修50萬噸年甲醇精餾系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

41/43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(jiǎn)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(jī)產(chǎn)品的基本原料和重要的溶劑，廣泛用于有機(jī)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(xué)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(xué)工業(yè)中一個(gè)重要的領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)選擇了以50萬t/a甲醇精餾的產(chǎn)量作為生產(chǎn)計(jì)算與設(shè)計(jì)的任務(wù)，參考了永城永煤集團(tuán)龍宇煤化工甲醇廠甲醇精餾的工藝，本設(shè)計(jì)從工藝角度對(duì)其生產(chǎn)過程和主要設(shè)備進(jìn)行了物料衡算、塔設(shè)備簡(jiǎn)捷法計(jì)算、熱量衡算、換熱器設(shè)計(jì)等工藝計(jì)算。目錄1總論11.1概況11.1.1甲醇的性質(zhì)和用途11.1.2甲醇精餾工藝技術(shù)比較41.1.3甲醇精餾工藝的概況71.4甲醇精餾工藝流程說明181.4.1預(yù)精餾系統(tǒng)181.4.2加壓精餾系統(tǒng)181.4.4回收精餾系統(tǒng)192.甲醇精餾生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)與計(jì)算202.3精餾塔工藝計(jì)算[3]232.3.1物料衡算232.3.2熱量衡算[3]262.3.3理論塔板數(shù)計(jì)算[7]282.3.4精餾塔主要尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算292.3.5填料的選擇342.3.6塔徑設(shè)計(jì)的計(jì)算342.3.7填料層高度的計(jì)算362.3.8全塔高度的確定[5]372.5回收精餾塔工藝計(jì)算552.5.1物料衡算552.5.2熱量衡算[3]582.5.3理論塔板數(shù)計(jì)算[7]602.5.4精餾塔主要尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算622.5.5填料的選擇672.5.6塔徑設(shè)計(jì)的計(jì)算682.5.7填料層高度的計(jì)算692.5.8全塔高度的確定702.5.9筒體的厚度和封頭的厚度確定72參考文獻(xiàn)82致841.1.1甲醇的性質(zhì)和用途甲醇性質(zhì)甲醇（Methanol，Methylalcohol）又名木醇，木酒精，甲基氫氧化物，是一種最簡(jiǎn)單的飽和醇?；瘜W(xué)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(diǎn)-93.9℃、沸點(diǎn)64.7℃、密度0.7914克/厘米3（20℃）、能溶于水和許多有機(jī)溶劑。甲醇有毒，誤飲5～10毫升能雙目失明，大量飲用會(huì)導(dǎo)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(shí)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(qiáng)的毒性，對(duì)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(huì)產(chǎn)生毒性反應(yīng)，甲醇蒸氣能損害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(dǎo)致呼吸中樞麻痹而死亡。慢性中毒反應(yīng)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(huì)出現(xiàn)中毒反應(yīng)，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，甲醇在體不易排出,會(huì)發(fā)生蓄積，在體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(guān)部門規(guī)定，空氣中允許甲醇濃度為5mg/m3，在有甲醇?xì)獾默F(xiàn)場(chǎng)工作須戴防毒面具，廢水要處理后才能排放，允許含量小于200mg／L甲醇的中毒機(jī)理是，甲醇經(jīng)人體代產(chǎn)生甲醛和甲酸（俗稱蟻酸），然后對(duì)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(shí)后頭痛，惡心，嘔吐，以與視線模糊。嚴(yán)重者會(huì)失明，乃至喪命。失明的原因是，甲醇的代產(chǎn)物甲酸會(huì)累積在眼睛部位，破壞視覺神經(jīng)細(xì)胞。腦神經(jīng)也會(huì)受到破壞，產(chǎn)生永久性損害。甲酸進(jìn)入血液后，會(huì)使組織酸性越來越強(qiáng)，損害腎臟導(dǎo)致腎衰竭。甲醇中毒，通常可以用乙醇解毒法。其原理是，甲醇本身無毒，而代產(chǎn)物有毒，因此可以通過抑制代的方法來解毒。甲醇和乙醇在人體的代都是同一種酶，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）的方式來緩解甲醇代，進(jìn)而使之排出體外。而甲醇已經(jīng)代產(chǎn)生的甲酸，可以通過服用小打（碳酸氫鈉）的方式來中和。甲醇用途目前，甲醇在有機(jī)合成工業(yè)中，是僅次于烯烴和芳烴的重要基礎(chǔ)有機(jī)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(jià)格便宜。甲醇用途廣泛，是基礎(chǔ)的有機(jī)化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料。主要應(yīng)用于精細(xì)化工，塑料等領(lǐng)域，用來制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲脂等多種有機(jī)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(dú)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(fèi)已超過其傳統(tǒng)用途，潛在的耗用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其化工用途，滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)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(bǔ)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(jìn)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(yùn)藏著潛在的巨大市場(chǎng)。我國甲醇工業(yè)無疑將迅速發(fā)展起來[13]。1.1.3甲醇精餾工藝的概況1、工序任務(wù)甲醇精餾是甲醇合成的下游工序，其目的就是對(duì)合成裝置來的粗甲醇2、裝置工藝特點(diǎn)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)塔件的不同可分為塔盤精餾、填料精餾和復(fù)合型精餾。本甲醇精餾裝置采用的是以規(guī)整填料為塔件的三塔精餾工藝，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(yù)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(gè)塔,以對(duì)污水中的甲醇進(jìn)行回收處理，故現(xiàn)在一般叫3+1塔工藝流程。精餾的主要設(shè)備是精餾塔，而塔的件是實(shí)現(xiàn)氣液接觸和熱質(zhì)傳遞的主要元件，常用的塔件分塔盤和填料兩種。填料是最早使用的塔件，當(dāng)初使用在小塔徑的塔里，由于其設(shè)計(jì)、制造、安裝難度不大，應(yīng)用十分廣泛。隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，精餾塔的徑越來越大，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(dāng)?shù)?，溝流和邊界效?yīng)嚴(yán)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(fù)雜、制造和安裝精度要求高，因而人們又加緊了對(duì)填料塔放大技術(shù)的攻關(guān)，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(shè)計(jì)的甲醇精制采用的是規(guī)整填料精餾工藝技術(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(gè)關(guān)鍵部件，它是決定著填料塔的放大效應(yīng)。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(fù)荷彈性大。采用規(guī)整填料為塔件的3+1塔精餾工藝，其特點(diǎn)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)能力大。1.4甲醇精餾工藝流程說明1.4.1預(yù)精餾系統(tǒng)來自甲醇合成裝置的粗甲醇（40℃、0.5MPaA），首先進(jìn)入粗甲醇預(yù)熱器E-15501的管程，被殼程的低壓蒸汽冷凝液加熱到70預(yù)精餾塔C-15501頂部出來的氣相，首先進(jìn)入預(yù)精餾塔一級(jí)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℃回流槽T-15501中的甲醇溶液，經(jīng)預(yù)精餾塔回流泵送入預(yù)精餾塔C-15501的頂部作回流液。預(yù)精餾塔塔釜的預(yù)后甲醇經(jīng)液位控制后去加壓精餾塔進(jìn)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(jìn)入預(yù)精餾塔C-15501的再沸器E-15510和E-15514，對(duì)管程的介質(zhì)進(jìn)行加熱來為預(yù)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(duì)管道和設(shè)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7.5~8左右。1.4.2加壓精餾系統(tǒng)預(yù)精餾塔出來的預(yù)后甲醇，經(jīng)加壓精餾塔給料泵加壓后，進(jìn)入加壓精餾塔進(jìn)料/釜液換熱器E-15513的管程，被殼程介質(zhì)加熱到泡點(diǎn)后，進(jìn)入加壓精餾塔C-15502的下部，塔頂出來的甲醇蒸汽進(jìn)入冷凝器/再沸器E-15507的殼程，被管程的介質(zhì)冷凝后進(jìn)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壓后進(jìn)入加壓精餾塔頂作回流液，其余的甲醇液進(jìn)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℃低壓蒸汽進(jìn)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)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(jìn)料泵加壓后，進(jìn)入回收精餾塔C-15504，塔頂出來的氣相，進(jìn)回收精餾塔冷凝器E-15509的殼程，被管程的循環(huán)冷卻水冷卻到45℃低壓蒸汽進(jìn)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?；厥站s塔底出來的釜液，含有微量的甲醇和有機(jī)物，經(jīng)廢水冷卻器E-15512中的循環(huán)冷卻水冷卻到60℃2.甲醇精餾生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)與計(jì)算2.3加壓精餾塔工藝計(jì)算[3]2.3.1物料衡算已知：=30.23kg/kmol=32.04kg/kmol=18.02kg/kmol進(jìn)料流量F==73734.6kg/h甲醇的質(zhì)量分率=87%水的質(zhì)量分率=13%另外還有乙醇和雜醇的量較小，這里忽略不計(jì)。摩爾分率單位：%進(jìn)料的摩爾流量=73734.6/30.23=2439.1201kmol/h甲醇的摩爾分率=（（87×73734.6/100）/32）/2439.1201=0.82D=966.2289kmol/hW=1552.1203kmol/h=0.67根據(jù)物料衡算方程計(jì)算出2439.1201×0.82=966.2289×+1552.1203×0.67=0.994進(jìn)料溫度（1000kPa）107.2℃，取泡點(diǎn)進(jìn)料q=1塔頂溫度為128.1℃在107.2℃溫度下，根據(jù)安托因公式計(jì)算出甲醇和水的飽和蒸汽壓，注：水的安托因常數(shù)為A=7.1827，B=1722.632，C=232.7987[4]。式中飽和蒸汽壓，KPa；t物系溫度，℃。代入數(shù)據(jù)得，水的飽和蒸汽壓=130.652kpa。甲醇的安托因常數(shù)為A=18.5875，B=3626.55，C=-34.29式中飽和蒸汽壓，mmHg；T物系溫度，K。代入數(shù)據(jù)得，甲醇的飽和蒸汽壓=442.77kpa.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由于進(jìn)料為泡點(diǎn)進(jìn)料q=1，所以畫q線與平衡線交點(diǎn)，用交點(diǎn)坐標(biāo)x,y求最小回流比圖2-2作圖法求最小回流比3.390.5319操作回流比可取為最小回流比的1.1～2.0倍，所以取1.2×0.5319=0.6383所以，回流比確定為0.63830.6383×966.2289=617.0337kmol/h617.0337+1×2439.1201=3056.1538kmol/h1583.2626kmol/h表2-4物料衡算表物料流量（kmol/h）組成物料物流（kmol/h）進(jìn)料F2439.1201甲醇0.820水0.18塔頂產(chǎn)品D966.2289甲醇0.994水0.006塔底殘液W1552.1203甲醇0.67水0.33精餾段上升1583.2626蒸汽量V提餾段上升1583.2626蒸汽量V’精餾段下降617.0337液體量L提餾段下降3056.1538液體量L’2.3.2熱量衡算[3]1.加熱介質(zhì)和冷卻劑的選擇①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(yīng)用最廣的加熱劑。由于飽和水蒸汽冷凝時(shí)的傳熱膜系數(shù)很高，可以通過改變蒸汽的壓力準(zhǔn)確地控制加熱溫度。燃料燃燒所排放的煙道氣溫度可達(dá)100～1000℃，適用于高溫加熱。缺點(diǎn)是煙道氣的比熱容與傳熱膜系數(shù)很低，加熱溫度控制困難。本設(shè)計(jì)選用0.7MPa（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(huì)相應(yīng)降低，塔結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜。②冷卻劑的選擇常用的冷卻劑是水和空氣，應(yīng)因地制宜加以選用。受當(dāng)?shù)貧鉁叵拗?，冷卻水一般為10～35℃.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(shè)計(jì)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℃注：下標(biāo)1為甲醇，下標(biāo)2為水。2.冷凝器的熱負(fù)荷冷凝器的熱負(fù)荷其中塔頂上升蒸汽的焓塔頂餾出液的焓對(duì)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(jìn)行計(jì)算，則全凝器的熱負(fù)荷為（塔頂溫度為128.1℃953.4809×1583.2626×32.04=4.84×107kJ/h128.1℃下，水的比熱容為1134818.29kg/h3.再沸器的熱負(fù)荷和加熱蒸汽消耗量在=134.2℃下，甲醇的汽化熱為1025.26kJ/kg，水的汽化熱為2254.24kJ/kg選用0.7MPa（700kpa，180℃）低壓蒸汽為加熱介質(zhì)再沸器的熱負(fù)荷為因釜?dú)堃簬缀鯙樗?，故其焓可按純水進(jìn)行計(jì)算，即2254.24×18.02=40621.40kJ/kmol則1583.2626×40621.40=6.43×107kJ/h加熱蒸汽消耗量為由附錄查得P為700kpa時(shí)水的汽化熱為2071.5kJ/kg。則31040.31kg/h2.3.3理論塔板數(shù)計(jì)算[7]由于本次設(shè)計(jì)時(shí)的相對(duì)揮發(fā)度是變化的，所以不能用簡(jiǎn)捷法求得，應(yīng)用圖解法。精餾段操作線方程為截距0.6067連接（，），（0，）與q線交于d點(diǎn)，連接（，）與d點(diǎn)，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(jí)數(shù)為12塊。圖2-3加壓塔求理論塔板數(shù)的圖解法塔頂溫度下：=804.252kpa=130.652kpa804.252/130.652=6.156塔底溫度下：=945.304kpa=308.248kpa945.304/308.248=3.067全塔平均揮發(fā)度：4.345因?yàn)樗自O(shè)有再沸器，所以精餾塔理論板數(shù)要比梯級(jí)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(shè)計(jì)計(jì)算1.精餾塔設(shè)計(jì)的主要依據(jù)和條件表2-5水在不同溫度下的密度溫度/℃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/0.35650.31650.28380.25890.23730.2177表2-8甲醇在不同溫度下的黏度溫度/℃10152065.3171.8698.52黏度/0.6860.6380.5910.3320.2950.225用插法可以計(jì)算出水和甲醇在塔頂、塔底和進(jìn)料溫度下的密度和黏度舉例：0.9691g/cm30.2648表2-9水和甲醇在不同溫度下的密度溫度/℃128.1134.2107.2水密度/(g/cm3)0.93760.93310.9531甲醇密度/(g/cm3)0.69080.68510.7107表2-10水和甲醇在不同溫度下的黏度溫度/℃128.1134.2107.2水黏度/()0.22140.20990.2624甲醇黏度/()0.14730.13130.20222.塔頂條件下的流量和物性參數(shù)32.04×0.994+18.02×（1-0.994）=31.96kg/kmol31.96×1583.2626=50601.07kg/h31.96×617.0337=19720.4kg/h0.994=0.993，=0.0071.4450cm3/g所以0.6920g/cm3=692.0kg/m0.9707kg/m30.2214×0.994+0.1473×（1-0.994）=0.2210塔頂出料口質(zhì)量流量：D=966.2289×31.96=30880.68kg/h表2-11塔頂部數(shù)據(jù)結(jié)果表符號(hào)數(shù)值31.960.9707692.00.221030880.68966.22893.塔底條件下的流量和物性參數(shù)32.04×0.67+18.02×(1-0.67)=27.42kg/kmol0.8204kg/m3由于=0.67=0.78，=0.221.3743cm3/g所以0.7276g/cm3=727.6kg/m0.1313×0.67+0.2099×（1-0.67）=0.157327.42×1583.2626=43413.06kg/h27.42×3056.1538=83799.74kg/h塔底質(zhì)量流量：W=1552.1203×27.42=42559.1386kg/h表2-12塔底部數(shù)據(jù)結(jié)果表符號(hào)數(shù)值27.420.8204727.60.157342559.12861552.12034.進(jìn)料條件下的流量和物性參數(shù)32.04×0.82+18.02×(1-0.82)=28.44kg/kmol0.9113kg/m3由于=0.82=0.87，=0.131.3605cm3/g所以0.7350g/cm3=735.0kg/m1583.2626×28.44=45027.99kg/h精餾段：28.44×617.0337=17548.44kg/h提餾段：28.44×3056.1538=86917.01kg/h0.2022×0.82+0.2624×(1-0.82)=0.1973進(jìn)料質(zhì)量流量：F=42823kg表2-13進(jìn)料數(shù)據(jù)結(jié)果表符號(hào)數(shù)值28.440.9113735.00.197373734.62439.12015.精餾段的流量和物性參數(shù)0.941kg/m3713.5kg/m347814.53kg/h18634.42kg/h0.20926.提餾段的流量和物性參數(shù)0.8659kg/m3731.3kg/m344220.83kg/h85358.38kg/h0.17737.體積流量塔頂：14.48m3塔底：14.699m3進(jìn)料：13.725m3精餾段：14.102m3提餾段：14.212m3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0.94100.8659液相密度713.5731.3氣相摩爾流量1583.26261583.2626氣相質(zhì)量流量47814.5344220.83液相黏度/0.20920.1773液相摩爾流量617.03373056.1538液相質(zhì)量流量18634.4285358.382.3.5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，與塔件一起決定了填料塔的性質(zhì)。目前，填料的開發(fā)與應(yīng)用仍是沿著散裝填料與規(guī)整填料兩個(gè)方面進(jìn)行。本設(shè)計(jì)選用規(guī)整填料，規(guī)整填料是一種在塔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(shí)還可以提供更大的比表面積，在同等溶劑中可以達(dá)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(duì)稱性，當(dāng)與散裝填料有一樣的比表面積時(shí)，填料空隙率更大，具有更大的通量，單位分離能力大。所選的規(guī)整的參數(shù)為型號(hào)峰高mm比表面積m2/m3理論板數(shù)1/m空隙率%壓力降MPa/mCB500Y122502.5973.0×10-42.3.6塔徑設(shè)計(jì)的計(jì)算1.精餾段塔徑計(jì)算由氣速關(guān)聯(lián)式式中干填料因子；液體粘度，；金屬絲網(wǎng)規(guī)整填料為0.30；液體、氣體質(zhì)量流速；氣體、液體密度；重力加速度。精餾段：=0.9410kg/m3，=713.5kg/m3，=0.97，=250，=0.2092，=18634.42kg/h，=47814.53kg/h，=0.30代入式中求解得4.4m/s空塔氣速0.5×4.4=2.2m/s體積流量14.102m32.858m圓整后：3000mm，空塔氣速2.2m/s2.提餾段塔徑計(jì)算提餾段：=0.8659kg/m3，=731.3kg/m3，=0.97，=250，=0.1773，=85358.38kg/h，=44220.83kg/h，=0.30代入上面的公式中，解得3.4m/s空塔氣速0.5×3.4=1.7m/s體積流量14.212m33.263m圓整后：3400mm，空塔氣速1.7m/s2.3.7填料層高度的計(jì)算1.精餾段所選的規(guī)整的參數(shù)為型號(hào)峰高mm比表面積m2/m3理論板數(shù)1/m空隙率%壓力降MPa/mCB259Y122502.5-3973.0×10-4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3.0×10-4MPa/m,即=1/2.5=0.4m,3.0×10-4MPa/m=300Pa/m。則精餾段填料層高度為=10×0.4=4m精餾段總壓降3.0×10-4×4=1.2×10-3MPa=1200Pa2.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3.0×10-4MPa/m,即=1/2.5=0.4m,3.0×10-4MPa/m=300Pa/m。則提餾段填料層高度為=1×0.4=0.4m提餾段總壓降3.0×10-4×0.4=1.2×10-4MPa=120Pa2.3.8全塔高度的確定[5]1.全塔填料層總高度4+0.4=4.4m2.全塔填料層總壓降=1200+120=1320Pa3全塔填料層高度和壓降計(jì)算匯總表參數(shù)精餾段提餾段全塔壓降（Pa/m）300300-總壓降/Pa12001201320填料層高度/m40.44.44.填料支承裝置填料支承裝置的作用是支承塔的填料。常用的填料支承裝置有柵板型、孔管型、駝峰型等。對(duì)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(shí)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(diǎn)數(shù)目與小塔一樣，大型填料塔的傳質(zhì)效率將不會(huì)低于小型塔。本設(shè)計(jì)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(fù)荷彈性大。槽式液體分布器是由分流槽（又稱主槽或一級(jí)槽）、分布槽（又稱副槽或耳機(jī)槽）構(gòu)成的。一級(jí)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(shè)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(fù)荷與含有固體懸浮物、粘度大的液體的分離場(chǎng)合，應(yīng)用圍非常廣泛。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、分液與分氣三種作用，結(jié)構(gòu)緊湊，氣液分布均勻，阻力較小，操作彈性高達(dá)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塔板到塔頂切線距離。對(duì)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1.2～1.5m，以利于氣體中的液滴自由沉降。本設(shè)計(jì)取塔頂空間為1.5m。(2)塔液體分布器高度本設(shè)計(jì)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(fù)荷彈性大。因?yàn)槿盍戏譃樗膶?，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到塔底切線的距離。對(duì)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(shè)計(jì)取塔底空間為4.45m。(4)裙座高度裙式支座是由座圈、基礎(chǔ)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(chǔ)環(huán)上，基礎(chǔ)環(huán)的作用，一是將載荷傳給基礎(chǔ)，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(chǔ)上。裙座高度是指從塔底封頭切線到基礎(chǔ)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(chǔ)環(huán)的高度H兩部分組成。h的最小尺寸是由釜液出口管尺寸決定，H則應(yīng)按工藝條件確定。圖2-4加壓塔底裙座結(jié)構(gòu)圖本設(shè)計(jì)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=22.08m2.5回收精餾塔工藝計(jì)算2.5.1物料衡算已知：=18.31kg/kmol=32.04kg/kmol=18kg/kmol進(jìn)料流量F==9373kg/h甲醇的質(zhì)量分率=1.73%水的質(zhì)量分率=97%另外還有乙醇和雜醇的量較小，這里忽略不計(jì)。摩爾分率單位：%進(jìn)料摩爾流量=9373/18.31=511.906kmol/h甲醇的摩爾分率=（（1.73×9373/100）/32.04）/511.906=0.01D=12.2925kmol/hW=499.6136kmol/h=0.146×10-6根據(jù)物料衡算方程計(jì)算出511.906×0.01=12.2925×+499.6136×0.146×10-6=0.4164進(jìn)料溫度（500kPa）101.7℃由于泡點(diǎn)進(jìn)料q=1，由甲醇-水氣液平衡數(shù)據(jù)，用差法求得塔頂溫度塔頂溫度，81.76℃85.99℃在101.7℃溫度下，根據(jù)安托因公式計(jì)算出甲醇和水的飽和蒸汽壓，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，C=41.7087代入數(shù)據(jù)得，甲醇的飽和蒸汽壓=920.3798kpa，水的飽和蒸汽壓=107.8471kpa?；亓鞅却_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由于進(jìn)料為泡點(diǎn)進(jìn)料q=1，所以畫q線與平衡線交點(diǎn)，用交點(diǎn)坐標(biāo)x,y求最小回流比圖2-8作圖法去最小回流比8.535.90操作回流比可取為最小回流比的1.1～2.0倍，所以取1.15×4.86=6.8所以，回流比確定為6.86.8×12.2925=83.589kmol/h83.589+1×511.906=595.495kmol/h95.8815kmol/h表2-26物料衡算表物料流量（kmol/h）組成物料物流（kmol/h）進(jìn)料F511.906甲醇0.01水0.99塔頂產(chǎn)品D12.2925甲醇0.4164水0.5836塔底殘液W499.6136甲醇0.146×10-6精餾段上升95.8815蒸汽量V提餾段上升95.8815蒸汽量V’精餾段下降83.589液體量L提餾段下降595.495液體量L’2.5.2熱量衡算[3]1.熱量衡算⑴加熱介質(zhì)和冷卻劑的選擇①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(yīng)用最廣的加熱劑。由于飽和水蒸汽冷凝時(shí)的傳熱膜系數(shù)很高，可以通過改變蒸汽的壓力準(zhǔn)確地控制加熱溫度。燃料燃燒所排放的煙道氣溫度可達(dá)100～1000℃，適用于高溫加熱。缺點(diǎn)是煙道氣的比熱容與傳熱膜系數(shù)很低，加熱溫度控制困難。本設(shè)計(jì)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(huì)相應(yīng)降低，塔結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜。②冷卻劑的選擇常用的冷卻劑是水和空氣，應(yīng)因地制宜加以選用。受當(dāng)?shù)貧鉁叵拗疲鋮s水一般為10～35℃.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(shè)計(jì)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℃注：下標(biāo)1為甲醇，下標(biāo)2為水。2.冷凝器的熱負(fù)荷冷凝其的熱負(fù)荷其中塔頂上升蒸汽的焓塔頂餾出液的焓其中甲醇的蒸發(fā)潛熱水的蒸發(fā)潛熱蒸發(fā)潛熱與溫度的關(guān)系：其中對(duì)比溫度表2-27沸點(diǎn)下蒸發(fā)潛熱列表沸點(diǎn)/℃蒸發(fā)潛熱甲醇64.658430512.6水1009729647.3由沃森公式計(jì)算塔頂溫度下的潛熱85.99℃時(shí)，對(duì)甲醇：0.70181.76℃時(shí)，對(duì)甲醇：0.692蒸發(fā)潛熱8335.533kcal/kmol對(duì)水，同理得0.5550.548蒸發(fā)潛熱9671.468kcal/kmol對(duì)于全凝器作熱量衡算（忽略熱量損失）選擇泡點(diǎn)回流，與露點(diǎn)相接近，所以代入數(shù)據(jù)得0.4164×8335.533+（1-0.4164）×9671.468=9115.185kcal/kmol（6.8+1）×12.2925×9115.185=873977.611kcal/h=2982858.74kJ/h冷卻介質(zhì)消耗量71462.84kg/h3.再沸器的熱負(fù)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2247.22kJ/kg選用0.5MPa（500kpa，180℃）低壓蒸汽為加熱介質(zhì)⑴再沸器的熱負(fù)荷為因釜?dú)堃簬缀鯙樗?，故其焓可按純水進(jìn)行計(jì)算，即2247.22×18=40449.96kJ/kmol則95.8815×40449.96=3.88×106kJ/h⑵加熱蒸汽消耗量為由附錄查得P為500kpa時(shí)水的汽化熱為2113.2kJ/kg。則1836.08kg/h2.5.3理論塔板數(shù)計(jì)算[7]由于本次設(shè)計(jì)時(shí)的相對(duì)揮發(fā)度是變化的，所以不能用簡(jiǎn)捷法求得，應(yīng)用圖解法。精餾段操作線方程為截距0.0534連接（，），（0，）與q線交于d點(diǎn)，連接（，）與d點(diǎn)，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(jí)數(shù)為68塊。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(xì)繪出塔板圖。塔頂溫度下：=356.5761kpa=56.4851kpa356.5761/56.4851=6.313塔底溫度下：=1040.933kpa=118.1759kpa1040.933/118.1759=8.808全塔平均揮發(fā)度：7.457因?yàn)樗子性俜衅鳎跃s塔理論板數(shù)比梯級(jí)數(shù)少1，確定精餾塔理論板數(shù)為67塊，精餾段為4塊，提餾段為63塊。2.5.4精餾塔主要尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算1.精餾塔設(shè)計(jì)的主要依據(jù)和條件表2-28水在不同溫度下的密度溫度/℃60708090100110密度/(g/cm3)0.98320.97780.97180.96530.95840.9510表2-29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2-30水在不同溫度下的黏度溫度/℃505152535455黏度/0.54940.54040.53150.52290.51460.5064表2-31甲醇在不同溫度下的黏度溫度/℃10152065.3171.8698.52黏度/0.6860.6380.5910.3320.2950.225用插法可以計(jì)算出水和甲醇在塔頂、塔底和進(jìn)料溫度下的密度和黏度舉例：0.9689g/cm30.2623表2-32水和甲醇在不同溫度下的密度溫度/℃84.4104.3101.7水密度/(g/cm3)0.96890.95520.9571甲醇密度/(g/cm3)0.73230.71340.7159表2-33水和甲醇在不同溫度下的黏度溫度/℃84.4104.3101.7水黏度/()0.26230.09710.1235甲醇黏度/()0.22420.11180.12642.塔頂條件下的流量和物性參數(shù)32.04×0.4164+18×（1-0.4164）=23.85kg/kmol23.85×95.8815=2286.77kg/h23.85×83.589=1993.60kg/h0.4164=0.44，=0.561.1788cm3/g所以0.8483g/cm3=848.3kg/m0.8129kg/m30.2242×0.4164+0.2623×（1-0.4164）=0.2464塔頂出料口質(zhì)量流量：D=12.2925×23.85=293.18kg/h表2-34塔頂部數(shù)據(jù)結(jié)果表符號(hào)數(shù)值23.850.8129848.30.2464293.1812.29253.塔底條件下的流量和物性參數(shù)32.04×0.146×10-6+18(1-0.146×10-6)=18kg/kmol0.5812kg/m3由于=0.146×10-6所以≈0，≈1000.9552g/cm3=955.2kg/m30.097118×95.8815=1725.87kg/h18×595.495=10718.91kg/h塔底質(zhì)量流量：W=499.6136×18=8993.0448kg/h表2-35塔底部數(shù)據(jù)結(jié)果表符號(hào)數(shù)值180.5812955.20.09718993.0448499.61364.進(jìn)料條件下的流量和物性參數(shù)32.04×0.01+18×(1-0.01)=18.14kg/kmol0.5898kg/m31.0554cm3/g所以0.9475g/cm3=947.5kg/m95.8815×18.14=1739.29kg/h精餾段：18.14×83.589=1516.30kg/h提餾段：18.14×595.495=10802.28kg/h0.1264×0.01+0.1235×(1-0.01)=0.1235進(jìn)料質(zhì)量流量：F=9373kg/h表2-36進(jìn)料數(shù)據(jù)結(jié)果表符號(hào)數(shù)值18.140.5898947.50.12359373511.9065.精餾段的流量和物性參數(shù)0.7014kg/m3897.9kg/m32013.03kg/h1754.95kg/h0.18506.提餾段的流量和物性參數(shù)0.5855kg/m3951.35kg/m31732.58kg/h10760.60kg/h0.11037.體積流量塔頂：0.7814m3塔底：0.8249m3進(jìn)料：0.8192m3精餾段：0.8003m3提餾段：0.8221m3表2-37精餾段、提餾段數(shù)據(jù)結(jié)果表精餾段提餾段氣相密度0.70140.5855液相密度897.9951.35氣相摩爾流量95.881595.8815氣相質(zhì)量流量2013.031732.58液相黏度/0.18500.1103液相摩爾流量83.589595.495液相質(zhì)量流量1754.9510760.602.5.5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，與塔件一起決定了填料塔的性質(zhì)。目前，填料的開發(fā)與應(yīng)用仍是沿著散裝填料與規(guī)整填料兩個(gè)方面進(jìn)行。本設(shè)計(jì)選用規(guī)整填料，規(guī)整填料是一種在塔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(shí)還可以提供更大的比表面積，在同等溶劑中可以達(dá)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(duì)稱性，當(dāng)與散裝填料有一樣的比表面積時(shí)，填料空隙率更大，具有更大的通量，單位分離能力大。所選的規(guī)整的參數(shù)為型號(hào)峰高mm比表面積m2/m3理論板數(shù)1/m空隙率%壓力降MPa/mCB700Y4.57005-7859.3×10-42.5.6塔徑設(shè)計(jì)的計(jì)算1.精餾段塔徑計(jì)算由氣速關(guān)聯(lián)式式中干填料因子；液體粘度，；金屬絲網(wǎng)規(guī)整填料為0.30；液體、氣體質(zhì)量流速；氣體、液體密度；重力加速度。精餾段：=0.7014kg/m3，=897.9kg/m3，=0.85，=700，=0.1850，=1754.95kg/h，=2013.03kg/h，=0.30代入式中求解得2.72m/s空塔氣速0.5×2.72=1.35m/s體積流量0.8003m30.869m圓整后：1000mm，空塔氣速1.35m/s2.提餾段塔徑計(jì)算提餾段：=0.5855kg/m3，=951.35kg/m3，=0.85，=700，=0.1103，=10760.60kg/h，=1732.58kg/h，=0.30代入上面的公式中，解得2.02m/s空塔氣速0.5×2.02=1.01m/s0.8221m31.0m圓整后：1000mm，空塔氣速1.01m/s3.選取整塔塔徑提餾段和精餾段塔徑圓整后1000mm，為精餾塔的塔徑。2.5.7填料層高度的計(jì)算1.精餾段所選的規(guī)整的參數(shù)為型號(hào)峰高mm比表面積m2/m3理論板數(shù)1/m空隙率%壓力降MPa/mCB700Y4.57005-7859.3×10-4根據(jù)所選的填料的參數(shù)，選取1m填料高度等于7塊理論塔板，壓力降為9.3×10-4MPa/m,即=1/7=0.14m,9.3×10-4MPa/m=930Pa/m。則精餾段填料層高度為=4×0.14=0.56m精餾段總壓降9.3×10-4×0.56=5.21×10-4MPa=521Pa2.提餾段根據(jù)所選的填料的參數(shù)，已知1m填料高度等于7塊理論塔板，壓力降9.3×10-4MPa/m,即=1/7=0.14m,9.3×10-4MPa/m=930Pa/m。則提餾段填料層高度為=63×0.14=8.82m提餾段總壓降9.3×10-4×8.82=8.2×10-3MPa=8200Pa2.5.8全塔高度的確定1.全塔填料層總高度0.56+8.82=9.38m根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，填料層的設(shè)計(jì)高度一般為：式中設(shè)計(jì)時(shí)的填料高度，m；工藝計(jì)算得到的填料層高度，m。取安全系數(shù)為1.25，則=1.25×9.38=11.73m2.全塔填料層總壓降=521+8200=8721Pa3.全塔填料層高度和壓降計(jì)算匯總表參數(shù)精餾段提餾段全塔壓降（Pa/m）930930-總壓降/Pa52182008721填料層高度/m計(jì)算后填料層高度/m0.56-8.82-9.3811.734.填料支承裝置填料支承裝置的作用是支承塔的填料。常用的填料支承裝置有柵板型、孔管型、駝峰型等。對(duì)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(shí)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(diǎn)數(shù)目與小塔一樣，大型填料塔的傳質(zhì)效率將不會(huì)低于小型塔。本設(shè)計(jì)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(fù)荷彈性大。槽式液體分布器是由分流槽（又稱主槽或一級(jí)槽）、分布槽（又稱副槽或耳機(jī)槽）構(gòu)成的。一級(jí)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(shè)有孔道（或?qū)Ч埽?，將液體均勻分布于填料層