甲醇-水连续精馏操作化工设计

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1、12 化工本（1）班 化工原理课程设计 页 i 目目 录录 第一章 绪 论 . 1 1.1 甲醇生产的国内外生产状况及发展意义1 1.2 产品的性质、用途、规格、国家标准 1 1.3 设计采用的方法及特点 . 2 第二章 工艺流程的设计及设备论证 3 21 工艺流程叙述及论证. 3 2.2 工艺参数的选择论证 . 3 2.3 设备论证 . 4 第三章 物 料 衡 算 5 3.1 摩尔分数 . 5 3.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔量 5 3.3 质量物料恒算 5 第四章 设备计算及选型 . 6 4.1 甲醇与水的基本数据 . 6 4.2 进料条件和操作压力 . 7 4.3 理论塔板数的计

2、算. 8 4.4 实际塔板数的计算. 12 4.5 塔径塔板工艺尺寸的确定 13 4.6 塔径塔板工艺尺寸的确定 17 4.7 液泛. 25 4.8 雾沫夹带 . 26 4.9 气液负荷性能计算. 27 第五章 设计结果汇总 32 第六章 辅助设备的计算及选型 . 34 6.1 塔顶全凝器的计算及选型 34 6.2 塔底再沸器面积的计算及选型 35 12 化工本（1）班 化工原理课程设计 页 ii 6.3 进料预热器计算及选型 . 35 6.4 塔顶产品冷却器 36 6.5 塔釜液冷却器 37 6.6 其他辅助设备的计算及选型 40 第七章 非工艺部分 44 7.1 甲醇精馏的安全 44 7.

3、2 三废处理 . 46 第八章 参考文献及设计手册 47 第九章 设计感想 . 48 12 化工本（1）班 化工原理课程设计 页 1 第 一 章 绪 论 1.1 甲醇生产的国内外发展概况及意义 甲醇 （CH3OH） 是极为重要的有机化工原料。 在发达国家其产量仅次于乙烯、丙烯和苯，居 第四位，被称为除烯烃和芳烃以外第三大基本有机化工原料。作为一种重要的基本化工原料，甲醇广泛用于生产塑料、合成纤维、合成橡胶、染料、涂料、香料、医药和农药等。大约 90的甲醇用作化工原料，生产多种化工产品，如：甲醛、甲基叔丁基醚MTBE、二甲醚、甲酸甲酯、碳酸二加酯、甲基丙烯酸甲酯、甲酸、乙酸、甲胺类化合物等。同时

4、甲醇又是一种很好的溶剂和燃料：甲醇可溶解许多有机化合物，“低温洗甲醇” 便是利用甲醇在低温下对某些酸性气体的强溶解特性； 甲醇也是很好的绿色能源，随着社会环保意识的不断增强及世界原油的紧张，甲醇已经开始用于部分代替汽油作为燃料。当前甲醇生产技术的发展趋势主要体现在向建设大型化、低能耗、环保型工厂发展。国际上新建的大型甲醇装置生产能力大多为年产 170万吨（日产 5000 吨） ：南美洲特里尼达多巴哥年产 170 万吨甲醇已经投产；另一套同等装置在伊朗将于 2005 年 1 月投产；年产 200 万吨甲醇装置正在卡塔尔兴建。目前世界上主要的甲醇专利技术商都有日产 50007500 吨装置的设计。

5、国外已开发出甲醇制烯烃 MTO、甲醇制丙稀 MTP 技术，据相关报道：目前，MTO技术可用 5.6 吨甲醇生产 1 吨乙烯，副产 0.83 吨丙烯、0.24 吨丁烯、0.1 吨 C5产品及 3.97 吨燃料气；MTP 技术可由 3.1 吨甲醇生产 1 吨丙烯，副产 0.37 吨汽油和 0.88 吨燃料气。该项技术的实施开辟了由甲醇生产石化产品的新路 1.2 产品的性质、用途、规格、国家标准 甲醇是一种无色、易燃、易挥发的有毒液体，常温下对金属无腐蚀性（铅、铝除外） ， 略有酒精气味。 分子量 32.04， 相对密度 0.792(20/4)， 熔点-97.8，12 化工本（1）班 化工原理课程设

6、计 页 2 沸点 64.5，燃烧热 725.76KJ/mol，闪点 12.22，自燃点 463.89，蒸气密度 1.11，蒸气压 13.33KPa(100mmHg 21.2)，蒸气与空气混合物爆炸极限 636.5 %（体积比） ，能与水、乙醇、乙醚、苯、酮、卤代烃和许多其他有机溶剂相混溶，但是不与石油醚混溶，遇热、明火或氧化剂易燃烧。挥发途中也会使物体油漆表面遭腐蚀。 用途广泛，是基础的有机化工原料和优质燃料。主要应用于精细化工，塑料等领域，用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲酯等多种有机产品，也是农药、医药的重要原料之一。甲醇在深加工后可作为一种新型清洁燃料，也加入汽油掺烧。甲醇和氨反

7、应可以制造一甲胺 在甲醇生产工厂，我国有关部门规定，空气中允许甲醇浓度为 50mg/m3，在有甲醇气的现场工作须戴防毒面具，废水要处理后才能排放，允许含量小于200mg/L。 13 设计采用的方法及特点 蒸馏是分离液体混合物的一种方法，是一种属于传质分离的单元操作。广泛应用于炼油、化工、轻工等领域。蒸馏的理论依据是利用溶液中各组分蒸汽压的差异，即各组分在相同的压力、温度下，其挥发性能不同（或沸点不同）来实现分离目的。以本设计所选取的甲醇-水体系为例，加热甲醇（沸点 64.5）和水（沸点 100.0）的混合物时,由于甲醇的沸点较低（即挥发度较高）,所以甲醇易从液相中汽化出来。若将汽化的蒸汽全部冷

8、凝，即可得到甲醇组成高于原料的产品，依此进行多次汽化及冷凝过程，即可将甲醇和水分离。经过多次部分汽化部分冷凝，最终在汽相中得到较纯的易挥发组分，而在液相中得到较纯的难挥发组分，这就是精馏。 在工业精馏设备中，使部分汽化的液相与部分冷凝的气相直接接触，以进行气液相际传质，结果是气相中的难挥发组分部分转入液相，液相中的易挥发组分部分转入气相，也即同时实现了液相的部分汽化和气相的部分冷凝。 蒸馏按操作可分为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏等多种方式。按原料中所含组分数目可分为双组分蒸馏及多组分蒸馏。 按操作压力则可分为常压蒸馏、加压蒸馏、减压（真空）蒸馏。此外，按操作是否连续蒸馏和间歇蒸馏。工业中

9、12 化工本（1）班 化工原理课程设计 页 3 的蒸馏多为多组分精馏，从石油工业、酒精工业直至焦油分离，基本有机合成，空气分离等等，特别是大规模的生产中精馏的应用更为广泛。本设计着重讨论常压下甲醇-水双组分体系精馏。 第二章 工艺流程的设计及设备论证 21 工艺流程叙述及论证 甲醇与水混合液（原料储罐）原料预热器浮阀精馏塔（塔顶：全凝器分配器部分回流，部分进入冷却器产品储罐）(塔釜：再沸器冷却器产品进入储罐） 本方案主要是采用浮阀塔，甲醇和水的原料混合物进入原料罐，在里面停留一定的时间之后，通过泵进入原料预热器，在原料预热器中加热到度，然后，原料从进料口进入到精馏塔中。混合物中既有气相混合物，

10、又有液相混合物，这时候原料混合物就分开了，气相混合物在精馏塔中上升，而液相混合物在精馏塔中下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，这些气相混合物被降温到泡点，其中的液态部分进入到塔顶产品冷却器中，停留一定的时间然后进入苯的储罐，而其中的气态部分重新回到精馏塔中，这个过程就叫做回流。液相混合物就从塔底一部分进入到塔底产品冷却器中，一部分进入再沸器，在再沸器中被加热到泡点温度重新回到精馏塔。塔里的混合物不断重复前面所说的过程，而进料口不断有新鲜原料的加入。最终，完成甲醇与水的分离。 2.2 工艺参数的选择论证 生产的时间按照一年 300 天计算，每个小时处理量为 10000 /h , 则一年的处

11、理量为 10000 300 24 = 7.2 万吨/年 处理量甲醇含量 54.2 （质量分数） ， 产品含量 94 （质量分数） ， 一年产量 4.03吨！ 12 化工本（1）班 化工原理课程设计 页 4 2.3 设备论证 在化学工业和石油工业中广泛应用的诸如吸收，解吸，精馏，萃取等单元操作中，气液传质设备必不可少。塔设备就是使气液成两相通过紧密接触达到相际传质和传热目的的气液传质设备之一。 根据塔内气液接触件的结构型式，可分为板式塔和填料塔两大类。板式塔内设置一定数量踏板，气体以鼓泡活喷射形式穿过板上液层进行质、热传递，气液相组成成阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。填料塔内有定高度的填料层，

12、液体自塔顶沿填料表面下流， 气体逆流而上 （也有并流向下者） 与液相接触进行质、热传递，气相组成沿塔高连续变化，属微分接触操作过程。 工业上对塔设备的主要要求： （1） 生产能力大； （2） 传质、 传热效率高； （3）气流的摩擦阻力小； （4）操作稳定，适应性强，操作弹性大； （5）结构简单，材料消耗少； （6） 制造安装容易， 操作维修方便。 此外还要求不易堵塞、 耐腐蚀等。 实际上， 任何塔设备都难以满足上述所有要求， 因此， 设计者应根据塔型特点、物系性质、生产工艺条件、操作方式、设备投资、操作与维修费用等技术经济评价以及设计经验等因素，依矛盾的主次，综合考虑，选择适宜的塔型。 浮阀塔

13、是许多工厂进行蒸馏操作易采用的一种板式塔其结构特点，是在带有降液管的板塔上开有若干个大孔，每孔装有一个可以上下浮动的阀片，其标准孔径是 39mm.有孔上升的气流，经过阀片与塔板的间隙而与塔板上横流的液体接触 国内最常用的阀片型式为：F1 型，阀片带有三条腿，插入阀孔后将各腿底脚扭转 90角，用以限制操作是阀片在板上升起的最大高度（8.5mm）, 阀片周边又冲出三块略向下弯的定距片， 使阀片处于静止位置时仍与塔板间留有一定的缝隙（2.5mm） 这样，当气量很小时气体仍可以通过缝隙均匀地鼓泡，避免阀片起，闭不稳的脉动现象 F1 浮阀的结构简单，制造方便，节约材料，广泛用于化工及炼油生产中，已知标准

14、化（JB1118-68）.F1 浮阀又分为轻阀和重阀两种；重阀每个约重 33g,轻阀约重 25g.除了 F1 浮阀外，阀片还有 V-0,V-4,V-6 型 A 型，十字架型等。 采用浮阀塔的优点： 1.生产能力大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，其开孔面积大于泡罩塔板，生产能力比泡罩塔板大 20%40%，与筛板塔接近。 12 化工本（1）班 化工原理课程设计 页 5 2操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此维持正常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔，泡罩塔都大。 3 塔板效率高， 由于上升气体从水平方向吹入液层， 故气液接触时间较长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。 4气体压降及液面落差小，因气液流过浮阀塔板时阻力较小，使气体压降及液面落差比泡罩塔小。 5塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的 50%80%，但是比筛板塔高 20%30。 综合考虑利弊，对于甲醇-水体系，本设计选用浮阀塔。 第三章 物 料 衡 算 3.1 摩尔分数 设 = 0.4 = .9 = 0.02 3.2 原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔量 = + (1 ) =32 0.4 + 18