【正文】 同意答辯等）：成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)評閱教師評閱書評閱教師評語（①選題的意義；②基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；③綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力；③工作量的大??；④取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；⑤寫作的規(guī)范程度；⑥總體評價及建議成績；⑦存在問題；⑧是否同意答辯等）：成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯及綜合成績答 辯 情 況回 答 問 題提 出 問 題 正 確基 本正 確有 一般 性錯 誤有 原則 性錯 誤沒 有回 答答辯委員會評語及建議成績：答辯委員會主任簽字： 年 月 日學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組綜合評定成績：學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)人： 年 月 日摘 要甲醇最早由木材和木質(zhì)素干餾制的，故俗稱木醇，這是最簡單的飽和脂肪組醇類的代表物。甲醇工業(yè)的迅速發(fā)展，是由于甲醇是多種有機(jī)產(chǎn)品的基本原料和重要的溶劑，廣泛用于有機(jī)合成、染料、醫(yī)藥、涂料和國防等工業(yè)。近年來碳一化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，甲醇制乙醇、乙烯、乙二醇、甲苯、二甲苯、醋酸乙烯、醋酐、甲酸甲酯和氧分解性能好的甲醇樹脂等產(chǎn)品，正在研究開發(fā)和工業(yè)化中。本設(shè)計(jì)選擇了以 45 萬 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)，參考了河南永城永煤集團(tuán)龍宇煤化工甲醇廠甲醇精餾的工藝，本設(shè)計(jì)從工藝角度對其生產(chǎn)過程和主要設(shè)備進(jìn)行了物料衡算、塔設(shè)備簡捷法計(jì)算、熱量衡算、換熱器設(shè)計(jì)等工藝計(jì)算。隨著技術(shù)的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的改變，甲醇又開辟了許多新的用途。甲醇用途廣泛，是基礎(chǔ)的有機(jī)化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料。甲醇在深加工后可作為一種新型清潔燃料，也加入汽油摻燒。特別是隨著能源結(jié)構(gòu)的改變，甲醇有未來主要燃料的候補(bǔ)燃料之稱，需用量十分巨大。從我國能源結(jié)構(gòu)出發(fā)，甲醇由煤制的技術(shù)已經(jīng)成熟，近幾年由煤制甲醇的工藝已經(jīng)全面工業(yè)化生產(chǎn)，將來在我國甲醇有希望替代石油燃料和石油化工的原料，蘊(yùn)藏著潛在的巨大市場。甲醇汽油是指把甲醇部分添加在汽油里，用甲醇燃料助溶劑復(fù)配的 M系列混合燃料。甲醇混合燃料的熱效率、動力性、啟動性、經(jīng)濟(jì)性良好，具有降低排放、節(jié)省石油、安全方便等特點(diǎn)。目前，商用甲醇主要為 M85(85％甲醇+15％汽油)和 M100，M100 性能優(yōu)于 M85，具有更大的環(huán)境優(yōu)越性。首先，總是以蒸餾的方法在蒸餾塔的頂部，脫除較甲醇沸點(diǎn)低的輕組分，這時，也可能有部分高沸點(diǎn)的雜質(zhì)和甲醇形成共沸物，隨輕組分一并除去。其次，根據(jù)精甲醇對穩(wěn)定性或其他特殊指標(biāo)的要求，采取必要的輔助方法。加上新型精餾設(shè)備的使用，對工藝流程也產(chǎn)生一定影響。甲醇精餾按工藝主要分為3種: 雙塔精餾工藝技術(shù)、帶有高錳酸鉀反應(yīng)的精餾工藝技術(shù)和我國自行開發(fā)的三塔精餾工藝技術(shù)。帶有高錳酸鉀反應(yīng)的精餾工藝技術(shù)僅在單醇生產(chǎn)中用鋅鉻為催化劑的產(chǎn)品中有應(yīng)用。三塔精餾工藝技術(shù)是為減少甲醇在精餾中的損耗和提高熱利用率而開發(fā)的一種先進(jìn)、高效和能耗較低的工藝流程,近年來在大、中型企業(yè)中得到了推廣和應(yīng)用。傳統(tǒng)的精餾塔大都是以浮閥為主的板式塔, 隨著新型板式塔的開發(fā)成功, 又出現(xiàn)了導(dǎo)向浮閥、斜孔篩板等結(jié)構(gòu), 但由于板式塔開孔率低, 介質(zhì)傳質(zhì)、傳熱效率差, 總體效果并不太理想。相同規(guī)模的裝置三塔精餾與雙塔精餾相比投資增加20%以上, 但運(yùn)行費(fèi)用一般可節(jié)省20%。一般說來,甲醇生產(chǎn)規(guī)模在5萬t/a以下時宜選擇雙塔精餾工藝 , 因?yàn)殡p塔精餾工藝投資省、建設(shè)周期短、裝置簡單, 易于操作和管理,雖然消耗高于三塔精餾工藝技術(shù), 但在5萬t/a生產(chǎn)規(guī)模以下時其經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)較占優(yōu)勢。在每萬噸甲醇的消耗投資方面三塔精餾低于雙塔精餾工藝。在原有雙塔流程中僅增加1臺加壓塔和部分設(shè)備, 裝置生產(chǎn)能力就能翻1倍；比雙塔流程節(jié)約能耗20%以上；由于增加了乙醇等產(chǎn)品的采出, 產(chǎn)品質(zhì)量符合國際AA標(biāo)準(zhǔn), 有更廣闊的銷售市場和更高的產(chǎn)品售價；由于兩流程近似,操作和管理方法易于接受。不論采用何種精餾工藝流程, 精餾塔都是該裝置的核心設(shè)備, 其決定著裝置能耗的高低和產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。這樣可減少理論塔板數(shù),降低精餾塔的高度,單位生產(chǎn)能力大。(2) 結(jié)構(gòu)簡單 ,易于維修和安裝　精餾塔內(nèi)填料分層安裝,結(jié)構(gòu)簡單,設(shè)備體積小, 物料在系統(tǒng)中停留時間縮短,產(chǎn)品質(zhì)量提高。傳統(tǒng)雙塔精餾工藝與填料型三塔精餾工藝的投資和單耗(噸甲醇消耗) 比較見表11 。雙塔精餾能耗達(dá)到傳統(tǒng)的板式三塔消耗水平, 三塔精餾能耗比傳統(tǒng)的板式三塔降低15%以上, 5萬t/a甲醇生產(chǎn)企業(yè)年運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)省200萬元以上。綜上所述，因此本設(shè)計(jì)也才用填料型三塔甲醇精餾工藝技術(shù)。 甲醇精餾工藝的概況 工序任務(wù)甲醇精餾是甲醇合成的下游工序，其目的就是對合成裝置來的粗甲醇進(jìn) 行 精 制 ， 將 甲 醇 中 的 雜 質(zhì) 進(jìn) 行 脫 除 ， 以 生 產(chǎn) 符 合 標(biāo) 準(zhǔn) 的 優(yōu) 等 級 精 甲 醇 產(chǎn) 品 。本甲醇精餾裝置采用的是以規(guī)整填料為塔內(nèi)件的三塔精餾工藝，精餾用汽為低壓蒸汽。另外為了減少甲醇的損失，增加了一個塔,以對污水中的甲醇進(jìn)行回收處理，故現(xiàn)在一般叫 3+1 塔工藝流程。填料是最早使用的塔內(nèi)件，當(dāng)初使用在小塔徑的塔里，由于其設(shè)計(jì)、制造、安裝難度不大，應(yīng)用十分廣泛。目前的填料分為散堆填料和規(guī)整填料。采用槽式液體分布器和槽 盤式液體分布器可以較好地解決抗堵、防夾帶等問題，壓降小、負(fù)荷彈性大。比兩塔工藝減少蒸汽消耗約 30%左右；操作的靈敏性比板式塔好，但其穩(wěn)定性不如板式塔好；采取了萃取精餾和共沸精餾工藝，有效解決了微量難分離組分的脫除問題；分離效率高，操作彈性大，生產(chǎn)能力大。 以色譜分析或色譜質(zhì)譜聯(lián)合分析測定粗甲醇的組成有 40 多種，包含了醇、醛、酮、醚、酸、烷烴等等。其它含有少量生產(chǎn)系統(tǒng)中帶來的羰基鐵，及微量的催化劑等雜質(zhì)。表 12 按沸點(diǎn)順序排列的粗甲醇組分組 分 沸點(diǎn)，℃ 組 分 沸點(diǎn)，℃ 組 分 沸點(diǎn)，℃二甲醚 甲醇 異丁醇 乙醛 異丙烯醚 正丁醇 甲酸甲酯 正己烷 異丁醚 二乙醚 乙醇 二異丙基酮 正戊烷 甲乙酮 正辛烷 丙醛 正戊醇 異戊醇 丙烯醛 正庚烷 4甲基戊醇 醋酸甲酯 水 正戊醇 丙酮 甲基異丙酮 正壬烷 異丁醛 醋酐 正癸烷 為了精餾過程中便于處理，上述組成大致可分為幾組：（表中 1～15 組分，甲醇，乙醇例外） ；；；（表中 16～30） ；。粗甲醇中這些雜質(zhì)組分的含量多少，可視為衡量粗甲醇的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。從精制角度考慮，甲醇合成過程中副反應(yīng)越少越好，從而提高粗甲醇的質(zhì)量，就可能在容易獲得高質(zhì)量精甲醇的同時，又降低了精制中物料和能量的消耗。同時，粗甲醇中所含雜質(zhì)的種類和數(shù)量，又與原料氣的組成和合成條件及設(shè)備的材質(zhì)有關(guān)。如：生產(chǎn)甲醛是目前甲醇的主要用途之一，但如果甲醇中的烷烴含量超標(biāo)，在甲醇氧化、脫氫時由于沒有過量空氣，便生成碳黑覆于催化劑的表面，影響催化劑的活性；高級醇可使生產(chǎn)的甲醛產(chǎn)品的酸值不合格；甲醇中的水由于在甲醇蒸發(fā)汽化時不易揮發(fā)，在蒸發(fā)器中濃縮積累，使甲醇濃度降低，可引起原料配比失調(diào)而發(fā)生爆炸；作為甲醇另一主要用途之一的醋酸生產(chǎn)，對甲醇中的乙醇含量有著較為嚴(yán)格的規(guī)定；甲醇還被用作生產(chǎn)塑料、涂料、香料、農(nóng)藥、醫(yī)藥、人造纖維等原料，都可能由于這些少量雜質(zhì)的超量存在而影響產(chǎn)品的純度和產(chǎn)品的性能。目前工業(yè)上對粗甲醇進(jìn)行精制常用的物理方法就是精餾。本設(shè)計(jì)采用國外甲醇的質(zhì)量的指標(biāo)，產(chǎn)品質(zhì)量符合美國聯(lián)邦 AA 級標(biāo)準(zhǔn)。甲醇精餾是甲醇合成的下游工序，其目的就是對合成裝置來的粗甲醇進(jìn)行精制，將甲醇中的雜質(zhì)進(jìn)行脫除，以生產(chǎn)符合標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)等級精甲醇產(chǎn)品。液態(tài)混合物在飽和狀態(tài)下，各組分的揮發(fā)度用它在蒸汽中的分壓和與之平衡的液相中的摩爾分率之比來表示，即： 1XPV?2式中：V 揮發(fā)度； P蒸汽中分壓； X液相中摩爾濃度。即： 21V??式中： 為相對揮發(fā)度。 液相混合物在飽和狀態(tài)下，氣相中各組分相對組成與原液相中的相對組成不同，在氣相組成中，揮發(fā)度高的組分的濃度高些，分壓高些，揮發(fā)度低的組分濃度相對低些，分壓也低些；在液相組成中正好相反，揮發(fā)度低的組分的濃度高些，揮發(fā)度高的組分的濃度低些；相對揮發(fā)度越大，這種濃度差就越大。常壓下甲醇的沸點(diǎn)為 ℃，輕組分雜質(zhì)是指其沸點(diǎn)低于℃的組分，而重組分雜質(zhì)是指沸點(diǎn)高于 ℃的組分。經(jīng)過在精餾塔內(nèi)反復(fù)多次連續(xù)地進(jìn)行這種熱質(zhì)傳遞，最終實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵輕組分在塔頂高濃度集聚、重組分在塔底高濃度集聚的分離過程。 拉烏爾定律是指：在一定溫度下的平衡理想溶液（假設(shè)兩種液體可以任何比例相互溶解、互溶無體積效應(yīng)和熱效應(yīng)）體系中，溶液表面上方的蒸汽中任一組分的分壓，等于此純組分在此溫度下的飽和蒸汽壓乘以其在溶液中的摩爾分?jǐn)?shù)，可用如下式子表示： iiiXP??*式中： 氣相中組分 i 的分壓；iP 此溫度下純組分 i 的飽和蒸汽壓；*i 組分 i 在理想溶液中的摩爾濃度，%。i對于在一定溫度下，由 A 和 B 兩種物質(zhì)組成的雙組分理想溶液的平衡系統(tǒng)，可以通過上述的拉烏爾定律和道爾頓定律來求取理想溶液系統(tǒng)的氣液相平衡關(guān)系式如下： )/()(**babAPX??AB1aA?*ABY??PAB式中： 、 為溶液中組分 A 和組分 B 的摩爾分?jǐn)?shù)；AXB 、 為純正組分 A 和 B 在同一溫度下的飽和蒸汽壓；*aPb 、 為氣相中組分 A 和組分 B 的摩爾分?jǐn)?shù)；AYB 、 為氣液相平衡時氣相中 A 和 B 蒸汽分壓； 為理想溶液達(dá)到平衡時溶液上方的汽相總壓。 精餾是多次簡單蒸餾的組合。如此不斷汽化、冷凝操作，最后使混合液中的組分幾乎以純組分被分離開來。經(jīng)過在精餾塔內(nèi)反復(fù)多次連續(xù)地進(jìn)行這種熱質(zhì)傳遞，最終實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵輕組分在塔頂高濃度集聚、重組分在塔底高濃度集聚的分離過程。根據(jù)全塔物料衡算可知，對于一定的原料液流量 F，只要確定了分離程度 和 ,餾DxW出液流量 D 和釜?dú)堃毫髁?W 也就被確定了?；亓鞅仁怯绊懢s塔分離效果的主要因素，生產(chǎn)中經(jīng)常用改變回流比來調(diào)節(jié)、控制產(chǎn)品的質(zhì)量。同時回流比增大，提餾段操作線斜率 變小，該段的傳質(zhì)推動力增加，因39。反之，當(dāng)回流比減小時，減小而 增大，使分離效果變差?；亓鞅茸兓瘯r，再沸器和冷凝器的傳熱量也應(yīng)相應(yīng)發(fā)生變化。由于不同進(jìn)料熱狀況的影響，使從進(jìn)料板上升蒸汽量及下降液體量發(fā)生變化，也即上升到精餾段的蒸汽量及下降到提餾段的液體量發(fā)生了變化。一般精餾Fx塔設(shè)幾個進(jìn)料位置，以適應(yīng)生產(chǎn)中進(jìn)料狀況的變化，保證在精餾塔的適宜位置下進(jìn)料。對特定的精餾塔，若 減小，則使 和 均減??；欲保持 不變，F(xiàn)xDxWDx則應(yīng)增大回流比。生產(chǎn)中某一個因素的干擾（如傳熱量、 等發(fā)生變動）將影響產(chǎn)品的質(zhì)量，因Fx此應(yīng)及時予以調(diào)節(jié)控制。對于餾出液和釜?dú)堃阂灿袑?yīng)的露點(diǎn)和泡點(diǎn)，通?？捎盟敎囟确从仇s出液組成，用塔底溫度反映釜?dú)堃航M成。因此當(dāng)塔頂（或塔底）溫度發(fā)現(xiàn)有可覺察的變化時，產(chǎn)品的組成可能已明顯改變，再設(shè)法調(diào)節(jié)就很難了。分析塔內(nèi)沿塔高的溫度分布可以看到，在精餾段或提餾段的某塔板上溫度變化最顯著，也就是說，這些塔板的溫度對于外界因素的干擾反映最為靈敏，通常將它稱之為靈敏板。 甲醇的主要技術(shù)規(guī)格 甲醇的一般性質(zhì) 甲醇的分子式為 CH3OH，其分子量為 。其一般性質(zhì)看表 13。℃)(20 ～25℃ 液體)，45J（mols()(20℃)甲醇的密度，粘度和表面張力隨溫度改變?nèi)缦拢罕?14 甲醇的密度、粘度和表面張力隨溫度變化表溫度，℃ 0 10 20 30 40 50 60密度 g/ cm3 粘度， 表面張力， ，sa???410Ndyn510??甲醇可以和水以及許多有機(jī)液體如乙醇、乙醚等以任意比混合，但不能與脂肪族烴類相混合。同樣，也難以從甲醇中清除有機(jī)雜質(zhì)，產(chǎn)品甲醇總含有有機(jī)雜質(zhì)約 %以下。表 15 甲醇的沸點(diǎn)壓力mmHg溫度℃壓力mmHg溫度℃壓力at溫度℃壓力at溫度℃1102010020040025108430405040 760 20 60 ,??? 甲醇水系統(tǒng)的性質(zhì)甲醇和水可以以任意比混合，混合后的甲醇水系統(tǒng)的性質(zhì)，是研究甲醇性質(zhì)的一個重要組成部分。表 16 甲醇水溶液的密度與甲醇濃度和溫度的關(guān)系CH3OH 濃度 密 度， g/ cm3% 30℃ 0℃ 20℃ 30℃ 40℃ 60℃10 ― 20 ― 30 ― 40 50 60 70 80 90 2. 粘度甲醇水溶液的粘