甲醇—水填料精馏塔设计示例.doc
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甲醇—水分离装置的工艺设计
摘要
甲醇是一种重要的化工原料，其用途广泛，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、硫酸二甲脂等多种有机产品，也是农药、医药的重要原料之一。
甲醇易于吸收水蒸汽、二氧化碳和某些其它物质，因此只有用特殊的方法才能制得完全无水的甲醇。
精馏是应用最广的传质分离操作，板式塔是目前最主要的精馏塔塔型，对它的研究一直长盛不衰。
筛板塔和浮阀塔成功地取代泡罩塔是效益巨大的成果。
板式塔的设计已达到较高水平，设计结果比较可靠。
马伦戈尼效应造成的界面湍动现象和汽液两相间的不同接触工况的研究，使认识得到了深化，对传质效率的研究有所促进。
具有各种特点的新型塔板开发研究不断取得成果。
对于塔板上汽液两相流动和混合状况、雾沫夹带及它们对效率的影响研究不断深入，但离得到一个通用而可靠的效率估算模型尚有较大距离，特别是多元系统的效率。
进一步深入进行塔中汽液两相流动状况的研究，对于预测压降、传质效率和塔板的可操作区域，对于认识至今了解甚少的降液管中状况都十分有意义。
关键词：
甲醇；精馏；板式塔
目录
摘要 1
目录 2
前言 4
第一章 文献综述 5
1.1甲醇 5
1.1.1甲醇的性质 5
1.1.2甲醇的用途 5
1.1.3甲醇工业 5
1.1.4甲醇的下游产品 6
1.2精馏原理 7
1.3板式塔 8
1.3.1板式塔分类 8
1.3.2板式塔的结构 8
1.3.3板式塔的特点 10
1.3.4板式塔的作用 10
第二章设计部分 12
2.1设计任务 12
2.2设计方案的确定 12
2.3设计计算 12
2.3.1精馏塔的物料衡算 12
2.3.2精馏塔塔板数的确定 13
2.3.3精馏塔的工艺条件及物性数据的计算 14
2.3.4精馏塔的塔体工艺尺寸计算 17
2.3.5塔板主要工艺尺寸的计算 18
2.3.6筛板的流体力学验算 20
2.3.7塔板负荷性能图 23
第三章结论 27
参考文献 29
致谢 30
前言
甲醇是仅次于三烯和三苯的重要基础有机化工原料,尤其近年来在有些以达国家中,甲醇以清洁燃料的身份登上了环境保护的殿堂,更使其身份倍增.因此,发达国家中甲醇产量仅次于乙烯,丙烯,苯,居第四位.。
甲醇能与水、乙醇、乙醚、苯、酮类和大多数有机溶剂限混合。
甲醇易于吸收水蒸汽、二氧化碳和某些其它物质，因此只有用特殊的方法才能制得完全无水的甲醇。
分离甲醇有很多方法，这次我用的分离方法是精馏塔的板式塔分离法。
板式塔是目前最主要的精馏塔塔型，对它的研究一直长盛不衰。
筛板塔和浮阀塔成功地取代泡罩塔是效益巨大的成果。
板式塔的设计已达到较高水平，设计结果比较可靠。
马伦戈尼效应造成的界面湍动现象和汽液两相间的不同接触工况的研究，使认识得到了深化，对传质效率的研究有所促进。
具有各种特点的新型塔板开发研究不断取得成果。
对于塔板上汽液两相流动和混合状况、雾沫夹带及它们对效率的影响研究不断深入，但离得到一个通用而可靠的效率估算模型尚有较大距离，特别是多元系统的效率。
进一步深入进行塔中汽液两相流动状况的研究，对于预测压降、传质效率和塔板的可操作区域，对于认识至今了解甚少的降液管中状况都十分有意义。
第一章 文献综述
1.1甲醇
1.1.1甲醇的性质
甲醇是一种无色、透明、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℃，沸点64.5℃，闪点12.22℃，自燃点463.89℃，蒸气密度1.11，蒸气压13.33KPa（100mmHg21.2℃），蒸气与空气混合物爆炸极限6～36.5%（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，遇热、明火或氧化剂易燃烧。
1.1.2甲醇的用途
甲醇用途广泛，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、硫酸二甲脂等多种有机产品，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。
1.1.3甲醇工业
甲醇生产过程比较简单,原料来源多样,煤、石脑油和天然气均可制甲醇。
甲醇用途广泛,它的下游产品多达几百种。
近年来由于世界各国环保意识的加强,特别是美国国会于1990年11月15日通过清洁空气法修正案以后,甲醇的身价备增,全球甲醇的需求增长加快。
中国甲醇产业发展速度丝毫不逊于任何一国，仅靠最近5年的快速发展，中国甲醇产量就跃居全球首位。
但是，正如正在发育期的孩子一样，只是个头高并不能证明就是身体健康。
相反，过高的个头可能还是一种病态。
甲醇属低附加值化工产品。
低成本是该类产品竞争的核心，也是生产企业采取的重要竞争战略，是企业安身立命的关键。
低成本需要优化各种影响产品成本的生产要素，包括原料价格、工艺路线、融资成本、装置规模和物流费用。
1.1.4甲醇的下游产品
近年来，煤化工国产化技术装备相继取得突破，醇醚燃料、甲醇制烯烃等新兴煤化工产业方兴未艾，再加上甲醛、醋酸等传统下游产业的稳步发展，我国甲醇需求量不断提高。
甲醇主要下游产品需求分析如下：
甲醛：
甲醛是甲醇的主要下游产品，2005年甲醛消费约占甲醇总消费量的45%。
根据全国甲醛行业协作组提供的数据显示，2005年我国甲醛产能为1231.6万t，产量为791.0万t。
2005年甲醛生产消耗甲醇301万t，2006年增加到381万t。
据专家预测，”十一五”期间用于木材加工、室内装饰装修的三醛胶仍是中国甲醛最大的消费领域，其对于甲醛的需求量将稳步增长。
此外，随着烟台万华、上海拜尔等多套MDI装置的落成，MDI行业对甲醛的需求量将会大大增加。
POM是重要的工程塑料，市场需求量将会逐年增长。
中国化工、云天化等厂家都在新建或改扩建POM装置，随着这些装置的投产，甲醛消费量也会同步增加。
其它产品，如乌洛托品、多元醇等对于甲醛的需求量也会有不同程度的增长。
据全国甲醛行业协作组预测，截至2010年，我国将新增甲醛产能约200万t/年，总产能将达到约1400万t/年，产量约1000万t/年。
按生产1吨甲醛需要0.47t甲醇计算，届时甲醛生产大约需要消耗甲醇470万t。
醋酸：
甲醇另一主要用途是生产醋酸。
根据全国醋酸行业协作组提供的数据显示，2005年我国甲醇羰基合成法制醋酸产能约为90万t，产量76.6万t，消耗甲醇49万t；2006年产能约为140万t，产量118.3万t，消耗甲醇76万t。
我国醋酸主要消费领域是醋酸乙烯/聚乙烯醇、醋酸酯类、醋酐、对苯二甲酸（PTA）、氯乙酸等。
预计”十一五”期间，受聚酯和涤纶工业快速发展的带动，PTA需求将有较大幅度的增长，其对醋酸的需求也会同步增长。
另外，醋酸酯类替代苯类作溶剂，有利于环境保护，将在涂料等行业中有发展空间。
氯乙酸、醋酸纤维、醋酐行业对于醋酸的需求量也会有不同程度的增长。
醋酸乙烯与乙烯共聚树脂也有巨大的市场。
预计2010年，醋酸市场需求约500万t。
醇醚燃料和甲醇制烯烃：
发展醇醚燃料有利于缓解我国石油供需矛盾，是近期替代能源工作的重点。
如果甲醇汽油标准能够在2008年制定完毕，而且国家允许甲醇汽车上市，同时加油站等配套系统能够得到完善，则预计2010年我国M85～M100的甲醇汽车将达到1万辆左右，按每辆汽车每年消耗20吨甲醇计算，则共需要消耗甲醇20万t。
另外，预计到2010年我国将有2000万t汽油掺烧甲醇，若比例按15%计算，则需要300万t甲醇。
以上两部分共需要甲醇320万t。
其他：
2005年我国农药、医药行业共消费甲醇74万t，其他行业如染料、溶剂以及甲胺、氯甲烷等有机原料行业共消费甲醇112.4万t。
根据专家预测，“十一五”期间，我国农药、医药、染料等行业对于甲醇的需求将会相对稳定；用于生产其他有机化工产品和用作溶剂的甲醇，其消费量的增长也不会太大。
预计“十一五”末期，上述行业对于甲醇的需求量约为260万～300万t/年。
预计2010年我国甲醇需求量约为1800万～2100万t。
1.2精馏原理
利用均相液体混合物中两组分的挥发性不同，多次且同时进行部分汽化和部分冷凝，达到分离液体混合物的目的。
由上工序来的需分离的料液经预热器加热至一定温度后由塔中部加料板加入，在加料板上与上块塔板的回流液汇合后逐板下流，最后进入塔釜进行部分加热，产生的蒸汽送回塔底作为回流汽；液体作为塔底产品。
由塔顶出来的蒸汽进行冷凝后一部分作为回流液重新回到塔顶，另一部分进一步冷却后作为塔顶产品。
精馏是应用最广的传质分离操作，其广泛应用促使技术已相当成熟，但是技术的成熟并不意味着之后不再需要发展而停滞不前。
称说技术的发展往往要花费更大的精力，但由于其应用的广泛，每一个进步，哪怕是微小的，也会带来巨大的经济效率。
正因为如此，蒸馏的研究仍受到广泛的重视，不断取得进展。
板式塔是目前最主要的精馏塔塔型，对它的研究一直长盛不衰。
筛板塔和浮阀塔成功地取代泡罩塔是效益巨大的成果。
板式塔的设计已达到较高水平，设计结果比较可靠。
马伦戈尼效应造成的界面湍动现象和汽液两相间的不同接触工况的研究，使认识得到了深化，对传质效率的研究有所促进。
具有各种特点的新型塔板开发研究不断取得成果。
对于塔板上汽液两相流动和混合状况、雾沫夹带及它们对效率的影响研究不断深入，但离得到一个通用而可靠的效率估算模型尚有较大距离，特别是多元系统的效率。
所幸的是，经广泛实验研究发现，利用实验室的奥德肖小筛板塔可以比较可靠地测的工业塔中的点效率，可以弥合一些上述的差距。
进一步深入进行塔中汽液两相流动状况的研究，对于预测压降、传质效率和塔板的可操作区域，对于认识至今了解甚少的降液管中状况都十分有意义。
1.3板式塔
1.3.1板式塔分类
板式塔的型式很多，分类各不相同，如按气液在塔板上的流向板式塔可分为：
气-液呈错流的塔板；气液呈逆流的塔板；气液呈并流的塔板。
按有无溢流装置又可分为：
有溢流装置板式塔；无溢流装置板式塔。
按塔盘结构又可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔等等。
1.3.2板式塔的结构
板式塔为逐级接触式气液传质设备，它主要由圆柱形壳体、塔板、溢流堰、降液管及受液盘等部件构成。
操作时，塔内液体依靠重力作用，由上层塔板的降液管流到下层塔板的受液盘，然后横向流过塔板，从另一侧的降液管流至下一层塔板。
溢流堰的作用是使塔板上保持一定厚度的液层。
气体则在压力差的推动下，自下而上穿过各层塔板的气体通道（泡罩、筛孔或浮阀等），分散成小股气流，鼓泡通过各层塔板的液层。
在塔板上，气液两相密切接触，进行热量和质量的交换。
在板式塔中，气液两相逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化，在正常操作下，液相为连续相，气相为分散相。
工业上最早出现的板式塔是筛板塔和泡罩塔。
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。
泡罩塔结构复杂，但容易操作，自1854年应用于工业生产以后，很快得到推广，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。
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。
塔板[1] 又称塔盘，是板式塔中气液两相接触传质的部位，决定塔的操作性能，通常主要由以下三部分组成：
A.气体通道 为保证气液两相充分接触，塔板上均匀地开有一定数量的通道供气体自下而上穿过板上的液层。
气体通道的形式很多，它对塔板性能有决定性影响，也是区别塔板类型的主要标志。
筛板塔塔板的气体通道最简单，只是在塔板上均匀地开设许多小孔（通称筛孔）,气体穿过筛孔上升并分散到液层中泡罩塔塔板的气体通道最复杂，它是在塔板上开有若干较大的圆孔，孔上接有升气管，升气管上覆盖分散气体的泡罩。
浮阀塔塔板则直接在圆孔上盖以可浮动的阀片,根据气体的流量,阀片自行调节开度。
B.溢流堰 为保证气液两相在塔板上形成足够的相际传质表面,塔板上须保持一定深度的液层，为此,在塔板的出口端设置溢流堰。
塔板上液层高度在很大程度上由堰高决定。
对于大型塔板，为保证液流均布，还在塔板的进口端设置进口堰。
C.降液管 液体自上层塔板流至下层塔板的通道，也是气（汽）体与液体分离的部位。
为此，降液管中必须有足够的空间，让液体有所需的停留时间。
此外，还有一类无溢流塔板，塔板上不设降液管，仅是块均匀开设筛孔或缝隙的圆形筛板。
操作时，板上液体随机地经某些筛孔流下，而气体则穿过另一些筛孔上升。
无溢流塔板虽然结构简单，造价低廉，板面利用率高，但操作弹性太小，板效率较低，故应用不广。
1.3.3板式塔的特点
它的主要优点有：
A结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为袍罩塔的60%，为浮阀塔的80%左右。
B处理能力大，比同塔径的袍罩塔可增加10%~15%。
C塔板效率高，比袍罩塔高15%左右。
D压降较低，每板压力降比袍罩塔约低30%左右。
它的缺点是：
A塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不均。
B操作弹性较小。
C小孔筛板简单堵塞。
因板式塔空塔速度较大，因而生产能力较大，塔板效率稳定，操作弹性大，且造价低，检修、清洗方便，故工业上广泛应用。
1.3.4板式塔的作用
A.塔釜的作用：
为了使精馏塔连续稳定进行，必须保证塔板上有上升的蒸汽，故塔釜的作用就是提供上升蒸汽。
B.回流液的作用：
a、提供一定数量的液流：
提供了汽液直接接触进行双向传质的必要条件；
b、向塔内补充一定量的易挥发组分，维持塔内稳定操作。
上升蒸汽越往上走，易挥发组分浓度越高，一是上升的汽流中难挥发组分冷凝下来进入液相；二是下降的液流中易挥发组分汽化进入了汽相，如果没有回流液，每块塔板上的易挥发组分浓度就会下降，操作就不稳定。
。
C.精馏段和提馏段的作用：
精馏段：
原料液进料板以上的称精馏段，它的作用：
上升蒸汽与回流液之间的传质、传热，逐步增浓气相中的易挥发组分。
可以说，塔的上部完成了上升汽流的精制。
提馏段：
加料板以下的称提馏段，它的作用：
在每块塔板下降液体与上升蒸汽的传质，传热。
下降的液流中难军发组分不断增加，可以说，塔下部完成了下降液流中难军发组分的提浓。
D.塔板的作用：
a结构：
每一块塔板上有降液管、出口堰、板上小孔，有的还有进口堰。
b作用：
上一块板的液体由降液管下来，下一块板的蒸汽由板上的小孔进入，因出口堰的存在使每一块板上有一定厚度的液层，这样气液在塔板上直接接触，进行传质、传热。
第二章设计部分
2.1设计任务
在抗生素类药物生产过程中，需要用甲醇溶媒洗涤晶体，洗涤过滤后生产废甲醇溶媒，其组成为含甲醇46%、水54%（质量分数，下同），另含少量的药物固体颗粒。
为使废甲醇溶媒重复利用，设计一套板式精馏塔，以对废甲醇溶媒进行精馏，得到含水量0.3%的甲醇溶媒。
设计要求废甲醇溶媒的处理量为3.5万吨/年，塔底废水中甲醇含量0.5%。
操作条件：
（1）操作压力常压
（2）进料热状态泡点进料
（3）回流比2
（4）单板压降0.7Kpa
（5）全塔效率70%
2.2设计方案的确定
本设计任务为分离甲醇和水的混合物，对于二元混合物的分离，应采用连续常压精馏流程。
设计中采用泡点进料，将原料液通过预热器加热至泡点后送入精馏塔内。
塔顶上升蒸气采用全凝器冷凝，冷凝液在泡点下一部分回流至塔内，其余部分经产品冷凝器冷却后送至贮罐。
该物系属于易分离物系，最小回流比比较小，故操作回流比取最小回流比的2倍。
塔底采用间接蒸气加热，塔底产品经冷却后送至贮罐。
2.3设计计算
2.3.1精馏塔的物料衡算
A.原料液及其塔顶、塔底产品的摩尔分率
甲醇的摩尔质量为：
32.04kg/kmol
水的摩尔质量为：
18.02kg/kmol
=0.324
B.原料液及其塔顶与塔底产品的平均摩尔质量
MF=0.324×32.04+（1-0.324）×18.02=22.56kg/mol
MD=0.995×32.04+（1-0.995）×18.02=31.97kg/mol
Mw=0.003×32.04+（1-0.003）×18.02=18.02kg/mol
C.物料衡算
原料的处理量：
F=3.5×107/（300×24×22.56）=215.47kmol/h
由总物料衡算：
F=D+W
甲醇物料衡算：
215.47×0.324=0.995D+0.003W
得出：
D=69.72kmol/hW=145.75kmol/h
2.3.2精馏塔塔板数的确定
A.理论板层数NT的求取
a.因为甲醇---水属于理想物系[2]，可采用图解法求理论板层数（见相平衡图1---1）
b.求最小回流比和操作回流比
采用作图法求最小回流比，在图中对角线上e（0.324，0.324）做垂线ef，该线与平衡线交点坐标为：
xq=0.324yq=0.698
最小回流比：
Rmin=（xD-yq）/（yq-xq）=（0.995-0.698）/（0.698-0.324）=0.794
取操作回流比为：
R=2Rmin=2×0.794=1.59
c.精馏塔的气、液相负荷
L=R×D=1..59×69.72=110.85kmol/h
V=（R+1）×D=2.59×69.72=180.57kmol/h
L’=L+F=110.85+215.47=326.32kmol/h
V’=V=180.57kmol/h
d.精馏段、提馏段操作线方程
精馏段操作线：
y=L/V×X+D/V×XD=0.614X+0.386
提馏段操作线：
y’=L’/V’×X’－W/V’×XW=1.81X’-0.0024
e.图解法求理论塔板层数
根据图一所示，可求得结果为：
总理论塔板数NT为8块（包括再沸器）
进料板位置NF为自塔顶数起第6块
B.实际板层数的求取
精馏段实际塔板数N精=5/0.7=7.1≈8块
提馏段实际塔板数N提=3/0.7=4.3≈5块
2.3.3精馏塔的工艺条件及物性数据的计算
A.操作压力的计算
设每层塔压降：
△P=0.7kPa（一般情演况下，板式塔的每一个理论级压降约在0.4~1.1kPa）
塔顶操作压力PD=101.3KPa
进料板压力PF=101.3+8×0.7=106.9KPa
精馏段平均压力Pm=（101.3+106.9）/2=104.1KPa
B.操作温度的计算
依操作压力由泡点方程通过试差计算，结果如下：
塔顶温度：
tD=61.2℃
进料板处温度：
tF=82.8℃
精馏段平均温度tM=（64.2+82.8）/2=73.5℃
C.平均摩尔质量的计算
a.塔顶平均摩尔质量计算
由XD=YL=0.995查平衡曲线（图一）得XL=0.95
MVDm=0.995×32.04+（1-0.995）×18.02=31.97kg/mol
MLDm=0.95×34.04+（1-0.95）×18.02=31.34kg/mol
b.精馏段平均摩尔质量
MVm=（31.97+26.34）/2=29.29kg/mol
MLm=（31.34+21.30）/2=26.32kg/mol
D.平均密度的计算
a.气相平均密度的计算
由理想气体状态方程计算，即
ρVm=PmMvw/RTm=（104.1×29.29）/[8.314×（273.15+73.5）]=1.058kg/m3
b.液相平均密度的计算
液相平均密度依下式计算，即
塔顶液相平均密度的计算
由tD=64.2℃时查手册得
ρA＝756.186kg/m3ρB=980.932kg/m3
ρLDm=1/（0.997/756.18+0.003/980.932）=756.7kg/m3
进料板液相平均密度的计算
由tF=82.8℃，查手册得
ρA＝733.9kg/m3ρB=969.98kg/m3
进料板液相的质量分率
αA=（0.234×32.04）/（0.234×32.04+0.766×18.02）=0.352
ρLFm=1/（0.352/733.9+0.648/969.98）=871.3kg/m3
精馏段液相平均密度为
ρLm=（756.7+871.3）/2=814kg/m3
E.平均表面张力的计算
液相平均表面张力依下式计算，即
σLm=∑xiσi
a.塔顶液相平均表面张力的计算
由tD=64.2℃，查得
σA=16.85mN/mσB=65.41mN/m
σLDm=0.995×16..85+0.005×65.41=17.09mN/m
b.进料板液相平均表面张力的计算
由tF=82.8℃，查得
σA=14.72mN/mσB=62.05mN/m
σLFM=0.234×14.72+0.766×62.05=50.97mN/m
精馏段液相平均表面张力
σLm=（17.09+50.97）/2=34.03mN/m
F.平均粘度的计算
液相平均粘度依下式计算，即
lgμLm=∑xilgμi
a.塔顶液相平均粘度的计算
由tD=64.2℃，查得
μA=0.328mPa.sμB=0.441mPa.s
lgμLDm=0.995g（0.328）+0.005lg（0.441）
解出μLDm=0.328mPa.s
b.进料板平均粘度的计算
由tF=82℃，查得
μA=0.269mPa.sμB=0.344mPa.s
lgμLFm=0.234lg（0.269）+0.766lg（0.344）
解出μLFm=0.324mPa.s
精馏段平均粘度
μLm=（0.328+0.324）/2=0.326mPa.s
2.3.4精馏塔的塔体工艺尺寸计算
A.塔径的计算
a.精馏段的气、液相体积流率为
m3/s
m3/s
由
式中C由式计算，其中的C20由图查取[8]，图的横坐标为
取板间距HT=0.40m
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