甲醇精餾畢業(yè)設(shè)計(jì) - 副本

1、安陽工學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文)專 業(yè) 化學(xué)工程與工藝 班 級 08化工2班 學(xué)生姓名 楊鋼尾 學(xué) 號(hào) 課 題 240kt/a甲醇精餾工藝設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師 趙凌 2011年 6月 日摘 要甲醇是C1化工中非常重要的有機(jī)產(chǎn)品，在甲醇合成工業(yè)生產(chǎn)過程中，粗甲醇的精制不僅是決定甲醇產(chǎn)品質(zhì)量的重要工序，而且也是影響甲醇生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素之一。換熱器是化工生產(chǎn)中重要的通用熱工設(shè)備之一，管殼式換熱器以其結(jié)構(gòu)簡單、牢固、操作彈性大等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。 本文的研究對象是四塔甲醇精餾工藝，與傳統(tǒng)工藝相比新工藝能夠節(jié)約能量，節(jié)約軟水；但是同時(shí)新工藝增加了系統(tǒng)的藕合程度，加強(qiáng)了塔之間的關(guān)聯(lián)性，提高了系統(tǒng)

2、對于進(jìn)料波動(dòng)的響應(yīng)的復(fù)雜性，給控制帶來了很大的難題。為了能夠?qū)崿F(xiàn)新工藝的工業(yè)應(yīng)用，對新工藝進(jìn)行詳細(xì)的研究。關(guān)鍵詞：甲醇精餾，Aspen Plus模擬，換熱器計(jì)算，設(shè)備選型ABSTRACT Methanol is the very important basic product of chemical industry. In The synthesized methanol industry, the purification of raw methanol is not only the important process determining the quality of product

3、, but also a key factor influencing the energy cost of production. The heat exchanger is one kind of general important thermal equipment in the Petroleum chemical industry production. The shell-and-tube heat exchanger is widely applied in the industrial production due to its simple structure, reliab

4、ility and the operation flexibility. Compared with the traditional distillation process, this novel process could reduce the heat consumption and soft-water consumption. However, this novel process enhances the coupling of different units in the system and the interactions between distillation colum

5、ns, which results in the complexity of system responses and control. Therefore, it is necessary to study the behavior of this methanol distillation process of four columns before putting it into implementation of industrial application.Keywords： methanol distillation, simulation of , heat exchanger,

6、 design and type-selection前言甲醇是重要的有機(jī)基本產(chǎn)品，用途非常廣泛。甲醇的產(chǎn)品質(zhì)量、能耗指標(biāo)是甲醇精餾系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。甲醇精餾工藝對整個(gè)甲醇生產(chǎn)流程的生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量、能源消耗與原料消耗、環(huán)境保護(hù)都有重大影響。精餾過程占總能耗的很大部分，甲醇生產(chǎn)能耗其中約60%就用于精餾過程。精餾投資約占項(xiàng)目總投資的30%-40%。要研究和開發(fā)一種新工藝，傳統(tǒng)的方法是先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，再經(jīng)過小試、中試、工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)等等逐級放大的過程，周期長，投資大。應(yīng)用流程模擬軟件，對工藝流程進(jìn)行模擬，則很容易實(shí)現(xiàn)對流程的考察，可以改進(jìn)工藝流程布置，優(yōu)化工藝操作參數(shù)，只要選擇的模型及熱力學(xué)方法適當(dāng)，模

7、擬結(jié)果是相當(dāng)可靠的，可以用來指導(dǎo)生產(chǎn)，或者為裝置改造以及新裝置的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。國內(nèi)一些甲醇生產(chǎn)裝置，甲醇精餾能耗較高、產(chǎn)品收率較低、甚至一些裝置的甲醇產(chǎn)品質(zhì)量較差。同時(shí)，國內(nèi)甲醇產(chǎn)能的擴(kuò)張很迅速，但是目前新項(xiàng)目設(shè)計(jì)還是沿襲以往設(shè)計(jì)為主、沒有足夠的甲醇精餾系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用理論研究基礎(chǔ)。因此，對甲醇精餾工藝作系統(tǒng)的研究對于甲醇精餾系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)、通過設(shè)備改造和調(diào)整工藝來降低甲醇精餾的能耗、提高甲醇產(chǎn)品質(zhì)量和收率有突出的現(xiàn)實(shí)意義?，F(xiàn)本文通過查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)和實(shí)際生產(chǎn)中的工藝資料，利用流程模擬軟件，使用專有的物性熱力學(xué)包模擬計(jì)算了四塔甲醇精餾工藝流程，并和實(shí)際的工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，同時(shí)對常規(guī)甲醇精餾工藝

8、的不同流程的設(shè)計(jì)參數(shù)和操作參數(shù)進(jìn)行了總結(jié)和分析，提出了甲醇精餾系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)原則和設(shè)備設(shè)計(jì)原則。在此基礎(chǔ)之上對于甲醇精餾系統(tǒng)提出了新的改進(jìn)流程和全新流程的開發(fā)。對于甲醇工業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。由于本人水平有限，文章中有不妥之處還望老師批評指正。目錄第一章文獻(xiàn)綜述11.1研究背景11.1.1課題的提出11.1.2研究目標(biāo)21.2 甲醇的簡介21.3 甲醇精餾流程發(fā)展31.3.1 工藝流程概述31.3.2 典型的工藝流程31.3.3 影響精餾操作的因素與調(diào)節(jié)6第二章 甲醇精餾工段物料衡算102.1 甲醇精餾原理102.1.1 預(yù)精餾塔的作用102.1.2 加堿對甲醇精餾的改善102.1.3 萃取

9、精餾在甲醇精餾中的應(yīng)用112.1.4 加壓塔的節(jié)能效應(yīng)112.1.5 回流比的選擇122.2 四塔精餾工段工藝的物料衡算122.2.1 甲醇精餾工段物料衡算任務(wù)122.2.2 甲醇精餾工段物料衡算計(jì)算原理18132.2.3 甲醇精餾工段物料衡算13第四章 常壓塔冷卻器的設(shè)計(jì)394.1確定設(shè)計(jì)方案394.2確定物性數(shù)據(jù)18394.2.1計(jì)算總傳熱系數(shù)404.2.2 工藝結(jié)構(gòu)尺寸414.2.3折流板424.2.4接管424.3換熱器核算434.4 確定折流擋板形狀和尺寸474.5 波形膨脹節(jié)484.6 設(shè)備主要附件的選擇17484.6.1 接管及法蘭的選型484.6.2 左管板的選型504.6.3

10、 換熱管的選擇514.6.4 左管箱短節(jié)的選擇514.6.5 左管箱封頭的選擇524.6.6 左管箱隔板的選擇524.6.7 左管箱法蘭和密封墊片的選型524.6.8 右管板534.6.9 右管箱設(shè)計(jì)534.6.10 鞍座的選型534.7 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表54第五章 結(jié)論55參考文獻(xiàn)55致 謝57附 錄58第一章文獻(xiàn)綜述在世界基礎(chǔ)有機(jī)化工原料中，甲醇是僅次于乙烯、丙烯和苯，列居第四位的重要基本有機(jī)化工原料之一。其生產(chǎn)原料可以是天然氣、煤炭、焦炭、渣油、石腦油、乙炔尾氣等，從世紀(jì)年代起，天然氣逐步成為合成甲醇的主要原料。目前，我國甲醇產(chǎn)能已占世界總產(chǎn)能的1/4，而且，隨著甲醇衍生物及其下游產(chǎn)品的迅

11、速發(fā)展和甲醇燃料的應(yīng)用，甲醇需求量還會(huì)越來越大，因此提高甲醇產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)消耗就越來越引起人們的關(guān)注。甲醇精餾是甲醇生產(chǎn)裝置的最后一道工序，其能耗約占甲醇生產(chǎn)總能耗的20左右，甲醇精餾技術(shù)的好壞直接關(guān)系到精甲醇的質(zhì)量，因此選擇適合企業(yè)生產(chǎn)需要的精餾技術(shù)，是降低成本、節(jié)能降耗、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和市場競爭力的重要舉措。1.1研究背景1.1.1課題的提出粗甲醇中含有多種有機(jī)雜質(zhì)和水分，需要精制。精制過程包括精餾與化學(xué)處理?；瘜W(xué)處理主要用堿破壞在精餾過程中難以分離的雜質(zhì)，并調(diào)節(jié)pH。精餾主要是除去易揮發(fā)組分，如二甲醚、以及難以揮發(fā)的組分，如乙醇、高級醇、水等1。在確定粗甲醇精餾的工藝流程時(shí)，應(yīng)對生

12、產(chǎn)過程中能耗、自動(dòng)化程度、精甲醇質(zhì)量要求等進(jìn)行綜合考慮，合理選擇適當(dāng)?shù)木s方法。甲醇精餾過程的物耗與粗甲醇質(zhì)量關(guān)系很大，隨著甲醇合成條件改進(jìn)，甲醇精餾工藝出現(xiàn)了較大變化。根據(jù)甲醇質(zhì)量要求不同，甲醇精餾可分為一塔流程、雙塔流程和三塔流程。另外，ICI公司上世紀(jì)80年代末為節(jié)省能耗，還將雙塔流程改為四塔流程。因此，對甲醇精餾工藝作系統(tǒng)的研究對于甲醇精餾系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)、通過設(shè)備改造和調(diào)整工藝來降低甲醇精餾的能耗、提高甲醇產(chǎn)品質(zhì)量和收率有突出的現(xiàn)實(shí)意義?，F(xiàn)本文通過查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)和實(shí)際生產(chǎn)中的工藝資料，利用流程模擬軟件，使用專有的物性熱力學(xué)模擬計(jì)算了四塔甲醇精餾工藝流程，并和實(shí)際的工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，同

13、時(shí)對常規(guī)甲醇精餾工藝的不同流程的設(shè)計(jì)參數(shù)和操作參數(shù)進(jìn)行了總結(jié)和分析，提出了甲醇精餾系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)原則和設(shè)備設(shè)計(jì)原則。1.1.2研究目標(biāo)本論文的研究目標(biāo)是：甲醇精餾工段進(jìn)行初步設(shè)計(jì)（1）通過熱力學(xué)原理對甲醇精餾工段的工藝流程進(jìn)行選擇，進(jìn)行物料衡算和能量衡算；（3）根據(jù)換熱器的熱力計(jì)算、流動(dòng)計(jì)算、結(jié)構(gòu)計(jì)算和強(qiáng)度設(shè)計(jì)，對換熱器進(jìn)行合理的選型；（4）利用Auto CAD軟件，繪制甲醇精餾工段的物料流程圖、帶控制點(diǎn)的工藝流程圖、冷卻器的設(shè)備圖、0.000平面的精餾工段設(shè)備布置圖。1.2 甲醇的簡介純甲醇為無色透明略帶乙醇?xì)馕兜囊讚]發(fā)液體，沸點(diǎn)65，熔點(diǎn)-97.8，和水相對密度0.7915。甲醇能和水以任

14、意比互溶，但不形成共沸物，能和多數(shù)常用的有機(jī)溶劑(乙醇、乙醚、丙酮、苯等)混溶，并形成恒沸混合物。甲醇劇毒，內(nèi)服10ml有失明危險(xiǎn)， 30ml能導(dǎo)致人死亡，空氣中允許最高甲醇蒸汽濃度為0.05mg/h。易燃燒，其蒸汽能和空氣形成爆炸性混合物，爆炸極限6.036.5%(體積) 2。甲醇具有上述多種重要的物理化學(xué)性質(zhì)，使它在許多工業(yè)部門得到廣泛的用途，特別是由于能源結(jié)構(gòu)的改變，和C化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，甲醇的許多重要的工業(yè)用途正在研究開發(fā)中。例如甲醇可以裂解制氫，用于燃料電池，日益引人注目。甲醇通過ZMS-5分子篩催化劑轉(zhuǎn)化為汽油已經(jīng)工業(yè)化為固體燃料轉(zhuǎn)化為液體燃料開辟了捷徑。甲醇加一氧化碳加氫可以合成乙

15、醇。又如甲醇可以裂解制烯烴。這對石油化工原料的多樣化，面對石油資源日漸枯竭對能源結(jié)構(gòu)的改變，具有重要意義。甲醇化工的新領(lǐng)域不斷地被開發(fā)出來其廣度和深度正在發(fā)生深刻的變化。1.3 甲醇精餾流程發(fā)展1.3.1 工藝流程概述常規(guī)甲醇精制流程可以分為兩大部分，第一部分是預(yù)精餾部分，另一部分是主精餾部分。預(yù)精餾部分除了對粗甲醇進(jìn)行萃取精餾脫出某些烷烴的作用之外，另外的還可以脫除二甲醚，和其它輕組分有機(jī)雜質(zhì)。其底部的出料被加到主塔的中間入料板上，主塔頂部出粗甲醇，底部出廢液，下部側(cè)線出雜醇3。甲醇市場競爭非常激烈，特別是近年來，隨著甲醇精餾技術(shù)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)在該領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，老的工藝裝置由于能耗過高，在

16、市場競爭力下降，技術(shù)更新和技術(shù)進(jìn)步成為必走之路。1.3.2 典型的工藝流程甲醇精餾產(chǎn)生工藝有多種，分為單塔精餾，雙塔精餾，三塔精餾與四塔精餾4。（1）單塔流程描述單塔流程（見圖1.1）為粗甲醇產(chǎn)品經(jīng)過一個(gè)塔就可以采出產(chǎn)品。粗甲醇塔中部加料口送入，輕組分由塔頂排出，高沸點(diǎn)的重組分在進(jìn)料板以下若塔板處引出，水從塔底排出，產(chǎn)品甲醇在塔頂以下若干塊塔板引出。DANTACJIACHUNGAOFEIWUJJIACHUNDIFEIWUSHUI圖1.1 甲醇精餾工藝的單塔流程（aspen 模擬圖）（2）雙塔流程描述5從合成工序來的粗甲醇入預(yù)精餾塔，此塔為常壓操作。為了提高預(yù)精餾塔后甲醇的穩(wěn)定性，并盡可能回收甲

17、醇，塔頂采用兩級冷凝。塔頂經(jīng)部分冷凝后的大部分甲醇、水及少量雜質(zhì)留在液相作為回流返回塔，二甲醚等輕組分(初餾分)及少量的甲醇、水由塔頂逸出，塔底含水甲醇則由泵送至主精餾塔。主精餾塔操作壓力稍高于預(yù)精餾塔，但也可以認(rèn)為是常壓操作，塔頂?shù)玫骄状籍a(chǎn)品，塔底含微量甲醇及其它重組分的水送往水處理系統(tǒng)（見圖1.2）。圖1.2 甲醇精餾工藝的雙塔流程（3）三塔流程描述從合成工序來的粗甲醇入預(yù)精餾塔，在塔頂除去輕組分及不凝氣，塔底含水甲醇由泵送加壓塔。加壓塔操作壓力為57bar(G)，塔頂甲醇蒸氣全凝后，部分作為回流經(jīng)回流泵返回塔頂，其余作為精甲醇產(chǎn)品送產(chǎn)品儲(chǔ)槽，塔底含水甲醇則進(jìn)常壓塔。同樣，常壓塔塔頂出的

18、精甲醇一部分作為回流，一部分與加壓塔產(chǎn)品混合進(jìn)入甲醇產(chǎn)品儲(chǔ)槽。三塔流程（見圖1.3）的主要特點(diǎn)是，加壓塔塔頂冷凝潛熱用作常壓塔塔釜再沸器的熱源，這樣既節(jié)省加熱蒸汽，還節(jié)省冷卻水，達(dá)到節(jié)能的目的。6圖1.3 甲醇精餾工藝的三塔流程（4） 四塔流程描述四塔流程（見圖1.4）包含預(yù)精餾塔、加壓精餾塔、常壓精餾塔和甲醇回收塔。粗甲醇經(jīng)換熱后進(jìn)入預(yù)精餾塔，脫除輕組分后(主要為不凝氣、二甲醚等)，塔底甲醇及高沸點(diǎn)組分加壓后進(jìn)入加壓精餾塔；加壓精餾塔頂?shù)臍庀噙M(jìn)入冷凝蒸發(fā)器，利用加壓精餾塔和常壓精餾塔塔頂、塔底的溫差，為常壓塔塔底提供熱源，同時(shí)對加壓塔塔頂氣相冷凝。冷凝后的精甲醇進(jìn)入回流罐，一部分作為加壓塔回

19、流，一部分作為精甲醇產(chǎn)品出裝置；加壓塔塔底的甲醇、高沸組分、水等進(jìn)入常壓塔，常壓塔頂餾出精甲醇產(chǎn)品，在進(jìn)料板下方設(shè)置側(cè)線抽出，抽出物主要為甲醇、水和高沸點(diǎn)組分，進(jìn)入甲回收塔再回收甲醇，塔底廢水進(jìn)入生化系統(tǒng)處理；回收塔設(shè)有側(cè)線抽出，主要抽出物為高沸點(diǎn)醇類，以保證回收塔塔頂精甲醇質(zhì)量和塔底廢水中總醇含量要求，塔底廢水送生化處理。圖1.4 甲醇精餾工藝的四塔流程1.3.3 影響精餾操作的因素與調(diào)節(jié)（1）進(jìn)料狀態(tài)7精餾塔的進(jìn)料(含水甲醇):當(dāng)進(jìn)料狀況發(fā)生變化(回流比、塔頂精餾產(chǎn)物的組成固定)時(shí)，這直接影響到提餾段回流量的改變，進(jìn)料板的位置也隨著改變，將引起理論板數(shù)和精餾段、提餾段塔板數(shù)分配的改變。對于

20、固定進(jìn)料狀況的精餾塔來說，進(jìn)料狀況的改變，將會(huì)影響到產(chǎn)品質(zhì)量及損失情況的改變。（2）回流比回流比對精餾塔操作影響很大，直接關(guān)系著塔內(nèi)各層扳上的物料濃度的改變和溫度的分布。最終反映在塔的分離效率上，是重要的操作參數(shù)之一。一般情況下，選取適宜回流比為最小回流比的1.32倍。兩塔甲醇精餾甲醇主精餾塔的回流比為2.02.5。其調(diào)節(jié)的依據(jù)是根據(jù)塔的負(fù)荷和精甲醇的質(zhì)量。當(dāng)塔的熱負(fù)荷較低時(shí)，可以取較低的回流比比較經(jīng)濟(jì)，為保證精甲醇的質(zhì)量，精餾段靈敏板的溫度可以控制的略低;反之，則增大回流比，在照顧精甲醇質(zhì)量的同時(shí)，為保持塔釜溫度，靈敏板溫度可控制略高。對粗甲醇精餾，回流比過大或過小，都會(huì)影響精餾操作的經(jīng)濟(jì)性

21、和精甲醇的質(zhì)量，一般在正常生產(chǎn)條件受到破壞或產(chǎn)品不合格時(shí)，才調(diào)節(jié)回流比;調(diào)節(jié)后盡可能保持塔釜的加熱量穩(wěn)定，使回流比穩(wěn)定。在調(diào)節(jié)回流的同時(shí)，要注意板式塔的操作特點(diǎn)，防止液泛和嚴(yán)重漏液，都將會(huì)造成塔內(nèi)操作溫度的混亂。當(dāng)改變回流比時(shí)，由于操作的變動(dòng)，必然會(huì)引起塔內(nèi)每層板上濃度(組成)和溫度的改變，影響甲醇的質(zhì)量和甲醇的收率，必須通過調(diào)節(jié)，控制塔內(nèi)適宜的溫度，達(dá)到新的平衡，在粗甲醇含量和產(chǎn)量確定的條件下，甲醇精餾系統(tǒng)正確的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。（3）進(jìn)料量和組成甲醇精餾塔進(jìn)科量和組成改變時(shí)，都會(huì)破壞塔內(nèi)物料平衡和氣液平衡，引起塔溫的波動(dòng)，如不及時(shí)調(diào)節(jié)，將會(huì)導(dǎo)致精甲醇的質(zhì)量不合格或者增加甲醇的損失。隨著進(jìn)料量的

22、調(diào)節(jié)，各層塔板上的氣液組成重新分配，可以控制一定的靈敏板溫度與之相適應(yīng)。粗甲醇的組成一般是比較穩(wěn)定的，只是在合成催化劑使用的前后期隨著反應(yīng)溫度的升高而變化較大。但是預(yù)精餾后的含水甲醇中，甲醇濃度總會(huì)有些小幅度波動(dòng)。不論是其中甲醇濃度增加或降低，都會(huì)造成塔內(nèi)物料不平衡，形成輕組分下降或重組分上升，引起塔釜溫度降低或塔項(xiàng)溫度升高，加大了甲醇損失或降低了精甲醇的質(zhì)量。這時(shí)，在回流比仍屬適宜的情況下，只需對精甲醇的采出量稍作調(diào)節(jié)，就可達(dá)到塔溫穩(wěn)定，物料和氣液又趨平衡;如果粗甲醇的組分變化較大時(shí)，則需適當(dāng)改變其進(jìn)料板的位置，或是改變回流比，才保證粗甲醇的分離效率。當(dāng)合成催化劑后期生產(chǎn)的粗甲醇進(jìn)行蒸餾時(shí)，

23、有時(shí)為確保精甲醇的質(zhì)量，以保證精餾塔進(jìn)料位置降低，同時(shí)適當(dāng)加大回流比。如前所述，對粗甲醇精餾塔的操作概念，可以概括如下:在穩(wěn)定塔壓的前提下，采用在較高蒸汽速度(負(fù)荷)下操作，既提高傳質(zhì)效果又最經(jīng)濟(jì);選擇適宜的回流比，降低能量消耗;一般在進(jìn)料穩(wěn)定和變化緩慢的情況下，通過經(jīng)常性小量調(diào)節(jié)精甲醇和重組分的采出量，以保持塔溫的合理分布和穩(wěn)定，維持好塔內(nèi)三個(gè)平衡，使產(chǎn)品甲醇達(dá)到質(zhì)量指標(biāo)，同時(shí)回收副產(chǎn)品重組分，并盡最大可能降低殘液中有機(jī)物的含量。第二章 甲醇精餾工段物料衡算2.1 甲醇精餾原理甲醇精餾的目的，是實(shí)現(xiàn)甲醇與水及有機(jī)物等雜質(zhì)的分離，生產(chǎn)出合格的精甲醇產(chǎn)品。本課題研究四塔甲醇精餾工段工藝，,包括預(yù)

24、精餾塔、加壓塔、常壓塔以及回收塔。粗甲醇經(jīng)換熱后進(jìn)入預(yù)精餾塔,脫除輕組分后,塔底甲醇及高沸點(diǎn)組分通過泵提壓后送入加壓塔,加壓塔頂部出來的氣體進(jìn)入常壓塔再沸器換熱后,再以回流的方式全部返回加壓塔,從加壓塔塔頂?shù)?塊填料位置采出產(chǎn)品,加壓塔塔釜液送入常壓塔,常壓塔塔頂餾出精甲醇產(chǎn)品,塔釜液送入汽提塔處理,常壓塔提餾段側(cè)線采出雜醇油送往回收塔處理,回收塔塔釜液與來自常壓塔塔釜液一并送往汽提塔處理。2.1.1 預(yù)精餾塔的作用預(yù)塔精餾的主要作用是脫除粗甲醇中的低沸點(diǎn)雜質(zhì)和可與甲醇形成共沸物的雜質(zhì)，它們一般由二氧化碳、醚類、胺類、烴類、酯類、醛酮類物質(zhì)組成。二氧化碳、醚類、胺類等低沸物可隨不凝氣一起放空。

25、對預(yù)塔的作用國內(nèi)外有不同的看法,主要有兩種觀點(diǎn):一種認(rèn)為預(yù)塔對保證甲醇的質(zhì)量有重要作用,國外大都持這種觀點(diǎn),它們的預(yù)塔比較高。國內(nèi)亦有不少廠家的預(yù)塔較高,如大慶、吉林、蘭州、太原等化肥廠,以及80年代末、90年代初投建的小聯(lián)醇廠;另一種觀點(diǎn)認(rèn)為銅基觸媒的選擇性好,粗甲醇中雜質(zhì)少,預(yù)塔高度不必太高,甚至將預(yù)塔冷凝器直接垂直安放在塔頂,回流量沒有計(jì)量,早期的小聯(lián)醇就是這樣14。2.1.2 加堿對甲醇精餾的改善利用NaOH處理在精餾過程中難以分離的雜質(zhì)，例如粗甲醇中的酸類、酯類等，使其生成較容易被脫出的鹽。粗甲醇中含有的有機(jī)酸，對設(shè)備，管道腐蝕厲害，經(jīng)過堿的中和作用，減輕了腐蝕，延長了設(shè)備、管道的使

26、用壽命。例如羧酸與NaOH反應(yīng)生成羧酸鈉：RCOOH + NaOH RCOONa+H2 O還調(diào)節(jié)了粗甲醇的pH值。在堿存在下，酯發(fā)生皂化反應(yīng)，生成羧酸鹽：RCOOR+NaOH RCOONa + ROH羧酸鈉溶于水，易于分離。加堿處理使得一些難分離的雜質(zhì)，在預(yù)精餾塔分解15。2.1.3 萃取精餾在甲醇精餾中的應(yīng)用粗甲醇中的一些烴類、酯類雜質(zhì)，它們常溫下與甲醇混溶，但不溶或難溶于水。這些醇溶性雜質(zhì)對精甲醇水溶性特別敏感，只要甲醇中殘存幾十g/m3 ，其水溶液就會(huì)混濁，達(dá)不到精甲醇水溶性的要求。又因?yàn)殡s質(zhì)密度與甲醇密度差距較大，雜質(zhì)多時(shí)也容易造成精甲醇密度指標(biāo)不合格。這類物質(zhì)的沸點(diǎn)較高，且易與甲醇形

27、成低于甲醇沸點(diǎn)的共沸物，主要集中在預(yù)塔塔頂而大量進(jìn)入二級冷凝器回流液。這類物質(zhì)如不在回流液中脫除，就會(huì)造成預(yù)塔塔釜出料雜質(zhì)多，影響精甲醇的質(zhì)量。脫除這些雜質(zhì)的方法主要是利用其不溶于水的特性 。在預(yù)塔加入萃取水可提高醛、酮類物質(zhì)的相對揮發(fā)度，從而使其從塔頂采出。162.1.4 加壓塔的節(jié)能效應(yīng)三塔與四塔甲醇精餾系統(tǒng)充分利用自身熱量的回收利用，一是常壓精餾塔再沸器采用加壓精餾塔塔頂甲醇蒸汽來加熱常壓精餾塔釜液，二是精甲醇預(yù)熱器采用加壓精餾塔采出的精醇預(yù)熱粗醇，因此蒸汽消耗低，隨之冷卻水用量大大減少。據(jù)測算，每噸精甲醇蒸汽消耗約為1.20.95t，與板式塔工藝全部依靠外來低壓蒸汽提供熱能相比，甲醇消

28、耗要低0.30.4t17。2.1.5 回流比的選擇回流比對精餾塔操作影響很大，直接關(guān)系著培內(nèi)各層扳上的物料濃度的改變和溫度的分布。一般情況下，選取適宜回流比為最小回比的1.32倍。兩塔甲醇精餾甲醇主精餾塔的回流比為2.02.5。其調(diào)節(jié)的依據(jù)是根據(jù)塔的負(fù)荷和精甲醇的質(zhì)量。為保持四塔精餾系統(tǒng)的穩(wěn)定操作、降低能耗并減少投資，應(yīng)選?。杭訅核亓鞅萊12.5，常壓塔回流比R22；兩塔負(fù)荷比Q1/Q2：0.590.79；并在保持穩(wěn)定生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量合格的基礎(chǔ)上，R1，R2選取得盡量小。2.2 四塔精餾工段工藝的物料衡算2.2.1 甲醇精餾工段物料衡算任務(wù)已知：原料是粗甲醇，成分及含量如下表2.1粗甲醇組成成

29、分含量（wt%）N2和Ar0.02CO21.69CH3OH90.29CH3OCH30.20C2H5OH0.15C4H9OH0.15CH3OCCH30.005 H2O7.495合計(jì)100設(shè)計(jì)要求：（1）粗甲醇中甲醇回收率不小于99%；（2）精餾工段產(chǎn)品為精甲醇，其甲醇含量不低于99.5%2.2.2 甲醇精餾工段物料衡算計(jì)算原理18全塔物料衡算（通過全塔物料衡算，可以求出精餾產(chǎn)品的流量、組成之間的關(guān)系）。連續(xù)精餾塔做全塔物料衡算，并以單位時(shí)間為基準(zhǔn)，即總物料 易揮發(fā)組分 式中 F原料液流量，kmol/h；D塔頂產(chǎn)品（餾出液）流量，kmol/h；W塔底產(chǎn)品（釜?dú)堃海┝髁?，kmol/h；原料

30、液中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)；餾出液中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)；釜?dú)堃褐幸讚]發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)。塔頂易揮發(fā)組分回收率塔底難揮發(fā)組分回收率2.2.3 甲醇精餾工段物料衡算以精甲醇年產(chǎn)40萬噸計(jì)，粗甲醇中含甲醇90.29 %，則每年所需粗甲醇總量為：400000/0.9029=443017t/y年工作日以330天計(jì)，則精甲醇每日、每小時(shí)產(chǎn)量為：400000/330=1212.1t/d=50.505t/h=50505.1kg/h每日、每小時(shí)所需粗甲醇量為：443017/330=1342.47t/d=55.94t/h=55936kg/h1）粗甲醇組成（1）甲醇含量：90.29%（2）水含量：7.495%（3）輕

31、餾分含量：二甲醚 0.2% 丙酮 0.005%（4）初餾分含量：乙醇 0.15% 異丁醇0.15%（5）不凝氣體：氮?dú)?0.01% 氬氣 0.01% 二氧化碳 1.69%2） 預(yù)塔物料衡算(1)入料：粗甲醇入料量：55936kg/h堿液每噸精甲醇消耗92%的NaOH 0.811kg，則消耗10%的堿液量： =376.8kg/h則甲醇年消耗量：376.8×24×330=298t堿帶入的水量=376.8×（1-0.1）=339.12kg/h（相當(dāng)于加入的萃取水量）粗甲醇含水量=55936×0.07495=4192.4kg/h水量=粗甲醇含水量+堿液含水量=4

32、192.4+339.12=4531.5kg/h輕餾分量=55936×0.00205=114.7kg/h初餾物=55936×0.003=167.8kg/h不凝氣體=55936×0.0171=956.5kg/h總?cè)肓狭?粗甲醇量+堿液量=55936+376.8=56312.8kg/h（2）出料甲醇：50505 kg/h水量：4531.5 kg/hNaOH:37.68 kg/h輕餾分：114.7kg/h初餾物：167.8 kg/h不凝氣：956.5 kg/h其中：氣相 塔頂=輕餾分+不凝氣=114.7 +956.5 =1071.2 kg/h液相 塔底=甲醇+水+初餾物+

33、NaOH=50505+4531.5+167.8+37.68=55212 kg/h（3）預(yù)塔回流量脫醚塔回流量回流比一般R20,且考慮到節(jié)省能源的問題。結(jié)合ASPEN簡捷模擬取R=31.5則回流量=1071.2×31.5=33787.68kg/h圖2.1 預(yù)塔全塔物料流程圖3）加壓塔物料衡算加壓塔出料甲醇含量85.66%（即塔底甲醇含量）（1）入料：總?cè)肓狭?出料液相=55212kg/h其中:水量=預(yù)出料水量=4531.5kg/h甲醇量=預(yù)出料甲醇量=50505kg/hNaOH=預(yù)出料堿量=37.68kg/h初餾物=預(yù)出料初餾物=167.8kg/h（2）出料：出料水量=入料水量=453

34、1.5kg/hNaOH=37.68kg/h初餾物=167.8kg/h甲醇=（出口水量+NaOH+初餾物）×出料甲醇含量/（1-出料甲醇含量）=（4531.5+37.68+167.8）×0.8566/（1-0.8566）=28296kg/h采出精甲醇量=入塔甲醇量-出料甲醇量=50505-28296=22209kg/h總出料量=總?cè)肓狭?采出精甲醇量=55212-22209=33003kg/h其中 塔頂：液相=精甲醇量=22209kg/h塔底：液相=粗甲醇量=33003kg/h（3）回流量為保持系統(tǒng)的穩(wěn)定操作，降低能耗，并減少投資，應(yīng)選取：加壓塔回流比R12.5常壓塔回流比R

35、22.0并且在保持穩(wěn)定生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量合格的基礎(chǔ)上，R1、R2選取的盡量小。則取加壓塔回流比R=2.8回流量=R×D=2.8×22209=64406kg/h圖2.2 加壓塔全塔物料流程圖4）常壓塔物料衡算（1）入料總?cè)肓狭?加壓塔塔底總出料量=33003kg/h其中甲醇=33003×0.8566=28270.4kg/h水=4531.5kg/hNaOH=37.68kg/h初餾物=167.8kg/h（2）出料側(cè)線排出量=初餾物+水+甲醇初餾物=167.8kg/h 占（4.57%+4.59%）=9.16%則 側(cè)線排出量=167.8/0.0916=1831.9kg/h其中：

36、甲醇=1831.9×0.6062=1110.5kg/h(占60.62%)水=1831.9×0.3023=553.8kg/h（占30.23%）初餾物=167.8kg/h（占9.16%）塔底排出殘液其中：NaOH=37.68kg/h水=入料水-側(cè)線排出=4531.5-553.8=3977.7kg/h塔底排出殘液中含甲醇量=（殘液中水+NaOH）×殘液甲醇含量/（1-殘液中甲醇含量）=（3977.7+37.68）×0.001/（1-0.001）=4.0194kg/h 殘液總量=水量+NaOH+醇量=3977.7+37.68+4.0194=4019.4kg/h

37、塔頂塔頂采出精甲醇=入塔精甲醇-側(cè)線排出-殘液中含醇量=28270.4-1110.5-4.0194=27155.9kg/h總出料量：塔頂精甲醇=27155.9kg/h塔側(cè)線=初餾物+水+甲醇=1831.9kg/h塔底殘液=NaOH+水+甲醇=4019.4kg/h（3）回流量回流量=R×D=2×27155.9=54311.8kg/h圖2.3 常壓塔全塔物料流程圖5）回收塔物料衡算（1）入料入料量=側(cè)線排出量=1831.9kg/h其中 甲醇=1110.5kg/h水=553.8kg/h初餾物=167.8kg/h（2）出料：塔頂采出精甲醇量=1110.5×0.97367=

38、1081.3kg/h(精甲醇占入料精甲醇的97.367%)側(cè)線抽出物甲醇=入料甲醇-塔頂甲醇=1110.5-1081.3=29.2kg/h（甲醇占20.27%）側(cè)線抽出物=29.2/20.27%=144.1kg/h其中乙醇=144.1×0.5764=83.0kg/h異丁醇=144.1×0.085=12.2kg/h水=144.1×0.1374=19.8kg/h甲醇=29.2kg/h塔底其中水=入料水量-側(cè)線出水=553.8-19.8=534.0kg/h異丁醇=入料異丁醇-側(cè)線抽出異丁醇=83.9-12.2=71.7kg/h乙醇=入料乙醇-側(cè)線出乙醇=83.9-83.

39、0=0.9kg/h總量=水量+異丁醇+乙醇=534.0+71.7+0.9=606.6kg/h（3）回流液量回流比：R取7回流量=D×R=7×1081.3=7569.1kg/h圖2.4 回收塔全塔物料流程圖6）粗甲醇中甲醇回收率甲醇回收率=（加壓塔采出精甲醇量+常壓塔采出精甲醇量+回收塔采出精甲醇量）/粗甲醇中精甲醇量=（22209+27155.9+1081.3）/50505.1=99.883%第四章 常壓塔冷卻器的設(shè)計(jì)4.1確定設(shè)計(jì)方案兩流體溫度變化情況：精甲醇進(jìn)口溫度71，出口溫度49；冷卻水進(jìn)口溫度25，出口溫度30。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)進(jìn)口溫度降低，考

40、慮到這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。4.2確定物性數(shù)據(jù)18流體平均溫度Tm和tmTm1（TiTo）/2（7149）/260tm1（tito）/2（2530）/227.5平均溫度下的物性數(shù)據(jù) 表3-1 各組分物性數(shù)據(jù)物料項(xiàng)目單位數(shù)據(jù)物料項(xiàng)目單位數(shù)據(jù)水密度kg/m3994甲 醇密度 kg/m3760粘度pas0.000725粘度pas0.000344導(dǎo)熱系數(shù)W/(mK)0.626導(dǎo)熱系數(shù)W/(mK)0.188比熱容kJ/(kgK)4.08比熱容kJ/(kgK)2.9434.2.1計(jì)算總傳熱系數(shù)熱負(fù)荷QQ = Q0 cp0 t0+Q0r

41、=27155.9×2.943×（71-49）+27155.9/3035.28/3600 = 497.2698kW平均傳熱溫差'=11.47冷卻水用量=87753kg/h總傳熱系數(shù)K管程傳熱系數(shù)=13710=0.023=0.023=2734.6w/(m2K)殼程傳熱系數(shù)假設(shè)殼程的傳熱系0 = 290W/(m2·)；污垢熱阻=0.000172m2 ·/W =0.000172 m2 ·/W管壁的導(dǎo)熱系數(shù)= 45W/(mK)=229.67 W/(m2·)3.2.2計(jì)算傳熱面積S'=180.4m2考慮15%的面積裕度，S=1.1

42、5×S'=1.15×180.4=207.5m24.2.2 工藝結(jié)構(gòu)尺寸管徑和管內(nèi)流速選用25×2.5傳熱管（碳鋼），去管內(nèi)流速=0.5m/s管程數(shù)和傳熱管數(shù)=156.2(根)按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長度為L = S/(d0ns) =207.5/(3.14×0.025×157) = 16.8(m)取傳熱管長l=9m，則該換熱器管程數(shù)為Np = L/l = 16.8/9 2(管程)傳熱管總根數(shù)N = 157×2= 314（根）平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)R = (71-49)/(30-25) = 8.8 P =

43、(30-25)/(71-25) = 0.102按單殼程，多管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)查化工原理（上冊）第232頁圖4-19,可得=0.99平均傳熱溫差='=0.99×12=12傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，取管心距t = 1.25d0，則t = 1.25×25 = 31.25 32 mm橫過管束中心線的管數(shù)=22(根)殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率= 0.8，則殼體內(nèi)徑為=1.05=1.05=665.7圓整可取D = 700mm圓整后，換熱器殼體圓筒內(nèi)徑為D=700mm，殼體厚度選擇10mm。長度定為9000mm。殼體的標(biāo)記：筒體 DN700 =104.2.

44、3折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，折流板的板間距為h=0.25700=175mm，則折流板數(shù)去折流板間距=，則=(mm),可取B為250mm。NB=9000/2501=59(塊)4.2.4接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)甲醇流速為u=0.5m/s, q=27155.9/760/3600=0.009925m3/s,則接管內(nèi)徑為=0.0253m取標(biāo)準(zhǔn)管徑為50mm管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)水流速為u=0.5m/s, q=87753/994/3600=0.0245m3/s。=0.2498m取標(biāo)準(zhǔn)管徑為250mm筒體材料選擇為Q235-A，單位長度的筒體重110kg/m

45、,殼體總重為110×(5.910-0.156)= 632.94kg。(波形膨脹節(jié)的軸向長度為0.156m，見本設(shè)計(jì)設(shè)備圖)4.3換熱器核算(1)熱量核算A. 殼程對流傳熱系數(shù)因?yàn)槭怯邢嘧兊膿Q熱過程，且甲醇蒸汽在水平管束外冷凝，采用凱恩公式估算，即=0.725()1/4當(dāng)量直徑，由正三角形排列得=殼程流通截面積So BD(1-) 0.25×0.7（10.025/0.032）0.0383殼程流體流速及雷諾數(shù)分別為uoVs/So =0.2593m/sReo=11456.4o0.725×(2.9433×7602×9.81×35.258

46、5;1000/30/222/3/0.025/0.000344/6.3)1/4411.6W/(m2·)B. 管程對流傳熱系數(shù)i0.023Re0.8Pr0.4 管程流通截面積Si0.785×0.022×314/20.049298管程流體流速ui=Vs/Si=0.497446m/sRei13640.3普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pr4.73i0.023×0.626/0.02×13640.30.8×4.730.42723.2W/(m2·)C. 傳熱系數(shù)K= 299.7W/(m2·)D. 傳熱面積S=146.1m2該換熱器的實(shí)際傳熱面積SPS

47、p=3.14×0.025×（9-0.09）×(314-22) =204.2該換熱器的面積裕度為：F=39.8傳熱面積裕度合適，該換熱器能完成生產(chǎn)任務(wù)。換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力管程流動(dòng)阻力Pi=(P1+P2)FtNpNs (3-15) 其中，P1，P2分別為直徑及回彎管中因摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降，pa Ft結(jié)垢校正因數(shù)，無因次，取1.5， Np管程數(shù)， Ns串連的殼程數(shù)。流速0.4895m/s，雷諾準(zhǔn)數(shù)13640（湍流）。設(shè)管粗糙度 , 查關(guān)系圖得 =0.037 =0.037×× =2545.7Pa=368.95Pa=(2545.7+368.95)=

48、8744 Pa管程流動(dòng)阻力在允許范圍之內(nèi)B. 殼程阻力 其中，P1流體橫過管束的壓降，pa P2流體流過折流板缺口的壓強(qiáng)降，pa Fs殼程壓強(qiáng)降的結(jié)垢正因數(shù)，無因次，取1.15 Ns串連殼程數(shù)。 其中，F(xiàn)管子排列方式對壓強(qiáng)降的校正因數(shù) fo殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)Re>500，f=5.0Re-0.228 Nc橫過管束中心線的管子數(shù) NB折流擋板數(shù)管子為三角形排列，F(xiàn)=0.5，NB=49，nc=12，u0=1.108m/s所以 = =0.593618 由式（），得：= =6004 Pa (3-18) =35×（3.5）× =2490.6Pa =6004 +2490.6=8

49、495.6PaC合理壓降在常壓操作下，操作壓力范圍00.07MPa(表壓)，合理壓降為P=P/2本冷卻器的的操作壓力為0.03 MPa(表壓)，合理壓降P=P/2=（0.030.1303）/2=0.06565 MPa（絕壓）通過比較，管程壓降與殼程壓降亦在合理范圍。4.4 確定折流擋板形狀和尺寸選擇折流擋板為有弓形缺口的圓形板，直徑為700mm,厚度為10mm。缺口弓形高度為圓形板直徑的約1/4，本設(shè)計(jì)圓整為200mm。折流擋板上換熱管孔直徑為25.6mm，共有314-78=236個(gè)；拉桿管孔直徑為16.6mm，每個(gè)折流擋板上有4個(gè)。折流擋板重量為5.1kg。選擇折流擋板間距h=250mm。折

50、流擋板數(shù)NB =L/h-1=9000/250-1=59塊.換熱管排列的橫截面如下圖所示:圖4.1.兩管的布局圖中圓環(huán)形的剖切面表示換熱器殼體的剖面.換熱管分為兩個(gè)管程,每個(gè)管程156根換熱管(圖中各個(gè)圓形表示換熱管).4.5 波形膨脹節(jié)冷流體循環(huán)水的定性溫度為(30+25)/2=27.5熱流體廢液的定性溫度為（71+49）/2=60.該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時(shí)進(jìn)口溫度會(huì)降低。考慮到這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫度和殼體壁溫之差較大，因此確定選用帶波形膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。波形膨脹節(jié)的壁厚與殼體相同，為10mm。根據(jù)換熱器殼體的公稱直徑700mm，可知波形膨脹節(jié)的公稱直徑也是700mm

51、，根據(jù)公稱直徑，查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)(化學(xué)工業(yè)出版社，2008)書中表16-9的對應(yīng)條目，獲得波形膨脹節(jié)的具體尺寸(見換熱器設(shè)備圖)4.6 設(shè)備主要附件的選擇174.6.1 接管及法蘭的選型（1）管口A管口A為循環(huán)水出口。 接管管徑的確定：流量為87753kg/h，密度為994 kg/m3，相當(dāng)于q=87753/994/3600=0.0245m3/s。循環(huán)水為低粘度流體，在接管中的合理流速u=0.52m/s。本設(shè)計(jì)取u=0.5m/s。則接管的內(nèi)徑=0.2498m=250mm。接管的外徑選擇為250mm，壁厚選擇為8mm，材質(zhì)為20鋼，每米管子的重量17.14kg（GB-T 17395-1998

52、無縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差）。 接管長度的選擇：接管的長度L選擇150mm，則重量為1.9kg。接管的標(biāo)記：接管 90×4.5 L=125 接管法蘭的選擇： 查大學(xué)工程制圖（華東理工大學(xué)出版社，2005）表14-5，接管外徑dH=159mm的板式平焊鋼制管法蘭的公稱通徑DN=150mm。選擇公稱壓力PN=0.6MPa的突面法蘭，材料為Q235-A，標(biāo)記為：HG20592 法蘭 PL 150(B)-0.6 RF Q235-A。重量為5.14kg。 該法蘭有8個(gè)均布在外周的螺孔，使用8個(gè)M16螺栓、螺母、墊片與工藝管道連接。（2）管口B管口B為廢水出口。廢水的流量為27155.9

53、kg/h，密度為760 kg/m3，相當(dāng)于q=27155.9/760/3600=0.009925m3/s。廢水在接管中的合理流速u=0.52m/s。本設(shè)計(jì)取u=0.5m/s。則接管的內(nèi)徑=0.0253m = 45mm。 （3）管口C管口C為排氣口。 接管管徑的確定：接管的外徑選擇32mm，壁厚選擇為3.5mm，材質(zhì)為20鋼，每米管子的重量2.46kg（GB-T 17395-1998 無縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差）。 接管長度的選擇：接管的長度L選擇125mm，則重量為0.349kg。接管的標(biāo)記：接管 32×3.5 L=100 接管法蘭的選擇： 查大學(xué)工程制圖（華東理工大學(xué)出版社，2005）表14-5，接管外徑dH=32mm的板式平焊鋼制管法蘭的公稱通徑DN=25mm。選擇公稱壓力PN=0.6MPa的突面法蘭，材料為Q235-A，標(biāo)記為：HG20592 法蘭 PL 25(B)-0.6 RF Q235-A。 該法蘭有4個(gè)均布在外周的螺孔，使用4個(gè)M10螺栓、螺母、墊片與配套的法蘭蓋裝配。（4）管口D管口D為廢水進(jìn)口。接管、法蘭與管口A和B的完全相同。（5）管