畢業(yè)設計（論文）50萬噸年甲醇精餾系統(tǒng)設計

1、摘 要 甲醇最早由木材和木質(zhì)素干餾制的，故俗稱木醇，這是最簡單的飽和 脂肪組醇類的代表物。無色、透明、高度揮發(fā)、易燃液體。略有酒精氣味。 分子式 c-h4-o。近年來，世界甲醇的生產(chǎn)能力發(fā)展速度較快。甲醇工業(yè)的 迅速發(fā)展，是由于甲醇是多種有機產(chǎn)品的基本原料和重要的溶劑，廣泛用 于有機合成、染料、醫(yī)藥、涂料和國防等工業(yè)。由甲醇轉(zhuǎn)化為汽油方法的 研究成果，從而開辟了由煤轉(zhuǎn)換為汽車燃料的途徑。近年來碳一化學工業(yè) 的發(fā)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樹脂等產(chǎn)品，正在研究開發(fā)和工業(yè)化中。 甲醇化工已成為化學工業(yè)中一個重要的領域。 本設計選擇了以

2、50 萬 t/a 甲醇精餾的產(chǎn)量作為生產(chǎn)計算與設計的任務， 參考了河南永城永煤集團龍宇煤化工甲醇廠甲醇精餾的工藝，本設計從工 藝角度對其生產(chǎn)過程和主要設備進行了物料衡算、塔設備簡捷法計算、熱 量衡算、換熱器設計等工藝計算。 目目 錄錄 1 總總 論論.1 1.1 概況.1 1.1.1 甲醇的性質(zhì)和用途.1 1.1.2 甲醇精餾工藝技術(shù)比較.4 1.1.3 甲醇精餾工藝的概況.7 1.4 甲醇精餾工藝流程說明.18 1.4.1 預精餾系統(tǒng).18 1.4.2 加壓精餾系統(tǒng).18 1.4.4 回收精餾系統(tǒng).19 2.甲醇精餾生產(chǎn)工藝設計及計算甲醇精餾生產(chǎn)工藝設計及計算.20 2.3 精餾塔工藝計算3

3、.23 2.3.1 物料衡算.23 2.3.2 熱量衡算3.26 2.3.3 理論塔板數(shù)計算7.28 2.3.4 精餾塔主要尺寸的設計計算.29 2.3.5 填料的選擇.34 2.3.6 塔徑設計的計算.34 2.3.7 填料層高度的計算.36 2.3.8 全塔高度的確定5.37 2.5 回收精餾塔工藝計算.55 2.5.1 物料衡算.55 2.5.2 熱量衡算3.58 2.5.3 理論塔板數(shù)計算7.60 2.5.4 精餾塔主要尺寸的設計計算.62 2.5.5 填料的選擇.67 2.5.6 塔徑設計的計算.68 2.5.7 填料層高度的計算.69 2.5.8 全塔高度的確定.70 2.5.9

4、筒體的厚度和封頭的厚度確定.72 參考文獻參考文獻.82 致致 謝謝.84 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 1 頁 1.1.1 甲醇的性質(zhì)和用途甲醇的性質(zhì)和用途 甲醇性質(zhì)甲醇性質(zhì) 甲醇（methanol，methylalcohol）又名木醇，木酒精，甲基氫氧化物，是一種最簡單 的飽和醇。化學分子式為 ch3oh，結(jié)構(gòu)式如下： h | h-c-oh | h 分子結(jié)構(gòu)：c 原子以 sp3 雜化軌道成鍵，0 原子以 sp3 雜化軌道成鍵。分子為極性分子。 最早從木材干餾得到故又稱木醇或木精。甲醇是無色有酒精氣味易揮發(fā)的液體。熔點- 93.9、沸點 64.7、密度 0.7914 克/厘米

5、 3（20） 、能溶于水和許多有機溶劑。甲醇 有毒，誤飲 510 毫升能雙目失明，大量飲用會導致死亡。禁酒的國家，把甲醇摻入 酒精中成變性酒精，使其不能飲用。甲醇易燃，其蒸氣與空氣能形成爆炸混合物，甲 醇完全燃燒生成二氧化碳和水蒸氣，同時放出熱量：2ch3oh+3o2=2co2+4h2o。 工業(yè)上用一氧化碳和氫氣的混合氣（合成氣）在一定的條件下制備甲醇：甲醇可 用做溶劑和燃料，也是一種化工原料，主要用于生產(chǎn)甲醛（hcho）：工業(yè)酒精里含 有甲醇，但是工業(yè)酒精的主要成分還是乙醇。 甲醇有較強的毒性，對人體的神經(jīng)系統(tǒng)和血液系統(tǒng)影響最大，它經(jīng)消 化道、呼吸道或皮膚攝入都會產(chǎn)生毒性反應，甲醇蒸氣能損害

6、人的呼吸道 粘膜和視力。急性中毒癥狀有：頭疼、惡心、胃痛、疲倦、視力模糊以至 失明，繼而呼吸困難，最終導致呼吸中樞麻痹而死亡。慢性中毒反應為： 眩暈、昏睡、頭痛、耳鳴、現(xiàn)力減退、消化障礙。甲醇攝入量超過 4 克就 會出現(xiàn)中毒反應，誤服一小杯超過 10 克就能造成雙目失明，飲入量大造成 死亡。致死量為 30 毫升以上，甲醇在體內(nèi)不易排出,會發(fā)生蓄積，在體內(nèi) 氧化生成甲醛和甲酸也都有毒性。在甲醇生產(chǎn)工廠，中國有關部門規(guī)定， 空氣中允許甲醇濃度為 5mg/m3，在有甲醇氣的現(xiàn)場工作須戴防毒面具，廢 水要處理后才能排放，允許含量小于 200mgl 甲醇的中毒機理是，甲醇經(jīng)人體代謝產(chǎn)生甲醛和甲酸（俗稱蟻

7、酸） ，然 后對人體產(chǎn)生傷害。常見的癥狀是，先是產(chǎn)生喝醉的感覺，數(shù)小時后頭痛， 惡心，嘔吐，以及視線模糊。嚴重者會失明，乃至喪命。失明的原因是， 甲醇的代謝產(chǎn)物甲酸會累積在眼睛部位，破壞視覺神經(jīng)細胞。腦神經(jīng)也會 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 2 頁 受到破壞，產(chǎn)生永久性損害。甲酸進入血液后，會使組織酸性越來越強， 損害腎臟導致腎衰竭。 甲醇中毒，通?？梢杂靡掖冀舛痉?。其原理是，甲醇本身無毒，而代 謝產(chǎn)物有毒，因此可以通過抑制代謝的方法來解毒。甲醇和乙醇在人體的 代謝都是同一種酶，而這種酶和乙醇更具親和力。因此，甲醇中毒者，可 以通過飲用烈性酒（酒精度通常在 60 度以上）的方式

8、來緩解甲醇代謝，進 而使之排出體外。而甲醇已經(jīng)代謝產(chǎn)生的甲酸，可以通過服用小蘇打（碳 酸氫鈉）的方式來中和。 甲醇用途甲醇用途 目前，甲醇在有機合成工業(yè)中，是僅次于烯烴和芳烴的重要基礎有機 原料。隨著技術(shù)的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的改變，甲醇又開辟了許多新的用途。 甲醇是較好的人工合成蛋白的原料，蛋白轉(zhuǎn)化率較高，發(fā)酵速度快，無毒 性，價格便宜。甲醇用途廣泛，是基礎的有機化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料。主要 應用于精細化工，塑料等領域，用來制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫 酸二甲脂等多種有機產(chǎn)品，也是農(nóng)藥、醫(yī)藥的重要原料之一。甲醇在深加 工后可作為一種新型清潔燃料，也加入汽油摻燒。甲醇是容易輸送的清潔 燃料，可以單獨

9、或與汽油混合作為汽車燃料，用它作為汽油添加劑可起節(jié) 約芳烴，提高辛烷值的作用，汽車制造也將成為耗用甲醇的巨大部門，甲 醇的消費已超過其傳統(tǒng)用途，潛在的耗用量遠遠超過其化工用途，滲透到 國民經(jīng)濟的各個部門。特別是隨著能源結(jié)構(gòu)的改變，甲醇有未來主要燃料 的候補燃料之稱，需用量十分巨大1。 我國目前甲醇的產(chǎn)量還較低，但近年來發(fā)展速度較快，近五年來甲醇 的生產(chǎn)規(guī)模有了突飛猛進的發(fā)展。從我國能源結(jié)構(gòu)出發(fā)，甲醇由煤制的技 術(shù)已經(jīng)成熟，近幾年由煤制甲醇的工藝已經(jīng)全面工業(yè)化生產(chǎn)，將來在我國 甲醇有希望替代石油燃料和石油化工的原料，蘊藏著潛在的巨大市場。我 國甲醇工業(yè)無疑將迅速發(fā)展起來13。 1.1.3 甲醇精

10、餾工藝的概況甲醇精餾工藝的概況 1、工序任務 甲醇精餾是甲醇合成的下游工序，其目的就是對合成裝置來的粗甲醇 進行精制，將甲醇中的雜質(zhì)進行脫除，以生產(chǎn)符合標準的優(yōu)等級精甲醇產(chǎn)品。 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 3 頁 2、裝置工藝特點 目前，總體來說甲醇精餾的工藝大體可分為兩塔工藝流程和三塔工藝 流程，根據(jù)塔內(nèi)件的不同可分為塔盤精餾、填料精餾和復合型精餾。 本甲醇精餾裝置采用的是以規(guī)整填料為塔內(nèi)件的三塔精餾工藝，精餾 用汽為低壓蒸汽。各塔再沸器蒸汽冷凝液用作粗甲醇預熱器熱源，以節(jié)約 能量。另外為了減少甲醇的損失，增加了一個塔,以對污水中的甲醇進行回 收處理，故現(xiàn)在一般叫 3+1

11、塔工藝流程。 精餾的主要設備是精餾塔，而塔的內(nèi)件是實現(xiàn)氣液接觸和熱質(zhì)傳遞的 主要元件，常用的塔內(nèi)件分塔盤和填料兩種。填料是最早使用的塔內(nèi)件， 當初使用在小塔徑的塔里，由于其設計、制造、安裝難度不大，應用十分 廣泛。隨著化學工業(yè)的發(fā)展，精餾塔的內(nèi)徑越來越大，于是氣液分布不均 問題顯得突出，效率大幅下降，直徑大于 2 米的塔的效率已相當?shù)?，溝?和邊界效應嚴重，為解決這些問題，人們開發(fā)了板式塔，但是板式塔的結(jié) 構(gòu)復雜、制造和安裝精度要求高，因而人們又加緊了對填料塔放大技術(shù)的 攻關，在解決了氣液分布等問題后，大型裝置又開始使用填料塔。目前的 填料分為散堆填料和規(guī)整填料。設計的甲醇精制采用的是規(guī)整填料

12、精餾工 藝技術(shù)，該技術(shù)的好壞取決于氣液接觸程度，即取決于液體在填料表面分 布的均勻程度，氣體的分布較容易，液體分布均勻很難，故液體分布器是 填料塔的一個關鍵部件，它是決定著填料塔的放大效應。采用槽式液體分 布器和槽-盤式液體分布器可以較好地解決抗堵、防夾帶等問題，壓降小、 負荷彈性大。 采用規(guī)整填料為塔內(nèi)件的 3+1 塔精餾工藝，其特點是： 1、精甲醇產(chǎn)品的質(zhì)量好，甲醇回收率高； 2、能耗低。比兩塔工藝減少蒸汽消耗約 30%左右； 3、操作的靈敏性比板式塔好，但其穩(wěn)定性不如板式塔好； 4、采取了萃取精餾和共沸精餾工藝，有效解決了微量難分離組分的脫 除問題； 5、分離效率高，操作彈性大，生產(chǎn)能力

13、大。 1.4 甲醇精餾工藝流程說明 1.4.1 預精餾系統(tǒng)預精餾系統(tǒng) 來自甲醇合成裝置的粗甲醇（40、0.5mpaa） ，首先進入粗甲醇預熱 器 e-15501 的管程，被殼程的低壓蒸汽冷凝液加熱到 70左右，然后進入 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 4 頁 預精餾塔 c-15501 的上部。 預精餾塔 c-15501 頂部出來的氣相，首先進入預精餾塔一級冷凝器 e- 15506 的殼程，物料被管程的循環(huán)冷卻水冷卻到 67.5,冷卻下來的液體進 入預精餾塔回流槽 t-15501 中；從預精餾塔一級冷凝器 e-15506 出來的氣 體進入預精餾塔二級冷凝器 e-15515 的殼程，

14、物料被管程的循環(huán)冷卻水冷 卻到 40左右,冷凝下來的液體進入萃取槽 t15508 中，經(jīng)工藝水萃取后， 甲醇水溶液進入預精餾塔回流槽 t-15501 中，萃取出來的物料去雜醇油罐； 二級冷凝器中出來的帶有甲醇的不凝氣，進排放槽 t15506 中，用水洗滌其 中的甲醇后，不凝氣去放空總管。 回流槽 t-15501 中的甲醇溶液，經(jīng)預精餾塔回流泵送入預精餾塔 c- 15501 的頂部作回流液。預精餾塔塔釜的預后甲醇經(jīng)液位控制后去加壓精餾 塔進一步精餾。 低壓蒸汽和加壓精餾塔來的低壓蒸汽冷凝液，分別進入預精餾塔 c- 15501 的再沸器 e-15510 和 e-15514，對管程的介質(zhì)進行加熱來為

15、預精餾塔 精餾提供熱量，然后蒸汽冷凝液去 e-15501 加熱粗甲醇。 為了防止粗甲醇中的酸性物質(zhì)對管道和設備造成腐蝕，向粗甲醇中加 入少量 5%左右的 naoh 溶液，將粗甲醇的 ph 值控制在 7.58 左右。 1.4.2 加壓精餾系統(tǒng)加壓精餾系統(tǒng) 預精餾塔出來的預后甲醇，經(jīng)加壓精餾塔給料泵加壓后，進入加壓精 餾塔進料/釜液換熱器 e-15513 的管程，被殼程介質(zhì)加熱到泡點后，進入加 壓精餾塔 c-15502 的下部，塔頂出來的甲醇蒸汽進入冷凝器/再沸器 e- 15507 的殼程，被管程的介質(zhì)冷凝后進入加壓精餾塔回流槽 t-15502，回流 槽中出來的冷凝液甲醇，部分經(jīng)加壓精餾塔回流泵加

16、壓后進入加壓精餾塔 頂作回流液，其余的甲醇液進入加壓精餾塔精甲醇冷卻器 e-15502 的殼程， 被管程的循環(huán)冷卻水冷卻到 40后，去中間罐區(qū)的精甲醇計量罐（或粗甲 醇儲罐） 。出加壓精餾塔釜液去常壓精餾塔繼續(xù)精餾。 低壓蒸汽進入加壓精餾塔再沸器 e-15511，為加壓精餾塔精餾提供熱量， 被冷凝后的低壓蒸汽冷凝液，去 e-15501 繼續(xù)作加熱介質(zhì)用。 1.4.4 回收精餾系統(tǒng)回收精餾系統(tǒng) 常壓精餾塔底出來的廢水，含有 2%左右的甲醇，經(jīng)回收精餾塔進料泵 加壓后，進入回收精餾塔 c-15504，塔頂出來的氣相，進回收精餾塔冷凝器 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 5 頁 e-15

17、509 的殼程，被管程的循環(huán)冷卻水冷卻到 45左右，進入回流槽 t- 15504，回流槽出來的液體經(jīng)回收精餾塔回流泵加壓后，部分進回收精餾塔 頂部作回流液，其余去中間罐區(qū)的雜醇油儲罐。 低壓蒸汽進入回收精餾塔再沸器 e-15516 的殼程，加熱管程介質(zhì)后為 回收精餾塔精餾提供熱量。蒸汽冷凝液去 e-15501。 回收精餾塔底出來的釜液，含有微量的甲醇和有機物，經(jīng)廢水冷卻器 e-15512 中的循環(huán)冷卻水冷卻到 60左右后，送出界區(qū)去污水生化處理裝 置。 2.甲醇精餾生產(chǎn)工藝設計及計算 2.3 加壓精餾塔工藝計算3 2.3.1 物料衡算物料衡算 已知： =30.23kg/kmol =32.04k

18、g/kmol =18.02kg/kmol m 甲醇 m 水 m 進料流量 f=73734.6kg/h 甲醇的質(zhì)量分率 =87% 水的質(zhì)量分率 s w t w =13% 另外還有乙醇和雜醇的量較小，這里忽略不計。摩爾分率單位：% t w 進料的摩爾流量 =73734.6/30.23=2439.1201kmol/h m w f s 甲醇的摩爾分率 =（8773734.6/100）/32）/2439.1201=0.82 f x d=966.2289kmol/h w=1552.1203kmol/h =0.67 w x 根據(jù)物料衡算方程 wdf wdf xwxdxf 計算出 2439.12010.82=

19、966.2289+1552.12030.67=0.994 d x d x 進料溫度（1000kpa） 107.2，取泡點進料 q=1 f t f t 塔頂溫度為128.1 d t 在107.2溫度下，根據(jù)安托因公式計算出甲醇和水的飽和蒸汽壓，注： f t 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 6 頁 水的安托因常數(shù)為 a=7.1827，b=1722.632，c=232.79874。 ct b ap lg 式中 -飽和蒸汽壓，kpa； p t-物系溫度，。 代入數(shù)據(jù)得，水的飽和蒸汽壓=130.652kpa。 b p 甲醇的安托因常數(shù)為 a=18.5875，b=3626.55，c=-34.

20、29 ct b ap ln 式中 -飽和蒸汽壓，mmhg； p t-物系溫度，k。 代入數(shù)據(jù)得，甲醇的飽和蒸汽壓=442.77 kpa. a p 回流比確定 由甲醇-水的平衡數(shù)據(jù)繪制 x-y 圖 用作圖法求最小回流比 min r 由于進料為泡點進料 q=1，所以畫 q 線與平衡線交點，用交點坐標 x,y 求最 小回流比 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 7 頁 圖 2-2 作圖法求最小回流比 3.39 b a p p 652.130 77.442 0.5319 8205818.933 5818.933994 min qq qd xy yx r 操作回流比可取為最小回流比的 1.12

21、.0 倍，所以取 1.20.5319=0.6383 min 2 . 1 rr 所以，回流比確定為0.6383r 0.6383966.2289=617.0337kmol/hdrl 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 8 頁 617.0337+12439.1201=3056.1538kmol/hfqll 1583.2626kmol/hvv 表 2-4 物料衡算表 物料流量（kmol/h）組成物料物流 （kmol/h） 精餾段上升 蒸汽量 v 1583.2626 提餾段上升 蒸汽量 v 1583.2626 精餾段下降 液體量 l 617.0337 提餾段下降 進料 f 2439.1201

22、甲醇 0.820 水 0.18 塔頂產(chǎn)品 d 966.2289 甲醇 0.994 水 0.006 塔底殘液 w 1552.1203 甲醇 0.67 水 0.33液體量 l 3056.1538 2.3.2 熱量衡算熱量衡算3 1.加熱介質(zhì)和冷卻劑的選擇 加熱介質(zhì)的選擇 常用的加熱劑有飽和水蒸汽和煙道氣。飽和水蒸汽是一種應用最廣的 加熱劑。由于飽和水蒸汽冷凝時的傳熱膜系數(shù)很高，可以通過改變蒸汽的 壓力準確地控制加熱溫度。燃料燃燒所排放的煙道氣溫度可達 1001000， 適用于高溫加熱。缺點是煙道氣的比熱容及傳熱膜系數(shù)很低，加熱溫度控 制困難。本設計選用 0.7mpa（溫度為 180）的低壓蒸汽作為

23、加熱介質(zhì)， 水蒸汽易獲得、清潔、不易腐蝕加熱管，不但成本會相應降低，塔結(jié)構(gòu)也 不復雜。 冷卻劑的選擇 常用的冷卻劑是水和空氣，應因地制宜加以選用。受當?shù)貧鉁叵拗疲?卻水一般為 1035.如需冷卻到較低溫度，則需采用低溫介質(zhì)，如冷凍鹽 水、氟利昂等。 本設計建廠地區(qū)為永城。永城市夏季最熱月份日平均氣溫為 32。故選 用 32的冷卻水,選升溫 10，即冷卻水的出口溫度為 42. 根據(jù)資料所提供的數(shù)據(jù)，=128.1，=134.2 d t w t 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 9 頁 注：下標 1 為甲醇，下標 2 為水。 2.冷凝器的熱負荷 冷凝器的熱負荷 ldvdc iivq 其

24、中 -塔頂上升蒸汽的焓 vd i -塔頂餾出液的焓 ld i 對于全凝器作熱量衡算（忽略熱量損失） 因塔頂餾出液幾乎為純甲醇，故其焓可近似按純甲醇進行計算，則全 凝器的熱負荷為（塔頂溫度為 128.1下，甲醇的汽化熱為 953.4809kj/kg） 953.48091583.262632.04=4.84107 kj/h c q 128.1下，水的比熱容為 d tckgkjcpc /265 . 4 1134818.29 kg/h 12 ttc q w pc c c 3242265 . 4 1084 . 4 7 3.再沸器的熱負荷和加熱蒸汽消耗量 在=134.2下，甲醇的汽化熱為 1025.26k

25、j/kg，水的汽化熱為 w t 2254.24 kj/kg 選用 0.7mpa（700kpa，180）低壓蒸汽為加熱介質(zhì) 再沸器的熱負荷為 lwvwb iivq 因釜殘液幾乎為水，故其焓可按純水進行計算，即 2254.2418.02=40621.40kj/kmol blwvw rii 則 1583.262640621.40=6.43107 kj/h b q 加熱蒸汽消耗量為 12 ttc q w pc c c 由附錄查得 p 為 700kpa 時水的汽化熱為 2071.5 kj/kg。則 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 10 頁 31040.31kg/h 5 . 2071 104

26、3 . 6 7 r q w b h 2.3.3 理論塔板數(shù)計算理論塔板數(shù)計算7 由于本次設計時的相對揮發(fā)度是變化的，所以不能用簡捷法求得，應 用圖解法。 精餾段操作線方程為 11 r x x r r y d 截距 0.6067 16383 . 0 994 . 0 1r xd 連接（，） ， （0，）與 q 線交于 d 點，連接（，）與 d 點， d x d x 1r xd w x w x 得到提餾段操作線、然后，由平衡線與操作線可得精餾塔理論板數(shù)，但由 于極小，利用作圖法畫出理論板數(shù)，如圖所示，梯級數(shù)為 12 塊。 w x 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 11 頁 圖 2-3 加

27、壓塔求理論塔板數(shù)的圖解法 塔頂溫度下：=804.252kpa =130.652kpa a p b p 804.252/130.652=6.156 b a d p p 塔底溫度下：=945.304kpa =308.248kpa a p b p 945.304/308.248=3.067 b a w p p 全塔平均揮發(fā)度：4.345 wdm 因為塔底設有再沸器，所以精餾塔理論板數(shù)要比梯級數(shù)少 1，所以精餾 塔理論板數(shù)為 11 塊，精餾段為 10 塊，提餾段為 1 塊。 2.3.4 精餾塔主要尺寸的設計計算精餾塔主要尺寸的設計計算 1.精餾塔設計的主要依據(jù)和條件 表 2-5 水在不同溫度下的密度

28、溫度/60708090100110 密度/(g/ cm3)0.98320.97780.97180.96530.95840.9510 表 2-6 甲醇在不同溫度下的密度 溫度/102030405060 密度/(g/ cm3)0.80080.79150.78250.77400.76500.7555 表 2-7 水在不同溫度下的黏度 溫度/8090100110120130 黏度/smpa0.35650.31650.28380.25890.23730.2177 表 2-8 甲醇在不同溫度下的黏度 溫度/10152065.3171.8698.52 黏度/smpa0.6860.6380.5910.3320

29、.2950.225 用內(nèi)插法可以計算出水和甲醇在塔頂、塔底和進料溫度下的密度和黏度 舉例： 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 12 頁 0.9691 g/ cm3 水 水 9718 . 0 80 1 . 84 9718 . 0 9653 . 0 8090 0.2648 水 水 5229 . 0 53 1 . 84 5229 . 0 5146 . 0 5354 smpa 表 2-9 水和甲醇在不同溫度下的密度 溫度/128.1 d t134.2 w t107.2 f t 水密度/(g/ cm3)0.93760.93310.9531 甲醇密度/(g/ cm3)0.69080.68510

30、.7107 表 2-10 水和甲醇在不同溫度下的黏度 溫度/128.1 d t134.2 w t107.2 f t 水黏度/()smpa0.22140.20990.2624 甲醇黏度/()smpa0.14730.13130.2022 2.塔頂條件下的流量和物性參數(shù) 32.040.994+18.02（1-0.994）=31.96kg/kmol dd xmxmm1 21 31.961583.2626=50601.07kg/hvmv1 31.96617.0337=19720.4kg/hlml1 0.994=0.993，=0.007 d x 1 a 2 a 1.4450cm3/g 2 2 1 1 1

31、aa l 9376 . 0 007 . 0 6908 . 0 993 . 0 所以 0.6920 g/ cm3=692.0 kg/ m3 l 0.9707 kg/ m3 1 . 12815.273314 . 8 96.31325.101 rt mp v 0.22140.994+0.1473（1-0.994） ddl xx1 21 =0.2210smpa 塔頂出料口質(zhì)量流量：d=966.228931.96=30880.68 kg/h 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 13 頁 表 2-11 塔頂部數(shù)據(jù)結(jié)果表 符 號 kmolkg m / 3 /mkg v 3 /mkg l smpa

32、l hkmolhkg d /摩爾質(zhì)量 流量 數(shù) 值 31.960.9707692.00.221030880.68966.2289 3.塔底條件下的流量和物性參數(shù) 32.040.67+18.02(1-0.67)=27.42kg/kmol ww xmxmm1 21 0.8204 kg/ m3 2 . 13415.273314 . 8 42.27325.101 rt mp v 由于=0.67=0.78，=0.22 w x 1 a 2 a 1.3743cm3/g 2 2 1 1 1 aa l 9331 . 0 22 . 0 6851 . 0 78 . 0 所以 0.7276 g/ cm3=727.6k

33、g/ m3 l 0.13130.67+0.2099（1-0.67） wwl xx1 21 =0.1573smpa 27.421583.2626=43413.06kg/h 3 vmv 27.423056.1538=83799.74kg/h 3 lml 塔底質(zhì)量流量：w=1552.120327.42=42559.1386kg/h 表 2-12 塔底部數(shù)據(jù)結(jié)果表 符 號 kmolkg m / 3 /mkg v 3 /mkg l smpa l hkmolhkg w /摩爾質(zhì)量 流量 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 14 頁 數(shù) 值 27.420.8204727.60.157342559.

34、12861552.1203 4.進料條件下的流量和物性參數(shù) 32.040.82+18.02(1-0.82)=28.44 kg/kmol ff xmxmm1 21 0.9113 kg/ m3 2 . 10715.273314 . 8 44.28325.101 rt mp v 由于=0.82=0.87，=0.13 f x 1 a 2 a 1.3605 cm3/g 2 2 1 1 1 aa l 9531 . 0 13 . 0 7107 . 0 87 . 0 所以 0.7350 g/ cm3=735.0 kg/ m3 l 1583.262628.44=45027.99kg/h 2 2 vv 精餾段：2

35、8.44617.0337=17548.44kg/hlml2 提餾段：28.443056.1538=86917.01kg/h 2 lml 0.20220.82+0.2624(1-0.82)=0.1973 ffl xx1 21 smpa 進料質(zhì)量流量：f= 42823kg/h 表 2-13 進料數(shù)據(jù)結(jié)果表 符 號 kmolkg m / 3 /mkg v 3 /mkg l smpa l hkmolhkg f /摩爾質(zhì)量 流量 數(shù) 值 28.440.9113735.00.197373734.62439.1201 5.精餾段的流量和物性參數(shù) 0.941 kg/ m3 2 9113 . 0 9707. 0

36、 2 21 vv v 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 15 頁 713.5kg/ m3 2 0 . 735 0 . 692 2 21 ll l 47814.53kg/h 2 99.4502707.50601 2 21 vv v 18634.42 kg/h 2 44.17548 4 . 19720 2 21 ll l 0.2092 2 1973 . 0 2210 . 0 2 lfld l smpa 6.提餾段的流量和物性參數(shù) 0.8659kg/ m3 2 8204 . 0 9113 . 0 2 32 vv v 731.3 kg/ m3 2 6 . 727 0 . 735 2 32

37、ll l 44220.83 kg/h 2 66.4341399.45027 2 3 2 vv v 85358.38 kg/h 2 74.8379901.86917 2 3 2 ll l 0.1773 2 1973 . 0 1573 . 0 2 lflw l smpa 7.體積流量 塔頂：14.48m3/s 36009707 . 0 07.50601 1 1 1 v s v v 塔底：14.699m3/s 36008204 . 0 06.43413 3 3 3 v s v v 進料： 13.725m3/s 36009113 . 0 99.45027 2 2 2 v s v v 精餾段： 14.1

38、02m3/s 2 725.1348.14 2 21ss s vv v 提餾段：14.212m3/s 2 699.14725.13 2 32 ss s vv v 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 16 頁 表 2-14 精餾段、提餾段數(shù)據(jù)結(jié)果表 精餾段提餾段 氣相密度 3 / mkg v 0.94100.8659 液相密度 3 / mkg l 713.5731.3 氣相摩爾流量 1 / hkmol1583.26261583.2626 氣相質(zhì)量流量 1 / hkg47814.5344220.83 液相黏度/smpa0.20920.1773 液相摩爾流量 1 / hkmol617.033

39、73056.1538 液相質(zhì)量流量 1 / hkg18634.4285358.38 2.3.5 填料的選擇填料的選擇 填料是填料塔的核心構(gòu)件，它提供了氣液兩相接觸傳質(zhì)與傳熱的表面， 與塔內(nèi)件一起決定了填料塔的性質(zhì)。目前，填料的開發(fā)與應用仍是沿著散 裝填料與規(guī)整填料兩個方面進行。 本設計選用規(guī)整填料，規(guī)整填料是一種在塔內(nèi)按均勻幾何圖形排布、 整齊堆砌的填料，規(guī)定了氣液流路，改善了溝流和壁流現(xiàn)象，壓降可以很 小，同時還可以提供更大的比表面積，在同等溶劑中可以達到更高的傳質(zhì)、 傳熱效果。 與散裝填料相比，規(guī)整填料結(jié)構(gòu)均勻、規(guī)則、有對稱性，當與散裝填 料有相同的比表面積時，填料空隙率更大，具有更大的通

40、量，單位分離能 力大。 所選的規(guī)整的參數(shù)為 型號 峰高 mm 比表面積 m2/m3 理論板數(shù) 1/m 空隙率 % 壓力降 mpa/m cb500y122502.5973.010-4 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 17 頁 2.3.6 塔徑設計的計算塔徑設計的計算 1.精餾段塔徑計算 由氣速關聯(lián)式 8 1 4 1 2 . 0 2 2 75 . 1 lg l g l l g f g l a a g u 式中 -干填料因子； 2 a -液體粘度，； l smpa -金屬絲網(wǎng)規(guī)整填料為 0.30；a -液體、氣體質(zhì)量流速；gl、 -氣體、液體密度； lg 、 -重力加速度。g 精餾段：

41、=0.9410kg/ m3，=713.5kg/ g l m3，=0.97，=250，=0.2092，=18634.42 a 32 /mm l smpal kg/h，=47814.53 kg/h，=0.30ga 代入式中求解得 4.4m/s f u 空塔氣速 0.54.4=2.2 m/s f uu5 . 0 體積流量 14.102m3/s s v 2.858m 2 . 214 . 3 102.1444 u v d s 圓整后：3000mm，空塔氣速2.2m/sdu 2.提餾段塔徑計算 提餾段：=0.8659kg/ m3，=731.3 kg/ m3，=0.97，=250， g l a 32 /mm

42、 =0.1773，=85358.38 kg/h，=44220.83 kg/h，=0.30 l smpalga 代入上面的公式中，解得 3.4m/s f u 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 18 頁 空塔氣速 0.53.4=1.7m/s f uu5 . 0 體積流量 14.212m3/s s v 3.263m 7 . 114 . 3 212.1444 u v d s 圓整后：3400mm，空塔氣速1.7 m/sdu 2.3.7 填料層高度的計算填料層高度的計算 1.精餾段 所選的規(guī)整的參數(shù)為 型號 峰高 mm 比表面積 m2/m3 理論板數(shù) 1/m 空隙率 % 壓力降 mpa/m

43、cb259y122502.5-3973.010-4 根據(jù)所選的填料的參數(shù)，選取 1m 填料高度等于 2.5 塊理論塔板，壓力 降為 3.010-4mpa/m,即=1/2.5=0.4m,3.010-hetpzp/ 4mpa/m=300pa/m。 則精餾段填料層高度為 hetpnz t =100.4=4mhetpnz t 精 精餾段總壓降3.010-44 精精 zzpp/ =1.210-3mpa =1200pa 2.提餾段 根據(jù)所選的填料的參數(shù)，已知 1m 填料高度等于 2.5 塊理論塔板，壓力 降為 3.010-4mpa/m,即=1/2.5=0.4m,3.010-hetpzp/ 4mpa/m=3

44、00pa/m。 則提餾段填料層高度為 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 19 頁 hetpnz t =10.4=0.4mhetpnz t 提 提餾段總壓降3.010-40.4 提提 zzpp/ =1.210-4mpa =120pa 2.3.8 全塔高度的確定全塔高度的確定5 1.全塔填料層總高度 4+0.4=4.4m 提精 zzz 2.全塔填料層總壓降 =1200+120=1320pa 提精 ppp 3 全塔填料層高度和壓降計算匯總表 參數(shù)精餾段提餾段全塔 壓降（pa/m）zp/300300- 總壓降/ pa12001201320 填料層高度/m40.44.4 4.填料支承裝置 填

45、料支承裝置的作用是支承塔內(nèi)的填料。常用的填料支承裝置有柵板 型、孔管型、駝峰型等。對于規(guī)整填料，通常選用柵板型支承裝置。 5.液體分布裝置 液體在填料塔內(nèi)均勻分布，可以增大填料的潤濕表面積，以提高分離 效果，因此液體的初始分布十分重要。所以要求分布裝置要有與填料相匹 配的分液密度和均勻的分布質(zhì)量。 近年來的實踐表明，大直徑填料塔的放大的問題主要是保證液體初始 分布均勻，若能保證單位塔截面的噴淋點數(shù)目與小塔相同，大型填料塔的 傳質(zhì)效率將不會低于小型塔。 本設計選用的是槽式液體分布器和槽盤式液體分布器可以較好地解決 抗堵、防夾帶等問題，壓降小、負荷彈性大。 槽式液體分布器是由分流槽（又稱主槽或一級

46、槽） 、分布槽（又稱副槽 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 20 頁 或耳機槽）構(gòu)成的。一級槽通過槽底開孔將液體初分成若干流股，分別加 入其下方的液體分布槽。分布槽的槽底（或槽壁）上設有孔道（或?qū)Ч埽?， 將液體均勻分布于填料層上。槽式液體分布器具有較大的操作彈性和極好 的抗污堵性，特別適合于大氣液負荷及含有固體懸浮物、粘度大的液體的 分離場合，應用范圍非常廣泛。 槽盤式分布器是近年來開發(fā)的新型液體分布器，它兼有集液、分液及 分氣三種作用，結(jié)構(gòu)緊湊，氣液分布均勻，阻力較小，操作彈性高達 10：1，適用于各種液體噴淋量。 6.全塔高度確定 (1)塔頂空間 塔頂空間是塔頂?shù)谝粔K塔板到塔

47、頂切線距離。對于填料塔而言，塔頂 空間即為第一層填料上線到塔頂切線的距離。為了減少塔頂出口氣體中攜 帶液體量，塔頂空間一般取 1.21.5m，以利于氣體中的液滴自由沉降。本 設計取塔頂空間為 1.5m。 (2)塔內(nèi)液體分布器高度 本設計選用的是槽式液體分布器和槽盤式液體分布器可以較好地解決 抗堵、防夾帶等問題，壓降小、負荷彈性大。 因為全塔填料分為四層，精餾段為三層，提餾段為一層，則需三組液 體分布器，確定第一層液體分布器在塔內(nèi)高度為 1.26m，第二層高度為 1.26m，第三層高度為 1.41m，其總高度為 1.26+1.26+1.41=3.93m。 (3)塔底空間 塔底空間是指塔底第一塊板

48、到塔底切線的距離。對于填料塔而言，塔 底空間是指最后一層填料底線到塔底切線的距離。本設計取塔底空間為 4.45m。 (4)裙座高度 裙式支座是由座圈、基礎環(huán)和地腳螺栓座組成。座圈上開有人孔、引 出管孔、排氣孔和排污孔。座圈焊固在基礎環(huán)上，基礎環(huán)的作用，一是將 載荷傳給基礎，二是在它的上面焊制地腳螺栓座，地腳螺栓座是由兩塊筋 板、一塊壓板和一塊墊板組成，地腳螺栓正是通過地腳螺栓座將裙座牢牢 地固定在基礎上。裙座高度是指從塔底封頭切線到基礎環(huán)之間的高度，今 以圓柱型裙座為例，可知裙座高度是由塔底封頭切線到出料管中心線的高 度 h 和出料管中心線至基礎環(huán)的高度 h 兩部分組成。h 的最小尺寸是由釜

49、液出口管尺寸決定，h 則應按工藝條件確定。 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 21 頁 圖 2-4 加壓塔底裙座結(jié)構(gòu)圖 本設計中采用圓柱型裙座，裙座高度選取 7.8m。 7.全塔高度 全塔高度=塔頂空間+塔內(nèi)液體分布器高度+塔底空間+裙座高度+填料層高度 h=1.5+3.93+4.45+7.8+4.4=22.08m 2.5 回收精餾塔工藝計算 2.5.1 物料衡算物料衡算 已知： =18.31kg/kmol =32.04kg/kmol =18kg/kmol m 甲醇 m 水 m 進料流量 f=9373kg/h 甲醇的質(zhì)量分率 =1.73% 水的質(zhì)量分率 s w t w =97% 另

50、外還有乙醇和雜醇的量較小，這里忽略不計。摩爾分率單位：% t w 進料摩爾流量 =9373/18.31=511.906kmol/h m w f s 甲醇的摩爾分率 =（1.739373/100）/32.04）/511.906=0.01 f x 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 22 頁 d=12.2925kmol/h w=499.6136kmol/h =0.14610-6 w x 根據(jù)物料衡算方程 wdf wdf xwxdxf 計算出 511.9060.01=12.2925+499.61360.14610-6=0.4164 d x d x 進料溫度（500kpa）101.7 f t

51、 f t 由于泡點進料 q=1，由甲醇-水氣液平衡數(shù)據(jù)，用內(nèi)差法求得塔頂溫度 塔頂溫度， ld t vd t 81.76 ld ld t t 4 . 96 6 . 67 4 . 96 02 . 0 8 . 0 02 . 0 4164 . 0 85.99 vd vd t t 4 . 96 6 . 67 4 . 96 134 . 0 915 . 0 134 . 0 4164 . 0 在101.7溫度下，根據(jù)安托因公式計算出甲醇和水的飽和蒸汽壓， f t 注：水的安托因常數(shù)為 a=7.1827，b=1722.632，c=232.7987；甲醇的安托 因常數(shù)為 a=5.9659，b=430.5033，

52、c=41.7087 ct b ap lg 代入數(shù)據(jù)得，甲醇的飽和蒸汽壓=920.3798kpa，水的飽和蒸汽壓 a p =107.8471kpa。 b p 回流比確定 由甲醇-水的平衡數(shù)據(jù)繪制 x-y 圖 用作圖法求最小回流比 min r 由于進料為泡點進料 q=1，所以畫 q 線與平衡線交點，用交點坐標 x,y 求最 小回流比 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 23 頁 圖 2-8 作圖法去最小回流比 8.53 b a p p 5.90 109362.68 9362.68 4 . 416 min qq qd xy yx r 操作回流比可取為最小回流比的 1.12.0 倍，所以取

53、1.154.86=6.8 min 15 . 1 rr 所以，回流比確定為6.8r 6.812.2925=83.589kmol/hdrl 83.589+1511.906=595.495kmol/hfqll 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 24 頁 95.8815kmol/hvv 表 2-26 物料衡算表 物料流量（kmol/h）組成物料物流（kmol/h） 精餾段上升 蒸汽量 v 95.8815 提餾段上升 蒸汽量 v 95.8815 精餾段下降 液體量 l 83.589 提餾段下降 進料 f 511.906 甲醇 0.01 水 0.99 塔頂產(chǎn)品 d 12.2925 甲醇 0.4

54、164 水 0.5836 塔底殘液 w 499.6136 甲醇 0.14610- 6 液體量 l595.495 2.5.2 熱量衡算熱量衡算3 1.熱量衡算 加熱介質(zhì)和冷卻劑的選擇 加熱介質(zhì)的選擇 常用的加熱劑有飽和水蒸汽和煙道氣。飽和水蒸汽是一種應用最廣的 加熱劑。由于飽和水蒸汽冷凝時的傳熱膜系數(shù)很高，可以通過改變蒸汽的 壓力準確地控制加熱溫度。燃料燃燒所排放的煙道氣溫度可達 1001000， 適用于高溫加熱。缺點是煙道氣的比熱容及傳熱膜系數(shù)很低，加熱溫度控 制困難。本設計選用 0.5mpa（溫度為 180）的低壓蒸汽作為加熱介質(zhì)， 水蒸汽易獲得、清潔、不易腐蝕加熱管，不但成本會相應降低，塔

55、結(jié)構(gòu)也 不復雜。 冷卻劑的選擇 常用的冷卻劑是水和空氣，應因地制宜加以選用。受當?shù)貧鉁叵拗疲?冷卻水一般為 1035.如需冷卻到較低溫度，則需采用低溫介質(zhì)，如冷凍 鹽水、氟利昂等。 本設計建廠地區(qū)為永城。永城市夏季最熱月份日平均氣溫為 32。故 選用 32的冷卻水,選升溫 10，即冷卻水的出口溫度為 42. 根據(jù)資料所提供的數(shù)據(jù)，=84.4，=104.3 d t w t 注：下標 1 為甲醇，下標 2 為水。 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 25 頁 2.冷凝器的熱負荷 冷凝其的熱負荷 ldvdc iidrq1 其中 -塔頂上升蒸汽的焓 vd i -塔頂餾出液的焓 ld i 水甲

56、vdvdldvd hxhxii1 其中 -甲醇的蒸發(fā)潛熱 甲v h -水的蒸發(fā)潛熱 水v h 蒸發(fā)潛熱與溫度的關系： 38 . 0 2 1 1 2 1 1 1 r r v t t hh 其中 -對比溫度 r t 表 2-27 沸點下蒸發(fā)潛熱列表 沸點/蒸發(fā)潛熱 1 / kmolkcalhrktc/ 甲醇64.658430512.6 水1009729647.3 由沃森公式計算塔頂溫度下的潛熱 38 . 0 2 1 2 1 1 1 r r v t t hh 85.99時，對甲醇：0.701 6 . 512 99.8515.273 2 2 c r t t t 81.76時，對甲醇：0.692 6 .

57、 512 76.8115.273 1 1 c r t t t 蒸發(fā)潛熱 8335.533kcal/kmol 38 . 0 692 . 0 1 701 . 0 1 8430 甲r h 對水，同理得 0.555 0.548 2 r t 1r t 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 26 頁 蒸發(fā)潛熱 9671.468kcal/kmol 38 . 0 548 . 0 1 555 . 0 1 9729 水r h 對于全凝器作熱量衡算（忽略熱量損失） ldvdc iidrq1 選擇泡點回流，與露點相接近，所以 水甲 hxhxii ddldvd 1 代入數(shù)據(jù)得 0.41648335.533+（1

58、-0.4164）9671.468=9115.185 kcal/kmol ldvd ii （6.8+1）12.29259115.185=873977.611kcal/h=2982858.74 kj/h c q 冷卻介質(zhì)消耗量 ckgkjcpc /174 . 4 71462.84kg/h 12 ttc q w pc c c 3242174 . 4 74.2982858 3.再沸器的熱負荷和加熱蒸汽消耗量 在=104.3下，甲醇的汽化熱為 1017.34kj/kg，水的汽化熱為 2247.22 w t kj/kg 選用 0.5mpa（500kpa，180）低壓蒸汽為加熱介質(zhì) 再沸器的熱負荷為 lwv

59、wb iivq 因釜殘液幾乎為水，故其焓可按純水進行計算，即 2247.2218=40449.96 kj/kmol blwvw rii 則 95.881540449.96=3.88106 kj/h b q 加熱蒸汽消耗量為 r q w b h 由附錄查得 p 為 500kpa 時水的汽化熱為 2113.2 kj/kg。則 1836.08kg/h 2 . 2113 1088 . 3 6 r q w b h 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 27 頁 2.5.3 理論塔板數(shù)計算理論塔板數(shù)計算7 由于本次設計時的相對揮發(fā)度是變化的，所以不能用簡捷法求得，應 用圖解法。 精餾段操作線方程為

60、 11 r x x r r y d 截距 0.0534 18 . 6 4164 . 0 1r xd 連接（，） ， （0，）與 q 線交于 d 點，連接（，）與 d x d x 1r xd w x w x d 點，得到提餾段操作線、然后，由平衡線與操作線可得精餾塔理論板數(shù)， 但由于極小，利用作圖法畫出理論板數(shù)，如圖所示，梯級數(shù)為 68 塊。 w x 圖 2-9 求理論塔板的圖解法 由于圖中圈中塔板密集，所以無法詳細繪出塔板圖。 塔頂溫度下：=356.5761kpa =56.4851kpa a p b p 中國礦業(yè)大學 2009 屆本科生畢業(yè)設計 第 28 頁 356.5761/56.4851=