45万吨年甲醇精馏系统毕业设计.doc

毕业设计 题目 200kt a 合成氨转化工段工艺设计合成氨转化工段工艺设计 摘要摘要 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 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 本设计选择了以 45 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 关键词关键词 甲醇 精馏 物料衡算 热量衡算 Abstrac In the paper Methanol is made of wood and lignin carbonization the earliest is commonly known as wood alcohol this is the most simple saturated fat group representatives of alcohol content In recent years the world of methanol production capacity development faster The rapid development of the methanol industry because methanol is a variety of basic raw material and important solvent of organic products widely used in organic synthesis dye medicine coating and defense industries Method by methanol into gasoline research achievements thus opened up by the way of coal into a car fuel In recent years the development of c1 chemical industry methanol to ethanol ethylene glycol toluene xylene vinyl acetate acetic anhydride methyl formate and oxygen resin products such as methanol decomposition good performance is in research development and industrialization Methanol chemical industry has become an important field in the chemical industry This design chose to the output of 450000 t a methanol distillation as production calculation and design tasks refer to the city always in henan wing coal group long yu chemical methanol factory of methanol distillation process the design from the perspective of technology the production process and main equipment for the material balance the tower equipment simple method of calculation heat balance calculation heat exchanger design process Keywords methanol distillation material balance heat balance 目目 录录 1 总论 1 1 1 概况 1 1 1 1 甲醇的用途 1 1 1 2 甲醇精馏工艺技术比较 1 1 1 3 甲醇精馏工艺的概况 4 1 2 精馏的目的和原理和精馏塔的操作和调节 5 1 2 1 粗甲醇的组成与精制要求 5 1 2 2 工艺原理 7 1 2 3 影响因素 9 1 2 4 精馏塔的产品质量控制和调节 11 1 3 甲醇的主要技术规格 11 1 3 1 甲醇的一般性质 11 1 3 2 甲醇的沸点和蒸汽压 13 1 3 3 甲醇 水系统的性质 13 1 4 甲醇精馏工艺流程说明 14 1 4 1 预精馏系统 14 1 4 2 加压精馏系统 15 1 4 3 常压精馏系统 15 2 甲醇精馏生产工艺设计及计算 16 2 1 计算参数 16 2 2 预精馏塔工艺计算 17 2 2 1 物料衡算 17 2 2 2 全塔高度和塔径的确定 18 2 3 加压精馏塔工艺计算 19 2 3 1 物料衡算 19 2 3 2 热量衡算 22 2 3 3 理论塔板数计算 23 2 3 4 精馏塔主要尺寸的设计计算 25 2 3 5 填料的选择 30 2 3 6 塔径设计的计算 30 2 3 7 填料层高度的计算 32 2 3 8 全塔高度的确定 33 2 4 常压精馏塔工艺计算 35 2 4 1 物料衡算 35 2 4 2 热量衡算 38 2 4 3 理论塔板数计算 39 2 4 4 精馏塔主要尺寸的设计计算 41 2 4 5 填料的选择 46 2 4 6 塔径设计的计算 46 2 4 7 填料层高度的计算 47 2 4 8 全塔高度的确定 48 2 4 9 全塔高度的确定 51 2 5 粗甲醇预热器 57 2 5 1 计算定性温度 确定物理常数 57 2 5 2 求温差修正系数 58 2 5 3 计算所需的传热面积 58 2 5 4 分别计算管程和壳程的传热系数 59 2 5 5 管壁温度 tw 61 2 5 6 计算管 壳程的压力降 62 2 6 泵的选型 64 2 6 1 泵的类型 系列和型号的确定 64 2 6 2 轴封型式的确定 65 参考文献 66 英文翻译 67 致 谢 69 兰州理工大学石油化工学院毕业设计 第 1 页 1 总总 论论 1 1 概况概况 1 1 1 甲醇的用途甲醇的用途 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 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 甲醇汽油是指把甲醇部分添加在汽油里 用甲醇燃料助溶剂复配的 M 系列混合燃料 其中 M15 在汽油里添加 15 甲醇 清洁甲醇汽油为车用燃 料 分别应用于各种汽油发动机 可以在不改变现行发动机结构的条件下 替代成品汽油使用 并可与成品油混用 甲醇混合燃料的热效率 动力性 启动性 经济性良好 具有降低排放 节省石油 安全方便等特点 世界 各国根据不同国情 研发了 M3 M5 M15 M20 M50 N85 M100 等 不同掺和比的甲醇汽油 目前 商用甲醇主要为 M85 85 甲醇 15 汽油 和 M100 M100 性能优于 M85 具有更大的环境优越性 2 1 1 2 甲醇精馏工艺技术比较甲醇精馏工艺技术比较 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差别 但基本方法是一致的 首先 总是以 兰州理工大学石油化工学院毕业设计 第 2 页 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 甲醇精馏按工艺主要分为3种 双塔精馏工艺技术 带有高锰酸钾反应 的精馏工艺技术和我国自行开发的三塔精馏工艺技术 双塔精馏工艺技术 由于具有投资少 建设周期短 操作简单等优点 被我国众多中 小甲醇生 产企业所采用 尤其在联醇装置中得到了迅速推广 带有高锰酸钾反应的 精馏工艺技术仅在单醇生产中用锌铬为催化剂的产品中有应用 近年来 随 着甲醇合成铜基催化剂的广泛应用和气体净化水平的提高 粗甲醇生产中的 副反应减少和杂质的降低 此工艺流程已经很少采用 三塔精馏工艺技术是 为减少甲醇在精馏中的损耗和提高热利用率而开发的一种先进 高效和能 耗较低的工艺流程 近年来在大 中型企业中得到了推广和应用 精馏塔按内件可分为板式精馏塔和填料型精馏塔 传统的精馏塔大都 是以浮阀为主的板式塔 随着新型板式塔的开发成功 又出现了导向浮阀 斜孔筛板等结构 但由于板式塔开孔率低 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最近几年才出现的 采用以高效丝网波 纹填料和配套的分布器为核心的精馏技术 相同规模的装置三塔精馏与双塔精馏相比投资增加20 以上 但运行费 兰州理工大学石油化工学院毕业设计 第 3 页 用一般可节省20 企业选择哪种精馏工艺技术 主要取决于企业甲醇实际 生产能力 预期生产规模 甲醇市场行情 以及企业的公用工程水 电 汽 的富裕程度等 一般说来 甲醇生产规模在5万t a以下时宜选择双塔精馏工艺 因为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技术 但在5万t a生产规模以下时其经济技术指标较 占优势 5万t a 以上的企业宜选择三塔精馏工艺 因为随着生产规模的扩大 三塔精馏工艺的节能 高效优势才能体现出来 在每万吨甲醇的消耗投资 方面三塔精馏低于双塔精馏工艺 3 另外 三塔精馏工艺在双塔精馏装置进行增产 降耗的技术改造中有比 较广阔的应用 是企业扩大现有生产规模较经济 有效的技术措施 在 原有双塔流程中仅增加1台加压塔和部分设备 装置生产能力就能翻1倍 比 双塔流程节约能耗20 以上 由于增加了乙醇等产品的采出 产品质量符合 国际AA标准 有更广阔的销售市场和更高的产品售价 由于两流程近似 操 作和管理方法易于接受 三塔精馏工艺是一项企业进行增产降耗技术改造 的非常适合的 较好的技术方案 4 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 兰州理工大学石油化工学院毕业设计 第 4 页 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 塔板效率高 采用甲醇精馏专用不锈钢丝网波纹填料 空隙率0 85 m2 m3 理论塔板数8 10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优点 这样可减少理论塔板数 降低精馏塔的高度 单 位生产能力大 生产控制中采用的较小回流比 提高了精甲醇质量 降低了 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 产品质量提高 3 操作弹性大 由于丝网填料具有的优良传质 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 稳定区域大 可保证系统 有较大的弹性 产品质量稳定 传统双塔精馏工艺与填料型三塔精馏工艺的投资和单耗 吨甲醇消耗 比较见表1 1 表1 1 传统双塔与填料型三塔精馏工艺比较 项 目投资 相对数 蒸汽 t循环水 m3电 kw h 双塔精馏工艺1001 5 2 0150 18040 三塔精馏工艺1230 9 1 360 8030 填料型甲醇精馏工艺 由于采用了先进的甲醇精馏专用丝网规整填料和 配套的新型分布器 加之在系统热量的分配上合理优化 从而使能耗大为降 低 双塔精馏能耗达到传统的板式三塔消耗水平 三塔精馏能耗比传统的板 式三塔降低15 以上 5万t a甲醇生产企业年运行费用可节省200万元以上 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 因此本设计也才用填料型三塔甲醇精馏工艺技术 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 兰州理工大学石油化工学院毕业设计 第 5 页 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 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 精馏的目的和原理和精馏塔的操作和调节精馏的目的和原理和精馏塔的操作和调节 1 2 1 粗甲醇的组成与精制要求粗甲醇的组成与精制要求 1 粗甲醇的组成 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 其产品系主要由甲醇以及水 有机杂质等组成的 兰州理工大学石油化工学院毕业设计 第 6 页 混合溶液 故称为粗甲醇 以色谱分析或色谱 质谱联合分析测定粗甲醇的组成有 40 多种 包含 了醇 醛 酮 醚 酸 烷烃等等 如有氮的存在 还发现有易挥发的胺 类 其它含有少量生产系统中带来的羰基铁 及微量的催化剂等杂质 下 表 1 2 列出了粗甲醇中部分有机物 具有一定的代表性 表 1 2 按沸点顺序排列的粗甲醇组分 组 分沸点 组 分沸点 组 分沸点 二甲醚 23 7 甲醇 64 7 异丁醇 107 0 乙醛 20 2 异丙烯醚 67 5 正丁醇 117 7 甲酸甲酯 31 8 正己烷 69 0 异丁醚 122 3 二乙醚 34 6 乙醇 78 4 二异丙基 酮 123 7 正戊烷 36 4 甲乙酮 79 6 正辛烷 125 0 丙醛 48 0 正戊醇 97 0 异戊醇 130 0 丙烯醛 52 5 正庚烷 98 0 4 甲基戊 醇 131 0 醋酸甲酯 54 1 水 100 0 正戊醇 138 0 丙酮 56 5 甲基异丙 酮 101 7 正壬烷 150 7 异丁醛 64 5 醋酐 103 0 正癸烷 174 0 为了精馏过程中便于处理 上述组成大致可分为几组 1 轻馏分 表 中 1 15 组分 甲醇 乙醇例外 2 甲醇 3 水 4 重组分 表中 16 30 5 乙醇 由于轻馏分 重组分和乙醇在经过预精馏塔精馏后 含量较小 所以在后 面的三个塔计算过程中均用甲醇 水双组分精馏 粗甲醇中这些杂质组分的含量多少 可视为衡量粗甲醇的质量标准 显然 精甲醇的质量和精制过程中的损耗 与粗甲醇的质量关系极大 从 精制角度考虑 甲醇合成过程中副反应越少越好 从而提高粗甲醇的质量 就可能在容易获得高质量精甲醇的同时 又降低了精制中物料和能量的消 耗 决定粗甲醇质量的主要因素无疑是催化剂 铜系催化剂的选择性显然 处于优越的地位 反应温度也低 副反应少 因此制得的粗甲醇含杂质较 少 同时 粗甲醇中所含杂质的种类和数量 又与原料气的组成和合成条 件及设备的材质有 5 2 精制要求 虽然各种杂质的含量不多 但正是由于这些杂质的超量存在 使得甲 兰州理工大学石油化工学院毕业设计 第 7 页 醇合成所得的粗甲醇不能直接用作有机化工的基础原料 如 生产甲醛是 目前甲醇的主要用途之一 但如果甲醇中的烷烃含量超标 在甲醇氧化 脱氢时由于没有过量空气 便生成碳黑覆于催化剂的表面 影响催化剂的 活性 高级醇可使生产的甲醛产品的酸值不合格 甲醇中的水由于在甲醇 蒸发汽化时不易挥发 在蒸发器中浓缩积累 使甲醇浓度降低 可引起原 料配比失调而发生爆炸 作为甲醇另一主要用途之一的醋酸生产 对甲醇 中的乙醇含量有着较为严格的规定 甲醇还被用作生产塑料 涂料 香料 农药 医药 人造纤维等原料 都可能由于这些少量杂质的超量存在而影 响产品的纯度和产品的性能 为了满足作为基础化工原料的基本要求 必须对粗甲醇进行精制 将 粗甲醇中的杂质脱除至规定的指标之内 目前工业上对粗甲醇进行精制常 用的物理方法就是精馏 6 一般工业上出于对甲醇产品的要求 规定了精甲醇中含杂质量的指标 本设计采用国外甲醇的质量的指标 产品质量符合美国联邦 AA 级标准 优质甲醇的指标集中表现在沸程短 纯度高 稳定性好并含有机杂质量极 小 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 1 2 2 工艺原理工艺原理 液态物质的饱和蒸汽压力随温度的升高而升高 在同一温度下的平衡 系统中 不同物质的饱和蒸汽压力不同 饱和蒸汽压力大的称它挥发度大 反之称它挥发度小 两种物质饱和蒸汽压力之比称为相对挥发度 液态混 合物在饱和状态下 各组分的挥发度用它在蒸汽中的分压和与之平衡的液 相中的摩尔分率之比来表示 即 1 1 1 X P V 2 2 2 X P V 式中 V 挥发度 P 蒸汽中分压 X 液相中摩尔浓度 由于挥发度随温度而变化 使用不方便 故改用相对挥发度更便利 即 兰州理工大学石油化工学院毕业设计 第 8 页 2 1 V V 式中 为相对挥发度 相对挥发度的含义是液相混合物中易挥发组分的挥发度与难挥发组分 挥发度之比 对于理想溶液就是饱和蒸汽压之比 液相混合物在饱和状态下 气相中各组分相对组成与原液相中的相对 组成不同 在气相组成中 挥发度高的组分的浓度高些 分压高些 挥发 度低的组分浓度相对低些 分压也低些 在液相组成中正好相反 挥发度 低的组分的浓度高些 挥发度高的组分的浓度低些 相对挥发度越大 这 种浓度差就越大 对于粗甲醇中的杂质 通常以甲醇的沸点为界 分为轻组分杂质和重 组分杂质 常压下甲醇的沸点为 64 7 轻组分杂质是指其沸点低于 64 7 的组分 而重组分杂质是指沸点高于 64 7 的组分 粗甲醇精馏就是根据粗甲醇中各种组分的沸点和相对挥发度的不同 在精馏塔内的热质传递元件上 通过建立物料 热量和汽液相平衡 在汽 液相之间连续不断地实现热质的传递 在液相由上向下流动的过程中 由 于塔内温度由上到下连续升高 沸点低 易挥发的轻组分相对地从液相向 汽相中扩散传递 而汽相在由下向上流动的过程中 由于温度连续降低 沸点高 挥发度较低的重组分则相对地向液相中凝集传递 同时热量从汽 相向液相传递 经过在精馏塔内反复多次连续地进行这种热质传递 最终 实现关键轻组分在塔顶高浓度集聚 重组分在塔底高浓度集聚的分离过程 精馏工艺的理论基础是拉乌尔定律和道尔顿分压定律 拉乌尔定律是指 在一定温度下的平衡理想溶液 假设两种液体可以 任何比例相互溶解 互溶无体积效应和热效应 体系中 溶液表面上方的 蒸汽中任一组分的分压 等于此纯组分在此温度下的饱和蒸汽压乘以其在 溶液中的摩尔分数 可用如下式子表示 iii XPP 式中 气相中组分 i 的分压 i P 此温度下纯组分 i 的饱和蒸汽压 i P 组分 i 在理想溶液中的摩尔浓度 i X 而道尔顿定律是指 在一定温度下的平衡系统中 溶液表面上方的压 力等于汽相混合物中各组分的分压之和 即 i PP 兰州理工大学石油化工学院毕业设计 第 9 页 式中 求和 气相压力 P 气相中组分 i 的分压 i P 对于在一定温度下 由 A 和 B 两种物质组成的双组分理想溶液的平衡 系统 可以通过上述的拉乌尔定律和道尔顿定律来求取理想溶液系统的气 液相平衡关系式如下 babA PPPPX AB XX 1 AaA XPP AB YY 1 AA YPP AB PPP 式中 为溶液中组分 A 和组分 B 的摩尔分数 A X B X 为纯正组分 A 和 B 在同一温度下的饱和蒸汽压 a P b P 为气相中组分 A 和组分 B 的摩尔分数 A Y B Y 为气液相平衡时气相中 A 和 B 蒸汽分压 A P B P 为理想溶液达到平衡时溶液上方的汽相总压 P 如果已经知道某液体组分在某温度下的饱和蒸汽压 就可以利用拉乌 尔定律计算出该液体与另一液体构成不同浓度混合液的气相分压 精馏是多次简单蒸馏的组合 蒸馏操作系基于混合液中各组分在相同 的温度条件下具有不同的挥发度 当加热至沸腾以后 将生成的蒸汽引出 进行冷凝 其冷凝液组成与原来的混合液不同 其中易挥发组分的含量较 前增加 如此不断汽化 冷凝操作 最后使混合液中的组分几乎以纯组分 被分离开来 粗甲醇精馏就是根据粗甲醇中各种组分的沸点和相对挥发度的不同 在精馏塔内的热质传递元件上 通过建立物料 热量和汽液相平衡 在汽 兰州理工大学石油化工学院毕业设计 第 10 页 液相之间连续不断地实现热质的传递 在液相由上向下流动的过程中 由 于塔内温度由上到下连续升高 沸点低 易挥发的轻组分相对地从液相向 气相中扩散传递 而气相在由下向上流动的过程中 由于温度连续降低 沸点高 挥发度较低的重组分则相对地向液相中凝集传递 同时热量从气 相向液相传递 经过在精馏塔内反复多次连续地进行这种热质传递 最终 实现关键轻组分在塔顶高浓度集聚 重组分在塔底高浓度集聚的分离过 程 7 1 2 3 影响因素影响因素 1 物料平衡的影响和制约 保持精馏装置的物料平衡是精馏塔稳态操作的必要条件 根据全塔物 料衡算可知 对于一定的原料液流量 F 只要确定了分离程度 和 馏 D x W x 出液流量 D 和釜残液流量 W 也就被确定了 而 和决定于气液平衡关 D x W x 系 q R 和理论板数 适宜的进料位置 因此 D 和 W 或采 F x T N 出率与只能根据 和确定 而不能任意增减 否则进 出塔的两 F D F W D x W x 个组分的量不平衡 必然导致塔内组成变化 操作波动 使操作不能达到 预期的分离要求 2 回流比的影响 回流比是影响精馏塔分离效果的主要因素 生产中经常用改变回流比 来调节 控制产品的质量 例如当回流比增大时 精馏段操作线斜率变 V L 大 该段内传质推动力增加 因此在一定的精馏段板数下馏出液组成变大 同时回流比增大 提馏段操作线斜率变小 该段的传质推动力增加 因 V L 此在一定的提馏段理论板数下 釜残液组成变小 反之 当回流比减小时 减小而增大 使分离效果变差 D x W x 回流比增加 使塔内上升蒸汽量及下降液体量均增加 若塔内气液负 荷超过允许值 则应减小原料液流量 回流比变化时 再沸器和冷凝器的 传热量也应相应发生变化 应指出 在采出率一定的条件下 若以增大 R 来提高 则有以下 F D D x 限制 受精馏塔理论板数的限制 因为对一定的板数 即使 R 增到无穷大 兰州理工大学石油化工学院毕业设计 第 11 页 全回流 有一最大极限值 D x 受全塔物料平衡的限制 其极限值为 D Fx x F D 3 进料热状况的影响 在实际生产中 加入精馏塔中的原料液可能有五种热状况 温度低 于泡点的冷液体 泡点下的饱和液体 温度介于泡点和露点之间的气 液混合物 露点下的饱和蒸汽 温度高于露点的过热蒸汽 由于不同进料热状况的影响 使从进料板上升蒸汽量及下降液体量发 生变化 也即上升到精馏段的蒸汽量及下降到提馏段的液体量发生了变化 当进料状况 和 q 发生变化时 应适应改变进料位置 一般精馏 F x 塔设几个进料位置 以适应生产中进料状况的变化 保证在精馏塔的适宜 位置下进料 如进料状况改变而进料位置不变 必然引起馏出液和釜残液 组成的变化 对特定的精馏塔 若减小 则使 和均减小 欲保持不变 F x D x W x D x 则应增大回流比 1 2 4 精馏塔的产品质量控制和调节精馏塔的产品质量控制和调节 精馏塔的产品质量通常是指馏出液及釜残液的组成达到规定值 生产 中某一个因素的干扰 如传热量 等发生变动 将影响产品的质量 因 F x 此应及时予以调节控制 在一定的压强下 混合物的泡点和露点都取决于混合物的组成 因此 可以用容易测量的温度来预示塔内组成的变化 对于馏出液和釜残液也有 对应的露点和泡点 通常可用塔顶温度反映馏出液组成 用塔底温度反映 釜残液组成 但对高纯度分离时 在塔顶 或塔底 相当一段高度内 温 度变化极小 因此当塔顶 或塔底 温度发现有可觉察的变化时 产品的 组成可能已明显改变 再设法调节就很难了 可见对高纯度分离时 一般 不能用测量塔顶温度来控制塔顶组成 分析塔内沿塔高的温度分布可以看到 在精馏段或提馏段的某塔板上 温度变化最显著 也就是说 这些塔板的温度对于外界因素的干扰反映最 为灵敏 通常将它称之为灵敏板 因此生产上常用测量和控制灵敏板的温 度来保证产品的质量 兰州理工大学石油化工学院毕业设计 第 12 页 1 3 甲醇的主要技术规格甲醇的主要技术规格 1 3 1 甲醇的一般性质甲醇的一般性质 甲醇的分子式为 CH3OH 其分子量为 32 04 常温常压下 纯甲醇是 无色透明的 易流动 易挥发的可燃液体 具有与乙醇相似的气味 其一 般性质看表 1 3 表 1 3 甲醇的一般性质 性 质数 据 密 度 0 8100g ml 0 相对密度0 7913 沸 点64 5 64 7 熔 点 97 8 闪 点 16 开口容器 12 闭口容器 自 燃 点 473 空气中 461 氧气中 临界温度 240 临界压力79 54 105Pa 78 5atm 临界体积117 8ml mol 蒸 汽 压 1 2879 104Pa 96 6mmHg 20 热 容2 51 2 53J g 20 25 液体 45J mol 25 气体 兰州理工大学石油化工学院毕业设计 第 13 页 粘 度 5 945 Pa s 0 5945cP 20 甲醇的密度 粘度和表面张力随温度改变如下 表 1 4 甲醇的密度 粘度和表面张力随温度变化表 温度 0102030405060 密度 g cm30 8100 8010 7920 7830 7740 7650 756 粘度 cP0 8170 6900 5970 5100 4500 3960 350 表面张力 24 523 522 621 820 920 119 3 sPacP 4 101Ndyn 5 101 甲醇可以和水以及许多有机液体如乙醇 乙醚等以任意比混合 但不 能与脂肪族烃类相混合 它易于吸收水蒸汽 二氧化碳和某些其他物质 因此 只有用特殊的方法才能制的完全无水的甲醇 同样 也难以从甲醇 中清除有机杂质 产品甲醇总含有有机杂质约 0 01 以下 1 3 2 甲醇的沸点和蒸汽压甲醇的沸点和蒸汽压 甲醇的沸点随压力变化如表 1 5 所示 表 1 5 甲醇的沸点 压力 mmHg 温度 压力 mmHg 温度 压力 at 温度 压力 at 温度 1 10 20 44 0 16 2 6 0 100 200 400 21 2 34 8 49 9 2 5 10 84 112 5 138 0 30 40 50 186 5 203 5 214 0 405 076064 720167 860224 0 PaatPammHg 4 1080665 9 1 322 1331 兰州理工大学石油化工学院毕业设计 第 14 页 1 3 3 甲醇甲醇 水系统的性质水系统的性质 甲醇和水可以以任意比混合 混合后的甲醇 水系统的性质 是研究甲 醇性质的一个重要组成部分 1 密度 甲醇水溶液的密度 随着温度的降低而增加 在相同的温度下 几乎 是随着甲醇浓度的增加而均衡的减小 如表 1 6 所示 表 1 6 甲醇水溶液的密度与甲醇浓度和温度的关系 CH3OH 浓 度 密 度 g cm3 30 0 20 30 40 60 10 0 98420 98150 97940 97500 9635 20 0 97250 96660 96250 95670 9450 30 0 96040 95150 94420 93830 9260 400 95950 94590 93450 92500 92000 9061 500 94340 92870 91560 90500 90000 8844 600 92500 90900 89460 88350 97830 8609 700 90730 88690 87150 86100 85400 8355 800 88700 86340 84690 83610 82800 8083 900 86400 83740 82020 80900 80000 7800 2 粘度 甲醇水溶液的粘度与组成有关 在所有研究过的温度下 当甲醇含量 约 50 时均有一最大值 在任何情况下 混合物的粘度都比纯甲醇的粘度大 见表 1 7 所示 表 1 7 甲醇水溶液的粘度 甲 醇 浓 度 102030405060708090100温 度 粘 度 105P 104580570061506120533043003200220016801150 0260031703400346031802630215017301310900 10161719632180234024912140198014761061686 1514461762195920582073194916891307965638 2012531516168017701798168115131192874591 兰州理工大学石油化工学院毕业设计 第 15 页 2510981316144415021572146113391081805553 30982114512571329136312691184964726515 35875100911111157119811541058872673483 4079290298910031045997946784620451 63504508586611636594568526424 sPaP 1 01 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 101 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 T 101 的上部 预精馏塔 T 101 顶部出来的气相 首先进入预精馏塔一级冷凝器 E 102 的壳程 物料被管程的循环冷却水冷却到 67 5 冷却下来的液体进入预精 馏塔回流槽 V 101 中 回流槽 V 101 中的甲醇溶液 经预精馏塔回流泵送 入预精馏塔 T 101 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 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 5 8 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 103 的管程 被壳程介质加热到泡点后 进入加压 精馏塔 T 102 的下部 塔顶出来的甲醇蒸汽进入冷凝器 再沸器 E 104 的壳 程 被管程的介质冷凝后进入加压精馏塔回流槽 V 104 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 出加压精馏塔釜液去常压精馏塔继续精馏 1 4 3 常压精馏系统常压精馏系统 加压精馏塔釜液在 E 105 中进行换热后 进入常压精馏塔 T 103 的下 部 塔顶出来的甲醇蒸汽进入常压精馏塔回流冷凝器 E 107 的壳程 被管 程的循环冷却水冷凝冷却后 进常压精馏塔回流槽 V 104 中 回流槽出来 兰州理工大学石油化工学院毕业设计 第 16 页 的液体经常压精馏塔回流泵加压后 一部分进常压精馏塔顶作回流液用 其余作精甲醇去中间罐区 常压精馏塔塔底釜液经常压精馏塔再沸器 E 106 加热后一部分气体进 入加压精馏塔塔顶继续精馏 一部分经常压精馏塔回流槽 V 103 其中一部 分将经过加压塔回流泵输送至加压精馏泵继续精馏 一部分杂质气体排除 系统 常压精馏塔精馏的热量来自于进入常压精馏塔再沸器 E 106 的加压精 馏塔顶甲醇蒸汽的冷凝热 常压精馏塔底部出来的釜液 含有微量的甲醇和有机物 送出界区去 污水生化处理装置 塔中部回收处含有微量甲醇的杂醇 经杂醇油冷却器 冷却后排入杂醇槽后期再做回收精馏 塔顶部有精馏出的乙醇排除经 E 109 乙醇采出冷却器冷却后排入 V 105 乙醇采出槽由 P 107 乙醇采出泵输出储 藏 8 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 2 1 计算参数计算参数 表 2 1 加压下甲醇 水平衡数据表 温 度 t液相中甲醇气相中甲醇温 度 t液相中甲醇气相中甲醇 的摩尔分数的摩尔分数 的摩尔分数的摩尔分数 128 11 01 0133 50 8110 930 128 50 9950 9981340 7940 922 1290 9750 991134 20 7880 920 兰州理工大学石油化工学院毕业设计 第 17 页 129 30 9640 9881350 7610 907 129 50 9560 9851400 6080 824 129 70 9480 9831450 4740 727 1300 9370 9791480 4020 663 130 30 9260 9751500 3560 617 130 50 9180 9721550 2520 492 130 80 9070 9681580 1960 409 1310 9000 9651600 1600 350 131 20 8920 9631650 0770 189 131 50 8820 9591680 0320 083 131 80 8710 954169 70 0070 019 1320 8640 9511700 0030 009 132 50 8460 9441720 00 0 1330 8280 937 表 2 2 甲醇的汽化热 温度 汽化热 kJ kg 温度 汽化热 kJ kg 温度 汽化热 kJ kg 01210 823801084 381160830 2424 201191 1451001029 953180741 901 401163 093120971 3376200633 4628 601127 924140904 7675220470 1776 表 2 3 常压下甲醇 水平衡数据表 温 度 t液相中甲醇气相中甲醇温 度 t液相中甲醇气相中甲醇 的摩尔分数的摩尔分数 的摩尔分数的摩尔分数 1000 00 075 30 400 729 96 40 020 13473 10 500 779 93 50 040 23471 20 600 825 91 20 060 30469 30 700 870 89 30 080 36567 60 800 915 87 70 100 41866 00 900 958 84 40 150 51765 00 950 979 81 70 200 57964 51 01 0 78 00 300 665 兰州理工大学石油化工学院毕业设计 第 18 页 2 2 预精馏塔工艺计算预精馏塔工艺计算 2 2 1 物料衡算物料衡算 预精馏塔的目的是首先对从合成塔过来的粗甲醇进行初步精馏 主要 目的是除去其中的轻馏分 将甲醇作为重组分留在塔底以作为后续塔的进 料 通过后面的加压塔 常压塔和回收塔对甲醇精馏得到精甲醇 因此预 精馏塔的主要产品是轻馏分 所以此塔的物料衡算应取轻馏分的量进行计 算 已知 进料的 30 49kg kmol 32 04kg kmol 18 02kg kmol M 甲醇 M 水 M 进料流量 F 61000kg h 甲醇的质量分率 95 水的质量分率 s w t W 3 72 轻馏分的质量分率 1 11 另有杂醇和乙醇的量较少 这里 t W t W 忽略不计 摩尔分率单位 由于轻馏分的平均分子没法确定 因此通过 对其它组分的摩尔分率计算推出轻馏分的摩尔分率 进料的摩尔流量 61000 30 49 2000 6560kmol h M w F s 甲醇的摩尔分率 95 61000 100 32 2000 6560 0 91 水的摩尔分率 3 72 61000 100 18 2000 6560 0 06 则 1 0 91 0 06 0 03 F x 根据工艺流程图 确定塔顶产品的摩尔流量和塔顶产品组成 D 2117 0588 32 82 64 5051kmol h 0 47 D x 根据物料衡算方程 W 1936 1509kmol h WDF WDF xWxDxF 计算出 2000 6560 0 03 64 505 0 47 1936 1509 0 015 WW xx 由于轻馏分是多种物质的混合物 因此无法得到其物性参数以及轻馏 分与重组分甲醇的平衡数据 所以无法计算对预精馏塔进行物料衡算和能 量横算 以及填料层高度 塔径的计算 但预精馏塔属于本设计第一个塔 设备 也是关键设备之一 所以对预精馏塔的设备参数选取实际现场的数 据 这里给予说明 兰州理工大学石油化工学院毕业设计 第 19 页 2 2 2 全塔高度和塔径的确定全塔高度和塔径的确定 1 填料层高度的确定 精馏段填料选择为 TJW2 型 精馏段填料高度为 3650mm 提馏段填料 选择为 TJH50 型 提馏段填料高度为 11200mm 全塔填料高度为 14850mm 即 14 85m 2 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 2 1 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 3 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 因填料分三段 则需两组液体分布器 确定液体分布器在塔内高度为 1 41m 第二组高度为 1 26 其高度为 1 41 1 26 2 67m 4 塔底空间 塔底空间是指塔底第一块板到塔底切线的距离 对于填料塔而言 塔 底空间是指最后一层填料底线到塔底切线的距离 本设计取塔底空间为 4 4m 5 裙座高度 裙式支座是由座圈 基础环和地脚螺栓座组成 座圈上开有人孔 引 出管孔 排气孔和排污孔 座圈焊固在基础环上 基础环的作用 一是将 载荷传给基础 二是在它的上面焊制地脚螺栓座 地脚螺栓座是由两块筋 板 一块压板和一块垫板组成 地脚螺栓正是通过地脚螺栓座将裙座牢牢 地固定在基础上 裙座高度是指从塔底封头切线到基础环之间的高度 今 以圆柱型裙座为例 可知裙座高度是由塔底封头切线到出料管中心线的高 度 h 和出料管中心线至基础环的高度 H 两部分组成 h 的最小尺寸是由釜 液出口管尺寸决定 H 则应按工艺条件确定 兰州理工大学石油化工学院毕业设计 第 20 页 图图 2 1 塔底裙座结构图塔底裙座结构图 本设计中采用圆柱型裙座 裙座高度选取 7m 6 全塔高度为 全塔高度 塔顶空间 塔内液体分布器高度 塔底空间 裙座高度 填料层高度 H 1 5 2 67 4 4 7 14 85 30 42m 7 塔径 根据现场的数据选取塔径为 2800mm 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 66144 3kg h 甲醇的质量分率 87 水的质量分率 s w t W 13 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 66144 3