年產(chǎn)8萬噸甲醇精餾工藝設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

1、中國礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（ 15 屆）題 目 年產(chǎn)8萬噸甲醇精餾裝置 工藝設(shè)計 系 別 化學(xué)工程系 專業(yè)班級 化學(xué)工程與工藝（2）班 學(xué)生姓名 曾豪 指導(dǎo)教師 苗澤凱 教務(wù)處制 2015 年 4 月 25 日中文題目：年產(chǎn)8萬噸甲醇精餾裝置工藝設(shè)計畢業(yè)設(shè)計共54頁圖紙共 4張說明書共1頁完成日期：15年05月01日答辯日期：15年05月16日摘要本設(shè)計是對年產(chǎn)8萬噸甲醇精餾裝置工藝設(shè)計，長期以來，甲醇都是被作為農(nóng)藥，醫(yī)藥，染料等行業(yè)的工業(yè)原料，但隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，甲醇將被應(yīng)用于越來越多的領(lǐng)域，為了使甲醇的利用更有競爭力，以便得到更純度的甲醇而設(shè)計，設(shè)計中所采用的方法，歸納

2、統(tǒng)計法、逐板計算法、演繹推理法。本設(shè)計是以板式塔作為氣液傳質(zhì)設(shè)備進(jìn)行原料的分離，通過對精餾工藝進(jìn)行物料衡、熱量衡算、附屬設(shè)備的選型計算，得到工藝數(shù)據(jù)從而繪制精餾塔的負(fù)荷性能圖，確定操作線，分析結(jié)果確定設(shè)計是否符合要求。本設(shè)計進(jìn)料組成：水含量58.5%（摩爾分?jǐn)?shù)，下同），甲醇含量41.7%；塔釜產(chǎn)品組成：水含量0.1%，甲醇含量99.9%。通過設(shè)計得到的結(jié)論：泡點(diǎn)進(jìn)料，精餾塔塔徑2.6m，塔高26.91m,理論塔板數(shù)為19塊，實(shí)際塔板數(shù)為38塊，其實(shí)實(shí)際塔板數(shù)精餾段為21塊，提餾段為17塊，從第22塊開始進(jìn)料，全塔效率46.6%。本設(shè)計通過各工段的計算、分析、繪圖，結(jié)果基本符合設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：

3、甲醇；精餾段；提餾段；板式塔；性能圖。目 錄1 概 述71.1甲醇的生產(chǎn)現(xiàn)狀及應(yīng)用71.2甲醇的合成方法及工藝7甲醇的合成所用的原料71.2.2甲醇合成方法71.2.3甲醇的生產(chǎn)工藝及進(jìn)展81.3甲醇的精餾工藝82 設(shè)計任務(wù)92.1設(shè)計內(nèi)容92.2本設(shè)計所選的工藝流程92.3操作條件的選擇102.4設(shè)計依據(jù)113 精餾工段的物料衡算123.1預(yù)塔的物料衡算123.1.1預(yù)塔進(jìn)料123.1.2預(yù)塔出料123.2加壓塔的物料衡算123.2.1加壓塔進(jìn)料133.2.2加壓塔出料133.3常壓塔的物料衡算133.3.1常壓塔進(jìn)料133.3.2常壓塔出料134 精餾常壓塔工藝計算144.1常壓塔參數(shù)及精

4、餾條件的計算144.1.1溫度154.1.2密度的計算154.1.3表面張力計算164.1.4混合物黏度174.1.5相對揮發(fā)度174.1.6氣、液相體積流量的計算184.2理論塔板數(shù)的計算194.3實(shí)際塔板數(shù)的計算204.4塔徑的初步設(shè)計214.5塔板的工藝計算224.5.1有效塔高計算224.5.2溢流裝置224.5.3浮閥數(shù)與排列235塔板流體力學(xué)驗(yàn)算255.1氣相通過浮閥塔板的壓降255.2淹塔265.3物沫夾帶276 塔板負(fù)荷性能圖286.1物沫夾帶線286.2液泛線296.3液相負(fù)荷上限306.4漏液線306.5液相負(fù)荷下限307 塔附件設(shè)計347.1附件的計算347.1.1接管3

5、47.1.2.筒體與封頭367.2 附屬設(shè)備設(shè)計377.2.1冷凝器377.2.2再沸器37參考文獻(xiàn)38致謝39附錄401 概 述1.1甲醇的生產(chǎn)現(xiàn)狀及應(yīng)用 據(jù)統(tǒng)計，2010年全球甲醇的年生產(chǎn)能力約為7726萬噸。預(yù)計到2015 年，全球甲醇年生產(chǎn)能力將達(dá)到12634萬噸，年均增長率約為10.3%。世界生產(chǎn)甲醇中心正在向中國、南美和中東地區(qū)轉(zhuǎn)移。中國已成為世界上重要的甲醇生產(chǎn)和使用大國之一，中國市場在不久的未來將會成為國際甲醇生產(chǎn)商爭奪的主要市場之一。近年來，我國新增產(chǎn)能逐步向煤炭產(chǎn)地集中，同時以焦?fàn)t氣為原料的甲醇生產(chǎn)能力也迅速增長。2011年，國內(nèi)甲醇生產(chǎn)企業(yè)數(shù)約300余家，產(chǎn)量為2200萬

6、噸，同比增長25.6%；同時表觀消費(fèi)量約萬2760萬噸，同比增長21.6%。與此同時，新興下游應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展使甲醇需求量也迅速增加1,2。 甲醇是重要的化工原料，其中常見的主要有甲醇制備烯烴3,4，制高級醇5，以及甲醇制碳酸二甲酯、甲醛、叔丁基醚（MTBE）、對苯二酸二甲酯（DMT）、醋酸、二甲醚等，甲醇也是農(nóng)藥、醫(yī)藥等的基礎(chǔ)原料之一2。甲醇還是一種易燃液體，具有良好的燃燒性能，其辛烷值為110120，它有很大的蒸發(fā)潛能（506Btu/磅），且抗爆性能好，可以做機(jī)動車等的燃料或制作成燃料的電池，以及代替民用液化氣使用。1.2甲醇的合成方法及工藝1.2.1甲醇的合成所用的原料甲醇的生產(chǎn)原料常

7、見的有氣體、液體和固體三種，氣體原料常見的有天然氣和其它可燃性氣體；液體原料常見的有原油、重油、輕油；固體原料常見的有煤和焦炭等。這些原料經(jīng)造氣、脫硫變換、除雜質(zhì)氣（CO2）等，再按一定的比例配制成合成氣，在不同的催化作用下，選擇不同工藝條件來生產(chǎn)甲醇8。1.2.2甲醇合成方法 在合成甲醇的反應(yīng)中，甲醇的合成工藝按其壓力可以分為高壓法、中壓法和低壓法三種。高壓法的操作條件是壓力在30MPa以上、溫度320380下、銅系催化劑合成甲醇，其技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟了，同時其投資和生產(chǎn)成本比低壓法高；中、低壓法的優(yōu)點(diǎn)：是能耗低、粗甲醇質(zhì)量高、設(shè)備簡單和投資相對較低，比高壓法優(yōu)越。隨著甲醇生產(chǎn)催化劑的不斷發(fā)展

8、前進(jìn)，目前甲醇生產(chǎn)總的趨勢是由高壓法向低、中壓法發(fā)展。此外，按生產(chǎn)原料分主要有甲烷直接氧化法、一氧化碳和氫氣合成甲醇和液化石油氣氧化法等。1.2.3甲醇的生產(chǎn)工藝及進(jìn)展傳統(tǒng)的以煤為原料生產(chǎn)甲醇的方法，隨著當(dāng)今社會能源危機(jī)嚴(yán)峻被各種新的生產(chǎn)工藝所替代?，F(xiàn)行的甲醇工業(yè)合成工藝基本上使用氣相合成法。從60年代起, 除了在反應(yīng)器的大型化技術(shù)及催化劑方面的探索研究進(jìn)展外，其合成工藝技術(shù)并沒有突破性的進(jìn)展。由于氣相合成存在的一系列有待解決的問題，從70年代起，人們把甲醇合成工藝研究開發(fā)的重點(diǎn)從氣相合成法轉(zhuǎn)向液相合成法，并且初步實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生9。1.3甲醇的精餾工藝粗甲醇中含有多種有機(jī)雜質(zhì)和水分，需要精制。

9、精制包括精餾和化學(xué)處理?；瘜W(xué)處理主要是由堿破壞在精餾過程中不能分離的雜質(zhì)，并調(diào)節(jié)pH值。精餾是利用各組分相對揮發(fā)度的不同分離各組分，如輕組分二甲醚，以及難揮發(fā)組分水、異丁醇等。在工業(yè)上粗甲醇精餾的工藝流程有很多種，其隨著粗甲醇合成方法的不同而有差異，其精制過程的復(fù)雜程度有較大差別，但基本方法路線是一致的。精餾塔是粗甲醇精餾工序的關(guān)鍵設(shè)備，它直接制約著生產(chǎn)甲醇的產(chǎn)品質(zhì)量、能源消耗、生產(chǎn)能力、經(jīng)費(fèi)及對環(huán)境的影響。所以要根據(jù)企業(yè)的實(shí)際條件選擇合適的高效精餾塔。目前常用的精餾塔主要有四種塔型：泡罩塔，浮閥塔，填料塔和新型垂直篩板塔10 。2 設(shè)計任務(wù)2.1設(shè)計內(nèi)容本設(shè)計以德國Lurgi公司低壓法甲醇生

10、產(chǎn)線為參考，依據(jù)本科畢業(yè)設(shè)計大綱和設(shè)計任務(wù)要求，提出了年產(chǎn)8萬噸甲醇精餾工藝設(shè)計。設(shè)計主要包括了工藝物料衡算、塔設(shè)備選型計算等工藝計算。2.2本設(shè)計所選的工藝流程 由于甲醇合成均受催化劑選擇性、合成工藝條件等的影響。在合成甲醇反應(yīng)的同時還伴隨著一系列副反應(yīng)，其產(chǎn)品系除了甲醇外還含有水、醛、高級醇等副反應(yīng)產(chǎn)物，甲醇和這些副產(chǎn)物組成的混合液，稱為粗甲醇。以色譜分析或色譜-質(zhì)譜聯(lián)合分析測定粗甲醇的組成有40多種。表1列出了粗甲醇中有代表性的部分有機(jī)物。表1 按沸點(diǎn)順序排列的粗甲醇組分11組 分沸點(diǎn)組 分沸點(diǎn)組 分沸點(diǎn)二甲醚-23.7甲醇64.7異丁醇107.0乙醛20.2異丙烯醚67.5正丁醇117

11、.7甲酸甲酯31.8正己烷69.0異丁醚122.3二乙醚34.6乙醇78.4二異丙基酮123.7正戊烷36.4甲乙酮79.6正辛烷125.0丙醛48.0正戊醇97.0異戊醇130.0丙烯醛52.5正庚烷98.04-甲基戊醇131.0醋酸甲酯54.1水100.0正戊醇138.0丙酮56.5甲基異丙酮101.7正壬烷150.7異丁醛64.5醋酐103.0正癸烷174.0 為了精餾過程中便于處理，上述組成大致可分為幾組：輕餾分（表中115組分，甲醇，乙醇例外）；甲醇；水；重組分（表中1630）；乙醇。本設(shè)計甲醇精餾選用預(yù)塔、常壓塔、高壓塔的三塔流程如圖1所示。由于輕餾分、重組分和乙醇在經(jīng)過預(yù)精餾塔精

12、餾后，含量較小，故本設(shè)計在后面的三個塔計算過程中均用甲醇-水雙組分精餾11。圖1 甲醇三塔精餾工藝流程如圖1所示的精餾流程為德國Lurgi公司低壓法甲醇生產(chǎn)線提純粗甲醇的三塔精餾工藝流程圖。來自合成器的粗甲醇進(jìn)入預(yù)精餾塔，為了防止腐蝕，同時由堿液罐（3-1）經(jīng)輸料泵向塔底加入8%的NaOH堿液。預(yù)精餾塔的再沸器（2-2）采用低壓蒸汽加熱，低壓蒸汽流量控制安裝在冷凝水管線上。當(dāng)塔頂壓力為0.15MPa，溫度為66.2時，塔頂產(chǎn)物離開塔頂時的溫度大約73，塔頂部分產(chǎn)物在塔頂全凝器中液化后靠靜壓能做回流，其余組分輸送到回收罐（5-1）中。精甲醇的高沸物和水等雜質(zhì)是在加壓精餾塔和常壓精餾塔中進(jìn)行分離的

13、。預(yù)精餾塔塔底產(chǎn)物不含有低沸點(diǎn)雜質(zhì)，由甲醇進(jìn)料料泵（1-2）送入加壓精餾塔中。加壓精餾塔塔頂蒸汽在冷凝器（2-4）中液化，釋放的熱量用來加熱常壓精餾塔，加壓塔塔底壓力為0.7MPa溫度113.1，塔頂壓力為0.68MPa溫度122.2。加壓塔精餾甲醇的三分之二作為成品在冷凝器(2-5)中冷卻至40左右，由泵（1-5）送入精甲醇儲罐（5-2），部分塔頂產(chǎn)物經(jīng)加壓泵(1-4)送回塔頂做回流。加壓塔塔底產(chǎn)物有進(jìn)料泵（1-3）送入常壓塔中進(jìn)行最后一次分離。塔頂產(chǎn)物經(jīng)冷凝器（2-6）冷凝后，部分靠靜壓能做回流，剩余產(chǎn)物輸送到精甲醇儲罐內(nèi)（5-2）中，常壓塔塔底產(chǎn)物中含有大約1%的甲醇，送往殘液處理裝置中

14、進(jìn)一步處理12。2.3操作條件的選擇(1)操作壓力溫度本設(shè)計對三塔精餾工藝?yán)锏某核M(jìn)行了初步設(shè)計，常壓塔的塔頂壓力0.13MPa，溫度為67.6，塔底壓力0.15MPa，溫度為103.912。(2).進(jìn)料狀態(tài)的選擇為了精餾塔本身的操作方便，不受外界的干擾，便于操作，本設(shè)計采用泡點(diǎn)進(jìn)料13。2.4設(shè)計依據(jù)(1)生產(chǎn)規(guī)模：年產(chǎn)8萬噸甲醇(2)年工作時間：按計算(3)各塔中各組分質(zhì)量百分含量以德國Lurgi公司低壓法甲醇生產(chǎn)線為參考，根據(jù)市售精甲醇中甲醇含量計算各塔中各組分質(zhì)量百分含量。預(yù)塔中各組分質(zhì)量百分含量見表2。表2 粗甲醇各組分百分含量甲醇甲醚水異丁醇合計進(jìn)料%93.890.195.900

15、.020100塔頂出料%010000100塔底出料%94.06805.910.022100加壓塔中各組分質(zhì)量百分含量見表3。表3 加壓塔中各組分百分含量甲醇水、異丁醇合計進(jìn)料%78.3621.64100塔頂出料%99.950.05100塔底出料%31.1069.00100常壓塔中各組分質(zhì)量百分含量見表4。表4 常壓塔中各組分百分含量甲醇水、異丁醇合計進(jìn)料%31.1069.00100塔頂出料%99.950.05100塔底出料%1.0099.00100(4)精甲醇含量：市售精甲醇中甲醇質(zhì)量百分含量為99.95(5)根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求推算出：時產(chǎn)精甲醇： 3 精餾工段的物料衡算3.1預(yù)塔的物料衡算3.

16、1.1預(yù)塔進(jìn)料 (1)粗甲醇的量 根據(jù)精甲醇及精甲醇中甲醇的含量計算粗甲醇的質(zhì)量流量為：11828.25 kg/h。 (2)堿液的量： 每噸粗甲醇消耗8%的NaOH 0.1kg15。則消耗NaOH的量為： (3)軟水用量： 軟水用量為精甲醇的20%15,16計，則需要加入的軟水的量為：kg/h加入軟水和堿液后，預(yù)塔的進(jìn)料量及其組成見表5。表5 預(yù)塔進(jìn)料量及組成甲醇kg/h 水kg/h NaOHkg/h 甲醚kg/h 異丁醇kg/h 合計kg/h 粗甲醇11105.54697.8622.472.3811828.25堿液13.601.1814.78軟水2352.032352.03合計11105.5

17、43063.491.1822.472.3814195.06 綜上所述，預(yù)塔總進(jìn)料量為14195.06 kg/h。3.1.2預(yù)塔出料 (1)塔底出料組成及流量： 甲醇：11105.54 kg/h 水和NaOH：3064.67 kg/h 異丁醇：2.38 kg/h 合計：14172.59 kg/h (2)塔頂出料組成及流量： 甲醚：22.47 kg/h 合計：22.47 kg/h3.2加壓塔的物料衡算3.2.1加壓塔進(jìn)料 (1)加壓塔的進(jìn)料就是預(yù)塔的塔底出料： 甲醇：11105.54 kg/h 水和NaOH：3064.67 kg/h 異丁醇：2.38 kg/h 合計：14172.59 kg/h 3

18、.2.2加壓塔出料 加壓塔和常壓塔的采出量之比為2:1，及加壓塔采出為總產(chǎn)品的2/3。則： (1)塔頂：精甲醇（99.95%）： (2)塔底：混合物： 由以上數(shù)據(jù)可得： 由物料衡算方程： 代入數(shù)據(jù)可得： 3.3常壓塔的物料衡算常壓塔進(jìn)料 進(jìn)料為加壓塔分離塔底的產(chǎn)品：3.3.2常壓塔出料 (1)塔頂：塔頂是總產(chǎn)品的1/3:， (2)塔底：塔底產(chǎn)品根據(jù)物料守恒： 4 精餾常壓塔工藝計算4.1常壓塔參數(shù)及精餾條件的計算 常壓塔內(nèi)相對分子質(zhì)量的計算 常壓塔內(nèi)摩爾流量的計算 在常壓下甲醇-水氣液平衡組成與溫度關(guān)系見表6。表6 常壓下甲醇和水氣、液平衡組成與溫度的關(guān)系xyT()001000.020.134

19、96.40.040.2393.50.060.30491.20.080.36589.30.10.41887.70.150.51784.40.20.57981.70.30.66578.00.40.72975.30.50.77973.10.60.82571.20.70.8769.30.80.91567.50.90.95866.00.950.97965.01164.54.1.1溫度利用表6中的數(shù)據(jù)由拉格朗日插入值可求得，。 ： ， ： ， ： ， 精餾段的平均溫度： 提餾段的平均溫度：4.1.2密度的計算 混合液的密度：(為質(zhì)量分率) 混合氣的密度： (為平均相對分子質(zhì)量） 由化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊查的

20、在塔頂、進(jìn)料板處和塔底溫度時水和甲醇密見表7。表7 不同溫度下甲醇和水的密度17物性5060708090100甲醇密度kg/m3750741731721713704水密度kg/m3988983978972965958(1)精餾段密度，在下，利用表7用內(nèi)插法求得： ， ， 液相組成：， 氣相組成：， 所以： 液相密度： 氣相密度： (2)提餾段密度，在下，同理用內(nèi)插法求得：， 液相組成： ， 氣相組成： ， 所以： 液相密度： 氣相密度：4.1.3表面張力計算 不同溫度下甲醇和水的表面張力見表8。 表8 不同溫度下甲醇和水的表面張力17項目1234溫度406080100甲醇表面張力mN/m19.

21、6717.3315.0412.80水表面張力mN/m69.666.262.658.8 (1)精餾段表面張力，用內(nèi)插法求得： 甲醇表面張力：， 水的表面張力：， 則(2)提餾段表面張力，在下，用內(nèi)插發(fā)求得： 甲醇的表面張力：， 水的表面張力：， 則 4.1.4混合物黏度 (1)精餾段黏度，在下，17 則精餾段黏度： (2)提餾段黏度，在下，17 則提餾段黏度： 4.1.5相對揮發(fā)度 甲醇在-20-150范圍的安托因常數(shù)17為： 水在60-150范圍的安托因常數(shù)17為： 安托因方程為：0= (1)在下 由于， 同理飽和水蒸汽壓： 故： (2)在下 甲醇：，水： 故： (3)在下 甲醇：，水： 故：

22、 根據(jù)上述計算，精餾段的平均相對揮發(fā)度： 提餾段的平均相對揮發(fā)度： 全塔的平均相對揮發(fā)度：4.1.6氣、液相體積流量的計算 氣液平衡方程為： 線方程為：將代入平衡方程得 計算： 18，本設(shè)計取 (1)精餾段： 已知：， ， 則有質(zhì)量流量： 體積流量： (1)提餾段：因?yàn)楸驹O(shè)計是飽和液體進(jìn)料即 已知：， ， 所以質(zhì)量流量： 體積流量： 4.2理論塔板數(shù)的計算 理論塔板數(shù)計算有很多種方法，本設(shè)計采用逐板計算法。 根據(jù)上述計算結(jié)果可得： 精餾段的操作線方程： 提餾段的操作線方程： 氣液平衡線方程：根據(jù)上面三個方程計算每塊塔板上氣相液相組成如表9所示。 由表7計算可得：；所以，第9塊塔板為理論進(jìn)料板

23、；理論塔板數(shù)塊（包括再沸器）表9 塔板上氣液相組成0.99910.9966691240.9971316730.9894405890.9922090410.9716931970.9801230670.9300258410.9517475980.8416854360.8915877820.6891248820.7876940450.5000123620.6589084190.3424042490.5515772930.2489937410.310.3560609870.1297090330.1842910070.0574013110.0801678880.0229526880.0305618710

24、.00842580.0096431520.002617671800mm，故裙座壁厚取16mm基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)徑：基礎(chǔ)環(huán)外徑：圓整 基礎(chǔ)環(huán)厚度，考慮到腐蝕余量取18mm 考慮到再沸器，裙座高度取3m， 地角螺栓直徑取M30(4)塔總體高度的設(shè)計塔的頂部空間高度為1200m （取除味器到第一塊板的距離為600mm）塔底高度H1=HTN5150=450(29-1)+5150=13.35mH=H1+H裙+H封+H頂=13.35+3+0.49+1.2=18.04m7.2 附屬設(shè)備設(shè)計7.2.1冷凝器塔頂溫度tD=64.509 冷凝水t1=30 t2=45 則由tD=64.509 查液體比汽化熱共線圖得又氣體流量

25、Vh=10239.3m3/h塔頂被冷凝量 冷凝的熱量取傳熱系數(shù)K=800W/m2k，則傳熱面積冷凝水流量7.2.2再沸器塔底溫度tw=98.99 用t0=135的蒸汽，釜液出口溫度t1=112則 由tw=98.99 查液體比汽化熱共線圖得又氣體流量Vh=10741.03m3/h 密度則取傳熱系數(shù)K=800W/m2k，則傳熱面積加熱蒸汽的質(zhì)量流量參考文獻(xiàn)1 張麗平. 甲醇生產(chǎn)技術(shù)新進(jìn)展J. 天然氣化工: C1化學(xué)與化工, 2013, (1): 89-94.2 石明霞, 王天亮, 時峰, 等. 甲醇生產(chǎn)技術(shù)新進(jìn)展與市場分析及預(yù)測J. 化工科技, 2010, (004):71-74.3 朱杰, 崔宇

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