甲醇精餾的設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、 .目錄設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)(委托書(shū)) 2前言 3工藝流程圖 4主機(jī)(精餾塔)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 51、平衡關(guān)系圖 52、Rmin,R的選取與N的確定 73、物料衡算 84、塔型的選擇與依據(jù) 115、塔徑D,塔高Z與壓降P的計(jì)算 126、計(jì)算結(jié)果列表 15輔機(jī)(輔助設(shè)備)的選型計(jì)算 161、儲(chǔ)槽 (原料液儲(chǔ)槽) 的選型計(jì)算 162、換熱器的選型計(jì)算 173、泵的選型計(jì)算 194、流量計(jì),溫度計(jì),壓力計(jì)的選擇 215、接管的選擇 21設(shè)備一覽表 23選用符號(hào)說(shuō)明 24參考文獻(xiàn) 25后記 25前言甲醇俗稱木醇，是最簡(jiǎn)單的飽和脂肪族醇類的代表。分子式為CH3OH,分子量32.04。為有特殊氣味的易揮發(fā)、易燃燒的液體

2、。有毒，人飲后能致盲。比重0.791（20），沸點(diǎn)64.50，能與水和多數(shù)有機(jī)溶劑混溶.是多種有機(jī)產(chǎn)品的基本原料和重要的溶劑，廣泛的運(yùn)用于有機(jī)合成、燃料、醫(yī)藥、涂料和國(guó)防等工業(yè)。隨著技術(shù)的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的改變，甲醇有開(kāi)辟了許多新的用途，如用于人工合成蛋白,可以單獨(dú)或與汽油混合作為汽車燃料等。正在研究開(kāi)發(fā)和工業(yè)化中，甲醇化工已成為化學(xué)工業(yè)中的一個(gè)重要的領(lǐng)域。甲醇的精餾本設(shè)計(jì)中就是要將粗甲醇精制成一定純度的精甲醇以與使排出的廢水中甲醇的含量達(dá)到預(yù)定的要求。本次委托設(shè)計(jì)的精餾塔的設(shè)計(jì)要求如下：年處理量為85000噸，粗甲醇的質(zhì)量濃度為39.6，要求出塔是甲醇的質(zhì)量濃度為98.8，塔釜排放的廢水中甲醇

3、的質(zhì)量濃度為0.05。由于塔頂出塔時(shí)甲醇的濃度較高，產(chǎn)品的質(zhì)量較好，可直接送罐場(chǎng)；而塔釜排出液甲醇的濃度很低，可節(jié)省成本（現(xiàn)今甲醇市場(chǎng)價(jià)為11001300元每噸），提高經(jīng)濟(jì)效率，而且符合環(huán)保要求,無(wú)須再進(jìn)行處理，可直接排放地溝。由于出塔的濃度要求較高，塔釜排放的釜液甲醇的含量要低，故所要求的塔分離效率要高，塔板效率也要高，采用填料塔則造價(jià)比一樣處理量的板式塔更低，操作彈性大，生產(chǎn)能力大，壓力降小等優(yōu)點(diǎn)；且在本項(xiàng)設(shè)計(jì)中，物料的物性對(duì)精餾塔的操作沒(méi)有影響，料液處理量也不是特別大，總的來(lái)說(shuō)很適合采所以本設(shè)計(jì)采用填料塔代替?zhèn)鹘y(tǒng)的板式塔?？偟膩?lái)說(shuō)本設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求，而且合理正確。工藝流程圖1原料儲(chǔ)槽 2

4、進(jìn)料泵 3過(guò)濾器 4進(jìn)料預(yù)熱器 5甲醇精餾塔 6回流泵 7塔頂水冷器 8冷凍液冷凝 9緩沖槽 a進(jìn)料 b直接水蒸氣加熱 c釜液出料 d出料 e排空流程說(shuō)明:流程如圖所示由原料儲(chǔ)槽儲(chǔ)存原料或上一工段送來(lái)回收的甲醇液。料液通過(guò)進(jìn)料泵加壓泵出，再經(jīng)過(guò)濾器、進(jìn)料預(yù)熱器，打進(jìn)精餾塔加料板進(jìn)料。大部分的塔頂氣相由水冷的冷凝器冷凝，含有不凝性氣體的小部分產(chǎn)品甲醇通過(guò)冷凍劑的冷凝器冷凍成液體，不凝性氣體放空。所有的冷凝液先是存在緩沖槽，一部分由回流泵打回塔頂作為回流液，另一部分則作為產(chǎn)品輸送到罐場(chǎng)。由于是甲醇-水混合體系，可直接用蒸汽加熱，所以沒(méi)有設(shè)計(jì)再沸器。塔釜釜?dú)堃杭状紳舛葹?.05（wt），可直接排放入

5、地溝，無(wú)須再進(jìn)行處理。主機(jī)（精餾塔）的設(shè)計(jì)計(jì)算1、平衡關(guān)系圖圖一為作圖求得的全回流下的最小理論板數(shù)，圖二為圖一的部分放大圖。作圖求得的最小理論板數(shù)為Nmin=7.9。圖一xW xF xD 圖二 xW2、Rmin、R的選取與N的確定由進(jìn)料濃度：39.6 塔頂濃度：98.8 塔底濃度：0.05可得 xF=0.2694 xD=0.9789 xW=0.0002813由于泡點(diǎn)進(jìn)料，可由圖得xq=xF=0.2694 yq=0.6418 故有：對(duì)于指定的物系，RMin只取決于分離要求，這是設(shè)計(jì)型計(jì)算中達(dá)到一定分離程度所需回流比的最小值，實(shí)際操作回流比應(yīng)大于最小回流比。適宜回流比的數(shù)值圍為 R=（1.12.0

6、）RMin，因?yàn)樵龃蠡亓鞅?，起初顯著降底所需塔板層數(shù)，設(shè)備費(fèi)用明顯下降。再增加回流比，雖然塔板層數(shù)仍可繼續(xù)減少，但下降的非常慢。與此同時(shí)，隨著回流比的加大，塔上升蒸氣量也隨之增加，致使塔徑、塔板面積、再沸器、冷凝器等設(shè)備尺寸相應(yīng)增大。因此，回流比增至某一數(shù)值時(shí)，設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用同時(shí)上升，回流比的采用原則是使設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用的總費(fèi)用最小。為此，我們采用簡(jiǎn)捷法對(duì)N(R+1)進(jìn)行優(yōu)化處理。根據(jù)吉利蘭圖計(jì)算式式中 故對(duì)R取不同的數(shù)值，有不同的N(R+1)值，列表如下： R= 1.1R 1.2R 1.3R 1.4R 1.5R N21.54 18.89 17.57 16.63 15.89 N(R+1)

7、42.99 39.41 38.24 37.70 37.46 R= 1.6R 1.7R 1.8R 1.9R 2.0R N 15.2814.75 14.30 13.91 13.56 N(R+1) 37.40 37.47 37.62 37.84 38.11計(jì)算示例：R=1.1Rmin=1.1×0.9052=0.9957Y=0.545827-0.591422×0.04534+0.0027431÷0.04534=0.5795N(R+1)=21.54×(0.9957+1)=42.99由表中數(shù)據(jù)可得當(dāng)R=1.6Rmin時(shí)，N(R+1)的值最小此時(shí)R=1.448 N=1

8、5.28 圖三、圖四為作圖法求解理論塔板數(shù)其中，圖三為全視圖，圖四為圖三的部分放大圖作圖得，所求的理論塔板數(shù)N14.3由圖三得：加料口為第八塊理論板3物料衡算年處理量：85000噸 年生產(chǎn)時(shí)間：7200hxF=0.2694 xD=0.9789 xW=0.0002813進(jìn)料量F =Kmol/h 代入已知量F、xF、xD、xW與R可解得：Vo=364.781Kmol/h D=149.012Kmol/h W=758.015Kmol/h圖三 xW xF xD圖四： xW 4、塔型的選擇與依據(jù)選擇塔型時(shí)，必須根據(jù)分離物料的性質(zhì)和負(fù)荷，要求精餾過(guò)程的壓力降、溫度以與腐蝕程度等條件而決定的，目前主要有板式塔

9、和填料塔兩種。根據(jù)計(jì)算，該塔要求分離效率高，應(yīng)采用填料塔。填料塔比板式塔具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、生產(chǎn)能力大，單位截面積上,填料塔的生產(chǎn)能力高于板式塔；2、分離效率高，工業(yè)填料塔每米理論級(jí)大都在2級(jí)以上，最多可達(dá)10級(jí)以上，而常用板式塔，每米最多不超過(guò)2級(jí)；3、壓降小，通常，填料塔的壓降為板式塔的1/5；4、持液量小，填料塔，持液量一般小于6而板式塔高達(dá)8%12%；5、操作彈性大，填料塔的操作彈性決定于塔件的設(shè)計(jì)，可根據(jù)實(shí)際需要確定填料塔的操作彈性，而板式塔的操作彈性受塔板液泛、液沫夾帶的限制，一般較小。該填料塔設(shè)計(jì)采用散裝填料，顆粒體以散裝方式堆積塔，散裝填料則選擇鮑爾環(huán)填料，填料材質(zhì)為金屬。金屬填

10、料通量大，氣體阻力小，具有較高抗沖擊能力、由計(jì)算所得的結(jié)果來(lái)看，要達(dá)到設(shè)計(jì)要求的分離效果，需要較多的理論板數(shù)。如采用板式塔，其分離效率低，每米理論板數(shù)少，塔高較高，壓降大，能耗高，金屬耗量大，設(shè)備造價(jià)高，經(jīng)濟(jì)效益低。所以在本次設(shè)計(jì)中考慮采用填料塔。這是因?yàn)樘盍纤哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)能力大，分離效率高，壓降小，能耗低，操作彈性大，持液量小。而且在本次設(shè)計(jì)的甲醇水體系的物性對(duì)精餾塔的操作沒(méi)有影響，應(yīng)用填料塔是很適宜的。5、塔徑D、塔高Z與壓降P的計(jì)算填料塔壓降P的計(jì)算安托尼方程為：甲醇的安托尼方程系數(shù)：A=18.5875 B=3626.55 C=34.29水的安托尼方程系數(shù)： A=18.3036 B

11、=3816.44 C=46.13塔頂壓力（tD=66）P0A=107.628Kpa P0B=26.215Kpa xA=0.9789 xB=1- xA故PD= P0A×xA+ P0B×xB=107.628×0.9789+26.215×(1-0.9789)=105.910Kpa塔釜的壓力（tW=104）P0A=402.106Kpa P0B=116.865 xA=0.0002813 xB=1- xA故PW= P0A×xA+ P0B×xB=402.106×0.0002813+116.865×(1-0.0002813)=11

12、6.945Kpa所以得精餾塔壓力降P=PWPD=116.945-105.910=11.035Kpa、塔徑的計(jì)算塔頂各物料的物性：甲醇：水 ：故得因?yàn)閃L/WV=R/(R+1)，所以根據(jù)?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖有：填料采用DN50金屬鮑爾環(huán)，此時(shí) g=9.81 查表得故解得uf4.36m/s因設(shè)計(jì)的填料塔采用的是散裝填料，故取泛點(diǎn)率為0.8 故u=0.8uf=0.8×4.36=3.488m/s在常壓下的操作，使得可以用理想狀態(tài)方程求得VSVS=nRT/PD=(R+1)D×RT/PD=(1.448+1)×149.012×8.314×339.15/105.9

13、10/3600=2.698m3/s故得塔徑塔釜各物料的物性：甲醇: 水: 故得由于/=/=(L+F)/V=(RD+F)/(R+1)D所以根據(jù)?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖有:填料采用DN38金屬鮑爾環(huán)，此時(shí) g=9.81 查表得： 故解得uf=6.0956m/sVS=nRT/PW=(R+1)D×RT/PW=(1.448+1)×149.012×8.314×373.15/116.945/3600=2.688取徑D=1m 可解得uf=4×VS/D2=3.424m/s故泛點(diǎn)率：、填料層的計(jì)算精餾段的等板高度(HETP)1=0.9m故精餾段的填料層Z精=N精(HETP

14、)1=7.80.9=7.02m提餾段的等板高度(HETP)2=0.66m 故提餾段的填料層Z提=N提(HETP)2=6.50.66=4.29m填料層Z=Z提+Z精=7.02+4.29=11.31m(4)、壓降的校核對(duì)精餾段：當(dāng)u3.488m/s 得P精/Z精=130×9.81Pa/m對(duì)提餾段：當(dāng)u=3.424m/s 得P提/Z提=45×9.81Pa/m所以得P=P精/Z精×Z精+P提/Z提×Z提=130×9.81×7.02+45×9.81×4.29=10.851KPa誤差分析所得誤差小于5，符合要求。6計(jì)算結(jié)果列表

15、輔機(jī)（輔助設(shè)備）的選型計(jì)算1、儲(chǔ)槽 (原料液儲(chǔ)槽) 的選型計(jì)算a、原料液儲(chǔ)槽：主要受產(chǎn)品生產(chǎn)和原料的供應(yīng)周期的影響綜合各方面的因素，儲(chǔ)槽中的溫度取20該溫度下進(jìn)料液中各物料的物性如下：甲醇：1=791Kg/m3 質(zhì)量濃度a1=0.396水： 2=998Kg/m3 質(zhì)量濃度a2=0.604故1/= a1/1+ a2/2=0.396/791+0.604/988=899.306Kg/ m3取儲(chǔ)槽安全系數(shù)為0.7，按大廠計(jì)算，取8小時(shí)進(jìn)料量計(jì)算，故所需的儲(chǔ)槽實(shí)際體積為：由于該原料儲(chǔ)槽容積較大，故需采用2個(gè)儲(chǔ)槽并聯(lián)使用，才能符合要求。且原料儲(chǔ)槽工作于常溫、常壓下，甲醇是一級(jí)防爆產(chǎn)品。由于在常壓下操作，不

16、需強(qiáng)抗壓能力，故采用立式平底錐蓋容器，故選定1422-74(兩個(gè)并聯(lián))。該容器的工稱容積Vg=80m3,圖號(hào)為：R22-00-15,筒體公稱直徑=4000mm，筒體高度6200mm，材質(zhì)A3F，壁厚8mm，設(shè)備重量6640Kg，工作容積是75.4。b、中間儲(chǔ)槽（緩沖槽）：緩沖槽是儲(chǔ)存回流量與出料的儲(chǔ)罐。緩沖槽的設(shè)置一般要考慮生產(chǎn)，程中在前面某一工序臨時(shí)停車時(shí)仍能維持后面工段的正常生產(chǎn)，所以要比原料罐的存儲(chǔ)量要少的多。由于甲醇精餾過(guò)程為連續(xù)生產(chǎn)，故緩槽應(yīng)設(shè)計(jì)能儲(chǔ)存至少2個(gè)小時(shí)的用量，且取安全系數(shù)為0.7。故可得可得儲(chǔ)槽所需的實(shí)際體積該緩沖槽的工作溫度取66,工作壓力取常壓，故選用立式平底錐蓋容器

17、系列（1422-74）。選取公稱容積，筒體公稱直徑=3600mm，高度4800mm，材質(zhì)A3F，圖號(hào)為：R22-00-13，壁厚8mm，設(shè)備重量4870Kg，工作容積是46.8，大于計(jì)算出的工作容積43.65，符合要求。2、換熱器的選型和計(jì)算由于甲醇不宜與其它流體混合，故本設(shè)計(jì)采用間壁式換熱器。而采用逆流操作的原因在于在換熱器的傳熱量Q與總傳熱系數(shù)K值一樣的條件下，逆流所得的效率比并流要來(lái)得高，而且設(shè)備利用率較高，操作費(fèi)用比并流來(lái)得低。對(duì)換熱器的傳熱面積，若換熱器兩端冷、熱流體的溫差大，可使換熱器的傳熱面積小，節(jié)省設(shè)備投資。但要使冷、熱流體溫差大，冷卻劑用量就要大，增加了操作費(fèi)用。故要選取合適

18、的溫差，使各種費(fèi)用最低。a、原料液換熱器的選型:其中P=塔釜壓力PW-提餾段壓降=116945-1893.82115051Pa=862.95mmHg xA=0.2694故解得T361.55K 得t=88.4故平均熱容在溫度t=（88.4+20）/2=54.2時(shí)，為CF21.31Kcal/(kmol)由于KAtmWCFt 故AWCFt/Ktm 采用過(guò)熱水蒸氣加料（120）其中tm（88.4-20）/（Ln（120-20）/（120-88.4）=59.21由化工設(shè)計(jì)可知K的取值圍在400600W/m），而換熱器在使用過(guò)程中會(huì)形成污垢，導(dǎo)致K的減小， 故K取中間值，即K=500W/（m2）故A= W

19、CFt/Ktm=31.029選用固定管板式換熱器，型號(hào)G400IV-25-40，標(biāo)準(zhǔn)圖號(hào)為：1145-71-3-42，公稱值40，管數(shù)為86，管程數(shù)為4，公稱壓力為25，公稱直徑為400mm。b、主冷凝器的選型：塔底溫度為66，物料物性：甲醇汽化潛熱 水的汽化潛熱 故總汽化潛熱rD=aD×r甲醇+（1- aD）×r水=0.988×1070+0.012×2080=1082.12KJ/Kg主冷凝器冷凝了95的蒸汽，5為副冷凝器冷凝，故：Q主=3302.51KJ/s如設(shè)冷流體由30升至40，熱流體由氣體冷凝為液體，則 tm=(40-30)/Ln(66-30)/

20、(66-40)=32.73總傳熱系數(shù)K的推薦值為2901160），取K值為850）由可得選用浮頭式冷凝器，型號(hào)為：FLA700-160-10-4，施工圖號(hào)為：JFL017，管程數(shù)為448，設(shè)備凈重為4908Kg。計(jì)算換熱面積為158.2，大于實(shí)際的計(jì)算換熱面積118.7。該換熱器的管程平均通道截面積為198，長(zhǎng)度L=6000mm，公稱壓力Pg=10。c、副冷凝器的選型：副冷凝器冷凝了從主冷凝器出來(lái)的含一定量甲醇的蒸汽，甲醇冷凝下來(lái)，不凝氣體排空。Q副=0.05/0.95×Q主=0.05/0.95×3302.51=173.816 KJ/s副冷凝器冷流體為-5的冷凍鹽水，經(jīng)換熱

21、后，溫度提升至5故tm=5-(-5)/Ln(66+5)/(66-5)=65.87對(duì)總傳熱系數(shù)K，推薦值為240490），現(xiàn)取K=360）得換熱器的換熱面積A=7.33m2選取浮頭式冷凝器，型號(hào)為：FLB400-15-25-4。圖號(hào)為：JFL002。管程數(shù)為68，計(jì)算換熱面積為15.6。該換熱器的管程平均通道截面積為53，長(zhǎng)度L=3000mm，公稱壓力Pg=253、泵的選型與計(jì)算該工藝流程具有兩個(gè)主要的泵裝置，一個(gè)為進(jìn)料泵，負(fù)責(zé)把液體打進(jìn)填料塔；另一個(gè)為回流泵，負(fù)責(zé)把回流液打回塔重新進(jìn)行精餾。本設(shè)計(jì)采用離心泵，選擇原則根據(jù)化工流體輸送的特殊性，要求泵操作方便，運(yùn)行可靠，性能良好和維修方便；還要考

22、慮到輸送物料的基本性質(zhì)，包括相態(tài)、溫度、粘度、密度、揮發(fā)性和毒性等，還要考慮生產(chǎn)的工藝過(guò)程、動(dòng)力、環(huán)境和安全要求等條件a、料泵的選型：進(jìn)料液進(jìn)料時(shí)取溫度為20，該溫度下物料的密度為：甲醇： 水： 得平均密度進(jìn)料流量Q=VS=13.127m3/h 考慮到操作中有可能以流量波動(dòng)以與開(kāi)車、停車的需要，取安全系數(shù)1.15：得Q=1.15Q=1.15×13.127=15.09 m3/h泵的揚(yáng)程H=進(jìn)料口高度+=裙座高+1m+D提+Z提+ =3+1+1+4.29+3+214.50m查化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè),選取Y型離心油泵65Y-60A,流量Q22.5,揚(yáng)程為49m,轉(zhuǎn)速為2950,效率49%,功率N

23、為6.13Kw,電機(jī)效率7.5Kw,允許氣蝕余量3.0m。b、回流泵的選型：料液在66下，其平均密度為，故其回流流量為取安全系數(shù)為1.15得Q=1.15Q=1.15×15.3121=17.6089 m3/h泵的揚(yáng)程H=進(jìn)料口高度+=裙座高+1m+D填料+Z提+ =3+1+1+11.31+3+2=22.52m查化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè),選取Y型離心油泵65Y-60B,流量Q24,揚(yáng)程為34m,轉(zhuǎn)速為2950,效率46%,軸功率N為4.83Kw,電機(jī)效率5.5Kw。3、流量計(jì)、壓力計(jì)、溫度計(jì)的選取a、流量計(jì)的選取：轉(zhuǎn)子流量計(jì)用來(lái)測(cè)量液體、氣體介質(zhì)的流量，特別適合測(cè)量中小管徑、較低雷數(shù)的中小流量。

24、故流量計(jì)采用玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)，安裝時(shí)必須垂直安裝?，F(xiàn)選取LZB-4，測(cè)量比為1：10，精度等級(jí)為2.5級(jí)被測(cè)介質(zhì)狀況為20120。b、溫度計(jì)的選?。簻囟扔?jì)可以采用雙金屬溫度計(jì)，該溫度計(jì)適用測(cè)量中、低溫，可用來(lái)直接測(cè)量氣體、液體的溫度，具有易讀數(shù)、堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)。查化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)，采用防護(hù)型號(hào)，選取WSS-401-F，公稱直徑為1200mm，測(cè)量圍為0300。c、壓力計(jì)的選?。簤毫τ?jì)的選取，要考慮量程、精度、介質(zhì)性質(zhì)和使用條件等因素。在安裝時(shí)，應(yīng)力求避免振動(dòng)和高溫的影響。其量程為穩(wěn)定壓力（1/33/4）的量程上限，精度工業(yè)用在1.5級(jí)與2.5級(jí)，現(xiàn)選用TG-1200，測(cè)量圍為01200mmH2O，精度等級(jí)1.5，最大工作壓力6。5、接管的選型管徑的設(shè)計(jì)是根據(jù)流體的特性、工藝要求與基建費(fèi)用和運(yùn)轉(zhuǎn)、維修費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)比較確定，管徑大，則基建費(fèi)用增加；管徑小則動(dòng)力消耗即運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用增加。初步選定流體的流速后，通過(guò)計(jì)算或查管徑算圖來(lái)確定管徑。a、進(jìn)料管的設(shè)計(jì):由進(jìn)料流量VS=13.127m3/h而一般流速經(jīng)驗(yàn)值為1.53m/s，現(xiàn)取進(jìn)料管中流速u(mài)=2.2m/s故可得進(jìn)料口管徑D為:m所選規(guī)格:管道為中、低壓無(wú)縫鋼管GB8163-87,16Mn,管徑為。b、回流管的設(shè)計(jì):由回流量VS=15.312m3/h 流速u(mài)=2.2m/s，故可得