緒論概述乙二醇的性質(zhì)物理性質(zhì)乙二醇，通常稱為甘醇，簡稱為（CH2OH)2，其分子量為66.092，熔點為-12℃，沸點為195-198℃，密度2.14、粘度2.62mPa。乙二醇是無色略帶甜味液體，對動物會產(chǎn)生很低的毒性，乙二醇溶于水，不溶于醚?？梢宰鳛榛と軇┓纼龊途埘サ鹊脑?。PEG能促進細胞融合等；其硝酸酯是一種炸藥REF_Ref10669\r\h[2]。化學性質(zhì)乙二醇具有特殊結(jié)構(gòu)的化合物，在酸性介質(zhì)中，乙二醇可以發(fā)生酯化、脫水縮合和氧化等反應(yīng)。它可以與有機酸無機化合物發(fā)生反應(yīng)，酯化物在乙二醇催化作用下分子發(fā)生脫水縮合。乙二醇可以和堿金屬或堿土金屬反應(yīng)生成醇鹽，乙二醇其結(jié)構(gòu)也極易被氧化，可生成各種產(chǎn)物，如乙醇醛、乙二醛、乙醇酸等REF_Ref10709\r\h[3]。乙二醇的分類及用途圖STYLEREF1\s1-SEQ圖\*ARABIC\s11乙二醇的分類及用途1.2乙二醇的生產(chǎn)現(xiàn)狀1.2.1乙二醇的國外生產(chǎn)現(xiàn)狀二十一世紀以來，全球聚酯類需求急劇增長，上游產(chǎn)品乙二醇的需求量在不斷攀升。北美產(chǎn)能484.6萬噸，中南美產(chǎn)能40.9萬噸，西歐產(chǎn)能129.1萬噸，中東歐產(chǎn)能83.6萬噸，中東產(chǎn)能747.9萬噸，亞洲產(chǎn)能1077.0萬噸，都是以萬噸/年為單位，結(jié)合當前乙二醇市場前景，預計2025年或達到6000萬噸/年以上規(guī)模REF_Ref10744\r\h[4]，下圖為六個地區(qū)的總生產(chǎn)占比。圖STYLEREF1\s1-SEQ圖\*ARABIC\s12總生產(chǎn)占比1.2.2乙二醇的國內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)狀近年來，我國乙二醇生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大。從2018年1063萬噸/年至2022年的2519.5萬噸/年，近五年增加1456.5萬噸/年，平均增長18.84%。2023年，隨著市場供求，乙二醇持續(xù)擴產(chǎn)，到2023年我國乙二醇產(chǎn)量達到1654萬噸，與上年比增長24.4%；其中，煤制備乙二醇達到554萬噸，同比上升35.3%。從進口看，2023年進口715.2萬噸，較上年同期減少4.7%。由于國外天氣情況的影響，導致設(shè)備檢修或減少產(chǎn)量，進口量減少。另外，到2023年，我國對乙二醇的依賴程度可能會下降到29%。按不同生產(chǎn)工藝，乙二醇有煤制乙二醇和石油制乙二醇兩大類。針對我國煤資源豐富油資源缺乏等特點，選用煤為原料，可以緩解國內(nèi)乙二醇需求不足情況。2022年煤制乙二醇年產(chǎn)增至280萬噸，增長率達到了34.9%，2023年煤制乙二醇年產(chǎn)為405.6萬噸，比去年增加了25.5%；其利用率非常高，陜西榆林能源集團公司一期120萬噸/年項目于2023年5月開始試投產(chǎn)。截至目前，我國煤制乙二醇產(chǎn)能約997萬噸約占全國乙二醇總產(chǎn)能的37%REF_Ref10790\r\h[5]。1.3廠址的選擇貴州省是我國“西電東送”重要的能源基地，根據(jù)黔西的礦產(chǎn)、水資源豐富，為西部開發(fā)重點項目，煤炭儲量超過70億噸，水資源達77億立方米。已建成東風、洪家渡、索風營三座水電站和黔西火電廠，以及青龍、桂箐、高山等一批大中型骨干煤礦，根據(jù)黔西的煤炭預計儲量，除了煤炭，還有高嶺土、重晶石、大理石、黏土、赤鐵礦等礦產(chǎn)儲量可觀?？紤]本設(shè)計建廠在貴州黔?；づ裕挥谫F州省畢節(jié)市黔西市。地形氣候：氣候類型：黔西市屬于亞熱帶地區(qū)氣候濕潤，春夏季節(jié)下雨量大，秋冬季節(jié)相對較少。氣溫情況：該地區(qū)年平均氣溫約為13.8℃，一月是氣溫最低的月份，平均氣溫為3.3℃；七月則是氣溫最高的月份，平均氣溫約為23℃。極端最高氣溫記錄為35.4℃。降水情況：年平均降雨量約為1050毫米，雨季較長，適宜植物生長，有利于農(nóng)作物的種植和養(yǎng)殖。地理特征：黔西市的平均海拔約為1250米，地勢相對較低，沒有極端寒冷或炎熱的天氣，適合人類居住和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。交通：依托黔西的煤資源及便利的交通，根據(jù)黔?；っ磕昙s30萬噸乙二醇需公鐵聯(lián)運，從黔?；ぶ鲝S區(qū)成品罐區(qū)到貴陽改貌站為汽運，改貌站至終端客戶所在鐵路站點為鐵路運輸，鐵路至終端客戶所在儲罐點為汽運，產(chǎn)品及原料的運輸都由專業(yè)的交通路線及車輛負責，境內(nèi)交通便捷，地理位置優(yōu)越。生產(chǎn)工藝流程乙二醇的生產(chǎn)工藝概述當前，乙二醇在全世界得到廣泛的生產(chǎn)，主要有美固陶氏化學公司、聯(lián)碳公司、SD公司、大連華錦化工有限公司、荷蘭皇家殼牌公司（Shell）、江蘇亨通化工股份有限公司、意大利亞SNAM公司、沙特SANIC公司等REF_Ref10836\r\h[6]。隨著技術(shù)的發(fā)展，乙二醇的工藝路線也發(fā)現(xiàn)了很多種，但目前技術(shù)成熟的有石油路線，非石油路線，其中石油是以乙烯和環(huán)氧乙烷等為原料而非石油路線是以煤和天然氣為原料。還有一種以生物質(zhì)為原料，但是該工藝對技術(shù)不夠成熟。下圖為乙二醇主要生產(chǎn)技術(shù)路線REF_Ref10865\r\h[7]。圖STYLEREF1\s2-SEQ圖\*ARABIC\s11乙二醇合成路線石油工藝路線環(huán)氧乙烷水合路線環(huán)氧乙烷水合制備乙二醇也是目前較成熟的一條工藝路線它的主要反應(yīng)如下：C2H4O+H2O→HOCH2CH2OH環(huán)氧乙烷反應(yīng)條件為高溫和高壓下與水發(fā)生加成反應(yīng)，環(huán)氧乙烷的開環(huán)順式加成到水上生成乙二醇。其中，水起到加成劑的作用，將環(huán)氧乙烷中的環(huán)氧基開成羥基，形成乙二醇。該反應(yīng)的反應(yīng)機理比較復雜，在催化劑的作用下，環(huán)氧乙烷分解形成碳酸酯，再被水分解為乙二醇和碳酸氫根離子。乙二醇從水相中析出，通過蒸餾、精制等方法進行提純REF_Ref10908\r\h[8]。環(huán)氧乙烷水合制乙二醇是一種可靠的化學合成方法，適用于工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。該方法具有以下優(yōu)點：反應(yīng)速率快，產(chǎn)率較高，能夠?qū)崿F(xiàn)乙二醇的高效合成。反應(yīng)溫度、壓力適中，反應(yīng)條件易于控制。催化劑使用量較少，催化劑易于回收、再利用，反應(yīng)過程中有利于環(huán)境保護和資源節(jié)約。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過簡單的精制、提純即可得到高純度的乙二醇。該方法與現(xiàn)有的乙烯氧化法乙二醇合成方法相比，具有更低的能耗和環(huán)境污染。環(huán)氧乙烷催化水合法催化水合法與直接水合法反應(yīng)在原料上相似，在原料上都是乙烯和氧氣，環(huán)氧乙烷催化與水反應(yīng)得到粗乙二醇，在通過精制工段制取純度高的產(chǎn)品。反應(yīng)的關(guān)鍵是催化劑的選擇。通過調(diào)查，環(huán)氧乙烷一步法合成乙二醇技術(shù)已有投產(chǎn)。美國shell公司利用氟磺酸樹脂，大環(huán)螯合物作為催化劑，此外，該公司還研發(fā)了OMEGA方法，用機磷酸鹽為催化劑制備乙二醇，具有99.5%選擇性且用水量少REF_Ref10944\r\h[9]。陶氏采用催化水解法DowexMSA，催化劑達96.6%的選擇性，具有較好的催化活性。接下來就是METEORTMEOEG，相比較而言，這種方法要簡單得多，設(shè)備也比較容易操作，維修也比較容易，而且所用的催化劑也可以回收利用。與此同時，上海石油化工研究院研制了一種Nb2Os/A1203催化劑，實驗成功實現(xiàn)了環(huán)氧乙烷水合制備乙二醇。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，環(huán)氧乙烷水合法的催化劑是該方法的關(guān)鍵。與固體酸催化劑相比，Nb2Os/A12O3催化體系擁有更高的活性，更好的穩(wěn)定性對設(shè)備無腐蝕等，并且乙二醇的收率高，達到95%，具有研究開發(fā)的價值潛力REF_Ref10980\r\h[10]。水解合成法EC在二十世紀七十年代，日本觸媒化工公司發(fā)現(xiàn)了以碳酸乙烯酯水解工藝，用含堿性碳酸鹽等為催化劑，CO2+EO得到碳酸乙烯酯，通過碳酸乙烯酯水解得到乙二醇，日本三菱化工公司在實驗中發(fā)現(xiàn)加入水，催化劑有很好的溶解性，大部分溶于反應(yīng)液體，得到EC在脫水與催化劑與精制。同時會有少量副產(chǎn)物，轉(zhuǎn)化率99%。水與原料比1.3:1，和化學計量較相近，降低了后續(xù)精餾工藝中所需消耗的能量REF_Ref11006\r\h[11]。非石油路線以乙烯為原料的石油工藝技術(shù)成本高，二十世紀七上年代以來，就開始以煤和天然氣為原料，主要因為我國煤儲存豐富。以煤和天然氣為原料來講，原料來源廣、價格實惠，技術(shù)成本合理REF_Ref11038\r\h[12]。2.3.1合成氣直接制乙二醇合成氣一步法制備乙二醇有著相當大的應(yīng)用前景，主要以Co，Ru，Rh等金屬催化劑為主，反應(yīng)為:2CO+3H2→HOCH2CH2OH催化劑的選擇為直接影響。在344.5MPa，200℃條件下，羰基佬絡(luò)合物作為催化劑，四氫味喃用作溶劑，摩爾比為1.5:1，會產(chǎn)生丙二醇和甘油。據(jù)了解有兩種催化劑的選擇性非常好，分別為三烷基騰和胺結(jié)構(gòu)和咪唑的釘催化劑。這兩種催化劑有70%的選擇性。缺點是，催化劑的回收率低不能循環(huán)使用，產(chǎn)物復雜，副產(chǎn)物多并且不易分離，此外壓力極高，設(shè)備設(shè)計不易REF_Ref12256\r\h[13]。2.3.2草酸酯法煤制乙二醇工藝以草酸酯加氫制備乙二醇為原料，在催化劑的作用下，CO與亞硝酸甲酯發(fā)生反應(yīng)，得到了一氧化氮和草酸二甲酯。一氧化氮與氧和甲醇發(fā)生偶聯(lián)，得到亞硝酸甲酯。耦合與再生構(gòu)成了一個循環(huán)的生產(chǎn)過程。以氫為原料，合成了草酸二甲酯，以草酸二甲酯為原料合成乙醇甲酯最后用乙醇酸甲酯與H2反應(yīng)生成乙二醇REF_Ref11505\r\h[14]。圖STYLEREF1\s2-SEQ圖\*ARABIC\s12草酸酯法煤制乙二醇工藝方框圖2.3.3甲醛縮合法甲醛通過擇型催化，縮合，反應(yīng)為羥基乙醛過程中需要加入氫氧化鈉沸石，通入催化劑與氫氣反應(yīng)得到乙二醇。優(yōu)點與不足：甲醇制乙二醇工藝反應(yīng)速度快、反應(yīng)途徑簡單等優(yōu)點，同時線路短，能耗低，成本較為低廉。該工藝也存在不足之處，如反應(yīng)熱量大、催化劑冷卻難度較大、反應(yīng)產(chǎn)物中含有副產(chǎn)物等，因此需要結(jié)合實際情況進行綜合考慮REF_Ref12678\r\h[15]。乙二醇的生產(chǎn)工藝選擇當前，我國化工產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，對乙二醇生產(chǎn)提出了更高的要求，乙二醇受原油價格的影響，國內(nèi)煤炭下游聚酯行業(yè)需求量以及乙二醇產(chǎn)地等因素影響綜合考慮我國能源與環(huán)保情況。選用煤制乙二醇草酸二甲酯法工藝技術(shù)，可以緩解乙二醇緊缺的狀態(tài)。反應(yīng)原理圖STYLEREF1\s2-SEQ圖\*ARABIC\s13煤制乙二醇草酸二甲酯脂法方框圖C+H2O=CO+H2(1)2CO+2CH3ONO (COOCH3)2+2NO(2)(COOCH3)2+4H2 (CH2OH)2+2CH3OH(3)上式外煤制乙二醇主要反應(yīng)，原料氣化，合成，分離生成CO和H2,CO和亞硝酸甲酯在催化劑（Pd/Al2O3）的作用下生成草酸二甲酯和氮氧化物，草酸二甲酯加氫催化劑（Cu/SiO2）生成乙二醇和甲醇，氮氧化物與氧氣，甲醇生成亞硝酸甲酯循環(huán)利用[16]。要求H2含量低，為了符合生產(chǎn)需求與CO脫氫裝置。乙二醇精制工藝流程方框圖該工藝流程方框圖為精制工段工藝路線通，外購粗DMC通過精餾（DMC）成為DMC產(chǎn)品與雜醇油。另外一條路線為DMC合成、氣液分離、DMC精餾、乙二醇合成、氣液分離、乙二醇精餾。圖STYLEREF1\s2-SEQ圖\*ARABIC\s14乙二醇工藝流程方框圖乙二醇精制工段的模擬3.1工藝流程的模擬畢設(shè)為年產(chǎn)40萬噸煤制乙二醇精制工段工藝設(shè)計，采用AspenPlus對工藝流程及精餾工段進行模擬，主要塔設(shè)備進行設(shè)計，由于本設(shè)計熱量和平衡數(shù)據(jù)相對復雜，所以本設(shè)計的步驟為：從氣化、分離到乙二醇精餾工段進料組成，分析組成物質(zhì)后設(shè)計出分離路線。通過AspenPlus進行精餾塔初步模擬DSTWU得到初數(shù)據(jù)，然后用AspenPlus進行精餾塔嚴格模擬RadFrac得到詳細數(shù)據(jù)。再參考化工原理等設(shè)計資料計算精餾塔，并進行設(shè)備及附件選型。利用AUTOCAD繪制出精餾塔設(shè)計圖。下圖是Aspen模擬出的工藝流程圖。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s11總工藝流程圖原料組成質(zhì)量流量（kg/hr）CH3OH52211.8H2O44.104CH3ONO6417.19COOCH318.4822C3H6O31096.836C2H6O250079.66C2H5OH28617.3C3H6OH878.035表STYLEREF1\s3-SEQ表\*ARABIC\s11原料組成表3.2工藝模擬任務(wù)（1）確定工藝流程能否繼續(xù)進行下去；（2）選擇自己的方案；（3）進行模擬，確定最好的工藝條件。AspenPlus模擬，選擇哪種算法，根據(jù)自己的實際流程選取。組分質(zhì)量流量（kg/h）CH3OH（甲醇）54.0398C2H6O2（乙二醇）28617.3C3H6OH（二甲基酮）0.855344C2H5OH（乙醇）25.2979表STYLEREF1\s3-SEQ表\*ARABIC\s12質(zhì)量流量分離目標：塔底：乙二醇>99.5%3.3乙二醇精制工段模擬精餾塔（該塔為板式塔，有28塊塔板，第11塊塔板進料，回流比為1）的塔底分離出剩下的一部分多乙二醇和其他少量的副產(chǎn)物進入儲區(qū)儲存，產(chǎn)品純度為99.5%，年工作時間為300天，精餾分離是分離方法能夠得到高純度的產(chǎn)品，在該設(shè)計中，通過精餾塔可以實現(xiàn)物料的分離，從而保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。多組分分離，需多次蒸餾過程，在成本上會有很大影響。這就是在設(shè)計過程中，要考慮精餾塔的分離順序的綜合，確定最優(yōu)的分離順序。許多小的副產(chǎn)物，例如酒精、水、等雜質(zhì)需要分離，另外未反應(yīng)掉的需要分離出來，產(chǎn)生的大量甲醇也需要分離回收。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s12乙二醇精制工段T103塔表示脫除輕組分塔，塔頂主要脫除DMO還有甲醇、水等輕組分，塔底得到乙二醇粗產(chǎn)品，T104塔表示脫乙二醇精制塔，T105塔主要為甲醇二甲基酮產(chǎn)品。本設(shè)計主要對煤制乙二醇精制工段進行了模擬以T104精致塔為例進行參數(shù)優(yōu)化組分質(zhì)量流量（kg/h）CH3OH（甲醇）54.0398C2H6O2（乙二醇）28617.3C3H6OH（二甲基酮）0.855344C2H5OH（乙醇）25.2979表STYLEREF1\s3-SEQ表\*ARABIC\s13質(zhì)量流量分離目標：塔底：乙二醇>99.5%3.3.1組分輸入將各組分的進料編輯好輸入3.3.2物性選擇3.3.3進料流股信息T104精餾塔簡便模擬結(jié)果如下圖。3.3.4嚴格計算①理論塔板；冷凝為全凝器；塔頂流股與進料的摩爾比（D/F）；回流比（將簡潔計算結(jié)果填入）進料板數(shù)。②塔頂壓力；塔板壓降計算的模擬如下圖T104精餾塔圖圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s13T104精餾塔圖同理可以得到其他塔的優(yōu)化參數(shù)見下表名稱位號操作壓力（bar）塔頂溫度（℃）塔釜溫度（℃）塔板數(shù)（塊）回流比DMO精餾塔T1230185260.12DMC精餾塔T21.07596.5110.1乙二醇精制塔T1041.0112265.7181表STYLEREF1\s3-SEQ表\*ARABIC\s14其他塔的優(yōu)化參數(shù)物料和能量衡算4.1物料衡算StreamIDT-103T-104T-105溫度℃231.7215.065134.324壓力bar2.001.750.4蒸汽發(fā)生器000質(zhì)量密度kmol/hr804.253929.1631026.53質(zhì)量流量kg/hr82815.850211.8878.035體積流量cum/hr102.97254.03980.86焓流量Gcal/hr-145.914-82.1233 -1.328 表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s11以乙二醇精制工段為例質(zhì)量流量kg/hrCH3OH-1242166242166315.405CH3OH-253390.753390.763.57CH3OH-474095.474095.493.79表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s12以乙二醇精制工段為例4.2能量衡算數(shù)據(jù)來源AspenPlus模擬中，T104精餾塔的能量衡算。INOUTStreamT-103T-104T-105溫度℃231.6215.06134.32壓力bar111質(zhì)量流量kg/h0832604.1焓流量Gcal/hr-284.943-0.032-64.14ΣH/Gcal/hr-284.943-64.172表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s13T104精餾塔的能量衡算冷凝器再沸器熱負荷/Gcal/hr -0.7126.632Q=5.92Gcal/hr表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s14T104負荷計算表Q總/Gcal/hrΣHin/Gcal/hrΣHout/Gcal/hrError5.92-284.943-64.1720表STYLEREF1\s4-SEQ表\*ARABIC\s15T104能量衡算平衡表第五章主要精餾塔工藝設(shè)計及計算5.1物料衡算每小時處理原料量：82850.436kg/h原料混合液的摩爾流量：F=1586.904kmol/h塔頂產(chǎn)品的摩爾流量：D=779.17kmol/h塔底產(chǎn)品的摩爾流量：W=807.734kmol/h5.2回流比實際回流比：R=85.3各種操作條件及相關(guān)的物性5.3.1操作溫度(1)求塔頂?shù)?塊塔板溫度t求進料板溫度t求塔釜溫度t(4)精餾段的平均溫度tt(5)提餾段的平均溫度tt(6)全塔的平均溫度tt5.3.2平均摩爾質(zhì)量第1塊塔板：M進料板：M塔釜：M精餾段：M提餾段：M5.3.3液相平均粘度精餾段的平均粘度：μL精=0.403mPa?s提餾段的平均粘度：μ5.3.4實際塔板數(shù)(1)精餾塔精餾段實際板數(shù)：Np精=10(2)精餾塔提餾段實際板數(shù)：N實際總板數(shù)：Np總5.3.5液相平均密度(1)精餾段液相平均密度：ρ(2)提餾段液相平均密度：ρ5.3.6氣相平均密度精餾段氣相：ρ提餾段氣相：ρ5.3.7液相平均表面張力(1)精餾段平均表面張力：σ(2)提餾段平均表面張力：σ5.4氣液相負荷估算5.4.1精餾段氣液相負荷LV5.4.2提餾段氣液相負荷LV第六章設(shè)備設(shè)計6.1塔徑和有效高度6.1.1精餾段塔徑假定精餾段板間距：HT精=500mm，板上清液層高度由根據(jù)HT和hL的數(shù)值，查閱負荷因子曲線圖得C=精餾段最大空塔氣速估算：u精餾段空塔氣速的估算：u根據(jù)經(jīng)驗，得到精餾段的計算塔徑為：D查閱相關(guān)國家標準，取精餾段的塔徑：D精實際空塔氣速：u所以，安全系數(shù)估算u根據(jù)標準要求的0.6~0.8范圍之內(nèi)，即初步認定假設(shè)的板間距和塔徑符合設(shè)計要求。6.1.2提餾段塔徑假定提餾段板塔板間距：HT提=400mm，板上清液層高度hL提=90mm。由于根據(jù)HT和hL的數(shù)值，查閱負荷因子曲線圖得C=提餾段最大空塔氣速估算：u精餾段空塔氣速的估算：u根據(jù)經(jīng)驗，得到提餾段的計算塔徑為：D查閱相關(guān)國家標準，取提餾段的塔徑：D提實際空塔氣速：u所以，安全系數(shù)估算u按標準要求在0.6~0.8范圍之內(nèi)，初步判斷假設(shè)的板間距和塔徑符合要求。6.1.3塔的有效高度精餾段的有效高度：Z精=(10-1)×500mm=4500mm提餾段的有效高度：Z總有效高度：Z6.2塔板設(shè)計6.2.1溢流裝置設(shè)計6.2.1.1精餾段溢流裝置精餾段塔徑D精=9.00m，液相體積流量LV精=589.461m(1)精餾段溢流堰根據(jù)經(jīng)驗，本精餾塔設(shè)計選用平直型溢流堰。精餾段堰長：取L該段通過數(shù)據(jù)查的液流收縮系數(shù)知精餾段液流收縮系數(shù)E=1.010。在精餾段中，本設(shè)計采用直溢流堰，參考弗蘭西斯公式計算精餾段的堰上液層高度：h值大于6mm，基本符合平直堰要求。精餾塔的精餾段堰高：h(2)精餾段降液管設(shè)計估算查表對精餾段降液管寬度進行估算：W查表對精餾段降液管面積進行估算：A液體在該段降液管內(nèi)滯留的時間估算：θ這初步證明精餾段的溢流堰長度LW精假設(shè)精餾塔精餾段降液管底隙高度h0精u介于0.06~0.25m/s之間；且hW精(3)受液盤的設(shè)計估算精餾塔的塔徑為D=9.00m＞0.6m，判斷采用凹形受液盤，不用設(shè)置進口堰。精餾段受液盤深度為h6.2.1.2提餾段溢流裝置提餾段塔徑D提=9.00m，液相體積流量LV提=731.056m3/h，參考相關(guān)標準，精餾段的降液管為弓形降液管，溢流方式為弓形單溢流，各項計算如下：(1)提餾段溢流堰根據(jù)經(jīng)驗，本精餾塔設(shè)計選用平直型溢流堰。提餾段堰長：取L該段通過數(shù)據(jù)查閱液流收縮系數(shù)關(guān)系圖得到精餾段液流收縮系數(shù)E=1.011。在提餾段中，采用平直溢流堰，參考弗蘭西斯公式計算提餾段的堰上液層高度：h那么，精餾塔的提餾段堰高：h(2)提餾段降液管設(shè)計估算查表對提餾段降液管寬度進行估算：W查表對提餾段降液管面積進行估算：A液體在該段降液管內(nèi)滯留的時間估算：θ初步證明提餾段的溢流堰長度LW提假設(shè)精餾塔提餾段降液管底隙高度h0提u介于0.06~0.25m/s之間；且hW提(3)受液盤的設(shè)計估算精餾塔提餾段塔徑D=9.00m＞0.6m，據(jù)判斷用凹形受液盤，不需設(shè)置進口堰，提餾段受液盤的深度為h6.2.2塔板設(shè)計6.2.2.1精餾段塔板精餾段塔徑是9000mm，根據(jù)經(jīng)驗精餾段所采用的塔板應(yīng)該分成46塊。(a)塔板的布置設(shè)計估算根據(jù)經(jīng)驗，初步假設(shè)該段溢流堰前安定區(qū)寬度取值為Ws精設(shè)=0.070，降液管后安定區(qū)取值為W根據(jù)公式求有效傳質(zhì)面積：A式中：x=R=所以該段有效傳質(zhì)面積為：A(b)開孔排列設(shè)計選用厚度δ=3mm的碳鋼板，根據(jù)經(jīng)驗，可取篩板塔篩孔的直徑d0精餾段的篩孔按照等邊三角形排列，取兩篩孔之間的中心距離是篩孔直徑d0的3.00倍：t=3.00×篩孔數(shù)目：n=開口率：φ=0.907開孔率φ在5%~15%之間，所以初步認定精餾段塔板設(shè)計合理。氣體通過篩孔的氣速：u6.2.2.2提餾段塔板提餾段塔徑是9000mm，根據(jù)經(jīng)驗提餾段所采用的塔板應(yīng)該分成46塊。(a)塔板的布置設(shè)計估算根據(jù)經(jīng)驗，初步假設(shè)該段溢流堰前安定區(qū)寬度取值為Ws提設(shè)=0.070，降液管后安定區(qū)取值為Ws提設(shè)根據(jù)公式求有效傳質(zhì)面積：A式中：x=R=所以該段有效傳質(zhì)面積為：A(b)開孔排列設(shè)計選用厚度δ=3mm的碳鋼板，根據(jù)經(jīng)驗，可取篩板塔篩孔的直徑d0提餾段的篩孔按照等邊三角形排列，取兩篩孔之間的中心距離是篩孔直徑d0的3.00倍：t=3.00×篩孔數(shù)目：n=開口率：φ=0.907開孔率φ在5%~15%之間，所以初步認定提餾段塔板設(shè)計合理。氣體通過篩孔的氣速：u6.3流體力學驗算6.3.1精餾段流體力學驗算6.3.1.1塔板壓降的估算(a)干板阻力hc因為根據(jù)該數(shù)據(jù)查閱干篩孔的流量系數(shù)曲線圖，得ch(b)上升氣相穿過塔板上混合液的阻力估算uF根據(jù)此數(shù)據(jù)查閱充氣系數(shù)關(guān)系圖得，β=0.552，故h(c)液體表面張力的阻力計算液體表面張力所產(chǎn)生的阻力：h氣相穿過液層的高度hPh氣體通過液層的壓降估算：?6.3.1.2液面落差篩板塔的液面落差較小，本次設(shè)計的精餾塔塔徑和氣液相負荷都不大，頁面落差可忽略不記。6.3.1.3液沫夾帶量he小于0.1kg液/kg氣，在本次設(shè)計的精餾塔中精餾段液沫夾帶量ev6.3.1.4漏液精餾段漏液點的氣速估算：u=4.4×0.771×=9.3517m/s而實際孔速u穩(wěn)定系數(shù)為K=所以在本設(shè)計中無明顯漏液。6.3.1.5液泛對一般物系，取φ值為0.5，那么φ板上不設(shè)進口堰hHH在本次精餾塔設(shè)計中，精餾段不會發(fā)生液泛。綜上所述，精餾段塔板流體力學驗算合格。6.3.2提餾段流體力學驗算6.3.2.1塔板壓降的估算(a)干板阻力hc因為根據(jù)該數(shù)據(jù)查閱干篩孔的流量系數(shù)曲線圖，得ch(b)上升氣相穿過塔板上混合液的阻力估算uF根據(jù)此數(shù)據(jù)查閱充氣系數(shù)關(guān)系圖得，β=0.584，故h(c)液體表面張力的阻力計算液體表面張力所產(chǎn)生的阻力：h氣相穿過液層的高度hPh氣體通過液層的壓降估算：?6.3.2.2液面落差因為篩板塔的液面落差比較小，本次設(shè)計的精餾塔塔徑和氣液相負荷都不大，所以頁面落差完全可以忽略。6.3.2.3液沫夾帶量he小于0.1kg液/kg氣，所以在本次設(shè)計的精餾塔中提餾段液沫夾帶量ev6.3.2.4漏液提餾段漏液點的氣速估算：u=4.4×0.771×=6.8899m/s而實際孔速u穩(wěn)定系數(shù)為K=所以在本設(shè)計中無明顯漏液。6.3.2.5液泛對一般物系，取φ值為0.5，那么φ(板上不設(shè)進口堰hHH根據(jù)計算在本次精餾塔設(shè)計中，提餾段不會發(fā)生液泛。綜上所述，精餾塔提餾段塔板流體力學驗算合格。6.4塔板負荷性能圖6.4.1精餾段塔板負荷性能圖6.4.1.1漏液線hhV=4.4×=6.4.1.2液沫夾帶線以evuhHeV6.4.1.3液相負荷下限線本次精餾塔設(shè)計精餾段溢流堰采用平直堰，假定0.006為hOWh精餾段取E=1.010，則L6.4.1.4液相負荷上限線假設(shè)精餾塔中精餾段液相在降液管內(nèi)下降的時間θ=4s。θ=L6.4.1.5液泛線令Hd=φ(HT+hW)，φ整理得：a式中：abcdV6.4.1.6精餾段塔板負荷性能圖及操作彈性通過計算得到Ls、Vs公式結(jié)果，繪制精餾段塔板負荷性能圖，詳見下圖6-1：圖6-SEQ圖\*ARABIC\s11精餾段塔板負荷性能圖查圖7-1可以得到：Vs,max=124.637，因此，所設(shè)計的精餾塔精餾段的操作彈性是：V6.4.2提餾段塔板負荷性能圖6.4.2.1漏液線hhV=4.4×0.771×0.1008×43.9243=249.1722×6.4.2.2液沫夾帶線以evuhHeV6.4.2.3液相負荷下限線本次精餾塔設(shè)計提餾段溢流堰采用平直堰，假定0.006為hOWh提餾段取E=1.011，則L6.4.2.4液相負荷上限線假設(shè)精餾塔中提餾段液相在降液管內(nèi)下降的時間θ=4s。θ=L6.4.2.5液泛線令Hd=φ(HT+hW)，φ整理得：a式中：abcdV6.4.2.6提餾段塔板負荷性能圖及操作彈性通過計算得到的Ls、Vs公式結(jié)果，繪制提餾段塔板負荷性能圖，詳見下圖6-2：圖6-2提餾段塔板負荷性能圖查圖6-2可以得到：Vs,max=61.635，因此，所設(shè)計的精餾塔提餾段的操作彈性是：V6.5接管設(shè)計6.5.1進料管本設(shè)計采用直管進料管，管徑計算如下：D取VD根據(jù)化工設(shè)備機械基礎(chǔ)第126頁，選取進料管參數(shù)如表6-1所示：公稱直徑/mm外徑/mm壁厚/mm內(nèi)孔截面積/cm22002196336.54表6-SEQ表\*ARABIC\s11進料管參數(shù)6.5.2回流管本設(shè)計采用直管回流管，取uR=1.6msd根據(jù)化工設(shè)備機械基礎(chǔ)第126頁，選取回流管參數(shù)如表6-2所示：公稱直徑/mm外徑/mm壁厚/mm內(nèi)孔截面積/cm240042691307.41表6-SEQ表\*ARABIC\s12回流管參數(shù)6.5.3塔底出料管本設(shè)計采用直管出料，取uw=1.6msd由化工設(shè)備機械基礎(chǔ)第126頁，選取塔底出料管參數(shù)如表6-3所示：公稱直徑/mm外徑/mm壁厚/mm內(nèi)孔截面積/cm21501594.5176.71表6-SEQ表\*ARABIC\s13塔底出料管參數(shù)6.5.4塔頂蒸汽出料管本設(shè)計采用直管出氣，取u=40ms，管徑計算如下：d參考化工設(shè)備機械基礎(chǔ)第126頁，選取塔頂蒸汽出料管參數(shù)如表6-4所示：公稱直徑/mm外徑/mm壁厚/mm內(nèi)孔截面積/cm2180018301525446.90表6-SEQ表\*ARABIC\s14蒸汽出料管參數(shù)6.5.5塔底進氣管本設(shè)計采用直管進氣，取u=40ms，管徑計算如下：d根據(jù)化工設(shè)備機械基礎(chǔ)第126頁，選取塔底進氣管參數(shù)如表6-5所示：公稱直徑/mm外徑/mm壁厚/mm內(nèi)孔截面積/cm2130013301513273.23表6-SEQ表\*ARABIC\s15塔底進氣管參數(shù)6.5.6法蘭考慮在常壓下操作，所有法蘭均采用標準管法蘭，平焊法蘭，由不同的公稱直徑，選用相應(yīng)的法蘭。6.6筒體與封頭6.6.1筒體δ=壁厚選52mm，所用材質(zhì)為A3。6.6.2封頭封頭分為凸形與凹形封頭，本設(shè)計選凸形橢圓封頭，標準橢圓封頭的幾何結(jié)構(gòu)和受力狀況穩(wěn)定，橢圓封頭，圓筒和筒體壁厚相等，本設(shè)計選擇橢圓形封頭的壁厚度為δ=52mm。本設(shè)計用橢圓形封頭，公稱直徑9000mm，參考化工設(shè)備機械基礎(chǔ)第229頁，選取橢圓形封頭參數(shù)如表6-6所示：公稱直徑DN/mm曲面高度hi/mm直邊高度ho/mm內(nèi)表面積F/m2容積V/m3厚度δp/mm質(zhì)量G/kg900022505089.216598.60675235038.52表6-SEQ表\*ARABIC\s16橢圓形封頭參數(shù)6.7其他塔附件6.7.1裙座筒體裙支承結(jié)構(gòu)簡單、造價合理，在塔架設(shè)備的支承中得到了廣泛的應(yīng)用。因為本次設(shè)計的塔架直徑超過800毫米，所以裙座的壁厚取52毫米。由于塔的直徑很大，座環(huán)和塔體之間采用了對接焊接的方法。該裙座座圈、基礎(chǔ)環(huán)、螺栓座、人孔等構(gòu)成。座環(huán)是裙形支撐結(jié)構(gòu)的重要組成部分，它一般是一個由鋼板卷成的圓柱體，上部焊接在塔體的底部蓋上，下部焊接在基礎(chǔ)環(huán)上。座環(huán)承擔了塔架所有的外部荷載，本設(shè)計中采用圓筒形裙座，由于裙座內(nèi)徑>800mm，故裙座壁厚取52mm?；A(chǔ)環(huán)內(nèi)徑：D基礎(chǔ)環(huán)外徑：D圓整：Dbi=8800mm，6.7.2吊柱對戶外高的無框式整體塔設(shè)備來說，在塔頂設(shè)置吊柱，對內(nèi)部構(gòu)件的安裝與拆除，既經(jīng)濟又便利，通常在10米或更高的建筑物上都要設(shè)吊柱，而在本次設(shè)計中，由于塔樓的高度比較大，所以設(shè)置了吊柱。設(shè)計塔徑D=9000mm，參考《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)(第四版)》第510頁，選取吊柱s=5000mm，L=4850mm，H=1350mm。。6.7.3人孔精餾塔中有28塊塔板數(shù)，需要設(shè)置6個人孔，人孔的直徑為450mm，人孔處板間距為800mm，裙座應(yīng)開兩個人孔，直徑為450mm，人孔伸入塔內(nèi)部應(yīng)與塔內(nèi)壁修平。6.8塔總體高度設(shè)計6.8.1塔的頂部空間塔中最高塔盤至塔頂封頭垂直邊緣（不含封頭）的距離。為了使液滴能夠被塔氣體夾帶下降，高度應(yīng)大于板間距，塔徑一般取1.5~2.0倍。設(shè)計中取1.5倍，即3500mm。指塔底第一塊塔板到塔底封頭的距離（不包括封頭）。要求如下：（1）塔底液面離塔板最下層需要留1~2m的間距；設(shè)計中預留2.300m的間距。（2）塔底儲液空間根據(jù)儲存液體量的停留時間3~8min定。本設(shè)計停留時間取6分鐘。L儲液空間高度計算方法=q’vL(m3/min)×停留時間(min)/塔截面積(m2)。=731.056×6/(60×=1.149（這里取1.200m）塔底空間高度等于以上兩個高度之和，所以底部空間高度3500mm。6.8.2塔的立體高度H=H頂+H底+H塔頂出氣管高度+（NP-1-n人孔+2）HT+H人孔+H裙座H=3500+3500+2400+(10-1-1)×500+(18-2-1)×400+(6-2)×800+6000=28600mm6.9附屬設(shè)備6.9.1冷凝器塔頂上升的水蒸汽經(jīng)過冷凝塔（全凝塔），冷凝成液態(tài)。未被冷凝的進入回流塔，冷凝后的作為產(chǎn)品，其余蒸汽進入冷凝，冷到常溫及為產(chǎn)品取出進行下一工序。相比大型裝置，采用列管式換熱器，可以有效完成冷卻作用，由于水具有對流傳熱系數(shù)，且容易結(jié)垢，采用冷卻水走管程，蒸汽走殼程，這樣不僅安裝方便且換熱量大。假如換熱器為逆流，冷水的入口溫度為25.00℃，設(shè)出口溫度為35.00℃，列管式換熱器的K值參考見化工原理上冊P364，取傳熱系數(shù)K=600W/(m2·K)。塔頂溫度tD=54.5℃??平均傳熱溫度差，按逆流計算，依下式得：Δ由tD=54.5℃塔頂氣體被冷凝量：V冷凝的熱量：Q=取傳熱系數(shù)：K=600則，傳熱面積：A=冷卻水流量：W考慮到水與塔內(nèi)兩種介質(zhì)之間沒有相轉(zhuǎn)變換熱過程，加之水的對流換熱系數(shù)普遍偏高，并且易于結(jié)垢，因此，擬采用冷卻水流經(jīng)換熱器管內(nèi)，而塔頂蒸氣走殼程。6.9.2再沸器塔底溫度tW=215.07℃，所用飽和水蒸氣壓力：3.058MPa(絕壓，即235.00℃飽和水蒸汽)，釜液出口溫度t1??平均傳熱溫度差，按逆流計算，依下式得：Δ由tW=215.07℃塔底液體被加熱量：V加熱的熱量：Q=取傳熱系數(shù)：K=800則，傳熱面積：A=加熱蒸汽流量：W6.9.3原料預熱器預熱器的原料走管程，飽和水蒸氣走殼程，采用逆流的方式，飽和蒸汽的進口溫度為235.00℃，設(shè)冷凝水為飽和水，取傳熱系數(shù)K=450W/（m2?K）。原料液初溫25℃，塔進料溫度t??平均傳熱溫度差，按逆流計算，依下式得：Δ每小時處理原料量：82850.43