【正文】 平均溫差：由 得：傳熱面積由《典型化工單元操作設(shè)備設(shè)計(jì)》附表查得所需型號(hào)F1200Ⅵ，具體參數(shù)如下： 選定換熱器相關(guān)參數(shù)項(xiàng)目規(guī)格項(xiàng)目規(guī)格殼程/mm1200管子尺寸/mmφ25公稱壓強(qiáng)/Mpa管長(zhǎng)/m9公稱面積/m2中心排管子數(shù)21管程數(shù)6管子排列方法三角形 加熱器的選型，升溫至100℃，107KJ，106W，取傳熱系數(shù) 熱源： 200℃ → 100℃ 冷源 ：100℃ ← 50℃ 平均溫差：由 得：傳熱面積 由《典型化工單元操作設(shè)備設(shè)計(jì)》附表查得所需型號(hào)F1200Ⅵ，具體參數(shù)如下： 選定換熱器相關(guān)參數(shù)項(xiàng)目規(guī)格項(xiàng)目規(guī)格殼程/mm1200管子尺寸/mmφ25公稱壓強(qiáng)/Mpa管長(zhǎng)/m6公稱面積/m2中心排管數(shù)22管程數(shù)2管子排列方法三角形 分離器的設(shè)計(jì)采用絲網(wǎng)除沫分離器，其具有比表面積大，質(zhì)量輕，空隙大以及使用方便等優(yōu)點(diǎn)。令。，分離器內(nèi)設(shè)100層除沫層。除沫器的直徑為：選取不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)型除沫器，規(guī)格40100，不銹鋼絲網(wǎng)尺寸。分離器的高度3000mm，裙座的直徑2270mm，壁厚60mm，即上下封頭壁厚也為60mm，直徑2270mm，材料選擇15MnR。 合成氣壓縮機(jī)選型，采用沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)生產(chǎn)的2MCL807型壓縮機(jī)， 壓縮機(jī)參數(shù)型號(hào)代號(hào)結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)速/rpm標(biāo)準(zhǔn)流量/m3/min吸氣壓力/MPa出口壓力/MPa軸功率/kw材料2MCL807水平剖分949516230760016MnR 出塔氣離心泵 ，采用沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)生產(chǎn)的AV10017型壓縮機(jī)， 壓縮機(jī)參數(shù)型號(hào)結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)速/rpm標(biāo)準(zhǔn)流量/m3/min吸氣壓力/MPa出口壓力/MPa軸功率/kw材料AV10017軸流710015130718016MnR 冷卻水離心泵，, 離心泵參數(shù)型號(hào)轉(zhuǎn)速/rpm流量m3/h揚(yáng)程/H效率/%軸功率/kw汽蝕余量/mIS200150315145025080 粗產(chǎn)品泵，含量為90%的粗甲醇密度約為810kg/m3。型號(hào)轉(zhuǎn)速/rpm流量m3/h揚(yáng)程/H效率/%軸功率/kw汽蝕余量/m100F92A296068第3章 預(yù)精餾塔設(shè)計(jì)預(yù)精餾塔是粗甲醇三塔精餾流程中的第一個(gè)單元，主要操作目的是除去粗甲醇當(dāng)中的輕組分，主要有二氧化碳、乙醇、甲酸甲酯、環(huán)醚等低沸點(diǎn)化合物，為后續(xù)操作創(chuàng)造良好的條件。由于塔底輕組分沸點(diǎn)較低，在三塔精餾流程中第一個(gè)塔我們選用常壓精餾塔。精餾是以一種利用回流使液體混合物得到高純度分離的蒸餾方法，是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的液體混合物的分離操作。在預(yù)精餾塔中，入料粗甲醇經(jīng)常壓，部分氣化。氣體從塔頂引出，冷凝下來(lái)后經(jīng)回流泵加壓返送回預(yù)精餾塔塔頂；脫除了輕組分的塔釜液，由預(yù)精餾塔塔釜送出，經(jīng)加壓泵送往加壓精餾塔，以進(jìn)一步提高甲醇的純度。流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)下：[2] 粗甲醇原料組成粗甲醇主要是由甲醇及其同系物乙醇、丁醇等組成，此外，還含有不飽和化合物及少量其他夾雜物。粗甲醇中的甲醇，甲醇含量約占94%以上，是精制粗甲醇提取的主要產(chǎn)品。擬選用以下9種物質(zhì)作為流程模擬的原料, 原料組分密度、沸點(diǎn)數(shù)據(jù)查參照文獻(xiàn)得，如表分子式質(zhì)量分?jǐn)?shù)密度/g/ml沸點(diǎn)/℃二氧化碳CO2甲醇CH3OH乙醇C2H5OH水H2O正丁烷C4H10二甲醚CH3OCH3甲酸甲酯HCOOCH3丙酮C3H6O甲醛C6H3(CH3)3 塔設(shè)備基本參數(shù)模擬本設(shè)計(jì)的設(shè)備模擬均采用Aspen，利用Aspen來(lái)確定設(shè)備所需的一些重要參數(shù)。： Aspen模擬示意圖（1）工藝目的：除去粗甲醇當(dāng)中的輕組分，主要有二氧化碳、乙醇、甲酸甲酯、環(huán)醚等低沸點(diǎn)化合物。（2）模型選擇：RADFRAC（3）熱力學(xué)模型選擇：WILSRK（4）流股說(shuō)明：F為預(yù)精餾塔進(jìn)料流股，來(lái)自反應(yīng)塔塔底出料。D為塔頂餾分。W為塔釜出料。（5）模型的主要參數(shù)：理論板數(shù)：53，F(xiàn)EED進(jìn)料為27塊塔板。質(zhì)量回流比：50操作壓力：200kPa出料質(zhì)量流率：塔板及回流比Aspen模擬，： 塔板及回流比Aspen模擬界面進(jìn)料組分及質(zhì)量流率Aspen模擬，： 進(jìn)料組分及質(zhì)量流率Aspen模擬界面（6）模擬結(jié)果：見(jiàn)附表1.其中，℃，℃，進(jìn)料溫度為65℃。 預(yù)精餾塔計(jì)算 數(shù)據(jù)整理由Aspen模擬塔板各項(xiàng)物性數(shù)據(jù)，見(jiàn)附表1.其中，精餾段塔板由第1塊到第26塊塔板組成，提餾段由第27塊到第53塊塔板組成，用Excel軟件整理，并采用Average方程求精餾段和提餾段各項(xiàng)物性數(shù)據(jù)平均值。經(jīng)整理得，： Aspen模擬數(shù)據(jù)整理表項(xiàng)目單位精餾段提餾段氣相平均密度kg/m3液相平均密度kg/m3氣相平均流量m3/s液相平均流量m3/s氣相平均摩爾質(zhì)量kg/kmol液相平均摩爾質(zhì)量kg/kmol液體表面張力mN/m液相平均粘度mPaS實(shí)際板數(shù)2627 塔板選型板式塔的構(gòu)型有泡罩塔、浮閥塔和篩板塔三種[6]。它是隨著工業(yè)蒸餾建立起來(lái)的，泡罩塔踏板上的主要元件為泡罩，泡罩的尺寸為80mm、100mm、150mm三種，可根據(jù)塔徑的大小來(lái)選擇，泡罩塔的底部開(kāi)有齒縫，泡罩安裝在生氣管上，從下一塊上升的氣體經(jīng)升氣管從齒縫吹出，升氣管的頂部高于泡罩齒縫上沿，以防止液體從中漏下，由于有了升氣管，泡罩塔即使在很低的氣速下操作，也不至于產(chǎn)生漏液現(xiàn)象。它的出現(xiàn)略遲于泡罩塔，與泡罩塔的區(qū)別在于取消了泡罩與升氣管，直接在板上開(kāi)很多小直徑的篩孔。操作時(shí)，氣體高速通過(guò)小孔上升，板上的液體不能從小孔中落下，只能通過(guò)降液管流到下層板，上升蒸汽使板上液層成為強(qiáng)烈攪動(dòng)的泡沫層。 。它的特點(diǎn)是在篩板上的每個(gè)篩板處安裝一個(gè)可以上下浮動(dòng)的閥體，當(dāng)篩孔氣速高時(shí)，閥片被頂起，氣速低時(shí)，閥片因自重而下降，閥體可隨上升氣量的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)度。另外氣體從閥體下吹出加強(qiáng)了氣液接觸。通過(guò)比較，篩板塔塔具有塔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝；氣液接觸狀態(tài)良好，塔板效率高；可以在低負(fù)荷下操作，操作彈性大；由于閥片可以自由升降以適應(yīng)氣量的變化，故其維持正常操作所允許的負(fù)荷波動(dòng)范圍較泡罩塔板及篩孔板都寬；允許的蒸汽速度大，生產(chǎn)能力大等優(yōu)點(diǎn)。因而預(yù)精餾塔塔板選取篩板塔。 基本數(shù)據(jù)計(jì)算（1）物料衡算： 物料恒算Aspen模擬界面根據(jù)Aspen模擬結(jié)果，做出以下物料衡算： （2）平均溫度塔頂溫度：℃；進(jìn)料板溫度：℃；塔釜溫度：℃由此可得： 精餾段： 提餾段：（3）操作壓強(qiáng)塔頂壓力為102kPa，取每層塔板的壓降ΔP=則進(jìn)料板的壓力為：102+26=塔釜的壓力為：102+53=精餾段的壓力為：(102+) /2=提餾段的壓力為：(+) /2=（4）塔板負(fù)荷：： 塔徑初選板間距,取板上液層高度 Sminth關(guān)聯(lián)圖[7]（1）精餾段塔徑，依照下式校正由于適宜的空塔氣速，因此，需先計(jì)算出最大允許氣速:，則空塔氣速為：。 ，則空塔氣速：（2）提餾段塔徑，由于精餾段與提餾段塔徑相差不大。 塔高（1）人孔 人孔作為安裝和檢修人員進(jìn)出塔的唯一通道，其設(shè)置應(yīng)便于進(jìn)出任何一層塔板。但是由于設(shè)置人孔處塔板間距較大，且人孔設(shè)備過(guò)多會(huì)使制造時(shí)塔體的彎曲度難于達(dá)到要求，考慮到料液較清潔，無(wú)需經(jīng)常清洗，可每隔每八塊板設(shè)一個(gè)人孔共設(shè)個(gè)人孔，人孔處HP=600mm，人孔直徑500mm 筒體伸出塔體200mm。（2）塔頂空間 Hd=1200mm。（3）塔底空間 塔底空間的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：①保證液體能有足夠的貯存量使塔底液體不至于流空，即有足夠長(zhǎng)的停留時(shí)間；②能使從塔釜進(jìn)入到塔內(nèi)的蒸汽均勻分布。釜液停留時(shí)間取5min取塔底液面至最下層塔板之間距離為1m。，?。?）進(jìn)料段高度進(jìn)料板口與某人孔在同一層板上（5）塔總高度式中：H——塔高，mm；Hd——塔頂空間，mm；Hb——塔底空間，mm；Ht——塔板間距，mm；Hf——進(jìn)料段高，mm；Hp——設(shè)人孔處的塔板間距，mm；Np——人孔數(shù)nf——進(jìn)料口數(shù)n——實(shí)際塔板數(shù)（6）筒體 壁厚選 6mm。（7）封頭 本設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭， hi/Di= hi==。（8）裙座考慮到再沸器，裙座高度取3m。 塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因塔徑D = ，可選用單溢流弓形降液管，采用平直堰，不設(shè)進(jìn)口堰。各項(xiàng)計(jì)算如下。（1）lw的計(jì)算lw= = =（2）溢流堰高度hw的計(jì)算由hw= hL? how，選用平直堰，堰上液層高度how由下式計(jì)算：其中近似取E=1①精餾段：②提餾段：（3）弓形降液管寬度Wd和截面積Af 弓形降液管參數(shù)圖[8]由，得: 及驗(yàn)算液體在降液管中停留的時(shí)間，對(duì)于精餾段對(duì)于提餾段：故降液管設(shè)計(jì)合理。(4) u0——液體通過(guò)降液管底隙的流速，m/s；一般可取u0′=～。降液管底隙高度h0應(yīng)低于出口堰高度hw，才能保證降液管底端有良好的液封，一般應(yīng)低6mm，即：h0= 　　降液管底隙高度一般不宜小于20～25mm，否則易于堵塞，或因安裝偏差而使液流不暢，造成液泛。在設(shè)計(jì)中，塔徑較小時(shí)可取h0為25～30mm，塔徑較大時(shí)可取h0為40mm左右，最大可達(dá)150mm，降液管底隙高度h0 。 降液管示意圖[9]①精餾段： ②提餾段： 故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理。 塔板布置（1）塔板分塊因，故塔板采用分塊式，塔板分為6塊。（2）邊緣區(qū)寬度取，（3）開(kāi)孔區(qū)面積開(kāi)孔區(qū)面積：其中精餾段： 同理，提餾段的為：（4）篩孔尺寸及其排列本利所處理的物系無(wú)腐蝕性，可選用碳鋼板，取篩孔直徑。 ：篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為：篩孔數(shù)目n為開(kāi)孔率為氣體通過(guò)閥孔的氣速為 ：篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為：篩孔數(shù)目n為開(kāi)孔率為氣體通過(guò)閥孔的氣速為 塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算（1）干板阻力計(jì)算干板阻力：由 ， 干篩孔的流量系數(shù)[10]， C0=故，精餾段：液柱提餾段：液柱。（2）氣體通過(guò)液層的阻力計(jì)算氣體通過(guò)液層的阻力：h1=βhL精餾段：β=提餾段：β= （3）液體表面張力的阻力計(jì)算液體表面張力所產(chǎn)生的阻力：液柱同理，提餾段液柱氣體通過(guò)每層塔板的液柱高度 可按下式計(jì)算，即液柱同理，提餾段的為液柱氣體通過(guò)每層塔板的壓降為對(duì)于篩板塔，液面落差較小，且本例的塔徑和液流量均不大，故可忽略液面落差的影響。 液沫夾帶液沫夾帶量：精餾段：提餾段： 故在本設(shè)計(jì)中液沫夾帶量在允許范圍內(nèi)。 漏液對(duì)篩板塔，漏液點(diǎn)氣速：（1）精餾段： 實(shí)際孔速穩(wěn)定系數(shù)為（2）提餾段：穩(wěn)定系數(shù)為故在本設(shè)計(jì)中無(wú)明顯漏液。 液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高Hd≤()取，則同理，提餾段的為而 板上不設(shè)進(jìn)口堰，hd可由式計(jì)算，即液柱同理液柱液柱液柱故在本設(shè)計(jì)中不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。 塔板負(fù)荷性能計(jì)算 霧沫夾帶線泛點(diǎn)率計(jì)算公式為：（1）精餾段：代入數(shù)據(jù)整理得： （2）提餾段：代入數(shù)據(jù)整理得： 液泛線根據(jù)（1）精餾段：（2）提餾段： 液相負(fù)荷上限液體的最大流量應(yīng)滿足其再降液管內(nèi)停留的時(shí)間不低于3~5s。以θ= 5s作為液體在降液管中的停留時(shí)間下限，則： 漏液線對(duì)于F1型重閥，依作為規(guī)定氣體最小負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)。（1）精餾段：（2）提餾段：據(jù)此可以做出與液體流量無(wú)關(guān)的漏液線，即氣相負(fù)荷下限線。 液相負(fù)荷下限線取堰上液層高度= ，做出液相負(fù)荷下限線，該線為與氣相流量無(wú)關(guān)的豎直線。由式：據(jù)此可作出與氣體流量無(wú)關(guān)的垂直的液相負(fù)荷下限線。 塔板負(fù)荷性能圖根據(jù)上面求出的各段的符合性能曲線分別畫出塔板負(fù)荷性能曲線圖。 (1) 霧沫夾帶線 (2) 液泛線 (3) 液相負(fù)荷上限線 (4) 漏液線