年产15万吨甲醇三塔精馏工艺设计毕业论文(编辑修改稿)

年产15万吨甲醇三塔精馏工艺设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

年7200kt， 2020 年实际产量达到 11260kt，到了 2020 年全年产量达到近 11160kt，新增产能约为 850 万吨，而且各地还在筹划建设的甲醇产能高达 4320 万吨，其中有相当一部分配套生产其他煤化 工产品 [9]。 (2)中国甲醇工业发展前景 近几年我国甲醇工业的发展来看，良好的宏观经济环境和下游需求的高速增长使我国的甲醇工业继续保持着稳定快速的增长，另外甲醇工业有较多的下游产品。 如甲醛、甲醇汽油、二甲醚等，甲醇需求量与经济 的总体发展有密切关系 [10]。 2020年世界甲醇需求量为3800万吨左右，全球甲醇需求年增长率约在 4％以上， 2020年全球甲醇产量达到 5099万吨，需求量约为 4226万吨。 而与此同时，世界甲醇生产格局的变化导致消费格局发生重大变化。 如工业发达的美国、西欧、日本等国目前已成为甲醇的主要生产国 [11]。 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高 ， 我国的石油消费总量迅速上升 ， 对进口石油依赖性越来越大 ， 使能源供应的安全问题十分突出 ， 尽快实现能源多样化 ， 加速代用油品的步伐已成当务之急。 在我国整个石油消费市场中 ， 汽油 、 柴 油的消费超过总消费的50%以上 ， 这也是我国能源结构性矛盾的关键所在。 据有关部门预测 ， 在未来 20年内我国汽车拥有量将翻一番 ， 更加剧了我国能源危机。 另一方面 ， 根据环境保护要求 ， 汽车及其他内燃机必须采取必要的措施 ， 使尾气中的 CO和烃类等污染物的排放减少 ， 重新寻求洁净能源和新燃料显得尤为重要。 随着国家对环保和生态治理力度的不断加大 ， 各大中城市相 4 继出台禁止机动车辆使用含铅汽油的规定 ， 无铅汽油所必须的添加剂 MTBE将会大幅度增加。 多年来 ， 我国一直是甲醇的进口国 ， 特别是最近几年 ， 国内对甲醇的进口量一直保持较高的增长 ， 这同 时也表明国内甲醇生产成本偏高 ， 工艺技术落后 ， 能耗高 ， 无法与国外产品抗衡 [12]。 甲醇精馏工艺的比较与选择 甲醇精馏的重要性 甲醇作为及其重要的有机化工原料，是碳一化学工业的基础产品，在国民经济中占有重要地位。 随着甲醇生产技术的快速发展，节能降耗和如何提高产品质量成为提高甲醇市场竞争力的重要因素，而甲醇生产主要包括原料气的制备、净化、压缩、合成与精馏工段。 提高甲醇质量要优化精馏过程，也要提高粗甲醇的质量，而粗甲醇中含有杂质的种类和甲醇质量，又与原料结构、合成气的组成和合成条件，甚至设备的材质 有关 [13]。 可见粗甲醇的质量决定了精馏过程的难易 ,当前甲醇合成多采用铜系催化剂的中、低压法，由于反应温度低，减少了副反应，因此降低了粗甲醇的杂质含量，为精馏过程创造了有利条件。 不论甲醇合成工艺如何改进，粗甲醇中总是含有部分杂质，需要通过精馏的方法除去，所以最终决定精甲醇质量的步骤仍在精馏工序 [14]。 精馏工艺是石油、化工工业中耗能大的单元操作之一，一直是被密切关注的重要节能课题。 显然，在追求降低甲醇生产总能耗的同时对降低精馏的能耗亦不容忽视 [15]。 甲醇精馏工艺概述 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进料板上，主塔顶部出粗甲醇，底部出废液。 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，旧工业装置由于能耗过高，在市场上的竞争力下降，技术更新和进步将成为必走之路。 甲醇精馏生产工艺有多种，分为单塔精馏，双塔精馏和三塔精馏。 甲醇精馏过程的能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。 单塔精馏工艺多用于燃料级甲醇，其它几种流程多用于生产精甲醇，三塔精馏工艺是在双塔流程基础上改进的，其共同点是首先分离出轻组分，然后再分离出水和高沸物。 在确定粗甲醇精馏的工艺流程时，应对生产过程中能耗、自动程度、精甲醇质量要求等进行综合考虑， 5 合理选择适当的精馏方法 [16]。 甲醇工艺流程的选择 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。 三塔流程实际上是将二塔流程中的主精馏塔分成了加压塔和常压塔。 这样， 在同等的生产条件下，降低了主精馏塔的负荷，并 且常压塔利用加压塔塔顶的蒸汽冷凝热作为加热源。 三塔流程虽然比二塔流程复杂，一次性投入比双塔精馏高出 20%~30%，操作难度大，但突出的优点是节能降耗，产品质量高，操作费用低。 随着三塔精馏生 产规模的扩大，能耗还有进一步下降的空间 [17]。 通过计算与比较，本甲醇精馏装置采用的是以规整填料为塔内件的三塔精馏工艺，精馏用汽为低压蒸汽。 各塔再沸器蒸汽冷凝液用作粗甲醇预热器热源，以节约能量。 采用规整填料为塔内件的三塔精馏工艺，其特点是： （ 1）精甲醇产品的质量好，甲醇回收率高； （ 2）能耗低。 比 两塔工艺减少蒸汽消耗约 30%左右； （ 3）操作的灵敏性比板式塔好，但其稳定性不如板式塔好； （ 4）采取了萃取精馏和共沸精馏工艺，有效解决了微量难分离组分的脱除问题； （ 5）分离效率高，操作弹性大，生产能力大。 图 甲醇三塔精馏工艺流程 甲醇三塔精馏工艺流程所示。 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 6 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。 三塔程（见图 ）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 [18]。 从粗甲醇合成工段送来的粗甲醇到粗甲醇贮槽 ,经粗甲醇泵打到粗甲醇预热器，由蒸汽冷凝液升温至 70℃左右进入预精馏塔，预精馏塔下部的再沸器采用 热粗甲醇，保持温度在 80℃左右，塔顶温度用回流液控制在 64℃左右，粗甲醇应加碱控制其 PH值，以减少粗甲醇介质对设备的腐蚀， 同时为了增加轻组分物质与甲醇的沸点差，应控制粗醇具有一定的浓度， 一般控制预后粗甲醇比重为 ~。 预精馏塔釜液依次通过加压塔进料泵、预后粗甲醇预热器进入加压精馏塔，用 低压蒸汽加热加压精馏塔釜液，控制塔釜温度在 130~132℃，温度约 122℃的塔顶蒸汽进入常压塔再沸器冷凝，冷凝液一部分通过加压塔回流分配器回加压精馏塔作为回流液，另一部分经过加压精甲醇冷却器冷却至 35~40℃作为产品去精甲醇产品贮槽，塔底较稀的甲醇溶液经冷却进入常压精馏塔 [19]。 常压精馏塔塔釜再沸器由加压塔塔顶蒸汽加 热，塔顶蒸汽去常压塔冷凝器，冷凝液一部分打入塔顶作为回流液，另一部分经精甲醇冷却器冷却后作为产品去精甲醇醇 贮槽。 本工序的含醇排净液由封闭系统收集于地下槽中，再由地下槽泵送至粗甲醇贮槽 ， 这样可避免设备、管道在检修时排出的含醇 排 净液对环境造成污染 [20]。 7 第二章 工艺计算 甲醇的三塔精馏工艺由预塔、加压塔、常压塔组成，根据已知的数据分别对其进行物料衡算与热量衡算。 物料衡算 设计任务与摩尔衡算 表 粗甲醇进料组成 主要成分 CH3OH H2O CH3OCH3 Wt% 92% 7% 1% 由于其他组分含量甚微，这里忽略不计。 已知 : 甲醇M =则各组分摩尔分率如下： 甲醇x = )()()(  = 水x = )()()(  = 二甲醚x = 1－ － = 平均摩尔质量 M = ＋ ＋ = kg/kmol 年产精甲醇 15 万吨，则每天应产精甲醇为： 15 710 /(300 24)=（㎏ /h） 按精甲醇收率为 98%,则粗甲醇进料为： ( )=（㎏ /h） 原料液摩尔流量为： F = （ kmol/h） 进料中甲醇摩尔流量： 甲醇F = = （ kmol/h） 进料中水摩尔流量： 水F = = （ kmol/h） 8 进料中二甲醚摩尔流量： 二甲醚F = = （ kmol/h） 预塔物料衡算 通过后面的加压塔、常压塔和回收塔对甲醇精馏得到精甲醇，因此预精馏塔的主要产品是轻馏分二甲醚。 甲醇： （ kmol/h），水： （ kmol/h），二甲醚： （ kmol/h） 碱液： % = （㎏ /h） 软水加入量为 :粗甲醇小时量 20%－补入碱液带水量 20% 95% = （㎏ /h） 塔顶初馏物量： 初馏物量 = 预塔进料 % = % = （㎏ /h） 其中 二甲醚： ㎏ /h 甲醇： ㎏ /h 塔底残液量（加压塔进料组成） 残液量 = ＋ ＋ － = （㎏ /h） 其中 甲醇： － =（㎏ /h） 水： ＋ ＋ = （㎏ /h） 氢氧化钠含量很小，忽略不计。 加压塔的物料衡算 加压塔在加压下操作，泡点温度进料，假设 Dx =， Wx =。 F = （ kmol/h） Fx = 总物料衡算 F = D + W （ ） 甲醇物料衡算 FFx = DDx + WWx （ ） D =（ kmol/h） W=（ kmol/h） 式中 F 、 D 、 W —— 分别为原料液、馏出液和釜残液流量， kmol/h； Fx 、 Dx 、 Wx —— 分别为原料液、 馏出液和釜残液中易挥发组分的摩尔分率。 常压塔的物料衡算 设常压塔在常压下操作，泡点温度进料。 进料组成为 Fx = ，塔顶要求 Dx =， 9 塔釜要求 Wx =。 F = （ kmol/h） Fx = 总物料衡算 F = D + W 甲醇物料衡算 FFx = DDx + WWx D =（ kmol/h） W=（ kmol/h） 热量衡算 通过对加压塔、常压塔两塔的进出热量进行统计，对两塔进行热量衡算。 塔顶冷凝器的热量衡算 (1)热量衡算式 图 塔顶冷凝器的热量衡算图 如图所示，根据热量衡算式，有： WDL V （ ） 式中 VQ —— 塔顶蒸气带入系统 的热量； LQ —— 回流液带出系统的热量； DQ —— 馏出液带出系统的热量； WQ —— 冷凝水带出系统的热量。 (2)各股物流的温度与压力 由塔顶蒸汽组成 xD=，通过汽液平衡数据表，经过试差法可知塔顶蒸气温度为℃，该温度也为回流液和馏出液的温度。 QV QW QL QD 10 有给定条件知：塔顶的操作压强为 P= 基准态的选 择 以 、 ℃的液态甲醇与水热量衡算的基准态，则： QL=QD=0 (3)各股物流热量的计算 查得甲醇与水在正常沸点下的汽化焓分别为： ∆VHm 甲醇 （ Tb） =∙mol ∆VHm 水 （ Tb） =∙mol 正常沸点分别为： Tb 甲醇 = Tb 水 = 使用 Watson 公式计算甲醇和水在℃ 的汽化焓： ∆VHm(T2)=∆VHm(T1)(bCC TT TT ) （ ） 式中 TC—— 临界温度 查得甲醇和水的临界温度分别为： Tc 甲醇 = Tc 水 = 对于甲醇： ∆rHm 甲醇 (℃ )= ( )=∙mol1 对于水： ∆rHm 水 (℃ )= ( )=∙mol1 由此可计算进入塔顶冷凝器蒸气的热量为： VQ =VxD ∆rHm 甲醇 (℃ )+V(1xD) ∆rHm 水 (℃ ) = + = 103kJ/h 代入到热量衡算式中，可求得塔顶冷凝器带走的热量 的： WQ = 103kJ/h (4)冷却水的用量 设冷却水的流量为 qm,则： WQ =qmCp(t2t1) （ ） 取 t1=25℃ t2=45℃ 以进出口水温的平均值为定性温度： tm=t1+t22 =35℃ 11 查得水在 35℃时的比热容为 ： Cpm=(kg∙℃ ) ∴ qm= t1)Cpm(t2WQ = 3 = 103kg/h 全塔的热量。