用率高；催化剂磨损少。缺点是三相反应器压降较大，液相内的扩散系数比气相小的多。 （2）液相法合成甲醇工艺液相合成甲醇工艺的特点是采用活性更高的过度金属络合催化剂。催化剂均匀分布在液相介质中，不存在催化剂表面不均一性和内扩散影响问题，反应温度低，一般不超过200，20世纪80年代中期，美国Brookhaven国家实验室开发了活性很高的复合型催化剂，其结构为。其中代表过渡金属或为低碳烷基，当为，为叔戊烷基是催化剂性能最好，液相介质为四氢呋喃，反应温度为80-120，压力为2左右，合成气单程高于80%，甲醇选择性高达96%。当该催化剂与第VI族金属的羰基络合物混合使用时，能得到更好的效果，他能激活,并有较好的耐硫性，当合成气中还有的时其甲醇产率仍达33%。等人研制了由过渡金属络合物与醇盐组成的符合催化剂，如四羰基镍和甲醇钾，以四氢呋喃为液相介质，反应温度为125，转化率大于90%，选择性达99%。目前液相合成甲醇研究仍处在实验室阶段，尚未工业化，但它是一种很有开发前景的合成技术。该法的缺点是由于反应温度低，反应热不易回收利用；和容易使复合催化剂中毒，因此对合成气体的要求很苛刻，不能还有和，还需进一步研究。（3）新型和反应器系统该系统采用反应，吸附和产物交换交替进行的一种新型反应装置。是指气-液-固滴流流动反应系统，和在催化剂的作用下，在此系统内进行反应合成甲醇，该甲醇马上被固态粉状吸附剂所吸附，并滴流出反应系统。是级间产品脱出反应系统，当以吸附气态甲醇的粉状吸附剂流入该系统时，与该系统内的液相四甘醇二甲醚进行交换，气态的甲醇被液相所吸附，然后在将四甘醇二甲醚中的甲醇分离出来。这样合成甲醇反应不断向右进行，的单程转化率可达100%，气相反应物不循环。这项工艺仍出在研究之中，尚未投入工业生产，还有许多技术问题需要解决和完善。经过净化的原料气，经预热加压，于、220下，从上到下进入反应器，在铜基催化剂的作用下发生反应，出口温度为250左右，甲醇7%左右，因此，原料气必须循环，则合成工序配置原则为图1-1。甲醇的合成时可逆放热反应，为使反应达到较高的转换率，应迅速移走反应热，本设计采用管壳式反应器，管程走反应气，壳程走的沸腾水。图1-1 合成合序配置原则图1-2 低压法甲醇合成工艺流程 1透平压缩机 2.热交换器 3.锅炉水预热器 4.水冷却器 5.甲醇合成塔 6.泡汽包 7.甲醇分离器 8.粗甲醇贮槽（4）铜基催化剂合成粗甲醇的单塔精馏 由于催化剂为铜基催化剂，较使用锌铬催化剂得到的粗甲醇产品中的还原性杂质的含量大大的减少，特别是二甲醚的含量几十倍的降低了，因此在取消了化学净化步骤的同时，甚至可以将甲醇-水-重组分在一个塔内进行分离，这样就可以获得一般工业上所需要的精甲醇。其优点是节约投资，而且减少了热能的损耗。但是对于纯度由较高要求的下游生产流程，一步精馏得到的精甲醇远远不能满足其要求。（5）铜基催化剂合成粗甲醇的双塔精馏图1-3 双塔精馏工艺流程图甲醇精馏的双塔流程是最为普遍应用的方式。第一塔为预精馏塔，第二塔为主精馏，两者的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。预精馏塔分离轻组分和溶解的气体，如氢气、一氧化碳、二氧化碳等，塔顶大部分的水和甲醇回流。同时从冷凝器里抽以小部分冷凝液以减少发挥性较小的轻组分。同时为了减少塔顶所排出气体中甲醇的损失，可以在塔顶设置冷凝器二级冷凝。主精馏塔主要除去重组分，其中包括了水、乙醇和高级醇等，同时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，而精甲醇则从塔顶处冷凝取出。该生产流程突出的优点就是可以得到纯度很高的甲醇，来满足下游产品生产的需要。但是很明显，两个塔的能量消耗要高于单塔精馏，所以提高能量的利用、节约能耗是对该流程的一个展望。 （6）铜基催化剂合成粗甲醇的三塔精馏9图1-4 三塔精馏工艺流程图精馏过程对能量的消耗很大，而且对热能的利用率也很低，所以精馏工序的节能又很多潜力可以发展。采用三塔精馏的目的就是为了更合理的利用能量，达到节能目的。三塔精馏与双塔精馏的主要区别在于三塔精馏采用了两个主精馏塔，第一个主精馏塔为加压操作，第二个塔为常压操作，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，有效的利后用了热能。粗甲醇在槽内加入碱液进行中和进再沸器加热，然后进入预塔，然后进入预塔，在预塔顶分离出轻组分，塔釜液由预塔的塔釜送至加压塔。在加压塔塔顶位置形成高纯度甲醇蒸气，这些蒸气作为常压塔的塔底再沸器的热源，甲醇蒸气冷凝后通过加压泵再送回塔底回流槽，其中一部分送往加压塔塔顶作为回流液，而另外一部分冷却后作为产品储存。加压塔塔釜没有气化的粗甲醇溶液则靠加压精馏塔内部压力直接输送到常压塔。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，一部分作为产品冷却后送往储槽，常压塔塔底残夜再做处理。 可见，对于三塔精馏过程，两个主精馏的塔板数总和比双塔精馏主塔的塔板数增多了很多，自然而然分离的效率提高了很多，但能量的消耗反而降低了。但是对加压塔的设备要求却提高了，长远来看，总的效益还是很明显的。表1-2 三种类型的塔对比表项目单塔精馏双塔精馏三塔精馏运行操作运行简单运行相对简单、稳定运行比较复杂产品质量相对于粗甲醇得到了很好的提高可以获得比较优质的精甲醇可以得到高纯度的精甲醇能量消耗相对较低能量消耗很高，而且热能的利用率低相对于双塔精馏节约很多热能产品适合方向获得燃料级甲醇可以满足下游产品生产对甲醇高纯度的要求1.3国内外甲醇生产概况1.3.1国外甲醇的生产发展概况1924年以前，甲醇生产是用木材为原料干馏而制得，当时世界甲醇产量约为4.5万吨。1923年德国巴登苯胺-纯碱公司（Badische Anilin and Soda Fabrik-BASF）的两位科学家米塔许（Mittash）和施奈德（Schneider）试验了用一氧化碳和氢气，在300400的温度和3050Mpa压力下，通过锌铬催化剂的催化作用合成甲醇10，并于当年首先实现了工业化生产，这比合成氨工业生产迟了约20年。在以后的几年中，美国和欧洲的一些国家，如法国、意大利、英国等也实现了以特有选择性的催化剂，是水煤气合成甲醇。1927年美国商业溶剂公司（The Commercial Solvent Corporation）在伊利诺斯州的波利亚城建成合成甲醇厂，年产能力近400吨甲醇，是用丁醇-丙酮厂的发酵气（CO260%,H240%）为原料。二次世界大战期间，瑞士的朗莎（Lonza）公司用电解氢和二氧化碳，采用锌基催化剂合成甲醇，在工业上获得成功，它使用的二氧化碳是生产硝酸钙的副产品，经过脱除一氧化氮，在用煤还原成为一氧化碳。到20世纪40年代，随着有机化学工艺的发展，世界上工业发达的国家，在合成氨工业基础上陆续建立了以褐煤及焦炭为原料的合成甲醇工厂。50年代，合成甲醇的原料开始采用天然气和轻油裂解气。由于三大合成材料的迅速发展，甲醇的需要量急剧增长，促使甲醇工业高速发展，甲醇产量增加了一倍多。列举50年代几个主要工业发达国家甲醇生产的增长情况如表1-3。表1-3 主要工业发达国家的甲醇产量（kt）国家195019551956195719581959美国415.5615.0629.6695.7706.3812.0联邦德国74.4162.4192.8236.4250.3300.0意大利11.527.732.339.943.0-法国14.023.826.633.034.046.0日本23.663.385.7103.0121.8-从1960年到1969年，甲醇的发展速度更快，10年间世界甲醇产量增长2.72倍，表1-4为1960年至1969年世界甲醇产量增产情况。表1-4 19601969年世界甲醇产量（kt）年份1960196119621963196419651966196719681969产量2360236227962925329944675039536863736437美国赛兰尼斯（Celanese）公司调查和预测，世界甲醇供需情况如表1-5表1-5 世界甲醇供需情况及预测（kt）项目19801982198519871990世界公称生产力1493717017220652755134182世界供给能力1195013614176522204127346传统用途需要量1172413051153231705420028新用途需要量496904129956807578总需要量1222013955172522273.627606平衡差值-270-341-400-69.5-260据沙特阿拉伯基础工业公司估计，本世纪末将出现甲醇短缺。甲醇需要量将每年递增8%，估计到1990年世界甲醇产量将达到2500万吨，装置开工率从1984年得74%提高到87%以上。1.3.2国内甲醇的生产发展概况建国前，国内基本没有甲醇工业。第一个五年计划时期，从苏联引进以煤为原料的高压合成甲醇装置。60年代在南京、淮南、北京等地建设了以煤炭和重油为原料的合成甲醇装置。70年代以来，先后又在广东、湖南、湖北等地建成甲醇装置，并将上海等地原有的甲醇生产企业扩大了生产能力。随着国民经济和技术进步的需要，又分别从英国、西德引进了低压合成甲醇装置。据不完全统计，我国现在已有50多套合成甲醇生产装置，形成5060万吨的年生产能力，其中30多套是合成氨联产甲醇装置，年生产能力约210220kt;在建或缓建的生产能力约10多万吨，总能力在70万吨左右。1984年统计，全国甲醇产量为46万吨，开工率为77%，当年使用量为43万吨。19751987年得13年间，国内甲醇产量增长2.73倍，具体历年增长情况如表1-6。表1-6 国内19751987年甲醇产量年份产量，kt增长率，%年份产量，kt增长率，%1975137.0100.01982385.9281.71976152.4111.21983431.0314.61977177.0129.21984439.5320.81978211.9154.61985443.1323.41979247.8180.91986450.0328.51980298.0217.51987512.0373.71981346.6253.0国内甲醇行业近年发展迅速，我国甲醇工业在良好的宏观经济及下游需求增长下也维持稳定快速的增长局面，下表是20062011年我国甲醇产量情况。表1-7 20062011年中国甲醇产量20062011年中国甲醇产量数据 单位：万吨200620072008200920102011754.961012.261108.481123.071575.251984.12国内重点企业的甲醇装置，分别采用煤焦、油、气三种原料，据1987年不完全统计，不同原料和生产工艺的甲醇生产能力如表1-8。表1-8 国内甲醇各种原料和工艺的生产能力（kt）工艺联产甲醇单产甲醇合计煤焦16825193油10345355气-9595合计178466643从表上可以看出，甲醇生产工艺中联产甲醇的生产能力，占总生产能力的27.7%，单产甲醇占72.3%。原料结构以油为原料的占55.2%，其中单产甲醇占97%；以煤焦为原料的占30%，其中联产甲醇占87%，这些装置都在中、小型合成氨厂里。国内几个重点甲醇装置情况，如表1-9。表1-8 国内几个重点甲醇装置情况企业名称生产工艺原料装置能力，kt装置设计吉林化肥厂单产甲醇重油60苏联大原化肥厂单产甲醇焦炭25苏联兰州化肥厂单产甲醇重油55苏联南化氮肥厂单醇/联醇重油/白煤50/10中国徊州化工厂联产甲醇白煤20中国淮南化肥厂联产甲醇焦炭50中国北京化工实验厂联产甲醇焦炭50中国吴泾化工厂单醇/联醇轻油/焦炭80/20中国鄂西化工厂联产甲醇重油10中国资江氮肥厂联产甲醇白煤10中国四川维尼纶厂单产甲醇乙炔尾气95英国齐鲁化工总厂单产甲醇渣油100西德2物料衡算2.1 设计条件甲醇产量：160000（吨/年）主塔进料液浓度：75 (wt%)(甲醇含量)产品浓度 ：98% (wt%)(甲醇含量)残液中甲醇含量：3 (wt%)(甲醇含量)每年实际生产时间：330天/年2.2 操作条件塔顶压力：67KPa； 塔底压力：0.050.06MPa 回流液温度：5065； 进料温度：8285塔底温度：102110；塔顶温度：6067原料液的处理量：在一常压操作的连续精馏塔内分离甲醇-水混合物。已知原料液的处理量为26397kg/h、组成为0.75(甲醇的质量分率，下同)，要求塔顶馏出液的组成为0.98，塔底釜液的组成为0.03。选用筛板塔进行设计计算。当采用泡点进料时不设蒸发段，只设精馏段和提馏段。2.3甲醇的摩尔分数、的计算甲醇的摩尔质量：水的摩尔质量： 主塔进料中甲醇的摩尔分数：精甲醇中甲醇的摩尔分数：残液中甲醇的摩尔分数：2.4 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量2.5物料衡算原料处理量 : 总物料衡算: 甲醇物料衡算: 联立解得: 3主塔的工艺设计计算3.1回流比及塔板数的确定3.1.1塔温的确定依据已知条件，取塔顶温度: 塔底温度: 进料板温度: 精馏段平均温度: 提馏段平均温度: 3.1.2适宜回流比的确定由手册查得甲醇-水物系的气液平衡数据，绘出xy图，见图3-1.求最小回流比及操作回流比。采用作图法求最小回流比。在图3-1中对角线上，自点作垂线即为进料线（q线）该线与平衡线的交点坐标为： 图3-1 甲醇水气液平衡图故最小回流比为：本设计为分离甲醇和水的混合物，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。塔顶上升蒸汽采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷却器冷却后送至储罐。该物系属易分离物系，最小回流比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍11。取操作回流比为： 3.1.3操作线方程的确定（1）求精馏塔的气、液相负荷。 （2）求操作线方程精馏段操作线方程为：提馏段操作线方程为：3.1.4理论板数的确定采用图解法求理论板层数。如图3-2所示图3-2 图解法求理论板层数求解结果为：总理论板数: (包括再沸器)进料板位置:3.1.5全塔效率板式塔的效率问题实质上是气、液两相间的传质问题，影响因素和复杂。精馏塔的全塔效率不仅与塔板结构有关，而且还与平衡关系、操作条件、物系性质及流体力学状况等有关。到目前为止，尚难以从理论上对全塔效率进行计算，所以最好是采用条件相近的生产装置的现场标定数据或经验数据。在缺少现场数据时，一般可用下列经验公式对全塔效率进行估算：奥康奈尔法12该方法是根据几十个工业塔和试验塔的实验数据整理而得，有经验关联式和关联图，适用于烃类、氯化烃和醇-水系统。其关联式为： （3-1）式中：全塔效率； 塔顶、塔底平均温度下相对挥发度； 进料液在塔顶、塔底平均温度下的粘度，单位：厘泊（）（法定计量单位为：） （3-2）式中：进料中的摩尔分率组分的液相粘度（），取塔顶、塔底平均温度下的数值。查时，甲醇的饱和蒸汽压为： 水的饱和蒸汽压为：查时，甲醇的粘度为： 水的粘度为：则相对挥发度：平均组成： 则组分的液相粘度：则全塔效率为： 3.1.6实际塔板数精馏段实际板数： 提馏段实际板数： 3.2精馏塔的塔体工艺尺寸计算3.2.1 塔径计算（1）操作压力计算根据已知操作条件，取塔顶操作压力： 每层塔板压降： 进料板压力： 精馏段平均压力： （2）操作温度计算塔顶温度： 进料板温度： 精馏段的平均温度：（3）平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算由，查平衡曲线图3-2，得:进料板平均摩尔质量计算由图解理论板（见图3-2），得:查平衡曲线图3-2得:精馏段平均摩尔质量：（4）平均密度计算气相平均密度计算由理想气体状态方程计算，即：液相平均密度计算液相平均密度依下式计算，即： （3-3）塔顶液相平均密度的计算由，通过物性数据软件查得： 进料板液相平均密度的计算由，通过物性数据软件查得： 进料板液相的质量分率： 精馏段液相平均密度为：（5）液体平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算，即： （3-4）塔顶液相平均表面张力的计算由，通过物性数据软件查得： 进料板液相平均表面张力的计算由，通过物性数据软件查得： 精馏段液相平均表面张力为：（6）液体平均粘度计算液相平均粘度依下式计算，即： （3-5）塔顶液相平均粘度的计算由，通过物性数据软件查得： 解出：进料板液相平均粘度的计算由，通过物性数据软件查得： 解出： 精馏段液相平均表面张力为：（7）塔径的计算精馏段的气、液相体积流率为： 最大空塔气速可依据悬浮液滴沉降原理导出，其结果为： （3-6）式中： 液相密度，； 气相密度，； C负荷因子，m/s，负荷因子C值与气液负荷、物性及塔板结构有关，一般由实验确定。史密斯等人汇集了若干泡罩、筛板和浮阀塔的数据，整理成负荷因子与影响因素间的关系曲线，如图5-113所示。图中横坐标为无因次比值，称为液气动能参数，它是反映液、气两相的负荷与密度对负荷因子的影响；纵坐标为物系表面张力为的负荷系数；参数反映液滴沉降空间高度对负荷因子的影响。C的值由下式求得： （3-7）式中：C操作物系的负荷因子，m/s； 操作物系的液体表面张力，mN/m。其中由图5-113查取，图的横坐标为：设计时通常根据塔径的大小，由表3-1列出的塔板间距的经验数值选取。表3-1 塔板间距与塔径的关系塔径D，m0.3-0.50.5-0.80.8-1.61.6-2.02.0-2.42.4板间距HT，mm200-300300-350350-450450-600500-800800取板间距，板上液层高度，则：负荷因子C13,由该图(P108图5-1)查得：甲醇-水属不易发泡物系，故取安全系数为0.7。则空塔气速u为：塔径用下式计算，即： （3-8）式中：塔径，m； 气体体积流量，； 空塔气速，m/s。由该式计算出的塔径D，还应按塔径系列标准进行圆整。常用的标准塔径为：400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、2200、2400、2600、2800、3000、3200、3400mm等。按标准塔径圆整后为塔截面积为：实际空塔气速为：3.2.2塔高的确定精馏段有效高度为：提馏段有效高度为：故在进料板上方开人孔，其高度为。故精馏塔的有效高度为：3.2.3壳体、封头尺寸的选择封头又称为端盖或顶盖，是容器的重要组成部分。常见形式有半球形、椭圆形、圆锥形和平板形。平板封头由于受力状态不好，要求的厚度大，故一般用于直径小、压力低的容器，但因平板封头的制造容易，也常用于高压容器。锥形封头用作底盖，便于收集或御除含固体的物料，它的锥角越大，其厚度也越大。承压容器以半球形和椭圆形封头最有利，半球形封头的深度较深，制造较困难。标准椭圆形封头无论是几何形状或受力状态都比较好，制造难度又不大，是圆筒形容器较合理的封头形式。因此，在化工生产中得到较广泛的应用14。在本设计中，采用标准椭圆形封头15。标准椭圆形封头的长短轴比值为2，一般用轧制钢板冲压制成，可用在表压达10MPa的容器中。为了与筒体相配，椭圆形封头的直径也分为用内径和外径表示的两种。大多数椭圆形封头的壁厚与筒体壁厚相等，或比筒体稍厚。标准椭圆形封头的主要尺寸按下表确定，具体尺寸可查有关手册16。标准的椭圆形封头应满足=0.25D，为了焊接方便，取封头厚度与壳体厚度等厚，即=10mm，长半轴a=1.6m，短半轴b=0.8m。根据下表3-2确定标准椭圆形封头的圆筒节高(直边高度)h。表3-2 标准椭圆形封头的尺寸范围封头材料碳素钢、普通低合金钢不锈钢、耐酸刚公称直径/mm300-2600400-3200300-2600400-3200封头厚度/mm4-810-183-910-18直边高度/mm254050254050由D=3.2m，选择封头厚度为10mm的不锈钢，取筒体壁厚与封头厚度相等，直边高度。3.3塔板的主要工艺尺寸的计算3.3.1塔板形式的选择塔板形式有：泡罩塔板、筛孔塔板、浮阀塔板。由于筛板结构简单，造价低；板上液面落差小，气体压降低，生产能力较大；气体分散均匀，传质效率较高。故本