年产30万吨粗甲醇精馏工段的设计毕业论文.doc

年产30万吨粗甲醇精馏工段的设计毕业论文目 录第1章 总 论11.1 概述11.1.1意义及作用11.1.2 国内外现状11.1.3 产品性质与特点41.1.4 产品的生产方法概述51.2 设计依据51.3 设计规模61.4 原料及产品规格61.4.1 主要原料规格及技术指标61.4.2 产品规格6第2章 设计方案82.1 工艺原理82.2甲醇精馏工艺论证82.2.1精馏工艺和精馏塔的选择82.2.2单塔精馏工艺82.2.3双塔精馏工艺92.2.4三塔精馏工艺102.2.5双塔与三塔精馏技术比较112.2.6精馏塔的选择122.3工艺流程简述13第3章 工艺设计计算163.1工艺参数163.2 物料衡算的意义和作用173.2.1 物料衡算173.2.2 总物料衡算表203.3热量衡算213.3.1预塔热量衡算233.3.2主塔热量衡算253.3.3常压精馏塔能量衡算273.4热量衡算表31第4章 主要设备的工艺计算及选型324.1理论板数的计算324.1.1常压塔理论塔板计算324.2常压精馏塔主要尺寸的计算344.2.1常压精馏塔设计的主要依据和条件344.2.2初估塔径364.2.3塔内件设计384.2.4塔板流体力学验算414.2.5 负荷性能434.2.6常压塔主要尺寸确定464.3 预精馏塔模拟484.4加压塔模拟504.5塔设备一览表52第5章 附属设备的选择535.1确定物性数据535.2工艺结构尺寸545.3换热器衡算565.3.1热量衡算565.3.2 换热器内流体的流动阻力595.4泵的选型原则605.5各类泵的性能参数625.6泵的计算64参考文献67后记及其他68附图169附图270 II第1章 总 论1.1 概述1.1.1意义及作用目前，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。甲醇是比较好的人工合成蛋白的原料，蛋白转化效率高，发酵速率快，安全无毒性，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。主要应用与精细化工，塑料等领域，用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲胺、硫酸二甲酯等多种有机产品，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，潜在的耗用量将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。1.1.2 国内外现状我国目前甲醇的产量还较低，但今年来发展速度较快，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。目前国内甲醇装置规模普遍较小，且多采用煤头路线，以煤为原料的约占到78%；单位产能投资高，约为国外大型甲醇装置投资的2倍，导致财务费用和折旧费用高。这些都影响成本。据了解，我国有近200家甲醇生产企业，但其中10万吨/年以上的装置却只占20%，最大的甲醇生产装置产能也就是60万吨/年，其余80%都是10万吨/年以下的装置。根据这样的装置格局，业内普遍估计，目前我国甲醇生产成本大约在1400元1800元/吨（约200美元/吨）。一旦出现市场供过于求的局面，国内甲醇价格有可能要下跌到约2000元/吨，甚至更低。这对产能规模小、单位产能投资较高的国内大部分甲醇生产企业来讲会压力剧增。而以中东和中南美洲为代表的国外甲醇装置普遍规模较大。目前国际上最大规模的甲醇装置产能已达到170万吨/年。2008年4月底，沙特甲醇公司170万吨/年的巨型甲醇装置在阿尔朱拜勒投产，使得该公司5套大型甲醇装置的总产能达到480万吨/年。国外企业装置规模大，公用设施分摊投资就少，且采用天然气路线，单位产能投资大幅下降，成本竞争力大为增强。据石油和化工规划院分析，目前国外天然气产地在建的大型甲醇生产装置成本只有6080美元/吨。不仅如此，国外大型甲醇装置多以天然气为原料，采用天然气两段转化或自热转化技术，包括德国鲁奇公司、丹麦托普索公司、英国卜内门化工公司和日本三菱公司等企业的技术。相对煤基甲醇技术，天然气转化技术成熟可靠，转化规模受甲醇规模影响较小，装置紧凑，占地面积小。尽管近年来国际市场天然气价格也在上涨，但国外甲醇生产企业依靠长期供应协议将价格影响因素降至最低。而我国大部分甲醇生产以煤为原料，气化装置规模有限和占地面积大的先天缺陷制约着甲醇生产装置向大型化发展。同时近年来煤炭价格的大幅度上涨对本来还具有一定成本优势的煤基甲醇产生较大影响，再加上煤基甲醇大多建在西部地区，运输费用较高。种种因素进一步削弱了煤基甲醇的价格竞争力。国外大型甲醇装置集中投产后，传统的销售渠道无法消化骤然增多的甲醇。2010年之前，国外甲醇以低价冲击中国市场几无悬念。现实是：国外甲醇生产规模大，技术先进，管理严格，能耗低，产品质量稳定；国内大甲醇装置的产品质量已经达到国际水平，但许多小甲醇或联醇装置产品质量尚不稳定。国内煤基甲醇每吨产品能耗为5060吉焦，耗煤1.6吨左右，耗水2230吨。以天然气为原料生产的甲醇每吨产品能耗约为40吉焦，耗天然气9001150立方米，耗水1620吨。我国小型联醇装置每吨产品耗能则高达70吉焦。而国外大型甲醇装置基本都以天然气为原料，并且每吨产品能耗只有2530吉焦，耗天然气760920立方米，耗水1015吨。另外，由于我国甲醇生产大多采用煤基路线，酸性气体和灰渣排放量较大，需投入较多资金建设环保处理设施。而国外以天然气为原料的大型甲醇装置，基本属于清洁生产，对环境影响较小，环保投入也相应较小。许多业内专家都向记者提到了国内甲醇生产的一个先天不足：我国甲醇生产所需原料煤炭、天然气主要集中在经济较落后、交通不便的西部，而我国甲醇市场消费中心在华东和华南地区。西部甲醇运到华东和华南地区需铁路或公路的长途运输，运输费用最高达400元/吨（约55美元/吨）。甲醇产地与消费地相距较远，导致交通运输成为今后我国甲醇发展的主要瓶颈。而大甲醇装置集中的中东和中南美洲地区，同时也是世界上天然气资源最为丰富的地区，资源地和甲醇生产装置与沿海地区距离较近，生产装置紧靠甲醇装运码头，甲醇产品全部采用海路运输，运输方便。据统计，从中东、中南美洲和澳洲地区将甲醇运到亚洲主港地每吨产品的运费只有25美元左右，运输费用较低。而且，在物流方面，即使条件好的国内甲醇企业也仅有厂内储运和铁路装运设施，国内目前还没有全国性更没有世界性的甲醇中转运输基地，没有甲醇大型专用运输工具。而国外甲醇生产商大多在世界各地建有大型甲醇中转基地和储运设施，拥有自己或长期租用的甲醇运输船队。如果谈到国内甲醇生产的后天不足，业内专家认为主要是目前国内甲醇装置建设大多是独资企业，少有合资合作。这对于动辙投资上百亿元的甲醇及下游产品项目来说，无疑加大了融资难度和投资风险。而国外甲醇装置大多为合资合作建设与运营。一般股东构成包括投资商、专利商、销售商和资源供应商等，且投资商和股东委托专业资产管理公司协助运营。这样便能有效解决融资问题，降低资金成本和投资风险，并在技术、原料供应和产品销售等方面得到保证，最大限度地优化各种生产要素，提高项目竞争力。 尽管我国已成为最主要的甲醇生产国，但目前国内甲醇生产企业还属内向型企业，产品几乎全部面向国内市场，建设项目的市场分析和决策几乎也全部依赖于国内市场，出口量微乎其微，根本无暇顾及到国际市场上的需求和变化。1.1.3 产品性质与特点甲醇是一种无色、透明、易燃、易挥发的有毒液体，略有酒精气味。分子量32.04，相对密度0.792，凝固点-97.8，沸点64.5，闪点12.22，自燃点463.89，蒸气密度1.11，蒸气压13.33kPa(100mmHg 21.2)，蒸气与空气混合物爆炸极限为6.0%-36.5%(体积)。能与水、乙醇、乙醚、苯、酮、卤代烃和许多其他有机溶剂相混溶，遇热、明火或氧化剂易燃烧。甲醇燃烧时无烟，火焰呈蓝色。甲醇化学性质较活泼，具有脂肪族伯醇的一般性质，能发生氧化、酯化、羰基化等化学反应，其连有羟基的碳原子上的三个氢原子均可被一一氧化，或脱氢生成甲醛，再氧化成甲酸，甲酸氧化的最终产物是二氧化碳和水。甲醇不具酸性，同时其分子组成虽有能作为碱性特征的羟基，但也不呈碱性，对酚酞及石蕊均呈中性。试剂甲醇常密封保存在棕色瓶中置于较冷处。甲醇经呼吸道、胃肠道和皮肤吸收可致人中毒。甲醇的健康危害主要是对中枢神经系统有麻醉作用；对视神经和视网膜有特殊选择作用，引起病变；可致代谢性酸中毒。空气中常规允许浓度为5mg/m3。甲醇工业废水经处理才能排放，处理后的甲醇允许含量不应大于200mg/L。在有甲醇蒸汽的现场短时间工作时，要配戴防毒面具、橡皮手套、防护眼镜等安全用具。包装容器应有“易燃液体”、“有毒品”等危险品标志。1.1.4 产品的生产方法概述精馏是将沸点不同的组分所组成的混合液，在精馏塔中，同时多次部分气化和多次部分冷凝，使其分离成纯态组分的过程。其分离的原理如下：对于由沸点不同的组分组成的混合液，加热到一定温度，使其部分气化，并将气相与液相分离。因低沸点组分易于气化，则所得气相中低沸点组分含量高于液相中的含量，而液相中高沸点组分含量，较气相中高。若将气相混合蒸汽再部分冷凝下来，将冷凝液再加热到一定温度，使其部分气化，并将气相与液相分离，则所得气相冷凝液中的低沸点组分又高于原气相冷凝液。如此反复，低沸点组分不断提高。道最后制得接近纯态的低沸点组分。1.2 设计依据根据湖南师范大学下达的任务书，设计题目为以煤为原料生产甲醇的粗甲醇精馏工段的设计（年产30万吨）。主要产品工业甲醇符合标准为GB338-92，年生产时间为330天，年生产能力为30万吨甲醇。参照GB-管道设计标准等相关国家标准，以及化工设备机械基础、化工原理、化工容器及设备简明设计手册、化工设计手册和甲醇工学等图书资料设计。1.3 设计规模 以粗甲醇为生产原料，利用0.6MPa蒸汽和0.2MPa蒸汽为热源，以物理方法，利用各组沸点的原理，并且多次运用汽化和部分冷凝的方法，将粗甲醇中的水、副产品和少量杂质除去，产出最终产品精甲醇。其中生产能力为30万吨甲醇，碱液年耗量较高。甲醇精馏装置设计年运行为330天。1.4 原料及产品规格1.4.1 主要原料规格及技术指标粗甲醇：相对密度：0.82-0.85 甲醇含量：85%-88%精甲醇：甲醇含量：0.9995（质量分数）1.4.2 产品规格甲醇是一种无色、透明、易燃、易挥发的有毒液体，略有酒精气味。分子量32.04，相对密度0.792(20)，凝固点-97.8，沸点64.5，闪点12.22，自燃点463.89，蒸气密度1.11，蒸气压13.33kPa(100mmHg 21.2)，蒸气与空气混合物爆炸极限为6.0%-36.5%(体积)。本产品（精甲醇）执行国家GB33892标准，具体指标见下表表1-1 国家标准甲醇GB338926项 目指标优等品一等品合格品色度（铂钴），号 510密度（200C），g/cm30.7910.7920.7910.793温度范围(0,101325Pa)，沸程（包括64.60.10C）， 64.0-65.50.81.01.5高锰酸钾试验，min 503020水溶性试验澄清水分含量，% 0.100.15酸度（以HCOOH计），% 或碱度（以NH3计），% 0.00150.0030.0050.00020.00080.0015羰基化合物含量（以CH2O计），% 0.0020.0050.01蒸发残渣含量，% 0.0010.0030.0056第2章 设计方案2.1 工艺原理典型的精馏设备是连续精馏装置，包括精馏塔、冷凝器、再沸器等，如图所示。用于精馏的塔设备有两种，即板式塔和填料塔，但常用的是板式塔。连续精馏操作中，原料液连续送到精馏塔内，同时从塔顶和塔底连续得到产品（馏出液、釜底液），所以是一种定态操作过程。2.2甲醇精馏工艺论证 2.2.1精馏工艺和精馏塔的选择甲醇精馏按工艺主要分为三种：双塔精馏工艺技术、带有高锰酸钾反应单塔的精馏工艺技术和三塔精馏工艺技术。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。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，此工艺流程己经很少采用。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。2.2.2单塔精馏工艺I.C.I公司最初实现铜系催化剂低压合成甲醇工艺时，即采用了单塔流程精制粗甲醇，由于粗甲醇中不仅还原性杂质的含量大大减少，而且二甲醚的含量几十倍的降低，因此在取消化学净化的同时，甚至可将预精馏及甲醇水重组分的分离在一台主精馏塔内同时进行，即所谓单塔流程，就能获得一般工业上所需的精甲醇。显然，单塔流程对节约投资和减少热能损耗都是有利的。但是对精甲醇的关键性质量高锰酸钾有严格要求时，往往用单塔流程精制粗甲醇不容易达到，则认为预精馏的作用是不可忽略的。因此，目前工业上均采用双塔流程进行精馏。2.2.3双塔精馏工艺国内中、小甲醇厂大部分都选用双塔精馏工艺传统的主、预精馏塔几乎都选用板式结构。双塔精馏工艺流程见下图。来自合成工段含醇90%的粗甲醇，经减压进入粗甲醇贮槽。经粗甲醇预热器加热到45后进入预精馏塔。甲醇的精馏分2个阶段：先在预塔中脱除轻馏分.主要是二甲醚；后进入主精馏塔，进一步把高沸点的重馏分杂质脱除，主要是水、异丁基油等。从塔顶或侧线采出.经精馏甲醇冷却器冷却至常温后，就可得到纯度在99.9%以上的符合国家指标的精甲醇产品。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。该工艺适合于原料粗甲醇中二甲醚等轻组分、还原性杂质量较低的粗甲醇加工1预精馏塔； 2主精馏塔图2-1 甲醇双塔工艺流程2.2.4三塔精馏工艺近年来，许多企业原有甲醇双塔精馏装置己不能满足企业的需要。随着生产的强化，不仅消耗大幅度上升，而且残液中的甲醇含量也大大超过了工艺指标。对企业的达标排放构成了较大的威胁。 甲醇三塔精馏工艺技术是为了减少甲醇在精馏过程中的损耗，提高甲醇的收率和产品质量而设计的。预精馏塔后的冷凝器采用一级冷凝，用以脱除二甲醚等低沸点的杂质，控制冷凝器气体出口温度在一定范围内。在该温度下，几乎所有的低沸点馏分都为气相，不造成冷凝回流。脱除低沸点组分后，采用加压精馏的方法，提高甲醇气体分压与沸点，减少甲醇的气相挥发，从而提高了甲醇的收率。作为一般要求的精甲醇经加压精馏塔后就可以达到合格的质量。如作为特殊需要，则再经过常压精馏塔的进一步提纯。生产中加压塔和常压塔同时采出精甲醇，常压塔的再沸器热量由加压塔的塔顶气提供，不需要外加热源。粗甲醇预热器的热量由精甲醇提供，也不需要外供热量。因此.该工艺技术生产能力大，节能效果显著，特别适合较大规模的精甲醇生产。1 预精馏塔 2加压精馏塔 3 常压精馏塔图2-2 三塔工艺流程2.2.5双塔与三塔精馏技术比较（1）工艺流程。三塔精馏与双塔精馏在流程上的区别在于三塔精馏采用了2台主精馏塔(其中1台是加压塔)和1台常压塔，较双塔流程多1台加压塔。这样，在同等的生产条件下，降低了主精馏塔的负荷，并目常压塔利用加压塔塔顶的蒸汽冷凝热作为加热源，所以三塔精馏既节约蒸汽，又节省冷却水。（2）蒸汽消耗。在消耗方面,由于常压塔加压塔的蒸汽冷凝热作为加热源，所以三塔精馏的蒸汽消耗相比双塔精馏要低。（3）产品质量。三塔精馏与双塔精馏在产品质量上最大的不同是三塔精馏制取的精甲醇中乙醇含量低，一般小于5010-6,而双塔精馏制取的精甲醇中乙醇含量为40010-650010-6，三塔精馏制取的精甲醇纯度可达99.99%，含有的有机杂质相对较少。（4）设备投资。三塔精馏的流程较双塔精馏流程要复杂，所以在投资方面，同等规模三塔精的设备投资要比双塔精馏高出20%30%。（5）操作方面。由于双塔精馏具有流程简单,运行稳定的特点,所以在操作上较三塔精馏要方便简单。表2-1 双塔精馏与三塔精馏的投资与操作费用比较表项目双塔精馏三塔精馏生产规模t/a1052.51052.5投资100100100113122.3129操作费用1001001006466.771能耗1001001006060.461.2注：投资、操作费用、能耗为相对数通过上述比较可知，虽然三塔精馏技术的一次性投入要比双塔精馏高出20%30%,但是从能源消耗、精甲醇质量上都要优于双塔精馏，特别是能耗低的优点十分突出。随着三塔精馏生产规模的扩大，能耗还有进一步下降的空间。而双塔精馏技术仅在生产规模低于5万t/ a时具有一定得优势。本设计中甲醇产量为20万t/a，远大于5万t/a，综合考虑各项因素，所以设计采用三塔精馏工艺。2.2.6精馏塔的选择精馏塔市粗甲醇精馏工序的关键设备，它直接制约着生产装置的产品质量、消耗、生产能力及对环境的影响。所以要根据企业的实际条件选择合适的高效精馏塔。目前常用的精馏塔主要有四种塔型：泡罩塔，浮阀塔，填料塔和新型垂直筛板塔。其各自结构及特点如下：（1）泡罩塔 泡罩塔十多层板式塔，每层塔板上装有一个活多个炮罩。该类型塔塔板效率高，操作弹性大，塔阻力小，但单位面积的生产能力低，设备体积大，结构复杂，投资较大。该塔已经逐渐被其他塔代替。（2）浮阀塔 浮阀塔的塔板结构与泡罩相似，致使浮阀代替了泡罩及其伸气管。该类型塔板效率高，操作弹性大，操作适应性强，单位面积生产能力大，造价较低。但浮阀易损坏，维修费用高，安装要求高。目前该塔仍被广泛使用，但有使用逐渐减少的趋势。（3）填料塔 填料塔是在塔内装填新型高效填料，如不锈钢网波纹填料，每米填料相当5块以上的理论板。塔总高一般为浮阀塔的一半。该塔生产能力大，压降小，分离效果好，结果简单，维修量极小，相对投资较小，是目前使用较多的塔型之一。（4）新型垂直筛板 新型垂直筛板的传质单元，是由塔板开有升气孔及罩于其上的帽罩组成。该塔传质效率高，传质空间利用率好，处理能力大，操作弹性大，结构简单可靠，投资小，板液面梯度小，液面横向混合好无流动传质死区。综合比较上面四种塔，和我们目前的生产状况以及国内的生产情况，我们选择新型垂直筛板塔是最优选择，目前该塔被广泛使用，该塔传质效率高，传质空间利用率好，处理能力大，操作弹性大，结构简单可靠，投资小，板液面梯度小，液面横向混合好无流动传质死区。2.3工艺流程简述来自甲醇合成装置的粗甲醇（40，0.4MPa），通过预塔进料泵（P0101A,B），经粗甲醇预热器加热至65，进入预精馏塔（T010101），预塔再沸器（E0104）用0.4MPa的低压蒸汽加热，低沸点的杂质如二甲醚等从塔顶排出，冷却分离出水后作为燃料；回收的甲醇液通过预塔回流泵（P0102A,B）作为该塔回流液。预精馏塔（T0101）底部粗甲醇液经加压塔进料泵（P0104A,B）进入加压精馏塔（T0102），加压塔再沸器（E0105）以1.3MPa低压蒸汽作为热源，加压塔塔顶馏出甲醇气体（0.6MPa，122）经常压塔再沸器（E0107）后，甲醇气被冷凝，精甲醇回到加压塔回流槽（V0104），一部分精甲醇经加压塔回流泵（P0103A，B），回到加压精馏塔（T0102）作为回流液，另一部分经加压塔甲醇冷却器（E0106）冷却后进入精甲醇计量槽（V0105A，B）中。加压精馏塔（T0102）塔底釜液（0.6MPa，125）进入常压精馏塔（T0103），进一步精馏。常压塔再沸器（E0107）以加压精馏塔（T0102）塔顶出来的甲醇气作为热源。常压精馏塔（T0103）顶部排出精甲醇气（0.13MPa，67），经常压塔冷凝冷却器（E0103）冷凝冷却后一部分回流到常压精馏塔（T0103），另一部分打到精甲醇计量槽（V0105A，B）内贮存。产品精甲醇由精甲醇泵从精甲醇计量槽（V0105A，B）送至甲醇罐区装置。为防止粗甲醇中含有的甲酸、二氧化碳腐蚀设备，在预塔进料泵（P0101A，B）后的粗甲醇溶液中配入适量的烧碱溶液，用来调节粗甲醇溶液的PH值。甲醇精馏系统各塔排出的不凝气去燃料气系统。由常压精馏塔（T0103）底部排出的精馏残液经废水冷却器冷却至40后，由废水泵送到生化处理装置。由甲醇精馏来的精甲醇贮存到精甲醇贮槽（V0105A，B）中。精甲醇贮槽为两台10000m3的固定顶贮罐，贮存量按15天产量计。当甲醇外运时，启动精甲醇泵，将甲醇输送到甲醇装卸栈台，通过火车鹤管进入火车槽车，通过汽车鹤管进入汽车槽车。甲醇装卸栈台共设有12台火车鹤管和6台汽车鹤管，根据精甲醇泵的能力，至少有三台槽车同时装料。工艺流程图如下2-12-1工艺流程图15第3章 工艺设计计算3.1工艺参数表3-1 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128.11.01.0133.50.8110.930128.50.9950.9981340.7940.9221290.9750.991134.20.7880.920129.30.9640.9881350.7610.907129.50.9560.9851400.6080.824129.70.9480.9831450.4740.7271300.9370.9791480.4020.663130.30.9260.9751500.3560.617130.50.9180.9721550.2520.492130.80.9070.9681580.1960.4091310.9000.9651600.1600.350131.20.8920.9631650.0770.189131.50.8820.9591680.0320.083131.80.8710.954169.70.0070.0191320.8640.9511700.0030.009132.50.8460.9441720.00.01330.8280.937表3-2 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/kg01210.823801084.381160830.2424201191.1451001029.953180741.901401163.093120971.3376200633.4628601127.924140904.7675220470.1776表3-3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1000.00.075.30.400.72996.40.020.13473.10.500.77993.50.040.23471.20.600.82591.20.060.30469.30.700.87089.30.080.36567.60.800.91587.70.100.41866.00.900.95884.40.150.51765.00.950.97981.70.200.57964.51.01.078.00.300.6653.2 物料衡算的意义和作用质量守恒定律在对化工过程进行定量的分析计算中的应用，是建立数学模型的一个重要手段，是化工计算的重要组成部分。物料衡算可以按需要，围绕整个生产过程、生产过程的某一部分、单元操作、反应过程、设备的某一部分或设备的微分单元进行，这种为进行物料衡算所取的生产过程中某一空间范围称为控制体。根据质量守恒定律，通过物料衡算，可以得知进入控制体的物料质量和组成与离开控制体的物料质量和组成之间的关系。3.2.1 物料衡算年产30万吨精甲醇，粗甲醇中含甲醇86.3%，精甲醇中含甲醇99.95%。工作日为330天/年。粗甲醇总量：30000099.95%/(3302486.3%)=43.87吨/时=43870.04kg/h粗甲醇中二甲醚质量含量3.6%，质量为：43870.043.6%=1579.32kg/h甲醇含量86.3%，质量：43870.0486.3%=37859.84kg/h异丁醇含量1.1%，质量：43870.041.1%=482.57kg/h高级醇含量0.31%，质量：43870.040.31%=136.00kg/h水含量8.69%，质量：43870.048.69%=3812.31kg/h计算结果如表3-4所示表3-4 运算结果组分 甲醇 二甲醚 异丁醇 高级醇 水 合计流量kg/h 37859.84 1579.32 482.57 136.00 3812.31 43870.04含量% 86.3 3.6 1.1 0.31 8.69 100(1)预塔物料衡算预塔：碱液入料：浓度为2%时，每顿精甲醇消耗0.811kg的NaOH,则消耗NaOH浓度为92%的流量：0.81137.8692%=28.25kg/h 折合成2% 28.25/2%=1412.41kg/h软水入料：为精甲醇的36%计算 ：37859.8436%=13629.54kg/h初溜物以入塔粗甲醇2%计：43870.042%=877 kg/h预塔进料如表3-5所示。表3-5 预塔进料物料量 甲醇 水 碱 二甲醚 异丁醇 高级醇 合计kg/h 粗甲醇 37859.84 3812.31 1579.32 482.57 136.00 43870.04碱液 1384.16 28.25 1412.41软水 13629.54 13629.54合计 37859.84 18826.01 28.25 1579.32 482.57 136.00 58911.99出料：塔底：甲醇：37859.84kg/h塔底水：粗甲醇含水：3812.31kg/h 碱液带水 ：1412.4198%=1384.16kg/h 补加软水 ：13629.54kg/h 合计 ：18826.01kg/h塔底异丁醇及高沸物：618.57kg/h塔顶二甲醚及低沸物：1579.32kg/h预塔出料如表3-6所示。(2)主塔和常压塔物料衡算主塔：进料：加压塔：预后出甲醇：57332.67kg/h常压塔：57332.67-37859.842/3=32092.78kg/h出料： 加压塔和常压塔的采出量之比为：2:1，常压塔釜液含量甲醇1%加压塔：塔顶精甲醇料量：37859.842/3=25239.89kg/h塔釜：37859.841/3+18826.01+28.25+618.57=32092.78kg/h常压塔：塔顶精甲醇量：37859.841/399%=12493.74kg/h 塔釜：甲醇：37859.841/31%=126.20kg/h水：18826.01 kg/h 碱 ：28.25kg/h 高沸物：618.57kg/h3.2.2 总物料衡算表表3-6 预塔物料衡算表组分进料kg/h馏出液kg/h釜液kg/h甲醇37859.8437859.84水和软水18826.0118826.01碱液28.2528.25二甲醚1579.321579.320异丁醇482.57482.57高级醇136.0136.0合计58911.9957332.67表 3-7 加压塔物料衡算表组分进料液kg/h馏出液kg/h釜底液kg/h甲醇37859.8425239.8912619.95碱液28.2528.25水18826.0118826.01高沸物618.57618.57合计57332.6732092.78表 3-8 常压塔物料衡算表组分进料液kg/h馏出液kg/h釜底液kg/h甲醇12619.9512493.74126.20碱液28.2528.25水18826.0118826.01高沸物618.57618.57合计32092.7819599.043.3热量衡算 1.粗甲醇和碱液入料为65，塔顶甲醇蒸汽温度为65，回流温度为56，排出液温度为75.-进塔物料带入热，-再沸器加热剂带入热，-回流液带入热，-塔釜液带入热，-塔顶上升蒸汽带出热，-热损失，-冷凝器热负荷，-塔顶流出物带出热， 得冷凝器的热负荷查表得：=0.64kcal/kg=2.68=1 kcal/kg=4.18=0.716kcal/kg=2.99=0.63kcal/kg=2.63=0.7kcal/kg=2.93=0.65kcal/kg=2.72 粗甲醇混合比热 =0.8630.64+0.0360.63+0.0110.716+0.00310.7+0.08681 =0.6914 kcal/kg=2.916 kJ/kg 3.3.1预塔热量衡算 带入、带出热量预热后粗甲醇的混合比热=0.64+1+1+0.716+0.7 =0.413+0.006+0.0016+0.0005+0.321+0.014 =0.7561 kJ/kg在计算过程中碱液以水计：(1)带入热量（65）=43870.04+0.691465+1412.41165 =2063368 kcal/h =8624879 kJ/h预热塔回流比取1.0（回流比/出料量），则：回流流量=37859.84+18826.01+28.25+482.57+136.0 =57332.67kg/h其中，加入的蒸汽冷凝液量为13629.54 kg/h，从主塔来的初馏物为877 kg/h，所以被预塔冷凝器冷凝下来的液体为：57332.67-13629.54-877=42826.13 kg/h =13629.54156+42826.130.6556+8770.6456 =2353557 kJ/h待定(2)带出热量（排除残液温度75时）a.=57332.670.575=2149975 kcal/h=8986896 kJ/hb.以入热5%计算，即：=0.05c.塔顶气体组成：则，二甲醚的含量为：3.56%其混合比热为：0.96440.64+0.03560.63=0.64 kcal/kg甲醇的汽化潜热=286 kcal/kg二甲醚在-27.7沸腾，故以气体形式存在于粗甲醇中，受热时解吸，无相变，故不考虑相变。=42826.1328642826.130.6465+1579.320.6365 =14094513 kcal/h=58915065 kJ/h=0.05()+8624879+2353557 =58915065+0.05(+8624879+2353557)+8986896=60497312kJ/h(3)预塔耗蒸汽量计算塔釜蒸汽压力为35kPa，蒸汽潜热为506 kcal/kg（2115 kJ/kg）所以，用蒸汽量为：60497312 /2115=28604kJ/h每吨粗甲醇耗蒸汽量：28604/43.87=652kg/t(4)耗冷水量计算从预塔蒸馏出来的甲醇蒸汽含轻馏分和初馏分。进入预塔冷凝器，通过冷却水量来控制冷却温度，达到分离甲醇轻馏分和初馏分的目的。甲醇初馏物作为回流液返回系统，轻馏分以气体的形式放空。由预热热量衡算可知：=58915065kJ/h =0.05 =1579.320.6365+42826.130.6450+0.0558915065 =4380863 kcal/h=18312006 kJ/h =58915065-18312006 =40603059 kJ/h(5)冷却水用量物料带入热与物料带出热之差，所余热量用水冷却。冷却水进入冷凝器温度为25，出冷却器温度为40，则用水量为：=674t/h每吨粗甲醇耗冷却水量=674/44=15.3 t/h 3.3.2主塔热量衡算(1)带入热量 =114665.340.6456=4109606 kcal/h=17178152 kJ/h=57332.670.73182=3436635 kcal/h=14365134 kJ/h(2)带出热量 =1146665.340.6465+114665.34286+0.6465877 =37600849 kcal/h=157171549 kJ/h=17441.851105=1831394 kcal/h=7655228 kJ/h =0.71680482.57+136801+(2062-482.57-136) 0.6480 =112420 kcal/h=469916 kJ/h =364710.6466=1540519 kcal/h=6439370 kJ/h 以带入热量5%计算，所以：=17178152+14365134+ =157171547+7655228+469916+6439370+ = 求出=148727692 kJ/h (3)主塔耗蒸汽量计算： 由主塔热量衡算可知：=148727692 kJ/h 需0.35MPa蒸汽量：=70320kg/h 每吨粗甲醇耗蒸汽量：70320/43.87=1602kg/t 所以，主、预塔总的蒸汽消耗量为：25065+70320=95382kg/h 主、预塔每顿粗甲醇耗蒸汽量为：1602+571=2173kg/t(4)冷却水用量的计算 冷却水用量包括主塔、冷凝器、精甲醇冷却器以及整个精馏过程用冷却水量计算 主塔冷凝器冷却水用量 从主塔物热图及主塔冷凝器的热物图，主塔冷凝器的换热量为进冷凝器的气体与出冷凝器热量之差。其中不凝性气体，放空，所以计算时和工程损失一起考虑，为总入热5%计：=157171549 kJ/h =17178152+18770.6465+0.051571715494.18 =50063489 kJ/h冷却水用量=1708t/h每吨粗甲醇耗冷却水用量为：1708/43.87=38.9t/h成品精甲醇带入热：=364710.64664.18=6439436 kJ/h 精甲醇带入热：=364710.64404.18=3902689 kJ/h=0.056439436=321972 kJ/h=2214775 kJ/h所需冷水量=35.3t/h每吨粗甲醇耗水量=35.3/43.87=0.81t/h 整个精馏过程中消耗冷却水量：=674+1708+35.3=2417.3t/h 整个精馏过程中每吨消耗冷却水量：=0.81+38.9+15.3=55.01t/h3.3.3常压精馏塔能量衡算查化工工艺设计手册,甲醇露点温度t=74.8175操作条件：塔顶75，塔釜105，进料温度124，回流液温度40，取回流液与进料的比例为2:1。(1)带入热量甲醇带入热量： Q1=126191242.68=4193858.641kJ/h其他物质带入的热量：Q2=19472.831422.68=10286327.72kJ/h回流液带入热量： Q3=212619.95402.68=2678657.86kJ/h加热蒸汽带入热量： Q加热表3-9常压塔入热物料进料回流液加热蒸汽组分甲醇水+碱甲醇流量：kg/h12619.9519472.8324987.48温度：12412440比热：kJ/kg2.684.262.68热量:kJ/h4193858.46110286327.722678657.86Q加热Q入=Q1+Q2+Q3+Q加热=4193858.461+10286327.72+2678657.86+Q加热=17158844.04+ Q加热(2)带出热量 精甲醇带出热量：Q4=12493.74(752.68+1046.75)=15589064.09kJ/h 回流液带出热量：Q5=24987.48(752.68+1046.75)=31178128.17 kJ/h 残夜带出热量： Q6=126.201053.05+19472.831054.187=8607316.117 kJ/h 热损失： Q7=5%Q入表3-10常压塔物料带出热量物料精甲醇回流液 残液热损失组分甲醇甲醇甲醇水+碱流量：kg/h12493.7424987.48126.2019472.83温度：7575105105比热:J/kg2.683.504.187潜热：kJ/kg1046.751046.75热量:kJ/h15589064.0931178128.1746378.58560937.6175%Q入所以：Q出15589064.09+31178128.17+46378.5+8560937.617+5%Q入 =55374508.38+5%Q入因为：Q入= Q出=58288956.19kJ/h所以：Q蒸汽=41130112.15kJ/h已知水蒸气的汽化热为2118.6 kJ/kg所以：需蒸汽G3蒸汽=1