年产24万吨甲醇水精馏装置毕业设计

年产24万吨甲醇水精馏装置摘 要近年来，在化工生产的过程中，常用的精馏设备是板式塔和精馏塔。为能达到提纯及回收有用组分的目的，通常需要采用精馏借助于多次部分汽化及部分冷凝进行液体混合物的分离的方法。而随着我国国际市场的原油价格不断的变化，甲醇市场的总体呈上升趋势。因此，国内甲醇项目的筹建必须在工艺设备及操作方法进行不断的更新及完善。由于甲醇是C1化工中极为重要的有机产品之一，甲醇在合成工业生产的过程中，影响其成本的关键因素在于粗甲醇的精度，且其精制也是决定甲醇产品质量的重要工序之一。化工生产中最为重要的通用热工设备是换热器，而被广泛应用于工业生产中的换热器是管壳式，其主要的特点在于其结构简单、操作弹性大及牢固等。本文主要的研究对象是四塔甲醇精馏工艺，与传统工艺相比新工艺更能够节约能量及软水。同时也能够加强塔之间的关联性及系统的耦合性，对进料波动的响应复杂性也有一定程度的提高，为其装置的控制带来了一定的难度，因此，为能够更好的在工业生产中应用新工艺、新技术，则对新工艺进行较为详细的研究是非常有必要的。关键词：甲醇，水，精馏塔，工艺设备目 录摘 要1第一章 综 述31.1甲醇的简介31.2精馏的含义及原理31.3甲醇精馏流程发展4第二章 精馏塔结构及四塔精馏工段工艺的物流衡算82.1精馏塔结构82.1.1填料塔92.1.2 板式塔92.2四塔精馏工段工艺的物流衡算102.2.1 甲醇精馏工段物料衡算任务102.2.2 甲醇精馏工段物料衡算计算原理112.2.3 甲醇精馏工段物料衡算11第三章 常压塔冷却器的设计113.1确定设计方案113.2确定物性数据113.2.1 计算总传热系数123.2.2 计算传热面积133.2.3工艺结构尺寸133.2.4折流板153.2.5接管153.3换热器核算153.4确定折流挡板形状和尺寸203.5波形膨胀节21结 论22参考文献23第一章 综 述1.1甲醇的简介在世界基础有机化工原料当中，仅此于乙烯、苯及丙烯当属甲醇。甲醇的生产原料来源丰富，可由天然气、焦炭、煤炭及石脑油等材料组成。目前来说，中国甲醇的生产能力，已能在世界总产能中占据1/4的分量。而且，随着甲醇衍生物不断的发展及广泛应用，对甲醇的需求量将会大量增加。因此，关于甲醇产品质量及降低生产消耗的问题也越来越明显。以下，笔者即对甲醇作较为详细的介绍。纯甲醇是一种易挥发的液体，其主要特征是无色透明略带乙醇气味。甲醇和水相对的密度为0.7915，沸点为65摄氏度，熔点为负97.8摄氏度。甲醇不仅能和水进行任意比的互溶，不会形成共沸物；而且和大部分常用的有机溶液也可以混溶形成恒沸混合物。除此之外，甲醇本身含有剧毒，一旦人误服10ml会导致失明，30ml易导致死亡。所以在空气质量指标中明确规定了空气中允许最高的甲醇蒸汽浓度为0.05mg/h。由于甲醇有以上的物理化学性质特征，因此使它能够成为许多工业部门的宠儿，尤其是其能源结构的变化，顺应了C化学工业的发展，因此，工业生产过程中对甲醇依旧处于研究开发的状态。例如甲醇为工业化生产中的固体燃料转化为液体燃料提供了十分重要的前提条件：通过ZMS-5分子筛催化剂转化为汽油。另外，甲醇能够裂解制烯烃的特征，为石油化工原料的多样化具有划时代的意义。1.2精馏的含义及原理精馏是工业上广泛应用的液体混合物分离操作，指运用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法。尤其是应用于石油化工、食品冶金等行业。精馏不仅能够将液体混合物进行多次部分的汽化，而且还能够将已产生的蒸汽进行多次的部分冷凝，从而达到混合物分离成为所要求的组分。精馏使液体混合物能够得到完全分离，其绝大部分取决于回流的应用。其中回流中又包括了塔顶高浓度易挥发的组分液体以及塔底高浓度不易挥发的组分蒸汽。两者在返回精馏塔的过程中，由于回流的作用促使其形成了逆流接触的汽液两相，进而分别在精馏塔的两端得到了相应纯粹的单组分产品。其中精馏塔顶回流入塔的液体量与其产品量形成的比例成为回流比，这是精馏操作中较为重要的控制参数，回流比的变化，会对精馏操作的分离效果及能耗产生重要的影响。以下笔者即对精馏的操作原理进行大致的阐述。精馏操作最为简单的方法是采用双组分混合液的分离，其主要的操作是体现在塔内所发生传质、传热的过程。首先，在汽液两相进行热交换的过程中，运用部分汽化所得到的气体混合物中的热量来对部分冷凝所得的液体混合物进行加热；其次，汽液两相在进行热交换的过程中，同时也在进行着质的交换。当温度较低的液体混合物遇到温度较高的汽体混合物时，液体混合物会因为汽体混合物的加热造成部分汽化的现象。其中，汽液两相挥发能力的区别差异较为的明显：低沸点组分比高沸点组分易挥发，直接导致低沸点组分从液相转入气相，且气相中易挥发的组分的浓度得到增加；同理可证，当温度较高的汽体混合物对温度较低的液体混合物进行了加热，而使自己部分得到冷凝，且因为两者挥发能力的区别差异，促使高沸点的组分直接从汽相转化为液相，且液相中不易挥发的组分浓度得到相应的增强。精馏塔可分成若干个塔板，其中最上的部分称为塔顶，最下的部分称之为塔釜。其中需要注意的是，一块塔板只能进行一次的部分汽化及部分冷凝，相对来说，塔板数量越多，部分汽化及冷凝的次数也会相应的增多，可想而知，其分离的效果也能变得更好。1.3甲醇精馏流程发展通常来说，甲醇精致流程可分成两个主要的部分：预精馏及主精馏部分。预精馏部分除了脱除二甲醚及其它轻组分有机杂质之外，对甲醇进行萃取精馏脱除某些烷烃也起到十分重要的作用。其底部的出料被加到主塔的中间入料板上，主塔顶部出粗甲醇，底部出废液，下部侧线出杂醇1。由于甲醇市场竞争日益激烈，尤其是随着甲醇精馏技术的不断发展及该领域中广泛应用的计算机新技术。旧的工艺装置由于能耗过高，已经不能适应市场竞争力的发展，因此，对精馏装置的技术更新就显得尤为重要及必要。而甲醇合成合序配置（见图1.1）及整个工艺流程（见图1.2）显得更为的重要。图1.1 合成合序配置图1.2 工艺流程图纵观甲醇精馏流程发展，笔者总结出甲醇精馏三种典型的工艺流程：单塔精馏、双塔精馏、三塔精馏及四塔精馏2。（1）单塔精馏 单塔精馏流程，见图1.3。其特点是只要经过一个塔就能够采出粗甲醇产品。其主要的步骤是首先在塔中部的加料口送入粗甲醇，然后由塔顶排出轻组分，最后在进料板以下若干块塔板处将高沸点的重组分引出，水由塔底排出，而甲醇产品则由塔顶以下的若干块塔板进行相应的引出。图1.3 单塔精馏流程图（2）双塔精馏 双塔精馏流程，见图1.4。其工艺流程特点是常压操作下，从合成工序进行的粗甲醇入预精馏塔3。塔顶通常采用两级冷凝方式，以便能够尽最大可能回收甲醇，并提升预精馏塔后甲醇的稳定性。其主要的步骤体现为：首先将经过塔顶部分冷凝后的甲醇、水及少量杂质留在液相，并进行回流返回精馏塔，然后将二甲醚等轻组分及少量的甲醇、水从塔顶排出，最后由泵将塔底所含的水甲醇送至主精馏塔，而主精馏塔的操作压力相对于预精馏塔要高，因此精甲醇由塔顶排出，而留在塔底的微量甲醇及其他重组分的水则进行相应的处理。图1.4 双塔精馏流程图（3）三塔精馏 三塔精馏流程，见图1.5。其工艺的主要特点是为能达到节省加热蒸汽及冷却水等节能的目的，通常将加压塔塔顶冷凝潜热用作常压塔塔釜再沸器的热源4。其具体的步骤在于：首先将合成工序而来的粗甲醇送入预精馏塔，位于塔顶的轻组分及不凝气需去除，位于塔底的含水甲醇则需要通过泵送入加压塔；然后待到塔顶甲醇蒸汽全部凝结后，经过操作压力为57bar（G）的加压塔，使其部分凝气作为回流的部分，通过回流泵送回塔顶，其他的精甲醇产品则送入产品储槽，塔底含水甲醇则被送入常压塔进行处理；最后由常压塔塔顶排出的一部分精甲醇作为回流，其他的部分与加压塔排出的甲醇混合送入产品储槽。图1.5 三塔精馏流程图（4）四塔精馏 四塔精馏流程主要包括预精馏塔、加压精馏塔、常压精馏塔及甲醇回收塔5。见图1.4。其流程主要的步骤为：首先将换热之后的粗甲醇送入预精馏塔，脱出不凝气及二甲醚等轻组分后，将塔底所含甲醇及高沸点组分进行加压之后送入加压精馏塔；然后通过加压精馏塔顶得气相进入冷凝蒸发器，利用其之间的温差，给常压塔塔底提供热源，与此同时，对加压塔塔顶气相进行冷凝。再次，精甲醇经过冷凝之后送入回流罐，一部分视作加压塔回流，另一部分作为精甲醇产品出装置；最后将甲醇、水与高沸点组分从进料板下方得侧线抽取，塔底废水送入生化系统进行处理。图1.4 四塔精馏流程图第二章 精馏塔结构及四塔精馏工段工艺的物流衡算2.1精馏塔结构在精馏塔的结构类型中，常用的有填料塔与板式塔，其中填料塔包括有鲍尔环填料塔、丝网填料塔、鞍型填料塔、拉西环填料塔、丝网波纹填料塔及波纹填料塔等6。由于丝网波纹填料塔在保持高传质效率的情况下，又降低了造价，因此，这种精馏塔结构越来越受到重视及应用。虽然类型很多，但不论是使用那种精馏塔结构都必须遵循以下共同的要求：（1）为能达到汽液两相的良好接触，精馏塔结构必须具有合适的流体力学条件。（2）为能使其在使用过程中受损范围缩小，精馏塔结构必须尽量简单化，降低制造成本。（3）为使塔板效率高而稳定，精馏塔结构必须充分具备高分离率和大处理量7。（4）精馏塔结构尽量缩小蒸气通过塔的阻力，从而使其压降也得到相应的缩小。（5）在操作方面，要求精馏塔结构具有灵敏的反应，便利的调节及可靠稳定性。2.1.1填料塔填料塔是塔装置其中的一种，为能够增加两种流体之间的接触表面，必须在塔内适当填充一定高度的填料。其主要的结构原理如下。填料塔是形状为直立的圆筒的一种塔，其作用是通过塔内的填料作为汽液两相之间接触构件的传质设备8。其中填料是以乱堆或整砌的方式放置于底部的支撑板上。为防止上升的气流吹动，填料的上方特地安装了填料压板，且液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下9。当从塔底送入液体与汽体之后，通过汽体分布装置进行分布以后，其与液体连续逆流通过填料层的空隙，进而在填料表面上进行汽液两相密切接触。由于填料塔归属于连续接触式的汽液传质装置，且汽液两相的组成随塔高的变化而变化，因此，在通常的操作情况下，液相为分散相，气相为连续相。当液体顺着填料层向下流动时，会出现壁流的现象，其表现为逐渐向塔壁集中使其附近的液流量逐渐增大10。壁流现象的出现会影响汽液两相在填料层当中的分量不均衡，从而导致传质效率大幅度下降。因此，当填料层呈现较高的位置时，必须对装置进行分段设置，且中间为再分布装置；液体再分布装置由液体收集器及液体再分布器两个主要部分组成，上层的填料流下来的液体，通过液体收集器收集完毕后，传送到液体再分布器，通过重新分布后喷淋至下层填料上。 填料塔本身就极具优势，其主要表现在其具有生产能力大、分离效率高、持液量小及操作弹性大等方面11。当然，每件事都是会有其辨证的两方面，填料塔也不例外，一方面它有它自身的特点优势，另一方面它也有着一些不足的地方。如填料的造价比较高；当液体的负荷比较小得情况下，其不能对填料表面进行有效的润湿，进而导致传质效率降低；另外，不能直接适用于悬浮物及易聚合的物料，且对侧线进料或出料都有不合适之处。2.1.2 板式塔 板式塔是一种形状为圆筒形塔体和按一定间距水平装置在塔内的若干塔板组成，用于气液或液液系统的分级接触传质设备12。在精馏和吸收的过程中被广泛的应用，其用途也比较宽泛，可以用于萃取，也可以用作反应器对汽液两相的过程进行相对的反应。当板式塔在汽液系统中进行操作时，液体由于在重力的作用下，会从上而下按顺序流过各层塔板，最终通过塔底排出；而汽体在压力差的推动下，会按顺序由上而下穿过各层塔板，并从塔顶排出。其中各块塔板上均保持着一定深度的液层，汽体随之通过塔板分散于各液层之中，并进行相对应的接触传质13。在工业生产过程中，板式塔最早的形式是筛板塔与泡罩塔。筛板塔出现于1830年，很长一段时间内被认为难以操作而未得到重视14。泡罩塔结构复杂，但容易操作，自1854年应用于工业生产以后，很快得到板式塔，直到20世纪50年代初，它始终处于主导地位。第二次世界大战后，炼油和化学工业发展迅速，泡罩塔结构复杂、造价高的缺点日益突出，而结构简单的筛板塔重新受到重视。通过大量的实验研究和工业实践，逐步掌握了筛板塔的操作规律和正确设计方法，还开发了大孔径筛板，解决了筛孔容易堵塞的问题。因此，50年代起，筛板塔迅速发展成为工业上广泛应用的塔型15。与此同时，还出现了浮阀塔，它操作容易，结构也比较简单，同样得到了广泛应用。而泡罩塔的应用则日益减少，除特殊场合外，已不再新建。60年代以后,石油化工的生产规模不断扩大,大型塔的直径已超过 10m。为满足设备大型化及有关分离操作所提出的各种要求，新型塔板不断出现，已有数十种。2.2四塔精馏工段工艺的物流衡算2.2.1 甲醇精馏工段物料衡算任务已知：原料是粗甲醇，成分及含量如下，见表2.1。表2.1 粗甲醇组成成分含量（wt%）N2与Ar0.02CO21.69CH3OH90.29CH3OCH30.20C2H5OH0.15C4H9OH0.15CH3OCCH30.005H2O7.495合计100设计要求： （1）粗甲醇中甲醇的回收率大于99%； （2）精馏工段产品为精甲醇，其甲醇含量不低于99.5%。2.2.2 甲醇精馏工段物料衡算计算原理全塔物料衡算（通过全塔物料衡算，可以求出精馏产品的流量、组成之间的关系）。连续精馏塔做全塔物料衡算，并以单位时间为基准。总物料 F=D+W易挥发组分 FxF=DxD+WxW公式中F为原料液流量，D为塔顶产品（馏出液）流量，W为塔底产品（釜残液）流量，单位均为kmol/h；xF为原料液中易挥发组分的摩尔分数，xD为馏出液中易挥发组分的摩尔分数，xW为釜残液中易挥发组分的摩尔分数。塔顶易挥发组分回收率=DxD/FxF100%塔底难挥发组分回收率=W(1-xW)/F(1-xF)100%2.2.3 甲醇精馏工段物料衡算在甲醇精馏工段物料的衡算主要包括粗甲醇组成中甲醇、水、清馏分、初馏分及不凝气体含量的计算；预塔物料衡算中入料出料总量及预塔回流量的计算；加压塔物料中入料出料总量及回流量的计算；常压塔中入料出料总量及回流量的计算；回收塔物料中入料出料总量及回流液量的计算及粗甲醇中甲醇回收率的计算。由于其衡算的项目较多，过程较长，笔者在此便不一一赘述。第三章 常压塔冷却器的设计3.1确定设计方案两流体温度变化情况：精甲醇进口温度71摄氏度，出口温度49摄氏度；冷却水进口温度25摄氏度，出口温度30摄氏度。该换热器用循环冷却水进行冷却，冬季操作时进口温度随之降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。3.2确定物性数据（1）流体平均温度Tm和tm（2） 平均温度下的物性数据，详见下表：物料项目单位数据物料项目单位数据水密度 Kg/m3994甲醇密度 Kg/m3760粘度Pas0.000725粘度Pas0.000344导热系数W/(mk)0.626导热系数W/(mk)0.188比热容kJ(kgK)4.08比热容kJ(kgK)2.9433.2.1 计算总传热系数（1） 热负荷Q（2） 平均传热温差（3） 冷却水用量总传热系数K管程传热系数壳程传热系数假设壳程的传热系污垢热阻管壁的导热系数3.2.2 计算传热面积考虑15%的面积裕度，3.2.3工艺结构尺寸管径和管内流速选用252.5传热管（碳钢），去管内流速ui=0.5m/s管程数和传热管数 按单程管计算，所需的传热管长度为 取传热管长1=9m，则该换热器管程数为 传热管总根数 平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数 按单壳程，多管程结构，温差校正系数查化工原理（上册）第232页图4-19，可得 平均传热温差 传热管排列和分程方法， 采用组合排列法，取管心距t=1.25d0，则 横过管束中心线的管数 壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率=0.8，则壳体内径为 圆整可取D=700mm 圆整后，换热器壳体圆筒内径为D=700mm，壳体厚度选择10mm。长度定为9000mm。 壳体的标记：筒体DN700=103.2.4折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，折流板的板间距为h=0.25700=175mm，则折流板数 去折流板间距B=0.3D，则B=0.3700=210(mm),可取B为250mm。 NB=9000/2501=59（块）3.2.5接管 壳程流体进出口接管：取接管内甲醇流速为u=0.5m/s，q=27155.9/760/3600=0.009925m3/s，则接管内径为 取标准管径为50mm 管程流体进出口接管：取接管内水流速为u=0.5m/s，q=87753/994/3600=0.0245m3/s。 取标准管径为250mm 筒体材料选择为Q235-A，单位长度的筒体重110kg/m，壳体总重为110（5.910-0.156）=632.94kg。（波形膨胀节的轴向长度为0.156m，详见本设计设备图）3.3换热器核算（1） 热量核算 A.壳程对流传热系数 因为是有相变的换热过程，且甲醇蒸汽在水平管束外冷凝，采用凯恩公式估算，即 当量直径，由正三角形排列得 壳程流通截面积壳程流体流速及雷诺数分别为B.管程对流传热系数管程流通截面积管程流体流速普兰特准数C.传热系数KD.传热面积S 该换热器的实际传热面积Sp 该换热器的面积裕度为： 传热面积裕度合适，该换热器能完成生产任务。 换热器内流体的流动阻力 管程流动阻力 其中P1，P2分别为直径及回弯管中因摩擦阻力引起的压强降，pa,FT为结垢校正因数，无因次，取1.5，NP为管程数，NS为串连的壳程数。流速0.4895M/S，雷诺准数13640（湍流）。设管粗糙度=0.1mm，查-Re关系图得=0.037管程流动阻力在允许范围之内。B.壳程阻力其中，P1为流体横过管束的压降，pa P2为流体流过折流板缺口的压强降，pa FS为壳程压强降的结构正因数，无因次，取1.15 NS为串连壳程数。其中，F为管子排列方式对压强降的校正因数 fO为壳程流体的摩擦系数，当Re500，f=5.0Re-0.228 NC为横过管束中心线的管子数 NB为折流挡板数管子为三角形排列，F=0.5，NB=49，nc=12，u0=1.108m/s所以 f0=511456-0.228=0.593618由公式可得：C.合理压降在常压操作下，操作压力范围0-0.07MPa（表压），合理压降为P=P/2；本冷却器的操作压力为0.03MPa（表压），合理压降；P=P/2=(0.03+0.1303)/2=0.06565MPa（绝压）。通过比较，管程压降与壳程压降皆在合理范围。3.4确定折流挡板形状和尺寸选择折流挡板为有弓形缺口的圆形板，直径为700mm，厚度为10mm。缺口弓形高度为圆形板直径的约1/4，本设计圆整为200mm。折流挡板上换热管孔直径为25.6mm，共有314-78=236个；拉杆管孔直径为16.6mm，每个折流挡板上有4个。折流挡板重量为5.1kg。选择折流挡板间距h=250mm。折流挡板数NB=L/h-1=9000/250-1=59块，换热管排列的横截面如下图所示：图3.1 两管的布局图中圆环形的剖切面表示热换器壳体的剖面，换热管分为两个管程，每个管程156根换热管（图中各个圆形表示换热管）。3.5波形膨胀节冷流体循环水的定性温度为（30摄氏度+25摄氏度）/2=27.5摄氏度热流体废液的定性温度为（71+49）/2=60摄氏度。该换热器用循环水冷却，冬季操作时进口温度会降低。考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体壁温之差较大，因此确定选用带波形膨胀节的固定管板式换热器。波形膨胀节的壁厚与壳体相同，为10mm。根据换热器壳体的公称直径700mm，可知波形膨胀节的公称直径也是700mm，根据公称直径，查化工设备机械基础（化学工业出版社，2010）术中表16-9的对应条目，获得波形膨胀节的具体尺寸（见换热器设备图）。结 论从设计计算结果可以知道，该精馏塔设计较为合理，完全能够满足规定任务下的处理能力及分离要求，该塔的塔板设计是取气液相负荷较大的塔底塔板而进行设计计算的，如果精馏塔的精馏段提馏段气液相负荷差别较大时，精馏段以及提馏段塔板应分别进行设计计算，这样才能满足生产上的要求。板式塔是以塔内装有若干块塔板为相接触构件的气液传质设备。板式塔的结构较简单，压降小，塔板易用耐腐蚀材料制造等优点。本设计所设计的板式塔产量大，分离效率高，持液量小，板式塔结构简单，造价适合。但是，操作范围小，可能会造成液泛，不易处理量较大的或含有固体悬浮物的物料。参考文献1谭天恩.化工原理（第二版）下册M.北京：化学工业出版社，1998:1321562匡国柱.化学单元过程及设备课程及设计（第二版）M.北京：化学工业出版社.2007:1932363编委会.化工工艺手册M.北京：化工工业出版社.1994:2032644张新战主编.化工单元过程及操作.北京：化学工业出版社，2006.15杨祖荣主编.化工原理.北京：高等教育出版社，2008.66侯文顺主编.化工设计概论.化学工业出版社，2005.5 7贾绍义，柴诚敬主编.化工原理课程设计.天津大学出版社，2002.18任晓光等编.化工原理课程设计指导.北京：化学工业出版社，2009.2 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