年产15万吨甲醇工艺设计

年产15万吨甲醇工艺设计WithanAnnualProductionCapacityof150ThousandTonsofMethanolProcessDesign年产15万吨甲醇工艺设计摘要：甲醇是一种极重要的有机化工原料，也是一种燃料，是碳一化学的根底产品，在国民经济中占有十分重要的地位。近年来，随着甲醇下属产品的开发，特别是甲醇燃料的推广应用[1]，甲醇的需求大幅度上升。为了满足经济开展对甲醇的需求，开展了此15万t/a的甲醇工程。设计的主要内容是进行物料衡算、热量衡算和主要设备的计算。本设计采用低压下利用Lurgi工艺合成甲醇;三塔精馏工艺精制甲醇，并对常压精馏塔进行工艺设计，设计出塔径为1600mm、填料层高度为17800mm、塔高为25640mm的填料精馏塔;此外严格控制三废的排放，充分利用废热，降低能耗，保证人员平安与卫生。关键词:工艺流程；甲醇合成；气体精馏WithanAnnualProductionCapacityof150ThousandTonsofMethanolProcessDesignAbstract:Methanolisakindofveryimportantorganicrawmaterials,alsoakindoffuelandthebasisofchemicalsproducts.Methanoloccupiesanimportantpositioninnationaleconomy.Withthedevelopmentofmethanolaffiliateproducts,especiallytheapplicationofmethanolfuel[1],thedemandofmethanolisrisingsparkly.Inordertomeettheneedofeconomicdevelopmentofmethanol,wecarryouttheprojectof150thousandt/amethanol.Themaincontentofdesignarematerialbalance,energybalanceandthedesignofmainequipment.TheLurgritechniqueisusedforsynthesizingmethanol;Methanolisrefinedbythreetowersdistillationprocess,andthisprocesschoosetodesigntheatmosphericdistillationtower,whichpackingcolumnheightis17800mm,thediameteroftoweris1600mm,thetotalheightis25640mm;Inadditiontostrictlycontrolthe“threewaters〞emissions,thisprocessmakefulluseofwaterheat,reducetheenergyconsumptionandsafeguardpersonnelsafetyandhygiene.Keyword:technologicalprocess;methanolsynthesis;themethanoldistillation引言甲醇是当代中国煤制化学品中最具代表性的产品，产能大、使用范围广、后续产品多、大规模生产技术成熟，无疑是煤化工产业最重要的产品。随着经济开展，燃料的需求量急速增加，导致石油匮乏，而甲醇作为一种新型燃料，进入人们的生活，迅速得到人们的关注，所以甲醇的生产对国民经济具有重大的意义。本次设计主要对甲醇的物性、用途及国内外生产消费现状进行分析，对其现有各种生产工艺做简要介绍及比对，重点探究Lurgi工艺〔管壳式甲醇合成工艺〕，对甲醇的生产、别离及提纯阶段精馏塔进行详细设计，分析全塔正常操作时的工作原理、影响因素、操作条件等最正确操作点，并根据物性及操作条件等综合因素对塔进行选型、设计，通过物料衡算、热量衡算做出我认为年产15万吨甲醇最理想的设计方案。第一章总论1.1概述1.1.1甲醇的性质甲醇俗称木醇、木精，英文名为methanol，分子式CH3OH。是一种无色、透明、易燃、有毒、易挥发的液体，略带酒精味;分子量32.04，相对密度0.7914(d420)，蒸气相对密度1.11(空气=1)，熔点-97.8℃，沸点64.7℃，闪点〔开杯〕16℃，自燃点473℃，折射率(20℃)1。3287，外表张力〔25℃〕45.05mN/m，蒸气压〔20℃〕12。265kPa，粘度〔20℃〕0.5945mPa•s。能与水、乙醇、乙醚、苯、酮类和大多数其他有机溶剂混溶。蒸气与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限6.0％～36.5﹪〔体积比〕。化学性质较活泼，能发生氧化、酯化、羰基化等化学反响。1.1.2甲醇用途甲醇是重要有机化工原料和优质燃料，广泛应用于精细化工，塑料，医药，林产品加工等领域。甲醇主要用于生产甲醛，消耗量要占到甲醇总产量的一半，甲醛那么是生产各种合成树脂不可少的原料。用甲醇作甲基化试剂可生产丙烯酸甲酯、对苯二甲酸二甲酯、甲胺、甲基苯胺、甲烷氯化物等;甲醇羰基化可生产醋酸、醋酐、甲酸甲酯等重要有机合成中间体，它们是制造各种染料、药品、农药、炸药、香料、喷漆的原料，目前用甲醇合成乙二醇、乙醛、乙醇也日益受到重视。甲醇也是一种重要的有机溶剂，其溶解性能优于乙醇，可用于调制油漆。作为一种良好的萃取剂，甲醇在分析化学中可用于一些物质的别离。甲醇还是一种很有前景的清洁能源，甲醇燃料以其平安、廉价、燃烧充分，利用率高、环保的众多优点，替代汽油已经成为车用燃料的开展方向之一;另外燃料级甲醇用于供热和发电，也可到达环保要求。甲醇还可经生物发酵生成甲醇蛋白，富含维生素和蛋白质，具有营养价值高而本钱低的优点，用作饲料添加剂，有着广阔的应用前景。1.1.3甲醇生产工艺的开展甲醇是醇类中最简单的一元醇。1661年英国化学家R。波义耳首先在木材干馏后的液体产物中发现甲醇，故甲醇俗称木精、木醇。在自然界只有某些树叶或果实中含有少量的游离态甲醇，绝大多数以酯或醚的形式存在。1857年法国的M·贝特洛在实验室用一氯甲烷在碱性溶液中水解也制得了甲醇。1923年德国BASF公司首先用合成气在高压下实现了甲醇的工业化生产，直到1965年，这种高压法工艺是合成甲醇的唯一方法。1966年英国ICI公司开发了低压法工艺，接着又开发了中压法工艺。1971年德国的Lurgi公司相继开发了适用于天然气－渣油为原料的低压法工艺。由于低压法比高压法在能耗、装置建设和单系列反响器生产能力方面具有明显的优越性，所以从70年代中期起，国外新建装置大多采用低压法工艺。世界上典型的甲醇合成工艺主要有ICI工艺、Lurgi工艺和三菱瓦斯化学公司(MCC)工艺。目前，国外的液相甲醇合成新工艺具有投资省、热效率高、生产本钱低的显著优点，尤其是LPMEOHTM工艺，采用浆态反响器，特别适用于用现代气流床煤气化炉生产的低H2／(CO＋CO2)比的原料气，在价格上能够与天然气原料竞争[2]。我国的甲醇生产始于1957年，50年代在吉林、兰州和太原等地建成了以煤或焦炭为原料来生产甲醇的装置[3]。60年代建成了一批中小型装置，并在合成氨工业的根底上开发了联产法生产甲醇的工艺。70年代四川维尼纶厂引进了一套以乙炔尾气为原料的95kt/a低压法装置，采用英国ICI技术[4]。1995年12月，由化工部第八设计院和上海化工设计院联合设计的200kt/a甲醇生产装置在上海太平洋化工公司顺利投产，标志着我国甲醇生产技术向大型化和国产化迈出了新的一步[5]。2000年，杭州林达公司开发了拥有完全自主知识产权的JW低压均温甲醇合成塔技术，打破长期来被ICI、Lurgi等国外少数公司所垄断拥的局面，并在2004年获得国家技术创造二等奖[6]。2005年，该技术成功应用于国内首家焦炉气制甲醇装置上。1.2设计的依据本设计选用的课题：“年产15万吨甲醇生产工艺设计〞。依据任务书规定的设计内容，进行生产方案、工艺流程设计、工艺计算和设备设计等。本设计遵循：“符合国情、技术先进、经济环保〞的原那么，在综合分析诸多甲醇生产方法的根底上，采用“以煤、煤焦为原料，经脱硫二段转化-合成气，在管壳式合成塔合成甲醇〞的技术路线，精甲醇的生产采用“三塔精馏工艺〞。此外，即严格控制“三废〞的排放、空气中甲醇的含量以及保证生产平安、环境卫生等方面参照国内外先进经验和方法。第二章生产方案与工艺流程设计2.1生产方案确定煤、煤焦经气化制得煤气，煤气经热交换回收热进入变换，变换反响后，进行脱硫脱碳，脱除对合成甲醇工艺流程不利的气体，然后经过压缩、加热使原料气体满足合成甲醇需要的条件后送入合成塔，由于合成甲醇工艺单程转化率较低，未反响气体需要循环压缩机压缩，再次进入合成塔中合成甲醇。合成的粗甲醇经过三塔精馏，可得到合格的精甲醇产品。2.2工艺流程设计与论证经综合分析甲醇生产的各种生产路线，本设计选用：以煤、煤焦为原料，经脱硫二段转化-合成气，在管壳式合成塔中合成甲醇，精甲醇的生产采用“三塔精馏工艺〞的技术路线。2.2.1工艺流程图煤气脱硫→合成气压缩→甲醇合成→甲醇精馏图2.1煤、煤焦制甲醇的简单工艺流程工艺流程简述：首先是采用凯洛格法气化工艺将煤气转化为合成气[7];原料煤气先用ZnO脱硫，再通过二段转化炉变为合成气;其次就是甲醇的合成，将合成气加压到5.14Mpa，升温到225℃后输入管壳式反响器中，在铜基催化剂的作用下合成甲醇，再就是甲醇的精馏，本工艺采用三塔精馏工艺将粗甲醇精制得到精甲醇。2.2.2甲醇合成工艺流程简述现在国内大多数采用Lurgi工艺采用管壳式合成塔，管内填装催化剂，管间为2.5~4.0Mpa的沸腾水，反响气体走管内，反响热经管壁传递给管间的沸水，产生蒸汽。管中心的温度与沸水温度相差不大与10度，反响压力为5~10Mpa，催化剂使用德国南方公司的铜基催化剂，粗甲醇的回收那么是通过冷凝的方式来完成，如图二所示。甲醇合成气经压缩机升至5.2Mpa，与循环气以1:5的比例混合经热交换器加热至220~230℃，含甲醇7%左右、温度约250℃的出塔气，经换热冷却85℃，再经水冷却，进别离塔别离，得到的粗甲醇进入甲醇储罐;未反响的气体循环使用，以提高转化率。在实际生产中为了是合成回路中的惰性气体含量维持在一定范围内，再进循环机前驰放一股未反响的气体作为燃料，绝大局部气体进入压缩机与新鲜的合成气混合返回合成塔循环使用。图2.2lurgi工艺流程图1.压缩机2.换热器3.锅炉水预热器4.水冷却器5.合成塔6.汽包7.甲醇别离器8.粗甲醇储槽Lurgi工艺主要优点如下：反响器内催化剂床层温度分布均匀，大局部床层的温度在250~255℃之间;由于传热面与床层体积比大，传热迅速，床层同平面温度小，有利于延长催化剂寿命，并允许原料气中含较高的CO;催化剂床层的温度可以通过调节汽包蒸汽压力进行控制，效果精确、灵敏;可以回收高位热能，能量合理利用;反响器出口甲醇含量高;设备紧凑，开停车方便;反响的副反响少，粗甲醇中杂质少。铜基催化剂的主要特征铜基催化剂是一种低温低压甲醇合成催化剂[8]，其主要成分为CuO/ZnO/Al2O3，低中压法操作温度为210~300度，压力为5Mpa~10Mpa，比传统的合成工艺温度低得多，对甲醇平衡有利。其特点是：〔1〕活性好，单程转化率为7%~8%;〔2〕选择性好，大于99%，之杂质只有微量的甲烷、二甲醚、甲酸甲酯，易于得到高纯度的精甲醇;〔3〕耐高温型差、对硫敏感。2.2.3甲醇精馏工艺流程简述[9]来自甲醇合成装置的粗甲醇〔74℃，0.4MPa〕，通过预塔进料泵，进入预精馏塔，预塔再沸器用0.4MPa的低压蒸汽加热，低沸点的杂质如二甲醚等从塔顶排出，冷却别离出水后作为燃料;回收的甲醇液通过预塔回流泵作为该塔回流液。预精馏塔底部粗甲醇液经加压塔进料泵进入加压精馏塔，加压塔再沸器以1.3MPa低压蒸汽作为热源，加压塔塔顶馏出甲醇气体〔0.6MPa，122℃〕经常压塔再沸器后，甲醇气被冷凝，精甲醇回到加压塔回流槽，一局部精甲醇经加压塔回流泵，回到加压精馏塔作为回流液，另一局部经加压塔甲醇冷却器冷却后进入精甲醇计量槽中。加压精馏塔塔底釜液〔0.6MPa，125℃〕进入常压精馏塔[10]，进一步精馏。常压塔再沸器以加压精馏塔塔顶出来的甲醇气作为热源。常压精馏塔顶部排出精甲醇气〔0.13MPa，67℃〕，经常压塔冷凝冷却器冷凝冷却后一局部回流到常压精馏塔，另一局部打到精甲醇计量槽内贮存。产品精甲醇由精甲醇泵从精甲醇计量槽送至精甲醇贮罐装置。图2.3三塔精馏工艺流程1预精馏塔2加压精馏塔3常压精馏塔工艺说明：〔1〕为防止粗甲醇中含有的甲酸、二氧化碳等腐蚀设备，在预塔进料泵后甲醇溶液中配入适量的烧碱溶液，用来调节粗甲醇溶液的PH值[11]。〔2〕甲醇精馏系统各塔排出的不凝气进入燃料气系统。〔3〕由常压精馏塔底部排出的精馏残液经废水冷却器冷却至40℃后，由废水泵送到生化处理装置。〔4〕由甲醇精馏来的精甲醇贮存到精甲醇贮槽中。精甲醇贮槽为两台30000m3的固定贮罐，贮存量按15天产量计[12]。第三章物料衡算3.1合成工段物料衡算：年产150000吨精甲醇，每年以300个工作日计。精甲醇中甲醇含量(wt)：99.95%粗甲醇组成(wt)：[Lurgi低压合成工艺]甲醇：93.89%轻组分[以二甲醚(CH3)2O计]：0.188%重组分[以异丁醇C4H9OH计]：0.026%水：5.896%所以：时产精甲醇：=20833.34kg/h时产粗甲醇：kg/h根据粗甲醇组分，算得各组分的生成量为：甲醇(32)：20833.34kg/h651.04kmol/h13915.83Nm3/h二甲醚(46)：41.69kg/h0.906kmol/h20.30Nm3/h异丁醇(74)：5.77kg/h0.078kmol/h1.75Nm3/h水(18)：1307.61kg/h72.65kmol/h1573.26Nm3/h合成甲醇的化学反响为：主反响：CO+2H2CH3OH+102.37KJ/mol〔3-1〕副反响：2CO+4H2(CH3)2O+H2O+200.39KJ/mol〔3-2〕CO+3H2CH4+H2O+115.69KJ/mol〔3-3〕4CO+8H2C4H9OH+3H2O+49.62KJ/mol〔3-4〕CO2+H2CO+H2O-42.92KJ/mol〔3-5〕生产中，测得每生产1吨粗甲醇生成甲烷7.56Nm3，即0.34kmol，故CH4每小时生成量为：7.5622.177995=167.66564Nm3，即7.485kmol/h，119.76Kg/h。3-4.987=64.025kmol/h，即在CO逆变换中生成的H2O为64.025kmol/h，即1434.16Nm3/h[13]。5.06MPa，40℃时各组分在甲醇中的溶解度列表于表3.1。表3.15.06Mpa，40℃时气体在甲醇中的溶解度组分H2COCO2N2ArCH4溶解度Nm3/t00.6823.4160.3410.3580.682Nm3/h01.5147.5840.7570.7941.514据测定：35℃时液态甲醇中释放CO、CO2、H2等混合气中每立方米含37.14g甲醇，假定溶解气全部释放，那么甲醇扩散损失为：(1.514+7.584+0.757+0.794+1.514)=0.452kg/h即0.014kmol/h，0.316Nm3/h。根据以上计算，那么粗甲醇生产消耗量及生产量及组成列表3.2、3.3。表3.2甲醇生产消耗物量及组成消耗方式单位消耗物料量COH2CO2N2〔3-1〕式651.04〔3-2〕式〔3-3〕式〔3-4〕式〔3-5〕式气体溶解扩散损失合计消耗组成表3.3甲醇生产物量及组成消耗方式单位生成物料量合计CH4CH3OHC4H9OH(CH3)2OH2O消耗生成〔3-1〕式〔3-2〕式(3-3)式(3-4)式0.078(3-5)式气体溶解扩散损失合计生成质量生成组分设新鲜气量为G新鲜气，驰放气为新鲜气的9%[14]。表3.4驰放气组成组分H2COCO2CH4N2ArCH3OHH2OMol%79.316.293.504.793.192.300.610.01G新鲜气＝G消耗气+G驰放气=G消耗气+0.09G新鲜气=43995.04+0.09(3-1)所以：G新鲜气＝48346.20Nm3/h新鲜气组成见表3.5。表3.5甲醇合成新鲜气组成组分H2COCO2N2总计Nm332807.7313947.881585.764.8348346.20组成mol%67.8628.853.280.01100测得：甲醇合成塔出塔气中含甲醇7.12%.根椐表3.2、3.3和表3.5，设出塔气量为G出塔。又知醇后气中含醇0.61%。所以：=7.12%(3-2)G醇后=G新鲜-(G醇＋G副＋G扩)+GCH4=48346.20-43995.043+169.178〔3-3〕=4520.34Nm3/h所以：G出塔＝195829.83Nm3/hG循环气=G出塔-G醇后-G生成+GCH4-G溶解=175735.43Nm3/h(3-4)甲醇生产循环气量及组成见表3.6。表3.6甲醇生产循环气量及组成组分COCO2H2N2CH4ArCH3OHH2O合计流量11053.766150.74139375.75605.968417.734041.911071.9917.57175735.43组成6.293.5079.313.194.792.300.610.01100单位：Nm3/h组成：%G入塔=G循环气+G新鲜气=17573.43+48346.20=224081.63Nm3/h(3-5)由表3.5及表3.6得到表3.7。表3.7甲醇生产入塔气流量及组成组分COCO2H2N2CH4ArCH3OHH2O合计流量：25001.647736.5172183.55610.798417.734041.911071.9917.93224081.63组成%11.1573.45376.842.5043.7571.8040.4790.005100单位：Nm3/h又由G出塔=G循环气-G消耗＋G生成〔3-6〕据表3.3、3.7、得甲醇出塔流量及组成表3.8。表3.8甲醇出塔流量及组成组分合计出塔12396.166230.18142266.575614.738596.14046.9114988.861645.291.74720.29195808.99组成6.3313.18272.6662.8674.392.0677.6550.0840.00010.01100甲醇驰放气流量及组成见表3.9。表3.9甲醇驰放气流量及组成组成COCO2H2CH4ArCH3OHH2ON2合计流量273.688152.2913450.903208.420100.077126.977微138.8014351.158组成6.493.6181.924.953.300.633.19100单位：Nm3/h组成：%粗甲醇贮罐气流量及组成风表3.10。表3.10贮罐气组成、流量组成COCO2H2CH4ArCH3OHN2合计流量1.5147.58401.5140.7940.3160.75712.479组成12.13260.774012.1326.3632.5326.066100单位：Nm3/h组成：%由表3.3到表3.10可得表3-11。组成新鲜气循环气入塔气出塔气醇后气流量组成流量组成流量组成流量组成流量组成Nm3(v)%Nm3(v)%Nm3(v)%Nm3(v)%Nm3(v)%CO13947.8828.8511053.766.2925001.6411.15712396.166.3311249.1427.70CO21585.763.286150.763.507736.53.4536230.183.182143.3843.18H232807.7367.86139375.7779.31172183.576.84142266.5772.6562943.7665.28N24.830.00015605.963.195610.792.5045614.732.8674.0730.09Ar4046．912.304041.911.8044046.912.067CH48417．734.798417.733.7578596.14.390169.1783.75CH3OH1071.990.611071.990.47914988.867.655C4H9OH0.011.7470.001(CH3)2O20.290.01H2O17.5717.930.0051645.290.084微量合计48346.20100175735.43100224081.63100195808.991004509.53100表3.11甲醇生产物料平衡汇总表根椐计算结果，可画出甲醇生产物流图，如甲醇合成塔别离器甲醇合成塔别离器贮罐冷凝4.入塔气5.驰放气6．醇后气7.粗甲醇图3.1甲醇生产物流图3.2甲醇精馏的物料衡算3.2.1预塔的物料衡算(1)进料A.粗甲醇：22782.21kg/h以上计算列表3.12。表3.12粗甲醇的进料组分和组成组分甲醇二甲醚异丁醇水合计流量：kg/h21412.6641.675.771233.1122782.21组成：(wt)%93.980.1830.02535.803100B.碱液：据资料，碱液浓度为8%时，每吨粗甲醇消耗0.1kg的NaOH.那么消耗纯NaOH：0.122.78221=2.278kg/h换成8%为：=28.475kg/hC.软水据资料记载，软水参加量为精甲醇的20%计，那么需补加软水：21412.6620%-28.475〔1-8%〕=4256.335kg/h据以上计算列表3.13。表3.13预塔进料及组成物料量：kg/hCH3OHH2ONaOH(CH3)2OC4H9OH合计粗甲醇22412.661322.1141.675.7722782.21碱液26.1972.27828.475软水4256.3354256.335合计22412.665604.6422.27841.675.7727067.02(2)出料A.塔底：甲醇：22412.66kg/hB.塔底水：粗甲醇含水：1322.1kg/h碱液带水：26.194kg/h补加软水：4256.335kg/h合计：5604.642kg/hC.塔底异丁醇及高沸物：5.77kg/hD.塔顶二甲醚及低沸物：41.67kg/h由以上计算列表3.14。表3.14预塔出料流量及组成物料量CH3OHH2ONaOH(CH3)2OC4H9OH合计塔顶41.6741.67塔底21412.665604.6422.2785.7727025.35合计21412.665604.6422.27841.675.7727067.02单位：kg/h3.2.2主塔的物料平衡计算加压塔和常压塔的采出量之比为2:1，常压塔釜液含甲醇1%。(1)进料加压塔：预后粗甲醇：27067.02kg/h2/3=12750.24kg/h(2)出料A.加压塔：塔顶：21412.662/3=14275.11kg/h塔釜：12750.24kg/hB.常压塔：塔顶：21412.661/399%=7066.18kg/h塔釜：〔12750.24-7066.18〕1%+5604.642+2.278+5.77=5684.06kg/h总出料：由以上计算.得表3.15甲醇精馏塔物料平衡汇总表：单位：kg/h表3.15甲醇精馏塔物料平衡汇总物料物料加压塔顶出料常压塔顶出料常压塔釜出料合计甲醇21412.6614275.117066.1871.3721412.66NaOH2.2782.2782.278水5604.6425604.6425604.642高沸物5.775.775.77合计27025.3514275.117066.185684.0627025.35单位：kg/h根椐计算结果可画出粗甲精馏物流图，见图预精馏塔加压精馏塔预精馏塔加压精馏塔常压精馏塔4.预塔顶出料6.加压塔顶出料7.常压塔顶出料1．粗甲醇2．软水3．碱液5.预塔底出料8.常压塔釜出料图3.2粗甲醇精馏物料流程图第四章甲醇生产的能量平衡计算4.1合成塔能量计算∑Q=∑〔G×Cm×Tm〕〔4-1〕G——各组分流量，m3/h;Cm——各组分的比热容，kJ/〔m3.k〕;Tm——气体温度，k;：合成塔入塔气为220℃，出塔气为250℃，热损失以5%计，壳层走4MPa的沸水.查《化工工艺设计手册》得，4MPa下水的气化潜热为409.7kmol/kg，即1715.00kJ/kg，密度799.0kg/m3，水蒸气密度为19.18kg/m3，温度为250℃.入塔气热容见4.1.表4.15MPa，220℃下入塔气除(CH3OH)热容组分COCO2H2N2ArCH4合计流量25001.647730.5172183.55610.794041.918417.73222986.07比热30.1545.9529.3430.3521.4147.0530.64比例%11.213.4777.222.521.813.77100比热：kJ/〔kmol℃〕流量：Nm3查得220℃时甲醇的焓值为42248.46kJ/kmol，流量为1071.99Nm3.所以：Q入=42248.46+222986.0730.64=2021871.73+6832293.19=8854164.92kJ出塔气热容除(CH3OH)见表4-2.表4.25MPa，250℃下出塔气除(CH3OH)热容组分COCO2H2N2ArCH4C4H9OH(CH3)2OH2O合计流量12396.166230.18142266.575614.734046.918596.11.74720.291645.29180820.13比热30.1346.5829.3930.4121.3648.39170.9795.8583.4928.89比例%6.3313.18272.6562.8672.0674.390.00010.010.084100流量，比热查得250℃时甲醇的焓值为46883.2kJ/kmol，流量为14988.86Nm3.所以：Q出=46883.2+28.89180820.13=31371683.98+5223893.556=36595577.53kJQ反响=[102.37+200.39+115.69+49.62+(-42.92)]1000=61856469.16kJQ热损失=(Q入＋Q反响)5%=(8854164.92+61856469.16)5%(4-2)=3535531.7kJ所以：壳程热水带走热量Q传=Q入+Q反响-Q出-Q热(4-3)=8854164.92+61856469.16-3535531.7-36595577.53=30579524.84kJ又：Q传=G热水r热水(4-4)所以：G热水==17830.73kg/h即时产蒸气=929.65m34.2常压精馏塔能量衡算Xf==0.415(4-5)查《化工工艺设计手册》，甲醇露点温度t=66.81℃67℃操作条件：塔顶67℃，塔釜105℃，进料温度124℃，回流液温度40℃。4.2.1带入热量表4.3常压塔各组分入热量物料进料回流液加热蒸汽组分甲醇水+碱甲醇流量：kg/h7137.555606.92560692.4温度：℃12412440比热：kJ/kg℃2.684.262.68热量:kg/h2371950.622961477.195434225.28Q加热Q入=Q进料+Q回流液+Q加热=2371950.62+2961477.19+5434225.28+Q加热〔4-6〕=10767653.09+Q加热4.2.2带出热量表4.4常压塔物料带出热量物料精甲醇回流液残液热损失组分甲醇甲醇甲醇水+碱流量：kg/h7066.1850692.471.375604.64温度：℃6767105105比热：kJ/kg℃2.682.683.504.187潜热：kJ/kg1046.751046.75热量:kg/h7396523.9253062269.7026228.482463996.795%Q入所以：Q出＝7396523.92＋53062269.70＋26228.48＋2463996.79＋5%Q入=62949018.89+5%Q入因为：Q出＝Q入〔4-7〕所以：Q入=Q出=66262125.15kJ/hQ蒸汽=55494472.06kJ/h因水蒸气汽化热为26193.94kJ/kg，所以需蒸汽G3蒸汽==6737.97kg/h常压塔物流温度分布图如下：常压精馏塔常压精馏塔甲醇蒸汽67℃40℃水回流甲醇加压塔底液体40℃30℃水124℃甲醇蒸汽40℃115℃精甲醇冷凝液残液105℃甲醇115℃图4.1常压塔物流图4.3冷却水用量计算对热流体：Q入＝Q产品精甲醇+Q回流液=7396523.92+53062269.7=60458793.62kJ/h〔4-8〕Q出=Q精甲醇(液)+Q回流液(液)〔4-9〕=1420302.18+10189172.4=11609474.58kJ/hQ传=60458793.62(1-5%)-11609474.58=45826379.36kJ/h所以：冷却水用量G3水=t水/h所以：每吨精甲醇消耗G，3水==39.40t水/t精甲醇第五章主要设备的计算和选型5.1操作条件条件(1)精甲醇质量：精甲醇含醇：99.95%(wt)残液含醇：1%(wt)(2)操作条件：塔顶压力：0.01106Pa塔底压力：0.13106Pa塔顶温度：67℃塔底温度：105℃回流液温度：40℃进料温度：124℃5.2有关物理参数确实定5.2.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数甲醇的摩尔质量MA=32.04，水的摩尔质量MB=18.025.2.2原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量0.415×32.04＋0.585×18.0223.8380.999×32.04＋0.001×18.0232.030.006×32.04＋0.994×18.0218.105.2.3物料衡算原料液的处理量为总物料衡算：(5-1)甲醇物料衡算[15]：(5-2)联立方程〔1〕〔2〕解得：5.2.4物性参数数据的计算塔顶第一块板有关参数：气相流量：(5-3)液相流量：(5-4)计算得塔顶第一块板的气相组成为，液相组成为气相平均摩尔质量为液相平均摩尔质量为气相密度为(5-5)查资料得67℃时，水的密度为979.4，甲醇的密度为752.9那么液相密度为由(5-6)可计算出液体的黏度为同理，进料板〔第一块板〕的有关参数：气相流量(5-7)液相流量(5-8)查得进料状态甲醇溶液温度124℃，含甲醇，y=0.606密度为0.83t/m3.气相平均摩尔质量为液相平均摩尔质量为气相密度为：那么液相密度为：可计算出液体的黏度为5.3塔体高度确实定5.3.1平均挥发度查得124℃时，甲醇的饱和蒸汽压P*CH3OH=705.38Kpa水的饱和蒸汽压P*H2O=229.47Kpa105℃时，甲醇的饱和蒸汽压P*CH3OH=439.08Kpa水的饱和蒸汽压P*H2O=123.18Kpa67℃时，甲醇的饱和蒸汽压P*CH3OH=111.61Kpa水的饱和蒸汽压P*H2O=27.33Kpa又=(5-9)124℃时，124℃==3.074105℃时，105℃==3.56567℃时，4.084平均挥发度===3.310(5-10)5.3.2求最小理论塔板数Nm因为：=0.999，=0.006;=0.001=0.994;根椐芬斯克公式Nm==(5-11)=10.04块5.3.3求最小回流比表5.1各组分参数组分进料组成Xi，F釜液组成Xi，Di水0.5850.9943.565甲醇0.4150.0063.074根据气液平衡公式(5-11)=3.074，=0.705==1.029(5-12)操作回流比R=1.5Rm=1.51.029=1.49(5-13)那么==0.20(5-14)5.3.4求实际理论板数查吉利兰图得：=0.45那么：=0.45所以：N19.87块5.3.5进料板位置确实定==3.543=3.731=0.45，=8.425.3.6确定填料层高度有查找数据得，76散装金属环矩鞍填料时，HETP=0.65㎜，[16]那么，精馏段的填料高度为m(5-15)m(5-16)圆整精馏段填料层高度为10m。提馏段填料层高度为mm，圆整提馏段填料层高度为7.8m。依据散装填料分段高度推荐值，将精馏段分为两段，每段高度为5m，提溜段分为两段，每段3.9m。5.4塔径确实定5.4.1精馏段塔径的计算在本设计中采用泛点气速法计算适宜的空塔气速取泛点率，那么依据贝恩-霍根关联式计算调填料的泛点气速法(5-17)查表可知A=0.06225，K=1.75，g=9.81散装金属环矩鞍散装填料，假设其公称直径为76㎜，那么查表可知=57.6=97％液相质量流量为气相质量流量为代入上式得：求得：那么(5-18)由于故可采用76散装金属环矩鞍填料。5.4.2提馏段塔径的计算取泛点率，那么依据贝恩-霍根关联式计算调填料的泛点气速法查表可知A=0.06225，K=1.75g=9.81散装金属环矩鞍散装填料，假设其公称直径为76㎜，那么查表可知=57.6=97％液相质量流量为气相质量流量为代入上式得：求得：那么由于故可采用76散装金属环矩鞍填料。比拟精馏段与提馏段计算结果，两者根本相同.圆整塔径，取D=1600㎜。5.4.3塔径的校核那么校核精馏段有泛点率符合标准。同理校核提馏段泛点率符合标准。液体喷淋密度(5-19)精馏段液体喷淋密度(5-20)提馏段液体喷淋密度5.5填料层压降的计算对76金属散装环矩鞍填料压降的计算依据埃克托通用关联图来计算.先根据气液负荷有关物性数据求出横坐标对于精馏段：对于提馏段：根据空塔气速u及有关物性数据，求出纵坐标：76金属散装环矩鞍填料=3对于精馏段：代入式中得：对于提馏段：代入式中得：在埃克托通用关联图中查得：精馏段(5-21)那么提馏段那么那么填料层总压降为5.6筒体壁厚的计算内有1个大气压，内径mm，，选用Q235C钢板制造，，〔局部无损检测，单面焊接〕[17]。计算厚度mm(5-22)mm，mmmm(5-23)圆整量为3㎜，由于碳素钢制塔式容器厚度要不少于4㎜，所以取4㎜.校核水压强度：(5-24)(5-25)那么：可见，所以水压强度足够.5.7管径的计算5.7.1塔顶出气管径的计算饱和甲醇蒸汽出料u取30m/s，(5-26)(5-27)由GB8163-87查得选用=600mm16mm的无缝钢管。其内径d=600-2×16=568㎜，重新核算u=32.97m/s。5.7.2塔顶回流管径计算u取2m/smm由GB8163-87查得选用=65mm4mm的无缝钢管。其内径d=65-2×4=57㎜，重新核算u=1.5m/s。5.7.3进料管径计算u取2m/s，(5-28)由GB8163-87查得选用=65mm4mm的无缝钢管。其内径d=65-2×4=57㎜，重新核算u=1.66m/s。5.7.4塔釜出液管管径计算u取2m/smm由GB8163-87查得选用=40mm3.5mm的无缝钢管。其内径d=40-2×3.5=43㎜，重新核算u=1.13m/s。5.7.5塔釜回流蒸汽管径计算u取30m/s。由GB8163-87查得选用=480mm16mm的无缝钢管。其内径d=480-2×16=448㎜，重新核算u=29.83m/s封头。采用椭圆形封头，选用直边高度40mm，=2，故=400mm，厚度为4mm，封头高为400mm。5.8裙座以Q235-A钢为裙座材料的圆筒形裙座，壁厚为20mm，内径等于塔内径D=1600mm，高度为1320mm，裙座与简体的连接采用对焊校核强度。5.9塔高设计塔釜高取2620mm；塔顶高920mm；顶接管高为240mm；开4个人孔，安装人孔精馏段间距为600mm，提馏段间距为540mm；进料口距离为1200mm。塔高=25640mm。第六章三废处理6.1甲醇生产对环境的污染6.1.1废气〔1〕甲醇膨胀槽出来的膨胀气，其中含有较多的一氧化碳和有机毒物[18]。〔2〕精馏时预塔顶排放出的不凝气体。〔3〕其他如精馏塔顶还有少量含醇不凝性气体等。〔4〕锅炉排放烟气，烟气中含粉。〔5〕备煤系统中的煤的输送、破碎、筛分、枯燥等过程中产生的粉尘。6.1.2废水〔1〕甲醇别离器排放的油水，各输送泵填料的漏液。〔2〕甲醇生产中对水源污染最严重的是精馏塔底排放的残液。〔3〕气化工段气液别离出来的含煤水。6.1.3废渣废渣主要来自气化炉炉底排渣及锅炉排渣，气化炉二旋排灰6.2处理方法6.2.1废气处理甲醇精馏系统各塔排放的不凝性气体送去燃料气系统作燃料;甲醇膨胀槽排放的膨胀气也送去燃料气系统;气提塔排放的解析气送去气化系统火炬燃烧;脱硫工段的酸性气体去硫回收系统;锅炉烟道气经高效旋风别离除