1、中 國 礦 業(yè) 大 學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè) 計 姓 名： 學(xué) 號： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 設(shè)計題目： 45 萬萬 t/a 甲醇精餾工段工藝設(shè)計甲醇精餾工段工藝設(shè)計 指導(dǎo)教師： 職 稱： 教授教授 年 月 中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 學(xué)院 專業(yè)年級 學(xué)生姓名 任任務(wù)務(wù)下下達(dá)達(dá)日日期期： 畢業(yè)設(shè)計日期：畢業(yè)設(shè)計日期： 畢業(yè)設(shè)計題目畢業(yè)設(shè)計題目 45 萬 t/a 甲醇精餾工段工藝設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計主要內(nèi)容和要求：畢業(yè)設(shè)計主要內(nèi)容和要求： 1. 模擬在永城地區(qū)設(shè)計年產(chǎn) 45 萬噸甲醇精餾線，年開車時間 8000 小 時，工藝采用以煤制氣為原料合成粗甲醇，經(jīng)預(yù)精餾塔、加壓精餾塔和常 壓精餾塔分離后得到精甲醇的新節(jié)能

2、型三塔工藝流程開發(fā)的。 2計算條件： 原料氣組成 CH3OHH2OCH3CH2OH輕餾分雜醇 Wt%953.720.11.110.07 精甲醇收率：99.6% 廢水中甲醇含量：50ppm 3.設(shè)計要求： 編寫計算說明書，其中包括綜述，工藝路線選擇，物料衡算與工藝 計算，主要塔設(shè)備計算，熱量衡算等。 圖紙（78 張）：甲醇精餾帶控制點工藝流程圖，平面布置圖，工 段主要物料管道圖，精餾塔圖，1 到 2 個主要設(shè)備圖等 說明書可以電腦打字，圖紙均為 CAD 繪圖。 院長簽字： 指導(dǎo)教師簽字： 中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)教師評閱書 指導(dǎo)教師評語（基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；獨立解決實際問題的 能力；研究內(nèi)

3、容的理論依據(jù)和技術(shù)方法；取得的主要成果及創(chuàng)新點； 工作態(tài)度及工作量；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意 答辯等）： 成 績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計評閱教師評閱書 評閱教師評語（選題的意義；基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；綜合 運用所學(xué)知識解決實際問題的能力；工作量的大小；取得的主要成果 及創(chuàng)新點；寫作的規(guī)范程度；總體評價及建議成績；存在問題； 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)計評閱教師評閱書 評閱教師評語（選題的意義；基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；綜合 運用所學(xué)知識解決實際問題的能力；工作量的大小；取得的主要成果 及創(chuàng)新點；寫作

4、的規(guī)范程度；總體評價及建議成績；存在問題； 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。近年來，世界甲醇的生產(chǎn)能力發(fā)展速度較快。甲醇 工業(yè)的迅速發(fā)展，是由于甲醇是多種有機產(chǎn)品的基本原料和重要的溶劑， 廣泛用于有機合成、染

5、料、醫(yī)藥、涂料和國防等工業(yè)。由甲醇轉(zhuǎn)化為汽油 方法的研究成果，從而開辟了由煤轉(zhuǎn)換為汽車燃料的途徑。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。甲醇化工已成為化學(xué)工業(yè)中一個重要的領(lǐng)域。 本設(shè)計選擇了以 45 萬 t/a 甲醇精餾的產(chǎn)量作為生產(chǎn)計算與設(shè)計的任務(wù)， 參考了河南永城永煤集團龍宇煤化工甲醇廠甲醇精餾的工藝，本設(shè)計從工 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)備簡捷法計算、熱 量衡算、換熱器設(shè)計等工藝計算。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：甲醇，精餾，物料衡算，熱量衡算 目目 錄錄 1 總總

6、論論.1 1.1 概況.1 1.1.1 甲醇的用途.1 1.1.2 甲醇精餾工藝技術(shù)比較.1 1.1.3 甲醇精餾工藝的概況.5 1.2 精餾的目的和原理和精餾塔的操作和調(diào)節(jié).6 1.2.1 粗甲醇的組成與精制要求.6 1.2.2 工藝原理.7 1.2.3 影響因素.10 1.2.4 精餾塔的產(chǎn)品質(zhì)量控制和調(diào)節(jié).11 1.3 甲醇的主要技術(shù)規(guī)格.12 1.3.1 甲醇的一般性質(zhì).12 1.3.2 甲醇的沸點和蒸汽壓.13 1.3.3 甲醇-水系統(tǒng)的性質(zhì).13 1.4 甲醇精餾工藝流程說明.15 1.4.1 預(yù)精餾系統(tǒng).15 1.4.2 加壓精餾系統(tǒng).15 1.4.3 常壓精餾系統(tǒng).16 1.4

7、.4 回收精餾系統(tǒng).16 2.甲醇精餾生產(chǎn)工藝設(shè)計及計算甲醇精餾生產(chǎn)工藝設(shè)計及計算.17 2.1 計算參數(shù).17 2.2 預(yù)精餾塔工藝計算.18 2.2.1 物料衡算.18 2.2.2 全塔高度和塔徑的確定.19 2.3 加壓精餾塔工藝計算.20 2.3.1 物料衡算.20 2.3.2 熱量衡算.23 2.3.3 理論塔板數(shù)計算.25 2.3.4 精餾塔主要尺寸的設(shè)計計算.26 2.3.5 填料的選擇.31 2.3.6 塔徑設(shè)計的計算.32 2.3.7 填料層高度的計算.33 2.3.8 全塔高度的確定.34 2.4 常壓精餾塔工藝計算.37 2.4.1 物料衡算.37 2.4.2 熱量衡算.

8、39 2.4.3 理論塔板數(shù)計算.41 2.4.4 精餾塔主要尺寸的設(shè)計計算.43 2.4.5 填料的選擇.48 2.4.6 塔徑設(shè)計的計算.48 2.4.7 填料層高度的計算.49 2.4.8 全塔高度的確定.50 2.5 回收精餾塔工藝計算.53 2.5.1 物料衡算.53 2.5.2 熱量衡算.55 2.5.3 理論塔板數(shù)計算.58 2.5.4 精餾塔主要尺寸的設(shè)計計算.60 2.5.5 填料的選擇.64 2.5.6 塔徑設(shè)計的計算.65 2.5.7 填料層高度的計算.66 2.5.8 全塔高度的確定.67 2.5.9 筒體的厚度和封頭的厚度確定.69 2.6 粗甲醇預(yù)熱器.71 2.6

9、.1 計算定性溫度，確定物理常數(shù).71 2.6.2 求溫差修正系數(shù).72 2.6.3 計算所需的傳熱面積.72 2.6.4 分別計算管程和殼程的傳熱系數(shù).72 2.6.5 管壁溫度 W t.74 2.6.6 計算管、殼程的壓力降.75 2.7 泵的選型.77 2.7.1 泵的類型、系列和型號的確定.78 2.7.2 軸封型式的確定.79 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).80 附錄附錄.81 致謝致謝.82 1 總 論 1.1 概況 1.1.1 甲醇的用途甲醇的用途 目前，甲醇在有機合成工業(yè)中，是僅次于烯烴和芳烴的重要基礎(chǔ)有機 原料。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。 甲醇是較好的人工

10、合成蛋白的原料，蛋白轉(zhuǎn)化率較高，發(fā)酵速度快，無毒 性，價格便宜。甲醇用途廣泛，是基礎(chǔ)的有機化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料。主要 應(yīng)用于精細(xì)化工，塑料等領(lǐng)域，用來制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫 酸二甲脂等多種有機產(chǎn)品，也是農(nóng)藥、醫(yī)藥的重要原料之一。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。甲醇是容易輸送的清潔 燃料，可以單獨或與汽油混合作為汽車燃料，用它作為汽油添加劑可起節(jié) 約芳烴，提高辛烷值的作用，汽車制造也將成為耗用甲醇的巨大部門，甲 醇的消費已超過其傳統(tǒng)用途，潛在的耗用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其化工用途，滲透到 國民經(jīng)濟的各個部門。特別是隨著能源結(jié)構(gòu)的改變，甲醇有未來主要燃料 的候補燃料之稱，需用量

11、十分巨大。 我國目前甲醇的產(chǎn)量還較低，但近年來發(fā)展速度較快，近五年來甲醇 的生產(chǎn)規(guī)模有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。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，蘊藏著潛在的巨大市場。我 國甲醇工業(yè)無疑將迅速發(fā)展起來。 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。其中：M15(在汽油里添加 15甲醇)清潔甲醇汽油為車用燃 料，分別應(yīng)用于各種汽油發(fā)動機，可以在不改變現(xiàn)行發(fā)動機結(jié)構(gòu)的條件下， 替代成品汽油使用，并可與成品油混用。甲醇混合燃料的熱效率、動力性、 啟動性、經(jīng)濟性良好，具

12、有降低排放、節(jié)省石油、安全方便等特點。世界 各國根據(jù)不同國情，研發(fā)了 M3、M5、M15、M20、M50、N85、M100 等 不同摻和比的甲醇汽油。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。 1.1.2 甲醇精餾工藝技術(shù)比較甲醇精餾工藝技術(shù)比較 工業(yè)上粗甲醇精餾的工藝流程，隨著粗甲醇合成方法不同而有差異， 其精制過程的復(fù)雜程度有較大差別，但基本方法是一致的。首先，總是以 蒸餾的方法在蒸餾塔的頂部，脫除較甲醇沸點低的輕組分，這時，也可能 有部分高沸點的雜質(zhì)和甲醇形成共沸物，隨輕組分一并除去。然后，仍以 蒸餾的方法在塔的底

13、部或底側(cè)脫除水和重組分，從而獲得純凈甲醇組分。 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。 近年來，由于催化劑、粗甲醇合成條件以及制取原料氣的改進(jìn)，粗甲 醇的精餾過程相應(yīng)有較大的變更。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。在決定粗甲醇精餾的工藝流程時，應(yīng)對這些條件進(jìn)行綜 合考慮，并結(jié)合到過程中能源消耗的降低，自動化程度的提高，對精甲醇 質(zhì)量的特殊要求等等，合理選擇適當(dāng)?shù)木s方法。 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)。雙塔精餾工藝技術(shù) 由于具有投資少、建設(shè)周期短、操作簡單等優(yōu)點,

14、被我國眾多中、小甲醇生 產(chǎn)企業(yè)所采用，尤其在聯(lián)醇裝置中得到了迅速推廣。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。近年來,隨 著甲醇合成銅基催化劑的廣泛應(yīng)用和氣體凈化水平的提高, 粗甲醇生產(chǎn)中的 副反應(yīng)減少和雜質(zhì)的降低, 此工藝流程已經(jīng)很少采用。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。 精餾塔按內(nèi)件可分為板式精餾塔和填料型精餾塔。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,

15、介質(zhì)傳質(zhì)、傳熱效率差, 總體效 果并不太理想。效率較高的填料塔是最近幾年才出現(xiàn)的, 采用以高效絲網(wǎng)波 紋填料和配套的分布器為核心的精餾技術(shù)。 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, 但運行費 用一般可節(jié)省20%。企業(yè)選擇哪種精餾工藝技術(shù),主要取決于企業(yè)甲醇實際 生產(chǎn)能力、預(yù)期生產(chǎn)規(guī)模、甲醇市場行情, 以及企業(yè)的公用工程水、電、汽 的富裕程度等。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, 因為雙塔精餾工藝投資省、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)濟技術(shù)指標(biāo)較 占優(yōu)勢。5萬t/a 以上的企業(yè)

16、宜選擇三塔精餾工藝, 因為隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大, 三塔精餾工藝的節(jié)能、高效優(yōu)勢才能體現(xiàn)出來。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。 另外, 三塔精餾工藝在雙塔精餾裝置進(jìn)行增產(chǎn)、降耗的技術(shù)改造中有比 較廣闊的應(yīng)用, 是企業(yè)擴大現(xiàn)有生產(chǎn)規(guī)模較經(jīng)濟、有效的技術(shù)措施。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。三塔精餾工藝是一項企業(yè)進(jìn)行增產(chǎn)降耗技術(shù)改造的非 常適合的、較好的技術(shù)方案。 不論采用

17、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。填料型精餾塔工藝, 其核心設(shè)備主、預(yù) 塔都選用新型填料型精餾塔, 塔內(nèi)采用高效的、經(jīng)特殊工藝處理的不銹鋼絲 網(wǎng)波紋填料和配套的新型氣液分布器，該塔具備以下優(yōu)點： (1) 塔板效率高采用甲醇精餾專用不銹鋼絲網(wǎng)波紋填料, 空隙率0. 85 m2/ m3 , 理論塔板數(shù)810塊/m , 經(jīng)特殊工藝處理后, 具有優(yōu)良的傳質(zhì)、傳熱性 能和液體均布能力強等優(yōu)點。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。生產(chǎn)控制中采用的較小回流比, 提高了精甲醇質(zhì)量, 降低了 泵的揚程, 節(jié)省了電耗。 (2) 結(jié)構(gòu)簡

18、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。 (3) 操作彈性大由于絲網(wǎng)填料具有的優(yōu)良傳質(zhì)、傳熱性能,能迅速適應(yīng)物 料各種工藝參數(shù)的變化, 易于操作,控制手段簡單,穩(wěn)定區(qū)域大， 可保證系統(tǒng) 有較大的彈性, 產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。 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1-1。 表1-1 傳統(tǒng)雙塔與填料型三塔精餾工藝比較 項 目投資（相對數(shù)）蒸汽/t循環(huán)水/ m3電/kw.h 雙塔精餾工藝1001.52.015018040 三塔精餾工藝1230.91.3608030 填料型甲醇精餾工藝, 由于采用了先進(jìn)的甲醇

19、精餾專用絲網(wǎng)規(guī)整填料和 配套的新型分布器, 加之在系統(tǒng)熱量的分配上合理優(yōu)化, 從而使能耗大為降 低。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)年運行費用可節(jié)省200萬元以上。 甲醇精餾填料型三塔工藝技術(shù)和甲醇精餾專用絲網(wǎng)規(guī)整填料的成功開 發(fā), 為眾多大、中型甲醇生產(chǎn)企業(yè)的增產(chǎn)、降耗提供了技術(shù), 為企業(yè)大幅度 降低甲醇生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量和擴大市場占有率提供了可能, 具有著明 顯的經(jīng)濟效益和社會效益。 綜上所述，因此本設(shè)計也才用填料型三塔甲醇精餾工藝技術(shù)。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，

20、故現(xiàn) 在一般叫 3+1 塔工藝流程。 1.1.3 甲醇精餾工藝的概況甲醇精餾工藝的概況 1、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。 2、裝置工藝特點 目前，總體來說甲醇精餾的工藝大體可分為兩塔工藝流程和三塔工藝 流程，根據(jù)塔內(nèi)件的不同可分為塔盤精餾、填料精餾和復(fù)合型精餾。 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。各塔再沸器蒸汽冷凝液用作粗甲醇預(yù)熱器熱源，以節(jié)約 能量。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

21、 塔工藝流程。 精餾的主要設(shè)備是精餾塔，而塔的內(nèi)件是實現(xiàn)氣液接觸和熱質(zhì)傳遞的 主要元件，常用的塔內(nèi)件分塔盤和填料兩種。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、制造、安裝難度不大，應(yīng)用十分 廣泛。隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，精餾塔的內(nèi)徑越來越大，于是氣液分布不均 問題顯得突出，效率大幅下降，直徑大于 2 米的塔的效率已相當(dāng)?shù)?，溝?和邊界效應(yīng)嚴(yán)重，為解決這些問題，人們開發(fā)了板式塔，但是板式塔的結(jié) 構(gòu)復(fù)雜、制造和安裝精度要求高，因而人們又加緊了對填料塔放大技術(shù)的 攻關(guān)，在解決了氣液分布等問題后，大型裝置又開始使用填料塔。目前的 填料分為散堆填料和規(guī)整填料。設(shè)計的甲醇精制采用的是規(guī)整填

22、料精餾工 藝技術(shù)，該技術(shù)的好壞取決于氣液接觸程度，即取決于液體在填料表面分 布的均勻程度，氣體的分布較容易，液體分布均勻很難，故液體分布器是 填料塔的一個關(guān)鍵部件，它是決定著填料塔的放大效應(yīng)。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。 采用規(guī)整填料為塔內(nèi)件的 3+1 塔精餾工藝，其特點是： 1、精甲醇產(chǎn)品的質(zhì)量好，甲醇回收率高； 2、能耗低。比兩塔工藝減少蒸汽消耗約 30%左右； 3、操作的靈敏性比板式塔好，但其穩(wěn)定性不如板式塔好； 4、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； 5、分離效率高，操作彈性大，生產(chǎn)能

23、力大。 1.2 精餾的目的和原理和精餾塔的操作和調(diào)節(jié) 1.2.1 粗甲醇的組成與精制要求粗甲醇的組成與精制要求 1.粗甲醇的組成 甲醇合成不論采用鋅鉻催化劑或銅基催化劑，均受其選擇性的限制， 且受合成條件壓力、溫度、合成氣組成的影響，在生產(chǎn)甲醇反應(yīng)的同時， 還伴隨著一系列副反應(yīng)，其產(chǎn)品系主要由甲醇以及水、有機雜質(zhì)等組成的 混合溶液，故稱為粗甲醇。 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。如有氮的存在，還發(fā)現(xiàn)有易揮發(fā)的胺類。 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)。下表 1-2 列出了粗甲醇中部分有機物，具有一定的代表

24、性。 表 1-2 按沸點順序排列的粗甲醇組分 組 分沸點，組 分沸點，組 分沸點， 二甲醚-23.7甲醇64.7異丁醇107.0 乙醛20.2異丙烯醚67.5正丁醇117.7 甲酸甲酯31.8正己烷69.0異丁醚122.3 二乙醚34.6乙醇78.4二異丙基酮123.7 正戊烷36.4甲乙酮79.6正辛烷125.0 丙醛48.0正戊醇97.0異戊醇130.0 丙烯醛52.5正庚烷98.04-甲基戊醇131.0 醋酸甲酯54.1水100.0正戊醇138.0 丙酮56.5甲基異丙酮101.7正壬烷150.7 異丁醛64.5醋酐103.0正癸烷174.0 為了精餾過程中便于處理，上述組成大致可分為幾

25、組：1.輕餾分（表 中 115 組分，甲醇，乙醇例外） ；2.甲醇；3.水；4.重組分（表中 1630） ； 5.乙醇。 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。 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)。 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。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。 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)

26、少，因此制得的粗甲醇含雜質(zhì)較 少。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)。 2.精制要求 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。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

27、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。 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(jìn)行精制，將 粗甲醇中的雜質(zhì)脫除至規(guī)定的指標(biāo)之內(nèi)。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。 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(biāo)。 本設(shè)計采用國外甲醇的質(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)。 優(yōu)質(zhì)甲醇的指標(biāo)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。 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

28、脫除，以生產(chǎn)符合標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)等級精甲醇產(chǎn) 品。 1.2.2 工藝原理工藝原理 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。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： 1 1 1 X P V 2 2 2 X P V 式中：V-揮發(fā)度； P-蒸汽中分壓； X-液相中摩爾濃度。 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。 即： 2 1 V V 式中：-為相對揮發(fā)度。 相對揮發(fā)度的含義

29、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。 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。 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)。常壓下甲醇的沸點為 64.7，輕組分雜質(zhì)是指其沸點低于 64.7的組分，而重組分雜質(zhì)是指沸點高于 64.7的組分。 粗甲醇精餾就是根據(jù)粗甲醇中各種組分的沸點和

30、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。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。 精餾工藝的理論基礎(chǔ)是拉烏爾定律和道爾頓分壓定律。 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

31、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： iii XPP * 式中：-氣相中組分 i 的分壓； i P -此溫度下純組分 i 的飽和蒸汽壓； * i P -組分 i 在理想溶液中的摩爾濃度，%。 i X 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 力等于汽相混合物中各組分的分壓之和，即： i PP 式中：-求和： -氣相壓力；P -氣相中組分 i 的分壓。 i P 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

32、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： )/()( * babA PPPPX AB XX1 AaA XPP * AB YY1 AA YPP AB PPP 式中：、-為溶液中組分 A 和組分 B 的摩爾分?jǐn)?shù)； A X B X 、-為純正組分 A 和 B 在同一溫度下的飽和蒸汽壓； * a P * b P 、-為氣相中組分 A 和組分 B 的摩爾分?jǐn)?shù)； A Y B Y 、-為氣液相平衡時氣相中 A 和 B 蒸汽分壓； A P B P -為理想溶液達(dá)到平衡時溶液上方的汽相總壓。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)

33、成不同濃度混合液的氣相分壓。 精餾是多次簡單蒸餾的組合。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(jìn) 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。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。 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

34、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。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。 1.2.3 影響因素影響因素 1.物料平衡的影響和制約 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。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 D x W x 出液流量 D 和釜殘液流量 W 也就被確定了。而 和 決定于氣液平衡關(guān) D x W x 系（） 、q、R 和理論板數(shù)（適宜的進(jìn)料位置） ，因此 D 和 W 或采 F

35、x T N 出率與只能根據(jù) 和 確定，而不能任意增減，否則進(jìn)、出塔的兩 F D F W D x W x 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(dá)到 預(yù)期的分離要求。 2.回流比的影響 回流比是影響精餾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。例如當(dāng)回流比增大時，精餾段操作線斜率變 V L 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。 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 V L 此在一定的提餾段理論板數(shù)下，釜殘液組成變小。反之，當(dāng)回流比減小時， 減小而增大，使分離效果變差。 D x W x 回流比

36、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(fù) 荷超過允許值，則應(yīng)減小原料液流量?；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。 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 F D D x 限制： 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； D x 受全塔物料平衡的限制，其極限值為 D Fx x F D 3.進(jìn)料熱狀況的影響 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：溫度低 于泡點的冷液體；泡點下的飽和液體；溫度介于泡點和露點之間的氣 液混合物；露點下的飽和蒸汽；溫度高于露點的過熱蒸汽。 由于不同

37、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。 當(dāng)進(jìn)料狀況（ 和 q）發(fā)生變化時，應(yīng)適應(yīng)改變進(jìn)料位置。一般精餾 F x 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。如進(jìn)料狀況改變而進(jìn)料位置不變，必然引起餾出液和釜殘液 組成的變化。 對特定的精餾塔，若減小，則使 和 均減?。挥３植蛔?， F x D x W x D x 則應(yīng)增大回流比。 1.2.4 精餾塔的產(chǎn)品質(zhì)量控制和調(diào)節(jié)精餾塔的產(chǎn)品質(zhì)量控制和調(diào)節(jié) 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(dá)到規(guī)定值。生產(chǎn) 中某一個因素的干擾（如傳熱

38、量、等發(fā)生變動）將影響產(chǎn)品的質(zhì)量，因 F x 此應(yīng)及時予以調(diào)節(jié)控制。 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。對于餾出液和釜殘液也有 對應(yīng)的露點和泡點，通?？捎盟敎囟确从仇s出液組成，用塔底溫度反映 釜殘液組成。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。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。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。 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

39、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。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。 1.3 甲醇的主要技術(shù)規(guī)格 1.3.1 甲醇的一般性質(zhì)甲醇的一般性質(zhì) 甲醇的分子式為 CH3OH，其分子量為 32.04。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。其一般 性質(zhì)看表 1-3。 表 1-3 甲醇的一般性質(zhì) 性 質(zhì)數(shù) 據(jù) 密 度0.8100g/ml(0) 相對密度0.7913 沸 點64.564.7 熔 點97.8 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7

40、9.54105Pa(78.5atm) 臨界體積117.8ml/mol 蒸 汽 壓1.2879104Pa(96.6mmHg)(20) 熱 容2.512.53J(g)(2025液體)， 45J（mol）(25氣體) 粘 度5.945Pas(0.5945cP)(20) 甲醇的密度，粘度和表面張力隨溫度改變?nèi)缦拢?表 1-4 甲醇的密度、粘度和表面張力隨溫度變化表 溫度，0102030405060 密度 g/ cm30.8100.8010.7920.7830.7740.7650.756 粘度，cP0.8170.6900.5970.5100.4500.3960.350 表面張力，24.523.522.621.820.920.119.3 ，sPacP 4 101Ndyn 5 101 甲醇可以和水以及許多有機液體如乙醇、乙醚等以任意比混合，但不 能與脂肪族烴類相混合。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。同樣，也難以從甲醇