年产10万吨粗甲醇精馏工艺设计样本

1、资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除。TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc31107 摘要3 HYPERLINK l _Toc18716 第1章甲醇合成的基本概念 PAGEREF _Toc18716 4 HYPERLINK l _Toc27635 1.1 甲醇的合成方法 PAGEREF _Toc27635 4 HYPERLINK l _Toc21496 1.常见的合成方法 PAGEREF _Toc21496 4 HYPERLINK l _Toc23040 2.本设计所采用的合成方法 PAGEREF _Toc23040 4 HYPERLINK l _T

2、oc16018 1.2 甲醇的合成路线 PAGEREF _Toc16018 5 HYPERLINK l _Toc23054 1常见的合成工艺 PAGEREF _Toc23054 5 HYPERLINK l _Toc25713 2本设计的合成工艺 PAGEREF _Toc25713 6 HYPERLINK l _Toc17781 1.3合成甲醇的目的和意义 PAGEREF _Toc17781 7 HYPERLINK l _Toc7630 1.4 本设计的主要方法及原理 PAGEREF _Toc7630 8 HYPERLINK l _Toc28356 造气工段: 使用二步法造气 PAGEREF _

3、Toc28356 8 HYPERLINK l _Toc18771 合成工段 PAGEREF _Toc18771 8 HYPERLINK l _Toc32517 第2章生产工艺及主要设备计算 PAGEREF _Toc32517 10 HYPERLINK l _Toc17595 2.1 甲醇生产的物料平衡计算 PAGEREF _Toc17595 10 HYPERLINK l _Toc23138 2.1.2 粗甲醇精馏的物料平衡计算 PAGEREF _Toc23138 19 HYPERLINK l _Toc21379 2.2 甲醇生产的能量平衡计算 PAGEREF _Toc21379 23 HYPE

4、RLINK l _Toc11920 2.2.1 合成塔能量计算 PAGEREF _Toc11920 23 HYPERLINK l _Toc11275 2.2.2 常压精馏塔能量衡算 PAGEREF _Toc11275 25 HYPERLINK l _Toc8680 2.3.1 常压精馏塔计算 PAGEREF _Toc8680 28 HYPERLINK l _Toc26326 2.3.2 初估塔径 PAGEREF _Toc26326 30 HYPERLINK l _Toc4135 2.3.3 理论板数的计算 PAGEREF _Toc4135 32 HYPERLINK l _Toc10453 2.

5、3.4 塔内件设计 PAGEREF _Toc10453 34 HYPERLINK l _Toc27161 2.3.5 塔板流体力学验算 PAGEREF _Toc27161 37 HYPERLINK l _Toc26836 2.3.6 塔板负荷性能 PAGEREF _Toc26836 39 HYPERLINK l _Toc14275 2.3.7 常压塔主要尺寸确定 PAGEREF _Toc14275 41 HYPERLINK l _Toc29059 2.3.8 辅助设备 PAGEREF _Toc29059 44 HYPERLINK l _Toc30926 参考文献 PAGEREF _Toc309

6、26 45 HYPERLINK l _Toc3260 致 谢 PAGEREF _Toc3260 46 摘要甲醇作为及其重要的有机化工原料, 是碳一化学工业的基础产品, 在国民经济中占有重要地位。长期以来, 甲醇都是被作为农药, 医药, 染料等行业的工业原料, 但随着科技的进步与发展, 甲醇将被应用于越来越多的领域。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(20/4), 熔点-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

7、混合物爆炸下限 636.5 % , 能与水、 乙醇、 乙醚、 苯、 酮、 卤代烃和许多其它有机溶剂相混溶, 遇热、 明火或氧化剂易燃烧。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。中国的甲醇工业经过十几年的发展, 生产能力得到了很大提高。1991年, 中国的生产能力仅为70万吨, 截止 底, 中国甲醇产能已达740万吨, 117家生产企业共生产甲醇440.65万吨, 甲醇产量达到500万吨, 比 增

8、长22.2%, 进口量99.1万吨, 因此下降3.1%。 于上世纪末相比, 现在新建甲醇规模超过百万吨的已不再少数。在 新建的14套甲醇装置中平均规模为134万t/a, 其中卡塔尔二期工程项目高达230万t/a。最小规模的是智利甲醇项目, 产能也达84万t/a, 一些上世纪末还称得上经济规模的60万t/a装置因失去竞争力而纷纷关闭。 大型甲醇生产装置必须具备与其规模相适应的甲醇反应器和反应技术。传统甲醇合成反应器有ICI的冷激型反应器, Lungi的管壳式反应器, Topsdpe的径向流动反应器等, 近期出现的新合成甲醇反应器有日本东洋工程的MRF-Z反应器等, 而反应技术方面则出现了Lurg

9、i推出的水冷一气冷相结合的新流程。 一般的甲醇合成工艺中, 未反应气体需循环返回反应器, 而KPT则提出将未反应气体送往膜分离器, 并将气体分为富含氢气的气体, 前者作燃料用, 后者返回反应器。 传统甲醇合成采用气相工艺, 不足之处是原料单程转化率低, 合成气净化成本高, 能耗高。相比之下, 液相合成由于使用了比热容高, 导热系数大的长链烷烃化合物作反应介质, 可使甲醇合成在等温条件下进行。关键词: 设计 工艺 合成 第1章甲醇合成的基本概念1.1 甲醇的合成方法 1.常见的合成方法 当今甲醇生产技术主要采用中压法和低压法两种工艺, 而且以低压法为主, 这两种方法生产的甲醇约占世界甲醇产量的8

10、0%以上。高压法: (19.6-29.4Mpa)是最初生产甲醇的方法, 采用锌铬催化剂, 反应温度360-400, 压力19.6-29.4Mpa。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: (5.0-8.0 Mpa)是20世纪60年代后期发展起来的甲醇合成技术, 低压法基于高活性的铜基催化剂, 其活性明显高于锌铬催化剂, 反应温度低(240-270)。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, 改进了甲醇质量, 降低了原料消耗。另外, 由于压力低, 动力消耗降低很多, 工艺设备制造容易。中压

11、法: (9.8-12.0 Mpa)随着甲醇工业的大型化, 如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。中压法仍采用高活性的铜基催化剂, 反应温度与低压法相同, 但由于提高了压力, 相应的动力消耗略有增加。当前, 甲醇的生产方法还主要有甲烷直接氧化法: 2CH4+O22CH3OH.由一氧化碳和氢气合成甲醇, 液化石油气氧化法 2.本设计所采用的合成方法比较以上三者的优缺点, 以投资成本, 生产成本, 产品收率为依据, 选择中压法为生产甲醇的工艺, 用CO和H2在加热压力下, 在催化剂作用下合成甲醇, 其主要反应式为: CO+ H2CH3OH

12、1.2 甲醇的合成路线1常见的合成工艺 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有很大的潜力, 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, 采用三相流化床, 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好的热稳定性和化学稳定性。既是

13、催化剂的硫化介质, 又是反应热吸收介质, 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极理想的液相介质。CO和H2在该液相中的气液平衡常数很大, 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; 由于介质的存在改进了反应器

14、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, 可达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。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NaOH-RONa-M(OAc)2,其中M代表过渡金属Ni,P

15、d或Co,R为低碳烷基, 当M为Ni, R为叔戊烷基时催化剂性能最好, 液相介质为四氢呋喃, 反应温度为80-120, 压力为2MPa左右, 合成气单程转化率高于80%, 甲醇选择性高达96%。当该催化剂与第族金属的羰基络合物混合使用时, 能得到更好的效果, 她能激活CO, 并有较好的耐硫性, 当合成气中还有167010-6的H2S时, 其甲醇产率仍达33%。Mahajan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 当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

16、温度低, 反应热不易回收利用; CO2和H2O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CO2和H2O, 还需进一步研究。 (3) 新型GSSTFR和RSIPR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。GSSTFR是指气-液-固滴流流动反应系统, CO和H2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, 并滴流带出反应系统。RSIPR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, 然后再将四甘醇二甲醚中的甲醇分离出来。这样

17、合成甲醇反应不断向右进行, CO的单程转化率可达100%, 气相反应物不循环。这项新工艺仍处在研究之中, 尚未投入工业生产, 还有许多技术问题需要解决和完善。2本设计的合成工艺经过净化的原料气, 经预热加压, 于5 Mpa、 220 下, 从上到下进入Lurgi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2-2。甲醇的合成是可逆放热反应, 为使反应达到较高的转化率, 应迅速移走反应热, 本设计采用Lurgi管壳式反应器, 管程走反应气, 壳程走4MPa的沸腾水合成塔合成塔水冷器甲醇分离塔循环器粗甲醇驰放气

18、图1-1合成合序配置原则甲醇合成的工艺流程( 图) 这个流程是德国Lurgi公司开发的甲醇合成工艺, 流程采用管壳式反应器, 催化剂装在管内, 反应热由管间沸腾水放走, 并副产高压蒸汽, 甲醇合成原料在离心式透平压缩机内加压到5.2 MPa (以1: 5的比例混合) 循环, 混合气体在进反应器前先与反应后气体换热, 升温到220 左右, 然后进入管壳式反应器反应, 反应热传给壳程中的水, 产生的蒸汽进入汽包, 出塔气温度约为 250 , 含甲醇7%左右, 经过换热冷却到40 , 冷凝的粗甲醇经分离器分离。分离粗甲醇后的气体适当放空, 控制系统中的惰性气体含量。这部分空气作为燃料, 大部分气体进

19、入透平压缩机加压返回合成塔, 合成塔副产的蒸汽及外部补充的高压蒸汽一起进入过热器加热到50 , 带动透平压缩机, 透平后的低压蒸汽作为甲醇精馏工段所需热源。1.3合成甲醇的目的和意义 甲醇是极为重要的有机化工原料, 在化工、 医药、 轻工、 纺织及运输等行业都有广泛的应用, 其衍生物产品发展前景广阔。当前甲醇的深加工产品已达120多种, 中国以甲醇为原料的一次加工产品已有近30种。在化工生产中, 甲醇可用于制造甲醛、 醋酸、 氯甲烷、 甲胺、 甲基叔丁基醚( MTBE) 、 聚乙烯醇( PVA) 、 硫酸二甲酯、 对苯二甲酸二甲酯( DMT) 、 二甲醚、 丙烯酸甲酯、 甲基丙烯酸甲醇等。以甲

20、醇为中间体的煤基化学品深加工产业: 从甲醇出发生产煤基化学品是未来C1化工发展的重要方向。比如神华集团发展以甲醇为中间体的煤基化学品深加工, 利用先进成熟技术, 发展”甲醇醋酸及其衍生物”; 利用国外开发成功的MTO或MTP先进技术, 发展”甲醇烯烃及衍生物”的2大系列。作为替代燃料: 近几年, 汽车工业在中国获得了飞速发展, 随之带来能源供应问题。石油作为及其重要的能源储量是有限的, 而甲醇燃料以其安全、 廉价、 燃烧充分, 利用率高、 环保的众多优点, 替代汽油已经成为车用燃料的发展方向之一。中国政府已充分认识到发展车用替代燃料的重要性, 并开展了这方面的工作。随着C1化工的发展, 由甲醇

21、为原料合成乙二醇、 乙醛和乙醇等工艺正日益受到重视。甲醇作为重要原料在敌百虫、 甲基对硫磷和多菌灵等农药生产中, 在医药、 染料、 塑料和合成纤维等工业中都有着重要的地位。甲醇还可经生物发酵生成甲醇蛋白, 用作饲料添加剂, 有着广阔的应用前景。1.4 本设计的主要方法及原理 造气工段: 使用二步法造气 CH4+H2O(气)CO+3H2-205.85 kJ/mol CH4+O2CO2+2H2+109.45 kJ/mol CH4+O2CO+2H2+35.6 kJ/mol CH4+2O2CO2+2H2O+802.3 kJ/mol合成工段5MPa下铜基催化剂作用下发生一系列反应 主反应 : CO+2H

22、2CH3OH+102.37 kJ/kmol副反应: 2CO+4H2(CH3O)2+H2O+200.3 kJ/kmol CO+3H2CH4+ H2O+115.69 kJ/kmol 4CO+8H2C4H9OH+3H2O+49.62 kJ/kmol(A) CO+H2CO +H2O-42.92 kJ/kmol除( A) 外, 副反应的发生, 都增大了CO的消耗量, 降低了产率, 故应尽量减少副反应。反应热力学一氧化碳加氢合成甲醇的反应式为 CO+2H2CH3OH(g)这是一个可逆放热反应, 热效应。 当合成气中有CO2时, 也可合成甲醇。 CO2 + 3H2 CH3OH(g) + H2O这也是一个可逆

23、放热反应, 热效应合成法反应机理 本反应采用铜基催化剂, 5 MPa, 250 H2+22H CO+HHCOHCO+H H2COH2CO+2HCH3OH+3CH3OH CH3OH+反应为, 控制。即吸附控制。第2章生产工艺及主要设备计算工艺计算作为化工工艺设计, 工艺管道, 设备的选择及生产管理, 工艺条件选择的主要依据, 对平衡原料, 产品质量, 选择最佳工艺条件, 确定操作控制指标, 合理利用生产的废料, 废气, 废热都有重要作用。2.1 甲醇生产的物料平衡计算2.1.1 合成塔物料平衡计算已知: 年产100000吨精甲醇, 每年以300个工作日计。精甲醇中甲醇含量(wt): 99.95%

24、粗甲醇组成(wt): Lurgi低压合成工艺甲醇: 93.89%轻组分以二甲醚(CH3)2O计: 0.188%重组分以异丁醇C4H9OH计: 0.026%水: 5.896%因此: 时产精甲醇: Kg/h 时产粗甲醇: Kg/h根据粗甲醇组分, 算得各组分的生成量为: 甲醇(32): Kg/h 434.03kmol/h 9722.22 Nm3/h二甲醚(46): 27.796 Kg/h 0.604 kmol/h 13.536 Nm3/h异丁醇(74): 3.844 Kg/h 0.052 kmol/h 1.164 Nm3/h水(18): 871.74 Kg/h 48.43 kmol/h 1048.

25、84 Nm3/h合成甲醇的化学反应为: 主反应: CO+2H2CH3OH+102.37 KJ/mol 副反应: 2CO+4H2(CH3)2O+H2O+200.39 KJ/mol CO+3H2CH4+H2O+115.69 KJ/mol 4CO+8H2C4H9OH+3H2O+49.62 KJ/mol CO2+H2CO+ H2O-42.92 KJ/mol 生产中, 测得每生产1吨粗甲醇生成甲烷7.56 Nm3,即0.34 kmol, 故CH4每小时生成量为: 7.5614.78533=111.777 Nm3, 即4.987 kmol/h, 79.794 Kg/h。忽略原料气带入份, 根据、 、 得反

26、应生成的水的量为: 48.43-0.604-0.05203-4.987=42.683 kmol/h, 即在CO逆变换中生成的H2O为42.683 kmol/h, 即956.13 Nm3/h。5.06 MPa, 40表2-1 5.06Mpa, 40时气体在甲醇中的溶解度组分H2COCO2N2ArCH4溶解度Nm3/t甲醇00.6823.4160.3410.3580.682Nm3/h01.0085.5010.5040.5291.008 甲醇生产技术及进展华东工学院出版社.1990据测定: 35 时液态甲醇中释放CO、 CO2、 H2等混合气中每立方米含37.14 g甲醇, 假定溶解气全部释放, 则

27、甲醇扩散损失为: (1.008+5.501+0.504+0.529+1.008)= 0.318 kg/h即0.0099kmol/h, 0.223 Nm3/h。根据以上计算, 则粗甲醇生产消耗量及生产量及组成列表2-2。 表2-2 甲醇生产消耗和生成物量及组成消耗方式单位消耗物料量生成物料量合计COH2CO2N2CH4CH3OHC4H9OH(CH3)2OH2O消耗生成式434.03式式式0.052式气体溶解扩散损失合计消耗组成生成质量生成组成设新鲜气量为G新鲜气,驰放气为新鲜气的9%1。表2-3驰放气组成组分H2COCO2CH4N2ArCH3OHH2OMol%79.316.293.504.793

28、.192.300.610.01 甲醇生产技术及进展华东工学院出版社.1990G新鲜气G消耗气+G驰放气=G消耗气+0.09 G新鲜气=59821.42+0.09 G新鲜气 因此: G新鲜气65737.82 Nm3/h新鲜气组成见表2-4表2-4甲醇合成新鲜气组成组分H2COCO2N2总计Nm344499.2519168.452047.083.2965737.82组成mol%67.69229.1593.1440.005100测得: 甲醇合成塔出塔气中含甲醇7.12%。根椐表2-2、 表2-4, 设出塔气量为G出塔。又知醇后气中含醇0.61%。因此: =7.12% G醇后=G新鲜-(G醇G副G扩)

29、+GCH4= 65737.82-59821.42+112.785=6029.185 Nm3/h因此: G出塔272460.95Nm3/hG循环气= G出塔-G醇后-G生成+GCH4-G溶解=272460.95-6029.185-20686.502+112.785-7.571 =245850.477Nm3/h甲醇生产循环气量及组成见表2-5表2-5 甲醇生产循环气量及组成组分COCO2H2N2CH4ArCH3OHH2O合计流量: Nm3/h15463.998604.767194984.017842.6311776.245654.5611499.6924.585245850.477组成%(V)6.

30、293.5079.313.194.792.300.610.01100G入塔= G循环气+G新鲜气=245850.477+65737.82=311588.297 Nm3/h由表2-4及表2-5得到表2-6。 表2-6 甲醇生产入塔气流量及组成单位: Nm3/h组分COCO2H2N2CH4ArCH3OHH2O合计流量: Nm3/h34894.7710668.78239349.677808.40311721.955627.2851492.5124.927311588.297组成(V)%11.1993.42476.8162.5063.7621.8060.4790.008100又由G出塔= G循环气-G

31、消耗G生成据表2-2、 2-6、 得表2-7。表2-7 组分入塔消耗生成出塔组成(V)甲醇分离器出口气体和液体产品的流量、 组成见表2-8。 表2-8甲醇分离器出口气体组成、 流量: 单位: Nm3/h组分COCO2H2N2CH4ArCH3OHC4H9OH(CH3)2OH2O合计损失出气组成(V)%出液组成mol%重量kg组成(wt)%甲醇驰放气流量及组成见表2-9。 表2-9 甲醇驰放气流量及组成组成COCO2H2CH4ArCH3OHH2O合计流量: Nm3/h190.117105.789397.166144.77996.41918.437微2925.707组成: (V)%6.493.618

32、1.924.953.300.63100粗甲醇贮罐气流量及组成风表2-10。 表2-10 贮罐气组成、 流量组成COCO2H2CH4ArCH3OHN2合计流量: Nm3/h1.0085.05101.0080.5290.2110.5048.311组成: (V)%12.12960.774012.1296.3652.5396.064100由表2-2到表2-10可得表2-11。 表2-11甲醇生产物料平衡汇总表组分新鲜气循环气入塔气出塔气醇后气流量组成流量组成流量组成流量组成流量组成Nm3(v)%Nm3(v)%Nm3(v)%Nm3(v)%Nm3(v)%CO19168.4929.15915463.9956

33、.2934894.7711.19917145.496.293881.2828.108CO22047.083.1448604.7673.5010668.783.4248751.2033.21295.1073.033H244499.2567.692194984.01379.31239349.6776.816198114.47572.7152045.99865.257N23.290.0057842.633.197808.4032.5067805.7892.8651.0860.035Ar5654.5612.305627.2851.8065626.1622.065CH411776.2384.791172

34、1.9523.76211941.634.383112.7853.597CH3OH1499.6880.611492.5080.47920853.587.654C4H9OH2.3220.001(CH3)2O27.060.01H2O24.5850.0124.9270.0082185.0760.802微量/合计65718.11100245850.474100311588.295100272452.7871003135.308100甲醇合成塔分离器贮 甲醇合成塔分离器贮 罐冷 凝1.新鲜气 3.循环气 2.入塔气 6.驰放气 5.醇后气 7.粗甲醇2.1.2 粗甲醇精馏的物料平衡计算预塔的物料平衡(1)

35、.进料A.粗甲醇: 28688.3kg/h。根据以上计算列表2表2-12组分甲醇二甲醚异丁醇水合计流量: kg/h27751.3455.567.70873.6328688.3组成: (wt)%93.8050.0260.1885.981100 B.碱液: 据资料, 碱液浓度为8%时, 每吨粗甲醇消耗0.1 kg的NaOH。则消耗纯NaOH: 0.128688.32.869 kg换成8%为: =35.863 kg/h C.软水: 据资料记载。软水加入量为精甲醇的20%计, 则需补加软水: 27751.3420%-35.863(1-8%)=5515.122 kg/h据以上计算列表2-13。表2-13

36、 预塔进料及组成物料量: kg/hCH3OHH2ONaOH(CH3)2OC4H9OH合计粗甲醇27751.34873.6355.567.7028688.3碱液32.9942.86935.863软水5515.1225515.122合计27751.346421.7462.86955.567.7034239.215(2).出料A.塔底。甲醇: 27751.34 kg/h B.塔底水。粗甲醇含水: 873.63kg 碱液带水: 32.994 kg 补加软水: 5515.122 kg 合计: 6421.746kg C.塔底异丁醇及高沸物: 7.70 kg D.塔顶二甲醚及低沸物: 55.56 kg由以上

37、计算列表2-14。 表2-14预塔出料流量及组成物料量: kg/hCH3OHH2ONaOH(CH3)2OC4H9OH合计塔顶55.5655.56塔底27751.346421.7462.8697.7034183.655合计27751.346421.7462.86955.567.7034239.2152 主塔的物料平衡计算(1).进料加压塔。预后粗甲醇: 34183.655 kg/h常压塔。34183.655-27751.342/3=15682.76 kg/h(2).出料加压塔和常压塔的采出量之比为2:1, 常压塔釜液含甲醇1%。加压塔。塔顶: 27751.342/3=18500.89kg/h 塔

38、釜: 15682.76kg常压塔。塔顶: 27751.341/399%=9157.94 kg/h 塔釜: 甲醇 水 NaOH 高沸物 kg/h: 92.5 6421.746 2.869 7.70 总出料: 由以上计算。得表2-15甲醇精馏塔物料平衡汇总表: 单位: kg/h 18500.89+6421.746+2.869+7.70+92.5+9157.94=34183.645得表2-15 甲醇精馏塔物料平衡汇总物料物料加压塔顶出料常压塔顶出料常压塔釜出料合计甲醇27751.3418500.899157.9492.527751.34NaOH2.8692.8692.869水6421.7466421

39、.7466421.746高沸物7.707.707.70合计34175.95518500.899157.946524.81534175.955根椐计算结果可画出粗甲精馏物流图, 见图2-2。预精馏塔加压精馏塔常压精馏塔 4.预塔顶出料 6.加压塔顶出料预精馏塔加压精馏塔常压精馏塔1.粗甲醇2.软水3.碱液 5.预塔底出料 8.常压塔釜出料 图2-2 粗甲醇精馏物流图2.2 甲醇生产的能量平衡计算2.2.1 合成塔能量计算已知: 合成塔入塔气为220 , 出塔气为250 , 热损失以5%计, 壳层走4MPa的沸水。查化工工艺设计手册得, 4 MPa下水的气化潜热为409.7 kmol/kg, 即1

40、715.00 kJ/kg, 密度799.0 kg/m3, 水蒸气密度为19.18 kg/m3, 温度为250 。入塔气热容见4-16。 表2-165MPa, 220下入塔气除(CH3OH)热容组分COCO2H2N2ArCH4合计流量: Nm334894.7710668.78239349.677808.4035627.28511721.95310070.86比热: kJ/kmol30.1545.9529.3430.3521.4147.05/热量: kJ/23580.6510987.99157396.595312.062700.6912360.21212338.19查得220时甲醇的焓值为4224

41、8.46 kJ/kmol, 流量为749.391 Nm3。因此: Q入=42248.46+212338.19220=2815007.35+46714401.8 =49529409.15 kJ出塔气热容除(CH3OH)见表4-17。 表2-17 5MPa, 220下出塔气除(CH3OH)热容组分COCO2H2N2ArCH4C4H9OH(CH3)2OH2O合计流量: Nm317145.498751.203198114.487805.7895626.16211941.632.32227.062185.08251599.207比热: kJ/kmol30.1346.5829.3930.4121.3648

42、.39170.9795.8583.49/热量: kJ/11579.359138.40130521.965321.882694.3912951.538.9059.714088.59176365.71查得250时甲醇的焓值为46883.2 kJ/kmol, 流量为10471.692 Nm3。因此: Q出=46883.2+176365.71250=21917251.36+44091421.5 =66008672.86 kJ由反应式得:Q反应=102.37+200.39+115.69+49.62+(-42.92) 1000 =(88862.60+242.08+577.30+5.14-2130.80)1

43、000 =87556320 kJ Q热损失=(Q入Q反应) 5%=(49529409.15+87556320) 5%=6854286.46 kJ因此: 壳程热水带走热量 Q传 = Q入 + Q反应 - Q出 - Q热 =49529409.15+8755.86-6854286.46 =64222769.83 kJ又: Q传=G热水r热水因此:G热水=37447.89 kg/h即时产蒸气: =1952.45m32.2.2 常压精馏塔能量衡算 Xf=0.448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

44、例为4:1。.带入热量见表2-18。表2-18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/h9259.9146730.3163960.896温度: 12412440比热: kJ/kg2.684.262.68热量:kg/h3077254.623555218.966856608.06Q加热Q入=Q进料+Q回流液+Q加热=3077254.62+3555218.96+6856608.06+Q加热=13489081.64+ Q加热 .带出热量见表2-19。表2-19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/h9157.9463960.89692.

45、56730.31温度: 7575105105比热: kJ/kg2.682.683.504.187潜热: kJ/kg1046.751046.75热量:kg/h11426819.6446331674.0434030.52958879.845%Q入因此: Q出11426819.6446331674.0434030.529588879.845%Q入 =60751404.02+5%Q入因为: Q出Q入因此: Q入= Q出=63948846.34kJ/h因此: Q蒸汽=50459764.7kJ/h已知水蒸气的汽化热为2118.6 kJ/kg因此: 需蒸汽G3蒸汽=23817.5 kg/h常压精馏塔常压精馏

46、塔甲醇蒸汽75 40水 回流甲醇 加压塔底液体 40 30水 120 甲醇蒸汽 40 115 冷凝液 残液105 甲醇115 图2-3常压塔物流图.冷却水用量计算对热流体: Q入Q产品精甲醇+Q回流液=11426819.64+46331674.04 =57758493.68kJ/hQ出 = Q精甲醇(液)+Q回流液(液)=9157.94402.68+6856608.06=7838339.228kJ/h Q传 =57758493.68(1-5%)-7838339.228=47032229.77kJ/h因此: 冷却水用量G3水=1123.3 t水/h因此: 每吨精甲醇消耗G3水=40.44t水/t

47、精甲醇.常压塔精馏段热量平衡见表2-20。 表2-20 精馏段热量平衡表带入热量: kJ/h带出热量: kJ/h加压塔来的甲醇: 3077254.62采出热量精甲醇: 11426819.64塔底供热: 50459764.7内回流: g内(672.68+1046.75)内回流: g内(672.68)总入热: 53537019.32+179.56g内总出热: 11426819.64+1226.31g内因此: 总入热=总出热因此: 53537019.32+179.56g内=11426819.64+1226.31g内因此: g内=40229.47 kg/h.常压塔提馏段热量平衡见表2-21。 表2-2

48、1提馏段热量平衡表带入热量: kJ/h带出热量: kJ/h加压塔来的甲醇: 3555218.96残液: 2992910.34塔底供热: 50459764.7内回流: g内(672.68+1046.75)内回流: g内(672.68)总入热: 54014983.66+179.56 g内总出热: 2992910.34+1226.31g内因为: Q总入热+Q总出热即: 54014983.66+179.56 g内=2992910.34+1226.31g内因此: g内=48743.32kg/h 2.3 主要设备计算及选型设备是化工工艺运作的载体, 选择合适的设备, 对于提高生产率, 降低原料, 能是的消

49、耗有着重要的作用。2.3.1 常压精馏塔计算条件: .精甲醇质量: 精甲醇含醇: 99.95%(wt) 残液含醇: 1%(wt) .操作条件: 塔顶压力: 0.01106 Pa 塔底压力: 0.13106 Pa 塔顶温度: 67 塔底温度: 105 回流液温度: 40 进料温度: 124 .精馏段 平均温度: (124+67)=95.5 平均压力: (0.13106-0.01106) 0.01106=99.6 KPa 表2-22精馏段物料流率物料质量流量: kg/h分子量: kg/kmol摩尔流量: kmol/h内回流40229.47321257.17标准状况下的体积: V0=1257.172

50、2.4=28160.63Nm3/h操作状况下的体积: V1=28160.63=19122.47m气体负荷: Vn=5.312m3/s气体密度: =2.104 kg/ m3查化工工艺设计手册, 95.5时甲醇的密度=721 kg/m3液体负荷: Ln=0.0155m3/h.提馏段 平均温度: (105+124)=114.5 入料压力: (0.13106-0.01106)=89.6 kPa 平均压力: (89.6103+0.13106)=109.8 kPa 表2-23 提馏段内回流量物料质量流量: kg/h分子量: kg/kmol摩尔流量: kmol/h内回流48743.32321523.23标准

51、状况下的体积: =1523.2322.4=34120.32 Nm3/h操作状态下的体积: =34120.32=23292.9 Nm3/h因此: 气体负荷: Vm=6.47 m3/s气体密度: =2.093kg/m3查得进料状态甲醇溶液温度124, 含甲醇55.7%, 密度为0.83 t/m3。塔底含醇1%, 可近似为纯水, 105, 0.13Mpa下水的密度为939.41 kg/m3。因此: 液体平均密度=893.21 kg/m3则液体负荷Lm=0.01516m3/s2.3.2 初估塔径本设计采用F1重阀浮阀塔, 设全塔选用标准结构, 板间距HT=0.35 m, 溢流堰高hc=0.05 m。

52、.精馏段求操作负荷系数C精馏段功能参数: ()=() =0.054塔板间有效高度H0=HT-HC =0.35-0.05=0.30m查斯密斯图甲醇工学化工工学出版社。得负荷系数: G=0.0515。又查得95.5时, 甲醇的表面张力为: 15.8710-5 N/cm 水的表面张力为: 68.8710-5 N/cm精馏段甲醇水溶液的平均组成为: 甲醇: (0.9995+0.579)=0.7893 wt则含水为: 1-0.7893=0.2107 wt因此表面张力: =0.789315.8710-5+0.210768.8710-5 =27.0410-5 N/cm因此: C= =0.0485.最大流速U

53、maxUmax=1.3C=1.30.0485=1.69 mU适=0.7Umax=1.690.7=1.183 m/s求塔径D D=2.39 m .提馏段求操作负荷系数C 提馏段功能参数: ( ) =()=0.0484查斯密斯图得G=0.0524又得114.5时, 甲醇表面张力为: 14.1310-5 N/cm水的表面张力为: 57.0610-5 N/cm提馏段甲醇水混合平均组成: 甲醇: (0.01+0.579)=0.295水: 1-0.295=0.705平均表面张力: =0.29514.1310-5+0.70557.0610-5=44.4010-5 N/cm因此: C= =0.0447求提馏段

54、Umaxmax=1.3C=1.30.0447=1.199 m适=0.7max=0.71.199=0.839 m/s求塔径=2.93 m对全塔, 取塔径D=3000 mm2.3.3 理论板数的计算 .各点的甲醇摩尔分数, 设加压塔后甲醇的甲醇摩尔人率为Xf。Xf=0.437精甲醇中甲醇的摩尔分率Xd。Xd=0.999残液中甲醇的摩尔分率Xw。Xw=0.0057 .处理能力F= =102.93 kmol/h精馏段物料量: D精=F=102.93 =44.697 kmol/h提馏段物料量: D提=F=102.93 =55.185 kmol/h .平均挥发度: 查得124时, 甲醇的饱和蒸汽压P*CH

55、3OH=705.38 Kpa水的饱和蒸汽压P*H2O=229.47 Kpa105时, 甲醇的饱和蒸汽压P*CH3 水的饱和蒸汽压P*H2O=123.18 Kpa由=得: 124时, 124=3.074105时, 105=3.565平均挥发度: =3.310 .求最小理论塔板数Nm: 因为: Xd=0.999, Xw=0.0057; Xd1=0.001Xw1=0.9943; 根椐芬斯克公式: Nm= =10.06块 .求最小回流比各组分参数列表组分进料组成Xi,F釜液组成Xi,Di水0.5630.99433.565甲醇0.4370.00573.074用恩德伍德公式计算: =Rm+1=1-q因为:

56、 为露点进料因此: q=1=0=+用试差法求出: =3.254, 代入: =Rm+1=+故: Rm=10.32操作回流比R=1.5Rm=1.510.30=15.45则=0.356 .求实际理论板数查吉利兰图得: =0.356则: =0.356因此: N16.17块 .计算板效率求平均相对挥发度与平均粘度的积(、 )塔顶塔底平均温度为: (105+67)=8686时: =0.32510-3 PaS =0.335410-3 PaS则: = Xf+ (1-Xf)=0.32510-30.437+0.335410-3(1-0.437)=0.330910-3 PaS因此: =0.330910-33.310

57、=1.097310-3 PaS查板效率与关联图得: N=15.05板效率: E=49*=因此实际板数为: =34.85块2.3.4 塔内件设计 .溢流堰设计塔板上的堰是为了保持塔板上有一定的清液层高度, 若过高则雾沫夹带严重, 过低气液接触时间短, 都会降低板效。根椐经验, 取清液层高度hc=0.05, 本设计选用单溢流弓形降液管, 不设进口堰。堰长取Lw=0.8D=0.83000=2400 mm堰高: hw=hl-how采用平直堰, 堰上液层高度how how=E() (a)提馏段及精馏段计算结果如下: 精馏段提馏段溢流强度i, i=L/Lw,m3/(h.m)i=23.25i=22.74i=

58、5-25适合要求适合要求求E, 由(L/Lw2.5查图=6.25=6.12E=1.015E=1.011堰上液层高度howHow=1.01523.252/3How=1.01122.742/3由(a)计算=0.02348=0.02305堰高Hw=0.05-0.02348=0.02652Hw=0.02695圆整到Hw=0.027Hw=0.027 .降液管设计Lw=2400mm, =0.8查阅代工原理(下)天津科学技术出版社, 得到: =0.2, =0.15Wd降液管弓形宽度mAf降液管弓形面积m2AT塔截面积m2Wd=0.23.000=0.6mAT=D2=3.14(3.000)2=7.065 m2A

59、f=7.0650.15=1.0598 m降液管容积与液体流量之比为液体在降液管中的停锱时间t, 一般大于5S, 即: t=精馏段: t=23.935S提馏段: t=24.475S故降液管底隙高度H0, 对弓形降液管, 管口面积等于底隙面积, 即有: H0=, 取=0.2 m/s则: 精馏段: H0=0.0323 m提馏段: H0=0.0316 m .塔板布置及浮阀数目与排列: 取阀孔动能因子F0=13.5,计算如下: 精馏段提馏段U0=U0=9.307U0=9.311每层浮阀数N=N=N=433=527取边缘高度Wl=0.0泡沫区宽度Ws=0.考虑到塔的直较大, 必须采用分块式塔盘, 取=85

60、mm, 按=95 mm, =85 mm以等腰三角形顺排。排得阀数为530个, 按N=530个重新换算F, 计算结果如下: 精馏段提馏段U0=9.297m/s=9.304m/sF0=U09.297=13.499.304=13.46阀孔动能因素变化不大, 仍在9-12之间。塔板开孔率: =8.04%2.3.5 塔板流体力学验算 .气相经过浮阀塔的压降 Hp=Hc+Hl+H干板阻力精馏段提馏段Uoc=1.825Uoc=6.987m/sUoc=6.207m/s因为U0UocU0UocHc=5.34Hc=5.34Hc=5.34=0.069=0.055 .板上充气液层阻力。取充气系数0=0.5 hl=1h