年产5万吨粗甲醇精制车间工艺设计样本.doc

本 科 毕 业 论 文

设计题目：5万吨/年粗甲醇精制车间工艺设计
The Design of 50000 Tons Per Year of Crude Methanol Refining Workshop

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6月1 日

目 录
第一章 概述 - 1 -
1.1甲醇理化性质 - 1 -
1.1.1物理性质 - 1 -
1.1.2化学性质 - 1 -
1.2 甲醇产品关键用途 - 1 -
1.3甲醇行业发展现实状况 - 2 -
1.3.1中国现实状况 - 2 -
1.3.2国外现实状况 - 2 -
第二章 甲醇精馏车间设计 - 3 -
2.1甲醇精馏工艺过程概述 - 3 -
2.2常见工艺[6]比较 - 3 -
2.2.1单塔精馏 - 3 -
2.2.2双塔精馏 - 3 -
2.2.3三塔精馏 - 4 -
2.3设备选型 - 5 -
2.3.1精馏塔 - 5 -
2.3.2其它 - 6 -
2.4设计工艺说明 - 6 -
第三章 工艺计算 - 8 -
3.1物料衡算 - 8 -
3.1.1设计要求 - 8 -
3.1.2计算过程 - 8 -
3.2 能量衡算 - 11 -
3.2.1 预精馏塔热量衡算 - 11 -
3.2.2 加压塔热量衡算 - 13 -
3.2.3 常压塔热量衡算 - 14 -
3.2.4 精馏系统能量结果汇总 - 15 -
第四章 常压精馏塔设计 - 17 -
4.1 基础数据 - 17 -
4.2 塔板数计算 - 18 -
4.2.1处理能力 - 18 -
4.2.2最小理论板数Nm - 18 -
4.2.3最小回流比Rmin - 19 -
4.2.4进料位置ND - 20 -
4.2.5实际理论板数NT - 20 -
4.2.6全塔效率估算ET - 21 -
4.3 精馏段和提馏段体积流量 - 21 -
4.3.1精馏段 - 21 -
4.3.2提馏段 - 23 -
4.4 塔径计算 - 24 -
4.4.1精馏段 - 25 -
4.4.2提馏段 - 25 -
4.5塔内件设计 - 26 -
4.5.1溢流堰设计 - 28 -
4.5.2降液管设计 - 28 -
4.5.3塔板部署及浮阀数目和排列 - 29 -
4.6 塔板流体力学 - 31 -
4.6.1汽相经过浮阀塔压降 - 31 -
4.6.2液泛 - 31 -
4.6.3雾沫夹带 - 32 -
4.7 塔板负荷性能图 - 32 -
4.7.1雾沫夹带线 - 32 -
4.7.2 液泛线 - 33 -
4.7.3 液相负荷上限线 - 34 -
4.7.4 液相负荷下限线 - 34 -
4.7.5 漏液线 - 34 -
4.8常压塔关键尺寸确定 - 34 -
4.8.1 塔高设计 - 34 -
4.8.2 接管设计 - 35 -
第五章 结论 - 38 -
5.1原料粗甲醇成份 - 38 -
5.2物料衡算 - 38 -
5.3能量衡算 - 38 -
5.4常压塔工艺汇总 - 39 -
5.5常压塔设备汇 - 39 -
致 谢 - 40 -
参考文件 - 41 -
附 录 - 43 -

50000吨/年粗甲醇精制车间工艺设计

摘 要：
甲醇是一个关键有机化工原料，在化工、纺织、医药及运输等方面有着广泛应用。在化工领域，甲醇是制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲胺、甲基叔丁基醚、聚乙烯醇、硫酸二甲酯、对苯二甲酸二甲酯、二甲醚、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲醇等产品原料。
甲醇可掺入汽油用作替换燃料。20世纪80年开始，甲醇被用于生产甲醇汽油及甲醇燃料中添加剂，以提升辛烷值，也被用于生产甲醇蛋白等产品，促进了甲醇生产发展和市场需要。
本设计目标是将粗甲醇精制到含量为99.95%精甲醇。基于目前甲醇精馏工艺，三塔精馏技术应用最为广泛。三塔精馏含有能耗低、产品质量高等优点。所以此次工艺设计以三塔精馏工艺为原理，经过物料衡算、能量衡算、设备选型、常压塔（关键设备）尺寸计算和车间布局等完成设计。

关键词：甲醇，精馏，三塔精馏，工艺设计

第一章 概述
1.1甲醇理化性质
1.1.1物理性质
甲醇[1]（CH4O）是结构简单饱和一元醇，分子量为32.04，沸点为64.7℃，是一个无色并带有酒精气味易挥发液体，其CAS号有67-56-1、170082-17-4。甲醇能够和水、醇、乙醚、酯、苯、卤代烃和很多有机溶剂互溶，但不和脂肪烃类化合物互溶。甲醇具体物理性质如表1：

表1 甲醇物理性质表[2]
项目
数值
项目
数值
液态密度kg/m3 (20℃)
804.8
熔点/℃
-97.5
气态密度kg/m3 (100℃)
3.984
闪点（闭环）℃
9.4
气态粘度（100℃）
12.3
沸点℃
64.6
液态粘度 (20℃)
0.580
表面张力mN/m(20℃)
22.07
]
1.1.2化学性质
甲醇由甲基、羟基组成，含有醇所含有化学性质[3]。可发生氧化反应、酯化反应、卤化反应、脱水反应、甲基化反应等。
如：甲醇在纯氧中能够猛烈燃烧，生成水蒸气(I)、二氧化碳(IV)；甲醇和氟气会产生猛烈反应[4]；甲醇和水、乙醇、乙醚、苯、酮、卤代烃和很多其它有机溶剂相混溶，遇热、明火或氧化剂时易燃烧。
1.2 甲醇产品关键用途
1）甲醇是一个极为关键有机化工原料。甲醇关键用作于生产甲醛，甲醇总产量二分之一将用于甲醛生产，甲醛是生产合成树脂不可少原料。甲醇作为甲基化试剂时可用来生产丙烯酸甲酯、甲胺、对苯二甲酸二甲酯、甲烷氯化物、甲基苯胺等；甲醇羰基化能够产生醋酸、甲酸甲酯、醋酸酐等有机合成中间体，这些中间体是制造染料、药品、农药、香料、漆料等原料。
2）甲醇是一个有机溶剂。甲醇溶解性能优于乙醇，能够用来调制漆料。作为萃取剂，甲醇可用于分离部分物质，还可用于检验和测定硼。
3）甲醇可作为优良燃料。在汽车燃油中能够直接添加3-5％甲醇，现在世界各国关注焦点集中在直接将甲醇看成燃料，已被部分发电站作为燃料。
4）甲醇能够被用作防冻剂。冬天汽车水箱中适量添加甲醇能使水箱中循环冷却水不因气温过低而被冻住。
1.3甲醇行业发展现实状况
1.3.1中国现实状况
1950年前后，中国甲醇工业开始发展，以前中国利用前苏联所开发技术建设高压甲醇合成装置，该方法采取Zn-Cr氧化物作为催化剂。1960年以后，中国建成以焦炭和石脑油作为生产原料甲醇生产设备，南化企业所研制开发中压铜基催化剂大大推进合成氨联产甲醇这一生产行业发展。1970年后，中国自主研发合成氨联产甲醇生产工艺过程，九十年代，中国甲醇工业进入快速发展时期，其关键生产工艺为联醇工艺；“十一五”期间出现了以单醇生产为主第二个快速发展期，生产规模、技术水平等方面全部有了很大程度发展。
后，伴随经济连续发展，甲醇可作为清洁液体燃料替换品，所以甲醇得到了大幅推广使用，而甲醇作为煤化工关键产品也一样得到了快速发展，使得甲醇生产能力大幅上升，生产技术也不停提升。
1.3.2国外现实状况
1920年前后，高压法合成甲醇成为甲醇在国外工业化生产标志。这种方法采取Zn-Cr氧化物作为催化剂，一氧化碳和氢气作为原料，操作条件为压力30-35MPa、温度300-400℃。
伴伴随合成技术更新和生产规模扩大，甲醇生产原料也发生了改变，由过去以煤和焦炭气化为路线生产，发展到以天然气和煤作为关键合成原料生产路线，目前由天然气所生产甲醇约占甲醇总生产量80%。煤作为制备甲醇原料气生产工艺中，即使气化和净化比较复杂，而且生产成本相对较高，但对于缺乏油气不过富煤国家和地域，这种生产工艺就成了关键原料路线，约占90%。
第二章 甲醇精馏车间设计
2.1甲醇精馏工艺过程概述
由粗甲醇精制得到精甲醇，采取方法为精馏法，在精制过程中，依据甲醇质量，可采取化学净化和吸收方法。整个精制过程工业上称之为粗甲醇精馏[5]。

2.2常见工艺[6]比较
2.2.1单塔精馏
甲醇单塔精馏过程是将甲醇-水-重组分在一个塔内进行分离过程，该方法能够取得通常工业上所需要精甲醇。优点是节省投资，降低了热能损耗；不过对于纯度要求较高下游生产步骤，一步精馏得到精甲醇纯度远远不能满足要求。
2.2.2双塔精馏（图1）
甲醇精馏中双塔精馏是最为普遍应用甲醇精制方法。特点是步骤简单、操作方便、一次投资少。适适用于精制含有二甲醚等轻组分、还原性杂质含量较低粗甲醇。其中，第一个塔为预精馏塔，第二个塔为主精馏塔，二者再沸器热源全部是来自循环气压缩机驱动透平排出低压蒸汽。

图1，双塔精馏工艺步骤

预精馏塔分离轻组分和溶解性气体，如氢气、一氧化碳、二氧化碳等，塔顶回流大部分水和甲醇。同时从冷凝器里抽一部分冷凝液以降低挥发性较小轻组分。为降低塔顶所排出气体中甲醇损失，可在塔顶设置二级冷凝器。
主精馏塔关键除去重组分，其中包含水、乙醇和高级醇等，得到符合要求精甲醇。原料液从预塔塔底输送到主塔进料口，高级醇从加料板以下侧线引出，含微量甲醇水从塔底排除，精甲醇则从塔顶处冷凝取出。
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。即使消耗高于三塔精馏工艺，但对于生产规模50000t／a以下小装置，其技术经济指标较占优势，其节能降耗路径能够采取高效填料来达成降低蒸汽消耗目标。
2.2.3三塔精馏（图2）
三塔精馏工艺采取两个主精馏塔，第一个主精馏塔为加压塔，第二个塔为常压塔，利用加压塔塔顶蒸汽冷凝热作为第二主精馏塔再沸器加热源。这么不仅节省了加热蒸汽，而且也节省冷却用水，有效利用了热能。

图2，三塔精馏工艺步骤

粗甲醇在槽内和碱液中和后进再沸器加热，后进入预精馏塔，在预精馏塔顶分离出轻组分，塔釜液经过加压泵送至加压塔。在加压塔塔顶位置形成高纯度甲醇蒸汽，作为常压塔塔底再沸器热源，甲醇蒸汽冷凝后经过加压泵送回塔顶回流槽，其中一部分送往加压塔塔顶作为回流液，另一部分作为产品储存。加压塔塔釜没有气化粗甲醇溶液靠加压塔内部压力输送到常压塔。常压塔塔顶生成低压高纯度甲醇气体，进入常压塔冷凝器降温冷凝后一部分回流到塔内，另一部分作为产品送往储槽，常压塔塔底残液再做处理。
生产规模50000t／a以上时，适合采取三塔精馏技术，即使一次性投资较高，约高15％ 一30％ ，但操作费用和能耗全部相对较低，可降低约30％ 一40％。所生产精甲醇质量很好，乙醇含量较低，能满足甲醇羰基化合成醋酸、醋酐等对优质甲醇要求。
2.3设备选型
2.3.1精馏塔
塔设备能够分为板式塔和填料塔两大类。
（1）板式塔内设置一定数量塔板，气体以鼓泡状、泡沫状、蜂窝状、或喷射形式穿过板上液层，进行传质、传热。在正常操作下，气相为分散相，液相为连续相，气相组成呈阶梯改变，属于逐层接触逆流操作过程。
（2）填料塔里装有一定高度填料层，液体从塔顶沿着填料表面往下流，气体逆流向上流，气、液两相接触亲密来进行传质和传热。通常气相是连续相，液相是分散相，气相组成为连续改变，属于微分接触逆流操作过程。
在工业生产中，处理物料量很大时多采取板式塔，塔径在0.8m以下时通常采取填料塔。本设计为年产量5万吨甲醇精制过程，物料量较大，故采取板式塔。

板式塔可分为错流塔板和逆流塔板两大类。
逆流板所需要较高气速才能够维持板上液层，操作范围较小，分离效率很低，工业上用得极少，故本设计采取错流塔板。
在多个关键错流塔板中，最早应用是泡罩塔，而现在使用最广泛是筛板塔和浮阀塔。
泡罩塔 优点：因为升气管高出了液层，不易发生漏液现象，有很好操作弹性，也即当气液流量有较大波动时，仍然能够维持几乎恒定板效率；泡罩塔塔板不易堵塞，适合处理多种物料。缺点：塔板结构复杂，金属量消耗比较大，造价较高；塔板压降较大，兼因雾沫夹带现象比较严重，限制了气速提升，致使塔生产能力和板效率均比较低。
筛板塔 优点：结构比较简单，其造价低廉，气体压降比较小，板上液面落差也比较小，生产能力和塔板效率均比泡罩塔高些。缺点：操作弹性比较小，筛孔小时轻易堵塞。
浮阀塔 浮阀塔兼有泡罩塔和筛板塔优点，成为中国应用最为广泛塔型。现在中国已经采取浮阀有五种，但最常见浮阀形式为F1型、V-4型两种。F1型浮阀又分为轻阀和重阀，对于V-4型浮阀塔特点是阀孔冲成向下面弯曲文丘里形，来降低气体经过浮阀塔板时压强降。阀片除了腿部对应加长以外，其它结构尺寸和F1型轻阀无异。可见V-4型浮阀适合于减压系统。
浮阀塔优点：
①生产能力大。因为浮阀塔板现有较大开孔率，所以它生产能力比泡罩塔大20%至30%，和筛板塔相近。
②操作弹性大。因为阀片能够自由升降来适应气量改变，所以维持正常操作所许可负荷波动范围比泡罩塔和筛板塔全部要宽。
③塔板效率高。因为上升气体以水平方向吹入液层，所以气液接触时间较长，而雾沫夹带量比较小，板效率较高。
④气体压强降及液面落差比较小。因为气液流过浮阀塔板时碰到阻力比较小，所以气体压强降和板上液面落差全部比泡罩塔板小。
⑤塔造价低。因为结构简单，轻易制造，浮阀塔成本造价通常为泡罩塔60%至80%，为筛板塔120%至130%。不过浮阀塔不宜和处理轻易结焦和黏度大系统，不过对于黏度稍微大些及有通常聚合现象系统时，浮阀塔也能够正常操作。
故本设计粗甲醇精馏中，三个塔均采取F1型重阀浮阀塔。
2.3.2其它
精馏装置所隶属设备关键为换热器和泵。包含塔底原料液再沸器、塔顶蒸汽冷凝器、原料液预热器和产品冷却器等。其中再沸器和冷凝器为确保精馏工序正常连续稳定操作是必不可少两类换热器设备。
再沸器其作用可将塔内最终一块板下原料液加热，使液体升温至沸点发生汽化为蒸汽继续上升，提供上升气流，确保塔板气液相进行传质。
冷凝器将蒸汽进行冷凝为液体，部分或全部冷凝液参与回流，提供精馏塔内下降液流，确保气液相传质。而部分冷凝器是为了冷却产品。

2.4设计工艺说明
稀碱液从碱液槽（D109）进入中和罐（D102），粗甲醇由粗甲醇罐（D101）经过原料泵（P101）进入中和罐（D102），二者在中和罐（D102）中进行混合，调整酸碱度，经过原料预热器（E101）加热到一定温度后进入预精馏塔（T101）。
在预精馏塔（T101）中，粗甲醇数次部分汽化和部分冷凝分离出轻组分，从塔顶出来气体先经过一级冷凝器（E102）冷却后粗甲醇液体送回预塔回流罐（D103），部分未冷凝二甲醚等和未完全冷凝甲醇气体再进入二级冷凝器（E103）继续冷凝，冷凝液进入预精馏塔回流罐（D103），气体排出进行燃烧或送入转化工序。预精馏塔回流罐（D103）内粗甲醇经预塔回流泵（P102）返回预精馏塔塔顶回流。塔釜液经过再沸器（E104）进行加热原料液来确保上升气流。
脱出轻组分粗甲醇原料液从预精馏塔（T101）塔釜出来经过加压塔进料泵（P103）加压，再经过预热器（E105）升温后，送入加压精馏塔（T102）。
在加压精馏塔（T102）中，塔底再沸器（E107）确保了上升气流流速，塔顶送出高温甲醇蒸汽 进入常压再沸器（E109）作为热流体和常压塔塔底液体换热，换热后精甲醇一部分经过加压塔回流泵（P104）送往塔顶做回流液，另一部分经过加压塔产品冷却器（E106）冷却后送往精甲醇产品储罐。
从加压塔底部出来粗甲醇因加压塔本身压力直接经过预热器（E113）加热后输送到常压塔（T103）。
在常压塔顶得到了高纯度甲醇蒸汽，进入常压塔顶冷凝器（E110）冷凝，冷凝液送到常压塔回流罐（D105）缓冲；从常压塔冷凝器（E110）出来气体再经过常压塔排气冷凝器（E113）冷凝，冷凝液也送到回流罐（D105），排气冷凝器上部没有冷凝气体放空。常压塔回流槽出来精甲醇经过分配器一部分常常压塔回流泵（P105）送回塔内回流，另一部分经产品冷却器（E108）去精甲醇产品储罐。塔底釜液经冷却器（E112）冷却后送往釜液罐（D108）进入处理工序。
第三章 工艺计算
3.1物料衡算
3.1.1设计要求
表2 粗甲醇成份及含量
成份
N2和Ar
CO2
H2O
CH3OH
CH3OCH3
C2H5OH
C4H9OH
含量（wt%）
0.02
1.69
7.50
90.29
0.20
0.15
0.15

要求：A．粗甲醇中甲醇回收率大于99%(重量百分含量)
B．精馏工段产品为精甲醇，其甲醇含量大于99.95%(重量百分含量)
C．加压塔和常压塔采出量之比4∶6计算，常压塔釜液含有甲醇1%
3.1.2计算过程
（1）整体计算（F=D+W）
化工行业年工作日志为330天
精甲醇年产量为50000 t，粗甲醇中含甲醇量为90.29%
则精甲醇产量为： = 6.3131 t/h = 6313.1 kg/h
粗甲醇进料量为： =6992.0 kg/h
粗甲醇中各组分量计算后整理如表3：
表3 粗甲醇中各组分量
组 分
含 量
进 料 量
N2＋Ar
0.02%
6992.0×0.02%=1.4kg/h
CO2
1.69 %
6992.0×1.69%=118.2kg/h
CH3OH
90.29%
6992.0×90.29%=6313.1 kg/h
CH3OCH3
0.2%
6992.0×0.2%=14.0 kg/h
C2H5OH
0.15%
6992.0×0.15%=10.5 kg/h
C4H9OH
0.15%
6992.0×0.15%=10.5 kg/h
H2O
7.5%
6992.0×7.5%=524.4 kg/h
其中：1.初馏分为乙醇和丁醇
2.轻馏分为甲醚
3.不凝气为二氧化碳、氮气、氩气。
（2）预精馏塔
进料：
1.粗甲醇=6992.0kg/h（其中精甲醇6313.1 kg/h）
2.碱液：为预防工艺管路和设备腐蚀，加入8%氢氧化钠溶液和酸性物质反应中和，使其呈弱碱性，每吨精甲醇耗碱量按0.1kg计算
则消耗NaOH量=0.1×6.3=0.63kg/h
NaOH溶液量=0.63÷8%＝7.875kg/h
碱液中水量=7.875×(1-8%)=7.25kg/h
3. 软水：软水加入量按精甲醇20%计
则需补加软水=6313.1×20%-7.25-524.4=731.0kg/h
出料：
表4 塔顶出料表
N2＋Ar
CH3OCH3
CO2
1.4kg/h
14.0 kg/h
118.2kg/h

表5 塔釜出料表
甲醇
乙醇
丁醇
水
氢氧化钠
总量
6313.1kg/h
10.5 kg/h
10.5 kg/h
1262.6 kg/h
0.63kg/h
7597.3kg/h

表6 预精馏塔进出料总表
物料
N2和Ar （kg/h）
CO2
（kg/h）
H2O
（kg/h）
NaOH （kg/h）
CH3OH
（kg/h）
CH3OCH3 （kg/h）
C2H5OH （kg/h）
C4H9OH （kg/h）
累计（kg/h）
进料
1.4
118.2
1262.6
0.63
6313.1
14.0
10.5
10.5
7730.9
顶出
1.4
118.2

14.0

133.6
釜出

1262.6
0.63
6313.1

10.5
10.5
7597.3

（3）加压塔物料衡算
进料（预精馏塔塔釜出料）：
①水 量= 预精馏塔出料水量 =1262.6 kg/h
②甲 醇 量= 预出料甲醇量 =6313.1 kg/h
③初 馏 物= 预出料初馏物 =10.5+10.5=21.0 kg/h
④氢氧化钠=预 出 料 碱 量=0.63kg/h
⑤总进料量=预塔底出料总量=7597.3 kg/h

表7 加压塔进料含量表
H2O
CH3OH
初馏物
NaOH
总量
1262.6 kg/h
6313.1 kg/h
21.0 kg/h
0.63kg/h
7597.3 kg/h
出料：
A. 塔顶出料
产品甲醇（1）=6313.1×4/10×1/0.9995＝2526.5kg/h
B. 塔釜出料
塔釜出料=7597.3-2526.5=5070.8 kg/h

表8 加压精馏塔总表
物料
H2O
NaOH
CH3OH
初馏物
累计
进料
1262.6kg/h
0.63kg/h
6313.1kg/h
21.0kg/h
7597.3kg/h
顶出
2526.5kg/h（产品甲醇1）
釜出
7597.3-2526.5=5070.8 kg/h
（4）常压塔物料衡算
进料：
总进料量=加压塔塔釜出料量=5070.8 kg/h
出料：
A. 塔顶出料
产品甲醇（2）=6313.1×6/10×99%×1/0.9995=3751.9kg/h
B. 塔釜出料
水=1262.6kg/h
NaOH=0.63 kg/h
初馏物=21.0kg/h
甲醇=5070.8-3751.9-1262.6-0.63-21.0=34.67kg/h
（5）粗甲醇中甲醇回收率
表9 物料平衡汇总表
成份
物料
加压塔出料
常压塔出料
常压塔釜出料
甲醇
6313.1kg/h
2526.5kg/h
3751.9kg/h
34.67 kg/h
NaOH
0.63 kg/h

0.63 kg/h
水
1262.6 kg/h

1262.6 kg/h
初馏物
21.0 kg/h

21.0 kg/h
累计
7597.3kg/h
2526.5kg/h
3751.9kg/h
1318.9kg/h

甲醇回收率=（加压塔采出精甲醇量+常压塔采出精甲醇量）/粗甲醇中精甲醇量
=（2526.5+3751.9）/6313.1 =99.45%

3.2 能量衡算（）
3.2.1 预精馏塔热量衡算
(1)进料带入热量
取回流液和进料量之比为1:4，

表10 预塔带入热量表
进热项目
粗甲醇
软水
回流液
热蒸汽
成份
二甲醚
甲醇
水
异丁醇
外补水
碱液
甲醇
水
流量kg/h
14.0
6313.1
524.4
10.5
731.0
7.25
1896.56

温度℃
65
65
65
65
78
78
60

比热kJ/kg℃

2.96
4.187
2.31
4.187
4.187
2.86

焓kJ/kg
1280.38

2118.62
热量kJ
17925.32
1214640.44
142718.08
1576.58
238734.37
2367.75
325449.70
Q蒸汽

Q入＝Q粗甲醇＋Q软水＋Q回流液＋Q蒸汽
＝17925.32＋1214640.44＋142718.08＋1576.58＋238734.37＋2367.75＋325449.70＋Q蒸汽
＝1943412.24＋Q蒸汽
(2)出料热量计算

表11 物料带出热量表
出热部分
塔顶
塔底
热损失
成份
二甲醚
回流液
甲醇
水＋（碱液）
以5%计
液体比热kJ/kg℃
2.64
2.93
3.223
4.187

流量kg/h
14.0
1896.56
6313.1
1262.65

液体冷凝热kJ/kg
523.38
1046.75

温度℃
64
64
82
82

热量kJ
9692.76
2340867.11
1668463.95
433510.68
5%Q入

Q出＝Q二甲醚＋Q回流液＋Q预后甲醇＋Q损
＝9692.76＋2340867.11＋1668463.95＋433510.68＋5%Q人
＝4452534.50＋5%Q入
因为能量守恒，所以Q入＝Q出
即 1943412.24＋Q蒸汽＝4452534.50＋5%Q入=4452534.50+5%（1943412.24＋Q蒸汽）
解得 Q蒸汽＝2743466.18kJ/h

塔底再沸器经过0.35Mpa蒸汽加热，不计冷凝水显热，则所需蒸汽量为：
G1蒸汽＝＝1294.93kg/h

表12 预精馏塔热量总表
带入热量kJ/h
带出热量kJ/h
粗甲醇入热
1376860.42
塔顶二甲醚出热
9692.76
塔顶加入冷凝残液入热
241102.12
塔顶回流甲醇蒸汽
2340867.11
塔顶回流液入热
325449.70
塔底预后粗甲醇
2101974.63
加热蒸汽
2743466.18
热损失
234343.92
总入热
4686878.42
总出热
4686878.42

（3）冷却水用量：
设入口冷却水温度30℃，出口冷却水温度40℃，平均比热为4.187kJ/kg℃
Q入＝Q甲醇＋Q甲醇蒸汽＝9692.76＋2340867.11＝2350559.87kJ/h
Q出＝Q二甲醚＋Q回流液＋Q损失＝9692.76＋325449.70＋234343.92＝569486.38kJ/h
Q传＝Q入－Q出＝2350559.87－569486.38＝1781073.49kJ/h
又Q传＝G1水×4.187×（40－30）
则G1水＝42538.18kg/h
3.2.2 加压塔热量衡算
经过ChemCAD调试条件以下：
塔顶温度=115℃
回流温度=115℃
塔底温度=124℃
进料温度=82℃
回流比=2.8
甲醇温度=40℃
(1)进料带入热量
表13 进料带入热量表
物料
进料
回流液
加热蒸汽
组分
甲醇
水＋碱液
甲醇

流量kg/h
6313.1
1262.6
7074.2

温度℃
100
100
115

比热kJ/kg℃
3.373
4.187
3.71

热量kJ/h
2129408.63
528650.62
3018207.43
Q蒸汽
总计kJ/h
2658059.25
3018207.43
Q蒸汽
Q入＝Q进料＋Q回流＋Q蒸汽＝2658059.25＋3018207.43＋Q蒸汽 ＝5676266.68＋Q蒸汽

(2)物料带出热量
表14 出料带出加压塔热量表
物料
精甲醇
回流液
塔底出料
热损失
组分
甲醇
甲醇
甲醇
水＋碱

流量kg/h
2526.5
7074.2
3786.6
1262.6

温度℃
115
115
124
124

比热kJ/kg℃
3.71
3.71
3.87
4.26

汽化热
1046.75
1046.75

热量kg/h
3722545.10
10423126.28
1817113.61
666955.82
5%Q入
Q出＝Q精甲醇＋Q回流＋Q塔底＋Q热损失
＝3722545.10＋10423126.28＋1817113.61＋666955.82＋5%Q入
＝16629740.81＋5%Q入
Q入＝Q出 ，即5676266.68＋Q蒸汽＝16629740.81＋5%Q入
解得，Q蒸汽＝11828723.65kJ/h
加压塔采取中压蒸汽加热，所需蒸汽量G2蒸汽＝＝5583.22kg/h
回流液和产品冷凝潜热
Q潜＝（2526.5＋7074.2）×1046.75＝10049532.73kJ/h
供给常压塔再沸器热量
Q供＝Q潜×（1－5%）＝10049532.73×（1－5%）＝9547056.09kJ/h
3.2.3 常压塔热量衡算
经过ChemCAD调试条件以下：
塔顶温度=65℃
塔釜温度=105℃
进料温度=70℃
回流液温度=40℃
冷却水进口温度=30℃
冷却水出口温度=40℃
回流比=3.23

(1)物料带入热量

表15 常压塔入塔热量表
物料
进料
回流液
再沸器加热
组分
甲醇
水＋碱
甲醇

流量kg/h
5070.8
1262.6
12118.64

温度℃
70
70
40

比热kJ/kg℃
3.056
4.187
2.68

热量kg/h
1084745.54
370055.43
1299117.89
Q加热
Q入＝Q进料＋Q回流液＋Q加热
＝1084745.54＋370055.43＋1299117.89＋Q加热 ＝2753918.86＋Q加热

(2)物料带出热量
表16 常压塔出塔热量表
物料
精甲醇
回流液
釜液
热损失
成份
甲醇
甲醇
甲醇
水＋碱

流量kg/h
3751.9
12118.64
34.67
1262.6

温度℃
65
65
105
105

比热 kJ/kg℃
2.96
2,96
3.51
4.187

潜热kJ/kg
1046.75
1046.75

热量kJ/h
4649166.89
15016812.76
12777.63
555083.15
5%Q入
Q出＝Q精甲醇＋Q回流液＋Q釜液＋Q热损失
＝4649166.89＋15016812.76＋12777.63＋555083.15＋5%Q入
＝20233840.43＋5%Q入
Q入＝Q出 ，即2753918.86＋Q加热＝20233840.43＋5%（2753918.86＋Q加热）
解得，Q加热＝18544860.54kJ/h
因为Q供＝9547056.09kJ/h
中压蒸汽加热量：
Q蒸汽＝Q加热－Q供＝18544860.54－9547056.09＝8997804.45kJ/h
故所需蒸汽量： G3蒸汽＝＝4247.01kg/h
冷却水用量：
对于热流体
Q入＝21298779.4kJ/h
Q出＝Q精甲醇（液）＋Q回流液（液）＝（3751.9＋12118.64）×40×2.68＝1701321.89kJ/h
Q传＝Q入（1－5%）－Q出＝21298779.4×95%－1701321.89＝18532518.54kJ/h
冷却水用量为：G3水＝＝442620.46kg/h

3.2.4 精馏系统能量结果汇总
A.外加蒸汽总量：G蒸汽＝G1蒸汽＋G2蒸汽＋G3蒸汽
＝1294.93＋5583.22＋4247.01＝11125.16kg/h
B.冷却水总量：G水＝G1水＋G3水
＝42538.18＋442620.46＝485158.64kg/h
C.热量总表见表17：
表17 精馏系统能量衡算总表
项目
物流
预塔
加压塔
常压塔
带入热量kJ/h
进料
1617962.54
2658059.25
1454800.97
回流
325449.70
3018207.43
1299117.89
加热
2743466.18
11828723.65
18544860.54
累计
4686878.42
17504990.33
21298779.40
带出热量kJ/h
塔顶出料
2350559.87
14145671.38
19665979.65
塔釜出料
2101974.63
2484069.43
567860.78
热损失
234343.92
875249.52
1064938.97
累计
4686878.42
17504990.33
21298779.40

第四章 常压精馏塔设计
设计要求：
A.要求精甲醇纯度为质量分数99.95%
B.操作条件： 塔顶压力=0.01×106Pa
塔底压力=0.07×106Pa
进料温度=70℃
塔顶温度=65℃
塔底温度=105℃
回流液温度=40℃

4.1 基础数据
（1）含量计算
常压塔进料液相甲醇含量：×100%≈74.7%
【查表[2]得到对应汽相中甲醇含量为87.18%】

原料液中甲醇摩尔分数：Yf＝×100%＝79.3%
精甲醇中甲醇摩尔分数：Yd＝×100%＝99.9%
残液中甲醇摩尔分数：Yw＝＝2.9%

进料液气相中甲醇摩尔分数：Xf＝＝62.8%
精甲醇中甲醇摩尔分数：Xd＝＝99.9%
残液中甲醇摩尔分数：
Xw＝＝1.5%
进料液平均摩尔质量：
Mf＝XfM甲醇＋（1－Xf）M水＝62.8%×32＋（1－62.8%）×18＝26.79kg/kmol
馏出液平均摩尔质量：
Md＝XdM甲醇＋（1－Xd）M水=99.9%×32＋（1-99.9%）×18=31.99kg/kmol
釜残液平均摩尔质量：
Mw＝XwM甲醇＋（1－Xw）M水=1.5%×32＋（1-1.5%）×18=18.21kg/kmol

（2）操作温度和压力
入口压力（表压）：（0.07×106－0.01×106）×69/85＋0.01×106＝58.71 kPa
精馏段
平均温度：1/2×（70＋65）＝67.5℃
平均压力（表压）：1/2(58.71×103＋10×103) ＝34.35kPa
提馏段
平均温度：1/2(70＋105) ＝87.5℃
平均压力（表压）：1/2(58.71×103＋70×103) ＝64.36kPa
4.2 塔板数计算
4.2.1处理能力
F＝＝＝189.28kmol/h
精馏段物料量[7]：
D精＝F×＝189.28×＝117.92kmol/h
提馏段物料量：
W提＝F×＝189.28×＝71.36kmol/h
4.2.2最小理论板数Nm
先求平均挥发度：
查数据手册[2，9]得到以下数据：
表18 饱和蒸汽压表

甲醇饱和蒸汽压
水饱和蒸汽压
65℃
103.194kPa
25.014 kPa
70℃
125.146 kPa
31.164 kPa
105℃
411.397 kPa
120.850 kPa
由公式[7]得：
A．塔顶（65℃）处相对挥发度

B．加料板（70℃）处相对挥发度

C．塔底（105℃）处相对挥发度

平均挥发度：
已知：Xd＝99.9%,Xw＝1.5%;
由Fenske公式[7]：
块
4.2.3最小回流比Rmin
塔中各组分如表19：
表19 各组分参数列表
组分
进料组成Xi,F
釜液组成Xi,W
i