年产30万吨甲醇精馏提纯的工段设计毕业设计

毕业设计

题目：年产30万吨甲醇精馏提纯的工段设计

院（系）：化学化工学院

专业：化学工程与工艺

学号：

姓名：

指导教师：

完成日期：2014.6

目录

第一章文献综述 (4)

1.1 甲醇生产工艺进展及国内发展前景 (4)

1.1.1甲醇简介 (4)

1.1.2甲醇的用途 (8)

1.1.3甲醇的安全性 (9)

1.1.4甲醇国内外合成技术现状 (10)

1.3影响精馏操作的因素与调节 (12)

1.3.1影响精馏操作的主要因素简析 (12)

1.3.2精馏塔的产品质量控制和调节 (13)

1.4 Aspen Plus工艺流程模拟 (14)

第二章物料衡算和能量衡算 (16)

2.1操作条件 (16)

2.2物料衡算 (16)

2.2.1 预塔物料衡算 (17)

2.2.2 加压塔的物料衡算 (18)

2.2.3 常压塔的物料衡算 (29)

2.2.4 回收塔的物料衡算 (37)

2.2.5 四塔实际模拟 (45)

2.4整个四塔甲醇的回收率 (55)

2.5加压塔、常压塔、回收塔采出甲醇的浓度 (55)

第三章预精馏塔工艺设计及其附件选型 (55)

3.1 设计依据 (55)

3.1.1 预精馏塔设计已知条件 (55)

3.1.2 塔板工艺条件计算 (56)

3.1.3 塔径计算 (57)

3.1.4 塔高计算 (58)

3.1.5 塔板的工艺尺寸 (60)

3.1.6 塔板流体力学验算 (64)

3.2 预精馏塔附件选型 (71)

3.2.1 管口设计 (71)

3.2.2 设备管口表 (73)

参考文献 (74)

附录 (74)

致谢 (75)

年产30万吨甲醇精馏提纯的工段设计

学生：xxx 指导老师：xxx

摘要：本设计是关于甲醇精馏的工段及其预塔设备的设计，文中着重介绍了四塔流程。按照课程设计任务书上的要求，文中具体内容包括：甲醇及精馏的相关内容；甲醇精馏流程介绍；精馏全流程的物料衡算和能量衡算；Aspen对全流程的模拟及分析以及Radfrac模块中的Tray Sizing对加压、常压、回收塔的尺寸设计；预精馏塔的塔设备计算及塔附件选型等。

关键词：甲醇；精馏；四塔流程；Aspen Plus流程模拟

Annual output of 300000 tons of methanol

distillation section design

J.W.L and J.G.C

Abstract: This design is about the methanol distillation section and the preliminary design of tower equipment, this paper emphatically introduces the four processes. According to the requirements of the curriculum design task book, in this paper, the concrete content includes: methanol and distillation of the related content; The methanol distillation process is introduced; Distillation process of material balance and energy balance; Aspen simulation and analysis of the whole process and the Tray was Radfrac module Sizing on the size of the pressure, normal pressure, recovery tower into the tower design; In the process of the rectifying column tower equipment accessories selection calculation and tower, etc.

Keywords : Methanol; distillation; Four-column process; Aspen Plus process simulation.

第一章文献综述

1.1 甲醇生产工艺进展及国内发展前景

1.1.1甲醇简介

甲醇的分子式为CH3OH，其分子量为32.04。常温常压下，纯甲醇是

无色透明的、易流动甲醇的电导率，主要决定于它含的、易挥发的可燃液体，具有与乙醇相似的气味，其一般性质列于表1-1。甲醇的密度、粘度和表面张力随温度改变如表1-3所示。

有的能电离的杂质，如胺、酸、硫化物和金属等。工业生产的粗甲醇

都含有一定量的有机杂质，其一般比电导率为1×10-7～7×10-6。甲醇可以和水以及许多有机液体如乙醇、乙醚等无限地混合，但不能与脂肪族烃类相

混合。它易于吸收水蒸汽、二氧化碳和某些其他物质，因此，只有用特殊

的方法才能制得完全无水的甲醇。同样，也难以从甲醇中清除有机杂质，

产品甲醇总有有机杂质约0.01％以下。

表1-1 甲醇的一般性质

性质数据性质数据

密度0.81009 g／ml(25℃) 导热系数 2.09×103J/（cm.s，K）

相对密度0.7913(d20)4表面张力0.00002255N/cm

沸点64.5℃～64.7℃

（22.55dyn/cm）（20℃）熔点一97.8℃折射率 1.3287（20℃）

闪点16℃ (开口容器)～12℃(闭口容器) 蒸发潜热35.295KJ/mol（64.7℃）自燃点473℃(空气中)～461℃(氧气中) 熔融热 3.169KJ/mol

临界温度240℃燃烧热727.038KJ/mol（25℃液体）

742.738KJ/mol

临界压力79.54×106Pa(78.5atm)

临界体积117.8ml／mol 238.798KJ/mol（25℃液体）

热容 2.5l～2.53J(g.℃)(20"(2～25℃液体)，

45J(mol.℃)(25℃气体)

生成热201.385KJ/mol（25℃气体）

蒸汽压 1.2879×104Pa（96.6mmHg）（20℃）膨胀系数0.00119（20℃）

粘度 5.945×104Pa.S（0.5945cp）（20℃）腐蚀性常温无腐蚀性（铅，铝例外）

临界压缩系数

0.224 爆炸性 6.0～36.5%（V ol）（在空气

中爆炸范围）甲醇的沸点随压力变化如表1-2所示。

表1-2甲醇的沸点

1mmHg=133.322 Pa 1at=9.80665×104 Pa

表1-3温度对性质的影响

1Cp=106 Pa·S，1dyn=106 N

表1-4 与甲醇生成共沸混合物的性质和共沸物的沸点

压力mmHg 1 10 20 40 100 200 400 760 温度℃-44.0 -16.2 -6.0 5.0 21.2 34.8 49.9 64.7 压力atm 2 5 10 20 30 40 50 60 温度℃84 112.5 138.0 167.8 186.5 203.5 214.0 224.0

温度℃0 10 20 30 40 50 60

密度g/cm30.8100 0.8008 0.7915 0.7825 0.7740 0.7650 0.7565

粘度Cp 0.817 0.690 0.597 0.510 0.450 0.396 0.350

表面张力

dyn/cm

24.5 23.5 22.6 21.8 20.9 20.1 19.3

化合物沸点℃共沸混合物

沸点℃甲醇浓度

丙酮CH3COCH356.4 55.7 12.0

1.1.2甲醇的用途

甲醇结构最为简单的饱和一元醇有毒、易燃、化学性质较活泼。工业上合成甲醇几乎全部采用一氧化碳加压催化加氢的方法，工艺过程包括造气、合成净化、甲醇合成和粗甲醇精馏等工序。甲醇有很多用途，它是生

醋酸甲酯CH 3COOCH 3

57.0 54.0 19.0

双甲氧基甲烷甲

醛

42.3

41.8

8.2

丁酮CH 3COC 2H 5

79.6 63.5 70.0 甲酸炳酯HCOOC 3H 7 80.9

61.9

50.2

二甲醚（CH 3）2O 38.9 38.8 10.0 乙醛缩二甲醇 64.3 57.5 24.2 乙基丙烯酸酯 43.1 64.3 84.4 甲酸异丁酯HCOOC 4H 97.9

64.6

95.0

环己烷C 6H 12 80.8 64.2 61.0 二内醚（C 3H 7）2O

90.4 63.3 72.0 丙酸甲酯C 2H 5COOCH 3 79.8

62.4

4.7

甲酸乙酯HCOOC 2H 3

54.1

50.9

16.0

产塑料、合成橡胶、合成纤维、农药和医药的原料。主要用于制造甲醛、醋酸、氯甲烷、对苯二甲酸二甲酯、甲胺和硫酸二甲酯等多种有机产品。用作涂料、清漆、虫胶、油墨、胶黏剂、染料、生物碱、醋酸纤维素、硝酸纤维素、乙基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛等的溶剂。甲醇为清洗去油剂，MOS级主要用于分立器件，中、大规模集成电路，BV-Ⅲ级主要用于超大规模集成电路工艺技术。用作分析试剂，如作溶剂、甲基化试剂、色谱分析试剂。用于电子工业，常用作清洗去油剂。通常甲醇是一种比乙醇更好的溶剂，可以溶解许多无机盐。也可以从甲醇出发合成乙烯和丙烯，代替石油生产乙烯和丙烯的原料路线。由于甲醇用途广泛，属于大吨位产品，近年来发展势头迅猛。中国具有富煤、缺油、少气的能源资源特点，因地制宜地利用煤或者天然气为原料合成甲醇，进一步发展有机化学工业和燃料工业的路线是合理可行的，而由合成气合成甲醇是煤间接液化的成熟技术，是煤转化利用的重要途径。

1.1.3 甲醇的安全性

甲醇的毒性及常用急救方法；甲醇被人饮用后，就会产生甲醇中毒。甲醇的致命剂量大约是70毫升。甲醇有较强的毒性，对人体的神经系统和血液系统影响最大，它经消化道、呼吸道或皮肤摄入都会产生毒性反应，甲醇蒸气能损害人的呼吸道粘膜和视力。急性中毒症状有：头疼、恶心、胃痛、疲倦、视力模糊以至失明，继而呼吸困难，最终导致呼吸中枢麻痹而死亡。慢性中毒反应为：眩晕、昏睡、头痛、耳鸣、现力减退、消化障碍。甲醇摄入量超过4克就会出现中毒反应，误服一小杯超过10克就能造成双目失明，饮入量大造成死亡。甲醇中毒，通常可以用乙醇解毒法。其原理是，甲醇本身无毒，而代谢产物有毒，因此可以通过抑制代谢的方法来解毒。甲醇和乙醇在人体的代谢都是同一种酶，而这种酶和乙醇更具亲

和力。因此，甲醇中毒者，可以通过饮用烈性酒（酒精度通常在60度以上）的方式来缓解甲醇代谢，进而使之排出体外。而甲醇已经代谢产生的甲酸，可以通过服用小苏打（碳酸氢钠）的方式来中和。甲醇也容易引发大火。一旦发生火灾，救护人员必须穿戴防护服和防毒面具。小火用二氧化碳、干粉、1211、抗溶泡沫、雾状水灭火，以使用大量水灭火效果较好。如果发生泄漏，救护人员首先必须切断所有火源，戴好防毒面具与手套，用水冲洗，对污染地面进行通风处理。

1.1.4 甲醇国内外合成技术现状

1.1.4.1 国外大规模甲醇合成技术现状

甲醇精馏是甲醇生产中重点研究与攻关的课题之一，多年来世界各国对此开展了大量的工作，特别是世界著名的英国ICI、法国的Lurgi 和日本三菱瓦斯等均开发出了自己独特的精馏技术。在倡导节约能源的当今社会，低压法是一种主要的现代甲醇合成生产工艺。据说，利用能够代表国外甲醇生产水平的英国ICI公司和德国Lurgi公司技术的国外生产设备占据了至少70%，现在拥有最高生产能力的单一反应器是Lurgi联合反应器。

1.1.4.2 国内的甲醇合成技术

我国的精馏技术也在逐年改进，产品甲醇的质量也相应得到了提高。目前，国内甲醇精馏工艺主要分为双塔精馏工艺、带有高锰酸钾反应的精馏工艺和三塔精馏工艺。带有高锰酸钾反应的精馏工艺需要对粗甲醇中的还原性物质进行处理后再精馏，工艺复杂，该工艺主要用于对甲醇质量要求相当严格的场合。由于双塔精馏和三塔精馏工艺完全能够保证工业上对精甲醇质量的要求，因此一般不必采用带高锰酸钾反应的精馏工艺。目前我国使用较广泛的是双塔精馏与三塔精馏流程工艺。

1.2四塔流程描述

四塔流程（见图1.1）包含预精馏塔、加压精馏塔、常压精馏塔和甲醇

回收塔。第一阶段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换热后进入加压精馏塔。第二阶段在加压精馏塔和常压塔中完成，主要获得精甲醇；预塔精馏塔底馏分送入加压精馏塔，加压精馏塔顶的气相进入冷凝器，利用加压塔和常压塔塔顶、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，一部分作为加压精馏塔回流，一部分作为精甲醇产品出装置；加压精馏塔主要有两个作用：为常压精馏塔塔提供热源及获得部分高纯度精甲醇。加压精馏塔塔底馏分再进入常压精馏塔，通过常压精馏塔获得绝大部分的精甲醇产品。第三阶段为甲醇回收系统，既要控制回收的精甲醇质量，还要控制塔底废水中总醇含量要求，塔底废水送生化处理。

图1.1 甲醇精馏工艺的四塔流程

注释：T01—预精馏塔；T02—加压精馏塔；

T03—常压精馏塔；T04—回收精馏塔

P01—泵；E01—换热器。

1.3影响精馏操作的因素与调节

1.3.1影响精馏操作的主要因素简析

精馏塔操作的基本要求是在连续稳态和最经济的条件下处理更多的原料液，达到预定的分离要求（规定的x D和x w)或组分的回收率，即在允许范围内采用较小的回流比和较大的再沸器传热量。

通常，对特定的精馏塔和物系，保持精馏稳态操作的条件是：①塔压稳定；②进出塔系统的物料平衡和稳定；③进料组成和热状况稳定；④回流比稳定；⑤再沸器和冷凝器的传热条件稳定；⑥塔系统与环境间热稳定等。由此可见，影响精馏操作的因素十分复杂，一下就其中主要因素予以分析。

1.3.1.1物料平衡的影响和制约

保持精馏装置的物料平衡是精馏塔稳定操作的必要条件。根据全塔物料衡算可知，对于一定的原料液流量F，只要确定了分离程度x D 和x w，馏出液流量D和釜残液流量W也就被确定了。而x D和x w决定于汽液平衡关系（α）、x F 、q、R和理论塔板数N T系(适宜的进料位置），因此D和W或采出率D/F与W/F只能根据x D和x w确定，而不能任意增减，否则进出塔的两个组分的量不平衡，必然导致塔内组成变化，操作波动，使操作不能达到预期的分离要求。

1.3.1.2回流比的影响

回流比是影响精馏塔分离效果的主要因素，生产中经常用改变回流比来调节、控制产品的质量，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。回流比增大时，精馏段和提留段内传质推动力均增加，因此在一定的精馏段理论塔板数下馏出液组成变大，釜残液组成变小。反之，

当回流比减小时，x D减小而x w增大，使分离效果变差。回流比增加，使塔内上升蒸汽量及下降液体量均增加，若塔内汽液负荷超过允许值，则应减小原料液流量。回流比变化时，再沸器和冷凝器的传热量也相应发生变化。

一般情况下，选取适宜回流比为最小回流比的1.3～2倍。

1.3.1.3 进料组成和进料热状况的影响

当进料状况(x F和q）发生变化时，应适当改变进料位置。一般精馏塔常设几个进料位置，以适应生产中进料状况的变化，保证在精馏塔的适宜位置下进料。如进料状况改变而进料位置不变，必然引起馏出液和釜残液组成的变化。

1.3.2精馏塔的产品质量控制和调节

精馏塔的产品质量通常是馏出液及釜残液的组成达到规定值。生产中某一因素的干扰（如热量、x F等发生变动）将影响产品的质量，因此应及时予以调节控制。在一定的压强下，混合物的泡点和露点都取决于混合物的组成，因此可以用容易测量的温度来预示塔内组成的变化。对于馏出液和釜残液也有对应的露点和泡点，通常可用塔顶温度反映馏出液组成，用塔底温度反映釜残液组成。但对高纯度分离时，在塔顶（或塔底）相当一段高度内，温度变化极小。对高纯度分离时，一般不能用测量塔顶温度来控制塔顶组成。

分析塔内沿塔高的温度分布可以看到，在精馏段或提留段的某塔板上温度变化最显著，也就是说，这些塔板的温度对于外界因素的干扰反映最为灵敏，通常将它称之为灵敏板。因此生产上常用测量和控制灵敏板的温度来保证产品的质量。

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，才能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。

1.4 Aspen Plus工艺流程模拟

流程模拟就是将一个由许多个单元过程组成的化工流程用数字模型进行描述，并且在计算机上通过改变各种有效条件得到所需要的结果，如操作条件等。

在Aspen Plus中关于精馏的模块有：

(1)简捷法模型：包括DSTWU(简捷法精馏设计模型)、Distl(简捷法精馏核算模型)、SCFrac(简捷法多塔蒸馏模型)。

(2)严格法模型：MultiFrac(严格法多塔精馏模型)、PetroFrac(严格法分馏塔)、RateFrac(精馏的核算与设计模型)、Extract(严格萃取塔模型)。

其中RateFrac是一个基于流率的非平衡的模型，用于模拟各种类型的多级气一液精馏操作，可用于一般精馏、吸收、再沸吸收、汽提、再沸汽提、萃取和共沸蒸馏。适用于两相系统、窄沸程和宽沸程系统以及液相具

有强的非理想程度系统。其构成包括任意组输人、任意组侧线、任意组加热器(或热流)和任意组倾析器。

对于精馏模拟必须确定以下条件：

(1)进料性质(包括进料的组成、温度、压力、进料量、相数等)和进料位置。

(2)出料性质(包括相数等)和出料位置。

(3)塔的性质，如塔板数、塔的压力分布、回流比、气相产品占塔顶总产品比率或塔顶出料、塔底出料、回流量等。

其它如侧线出料、加热器和再沸器的热负荷、蒸气组分初值、塔板效率、回流温度、填料性质或塔板性质等，都可以由模拟者根据要求设定。

对于一个模拟过程来说，准确无误地选择物性是模拟结果好坏的关键。Aspen Plus为单元操作计算提供了热力学性质和传递性质，在典型的Aspen Plus模拟中，常用的物理性质参数有逸度系数、烩、密度、嫡和自由能。

ASPEN PLUS模拟思路如下：

通过物料恒算得出塔顶采出量D，通过DSTWU模块进行四塔的简捷计算，得出Actual reflux ratio（即回流比R）、Number of stages(即塔板数)、Feed stage（进料板）的数值，考虑到实际情况，用以上值乘一适当的安全系数做为实际四塔的模拟数据，结合物料恒算的结果，在RadFrac模型下进行整个四塔的实际模拟。

第二章 物料衡算和能量衡算

2.1操作条件

原料为粗甲醇，成份及含量如下表：

表2-1粗甲醇组成

注释 ：粗甲醇中甲醇回收率不小于99%(重量百分含量)，精馏工段产品为精甲醇，其甲醇含量不小于99.7%(重量百分含量)。

2.2 物料衡算

按年30万吨精甲醇计算，而粗甲醇中含甲醇量为90.29%。 年工作日按330天计，则精甲醇每日每小时产量

h kg 8.378788788.377200

300000

==时吨 每小时所需粗甲醇的量

h

kg 4.41952%29.908

.37878=

2.2.1 预塔物料衡算

成分 N 2和Ar CO 2 CH 3OH CH 3OCH 3 C 2H 5OH C 4H 9OH H 2O 合计 含量（wt%）

0.02

1.69

90.29

0.20

0.15

0.15

7.50

1.00

图2.1 预塔简捷计算流程图设置参数如下：

图2.2 流股输入参数

图2.3 模块输入参数

图 2.4 模块运算结果2.2.2 加压塔的物料衡算

图 2.5 加压塔简捷计算流程图设置参数如下：

图2.6 模块输入参数

图2.7 换热器输入参数

加压塔简捷计算模拟列于下表：

图2.8 加压塔模拟结果

运用上述条件，运用Radfrac模块进行灵敏度分。物流连接和图2.14相同。

2.2.2.1 理论板数分析

图2.9 理论板数与甲醇回收率关系

图2.10 塔顶乙醇回收率与理论板数关系2.2.2.2 回流比分析