04万吨煤制甲醇精馏工艺设计课程设计毕业设计.docx

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04万吨煤制甲醇精馏工艺设计课程设计毕业设计

陕西能源职业技术学院课程设计

40万吨煤制甲醇精馏工艺设计

学生姓名：

**********************************

专业：

应用化工技术

系部：

地质测量系

摘要

甲醇是煤化工中非常重要的有机产品，在甲醇合成工业生产过程中，粗甲醇的精制不仅是决定甲醇产品质量的重要工序，而且也是影响甲醇生产成本的关键因素之一。

换热器是化工生产中重要的通用热工设备之一，管壳式换热器以其结构简单、牢固、操作弹性大等特点被广泛应用于工业生产中。

本文的研究对象是四塔甲醇精馏工艺，与传统工艺相比新工艺能够节约能量，节约软水；但是同时新工艺增加了系统的藕合程度，加强了塔之间的关联性，提高了系统对于进料波动的响应的复杂性，给控制带来了很大的难题。

为了能够实现新工艺的工业应用，对新工艺进行详细的研究。

关键词：

甲醇精馏，AspenPlus模拟，换热器计算，设备选型

前言

甲醇是重要的有机基本产品，用途非常广泛。

甲醇的产品质量、能耗指标是甲醇精馏系统的关键因素。

甲醇精馏工艺对整个甲醇生产流程的生产能力、产品质量、能源消耗与原料消耗、环境保护都有重大影响。

精馏过程占总能耗的很大部分，甲醇生产能耗其中约60%就用于精馏过程。

精馏投资约占项目总投资的30%-40%。

要研究和开发一种新工艺，传统的方法是先进行实验，再经过小试、中试、工业规模生产等等逐级放大的过程，周期长，投资大。

应用流程模拟软件，对工艺流程进行模拟，则很容易实现对流程的考察，可以改进工艺流程布置，优化工艺操作参数，只要选择的模型及热力学方法适当，模拟结果是相当可靠的，可以用来指导生产，或者为装置改造以及新装置的设计提供基础数据。

国内一些甲醇生产装置，甲醇精馏能耗较高、产品收率较低、甚至一些装置的甲醇产品质量较差。

同时，国内甲醇产能的扩张很迅速，但是目前新项目设计还是沿袭以往设计为主、没有足够的甲醇精馏系统设计应用理论研究基础。

因此，对甲醇精馏工艺作系统的研究对于甲醇精馏系统的合理设计、通过设备改造和调整工艺来降低甲醇精馏的能耗、提高甲醇产品质量和收率有突出的现实意义。

现本文通过查阅国内外文献和实际生产中的工艺资料，利用流程模拟软件，使用专有的物性热力学包模拟计算了四塔甲醇精馏工艺流程，并和实际的工艺数据进行了对比，同时对常规甲醇精馏工艺的不同流程的设计参数和操作参数进行了总结和分析，提出了甲醇精馏系统的工艺设计原则和设备设计原则。

在此基础之上对于甲醇精馏系统提出了新的改进流程和全新流程的开发。

对于甲醇工业的发展具有重要的意义。

由于本人水平有限，文章中有不妥之处还望老师批评指正。

第一章文献综述

1.1研究背景

1.1.1课题的提出

粗甲醇中含有多种有机杂质和水分，需要精制。

精制过程包括精馏与化学处理。

化学处理主要用碱破坏在精馏过程中难以分离的杂质，并调节pH。

精馏主要是除去易挥发组分，如二甲醚、以及难以挥发的组分、高级醇、水等[1]。

在确定粗甲醇精馏的工艺流程时，应对生产过程中能耗、自动化程度、精甲醇质量要求等进行综合考虑，合理选择适当的精馏方法。

甲醇精馏过程的物耗与粗甲醇质量关系很大，随着甲醇合成条件改进，甲醇精馏工艺出现了较大变化。

根据甲醇质量要求不同，甲醇精馏可分为一塔流程、双塔流程和三塔流程。

另外，ICI公司上世纪80年代末为节省能耗，还将双塔流程改为四塔流程。

因此，对甲醇精馏工艺作系统的研究对于甲醇精馏系统的合理设计、通过设备改造和调整工艺来降低甲醇精馏的能耗、提高甲醇产品质量和收率有突出的现实意义。

现本文通过查阅国内外文献和实际生产中的工艺资料，利用流程模拟软件，使用专有的物性热力学模拟计算了四塔甲醇精馏工艺流程，并和实际的工艺数据进行了对比，同时对常规甲醇精馏工艺的不同流程的设计参数和操作参数进行了总结和分析，提出了甲醇精馏系统的工艺设计原则和设备设计原则。

1.1.2研究目标

本论文的研究目标是：

甲醇精馏工段进行初步设计

（1）通过热力学原理对甲醇精馏工段的工艺流程进行选择，进行物料衡算和能量衡算；

（3）根据换热器的热力计算、流动计算、结构计算和强度设计，对换热器进行合理的选型；

（4）利用AutoCAD软件，绘制甲醇精馏工段的物料流程图、带控制点的工艺流程图、冷却器的设备图、

0.000平面的精馏工段设备布置图。

1.2甲醇的简介

纯甲醇为无色透明略带乙醇气味的易挥发液体，沸点65℃，熔点-97.8℃，和水相对密度0.7915。

甲醇能和水以任意比互溶，但不形成共沸物，能和多数常用的有机溶剂（乙醇、乙醚、丙酮、苯等）混溶，并形成恒沸混合物。

甲醇剧毒，内服10ml有失明危险，30ml能导致人死亡，空气中允许最高甲醇蒸汽浓度为0.05mg/h。

易燃烧，其蒸汽能和空气形成爆炸性混合物，爆炸极限6.0～36.5%（体积）[2]。

甲醇具有上述多种重要的物理化学性质，使它在许多工业部门得到广泛的用途，特别是由于能源结构的改变，和C化学工业的发展，甲醇的许多重要的工业用途正在研究开发中。

例如甲醇可以裂解制氢，用于燃料电池，日益引人注目。

甲醇通过ZMS-5分子筛催化剂转化为汽油已经工业化为固体燃料转化为液体燃料开辟了捷径。

甲醇加一氧化碳加氢可以合成乙醇。

又如甲醇可以裂解制烯烃。

这对石油化工原料的多样化，面对石油资源日渐枯竭对能源结构的改变，具有重要意义。

甲醇化工的新领域不断地被开发出来其广度和深度正在发生深刻的变化。

1.3甲醇精馏流程发展

1.3.1工艺流程概述

常规甲醇精制流程可以分为两大部分，第一部分是预精馏部分，另一部分是主精馏部分。

预精馏部分除了对粗甲醇进行萃取精馏脱出某些烷烃的作用之外，另外的还可以脱除二甲醚，和其它轻组分有机杂质。

其底部的出料被加到主塔的中间入料板上，主塔顶部出粗甲醇，底部出废液，下部侧线出杂醇[3]。

甲醇市场竞争非常激烈，特别是近年来，随着甲醇精馏技术的进步和计算机在该领域的广泛应用，老的工艺装置由于能耗过高，在市场竞争力下降，技术更新和技术进步成为必走之路。

1.3.2典型的工艺流程

甲醇精馏产生工艺有多种，分为单塔精馏，双塔精馏，三塔精馏与四塔精馏[4]。

（1）单塔流程描述

单塔流程（见图1.1）为粗甲醇产品经过一个塔就可以采出产品。

粗甲醇塔中部加料口送入，轻组分由塔顶排出，高沸点的重组分在进料板以下若塔板处引出，水从塔底排出，产品甲醇在塔顶以下若干块塔板引出。

图1.1甲醇精馏工艺的单塔流程（aspen模拟图）

（2）双塔流程描述[5]

从合成工序来的粗甲醇入预精馏塔，此塔为常压操作。

为了提高预精馏塔后甲醇的稳定性，并尽可能回收甲醇，塔顶采用两级冷凝。

塔顶经部分冷凝后的大部分甲醇、水及少量杂质留在液相作为回流返回塔，二甲醚等轻组分（初馏分）及少量的甲醇、水由塔顶逸出，塔底含水甲醇则由泵送至主精馏塔。

主精馏塔操作压力稍高于预精馏塔，但也可以认为是常压操作，塔顶得到精甲醇产品，塔底含微量甲醇及其它重组分的水送往水处理系统（见图1.2）。

图1.2甲醇精馏工艺的双塔流程

（3）三塔流程描述

从合成工序来的粗甲醇入预精馏塔，在塔顶除去轻组分及不凝气，塔底含水甲醇由泵送加压塔。

加压塔操作压力为57bar（G），塔顶甲醇蒸气全凝后，部分作为回流经回流泵返回塔顶，其余作为精甲醇产品送产品储槽，塔底含水甲醇则进常压塔。

同样，常压塔塔顶出的精甲醇一部分作为回流，一部分与加压塔产品混合进入甲醇产品储槽。

三塔流程（见图1.3）的主要特点是，加压塔塔顶冷凝潜热用作常压塔塔釜再沸器的热源，这样既节省加热蒸汽，还节省冷却水，达到节能的目的。

[6]

图1.3甲醇精馏工艺的三塔流程

（4）四塔流程描述

四塔流程（见图1.4）包含预精馏塔、加压精馏塔、常压精馏塔和甲醇回收塔。

粗甲醇经换热后进入预精馏塔，脱除轻组分后（主要为不凝气、二甲醚等），塔底甲醇及高沸点组分加压后进入加压精馏塔；加压精馏塔顶的气相进入冷凝蒸发器，利用加压精馏塔和常压精馏塔塔顶、塔底的温差，为常压塔塔底提供热源，同时对加压塔塔顶气相冷凝。

冷凝后的精甲醇进入回流罐，一部分作为加压塔回流，一部分作为精甲醇产品出装置；加压塔塔底的甲醇、高沸组分、水等进入常压塔，常压塔顶馏出精甲醇产品，在进料板下方设置侧线抽出，抽出物主要为甲醇、水和高沸点组分，进入甲回收塔再回收甲醇，塔底废水进入生化系统处理；回收塔设有侧线抽出，主要抽出物为高沸点醇类，以保证回收塔塔顶精甲醇质量和塔底废水中总醇含量要求，塔底废水送生化处理。

图1.4甲醇精馏工艺的四塔流程

1.3.3影响精馏操作的因素与调节

（1）进料状态[7]

精馏塔的进料（含水甲醇）:

当进料状况发生变化（回流比、塔顶精馏产物的组成固定）时，这直接影响到提馏段回流量的改变，进料板的位置也随着改变，将引起理论板数和精馏段、提馏段塔板数分配的改变。

对于固定进料状况的精馏塔来说，进料状况的改变，将会影响到产品质量及损失情况的改变。

（2）回流比

回流比对精馏塔操作影响很大，直接关系着塔内各层扳上的物料浓度的改变和温度的分布。

最终反映在塔的分离效率上，是重要的操作参数之一。

一般情况下，选取适宜回流比为最小回流比的1.3～2倍。

两塔甲醇精馏甲醇主精馏塔的回流比为2.0～2.5。

其调节的依据是根据塔的负荷和精甲醇的质量。

当塔的热负荷较低时，可以取较低的回流比比较经济，为保证精甲醇的质量，精馏段灵敏板的温度可以控制的略低;反之，则增大回流比，在照顾精甲醇质量的同时，为保持塔釜温度，灵敏板温度可控制略高。

对粗甲醇精馏，回流比过大或过小，都会影响精馏操作的经济性和精甲醇的质量，一般在正常生产条件受到破坏或产品不合格时，才调节回流比;调节后尽可能保持塔釜的加热量稳定，使回流比稳定。

在调节回流的同时，要注意板式塔的操作特点，防止液泛和严重漏液，都将会造成塔内操作温度的混乱。

当改变回流比时，由于操作的变动，必然会引起塔内每层板上浓度（组成）和温度的改变，影响甲醇的质量和甲醇的收率，必须通过调节，控制塔内适宜的温度，达到新的平衡，在粗甲醇含量和产量确定的条件下，甲醇精馏系统正确的设计十分关键。

（3）进料量和组成

甲醇精馏塔进科量和组成改变时，都会破坏塔内物料平衡和气液平衡，引起塔温的波动，如不及时调节，将会导致精甲醇的质量不合格或者增加甲醇的损失。

随着进料量的调节，各层塔板上的气液组成重新分配，可以控制一定的灵敏板温度与之相适应。

粗甲醇的组成一般是比较稳定的，只是在合成催化剂使用的前后期随着反应温度的升高而变化较大。

但是预精馏后的含水甲醇中，甲醇浓度总会有些小幅度波动。

不论是其中甲醇浓度增加或降低，都会造成塔内物料不平衡，形成轻组分下降或重组分上升，引起塔釜温度降低或塔项温度升高，加大了甲醇损失或降低了精甲醇的质量。

这时，在回流比仍属适宜的情况下，只需对精甲醇的采出量稍作调节，就可达到塔温稳定，物料和气液又趋平衡;如果粗甲醇的组分变化较大时，则需适当改变其进料板的位置，或是改变回流比，才保证粗甲醇的分离效率。

当合成催化剂后期生产的粗甲醇进行蒸馏时，有时为确保精甲醇的质量，以保证精馏塔进料位置降低，同时适当加大回流比。

如前所述，对粗甲醇精馏塔的操作概念，可以概括如下:

在稳定塔压的前提下，采用在较高蒸汽速度（负荷）下操作，既提高传质效果又最经济;选择适宜的回流比，降低能量消耗;一般在进料稳定和变化缓慢的情况下，通过经常性小量调节精甲醇和重组分的采出量，以保持塔温的合理分布和稳定，维持好塔内三个平衡，使产品甲醇达到质量指标，同时回收副产品──重组分，并尽最大可能降低残液中有机物的含量。

第二章甲醇精馏工段物料衡算

2.1甲醇精馏原理

甲醇精馏的目的，是实现甲醇与水及有机物等杂质的分离，生产出合格的精甲醇产品。

本课题研究四塔甲醇精馏工段工艺，,包括预精馏塔、加压塔、常压塔以及回收