年產(chǎn)萬噸甲醇精餾工段工藝設(shè)計畢業(yè)論文化工論文

1、目 錄摘 要1ABSTRACT2第1章 前言31.1 甲醇的性質(zhì)31.1.1 甲醇的物理性質(zhì)31.1.2 甲醇的化學(xué)性質(zhì)31.2 甲醇的用途31.3 甲醇工業(yè)的發(fā)展及現(xiàn)狀41.3.1 甲醇的消費量41.3.2 世界甲醇工業(yè)發(fā)展概況41.3.3 中國甲醇工業(yè)發(fā)展概況與發(fā)展前景61.4 甲醇精餾方法的選擇71.4.1 甲醇精餾的概述71.4.2 甲醇精餾方法8第2章 精餾工藝流程的設(shè)計92.1 甲醇精餾工藝流程比較92.1.1 銅基催化劑合成粗甲醇的單塔精餾92.1.2 銅基催化劑合成粗甲醇的雙塔精餾92.1.3 銅基催化劑合成粗甲醇的三塔精餾102.2 精餾設(shè)備的選擇112.2.1 精餾塔的介紹

2、和選擇112.2.2 其他部分設(shè)備的介紹14第3章 工藝計算153.1 物料衡算153.1.1 預(yù)精餾塔的物料衡算153.1.2 主塔的物料平衡計算163.2 能量衡算173.2.1 預(yù)塔的熱量衡算173.2.2 加壓塔的熱量衡算203.2.3 常壓塔的熱量衡算213.2.4 精餾系統(tǒng)能量結(jié)果匯總23第4章 常壓精餾塔設(shè)計254.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)254.2 塔板數(shù)的計算264.2.1 處理能力264.2.2 最小理論板數(shù)Nm264.2.3 最小回流比274.2.4 進料位置274.2.5 實際理論板數(shù)284.2.6 全塔效率的估算284.3 精餾段與提餾段的體積流量28 精餾段284.3.2 提餾

3、段304.4 塔徑計算324.4.1 精餾段324.4.2 提餾段334.5 塔內(nèi)件設(shè)計334.5.1 溢流堰的設(shè)計334.5.2 降液管的設(shè)計344.5.3 塔板布置及浮閥數(shù)目與排列354.6 塔板流體力學(xué)驗算364.6.1 汽相通過浮閥塔的壓降364.6.2 液泛374.6.3 霧沫夾帶374.7 塔板負荷性能圖384.7.1 霧沫夾帶線384.7.2 液泛線384.7.3 液相負荷上限線394.7.4 漏液線394.7.5 液相負荷下限線394.8 常壓塔工藝計算匯總404.9 常壓塔主要尺寸確定424.9.1 塔高設(shè)計424.9.2 接管設(shè)計42第5章 結(jié) 論45參考文獻46致 謝47

4、摘 要甲醇精制就是通過精餾操作，將粗甲醇進行提純。本設(shè)計需要將原料粗甲醇精制到含醇量99.95%的純度。根據(jù)現(xiàn)代對甲醇精餾工藝設(shè)計的了解，甲醇三塔精餾技術(shù)以其能耗低、產(chǎn)品質(zhì)量好的優(yōu)點領(lǐng)先于其他工藝。所以本設(shè)計以三塔精餾工藝為依據(jù)，通過對粗甲醇進行物料衡算、能量衡算，設(shè)備選型，以及對主要設(shè)備常壓塔的工藝尺寸計算，對提純粗甲醇有更深刻的認識。關(guān)鍵詞：甲醇，工藝設(shè)計，三塔精餾，常壓塔 ABSTRACT Methanol is refined through distillation operation, will be refining the crude methanol. This design

5、 need to be material crude methanol refining to the alcohol content of 99.95% purity. According to the modern understanding of the methanol distillation process design, methanol tower distillation technology for its low energy consumption, product quality good advantage ahead of other technology. So

6、 this design was based on three tower distillation process, based on the crude methanol for material balance, energy balance, equipment selection, and the size calculation of main equipment of atmospheric tower technology, the purification of crude methanol has a more profound understanding.Key word

7、s：methanol, process design, three-tower-distillation, atmospheric tower第1章 前言1.1 甲醇的性質(zhì) 甲醇的物理性質(zhì)甲醇是最簡單的飽和一元醇，化學(xué)式為：CH3OH，在常溫常壓下，單質(zhì)甲醇是無色、易揮發(fā)、有酒精氣味的有毒液體。能與水、醇類、乙醚、苯、酯類、鹵代烴和許多其他有機溶劑互溶，但是不與脂肪烴類化合物混溶。它相關(guān)的部分物理性質(zhì)如表1-1。項目數(shù)值項目數(shù)值液體密度kg/m3（20）804.8熔點/-97.5氣體密度kg/m3（100）3.984閃點（閉環(huán)）9.4氣體粘度（100）12.3沸點64.6液體粘度（20）0.5

8、80表面張力mN/m（20）22.07表1-1 甲醇的部分物理性質(zhì)1 甲醇的化學(xué)性質(zhì)甲醇為最簡單的飽和脂肪醇，其化學(xué)性能活潑，易燃燒。相關(guān)反應(yīng)諸多，例如其氧化反應(yīng)、酯化反應(yīng)、鹵化反應(yīng)、脫水反應(yīng)、甲基化反應(yīng)等等。1.2 甲醇的用途甲醇是很重要的有機化工原料和溶劑，當前，世界上甲醇的生產(chǎn)能力為每年近千萬噸，其中將近30%至40%的甲醇用于生產(chǎn)甲醛。此外，在合成材料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、香料、染料和油漆等工業(yè)中，甲醛是不可缺少的溶劑和原料。甲醇在能源方面的用途早在上世紀90年代就得到了快速的發(fā)展，例如甲醇制備甲基叔丁基醚燃料電池2、燃料甲醇3等。此外，甲醇低壓羰基化制備乙酸的技術(shù)在近年來也發(fā)展很快，已經(jīng)成為

9、生產(chǎn)乙酸的主要方法4。以甲醇為原料制得的人工蛋白稱為甲醇蛋白。含有豐富的維生素和蛋白質(zhì)，營養(yǎng)價值超過糧食和大豆油餅，成本比魚粉便宜，無毒，收率高5。上世紀80年代以來，甲醇的非化工用途受到人們的重視，并為甲醇的用途開辟一個新的領(lǐng)域。甲醇和燃料油相比是一類廉價、辛烷值高（高達110）、熱效率高、對環(huán)境的污染小的液體燃料。甲醇若直接作為汽車發(fā)動機的燃料，雖然熱值只有汽油的一半，但它使汽車行駛一樣的里程消耗的甲醇和汽油之比不是2：1，而僅為1.07：16，其熱效率高出汽油90%以上?？梢?，甲醇作發(fā)動機的燃料，經(jīng)濟上是合理的，所以可以代替汽油作為輪船、機車、飛機的燃料，也可以做發(fā)電廠輪機的燃料。甲醇還

10、可以與汽油摻混燃燒，作為汽車的燃料4。1.3 甲醇工業(yè)的發(fā)展及現(xiàn)狀 甲醇的消費量80年代以來，世界的甲醇總需求量增長很快，平均年增長率約8%。市場的需求必然導(dǎo)致甲醇產(chǎn)量的迅速增加。1982年全世界的甲醇產(chǎn)量不足1.2×103kt，而1990年超過了1.7×103kt，更甚者1995年達到了2.5×103kt 7，同年世界甲醇的消費總量為2.39×103kt。預(yù)計到2015年達到約7200萬噸8。我國甲醇的消費增長也很快，從1957年的1.664kt，到1970年的83kt，再到1990年的660kt、1991年的780kt9，而1995年已經(jīng)達到1133

11、.8kt，1996年達到1081.8kt10，2005年7200kt，2008年實際產(chǎn)量達到11260kt，到了2009年全年產(chǎn)量達到近11160kt11，新增甲醇裝置18套，新增產(chǎn)能約為850萬噸，而且各地還在籌劃建設(shè)的甲醇產(chǎn)能高達4320萬噸，其中相當一部分是配套生產(chǎn)其他煤化工產(chǎn)品的8。 世界甲醇工業(yè)發(fā)展概況甲醇最早是由木材和木質(zhì)素干餾而制得的，俗稱木醇。到了1661年，德國的Robert Boyle發(fā)現(xiàn)焦木酸含有一種“中性物質(zhì)”，稱它為木醇（Wood Alcohol）。木材在較長時間加熱炭化的過程中，會產(chǎn)生可凝和不可凝揮發(fā)性物質(zhì)，被稱之為焦木酸的可凝性液體中含有甲醇、焦油和乙酸。除去焦油

12、的焦木酸可以通過精餾分離出天然的甲醇和乙酸，這是生產(chǎn)甲醇的最古老的方法。美國在20世紀的70年代初才完全摒棄了這一方法。1934年，Damds 和Peligt一起從焦木酸中分離出了甲醇，并且測定了甲醇的分子量。甲醇的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)是以20世紀20年代高壓法合成甲醇作為標志。1913年，德國BASF公司在高壓合成氨的實驗裝置上進行一氧化碳和氫氣合成含氧化合物的研究，于1923年在德國Leuna建成世界上第一座年產(chǎn)3000噸合成甲醇生產(chǎn)裝置，并成功投產(chǎn)。該裝置采用了Zn-Cr氧化物作為催化劑，一氧化碳和氫氣作為原料，壓力30至35MPa，溫度300至400條件下進行。1965年采用這樣的方法生產(chǎn)

13、的甲醇已經(jīng)達到了298.8萬噸。高壓法甲醇生產(chǎn)裝置成功投產(chǎn)后，引起了世界各國廣泛重視，紛紛開展甲醇實驗室研究進行合成和工業(yè)生產(chǎn)開發(fā)。1927年，美國的Commerical Solvent公司建成世界第一座以一氧化碳和氫氣作為原料合成甲醇的工業(yè)裝置，并且投入工業(yè)生產(chǎn)。該裝置所采用的催化劑為Zn-Cr氧化物或者Cu-Zn-Cr氧化物，反應(yīng)的壓力為31.6Mpa，產(chǎn)物組成為68%甲醇和32%水。由于經(jīng)濟方面的原因，該裝置1951年停止使用。高壓法合成甲醇的工業(yè)投資很大，生產(chǎn)成本太高。為此，世界各國一直在探求可以降低合成壓力的工業(yè)生產(chǎn)方法。英國ICI公司和德國的Lurgi公司分別成功研制出了中低壓甲醇

14、合成催化劑，降低了反應(yīng)的壓力，極大促進了甲醇生產(chǎn)的高速發(fā)展。與此同時，世界其他的化學(xué)公司也相繼開發(fā)自己的中低壓甲醇合成工藝，建設(shè)甲醇合成裝置，但是ICI和Lurgi中低壓法合成工藝發(fā)展的最快。到了1982年，世界各國所采用ICI中低壓法生產(chǎn)的甲醇年總量達到1028萬噸，占世界甲醇總量的近50%，裝置的規(guī)模一般為年產(chǎn)5.082.5萬噸；而采用Lurgi低壓法已經(jīng)建成以及正在建設(shè)的甲醇生產(chǎn)裝置的總生產(chǎn)能力達到了606萬噸，占了世界甲醇總生產(chǎn)能力近30%，裝置規(guī)模一般為年產(chǎn)4.581萬噸。隨著甲醇合成技術(shù)不斷發(fā)展和規(guī)模的不斷擴大，原料也發(fā)生了很大的變化，由原來以煤和焦炭氣化生產(chǎn)路線發(fā)展到目前以天然氣

15、和煤作為主要的合成路線。20世紀50年代以前，甲醇合成原料氣以煤和焦炭作為原料，在常壓或者加壓下氣化，用水蒸氣、空氣為氣化劑，通過這樣生產(chǎn)水煤氣，再經(jīng)過水汽變換逆反應(yīng)脫出部分二氧化碳來獲得甲醇合成氣，相似于合成氨來生產(chǎn)半水煤氣。50年代以后，石油和天然氣資源大量開采，特別是儲量很豐富、廉價的天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化技術(shù)的快速發(fā)展使生產(chǎn)甲醇原料氣的成本大大降低，稱為甲醇合成的主要原料路線。目前天然氣路線大約占甲醇生產(chǎn)總能力的80%，中東和拉丁美洲憑借其廉價且豐富的天然氣資源，成為近年來甲醇的生產(chǎn)能力增長最快的地區(qū)。煤作為制備甲醇原料氣的傳統(tǒng)原料，由于氣化和氣體的凈化比較復(fù)雜，生產(chǎn)成本相對較高，但對于缺少油

16、氣但是富煤的國家和地區(qū)，例如我國，這樣就成了主要的原料路線，大約占了90%。從長遠的發(fā)展趨勢來看，煤炭是世界化石能源儲量最多的資源，遠遠超過了油氣的儲量，而且隨著氣化凈化技術(shù)的發(fā)展，以及甲醇作為能源產(chǎn)品的應(yīng)用，例如車用潔凈燃料以及甲醇燃料電池等原料，煤制甲醇必將重新變成合成甲醇主要的原料路線。甲醇裝置正向大型化發(fā)展，國外一共有甲醇生產(chǎn)裝置進110套，每套的年平均生產(chǎn)能力都超過0.5Mt，年總達到了64Mt，在其中年生產(chǎn)能力超過0.8Mt的裝置近32套，總生產(chǎn)能力約為30Mt，目前正建設(shè)的大型裝置的總生產(chǎn)能力可達26Mt。在未來的幾年內(nèi)，更多超大規(guī)模的甲醇生產(chǎn)裝置的集中投產(chǎn)，必將對國際甲醇生產(chǎn)和

17、消費市場產(chǎn)生重大的影響。世界范圍內(nèi)甲醇的生產(chǎn)和消費格局正在變化。在過去的十年里，部分天然氣的儲量豐富而且本國的消耗量小的國家和地區(qū)，都先后建設(shè)世界級規(guī)模的甲醇生產(chǎn)裝置，產(chǎn)品已經(jīng)出口到美國、日本、歐洲等，以其較低的價位優(yōu)勢占領(lǐng)這些國家、地區(qū)的市場，導(dǎo)致了這些國家、地區(qū)甲醇生產(chǎn)裝置的紛紛停產(chǎn)關(guān)閉。而現(xiàn)在，拉丁美洲和中東等地區(qū)已經(jīng)發(fā)展成為世界甲醇的生產(chǎn)集中地和全球甲醇主要出口地。 中國甲醇工業(yè)發(fā)展概況與發(fā)展前景中國甲醇工業(yè)開始于20世紀50年代，之前利用前蘇聯(lián)技術(shù)曾在蘭州、吉林和太原采用Zn-Cr氧化物催化劑建設(shè)高壓甲醇合成裝置。到60年代后，上海吳涇化工廠先后建設(shè)了以焦炭和石腦油作為原料的甲醇合成

18、裝置，南京化學(xué)工業(yè)公司研究院因研制了合成氨聯(lián)醇用的中壓銅基催化劑而推動了合成氨聯(lián)產(chǎn)甲醇工業(yè)的發(fā)展。到了70年代，四川維尼綸廠引進中國第一套低壓甲醇合成裝置，用乙炔尾氣作為原料，用ICI低壓冷激式合成工藝。到了80年代中期，齊魯?shù)诙S又引進Lurgi公司低壓甲醇合成裝置，用渣油作為原料。進入了90年代，隨著甲醇的需要快速增長，通過引進技術(shù)和自主技術(shù)的開發(fā)建成數(shù)十套甲醇和聯(lián)醇的生產(chǎn)裝置，這樣使我國的甲醇行業(yè)得到了前所未有的進步。進入21世紀后，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，甲醇既可以作為有機化工原料，例如制備醋酸、甲醛、二甲醚等等，又可以作為清潔的液體燃料替代品，從而得到了大量的推廣使用，甲醇作為作為煤

19、化工的主要產(chǎn)品也得到了快速的發(fā)展，生產(chǎn)能力直線上升，而且生產(chǎn)技術(shù)不斷提高。我國的甲醇工業(yè)發(fā)展是伴隨著能源與美化工工業(yè)的發(fā)展而崛起的。特別是近年來，由于國際油價的節(jié)節(jié)攀升，煤化工工業(yè)對發(fā)揮我國豐富的煤炭資源優(yōu)勢，以此補充我國油氣資源的不足與滿足對化工產(chǎn)品的需求，保障能源安全，推動煤炭清潔利用，促進我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。煤化工產(chǎn)品的產(chǎn)量占了化學(xué)工業(yè)（除石油和石化外）近50%，目前合成甲醇和氨兩大種基礎(chǔ)化工產(chǎn)品的主要原料就是煤炭。從2004年7月以來，我國投資體制的改革，國家不再審批投資項目，但全國各地擬上和新上煤化工項目很多，大部分都以煤基合成甲醇作為主要路線。按照規(guī)劃的目標，到20

20、20年我國甲醇的生產(chǎn)能力可達到6000至7000萬噸。甲醇可作為“功能”儲備來補充石油的不足。假設(shè)甲醇生產(chǎn)的戰(zhàn)略儲備對于調(diào)節(jié)甲醇的市場價格、促進煤化工的長期發(fā)展和保證我國能源的安全均有重要意義。2009年國家標準委連續(xù)發(fā)布了甲醇燃料及M85甲醇汽油兩個國家標準，M15甲醇汽油等系列的國家標準也即將頒布，這些國家標準的頒布和實施必將進一步促進和加快甲醇燃料的規(guī)范發(fā)展。甲醇轉(zhuǎn)化成二甲醚燃料的生產(chǎn)和應(yīng)用彰顯出了重要的發(fā)展前景，二甲醚替代一部分石油液化氣應(yīng)用的范圍越來越廣，以二甲醚作為能源的柴油車的研制與推廣步伐也正在加快。將甲醇轉(zhuǎn)化為烯烴和汽油的工業(yè)化進程也取得了重大進展，為甲醇的進一步轉(zhuǎn)為石油的大

21、宗基礎(chǔ)產(chǎn)品的工業(yè)化運行創(chuàng)造了有利條件，也必將使甲醇的消費大增。新型的煤化工煤制甲醇、二甲醚、烯烴等在我國能源領(lǐng)域里已經(jīng)顯示出了很重要的地位，正面臨著前所未有的發(fā)展機遇和長遠發(fā)展前景。國家煤化工產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃已經(jīng)表明，以煤基合成甲醇作為主要內(nèi)容的新型煤化工必將進一步快速發(fā)展，以煤氣化作為核心多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)特別是煤基甲醇-燃氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)必將獲得空前發(fā)展。煤基甲醇合成及應(yīng)用對煤炭的清潔利用非常有利，這也是發(fā)展高碳性煤炭能源低碳化利用有效途徑，其前景十分廣闊。1.4 甲醇精餾方法的選擇 甲醇精餾的概述甲醇合成反應(yīng)的生成與合成的反應(yīng)條件密切相關(guān)，即使參加反應(yīng)的元素只有碳、氫、氧三種，但往往由

22、于合成反應(yīng)條件，如壓力、溫度、催化劑、反應(yīng)氣體組成以及催化劑中的微量雜質(zhì)的作用，均可以是合成反應(yīng)偏離主反應(yīng)，生成各種副產(chǎn)物，也即甲醇中的雜質(zhì)成分。例如反應(yīng)溫度偏高，甲醇分離不好，會生成醚類、醛類、酮類等羰基物；進塔氣中水汽濃度過高，可能生成有機酸；催化劑及設(shè)備管線中帶入微量鐵，那么可能有各種烴類生成；原料氣中脫硫不盡，會生成硫醇、甲基硫醇，使甲醇呈異臭。為了獲得高純度的甲醇，則必須采用精餾工藝來進行提純，清除所有雜質(zhì)。由粗甲醇精制為精甲醇，采用精餾方法，同時根據(jù)甲醇質(zhì)量，在精制的過程中，還可以采用化學(xué)凈化和吸收的方法。其整個精制過程工業(yè)上習(xí)慣稱之為粗甲醇的精餾6。 甲醇精餾方法 物理精餾方法

23、就是利用甲醇、水、有機物雜質(zhì)的揮發(fā)度不同、沸點不同，通過精餾方法將雜質(zhì)、水、甲醇進行分離。將粗甲醇精餾為純組分，需要一個或者幾個串聯(lián)精餾塔。粗甲醇原料液的關(guān)鍵組分為甲醇和水，其余雜質(zhì)根據(jù)它們的沸點不同可以分為輕、重組分。一般可在預(yù)精餾塔中脫出輕組分，再于主精餾塔中脫出重組分和水。 化學(xué)精餾方法 當采用蒸餾的方法不能將雜質(zhì)降低至精甲醇所要求的指標時，則需要用化學(xué)凈化的方法破壞掉這些雜質(zhì)。例如粗甲醇中含有還原性雜質(zhì)，雖然采取萃取蒸餾的方法分離，但殘留在甲醇中的部分將繼續(xù)影響其高錳酸鉀值，若不除去繼續(xù)蒸餾，則必然會造成精餾設(shè)備的復(fù)雜性、增加甲醇的損失、增加能耗等。所以必須采取化學(xué)方法進行預(yù)處理。總之

24、，要以蒸餾法為主，除去粗甲醇中絕大部分的有機物和水。至于化學(xué)凈化方法，要取決于粗甲醇的質(zhì)量要求是否真正需要。工業(yè)上，采用精制粗甲醇的方法原則是：首先，精餾是必要過程，不論使用的是什么催化劑、原料氣和合成條件制得的粗甲醇，都含有相當多的有機雜質(zhì)和水，需要通過蒸餾的方法得到脫出；其次，粗甲醇一般情況呈弱酸性，需要用堿液中和；第三，根據(jù)粗甲醇原料也中還原性雜質(zhì)的含量和對精甲醇的質(zhì)量要求，決定是否需要用化學(xué)方法進行處理。一般情況下用鋅鉻催化劑以水煤氣為原料所制得的粗甲醇，含有還原性雜質(zhì)較多，可能需要高錳酸鉀進行氧化，這樣才能獲得穩(wěn)定性較好的精甲醇。而銅系催化劑在較低壓力和溫度下合成甲醇，含有還原性的雜

25、質(zhì)很少，無需要化學(xué)凈化，也可以獲得高穩(wěn)定性的精甲醇，因而簡化了工藝流程，降低的生產(chǎn)成本。第2章 精餾工藝流程的設(shè)計2.1 甲醇精餾工藝流程比較 銅基催化劑合成粗甲醇的單塔精餾由于催化劑為銅基催化劑，較使用鋅鉻催化劑得到的粗甲醇產(chǎn)品中的還原性雜質(zhì)的含量大大的減少，特別是二甲醚的含量幾十倍的降低了，因此在取消了化學(xué)凈化步驟的同時，甚至可以將甲醇-水-重組分在一個塔內(nèi)進行分離，這樣就可以獲得一般工業(yè)上所需要的精甲醇。其優(yōu)點是節(jié)約投資，而且減少了熱能的損耗。但是對于純度由較高要求的下游生產(chǎn)流程，一步精餾得到的精甲醇遠遠不能滿足其要求。 銅基催化劑合成粗甲醇的雙塔精餾圖2-1 雙塔精餾工藝流程圖甲醇精餾

26、的雙塔流程是最為普遍應(yīng)用的方式。第一塔為預(yù)精餾塔，第二塔為主精餾塔，兩者的再沸器的熱源都是來自循環(huán)氣壓縮機驅(qū)動透平排出的低壓蒸汽。預(yù)精餾塔分離輕組分和溶解的氣體，如氫氣、一氧化碳、二氧化碳等，塔頂大部分的水和甲醇回流。同時從冷凝器里抽以小部分冷凝液以減少揮發(fā)性較小的輕組分。同時為了減少塔頂所排出氣體中甲醇的損失，可以在塔頂設(shè)置冷凝器二級冷凝。主精餾塔主要除去重組分，其中包括了水、乙醇和高級醇等，同時得到符合要求的精甲醇。原料液從預(yù)塔塔底輸送到主塔進料口，高級醇從加料板以下側(cè)線引出，含微量甲醇的水從塔底排除，而精甲醇則從塔頂處冷凝取出。該生產(chǎn)流程突出的優(yōu)點就是可以得到純度很到的甲醇，來滿足下游產(chǎn)

27、品生產(chǎn)的需要。但是很明顯，兩個塔的能量消耗要高于單塔精餾，所以提高能量的利用、節(jié)約能耗是對該流程的一個展望。 銅基催化劑合成粗甲醇的三塔精餾圖2-2 三塔精餾工藝工藝流程圖精餾過程對能量的消耗很大，而且對熱能的利用率也很低，所以精餾工序的節(jié)能有很多潛力可以發(fā)掘。采用三塔精餾的目的就是為了更合理的利用能量，達到節(jié)能目的。三塔精餾與雙塔精餾的主要區(qū)別在于三塔精餾采用了兩個主精餾塔，第一個主精餾塔為加壓操作，第二個塔為常壓操作，利用加壓塔的塔頂蒸汽冷凝熱作為第二主精餾塔再沸器的加熱源。這樣不僅節(jié)約了加熱蒸汽，而且也節(jié)省冷卻用水，有效的利用了熱能。粗甲醇在槽內(nèi)加入堿液進行中和后進再沸器加熱，然后進入預(yù)

28、塔，在預(yù)塔頂分離出輕組分，塔釜液由預(yù)塔的塔釜送出，經(jīng)過加壓泵送至加壓塔。在加壓塔塔頂位置形成高純度甲醇蒸汽，這些蒸汽作為常壓塔的塔底再沸器的熱源，甲醇蒸汽冷凝后通過加壓泵再送回到塔頂回流槽，其中一部分送往加壓塔塔頂作為回流液，而另外一部分冷卻后作為產(chǎn)品儲存。加壓塔塔釜沒有氣化的粗甲醇溶液則靠加壓精餾塔內(nèi)部壓力直接輸送到常壓塔。常壓塔塔頂生成低壓高純度的甲醇氣體，進入常壓塔冷凝器降溫冷凝后一部分回流到塔內(nèi)，一部分作為產(chǎn)品冷卻后送往儲槽，常壓塔塔底殘液再做處理?？梢?，對于三塔精餾過程，兩個主精餾塔的塔板數(shù)總和比雙塔精餾主塔的塔板數(shù)增多了很多，自然而然分離的效率提高了很多，但能量的消耗反而降低了。但

29、是對加壓塔的設(shè)備要求卻提高了，長遠來看，總的效益還是很明顯的。項目單塔精餾雙塔精餾三塔精餾運行操作運行簡單運行相對簡單、穩(wěn)定運行比較復(fù)雜產(chǎn)品質(zhì)量相對于粗甲醇得到了很好的提高可以獲得比較優(yōu)質(zhì)的精甲醇可以得到高純度的精甲醇能量消耗相對較低能量消耗很高，而且熱能的利用率低相對于雙塔精餾節(jié)約很多熱能產(chǎn)品適合方向獲得燃料級甲醇可以滿足下游產(chǎn)品生產(chǎn)對甲醇高純度的要求表2-1 三種類型的塔對比表2.2 精餾設(shè)備的選擇甲醇精餾段工序的主要設(shè)備包括：精餾塔、泵、冷凝器、再沸器、冷卻器、貯槽等。 精餾塔的介紹和選擇對于精餾工序來說，精餾塔是是該工序進行的重要條件，設(shè)計性能良好的精餾設(shè)備，必然可以為精餾過程創(chuàng)造良好

30、的條件。精餾塔的優(yōu)劣直接影響到了生產(chǎn)裝置中產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)品的回收率、生產(chǎn)能力以及污水處理等環(huán)保問題?？梢娫O(shè)計好的精餾塔是保證工序的優(yōu)先條件。塔設(shè)備可以分為板式塔和填料塔兩大類。板式塔內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的塔板，氣體以鼓泡狀、泡沫狀、蜂窩狀、或者噴射形式穿過板上的液層，進行傳質(zhì)、傳熱。在正常操作下，氣相為分散相，液相為連續(xù)相，氣相組成呈階梯變化，屬于逐級接觸逆流操作過程。填料塔里裝有一定高度填料層，液體從塔頂沿著填料表面往下流，氣體逆流向上流，氣、液兩相接觸密切來進行傳質(zhì)和傳熱。在正常的情況下，氣相是連續(xù)相，液相是分散相，氣相的組成為連續(xù)變化，屬于微分接觸逆流操作過程。在工業(yè)生產(chǎn)中，一般情況下，當處理

31、物料量很大時多采用板式塔，塔徑在0.8m以下時一般采用填料塔。根據(jù)本設(shè)計，年產(chǎn)量22萬噸精甲醇，物料量比較大，應(yīng)該采用板式塔。針對板式塔，其塔板類型按照塔內(nèi)氣、液的流動方式，可將塔板分為錯流塔板和逆流塔板兩大類。逆流板也稱穿流板，板上不用設(shè)降液管，氣、液兩相同時從板上孔道逆向穿流過，。其中柵板和淋降篩板都屬于逆流塔板。這類塔板雖然結(jié)構(gòu)簡單，板面利用率也高，但是需要有較高的氣速才能夠維持板上的液層，操作范圍較小，分離效率也很低，工業(yè)上用得很少。可見本設(shè)計需要用錯流塔板。在幾種主要的錯流塔板中，最早應(yīng)用的是泡罩塔，而目前使用最廣泛的是篩板塔和浮閥塔。泡罩塔作為應(yīng)用最早的一類氣液傳質(zhì)設(shè)備，長期以來人

32、們對其性能就做了比較充分的研究，而且在工業(yè)上積累了豐富的實踐經(jīng)驗。它的每層塔板上開著若干個小孔，孔上還焊有短管來作為上升氣體通道，稱之為升氣管。升氣管的上面覆蓋著泡罩，泡罩的下部周邊還開有許多的齒縫。齒縫一般含有矩形、梯形和三角形三種，常用的為矩形。泡罩在塔板上面作等邊三角形?；S廣泛使用的圓形泡罩主要結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)系列化。在操作時，上升氣體在通過齒縫進入液層時，被分散成了許多細小的氣泡或者流股，在塔板上形成鼓泡層和泡沫層，這樣為氣液兩相提供了大量的傳質(zhì)界面。綜上所述可以概括泡罩塔的優(yōu)點為：因為升氣管高出了液層，不容易發(fā)生漏液的現(xiàn)象，可見有較好的操作彈性，也即當氣液流量有較大的波動時，仍然能夠

33、維持幾乎恒定的板效率；泡罩塔塔板不容易堵塞，適合處理各種物料。其缺點為：塔板的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，金屬量消耗比較大，造價比較高；塔板的壓降比較大，兼因霧沫夾帶現(xiàn)象比較嚴重，極大的限制了氣速的提高，致使塔的生產(chǎn)能力和板效率均比較低。但是目前仍有采用的工廠。篩板塔的塔板上開有很多均勻分布的篩孔，孔徑一般為3至8毫米，篩孔在塔板上成三角形排列。塔板上還設(shè)有溢流堰，使塔板上能夠維持一定厚度的液層。在操作時，上升的氣流通過篩孔進而分散成細小的流股，從塔板液層中鼓泡而出，氣液間密切接觸來進行傳質(zhì)。正常操作的氣速下，通過篩孔上升氣流，應(yīng)該能阻止液體流經(jīng)篩孔向下泄露。綜上所述可見篩板塔的優(yōu)點為：結(jié)構(gòu)比較簡單，其造價低廉

34、，氣體的壓降比較小，板上的液面落差也比較小，生產(chǎn)能力和塔板效率均比泡罩塔高些。但主要缺點是：操作的彈性比較小，篩孔小時容易堵塞。近些年來采用大孔徑的篩板可以避免堵塞，而且由于氣速提高，生產(chǎn)能力大大增加。由于過去對于篩板塔的性能研究并不充分，認為操作不易穩(wěn)定，所以沒有普遍采用，直到20世紀的50年代初，對篩板塔結(jié)構(gòu)和性能作了較充分的研究，認識到了只要設(shè)計合理和操作正確，同樣可以獲得較滿意的塔板效率，以及可觀的操作彈性，所以近年來篩板塔的應(yīng)用又日漸廣泛。浮閥塔在20世紀50年代的初期就在工業(yè)上開始推廣使用，因為其兼有泡罩塔和篩板塔的優(yōu)點，所以成為了國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的塔型，特別是在石油方向、化學(xué)工業(yè)

35、中使用最為普遍，對它的性能研究也比較充分。浮閥塔板結(jié)構(gòu)的特點是在其塔板上開有很多大孔（其標準的孔徑為39mm），每個孔上還裝有一個能夠上下浮動的閥片。其中浮閥的形式有很多，目前我國已經(jīng)采用的浮閥有五種，但最常用的浮閥形式為F1型、V-4型兩種。其中F1型浮閥塔的閥片的本身有三條“腿”，將其插入閥孔后，各腿底腳扳轉(zhuǎn)90°角，用來限制操作時閥片在板上升起來的最大高度；閥片的周邊又沖出三塊稍微向下彎的定距片。當氣速很低的時候，靠這三個定距片可以使閥片與塔板呈點接觸坐落在閥孔上，塔板與閥片始終保持著2.5mm的開度供氣體比較均勻的流過，避免閥片啟閉不均與的脈動現(xiàn)象。塔板與閥片的點接觸也可以防

36、止停工后板面與閥片的黏結(jié)。在操作時，由閥孔上升氣流，經(jīng)過閥片與塔板間間隙而和板上橫流的液體接觸。浮閥開度隨著氣體負荷而改變。當它氣量很小時氣體仍然能夠通過靜止開度的縫隙來鼓泡。綜上可見F1型浮閥塔的優(yōu)點為：結(jié)構(gòu)很簡單，制造比較方便，而且節(jié)省材料、性能良好，被廣泛應(yīng)用于化工及煉油生產(chǎn)當中，現(xiàn)在已經(jīng)列入部頒標準（JB1118-68）內(nèi)。F1型浮閥又分為輕閥和重閥：重閥采用厚度是2mm的薄板沖制，每個閥的質(zhì)量約為33g；輕閥采用的是厚度為1.5mm的薄板沖制，每個閥的質(zhì)量約為25g。一般的情況下都采用的是重閥，只是在處理量很大，并且要求壓強降很低的系統(tǒng)才用輕閥。對于V-4型浮閥塔的特點是閥孔沖成向下

37、面彎曲的文丘里形，來減少氣體通過浮閥塔板時的壓強降。閥片除了腿部相應(yīng)加長以外，其余的結(jié)構(gòu)尺寸與F1型輕閥無異。可見V-4型浮閥適合于減壓系統(tǒng)?？梢姼￠y塔的優(yōu)點明顯：第一，生產(chǎn)能力大。因為浮閥塔板既有較大開孔率，所以它的生產(chǎn)能力比泡罩塔大20%至30%，與篩板塔相近。第二，操作彈性大。因為閥片可以自由的升降來適應(yīng)氣量的變化，所以維持正常的操作所容許的負荷波動范圍比泡罩塔和篩板塔都要寬。第三，塔板的效率高。因為上升氣體以水平方向吹入的液層，所以氣液接觸時間較長，而霧沫夾帶量比較小，板效率較高。第四，氣體的壓強降及液面落差比較小。因為氣液流過浮閥塔板時遇到的阻力比較小，所以氣體壓強降和板上的液面落差

38、都比泡罩塔板小。第五，塔的造價低。因為構(gòu)造簡單，容易制造，浮閥塔的成本造價一般為泡罩塔的60%至80%，為篩板塔的120%至130%。但是浮閥塔不宜與處理容易結(jié)焦和黏度大的系統(tǒng)，但是對于黏度稍微大些及有一般聚合現(xiàn)象的系統(tǒng)時，浮閥塔也能夠正常操作。綜上所述，本設(shè)計粗甲醇的精餾中，三個塔均采用F1型重閥浮閥塔。 其他部分設(shè)備的介紹精餾裝置所附屬的設(shè)備主要為各種形式的換熱器和一些泵。其中包括塔底原料液的再沸器、塔頂蒸汽的冷凝器、原料液的預(yù)熱器和產(chǎn)品的冷卻器等。這些附屬設(shè)備中，再沸器和冷凝器為保證精餾工序的正常連續(xù)穩(wěn)定操作是必不可少的兩類換熱器設(shè)備。再沸器其作用可將塔內(nèi)最后一塊板下的原料液加熱，使液體

39、升溫至沸點發(fā)生汽化為蒸汽繼續(xù)上升，提供上升氣流，保證塔板的氣液相進行傳質(zhì)。冷凝器其作用正好相反，將蒸汽進行冷凝為液體，部分或者全部冷凝液參與回流，提供精餾塔內(nèi)下降的液流，保證氣液相傳質(zhì)。而部分冷凝器是為了冷卻產(chǎn)品。第3章 工藝計算粗甲醇的工藝流程圖：預(yù)精餾塔加壓精餾塔常壓精餾塔 4.預(yù)塔頂出料 6.加壓塔頂出料 7.常壓塔頂出料1.粗甲醇2.軟水3.堿液 5.預(yù)塔底出料 8.常壓塔釜出料圖2-3 粗甲醇精餾物流圖3.1 物料衡算已知：年產(chǎn)22萬噸甲醇，每年以320個工作日計 精甲醇的甲醇質(zhì)量含量為99.95%，要求生產(chǎn)精甲醇28.65t/h，粗甲醇的組成如表3-1。表3-1 粗甲醇組成表成分C

40、H3OH(CH3)2OC4H9OHH2O合計組成/%93.980.200.025.80100 預(yù)精餾塔的物料衡算 進料A 粗甲醇：B 堿液：為了防止工藝管路和設(shè)備的腐蝕，先以8%的氫氧化鈉溶液和粗甲醇中的酸性物質(zhì)反應(yīng)，使其呈弱堿性，每噸精甲醇的耗堿量按0.1kg計算則消耗純氫氧化鈉：0.1×28.652.865kg/h換成堿液：2.865÷8%32.5568kg/hC 軟水：軟水的加入量按精甲醇的20%計，那么需要補加軟水：28650×20%132.5568×92%5700.05kg/h以上計算結(jié)果如表3-2。表3-2 預(yù)塔進料組成表物料量：kg/hCH

41、3OHH2ONaOH(CH3)2OC4H9OH合計粗甲醇286501768.1460.976.130485.21堿液29.952.8732.56軟水5700.055700.05合計286507498.142.8760.976.136217.82 出料A 塔底：甲醇 28650kg/hB 塔底：水 粗甲醇含水：1768.14kg/h 堿液帶水：29.95kg/h 軟水：5700.05kg/h 合計：7498.14kg/hC 塔底異丁醇及高沸物：6.1kg/hD 塔頂二甲醚及低沸物：60.97kg/h以上計算結(jié)果如表3-3。表3-3 預(yù)塔出料流量及組成表物料量 kg/hCH3OHH2ONaOH(C

42、H3)2OC4H9OH合計塔頂60.9760.97塔底286507498.142.876.136156.85合計286507498.142.8760.976.136217.82 主塔的物料平衡計算按照加壓塔和常壓塔的采出量之比46計算，常壓塔釜液含有甲醇1%。 進料加壓塔：預(yù)后粗甲醇 36156.85kg/h常壓塔：36156.8528650×4/10×1/0.999524691.12kg/h 出料A 加壓塔：塔頂 28650×4/10×1/0.999511456.73kg/h 塔釜 24691.12kg/hB 常壓塔：塔頂 28650×6/1

43、0×99%×1/0.999517026.6kg/h 釜液中：甲醇 157.4kg/h 水 7498.14 kg/h NaOH 2.87kg/h 高沸物 6.1kg/h以上計算結(jié)果如表3-4。表3-4 甲醇精餾塔物料平衡匯總（單位：kg/h）成分物料加壓塔出料常壓塔出料常壓塔釜出料甲醇2865011465.7317026.61157.4NaOH2.872.87水7498.147498.14高沸物6.106.10合計36156.8511465.7317026.617664.513.2 能量衡算 預(yù)塔的熱量衡算 進料帶入熱量取回流液與進料量之比為1：4，預(yù)塔帶入熱量如表3-5。表

44、3-5 預(yù)塔帶入熱量表進熱項目粗甲醇軟水回流液熱蒸汽成分二甲醚甲醇水異丁醇外補水堿液甲醇水流量kg/h60.97286501768.146.105700.0529.959039.21溫度65656565787860比熱kJ/kg2.964.1872.314.1874.1872.86焓kJ/kg1280.382118.62熱量kJ/h78064.775512260481208.14915.921861556.539781.251551128.87Q蒸汽熱量計算公式：Q粗甲醇Q二甲醚+Q甲醇+Q水+Q異丁醇同理可得其他物質(zhì)帶入的熱量Q入Q粗甲醇Q軟水Q回流液Q蒸汽 78064.7755122604

45、81208.14915.921861556.539781.251551128.87Q蒸汽9494915.48Q蒸汽 出料熱量計算表3-6 物料帶出的熱量出熱部分塔頂塔底熱損失成分二甲醚回流液甲醇水（堿液）以5%計液體比熱kJ/kg2.642.933.2234.187流量kg/h60.979039.21286507498.14液體冷凝熱kJ/kg523.381046.75溫度64648282熱量kJ42211.9711156825.737571793.92574366.45%Q入其他物質(zhì)的熱量亦同上公式計算。則有： Q出Q二甲醚Q回流液Q預(yù)后甲醇Q損 42211.9711156825.73757

46、1793.92574366.45%Q入 213451985%Q入 根據(jù)能量守恒 即 Q入Q出 即 9494915.48Q蒸汽213451985%Q入 解得 Q蒸汽12973713.99kJ/h塔底的再沸器用中壓0.35Mpa蒸汽壓加熱，如果不計冷凝水的顯熱，那么需要蒸汽量：G1蒸汽12973713.99/2118.626123.66kg/h以上計算的結(jié)果塔熱量平衡如表3-7。表3-7 預(yù)塔熱量平衡表帶入熱量kJ/h帶出熱量kJ/h塔側(cè)粗甲醇入熱6072448.83塔頂二甲醚出熱42211.97塔頂加入冷凝殘液入熱1871337.78塔頂回流甲醇蒸汽11156825.73塔頂回流液入熱15511

47、28.87塔底預(yù)后粗甲醇10146160.3加熱蒸汽12973713.99熱損失1123431.47總?cè)霟?2468629.47總出熱22468629.47冷卻水用量計算假設(shè)入口冷卻水的溫度為30，出口冷卻水的溫度40，平均比熱為4.187kJ/kg Q入Q甲醇Q甲醇蒸汽 42211.9711156825.73 11199037.7kJ/hQ出Q二甲醚Q回流液Q損失 42211.971551128.8722498929×5% 2716772.29kJ/hQ傳Q入Q出1199037.72716772.298482265.41kJ/h又因為 Q傳G1水×4.187×（

48、4030）8482265.41kJ/h所以得到 G1水202585.75kg/h 加壓塔的熱量衡算設(shè)計的操作條件為：塔頂?shù)臏囟?15，回流溫度為115，塔底的溫度為124，進料的溫度為82，取回流比2.8，甲醇溫度40。 進料帶入熱量進料帶入加壓塔的熱量如表3-8。表3-8加壓塔精餾入熱表物料進料回流液加熱蒸汽組分甲醇水堿液甲醇流量kg/h286507498.1432104.04溫度100100115比熱kJ/kg3.3734.1873.71熱量kJ/h96636453139471.2213697188.67Q蒸汽總計kJ/h12803116.2213697188.67Q蒸汽其他物質(zhì)的熱量亦同

49、上公式計算。 Q入Q進料Q回流Q蒸汽 12803116.2213697188.67Q蒸汽 26500304.89Q蒸汽 物料帶出熱量出料帶出加壓塔的熱量如表3-9。表3-9 加壓塔精餾出熱表物料精甲醇回流液塔底出料熱損失組分甲醇甲醇甲醇水堿流量kg/h11465.7332104.0417184.277498.14溫度115115124124比熱kJ/kg3.713.713.874.26汽化熱1046.751046.75熱量kg/h16893606.5833605330.528246387.493960817.475%Q入其他物質(zhì)的熱量亦同上公式計算。則有 Q出Q精甲醇Q回流Q塔底Q熱損失 16

50、893606.5833605330.528246387.493960817.475%Q入 62706142.065%Q入 根據(jù)加壓塔精餾能量守恒 即：Q入Q出 也即：26500304.89Q蒸汽62706142.065%Q入 解得：Q蒸汽39506160.44kJ/h 加壓塔采用中壓蒸汽加熱所需要的蒸汽量為：回流液和產(chǎn)品的冷凝潛熱： Q潛（11465.7332104.04）×1046.7545606656.75kJ/h 可提供給常壓塔再沸器的熱量為： Q供Q潛×（15%）45606656.75×（15%）43326323.91kJ/h 常壓塔的熱量衡算設(shè)計的操作條

51、件為：塔頂溫度65，塔釜溫度105，進料溫度70，回流液溫度為40，冷卻水進口溫度30，出口溫度40，取回流比為3.23. 物料帶入熱量常壓塔的入塔能量如表3-10。表3-10 常壓塔入熱表物料進料回流液再沸器加熱組分甲醇水堿甲醇流量kg/h17184.277498.1454995.95溫度707040比熱kJ/kg3.0564.1872.68熱量kJ/h3676059.042197629.855895565.84Q加熱 其他物質(zhì)的熱量亦同上公式計算 Q入Q進料Q回流液Q加熱 （3676059.042197629.85）5895565.84Q加熱 11769254.73Q加熱 物料帶出熱量常壓

52、塔的出塔熱量如表3-11。表3-11 常壓塔出熱表物料精甲醇回流液釜液熱損失成分甲醇甲醇甲醇水堿流量kg/h17026.6154995.95157.667498.14溫度6565105105比熱 kJ/kg2.962.963.514.187潛熱kJ/kg1046.751046.75熱量kJ/h21098523.7868148231.4458105.593296444.785%Q入 同理可得其他物質(zhì)的熱量。 Q出Q精甲醇Q回流液Q釜液Q熱損失 21098523.7868148231.4458105.593296444.785%Q入 92601305.595%Q入 根據(jù)常壓塔精餾的能量守恒 有 Q入Q出 即 11769254.73Q加熱92601305.595%（11769254.73Q加熱）解得 ： Q加熱85705803.79kJ/h又因為常壓塔可供熱