甲醇水精馏塔基本工艺设计.doc

年产量4.4万吨甲醇水溶液精馏工艺设计摘要甲醇最早由木材和木质素干馏制，故俗称木醇，这是最简朴饱和脂肪组醇类代表物。无色、透明、高度挥发、易燃液体。略有酒精气味。分子式 C-H4-O。近年来，世界甲醇生产能力发展速度较快。甲醇工业迅速发展，是由于甲醇是各种有机产品基本原料和重要溶剂，广泛用于有机合成、染料、医药、涂料和国防等工业。由甲醇转化为汽油办法研究成果，从而开辟了由煤转换为汽车燃料途径。近年来碳一化学工业发展，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甲醇树脂等产品，正在研究开发和工业化中。甲醇化工已成为化学工业中一种重要领域。当前，国内甲醇市场随着国际市场原油价格在变化,总体趋势是走高。随着原油价格进一步提高，作为有机化工基本原料甲醇价格还会稳步提高。国内又有一批甲醇项目在筹建。这样，选取最佳工艺利设备，同步选用最适当操作办法是至关重要。本计为分离甲醇水混合物。对于二元混合物分离，应采用持续精馏流程。设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一某些加回流至塔内，别的某些经产品冷却器冷却后送至储罐。塔釜采用间接蒸汽加热，塔底产品经冷却后送至储罐，设计对其生产过程和重要设备进行了物料衡算、塔设备计算、热量衡算、换热器设计等工艺计算。 核心字：精馏 泡点进料 物料衡算 目录 绪论.1 1精馏塔物料衡算.51.1原料液及塔顶和塔底摩尔分率.51.2原料液及塔顶和塔底产品平均摩尔质量.51.3物料衡算.5 2塔板数拟定.62.1理论板层数求取.62.1.1求最小回流比及操作回流比.72.1.2求精馏塔气、液相负荷.72.1.3求操作线方程.72.2实际板层数求取.7 3 精馏塔工艺条件及关于物性数据计算.83.1操作压力.83.2操作温度.83.3平均摩尔质量计算.93.4平均密度计算.9 精馏段 3.4.1气相平均密度计算.10 3.4.2液相平均密度计算.10 提馏段 3.4.3气相平均密度计算.10 3.4.4液相平均密度计算.11 3.5液体平均表面张力计算113.6液体平均粘度124精馏塔塔体工艺尺寸计算124.1塔径计算12 4.1.1精馏段塔径计算.12 4.1.2 提馏段踏进计算.144.2精馏塔有效高度计算.145 塔板重要工艺尺寸计算.15 精馏段5.1溢流装置计算.155.1.1堰长.155.1.2溢流堰高度.155.1.3弓形降液管宽度和截面积.165.1.4降液管底隙高度.16 提馏段5.2溢流装置计算.165.2.1堰长.175.2.2溢流堰高度.175.2.3弓形降液管宽度和截面积.17 5.2.4 降液管底间隙高度.175.3塔板布置.18 精馏段5.3.1塔板分块.185.3.2边沿区宽度拟定.185.3.3开孔区面积计算.185.3.4筛孔计算及排列18 提馏段5.3.5塔板分块195.3.6边沿区宽度拟定195.3.7开孔区面积计算195.3.8筛孔计算及排列.196塔板流体力学验算20 精馏段6.1塔板压降206.1.1干板阻力计算206.1.2气体通过液层阻力计算206.1.3液体表面张力阻力计算206.2液面落差216.3液沫夹带216.4漏液216.5液泛22 提馏段6.6塔板压降226.6.1干板阻力计算226.6.2气体通过液层阻力计算236.6.3液体表面张力阻力计算236.7液面落差.236.8液沫夹带.236.9漏液.24 6.10液泛.24 7塔板负荷性能图25 精馏段7.1漏液线257.2液沫夹带线267.3液相负荷下限线267.4液相负荷上限线277.5液泛线27 提馏段7.6漏液线297.7液沫夹带线307.8液相负荷下限线317.9液相负荷上限线31 7.10液泛线.328筛板塔设计计算成果339 辅助设备及选型.35 9.1原料储罐 .35 9.2 产品储罐.35 9.3 塔顶全凝器.36 9.4 塔底再沸器.36 9.5 精馏塔.37 9.6 接管尺寸计算.37 9.6.1 塔顶蒸气出口管直径.37 9.6.2 回流管直径.37 9.6.3 进料管直径.38 9.6.4 塔底出料管直径.38 9.7 泵计算.3910. 参照文献.4011 评述.40 12 重要符号阐明.41道谢.43 附：工艺流程图 设备图 绪论甲醇生产现状 甲醇性质 目国内甲醇装置规模普遍较小，且多采用煤头路线，以煤为原料约占到78%；单位产能投资高，约为国外大型甲醇装置投资2倍，导致财务费用和折旧费用高。这些都影响成本。据理解，国内有近200家甲醇生产公司，但其中10万吨/年以上装置却只占20%，最大甲醇生产装置产能也就是60万吨/年，别的80%都是10万吨/年如下装置。依照这样装置格局，业内普遍预计，当前国内甲醇生产成本大概在1400元1800元/吨（约200美元/吨）。一旦浮现市场供过于求局面，国内甲醇价格有也许要下跌到约元/吨，甚至更低。这对产能规模小、单位产能投资较高国内大某些甲醇生产公司来讲会压力剧增不但如此，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，涉及德国鲁奇公司、丹麦托普索公司、英国卜内门化工公司和日本三菱公司等公司技术。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，但国外甲醇生产公司依托长期供应合同将价格影响因素降至最低不但如此，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，涉及德国鲁奇公司、丹麦托普索公司、英国卜内门化工公司和日本三菱公司等公司技术。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，但国外甲醇生产公司依托长期供应合同将价格影响因素降至最低。 而国内大某些甲醇生产以煤为原料，气化装置规模有限和占地面积大先天缺陷制约着甲醇生产装置向大型化发展。同步近年来煤炭价格大幅度上涨对本来还具备一定成本优势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，运送费用较高。种种因素进一步削弱了煤基甲醇价格竞争力 尽管国内已成为最重要甲醇生产国，但当前国内甲醇生产公司还属内向型公司，产品几乎所有面向国内市场，建设项目市场分析和决策几乎也所有依赖于国内市场，出口量微乎其微，主线无暇顾及到国际市场上需求和变化，因而甲醇有着很大发展空间，甲醇性质甲醇（Methanol，Methylalcohol）又名木醇，木酒精，甲基氢氧化物，是一种最简朴饱和醇。化学分子式为CH3OH，构造式如下： H|H-C-OH|H分子构造：C原子以sp3杂化轨道成键，0原子以sp3杂化轨道成键。分子为极性分子。最早从木材干馏得到故又称木醇或木精。甲醇是无色有酒精气味易挥发液体。熔点-93.9、沸点64.7、密度0.7914克/厘米3（20）、能溶于水和许多有机溶剂。甲醇有毒，误饮510毫升能双目失明，大量饮用会导致死亡。禁酒国家，把甲醇掺入酒精中成变性酒精，使其不能饮用。甲醇易燃，其蒸气与空气能形成爆炸混合物，甲醇完全燃烧生成二氧化碳和水蒸气，同步放出热量：2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O。工业上用一氧化碳和氢气混合气（合成气）在一定条件下制备甲醇：甲醇可用做溶剂和燃料，也是一种化工原料，重要用于生产甲醛（HCHO）：工业酒精里具有甲醇，但是工业酒精重要成分还是乙醇。甲醇有较强毒性，对人体神经系统和血液系统影响最大，它经消化道、呼吸道或皮肤摄入都会产生毒性反映，甲醇蒸气能损害人呼吸道粘膜和视力。急性中毒症状有：头疼、恶心、胃痛、疲倦、视力模糊以至失明，继而呼吸困难，最后导致呼吸中枢麻痹而死亡。慢性中毒反映为：眩晕、昏睡、头痛、耳鸣、现力减退、消化障碍。甲醇摄入量超过4克就会浮现中毒反映，误服一小杯超过10克就能导致双目失明，饮入量大导致死亡。致死量为30毫升以上，甲醇在体内不易排出,会发生蓄积，在体内氧化生成甲醛和甲酸也均有毒性。在甲醇生产工厂，中华人民共和国关于部门规定，空气中容许甲醇浓度为5mg/m3，在有甲醇气现场工作须戴防毒面具，废水要解决后才干排放，容许含量不大于200mgL甲醇中毒机理是，甲醇经人体代谢产生甲醛和甲酸（俗称蚁酸），然后对人体产生伤害。常用症状是，先是产生喝醉感觉，数小时后头痛，恶心，呕吐，以及视线模糊。严重者会失明，乃至丧命。失明因素是，甲醇代谢产物甲酸会累积在眼睛部位，破坏视觉神经细胞。脑神经也会受到破坏，产生永久性损害。甲酸进入血液后，会使组织酸性越来越强，损害肾脏导致肾衰竭。甲醇中毒，普通可以用乙醇解毒法。其原理是，甲醇自身无毒，而代谢产物有毒，因而可以通过抑制代谢办法来解毒。甲醇和乙醇在人体代谢都是同一种酶，而这种酶和乙醇更具亲和力。因而，甲醇中毒者，可以通过饮用烈性酒（酒精度普通在60度以上）方式来缓和甲醇代谢，进而使之排出体外。而甲醇已经代谢产生甲酸，可以通过服用小苏打（碳酸氢钠）方式来中和。 甲醇用途当前，甲醇在有机合成工业中，是仅次于烯烃和芳烃重要基本有机原料。随着技术发展和能源构造变化，甲醇又开辟了许多新用途。甲醇是较好人工合成蛋白原料，蛋白转化率较高，发酵速度快，无毒性，价格便宜。甲醇用途广泛，是基本有机化工原料和优质燃料。重要应用于精细化工，塑料等领域，用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲脂等各种有机产品，也是农药、医药重要原料之一。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。甲醇是容易输送清洁燃料，可以单独或与汽油混合伙为汽车燃料，用它作为汽油添加剂可起节约芳烃，提高辛烷值作用，汽车制造也将成为耗用甲醇巨大部门，甲醇消费已超过其老式用途，潜在耗用量远远超过其化工用途，渗入到国民经济各个部门。特别是随着能源构造变化，甲醇有将来重要燃料候补燃料之称，需用量十分巨大。国内当前甲醇产量还较低，但近年来发展速度较快，近五年来甲醇生产规模有了突飞猛进发展。从国内能源构造出发，甲醇由煤制技术已经成熟，近几年由煤制甲醇工艺已经全面工业化生产，将来在国内甲醇有但愿代替石油燃料和石油化工原料，蕴藏着潜在巨大市场。国内甲醇工业无疑将迅速发展起来。（注：下标A表达CH3OH ， 下标B表达H2O)1 精馏塔物料衡算1.1 原料液及塔顶和塔底摩尔分率甲醇摩尔质量 =32.04kg/kmol水摩尔质量 =18.02kg/kmol1.2 原料液及塔顶和塔底产品平均摩尔质量=0.28932.04+(1-0.289) 18.02=22.07kg/kmol=0.88632.04+(1-0.886) 18.02=30.16kg/kmol=0.00632.04+(1-0.006) 18.02=18.10kg/kmol1.3 物料衡算原料解决量： 依照回收率： = xdD/(xfF)=99%代入数据得： D=82.33kmol/h 由总物料衡算：F= D+W以及： xfF= xd D+Wxw容易得出： W=166.88kmol/h2 塔板数拟定2.1 理论板层数求取由于甲醇与水属于抱负物系，可采用图解法求解（见相平衡图 ）求最小回流比及操作回流比泡点进料： 故最小回流比为=取操作回流比为R=2=20.547=1.094.2.1.1 求精馏塔气、液相负荷 2.1.2 求操作线方程精馏段操作线方程为=+=+=0.523+0.413 （a）提馏段操作线方程 2.2 实际板层数求取由图解法求得 精馏塔理论塔板数为 =8 (涉及再沸器) 进料板位置： 由已知条件得，全塔效率为ET=50%，则可得 精馏段实际板层数 块 提馏段实际板层数 块3 精馏塔工艺条件及关于物性数据计算3.1 操作压力 3.2 操作温度由于甲醇水溶液属于双组分抱负溶液，因而可通过双组分抱负溶液汽液相平衡图查取塔顶温度 进料板温度 塔釜温度 精馏段平均温度 提留段平均温度 3.3平均摩尔质量计算塔顶平均摩尔质量计算由， 进料板平均摩尔质量计算 塔釜平均摩尔质量计算 由y1=0.006 x1=0.001 MVWm=0.00632.04+(1-0.006)18.02=18.09kg/kmol MLWm=0.00132.04+(1-0.001)18.02=18.02kg/kmol精馏段平均摩尔质量 提馏段平均摩尔质量 MVm=(27.37+18.09)/2=22.73kg/kmol MLm=(22.28+18.02)/2=20.15kg/kmol3.4平均密度计算精馏段平均密度计算3.4.1气相平均密度计算由抱负气体状态方程计算，即 3.4.2液相平均密度计算液相平均密度依下式计算，即 塔顶液相平均密度计算由，查手册2得 进料板液相平均密度计算由，查手册得 进料板液相质量分率 精馏段液相平均密度为 提馏段平均密度计算3.4.3气相平均密度计算由抱负气体状态方程得3.4.4液相平均密度计算查可得tw=102.8时 A718.6kg/m3 B=957.2kg/m3提馏段平均密度 Lm=(956.6+855.2)/2=905.9kg/m33.5液体平均表面张力计算液相平均表面张力依下式计算，即 塔顶液相平均表面张力计算由，查手册2得 进料板液相平均表面张力计算由，查手册2得 塔底液相平均表面张力计算 由tW=102.8查得 A= 14.48N/m B=58.27mN/mLWm=0.00614.48+0.99458.27=58.01mN/m精馏段液相平均表面张力为提馏段液相平均表面张力Lm=(48.44+58.01)/2=53.23mN/m3.6平均粘度计算塔顶物料黏度：用内插法求得，查手册2得 求得 液体平均粘度进料黏度：用内插法求得查手册2得 求得塔釜物料黏度：用内插法求得，查手册得 求得精馏段液相平均黏度：提馏段液相平均黏度：4 精馏塔塔体工艺尺寸计算 4.1 塔径计算4.1.1精馏段塔径计算精馏段气、液相体积流率为史密斯关联图查取，图横坐标为 由 式中C由式计算，其中由取板间距，板上液层高度，则查史密斯关联图3得=0.070 u max 取安全系数为0.8，则空塔气速为u按原则塔径圆整后为 D=1.0m塔截面积为实际空塔气速为u实际u实际/ umax=1.720/2.217=0.7760.8(安全系数在充许范畴内，符全设计规定)4.1.2提馏段塔径计算 提馏段气、液相体积流率为 VS= LS=史密斯关联图查取，图横坐标为 由 式中C由式计算，其中由取板间距，HT=0.40m，板上清液层高度hL=0.06m，则HT-hL=0.34 m由史密斯关联图，得知 C20=0.070气体负荷因子 s取安全系数为0.8，则空塔气速为 u=0.8umax=0.82.93=2.344m/s按原则塔径圆整后为D=1.0m塔截面积为At=3.1411=0.785 m2实际空塔气速为u/umax=1.786./2.93=0.6100.02故降液管底隙高度设计合理。选用凹形受液盘，深度。提留段5.2.溢流装置计算因塔径D=1m，因此可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘（同精馏段）。各项计算如下：5.2.1 堰长lw可取lw=0.6/D=0.6m5.2.2 溢流堰高度hw由hw=hLhow可选用平直堰，堰上层液高度how由下列公式计算，即有取板上清液层高度hL=0.06 m故 hw=0.06-0.0149=0.0451 m5.2.3 弓形降液管宽度Wd和截面积Af 故 依式验算液体在降液管中停留时间，即 验证成果为降液管设计符合规定。5.2.4降液管底隙高度ho 取 uo=0.16m 则 故降液管底隙高度设计合理选用凹形受液盘，深度hw=50mm。5.3塔板布置精馏段5.3.1塔板分块因，故塔板采用分块板。查塔板分块表得，塔板分为3块。 5.3.2边沿区宽度拟定取 Ws=0.05 Wc=0.0355.3.3开孔区面积计算开孔区面积按式计算其中 故 5.3.4筛孔计算及排列本设计所解决物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取利孔直径筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为筛孔数目n为个开孔率为 气体通过阀孔气速为提留段5.3.5塔板分块由于D 800mm，因此选取采用分块式，查表可得，塔板可分为3块。5.3.6边沿区宽度拟定取Ws=Ws= 0.05m， Wc=0.035m5.3.7开孔区面积计算开孔区面积按式计算其中 故 5.3.8筛孔计算与排列本设计所解决物系无腐蚀性，可选用碳钢板，取利孔直径筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为筛孔数目n为个开孔率为 气体通过阀孔气速为6 算塔板流体力学验精馏段6.1 塔板压降6.1.1 干板阻力计算干板阻力由式计算由，查干筛孔得流量系数图3得， 故 液柱6.1.2 气体通过液层阻力计算气体通过液层阻力由式计算 查充气系数关联图，得0.54。液柱6.1.3 液体表面张力阻力计算液体表面张力阻力可按式计算，即 液柱气体通过没层塔板液柱高度可按下式计算，即 液柱 气体通过每层塔板压降为 （设计容许值）6.2 液面落差对于筛板塔，液面落差很小，且塔径和液流量均不大，故可忽视液面落差影响。6.3 液沫夹带液沫夹带量由下式计算，即 故 故在本设计中液沫夹带量在容许范畴内。6.4 漏液对筛板塔，漏液点气速可由下式计算，即 实际孔速稳定系数为故在本设计中无明显液漏。6.5 液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高度应服从下式关系，即 甲醇水物系属普通物系，取，则 =0.5(0.40+0.048)=0.224而 板上不设进口堰，可由下式计算，即 液柱 液柱 故在本设计中不会发生液泛现象。提留段6.6 塔板压降6.6.1干板阻力计算干板阻力由式计算由，查干筛孔得流量系数图3得， 故 液柱6.6.2气体通过液层阻力计算气体通过液层阻力由式计算 查充气系数关联图，得0.56。液柱6.6.3液体表面张力阻力计算液体表面张力阻力可按式计算，即 液柱气体通过没层塔板液柱高度可按下式计算，即 液柱 气体通过每层塔板压降为 （设计容许值）6.7液面落差 对于筛板塔，液面落差很小，且塔径和液流量均不大，故可忽视液面落差影响。6.8液沫夹带液沫夹带量由下式计算，即 故 故在本设计中液沫夹带量在容许范畴内。6.9漏液对筛板塔，漏液点气速可由下式计算，即 实际孔速稳定系数为故在本设计中无明显液漏。6.10 液泛为防止塔内发生液泛，降液管内液层高度应服从下式关系，即 甲醇水物系属普通物系，取，则 =0.5(0.40+0.0451)=0.231而 板上不设进口堰，可由下式计算，即 液柱 液柱 故在本设计中不会发生液泛现象。7 塔板负荷性能图精馏段7.1漏液线由 =得 4.4 = 整顿得在操作数据内，任取几种值，依上式计算出值，计算成果如下， 0.0002 0.0015 0.003 0.005， 0.533 0.568 0.594 0.622由上表数据即可作出漏液线7.2液沫夹带线以 =0.1kg液/kg气为限，求关系如下由 =0.0506=故 整顿得 =在操作范畴内，任取几种值，依上式计算出值，计算成果如下， 0.0002 0.0015 0.003 0.005， 1.920 1.759 1.624 1.476由上表数据即可作出液沫夹带线7.3液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度=0.005m作为最小液体负荷原则。由式得取E=1，则 据此可作出与气体流量无关垂直液相负荷下限线7.4液相负荷上限线以 =4s 作为液体在降液管中停留时间下限，由 得 据此可作出与气体流量无关垂直液相负荷上限线7.5液泛线令 由 联立得 忽视，将与，与，与关系式代入上式，并整顿得式中 将关于数据代入，得 故 在操作范畴内，任取几种值，依上式计算出值，计算成果如下， 0.0002 0.0015 0.003 0.005， 2.191 2.069 1.943 1.710由上表数据即可作出液泛线依照以上各线方程，可作出筛板塔负荷性能图，如图所示. 在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线，由图可看出，该筛板操作上限为液泛控制，下限为液漏控制，由上图查得 故操作弹性为提留段7.6液线由 =得 4.4 = 整顿得在操作数据内，任取几种值，依上式计算出值，计算成果如， 0.0002 0.0015 0.003 0.005， 0.245 0.347 0.410 0.4707.7液沫夹带线以 =0.1kg液/kg气为限，求关系如下由 =0.0451=故 整顿得 =在操作范畴内，任取几种值，依上式计算出值，计算成果如下， 0.0002 0.0006 0.003 0.005， 1.951 1.785 1.653 1.5087.8液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度=0.005m作为最小液体负荷原则。由式得取E=1，则 据此可作出与气体流量无关垂直液相负荷下限线7.9液相负荷上限线以 =4s 作为液体在降液管中停留时间下限，由 得 据此可作出与气体流量无关垂直液相负荷上限线7.10液泛线令 由 联立得 忽视，将与，与，与关系式代入上式，并整顿得式中 将关于数据代入，得 故 0.02V2s=0.152-963.72 Ls2-1.442 Ls 在操作范畴内，任取几种值，依上式计算出值，计算成果如下， 0.0002 0.0015 0.003 0.005， 2.754 2.717 2.636 2.457在负荷性能图上，作出操作点A，连接OA，即作出操作线，由图可看出，该筛板操作上限为液泛控制，下限为液漏控制，由上图查得 故操作弹性为8 筛板塔设计计算成果所设计筛板塔重要成果汇总于下表序号项目精馏段提馏段1平均温度 tm 71.890.355气相流量 Vs m3/s1.3501.4067液相流量 Ls m3/s0.0010.0029实际塔板数1610有效段高度 Z m6.411精馏塔塔径 m1.012板间距 m0.413溢流形式单溢流14降液管形式弓形15堰长 m0.6016堰高 m0.0506 0.0541 0.045117板上液层高度 m0.060.0619堰上液层高度 m0.00940.014921降液管底隙高度 m0.02380.02123安定区宽度 m0.0524边沿区宽度 m0.03525开孔区面积 m20.53726筛孔直径 m0.00527筛孔数目275628孔中心距 m