【正文】 [11]。由于輕餾分、重組分和乙醇在經(jīng)過預(yù)精餾塔精餾后，含量較小，所以在后面的三個塔計算過程中均用甲醇水雙組分精餾。顯然，精甲醇的質(zhì)量和精制過程中的損耗，與粗甲醇的質(zhì)量關(guān)系極大。決定粗甲醇質(zhì)量的主要因素?zé)o疑是催化劑，銅系催化劑的選擇性顯然處于優(yōu)越的地位，反應(yīng)溫度也低，副反應(yīng)少，因此制得的粗甲醇含雜質(zhì)較少。 雖然各種雜質(zhì)的含量不多，但正是由于這些雜質(zhì)的超量存在，使得甲醇合成所得的粗甲醇不能直接用作有機化工的基礎(chǔ)原料。為了滿足作為基礎(chǔ)化工原料的基本要求，必須對粗甲醇進行精制，將粗甲醇中的雜質(zhì)脫除至規(guī)定的指標之內(nèi)。一般工業(yè)上出于對甲醇產(chǎn)品的要求，規(guī)定了精甲醇中含雜質(zhì)量的指標。優(yōu)質(zhì)甲醇的指標集中表現(xiàn)在沸程短，純度高，穩(wěn)定性好并含有機雜質(zhì)量極小。 工藝原理 [7] 液態(tài)物質(zhì)的飽和蒸汽壓力隨溫度的升高而升高：在同一溫度下的平衡系統(tǒng)中，不同物質(zhì)的飽和蒸汽壓力不同，飽和蒸汽壓力大的稱它揮發(fā)度大，反之稱它揮發(fā)度小，兩種物質(zhì)飽和蒸汽壓力之比稱為相對揮發(fā)度。 由于揮發(fā)度隨溫度而變化，使用不方便，故改用相對揮發(fā)度更便利。? 相對揮發(fā)度的含義是液相混合物中易揮發(fā)組分的揮發(fā)度與難揮發(fā)組分揮發(fā)度之比，對于理想溶液就是飽和蒸汽壓之比。 對于粗甲醇中的雜質(zhì)，通常以甲醇的沸點為界，分為輕組分雜質(zhì)和重組分雜質(zhì)。 粗甲醇精餾就是根據(jù)粗甲醇中各種組分的沸點和相對揮發(fā)度的不同，在精餾塔內(nèi)的熱質(zhì)傳遞元件上，通過建立物料、熱量和汽液相平衡，在汽液相之間連續(xù)不斷地實現(xiàn)熱質(zhì)的傳遞：在液相由上向下流動的過程中，由于塔內(nèi)溫度由上到下連續(xù)升高，沸點低、易揮發(fā)的輕組分相對地從液相向汽相中擴散傳遞，而汽相在由下向上流動的過程中，由于溫度連續(xù)降低，沸點高、揮發(fā)度較低的重組分則相對地向液相中凝集傳遞，同時熱量從汽相向液相傳遞。精餾工藝的理論基礎(chǔ)是拉烏爾定律和道爾頓分壓定律。iX 而道爾頓定律是指：在一定溫度下的平衡系統(tǒng)中，溶液表面上方的壓中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 13 頁力等于汽相混合物中各組分的分壓之和，即： ??iP式中： 求和：? 氣相壓力；P 氣相中組分 i 的分壓。P 如果已經(jīng)知道某液體組分在某溫度下的飽和蒸汽壓，就可以利用拉烏爾定律計算出該液體與另一液體構(gòu)成不同濃度混合液的氣相分壓。蒸餾操作系基于混合液中各組分在相同的溫度條件下具有不同的揮發(fā)度，當(dāng)加熱至沸騰以后，將生成的蒸汽引出進行冷凝，其冷凝液組成與原來的混合液不同，其中易揮發(fā)組分的含量較前增加。粗甲醇精餾就是根據(jù)粗甲醇中各種組分的沸點和相對揮發(fā)度的不同，在精餾塔內(nèi)的熱質(zhì)傳遞元件上，通過建立物料、熱量和汽液相平衡，在汽液相之間連續(xù)不斷地實現(xiàn)熱質(zhì)的傳遞：在液相由上向下流動的過程中，由于塔內(nèi)溫度由上到下連續(xù)升高，沸點低、易揮發(fā)的輕組分相對地從液相向氣相中擴散傳遞，而氣相在由下向上流動的過程中，由于溫度連續(xù)降低，沸點高、揮發(fā)度較低的重組分則相對地向液相中凝集傳遞，同時熱量從氣相向液相傳遞。 影響因素 [7]保持精餾裝置的物料平衡是精餾塔穩(wěn)態(tài)操作的必要條件。而 和 決定于氣液平衡關(guān)DxW系（ ） 、 、q、R 和理論板數(shù) （適宜的進料位置） ，因此 D 和 W 或采?FxTN出率 與 只能根據(jù) 和 確定，而不能任意增減，否則進、出塔的兩DxW個組分的量不平衡，必然導(dǎo)致塔內(nèi)組成變化，操作波動，使操作不能達到預(yù)期的分離要求。例如當(dāng)回流比增大時，精餾段操作線斜率 變VL大，該段內(nèi)傳質(zhì)推動力增加，因此在一定的精餾段板數(shù)下餾出液組成變大。VL此在一定的提餾段理論板數(shù)下，釜殘液組成變小。DxW回流比增加，使塔內(nèi)上升蒸汽量及下降液體量均增加，若塔內(nèi)氣液負荷超過允許值，則應(yīng)減小原料液流量。中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 15 頁應(yīng)指出，在采出率 一定的條件下，若以增大 R 來提高 ，則有以下FDDx限制：①受精餾塔理論板數(shù)的限制，因為對一定的板數(shù)，即使 R 增到無窮大（全回流） ， 有一最大極限值；Dx②受全塔物料平衡的限制，其極限值為 DFx? 在實際生產(chǎn)中，加入精餾塔中的原料液可能有五種熱狀況：①溫度低于泡點的冷液體；②泡點下的飽和液體；③溫度介于泡點和露點之間的氣液混合物；④露點下的飽和蒸汽；⑤溫度高于露點的過熱蒸汽。當(dāng)進料狀況（ 和 q）發(fā)生變化時，應(yīng)適應(yīng)改變進料位置。如進料狀況改變而進料位置不變，必然引起餾出液和釜殘液組成的變化。 精餾塔的產(chǎn)品質(zhì)量控制和調(diào)節(jié) [7]精餾塔的產(chǎn)品質(zhì)量通常是指餾出液及釜殘液的組成達到規(guī)定值。在一定的壓強下，混合物的泡點和露點都取決于混合物的組成，因此可以用容易測量的溫度來預(yù)示塔內(nèi)組成的變化。但對高純度分離時，在塔頂（或塔底）相當(dāng)一段高度內(nèi)，溫度變化極小。可見對高純度分離時，一般不能用測量塔頂溫度來控制塔頂組成。因此生產(chǎn)上常用測量和控制靈敏板的溫度來保證產(chǎn)品的質(zhì)量。常溫常壓下，純甲醇是無色透明的、易流動、易揮發(fā)的可燃液體，具有與乙醇相似的氣味。表 13 甲醇的一般性質(zhì)性 質(zhì) 數(shù) 據(jù)密 度 (0℃)相對密度 沸 點 ～℃熔 點 ―℃閃 點 16℃(開口容器)，12℃（閉口容器）自 燃 點 473℃（空氣中） ，461℃（氧氣中）臨界溫度 240℃臨界壓力 105Pa()臨界體積 蒸 汽 壓 104Pa()(20℃ )熱 容 ～(g℃）(25℃氣體)粘 度 Pa它易于吸收水蒸汽、二氧化碳和某些其他物質(zhì)，因此，只有用特殊的方法才能制的完全無水的甲醇。 甲醇的沸點和蒸汽壓甲醇的沸點隨壓力變化如表 15 所示。1. 密度甲醇水溶液的密度，隨著溫度的降低而增加；在相同的溫度下，幾乎是隨著甲醇濃度的增加而均衡的減小，如表 16 所示。在任何情況下，混合物的粘度都比純甲醇的粘度大，見表 17 所示。預(yù)精餾塔 C15501 頂部出來的氣相，首先進入預(yù)精餾塔一級冷凝器 E15506 的殼程，物料被管程的循環(huán)冷卻水冷卻到 ℃,冷卻下來的液體進入預(yù)精餾塔回流槽 T15501 中；從預(yù)精餾塔一級冷凝器 E15506 出來的氣體進入預(yù)精餾塔二級冷凝器 E15515 的殼程，物料被管程的循環(huán)冷卻水冷卻到 40℃左右,冷凝下來的液體進入萃取槽 T15508 中，經(jīng)工藝水萃取后，甲醇水溶液進入預(yù)精餾塔回流槽 T15501 中，萃取出來的物料去雜醇油罐；二級冷凝器中出來的帶有甲醇的不凝氣，進排放槽 T15506 中，用水洗滌其中的甲醇后，不凝氣去放空總管。預(yù)精餾塔塔釜的預(yù)后甲醇經(jīng)液位控制后去加壓精餾塔進一步精餾。為了防止粗甲醇中的酸性物質(zhì)對管道和設(shè)備造成腐蝕，向粗甲醇中加入少量 5%左右的 NaOH 溶液，將粗甲醇的 PH 值控制在 ~8 左右。出加壓精餾塔釜液去常壓精餾塔繼續(xù)精餾。 常壓精餾系統(tǒng)加壓精餾塔釜液與加壓精餾塔的進料液在 E15513 中進行換熱后，進入常壓精餾塔 C15503 的下部，塔頂出來的甲醇蒸汽進入常壓精餾塔回流冷凝器 E15508 的殼程，被管程的循環(huán)冷卻水冷凝冷卻后，進常壓精餾塔回流槽 T15503 中，回流槽出來的液體經(jīng)常壓精餾塔回流泵加壓后，一部分進常壓精餾塔頂作回流液用，其余作精甲醇去中間罐區(qū)。 回收精餾系統(tǒng)常壓精餾塔底出來的廢水，含有 2%左右的甲醇，經(jīng)回收精餾塔進料泵加壓后，進入回收精餾塔 C15504，塔頂出來的氣相，進回收精餾塔冷凝器E15509 的殼程，被管程的循環(huán)冷卻水冷卻到 45℃ 左右，進入回流槽 T15504，回流槽出來的液體經(jīng)回收精餾塔回流泵加壓后，部分進回收精餾塔頂部作回流液，其余去中間罐區(qū)的雜醇油儲罐。蒸汽冷凝液去 E15501。 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 21 頁 計算參數(shù)表 21 加壓下甲醇水平衡數(shù)據(jù)表溫 度 t 液相中甲醇 氣相中甲醇 溫 度 t 液相中甲醇 氣相中甲醇℃ 的摩爾分數(shù) 的摩爾分數(shù) ℃ 的摩爾分數(shù) 的摩爾分數(shù) 134 129 135 140 145 130 148 150 155 158 131 160 165 168 132 170 172 133 表 22 甲醇的汽化熱溫度，℃ 汽化熱， kJ/kg 溫度，℃ 汽化熱，kJ/kg 溫度，℃ 汽化熱，kJ/kg0 80 160 20 100 180 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 22 頁40 120 200 60 140 220 表 23 常壓下甲醇水平衡數(shù)據(jù)表溫 度 t 液相中甲醇 氣相中甲醇 溫 度 t 液相中甲醇 氣相中甲醇℃ 的摩爾分數(shù) 的摩爾分數(shù) ℃ 的摩爾分數(shù) 的摩爾分數(shù)100 預(yù)精餾塔工藝計算 物料衡算預(yù)精餾塔的目的是首先對從合成塔過來的粗甲醇進行初步精餾，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)塔的進料，通過后面的加壓塔、常壓塔和回收塔對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)取輕餾分的量進行計算。摩爾分率單位：%，由于輕餾分的平均分子沒法確定，因此通過對其它組分的摩爾分率計算推出輕餾分的摩爾分率。 全塔高度和塔徑的確定 [5]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 。對于填料塔而言，塔頂空間即為第一層填料上線到塔頂切線的距離。本設(shè)計取塔頂空間為 。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 +=。對于填料塔而言，塔底空間是指最后一層填料底線到塔底切線的距離。裙式支座是由座圈、基礎(chǔ)環(huán)和地腳螺栓座組成。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，地腳螺栓正是通過地腳螺栓座將裙座牢牢地固定在基礎(chǔ)上。 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。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=++++= 根據(jù)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)選取塔徑為 2800mm。摩爾分率單位：%tW進料的摩爾流量 =?甲醇的摩爾分率 =（（87）/32）/= D=根據(jù)物料衡算方程 D?? Fxx???計算出 = + =?進料溫度 （1000kPa） ℃，取泡點進料 q=1Ft ?Ft塔頂溫度為 ℃?D在 ℃溫度下，根據(jù)安托因公式計算出甲醇和水的飽和蒸汽壓，注：Ft水的安托因常數(shù)為 A=，B=，C= [4]。代入數(shù)據(jù)得，水的飽和蒸汽壓 =。中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 26 頁代入數(shù)據(jù)得，甲醇的飽和蒸汽壓 = kpa.?AP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由于進料為泡點進料 q=1，所以畫 q 線與平衡線交點，用交點坐標 x,y 求最小回流比圖 22 作圖法求最小回流比 ??BAP?中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 27 頁 ????操作回流比可取為最小回流比的 ～ 倍，所以取=所以，回流比確定為 ?R=??DRL+1=?Fq39。表 24物料衡算表物料 流量（kmol/h） 組成 物料 物流（kmol/h）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 進料 F 甲醇 水 塔頂產(chǎn)品 D 甲醇 水 塔底殘液 W 甲醇 水 液體量 L’ 熱量衡算 [3]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。由于飽和水蒸汽冷凝時的傳熱膜系數(shù)很高，可以通過改變蒸汽的壓力準確地控制加熱溫度。缺點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。中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 28 頁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。 本設(shè)計建廠地區(qū)為永城。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)， =℃， =℃DtWt注：下標 1 為甲醇，下標 2 為水。因釜殘液幾乎為水，故其焓可按純水進行計算，即=?3