30kta甲醇精馏工艺设计论文Word文档格式.docx
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引言
甲醇用途广泛，是基础的有机化工原料和优质燃料。
主要应用于精细化工，塑料等领域，用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲酯等多种有机产品，也是农药、医药的重要原料之一。
我国甲醇消费结构与国外类似，最大消费领域是甲醛生产，消费比例约为40%，在抗生素类药物生产过程中，需要用甲醇溶媒洗涤晶体，洗涤过滤后产生废甲醇溶媒，其组成为含甲醇46%、水54%（质量分数），另含有少量的药物固体微粒。
由于甲醇消费市场的不断扩大，促使了甲醇生产工艺和提纯工艺的不断改进，使其成本生产规模日益扩大，生产成本不断下降。
因此如果能有一套分离效率高，所花成本又低的工艺设备来有效进行废甲醇溶媒的甲醇分离是具有极为重要的经济意义的。
基于以上各种原因以及需求现状，为使废甲醇溶媒重复利用，节约资源。
由于筛板塔结构简单，造价低廉，气体压降小，板上液面落差也较小，生产能力及板效率较高，所以做下面的板式塔精馏工艺设计。
第1章概述
甲醇是最简单的化学品之一，是重要的化工基础原料和清洁液体燃料，广泛应用于有机合成、染料、医药、农药、涂料、汽车和国防等工业中。
甲醇最早由木材和木质素干馏制得，故俗称木醇。
木材在长时间加热碳化过程中，产生可凝和不可凝的挥发性物质，这种被称为焦木酸的可凝性液体中含有甲醇、乙酸和焦油。
除去焦油的焦木酸可通过精馏分离出天然甲醇和乙酸。
生产1Kg的甲醇大约需要60-80Kg的木材。
这是生产甲醇的最古老的方法。
甲醇是一种无色、透明、易燃、易挥发的有毒液体，常温下对金属无腐蚀性（铅、铝除外），略有酒精气味。
分子量32.04，相对密度为0.792（204℃），熔点-97.8℃，沸点64.5℃，燃烧热725.76KJmol，闪点12.22℃，自燃点463.89℃，蒸气密度1.11，蒸气压13.33KPa（100mmHg21.2℃），蒸气与空气混合物爆炸极限为6～36.5%（体积比），能与水、乙醇、乙醚、苯、酮、卤代烃和许多其他有机溶剂相混溶，遇热、明火或氧化剂易燃烧。
燃烧反应式为：
CHOH+O→CO+HO
甲醇在深加工后可作为一种新型清洁燃料，也加入汽油燃烧。
甲醇和氨反应可以制造一甲胺。
甲醇的生产，主要是合成法，尚有少量从木材干馏作为副产回收。
合成的化学反应式为：
2H+CO→CHOH。
合成甲醇可以固体（如煤、焦炭）液体（如原油、重油、轻油）或气体（如天然气及其他可燃性气体）为原料，经造气净化（脱硫）变换，除去二氧化碳，配制成一定的合成气（一氧化碳和氢）。
在不同的催化剂存在下，选用不同的工艺条件。
单产甲醇（分高压法低压和中压法），或与合成氨联产甲醇（联醇法）。
将合成后的粗甲醇，经预精馏脱除甲醚，精馏而得成品甲醇。
高压法为BASF最先实现工业合成的方法，但因其能耗大，加工复杂，材质要求苛刻，产品中副产物多，今后将由ICI低压和中压法及Lurgi低压和中压法取代。
甲醇生产过程比较简单,原料来源多样,煤、石脑油和天然气均可制甲醇。
甲醇用途广泛,它的下游产品多达几百种。
近年来由于世界各国环保意识的加强,特别是美国国会于1990年11月15日通过清洁空气法修正案以后,甲醇的身价备增,全球甲醇的需求增长加快。
据全国化学工程技术委员会副主任、中石化宁波工程有限公司副总工程师唐宏青介绍，国内煤基甲醇每吨产品能耗为50～60吉焦，耗煤1.6吨左右，耗水22～30吨。
以天然气为原料生产的甲醇每吨产品能耗约为40吉焦，耗天然气900～1150立方米，耗水16～20吨。
我国小型联醇装置每吨产品耗能则高达70吉焦。
而国外大型甲醇装置基本都以天然气为原料，并且每吨产品能耗只有25～30吉焦，耗天然气760～920立方米，耗水10～15吨。
未来甲醇生产装置将具有一下特点：
低投资成本为前提的大型、单列装置；
可靠性较高的先进技术；
环境污染小的生产技术。
甲醇作为一种原材料用于甲醛的生产中，甲醛后来又用为多羟基化合物的原材料。
因为在废液中分离的甲醇和甲醛有很高的产品收率，所以在用于分离那些混合物的时候被认为是更经济和节约的方法，并且可以被用在各自工艺流程的原材料。
这种精心研究的分离技术是精馏。
这种精馏工艺的主要目标是：
通过实验室精馏学习到关于分离的知识；
通过比较试验数据来模拟系统和完善模型；
估计分离流程的设备规格和费用。
合成甲醇，首先是制备原料氢和碳的氧化物。
一般以含碳氢或含碳的资源如天然气、石油气、石脑油、重质油、煤和乙炔尾气等，用蒸汽转化或部分氧化加以转化，使其生成主要由氢、一氧化碳、二氧化碳组成的混合气体，甲醇合成气要求（H－CO）（CO+CO）=2.1左右。
合成气中还含有未经转化的甲烷和少量氮，显然，甲烷和氮不参加甲醇合成反应，其含量越低越好，但这与制备原料气的方法有关；
另外，根据原料不同，原料气中还可能含有少量有机和无机硫的化合物。
为了满足氢碳比例，如果原料气中氢碳不平衡，当氢多碳少时（如以甲烷为原料），则在制造原料气时，还要补碳，一般采用二氧化碳。
第2章甲醇工艺流程
2.1精馏反应设计方案的选择
精馏装置包括精馏塔、原料预热器，再沸器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷却器等设备。
精馏过程按操作方式的不同，分为连续精馏和间歇精馏两种流程。
连续精馏具有生产能力大，产品质量稳定等优点，工业生产中以连续精馏为主。
间歇精馏具有操作灵活，适应性强等优点，适合于小规模、多品种或多组分物系的初步分离。
精馏是通过物料在塔内的多次部分气化与多次部分冷凝实现分离的，热量自塔釜输入，由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走。
在此过程中，热能利用率很低，为此，在确定装置流程时应考虑余热的利用。
譬如，用原料作为塔顶产品冷却器的冷却介质，既可将原料预热，又可节约冷却介质。
另外，为保持塔的操作稳定性，流程中除用泵直接送入塔原料外也可采用高位槽送料，以免受泵操作波动的影响。
塔顶冷凝装置可采用全凝器、分凝器-全凝器两种不同的设置。
工业上以采用全凝器为主，以便于准确地控制回流比。
塔顶分凝器对上升蒸汽有一定的增浓作用，若后续装置使用气态物料，则宜用分凝器。
总之，确定流程时要较全面、合理的兼顾设备、操作费用、操作控制及安全诸因素。
操作压力的选择：
精馏过程按操作压力不同，分为常压精馏、减压精馏和加压精馏。
一般除热敏性物系外，凡通过常压精馏能够实现分离要求，并能用江河水或循环水将馏出物冷凝下来的物系，都应采用常压精馏；
对热敏系物系或者混合物泡点过高的物系，则宜采用减压蒸馏；
对常压下馏出物的冷凝温度过低的物系，需提高塔压或者采用深井水、冷冻盐水作为冷却剂；
而常压下呈气态的物系必须采用加压精馏。
例如苯乙烯常压沸点为145.2℃，而将其加热到102℃以上就会发生聚合，故苯乙烯应采用减压蒸馏；
脱丙烷塔操作压力提高到1765KPa时，冷凝温度约为50℃，便可用江河水或者循环水进行冷却，则运转费用减少；
石油气常压呈气态，必须采用加压精馏。
进料热状况的选择：
精馏操作有五种进料热状况，进料热状况不同，影响塔内各层塔板的气、液相负荷。
工业上多采用接近泡点的液体进料和液体进料，通常用釜残液预热原料。
若工艺要求减少塔釜的加热量，以避免釜温过高，料液产生聚合或结焦，则应采用气态进料。
加热方式的选择：
蒸馏大多采用间接蒸汽加热，设置再沸器。
有时也可采用直接蒸汽加热，例如精馏釜残液中的主要组分是水，且在低浓度下轻组分的相对挥发度较大时（如乙醇与水混合液）宜用直接蒸汽加热，其优点是可以利用压力较低的加热蒸汽以节省操作费用，并省掉间接加热设备。
但由于直接蒸汽的加入，对釜内溶液起一定稀释作用，在进料条件和产品纯度、轻组分收率一定的前提下，釜液浓度相应降低，故需要在提馏段增加塔板以达到生产要求。
回流比的选择：
回流比是精馏操作的重要工艺条件，其选择的原则是使设备费和操作费用之和最低。
设计时，应根据实际需要选定回流比，也可参考同类生产的经验值选定。
必要时可选用若干个R值，利用简捷法求出对应理论板数N，作出N-R曲线，从中找出适宜操作回流比R,也可作出R对精馏操作费用的关系线，从中确定适宜回流比R。
2.2精馏原理以及塔设备的选择
2.2.1精馏原理
精馏是多级蒸馏过程。
精馏是利用混合液中组分挥发度的差异，实现组分高纯度分离的多级蒸馏操作，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝的过程。
为了使废液中的甲醇和水得到较好的分离，使废甲醇溶媒重复利用，应对废甲醇溶媒进行精馏。
溶液的气液平衡是蒸馏过程的热力学基础，是精馏操作分析和过程计算的重要依据。
气液平衡可用气液平衡方程或相图表示。
精馏是利用混合液中组分挥发度的差异，实现组分高纯度分离的多级蒸馏操作，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝和部分冷凝的过程。
精馏过程原理可以用如图2-1所示物系的t-x-y相图来说明。
图2-1
将组成为xF的混合液升温至泡点以上使其部分汽化，并将气液分开，两相的组成分别为y1和x1。
由图看出，y1﹥xF﹥x1。
两相的量由杠杆规则确定。
若将组成为x1的液相继续进行部分汽化，则可得到组成为y2,的气相和组成为x2’的液相。
如此将液体混合物进行多次部分汽化，在液相中可得到高纯度的难挥发组分产品。
同时，将组成为y1的气相进行多次部分冷凝，在气相可获得高纯度的易挥发组分产品[5]。
上述分别进行液相部分汽化和气相部分冷凝的过程，原理上可以获得混合物高纯度的分离，但因产生大量中间馏分而使所得产品量极少，收率极低。
工业上的精馏过程是在精馏塔内将部分汽化和部分冷凝过程有机耦合而进行操作的。
2.2.2进行精馏反应的塔设备的选择
塔器是一种高径比很大的设备，它可使汽液、气液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际间传热的目的，因此是化工、炼油生产中最重要的设备之一。
精馏、吸收、解吸和萃取等单元操作都可以在塔设备中完成。
按照塔内气液流动的方式，可将塔板分为错流式与逆流式。
错流式上带有降液管，在每层塔板上保持一定的液层厚度，气体垂直穿过液层，但对整个塔来说，两相为逆流流动。
错流式塔板广泛应用于精馏、吸收等传质操作中。
逆流塔板也称为穿流板，板上不设降液管，汽液两相同时由板上孔道逆向穿流而过[6]。
这种塔板的结构虽简单，板面利用率也高，但需要较高的气速才能维持板上液层，操作范围较小，分离效率也低，工业上应用较少。
塔板是板式塔的主要构件，在几种主要类型错流塔板中，应用最早的是泡罩塔，目前应用最广的是筛板塔和浮阀塔板[7]。
同时，各种新型高效塔板不断问世。
泡罩塔板的优点是因生气管高出液层，不易发生漏液现象，液气比范围大，有较大的操作弹性，即当气液流量有较大的波动时，仍能维持几乎恒定的板效率；
塔板不易堵塞，适宜处理各种物料。
泡罩塔板的缺点是塔板结构复杂，金属耗量大，造价高，塔板压降大，生产能力及板效率均较低。
在本次的设计中用的是筛孔塔板来进行甲醇和水的分离。
筛孔塔板简称筛板，塔板上开有许多均匀分布的小孔。
根据孔径大小，可以分为小孔径筛板和大孔径筛板两类。
筛孔在塔板上通常做正三角形排列。
在正常的操作气速下，通过筛孔上升的气流，应能阻止液体经筛孔向下泄露。
筛板塔的优点是：
结构简单，造价低廉，气体压降小，板上液面落差也较小，生产能力及板效率均较泡罩塔高。
其主要缺点是：
操作弹性小，筛孔小时容易堵塞。
采用大孔径筛板可避免堵塞，而且由于气速的提高，生产能力增大。
近年来筛板的应用日趋广泛。
塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。
它可使气（或汽）液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的．常见的、可在塔设备中完成的单元操作有：
精馏、吸收、解吸和萃取等。
此外，工业气体的冷却与回收，气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等[8]。
工业上，塔设备主要用于蒸馏和吸收传质单元操作过程。
传统的设计中，整流过程多选用板式塔，而吸收过程多选用填料塔。
近年来，随着塔设备设计水平的提高及新型塔构件的出现，上述传统已逐渐打破。
在蒸馏过程中采用填料塔及在吸收过程中采用板式塔已有不少应用范例，尤其是填料塔在经流过程中的应用已非常普遍。
对于一个具体的分离过程，设计中选择何种塔型，应根据生产能力，分离效率，塔压降，操作弹性等要求，并结合制造、维修、造价等因素综合考虑[9]。
例如，对于热敏物系的分离，要求塔压降尽可能低，选用填料塔较为适宜；
对于有侧线进料和出料的工艺过程，选用板式塔较为适宜；
对于有悬浮物或容易聚合物系的分离，为防止堵塞，宜选用板式塔；
对于液体喷淋密度极小的工艺过程，若采用填料塔，填料层得不到充分润湿，使其分离效率明显下降，故宜选用板式塔；
对于易发泡物系的分离，因填料层具有破碎泡沫的作用，宜选用填料塔。
精馏装置包括精馏塔、原料预热器，再沸器、冷凝器、釜液冷却器和产品冷气等设备。
精馏过程按操作方式的不同，分为连续精馏和间歇精馏两种流程[10]。
另外，为保持塔的操作稳定性，流程中除用泵直接送入塔原料外也可采用高位槽送料，以免受泵操作波动的影响[11]。
总之，确定流程时要较全面、合理地兼顾设备、操作费用、操作控制及安全等因素。
甲醇和水物系的分离应该采用多次蒸馏。
在化工或炼油厂中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面都有重大的影响．据有关资料报道，塔设备的投资费用占整个工艺设备投资费用的较大比例（见表）．因此，塔设备的设计和研究，受到化工、炼油等行业的极大重视[12]。
表2-1化工生产装置中各类工艺设备所占投资的比例
装置
名称
工艺设备类别
搅拌设备反应设备换热设备塔设备合计
化工和石油化工6.1522.9145.5525.39100%
煤油和煤化工2.6313.0249.5034.84100%
人造纤维12.192.3040.6144.90100%
药物和制药33.6130.6025.929.87100%
油脂工业19.588.9950.9420.49100%
油漆和涂料53.6622.0312.9111.40100%
橡胶15.3812.0457.4715.11100%
作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气（汽）液两相充分接触，以获得较高的传质效率。
此外，为了满足工业生产的需要，塔设备还得考虑下列各项传质效率。
此外，为了满足工业生产的需要，塔设备还得考虑下列各项要求：
①生产能力大。
在较大的气（汽）液流速下，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏正常操作的现象。
②操作稳定、弹性大。
当塔设备的气（汽）液负荷量有较大的波动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作。
并且塔设备应保证能长期连续操作。
③流体流动的阻力小。
即流体通过塔设备的压力降小。
这将大大节省生产中的动力消耗，以及降低经常操作费用。
对于减压蒸馏操作，较大的压力降还使系统无法维持必要的真空度。
2.2.3塔板的类型与选择
塔板是板式塔的主要构件，分为错流式塔板与逆流式塔板两类。
工业上应用以错流式塔板为主，常用的错流式塔板主要有下列几种。
①泡罩塔板
泡罩塔板是工业上应用最早的塔板，其主要元件为生气管及泡罩。
泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种，国内应用较多的是圆形泡罩。
泡罩尺寸分为Φ80mm,Φ100mm,Φ150mm三种，可根据塔径的大小选择。
通常塔径小于1000mm,选用Φ80mm的泡罩；
塔径大于2000mm,选用Φ150mm的泡罩。
泡罩塔板的主要优点是操作弹性较大，液气比范围大，不易堵塞，适于处理各种物料，操作稳定可靠。
其缺点是结构复杂，造价高；
板上液层厚，塔板压降大，生产能力及板效率较低。
近年来，泡罩塔板已逐渐被筛板、浮阀塔板所取代。
在设计中除特殊需要（如分离粘度大，易结焦等物系）外一般不宜选用。
②筛孔塔板
筛孔塔板简称筛板，结构特点为塔板上开有许多均匀的小孔。
根据孔径的大小，分为小孔径筛板（孔径为3-8mm）和大孔径筛板（孔径为10-25mm）两类。
工业应用中以小孔径筛板为主，大孔径筛板多用于某些特殊场合（如分离粘度大，易结焦的物系）。
筛板的优点是结构简单，造价低；
板上液面落差小，气体压降低，生产能力较大；
气体分散均匀，传质效率较高。
其缺点是筛孔宜堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料【15】。
应予指出，尽管筛板传质效率高，但若设计和操作不当，易产生漏液，使得操作弹性减小，传质效率下降，故过去工业上应用较为谨慎。
近年来，由于设计和控制水平的提高，可使筛板的操作非常精确，弥补了上述不足，故应用日趋广泛。
在确保精确设计和采用先进控制手段的前提下，设计中可大胆选用。
③浮阀塔板
浮阀塔板是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的，它吸收了两种塔板的优点。
其结构特点是在塔板上开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可以上下浮动的阀片。
气流从浮阀周边水平地进入塔板上液层，浮阀可根据气流流量的大小而上下浮动，自行调节。
浮阀塔板的优点是结构简单、制造方便、造价低；
塔板开孔率大，生产能力大；
由于阀片可随气量变化自由升降，故操作弹性大；
因上升气流水平吹入液层，气液接触时间较长，故塔板效率较高。
其缺点是处理易结焦、高粘度的物料时，阀片易与塔板粘结；
在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降。
应予指出，以上介绍的仅是几种较为典型的浮阀形式。
由于浮阀具有生产能力大，操作弹性大及塔板效率高等优点，且加工方便，故有关浮阀塔板的研究开发远较其他型式的塔板广泛，是目前新型塔板研究开发的主要方向。
近年来研究开发出的新型浮阀有船型浮阀、管型浮阀、梯型浮阀、双层浮阀、V-V浮阀、混合浮阀等，其共同特点是加强了流体的导向作用和气体的分散作用，使气液两相的流动更趋于合理，操作弹性和塔板效率得到进一步的提高。
但应指出，在工业
应用中，目前还多采用F1型浮阀，其原因是F1型浮阀已有系列化标准，各种设计数据完善，便于设计和对比[16]。
而采用新型浮阀，设计数据不够完善，给设计带来一定的困难，但随着新型浮阀性能测定数据的不断发表及工业应用的增加，其设计数据会逐步完善，在有较完善的性能数据下，设计中可选用新型浮阀。
本设计应采用筛板塔。
提高传质速率是对传质设备性能的根本要求。
为此，应保证分散相的良好分散，两相的适当湍动和最大可能地接近逆流流动，以期获得大的传质面积、增大传质系数、提高传质推动力。
筛孔塔板的相对生产能力为1.2～1.4，相对塔板效率为1.1，操作弹性和压力降低，结构简单，成本为0.4～0.5【17】。
与其他类型的塔板相比，选择筛板塔能获得更大的效率。
2.3工艺流程简介
如图2-2为连续操作的板式精馏塔（C-101）流
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