【導(dǎo)讀】近年來(lái)，世界甲醇的生產(chǎn)能力發(fā)展速度較快。機(jī)合成、染料、醫(yī)藥、涂料和國(guó)防等工業(yè)。由甲醇轉(zhuǎn)化為汽油方法的研究成。果，從而開(kāi)辟了由煤轉(zhuǎn)換為汽車燃料的途徑。近年來(lái)碳一化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，氧分解性能好的甲醇樹(shù)脂等產(chǎn)品，正在研究開(kāi)發(fā)和工業(yè)化中。為化學(xué)工業(yè)中一個(gè)重要的領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)選擇了以45萬(wàn)t/a甲醇精餾的產(chǎn)量作為生產(chǎn)計(jì)算與設(shè)計(jì)的任務(wù)，算、換熱器設(shè)計(jì)等工藝計(jì)算。

　　

【正文】 氣相中甲醇 ℃ 的摩爾分?jǐn)?shù) 的摩爾分?jǐn)?shù) ℃ 的摩爾分?jǐn)?shù) 的摩爾分?jǐn)?shù) 100 物料衡算 預(yù)精餾塔的目的是首先對(duì)從合成塔過(guò)來(lái)的粗甲醇進(jìn)行初步精餾，主要目的是除去其中的輕餾分，將甲醇作為重組分留在塔底以作為后續(xù)塔的進(jìn)料，通過(guò)后面的加壓塔、常壓塔和回收塔對(duì)甲醇精餾得到精甲醇，因此預(yù)精餾塔的主要產(chǎn)品是輕餾分，所以此塔的物料衡算應(yīng)取輕餾分的量進(jìn)行計(jì)算。 已知：進(jìn)料的 M =進(jìn)料流量 F= sw =61000kg/h，甲醇的質(zhì)量分率 tW =95%，水的質(zhì)量分率 tW =%，輕餾分的質(zhì)量分率 tW =%，另有雜醇和乙醇的量較少，這里忽略不計(jì)。摩爾分率單位： %，由于輕餾分的平均分子沒(méi)法確定，因此通過(guò)對(duì)其它組分的摩爾分率計(jì)算推出輕餾分的摩爾分率。 進(jìn)料的摩爾流量 MwF s? =61000/=甲醇的摩爾分率 （（ 9561000/100） /32） / = 水的摩爾分率 （（ 61000/100） /18） /= 則 Fx == 根 據(jù)工藝流程圖，確定塔頂產(chǎn)品的摩爾流量和塔頂產(chǎn)品組成 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁(yè) D=根據(jù)物料衡算方程 ??? WDF W= WDF xWxDxF ????? 計(jì)算出 =+ WW xx ? = 由于輕餾 分是多種物質(zhì)的混合物，因此無(wú)法得到其物性參數(shù)以及輕餾分與重組分甲醇的平衡數(shù)據(jù)，所以無(wú)法計(jì)算對(duì)預(yù)精餾塔進(jìn)行物料衡算和能量橫算，以及填料層高度，塔徑的計(jì)算，但預(yù)精餾塔屬于本設(shè)計(jì)第一個(gè)塔設(shè)備，也是關(guān)鍵設(shè)備之一，所以對(duì)預(yù)精餾塔的設(shè)備參數(shù)選取實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，這里給予說(shuō)明。 全塔高度和塔徑的確定 精餾段填料選擇為 TJW2 型，精餾段填料高度為 3650mm，提餾段填料選擇為 TJH50 型，提餾段填料高度為 11200mm，全塔填料高度為 14850mm，即 。 塔頂空間是塔 頂?shù)谝粔K塔板到塔頂切線距離。對(duì)于填料塔而言，塔頂空間即為第一層填料上線到塔頂切線的距離。為了減少塔頂出口氣體中攜帶液體量，塔頂空間一般取 ～ ，以利于氣體中的液滴自由沉降。本設(shè)計(jì)取塔頂空間為 。 本設(shè)計(jì)選用的是槽式液體分布器和槽盤(pán)式液體分布器可以較好地解決抗堵、防夾帶等問(wèn)題，壓降小、負(fù)荷彈性大。 因填料分三段，則需兩組液體分布器，確定液體分布器在塔內(nèi)高度為 ，第二組高度為 ，其高度為 +=。 塔底空間是指塔底第一塊板 到塔底切線的距離。對(duì)于填料塔而言，塔底空間是指最后一層填料底線到塔底切線的距離。本設(shè)計(jì)取塔底空間為 。 裙式支座是由座圈、基礎(chǔ)環(huán)和地腳螺栓座組成。座圈上開(kāi)有人孔、引出管孔、排氣孔和排污孔。座圈焊固在基礎(chǔ)環(huán)上，基礎(chǔ)環(huán)的作用，一是將載荷傳給基礎(chǔ)，二是在它的上面焊制地腳螺栓座，地腳螺栓座是由兩塊筋板、一塊壓板和一塊墊板組成，地腳螺栓正是通過(guò)地腳螺栓座將裙座牢牢地固定在基礎(chǔ)上。裙座高度是指從塔底封頭切線到基礎(chǔ)環(huán)之間的高度，今以圓柱型裙座為例，可知裙座高度是由塔底封頭切線到出料管中心線的高度 h 和出 料管蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁(yè) 中心線至基礎(chǔ)環(huán)的高度 H 兩部分組成。 h 的最小尺寸是由釜液出口管尺寸決定， H 則應(yīng)按工藝條件確定。 圖 21 塔底裙座結(jié)構(gòu)圖 本設(shè)計(jì)中采用圓柱型裙座，裙座高度選取 7m。 全塔高度 =塔頂空間 +塔內(nèi)液體分布器高度 +塔底空間 +裙座高度 +填料層高度 H=+++7+= 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)選取塔徑為 2800mm。 物料衡算 已知 ： M =進(jìn)料流量 F= sw =tW =13% (乙醇和雜醇的量較小，這里忽略不計(jì) )。摩爾分率單位： % 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁(yè) 進(jìn)料的摩爾流量 MwF s?=甲醇的摩爾分率 Fx =（（ 87） /32） /= D=根據(jù)物料衡算方程 WDF ?? WDF xWxDxF ????? 計(jì)算出 = Dx + Dx? = 進(jìn)料溫度 Ft （ 1000kPa） ?Ft ℃ ，取泡點(diǎn)進(jìn)料 q=1 塔頂溫度為 ?Dt ℃ 在 ?Ft ℃ 溫度下，根據(jù)安托因公式計(jì)算出甲醇和水的飽和蒸汽壓，注：水的安托因常數(shù)為 A=， B=， C=。 Ct BAP ????lg 式中 ?P 飽和蒸汽壓， KPa； t物系溫度， ℃ 。 代入數(shù)據(jù)得，水的飽和蒸汽壓 ?BP =。 甲醇的安托因常數(shù)為 A=， B=， C= CT BAP ????ln 式中 ?P 飽和蒸汽壓， mmHg； T物系溫度， K。 代入數(shù)據(jù)得，甲醇的飽和蒸汽壓 ?AP = kpa. 回流比確定 由甲醇 水的平衡數(shù)據(jù)繪制 xy 圖 用作圖法求最小回流比 minR 由于進(jìn)料為泡點(diǎn)進(jìn)料 q=1，所以畫(huà) q 線與平衡線交點(diǎn)，用交點(diǎn)坐標(biāo) x,y 求最小回流比 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁(yè) 圖 22 作圖法求最小回流比 ????BAPP? ? ??????? 8 205 81 33 5 81 339 94m i n qq qD xy yxR 操作回流比可取為最小回流比的 ～ 倍，所以取 ?? RR = 所以，回流比確定為 ?R ??? DRL =???? FqLL39。 +1=蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 22 頁(yè) ??VV39。 表 24 物料衡算表 物料 流量（ kmol/h） 組成 物料 物流（ kmol/h） 進(jìn)料 F 甲醇 水 塔頂產(chǎn)品 D 甲醇 水 塔底殘液 W 甲醇 水 精餾段上升 蒸汽量 V 提餾段上升 蒸汽量 V’ 精餾段下降 液體量 L 提餾段下降 液體量 L’ 熱量衡算 ① 加熱介質(zhì)的選擇 常用的加熱劑有飽和水蒸汽和煙道氣。飽和水蒸汽是一種應(yīng)用最廣的加熱劑。由于飽和水蒸汽冷凝時(shí)的傳熱膜系數(shù)很高，可以通過(guò)改變蒸汽的壓力準(zhǔn)確地控制加熱溫度。燃料燃燒所排放的煙道氣溫度可達(dá) 100～ 1000℃ ，適用于高溫加熱。缺點(diǎn)是煙道氣的比熱容及傳熱膜系數(shù)很低，加熱溫度控制困難。本設(shè)計(jì)選用 （溫度為 180℃ ）的低壓蒸汽作為加熱介質(zhì)，水蒸汽易獲得、清潔、不易腐蝕加熱管，不但成本會(huì)相應(yīng)降低，塔結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜。 ② 冷卻劑的選擇 常用的冷卻劑是 水和空氣，應(yīng)因地制宜加以選用。受當(dāng)?shù)貧鉁叵拗?，冷卻水一般為 10～ 35℃ .如需冷卻到較低溫度，則需采用低溫介質(zhì)，如冷凍鹽水、氟利昂等。 [7] 本設(shè)計(jì)建廠地區(qū)為永城。永城市夏季最熱月份日平均氣溫為 32℃ 。故選用 32℃ 的冷卻水 ,選升溫 10℃ ，即冷卻水的出口溫度為 42℃ . 根據(jù)資料所提供的數(shù)據(jù)， Dt =℃ ， Wt =℃ 注：下標(biāo) 1 為甲醇，下標(biāo) 2 為水。 冷凝其的熱負(fù)荷 ? ?LDVDC IIVQ ?? 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁(yè) 其中 VDI 塔頂上升蒸汽的焓 LDI 塔頂餾出液的焓 對(duì)于全凝器作熱量衡算（忽略熱量損失） 因塔頂餾出液幾乎為純甲醇，故其焓可近似按純甲醇進(jìn)行計(jì)算，則全凝器的熱負(fù)荷為（塔頂溫度為 ℃ 下，甲醇的汽化熱為 ） 【 9】 ?CQ =107 kJ/h ?Dt ℃ 下，水的比熱容為 ? ?CkgkJC pc ??? /2 6 ? ? ???? 12 ttC QW pc CC ? ? ??? ? 324226 7 kg/h 在 Wt =℃ 下，甲醇的汽化熱為 ，水的汽化熱為 kJ/kg 選用 （ 700kpa， 180℃ ）低壓蒸汽為加熱介質(zhì) 再沸器的熱負(fù)荷為 ? ?LWVWB IIVQ ?? 39。 因釜?dú)堃簬缀鯙樗势潇士砂醇兯M(jìn)行計(jì)算，即 ??? 39。BLWVW rII =則 ?BQ =107 kJ/h 加熱蒸汽消耗量為 ? ?12 ttc QW pc Cc ?? 有附錄查得 P 為 700kpa 時(shí)水的汽化熱為 kJ/kg。則 ???? 0 7 1 7rQW Bh 理論塔板數(shù)計(jì)算 由于本次設(shè)計(jì)時(shí)的相對(duì)揮發(fā)度是變化的，所以不能用簡(jiǎn)捷法求得，應(yīng)用蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 24 頁(yè) 圖解法。 精餾段操作線方程為 11 ???? RxxRRy D 截距 ???? D 連接（ Dx ， Dx ），（ 0， 1?RxD ）與 q 線交于 d 點(diǎn)，連接（ Wx ， Wx ）與 d 點(diǎn)，得到提餾段操作線、然后，由平衡線與操作線可得精餾塔理論板數(shù)，但由于Wx 極小，利用作圖法畫(huà)出理論板數(shù)，如圖所示，梯級(jí)數(shù)為 12 塊。 圖 23 加壓塔求理論塔板數(shù)的圖解法 塔頂溫度下： ?AP = ?BP = ????BAD PP? 塔底溫度下： ?AP = ?BP = 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 25 頁(yè) ?? ??BAW PP? 全塔平均揮發(fā)度： ??? WDm ??? 因?yàn)樗自O(shè)有再沸器，所以精餾塔理論板數(shù)要比梯級(jí)數(shù)少 1，所以精餾塔理論板數(shù)為 11 塊，精餾段為 10 塊，提餾段為 1 塊。 [10] 精餾塔主要尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算 [5] 表 25 水在不同溫度下的密度 溫度 /℃ 60 70 80 90 100 110 密度 /(g/ cm3) 表 26 甲醇在不同溫度下的密度 溫度 /℃ 10 20 30 40 50 60 密度 /(g/ cm3) 表 27 水在不同溫度下的黏度 溫度 /℃ 80 90 100 110 120 130 黏度 / smPa? 表 28 甲醇在不同溫度下的黏度 溫度 /℃ 10 15 20 黏度 / smPa? 用內(nèi)插法可以計(jì)算出水和甲醇在塔頂、塔底和進(jìn)料溫度下的密度和黏度 舉例： ??? ???? 水水 ?? 9 71 71 65 8090 g/ cm3 ??? ???? 水水 ?? 5 22 22 14 5354 smPa? 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 26 頁(yè) 表 29 水和甲醇在不同溫度下的密度 溫度 /℃ ?Dt ?Wt ?Ft 水密度 /(g/ cm3) 甲醇密度 /(g/ cm3) 表 210 水和甲醇在不同溫度下的黏度 溫度 /℃ ?Dt ?Wt ?Ft 水黏度 /( smPa? ) 甲醇黏度 /( smPa? ) ? ? ?????? DD xMxMM 121 +（ ） =??? VMV1 =??? LML1 =?Dx ? 1a =， 2a = ??? 22111 ??? aaL ?? 3/g 所以 ?L? g/ cm3= kg/ m3 ? ? ??? ??? ? kg/ m3 ? ? ???? DDL xx 121 ??? +（ ） = smPa? 塔頂出 料口質(zhì)量流量： D== kg/h 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 27 頁(yè) 表 211 塔頂部數(shù)據(jù)結(jié)果表 符號(hào) kmolkgM/ 3/mkgV? 3/mkgL? smPaL?? ? ? ? ?hk m o lhkg D //// 摩爾質(zhì)量 流量 數(shù)值 ? ? ?????? WW xMxMM 121 +()=? ? ??? ??? ? kg/ m3 由于 Wx =? 1a =， 2a = ??? 22111 ??? aaL ?? 3/g 所以 ?L? g/ cm3=? ? ???? WWL xx 121 ??? +（ ） = smPa? ??? 39。39。3 VMV =??? 39。3 LML =塔底質(zhì)量流量： W==表 212 塔底部數(shù)據(jù)結(jié)果表 符號(hào) kmolkgM/ 3/mkgV? 3/mkgL? smPaL?? ? ? ? ?hk m o lhkg W //// 摩爾質(zhì)量 流量 數(shù)值 ? ? ?????? FF xMxMM 121 +()= kg/kmol 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 28 頁(yè) ? ? ??? ??? ? kg/ m3 由于 Fx =? 1a =， 2a = ??? 22111 ??? aaL ?? cm3/g 所以 ?L? g/ cm3= kg/ m3 ?? 239。2 VV =精餾段： ??? LML2 =提餾段： ??? 39。39。2 LML =? ? ???? FFL xx 121 ??? +()= smPa? 進(jìn)料質(zhì)量流量： F=表 213 進(jìn)料數(shù)據(jù)結(jié)果表 符號(hào) kmolkgM/ 3/mkgV? 3/mkgL? smPaL?? ? ? ? ?hk m o lhkg F //// 摩爾質(zhì)量 流量 數(shù)值 和物性參數(shù) ????? 2 9 1 1 7 0 21 VVV ??? kg/ m3 ????? 2 3 9 22 21 LLL ??? 3 ????? 2 0 3 9 5 3 9 22 21 VVV ????? 2 8 3 8 0 6 6 42 21 LLL 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 29 頁(yè) ????? 2 LFLDL ??? smPa? ????? 2 32 VVV ??? 3 ????? 2 2 3 52 32 LLL ??? kg/ m3 ????? 2 8 9 4 0 3 9 22 39。339。2 VVV ????? 2 7 7 2 0 6 1 62 39。339。2 LLL ????? 2 LFLWL ??? smPa? 塔頂： ???? 36 0097 39 2111 VS VV ?塔底： ???? 360 0820 44339。33 VS VV ?進(jìn)料： ???? VS VV ? 精餾段： ????? 2 21 SSS VVV 提餾段： ????? 2 3239。 SSS VVV 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 30 頁(yè) 表 214 精餾段、提餾段數(shù)據(jù)結(jié)果表 精餾段 提餾段 氣相密度 ? ?3/ ??mkgV? 液相密度 ? ?3/ ??mkgL? 氣相摩爾流量 ? ?1/ ??hkmol 氣相質(zhì)量流量 ? ?1/ ??hkg 液相黏度 / smPa? 液相摩爾流量 ? ?1/ ??hkmol 液相質(zhì)量流量 ? ?1/ ??hkg 填料的選擇 填料是填料塔的核心構(gòu)件，它提供了氣液兩相接觸傳質(zhì)與傳熱的表面，與塔內(nèi)件一起決定了填料塔 的性質(zhì)。目前，填料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用仍是沿著散裝填料與規(guī)整填料兩個(gè)方面進(jìn)行。 【 11】 本設(shè)計(jì)選用規(guī)整填料，規(guī)整填料是一種在塔內(nèi)按均勻幾何圖形排布、整齊堆砌的填料，規(guī)定了氣液流路，改善了溝流和壁流現(xiàn)象，壓降可以很小，同時(shí)還可以提供更大的比表面積，在同等溶劑中可以達(dá)到更高的傳質(zhì)、傳熱效果。 與散裝填料相比，規(guī)整填料結(jié)構(gòu)均勻、規(guī)則、有對(duì)稱性，當(dāng)與散裝填料有相同的比表面積時(shí)，填料空隙率更大，具有更大的通量，單位分離能力大。 所選的規(guī)整的參數(shù)為 型號(hào) 峰高 mm 比表面積 m2/m3 理論板數(shù) 1/m 空隙率 % 壓力降MPa/m CB250Y 12 250 ~3 97 104 塔徑設(shè)計(jì)的計(jì)算 由氣速關(guān)聯(lián)式 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 31 頁(yè) 8141 ???????????????????????? ???????????LGLLGf GLAagu ?????? 式中 2?a干填料因子； L? 液體粘度， smPa? ； A金屬絲網(wǎng)規(guī)整填料為 ； GL、 液體、氣體質(zhì)量流速； LG ??、 氣體、液體密度； g重力加速度。 精餾段： G? =， L? =， ? =， a =250 32/mm ，L? = smPa? ， L = kg/h， G = kg/h， A = 代入式中求解得 ?fu 空塔氣速 ?? fuu = m/s 體積流量 ?SV ????? uVD S? 圓整后： ?D 3000mm，空塔氣速 ?u 提餾段： G? =， L? = kg/ m3， ? =， a =250 32/mm ，L? = smPa? ， L =， G = kg