年产22万吨甲醇精馏工段工艺设计_毕业论文(编辑修改稿)

年产22万吨甲醇精馏工段工艺设计_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

展趋势来看，煤炭是世界化石能源储量最多的资源， 远远超过了油气的储量，而且随着气化净化技术的发展，以及甲醇作为能源产品的应用，例如车用洁净燃料以及甲醇燃料电池等原料，煤制甲醇必将重新变成合成甲醇主要的原料路线。 甲醇装置正向大型化发展，国外一共有甲醇生产装置进 110 套，每套的年平均生新乡学院本科毕业论文（设计） 6 产能力都超过 ，年总达到了 64Mt，在其中年生产能力超过 的装置近 32套，总生产能力约为 30Mt，目前正建设的大型装置的总生产能力可达 26Mt。 在未来的几年内，更多超大规模的甲醇生产装置的集中投产，必将对国际甲醇生产和消费市场产生重大的影响。 世界范围内甲醇的 生产和消费格局正在变化。 在过去的十年里，部分天然气的储量丰富而且本国的消耗量小的国家和地区，都先后建设世界级规模的甲醇生产装置，产品已经出口到美国、日本、欧洲等，以其较低的价位优势占领这些国家、地区的市场，导致了这些国家、地区甲醇生产装置的纷纷停产关闭。 而现在，拉丁美洲和中东等地区已经发展成为世界甲醇的生产集中地和全球甲醇主要出口地。 中国甲醇工业发展概况与发展前景 中国甲醇工业开始于 20 世纪 50 年代，之前利用前苏联技术曾在兰州、吉林和太原采用 ZnCr 氧化物催化剂建设高压甲醇合成装置。 到 60 年 代后，上海吴泾化工厂先后建设了以焦炭和石脑油作为原料的甲醇合成装置，南京化学工业公司研究院因研制了合成氨联醇用的中压铜基催化剂而推动了合成氨联产甲醇工业的发展。 到了 70年代，四川维尼纶厂引进中国第一套低压甲醇合成装置，用乙炔尾气作为原料，用 ICI低压冷激式合成工艺。 到了 80 年代中期，齐鲁第二化工厂又引进 Lurgi 公司低压甲醇合成装置，用渣油作为原料。 进入了 90 年代，随着甲醇的需要快速增长，通过引进技术和自主技术的开发建成数十套甲醇和联醇的生产装置，这样使我国的甲醇行业得到了前所未有的进步。 进入 21 世纪后， 随着经济的快速发展，甲醇既可以作为有机化工原料，例如制备醋酸、甲醛、二甲醚等等，又可以作为清洁的液体燃料替代品，从而得到了大量的推广使用，甲醇作为作为煤化工的主要产品也得到了快速的发展，生产能力直线上升，而且生产技术不断提高。 我国的甲醇工业发展是伴随着能源与美化工工业的发展而崛起的。 特别是近年来，由于国际油价的节节攀升，煤化工工业对发挥我国丰富的煤炭资源优势，以此补充我国油气资源的不足与满足对化工产品的需求，保障能源安全，推动煤炭清洁利用，促进我国经济的可持续发展发挥了重要作用。 煤化工产品的产量占了化学工 业（除石油和石化外）近 50%，目前合成甲醇和氨两大种基础化工产品的主要原料就是煤炭。 从 2020 年 7 月以来，我国投资体制的改革，国家不再审批投资项目，但全国各地拟新乡学院本科毕业论文（设计） 7 上和新上煤化工项目很多，大部分都以煤基合成甲醇作为主要路线。 按照规划的目标，到 2020 年我国甲醇的生产能力可达到 6000 至 7000 万吨。 甲醇可作为 “功能 ”储备来补充石油的不足。 假设甲醇生产的战略储备对于调节甲醇的市场价格、促进煤化工的长期发展和保证我国能源的安全均有重要意义。 2020 年国家标准委连续发布了甲醇燃料及 M85 甲醇汽油两个国家标准， M15 甲醇汽油等系列的国家标准也即将颁布，这些国家标准的颁布和实施必将进一步促进和加快甲醇燃料的规范发展。 甲醇转化成二甲醚燃料的生产和应用彰显出了重要的发展前景，二甲醚替代一部分石油液化气应用的范围越来越广，以二甲醚作为能源的柴油车的研制与推广步伐也正在加快。 将甲醇转化为烯烃和汽油的工业化进程也取得了重大进展，为甲醇的进一步转为石油的大宗基础产品的工业化运行创造了有利条件，也必将使甲醇的消费大增。 新型的煤化工煤制甲醇、二甲醚、烯烃等在我国能源领域里已经显示出了很重要的地位，正面临着前所未有的发展机遇和长远发展前景。 国家《煤化工产业中长期发展规划》已经表明，以煤基合成甲醇作为主要内容的新型煤化工必将进一步快速发展，以煤气化作为核心多联产技术特别是煤基甲醇 燃气联合循环发电多联产技术必将获得空前发展。 煤基甲醇合成及应用对煤炭的清洁利用非常有利，这也是发展高碳性煤炭能源低碳化利用有效途径，其前景十分广阔。 甲醇精馏方法的选择 甲醇精馏的概述 甲醇合成反应的生成与合成的反应条件密切相关，即使参加反应的元素只有碳、氢、氧三种，但往往由于合成反应条件，如压力、温度、催化剂、反应气体组成以及催化剂中的微量杂质 的作用，均可以是合成反应偏离主反应，生成各种副产物，也即甲醇中的杂质成分。 例如反应温度偏高，甲醇分离不好，会生成醚类、醛类、酮类等羰基物；进塔气中水汽浓度过高，可能生成有机酸；催化剂及设备管线中带入微量铁，那么可能有各种烃类生成；原料气中脱硫不尽，会生成硫醇、甲基硫醇，使甲醇呈异臭。 为了获得高纯度的甲醇，则必须采用精馏工艺来进行提纯，清除所有杂质。 由粗甲醇精制为精甲醇，采用精馏方法，同时根据甲醇质量，在精制的过程中，还可以采用化学净化和吸收的方法。 其整个精制过程工业上习惯称之为粗甲醇的精馏[6]。 新乡学院本科毕业论文（设计） 8 甲醇精馏方法 ⑴ 物理 精馏方法 就是利用甲醇、水、有机物杂质的挥发度不同、沸点不同，通过精馏方法将杂质、水、甲醇进行分离。 将粗甲醇精馏为纯组分，需要一个或者几个串联精馏塔。 粗甲醇原料液的关键组分为甲醇和水，其余杂质根据它们的沸点不同可以分为轻、重组分。 一般可在预精馏塔中脱出轻组分，再于主精馏塔中脱出重组分和水。 ⑵ 化学精馏方法 当采用蒸馏的方法不能将杂质降低至精甲醇所要求的指标时，则需要用化学净化的方法破坏掉这些杂质。 例如粗甲醇中含有还原性杂质，虽然采取萃取蒸馏的方法分离，但残留在甲醇中的部分 将继续影响其高锰酸钾值，若不除去继续蒸馏，则必然会造成精馏设备的复杂性、增加甲醇的损失、增加能耗等。 所以必须采取化学方法进行预处理。 总之，要以蒸馏法为主，除去粗甲醇中绝大部分的有机物和水。 至于化学净化方法，要取决于粗甲醇的质量要求是否真正需要。 工业上，采用精制粗甲醇的方法原则是：首先，精馏是必要过程，不论使用的是什么催化剂、原料气和合成条件制得的粗甲醇，都含有相当多的有机杂质和水，需要通过蒸馏的方法得到脱出；其次，粗甲醇一般情况呈弱酸性，需要用碱液中和；第三，根据粗甲醇原料也中还原性杂质的含量和对精甲醇的 质量要求，决定是否需要用化学方法进行处理。 一般情况下用锌铬催化剂以水煤气为原料所制得的粗甲醇，含有还原性杂质较多，可能需要高锰酸钾进行氧化，这样才能获得稳定性较好的精甲醇。 而铜系催化剂在较低压力和温度下合成甲醇，含有还原性的杂质很少，无需要化学净化，也可以获得高稳定性的精甲醇，因而简化了工艺流程，降低的生产成本。 新乡学院本科毕业论文（设计） 9 第 2 章 精馏工艺流程的设计 甲醇精馏工艺流程比较 铜基催化剂合成粗甲醇的单塔精馏 由于催化剂为铜基催化剂，较使用锌铬催化剂得到的粗甲醇产品中的还原性杂质的含量大大 的减少，特别是二甲醚的含量几十倍的降低了，因此在取消了化学净化步骤的同时，甚至可以将甲醇 水 重组分在一个塔内进行分离，这样就可以获得一般工业上所需要的精甲醇。 其优点是节约投资，而且减少了热能的损耗。 但是对于纯度由较高要求的下游生产流程，一步精馏得到的精甲醇远远不能满足其要求。 铜基催化剂合成粗甲醇的双塔精馏 图 21 双塔精馏工艺流程图 甲醇精馏的双塔流程是最为普遍应用的方式。 第一塔为预精馏塔，第二塔为主精馏塔，两者的再沸器的热源都是来自循环气压缩机驱动透平排出的低压蒸汽。 预精馏塔分离轻 组分和溶解的气体，如氢气、一氧化碳、二氧化碳等，塔顶大部分的水和甲醇回流。 同时从冷凝器里抽以小部分冷凝液以减少挥发性较小的轻组分。 同时为了减少塔顶所排出气体中甲醇的损失，可以在塔顶设置冷凝器二级冷凝。 主精馏塔主要除去重组分，其中包括了水、乙醇和高级醇等，同时得到符合要求的精甲醇。 原料液从预塔塔底输送到主塔进料口，高级醇从加料板以下侧线引出，含微量甲醇的水从塔底排除，而精甲醇则从塔顶处冷凝取出。 新乡学院本科毕业论文（设计） 10 该生产流程突出的优点就是可以得到纯度很到的甲醇，来满足下游产品生产的需要。 但是很明显，两个塔的能量消耗要高于单塔 精馏，所以提高能量的利用、节约能耗是对该流程的一个展望。 铜基催化剂合成粗甲醇的三塔精馏 图 22 三塔精馏工艺工艺流程图 精馏过程对能量的消耗很大，而且对热能的利用率也很低，所以精馏工序的节能有很多潜力可以发掘。 采用三塔精馏的目的就是为了更合理的利用能量，达到节能目的。 三塔精馏与双塔精馏的主要区别在于三塔精馏采用了两个主精馏塔，第一个主精馏塔为加压操作，第二个塔为常压操作，利用加压塔的塔顶蒸汽冷凝热作为第二主精馏塔再沸器的加热源。 这样不仅节约了加热蒸汽，而且也节省冷却用水，有效的利用了热 能。 粗甲醇在槽内加入碱液进行中和后进再沸器加热，然后进入预塔，在预塔顶分离出轻组分，塔釜液由预塔的塔釜送出，经过加压泵送至加压塔。 在加压塔塔顶位置形成高纯度甲醇蒸汽，这些蒸汽作为常压塔的塔底再沸器的热源，甲醇蒸汽冷凝后通过加压泵再送回到塔顶回流槽，其中一部分送往加压塔塔顶作为回流液，而另外一部分冷却后作为产品储存。 加压塔塔釜没有气化的粗甲醇溶液则靠加压精馏塔内部压力直接输送到常压塔。 常压塔塔顶生成低压高纯度的甲醇气体，进入常压塔冷凝器降温冷凝后一部分回流到塔内，一部分作为产品冷却后送往储槽，常压塔塔底残液 再做处理。 新乡学院本科毕业论文（设计） 11 可见，对于三塔精馏过程，两个主精馏塔的塔板数总和比双塔精馏主塔的塔板数增多了很多，自然而然分离的效率提高了很多，但能量的消耗反而降低了。 但是对加压塔的设备要求却提高了，长远来看，总的效益还是很明显的。 表 21 三种类型的塔对比表 精馏设备的选择 甲醇精馏段工序的主要设备包括：精馏塔、泵、冷凝器、再沸器、冷却器、贮槽等。 精馏塔的介绍和选择 对于精馏工序来说，精馏塔是是该工序进行的重要条件，设计性能良好的精馏设备，必然可以为精馏过程创造良好的条件。 精馏塔的优劣直接影响到了生产装置中产品的质量、产品的回收率、生产能力以及污水处理等环保问题。 可见设计好的精馏塔是保证工序的优先条件。 塔设备可以分为板式塔和填料塔两大类。 板式塔内设置一定数量的塔板 ，气体以鼓泡状、泡沫状、蜂窝状、或者喷射形式穿过板上的液层，进行传质、传热。 在正常操作下，气相为分散相，液相为连续相，气相组成呈阶梯变化，属于逐级接触逆流操作过程。 填料塔里装有一定高度填料层，液体从塔顶沿着填料表面往下流，气体逆流向上流，气、液两相接触密切来进行传质和传热。 在正常的情况下，气相是连续相，液相是分散相，气相的组成为连续变化，属于微分接触逆流操作过程。 在工业生产中，一般情况下，当处理物料量很大时多采用板式塔，塔径在 以下时一般采用填料塔。 根据本设计，年产量 22 万吨精甲醇，物料量比较大， 应该项目 单塔精馏 双塔精馏 三塔精馏 运行操作 运行简单 运行相对简单、稳定 运行比较复杂 产品质量 相对于粗甲醇得到了 很好的提高 可以获得比较优质的 精甲醇 可以得到高纯度的精 甲醇 能量消耗 相对较低 能量消耗很高，而且 热能的利用率低 相对于双塔精馏节约 很多热能 产品适合方向 获得燃料级甲醇 可以满足下游产品生产对甲醇高纯度的要求 新乡学院本科毕业论文（设计） 12 采用板式塔。 针对板式塔，其塔板类型按照塔内气、液的流动方式，可将塔板分为错流塔板和逆流塔板两大类。 逆流板也称穿流板，板上不用设降液管，气、液两相同时从板上孔道逆向穿流过。 其中栅板和淋降筛板都属于逆流塔板。 这类塔板虽然结构简单，板面利用率也高，但是需要有较高的气速才能够维持板上的液层，操作范围较小，分离效率也很低，工业上用得很少。 可见本设计需要用错流塔板。 在几种主要的错流塔板中，最早应用的是泡罩塔，而目前使用最广泛的是筛板塔和浮阀塔。 泡罩塔作为应用最早的一类气液传质设备，长期以来人们对其性能就做了 比较充分的研究，而且在工业上积累了丰富的实践经验。 它的每层塔板上开着若干个小孔，孔上还焊有短管来作为上升气体通道，称之为升气管。 升气管的上面覆盖着泡罩，泡罩的下部周边还开有许多的齿缝。 齿缝一般含有矩形、梯形和三角形三种，常用的为矩形。 泡罩在塔板上面作等边三角形。 化工厂广泛使用的圆形泡罩主要结构参数已经系列化。 在操作时，上升气体在通过齿缝进入液层时，被分散成了许多细小的气泡或者流股，在塔板上形成鼓泡层和泡沫层，这样为气液两相提供了大量的传质界面。 综上所述可以概括泡罩塔的优点为：因为升气管高出了液层，不容易发生 漏液的现象，可见有较好的操作弹性，也即当气液流量有较大的波动时，仍然能够维持几乎恒定的板效率；泡罩塔塔板不容易堵塞，适合处理各种物料。 其缺点为：塔板的结构复杂，金属量消耗比较大，造价比较高；塔板的压降比较大，兼因雾沫夹带现象比较严重，极大的限制了气速的提高，致使塔的生产能力和板效率均比较低。 但是目前仍有采用的工厂。 筛板塔的塔板上开有很多均匀分布的筛孔，孔径一般为 3 至 8 毫米，筛孔在塔板上成三角形排列。 塔板上还设有溢流堰，使塔板上能够维持一定厚度的液层。