毕业设计甲醇精馏工段常压精馏塔工艺设计及分析

1、毕 业 设 计 (论 文)专 业班 级学生姓名学 号课 题 30万吨/年甲醇精馏工段的初步设计 常压精馏塔工艺设计及分析 指导教师 摘要通过本课题的设计了解甲醇精馏的发展历程和国内外的研究现状，主要介绍了甲醇精馏工艺，对单塔流程、双塔流程、三塔流程和四塔流程工艺进行了阐述,显示了四塔流程的优越性。熟悉甲醇精馏工艺流程、技术设备等。对甲醇精馏工段全流程进行物料衡算,着重分析常压精馏塔的工艺设计。应用ASPEN PLUS化工模拟系统中的和DSTUW、RADFRAC塔精馏模块对常压精馏塔进行模拟。通过对甲醇精馏工艺流程的物料衡算和常压精馏塔工艺的研究，掌握甲醇精馏工业生产中各塔的作用、进出料情况、塔

2、板数等相关参数的计算。最后绘制出工艺流程图、带控制点的物料流程图、设备图和设备布置图。关键词：甲醇精馏、常压精馏塔、ASPEN模拟、流程图AbstractUnderstanding of the issue through the design development process and the methanol distillation research status at home and abroad, introduces the methanol distillation process, the single-tower process, process towers, thr

3、ee towers and four towers process technology processes are described, showing the superiority of four-tower process. Familiar with the methanol distillation processand technical equipment. Methanol distillation section in the whole process of the material balance, analyzes the atmospheric distillati

4、on process design. ASPEN PLUS simulation system applied in the chemical and DSTUW, RADFRAC atmospheric distillation column distillation simulation module. Methanol distillation process through the material balance and the atmospheric distillation process of study, master the industrial production of

5、 methanol distillation tower role, access to material conditions, plate number and other relevant parameters of the calculation. Finally, draw the flow chart, flow chart with a control point of materials, equipment diagrams and equipment layout. Key words: methanol distillation, atmospheric distilla

6、tion, ASPEN simulation, flowsheet目录摘要I目录III第一章文献综述11.1 甲醇生产工艺进展及国内发展前景1甲醇简介1甲醇的用途41.1.3 甲醇的安全性、41.2 甲醇的生产工艺5生产方法概述5甲醇生产中的关键问题6甲醇的精馏过程9工艺流程的选择131.2.5 三塔精馏系统的优点13影响精馏操作的因素与调节141.3 本课题来源及思路15第二章物料衡算172.1操作条件172.2 物料衡算172.2.1 预塔物料衡算182.2.2 加压塔的物料衡算192.2.3 常压塔物料衡算212.2.4 回收塔物料衡算22第三章常压塔工艺设计计算263.1 物料处理量2

7、63.1.1 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率26原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量263.2 回流比及塔板数的确定263.2.1 求最小回流比及操作回流比。263.2.2 简捷法求理论板层数273.3 精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算293.3.1 操作压力计算293.3.2 操作温度计算293.3.3 平均摩尔质量计算293.3.4 平均密度计算303.3.5 液体平均表面张力的计算313.3.6 液相平均粘度的计算313.4 精馏塔的塔体工艺尺寸计算323.4.1 塔径的计算323.4.2 精馏塔有效高度计算333.4.3 塔高的计算333.5 塔板主要工艺尺寸的计算343.5.1

8、 溢流装置计算343.5.2 塔板布置363.6 筛板的流动力学验算373.6.1 塔板压降373.6.2 液沫夹带373.6.3 漏液383.6.4 液泛383.7 塔板负荷性能图393.7.1 漏液线393.7.2 液沫夹带线393.7.3 液相负荷下限线403.7.4 液相负荷上限线403.7.5 液泛线403.8 塔设备附件接管433.8.1 进料管443.8.2 出料管443.8.3 进气管443.8.4 接管计算45第四章图纸494.1 甲醇精馏工段的物料流程图494.2 常压塔的控制流程图494.3 常压塔的设备图494.4 0.00平面的设备布置图49总结50致谢51参考文献5

9、2第一章 文献综述甲醇(CH3OH，英文名称Methanol)是最简单的饱和脂肪醇。大约有90的甲醇用于化学工业，作为生产甲醛、甲基叔丁基醚、醋酸、甲酸甲酯、氯甲烷、甲胺、二甲醛等的原料,还有10用于能源工业。在基础有机化工原料中，甲醇消费量仅次于乙烯、丙烯和苯。甲醇深加工产品目前己达120多种，中国以甲醇为原料的一次加工产品近30种。甲醇作为最主要的基本有机化工原料之一和替代能源的一部分，在当前全球化工产品市场上起着举足轻重的作用。“九五”期间国内甲醇需求将以1520速度递增，2000年需求达到210万吨。如何进一步节能降耗和提高产品质量越来越引起人们的关注。1.1 甲醇生产工艺进展及国内发

10、展前景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1-2所示。甲醇的电导率，主要决定于它含有的能电离的杂质，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1×10-67×10-7。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

11、甲醇总有有机杂质约0.01以下。表1-1 甲醇的一般性质Table1-1 Commonly property of methanol性质数据性质数据密度0.81009ml()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（22.55dyn/cm）（20）沸点64.564.7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）74

12、2.738KJ/mol临界压力79.54×106Pa(78.5atm)临界体积117.8mlmol生成热238.798KJ/mol（25液体）201.385KJ/mol（25气体）热容2.5l2.53J(g.)(20"(225液体)，45J(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6.036.5%（Vol）（在空气中爆炸范围）表1-2 温度对性质的影响Table 1-2

13、 The effect of temperature on property温度0102030405060密度g/cm30.81000.80080.79150.78250.77400.76500.7565粘度cP0.8170.6900.5970.5100.4500.3960.350表面张力dyn/cm24.523.522.621.820.920.119.3 1Cp=106Pa·S， 1dyn=106N 甲醇的沸点随压力变化如表1-3所示。表1-3 甲醇的沸点Table 1-3 Boiling point of methanol压力mmHg1102040100200400760温度-4

14、4.0-16.2-6.05.021.234.849.964.7压力atm25102030405060温度84112.5138.0167.8186.5203.5214.0224.0 1mmHg=133.322Pa 1at=9.80665×104Pa甲醇可以任意比例同多种有机化合物互溶，并与其中的一些有机化合物生成共沸混合物.据文献记载，迄今己发现与甲醇一起生成共沸混合物的物质有100种以上。由于有共沸混合物的生成，且沸点与甲醇的沸点相接近，将影响到蒸馏过程对有机杂质的消除。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，和碳一化学工业的发

15、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ZSM-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化。表1-4 与甲醇生成共沸混合物的性质和共沸物的沸点Table 1-4 Boiling point and property of azeotropic admixture with methanol化合物沸点共沸混合物沸点甲

16、醇浓度丙酮CH3COCH356.455.712.0醋酸甲酯CH3COOCH357.054.019.0甲酸乙酯HCOOC2H354.150.916.0双甲氧基甲烷甲醛42.341.88.2丁酮CH3COC2H579.663.570.0丙酸甲酯C2H5COOCH379.862.44.7甲酸炳酯HCOOC3H780.961.950.2二甲醚（CH3）2O38.938.810.0乙醛缩二甲醇64.357.524.2乙基丙烯酸酯43.164.384.4甲酸异丁酯HCOOC4H97.964.695.0环己烷C6H1280.864.261.0二内醚（C3H7）2O90.463.372.0甲醇的用途甲醇的用途

17、；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、硫酸二甲脂等多种有机产品，也是农药、医药的重要原料之一。还是重要的溶剂，亦可掺入汽油作替代燃料使用。20世纪80年代以来，甲醇用于生产汽油辛烷值添加剂甲基叔丁基醚，甲醇汽油，甲醇燃料以及甲醇蛋白等产品，大大促进了甲醇生产的发展和市场需要。 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

18、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

19、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。1.2 甲醇的生产工艺生产方法概述可以制取甲醇的主要方法：由碳的氧化物与氢合成碳的氧化物与氢合成甲醇的反应式如下：CO+2H2-CH30H (1-1)C02+3H2-CH30H+H20 (1-2)以上反应是在铜系催化剂或锌铬催化剂存在下，在50.6303.8×105(50300atm)，温度240400下进行的。显然，一氧化碳与氢合成仅生成甲醇，这甲醇生

20、产这是所需要的，而二氧化碳与氧合成甲醇需多消耗一分子氧，生成一分子水。但两种反应都生成甲醇，工业生产过程中，一氧化碳和二氧化碳的比例要视具体工艺条件而定。自从1923年工业上实现了这人工合成甲醇的方法以后，甲醇生产迅速发展，成为目前世界上规模生产甲醇的唯一工业方法。碳的氧化物与氢合成甲醇的生产过程，不论采用怎样的原料和技术路线。大致可以分为以下几个工序，见以下图示：甲酵生产流程示意图 Fig11 Flow chart of producing methanol甲醇生产中的关键问题近年来甲醇生产技术发展很快，其中节能降耗和如何提高产品质量是被关注较多的两个方面。用精馏的方法除去粗甲醇中的杂质，可

21、以制取达到一定质量标准的精甲醇，其质量标准的要求视其用途不同有些差异。根据甲醇的工业生产方法和实际使用情况，将我国和国外精甲醇的质量标准分别列于表1-7和表1-8。要求工业生产精甲醇的杂质总含量在0.2以下(乙醇除外)，如此纯度的要求在工业有机产品中是比较严格的。一般说来甲醇除用作掺烧燃料外，作为甲醇的衍生产品(个别产品如甲醛除外)，对其精甲醇的质量都有一定要求。1)生产中进一步要求提高质量众所周知，提高甲醇质量不仅要优化精馏过程，更与租甲醇的质量相关，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(压力、温度、催化剂等)，甚至设备的材质有关。粗甲醇的质量决定了精馏过

22、程的难易。当前甲醇合成多采用铜系催化剂的中、低压法(国内高压法也改用了铜系催化剂)，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，粗甲醇中总是含有较多的杂质，需通过精馏方法除去杂质，所以最终决定精甲醇质量的步骤仍在精馏工序。过去，工业上惯用的双塔精馏流程，可使精甲醇中的绝大部份有机杂质降至数个ppm，满足了下游产品的要求。表1-5 国内甲醇产品标准Table 1-5 Intermal criterion of methanol product指标一级二级三级外观无色透明液体，无可见杂质无色透明液体，无可见杂质无色透明液体，无可见杂质

23、色度（铂-钴）号51015密度（20）g/cm20.7910.7920.7910.7930.7910.793馏程（101.325Kpa，760mmHg）沸程64.064.564.064.564.064.5蒸馏量，ml98以上98以上98以上温度范围（包括64.6±0.1）0.81.01.5高锰酸钾，min5020水溶性试验澄清澄清水分含量，%0.100.15游离酸（以HCOOH计）ppm153050游离碱（以NH3计）ppm2815羰基化合物（以HCH计）ppm2050100蒸发残渣，ppm103050气味无特殊异臭味无特殊异臭味乙醇含量，%0.01表1-6 国外甲醇产品标准Tabl

24、e 1-6 International methanol of methanol product指标美国ASTM美国US Federal AA日本三菱特级前苏联TOTC高级相对密度D20200.79280.79280.79600.7910.792馏程（101.325Kpa，760mmHg）沸程<0.150.20.8蒸馏量%99.8599.85>99.0>99.0纯度%<0.003>99.0酸度%<0.0030.001NNaOHO.3Ml/50<0.002醛酮%<0.003<0.006<0.001高锰酸钾值min>50>30

25、>60>100水分%<0.1<0.10.006<0.005不挥发物%0.005g/100Ml<0.0010.0003乙醇含量%<0.001<0.0008其中：美国USFederal AA标准已经成为国内各大甲醇生产企业的质量要求标准。但随着甲醇衍生产品的开拓，对甲醇的质量提出了新的要求。如碳基法合成醋酸，是当前世界上最先进的醋酸工艺，其主要原料为甲醇和一氧化碳。该工艺要求甲醇中含乙醇极少(<l00ppm，愈低愈好，避免乙醇与一氧化碳合成丙酸而影响醋酸的质量)。国内引进的碳基合成法生产醋酸装置已投产，自然要求产品为含低乙醇的精甲醇。而在精馏过

26、程中，由于乙醇的挥发度与甲醇比较接近，不易分离，国内一般工业生产精甲醇中乙醇含量常在0010.0，这就要求精馏工艺根据乙醇的性质，控制精甲醇中乙醇的含量。2)节能降耗甲醇是一个高能耗产品，与其姊妹工艺产品氨相似；近年来在原料气制备，净化、合成工艺及设备、控制等诸多方面技术进步很快，使产品能耗不断下降，显著提高了能源利用效率。但它毕竟是高能耗产品、如何进一步降低其单位产品能耗，始终是技术进步要执着探求的首要课题。甲醇生产最终工序精馏的能耗要占总能耗的1020，不容忽视。因为近年来精馏部份的实际能耗相对稳定，故随着甲醇生产总能耗的下降，精馏部份所占比例反而上升。精馏工艺是石油、化工工业中耗能大的单

27、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。另外，在粗甲醇精馏过程中、在保证甲醇质量的前提下，提高甲醇的收率。上述两方面的要求似乎相互制约，精馏需耗能，提高产品质量可能使精馏过程复杂化，结果增加了能耗和降低了产品收率：反之，片面强调降低精馏能耗，有可能难以全部满足精馏操作条件而降低了产品质量。工业上探寻的正是解决这一矛盾，要求精馏工序既节能降耗，又提高产品质量，以满足甲醇产品多种用途的要求。3)设备的设计与改造甲醇精馏系统传统设计均为板式塔。用到的塔板型式一般有多种，如浮阀塔板塔、固阀塔、垂直筛板塔等等。浮阀塔板效率高分离精度好，

28、浮阀塔板的形式多种多样，应用到甲醇精馏上很普遍，其它的几种塔盘在国内甲醇行业多有应用。随着甲醇生产的大型化，甲醇精馏塔也是越来越大，近20年国内规整填料作为分离部件在中、低压操作系统上大量采用，国内大型甲醇(10万吨以上)新上项目大多采用填料为主要的分离部件，另外国内需要扩产改造的甲醇项目也很多，应用填料塔技术对现有的板式塔甲醇精馏系统进行改造也屡见不鲜。对于甲醇生产的设备相关研究正在开展，也可见到一些相关报导。甲醇的精馏过程甲醇是许多有机产品的基本原料和重要的溶剂，广泛用于有机合成，染料，医药，涂料和国防等工业。合成的粗甲醇浓度一般达不到使用要求，所以需要进行甲醇的精制过程。(1)工艺过程概

29、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。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，老的工业装置由于能耗过高，在市场竞争力下降，技术更新和进步成为必走之路。(2)典型工艺流程甲醇精馏生产工艺有多种，分为单塔精馏，双塔精馏，三塔精馏与四塔精馏(即三塔加回收塔)。甲醇是重要基础有机化工原料。甲醇精馏过程的物耗与粗甲醇质量关系很大，随

30、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世纪 8 0年代末为节省能耗，还将双塔流程改为四塔流程。一塔流程多用于燃料级甲醇，其它几种流程多用于生产精甲醇。三塔、四塔流程都是在双塔流程基础上改进的，其共同点都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，合理选择适当的精馏方法。下面是对单塔、双塔流程和三塔流程。 (3)单塔流程描述单塔流程(见图1-2)为粗甲醇产品经过一个塔就可以采出产品。粗甲醇由塔中部加料口送入，轻组分由塔顶

31、排出，高沸点的重组分在进料板以下若干塔板处引出，水从塔底排出，产品甲醇在塔顶以下若干块塔板引出。(4)双塔流程描述80年代初，国内高压法甲醇合成由锌铬催化剂改为铜系催化剂以后，随之也改进了繁复的粗甲醇精馏方法。目前国内全部甲醇生产装置(包括高、中、低压法)均采用铜系催化剂，提高了粗甲醇质量，同时也简化了精馏工艺。现粗甲醇精馏方法，除引进的和国产化的鲁奇流程外，其余均采用双塔常压精馏工艺。双塔精馏工艺流程(见图1-3)，该流程为我国采用较广的一种精馏流程。精甲醇先经预精馏塔，经预精馏后的含水甲醇直接由泵输送经热交换器后再至主精馏塔，最终在主精馏塔格甲醇与水、重组份及残余轻组份进行有效分离，得到精

32、甲醇产品。多年来生产实践证明，双塔精馏流程简单、操作方便和运行稳定。尽管国内粗甲醇的生产多样，粗甲醇的质量也有较大差异，但经双塔精馏后精甲醇的质量，除去乙醇含量之外，基本能达到国内一级品标准，已能较广泛地满足甲醇的用途。双塔精馏每吨精甲醇的能耗约为4.8×1066.8× 106kJ，这要视粗甲醇质量、装置状况和产品要求而定。如果装置运行状况良好，主蒸馏塔回流比控制在2.4以下，一般能耗为5.2×105 kJCH3OH左右(约1.82.0吨低压蒸汽)。国外粗甲醇精馏是根据甲醇用途而定的，双塔常压精馏工艺亦用得较为普遍。从国内双塔常压精馏现状来看，能耗较高，以及精甲醇

33、中乙醇含量较高，是两个比较突出的问题。不少工厂每蒸馏1吨精甲醇要耗能6.0×105 kJ，即消耗两吨以上的蒸汽，因此降低能耗是十分必要的。(5)甲醇精馏的三塔工艺流程甲醇三塔精馏系统流程如图1-4所示。三塔流程由甲醇预塔、甲醇加压塔、甲醇常压塔组成。预塔塔底的甲醇由预后泵经预热器预热后进入加压塔，加压塔塔顶出来的醇气体进入常压塔再沸器冷凝，同时为常压塔提供热量。从加压塔、常压塔顶部(或上部侧线)采出的精甲醇，经冷却器降温后进入精甲醇贮槽。工艺流程： 三塔精馏与双塔精馏在流程上的区别在于三塔精馏采用了两个主精馏塔(其中1个是加压塔和1个常压塔)，较双塔流程多1个加压塔。这样，在同等的生

34、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，所以三塔精馏既节约蒸汽，又节省冷却水。(6)甲醇精馏四塔工艺流程 甲醇精馏四塔工艺流程见图1-5甲醇精馏工艺的四塔流程四塔流程包含精馏塔、加压精馏塔、常压精馏塔和甲醇回收塔。甲醇经换热后进入预精馏塔，脱除轻组分后( 主为不凝气、二甲醚等)，塔底甲醇及高沸点组分加后进入加压精馏塔；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，同时对加压塔塔气相冷凝。冷凝后的精甲醇进入回流罐，一部分为加压塔回流，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

35、，常压塔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，进入甲醇回收塔再回收甲醇，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。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。在甲醇精馏流程的选择上，往往以规模的大小来确定装置。通常年产4万吨以下( 包括4万 吨 ) 的甲醇装置选择二塔流程，年产4万吨以上的采用三塔流程。所谓二塔流程是指只有预塔和主精馏塔的装置，三塔是指有预塔、加压塔和常压塔 。三塔流程实际上是将二塔流程中的主

36、精馏塔分成了加压塔和常压塔。无论是二塔还是三塔流程，其预塔的作用都是除去溶解在粗甲醇中的气体及低沸点杂质等，其它塔的作用是脱除甲醇中的水和重组分。三塔流程 比二塔流程复杂，投资大，操作难度大，但突出的优点是能耗小，操作费用低。因为从加压塔出来的0.55 MPa和 121的甲醇蒸汽，不象二塔流程中主精馏塔出来的蒸汽直接冷凝，而是作为常压塔的精馏热源来充分利用。本设计甲醇的年生产能力是30万吨 ，选用了三塔流程 。 三塔精馏系统的优点1） 产品质量高 双塔精馏生产的精甲醇产品中乙醇和有机物杂质含量只能控制在一定范围，根据粗甲醇质量的不同，精甲醇中乙醇的含量约为100600mgkg；三塔精馏生产的精

37、甲醇质量一般能够达到美国AA级标准，其中的乙醇质量分数只有8.0×10 -5左右。 2) 节能降耗 蒸汽和循环水消耗低主要在于：(1)两塔精馏预塔再沸器、主塔再沸器和预塔预热器均需蒸汽提热源；三塔精馏的常压塔再沸器( 主塔再沸器) 的热源不再是蒸汽，而是用来自加压塔顶121甲醇饱蒸气经液化放出的潜热供常压塔。(2) 粗醇预热器(塔预热器) 的加热源不再直接利用蒸汽加热，而是用脱醚塔再沸器(预塔再沸器)和加压塔再沸器蒸冷凝液将粗甲醇加热到饱和温度。因此蒸汽消耗低，随之循环水用量减少。按吨精甲醇消耗计，蒸汽塔精馏为0.9 1.3 t ，两塔精馏为1.5 1.8 t ；循环水三塔精馏为60

38、 80 m3，两塔精馏为 150 180 m3。影响精馏操作的因素与调节如果将三个平衡作为精馏操作的基础，温度的控制视为维持平衡的主要信号，那么，除了设备问题以外，经常影响精馏操作的主要因素，是进料状况(组成、流量、状态等)、回流比(包括热负荷)和物料的采出量。实际上一个因素的变化，常常牵涉到其他一些因素同时发生变动，要详细讨论这些问题是比较复杂的，现只能就在正常工艺条件下单独讨论某一因素变化的情况。下面仍讨论主精馏塔有关精馏操作的几个重要操作因素。1) 进料状态精馏塔的进料(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

39、改变，将引起理论板数和精馏段，提馏段塔板数分配的改变。对于固定迸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，直接关系着培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比的1.32倍。两塔甲醇精馏甲醇主精馏塔的回流比为2.02.5(也有报道1.5到2.1之间的)。其调节的依据是根据塔的负荷和精甲醇的质量。当塔的负荷较低时，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

40、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，必然特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

41、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

42、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。1.3 本课题来源及思路近几年，全球甲醇需求量不断上升，2000年全球甲醇生产

43、能力为3803万吨，需求量为3020万吨，预计到2005年产能将达4294万吨，需求量为3481万吨；到2010年，世界甲醇产能将达5099万吨，需求量为4226万吨。美国、西欧、亚洲甲醇供不应求，主要依赖进口解决。国内甲醇项目也在不断上马，10万吨甲醇在规模上已远远落后于新项目的规模，以往的设计资料有的设计院还在沿用以往已用的设计资料或是对于需要新建设、规模大的项目设计上无从下手，造成了大规模甲醇设计基础研究和设计资料不完善的状况。本论文即以完善大规模甲醇工艺设计并作应用基础研究为目的，对具有不同特点的工艺进行分析和理论总结，对流程加以改进，提高产品质量、提高装置的能力。本论文的主要研究内容

44、包括以下几个方面：1) 建立单元操作模型，根据甲醇物系的特点，选择合适的热力学方程并根据实际情况进行修改，利用流程模拟软件Aspen，实现对甲醇精馏系统的全流程模拟，建立物料平衡和能量平衡，确定各主要设备的操作参数。2) 利用所建立的单元操作模型，对不同的甲醇精制系统做详细的分析，用模拟软件进行模拟，考察不同的工艺流程的特点以及分离效果和能耗指标。3) 考察甲醇精馏系统的模拟计算结果并进行更深入的讨论，开发新的甲醇精馏系统流程。4) 从建立甲醇精馏系统工艺包的高度，对甲醇精馏系统的设备因素加以考虑，选择合适的塔设备以及相应的塔内件等等，并对塔内压降进行计算，使之满足设计需要。第二章 物料衡算2

45、.1操作条件原料为粗甲醇，成份及含量如下表：附表2.1粗甲醇组成成分含量（wt%）N2和Ar0.02CO21.69CH3OH90.29CH3OCH30.20C2H5OH0.15C4H9OH0.15 H2O7.50合计100注：精馏工段产品为精甲醇，其甲醇含量不小于99.95%(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，每小时产量为=909吨/日=37.88吨/时=37878.8Kg/h每小时所需粗甲醇的量=41952.4Kg/h预塔物料衡算图2-1入料（以小时计）粗甲醇：41952.4Kg/h通过各组

46、分质量分数计算各组分的量：Mi=M总×Wt%例：CO2的量 41952.4×1.69%=709(Kg/h） 依此计算其它组分的量列表如下表2-2组分CO2 CH3OHCH3OCH3C2H5OH C4H9OHH2O N2Ar百分数（%）1.6990.290.20.15 0.15 7.50.02组分量（Kg/h）70937878.883.962.962.93146.48.4一般来说， 粗甲醇进入预塔的水含量在20%左右为最佳，本设计采用水含量11%，则设加水为m t/h(m+3.1464)/(41.952+m)=11%得 m=1.650故加软水的量为1.650 t/h碱液：，每

47、吨精甲醇耗0.811 Kg 92%的NaOH，则耗5%碱液量=0.565 t/h塔顶出料：表2-3组分CH3OCH3N2ArCO2组分量（Kg/h）83.98.4709塔釜出料:表2-4组分甲醇乙醇丁醇水软水组分量（Kg/h）37878.862.962.93146.4310出料总计83.9+8.4+709+37878.8+62.9+62.9+3146.4+310 = 42262.4（Kg/h)其中，汽相：801.3Kg/h液相：41461.1Kg/ 加压塔的物料衡算因为碱液和软水最终以废液排出，对物料衡算没有影响，这里就不加入计算。入料：表2-5组分CH3OHC2H5OHC4H9OHH2O组分

48、量（Kg/h）37878.862.962.93456.4则粗甲醇的水溶液为41461.1Kg/h进料各物料的质量分数：表2-6组分CH3OHC2H5OHC4H9OHH2O质量分数（%）91.590.150.158.11塔顶出料的质量分数：甲醇； 100%塔釜出料的质量分数：表2-7组分CH3OHC2H5OHC4H9OHH2O质量分数（%）85.660.270.2713.8以甲醇为关键组分进行物料衡算F = D + W F ×XF = W ×XW + D× XD 带入数据可得，41461.1 = D + W 41461.1×91.59% =W×8

49、5.66%+D×100% 则计算可得D = 17145.35（Kg/h）所以塔顶出料D为17145.35 Kg/h塔釜出料 W =41461.1 17145.35 = 24315.75 (Kg/h)塔釜出料：表2-8组分CH3OHC2H5OHC4H9OHH2O组分量（Kg/h）20828.8765.6565.653355.58常压塔物料衡算加压塔塔釜出料即为常压塔进料常压塔塔顶出料的质量分数：甲醇； 100%常压塔塔釜出料的质量分数：水； 100%常压塔侧线出料的质量分数: 表2-9组分CH3OHC2H5OHC4H9OHH2O质量分数（%）60.624.5754.57530.23因为

50、VYS+1 =LXS+D1XD1+D2XD2 V=L+D1+D2 以甲醇为关键组分进行物料衡算 20828.87=L×0%+D1×100%+D2×60.62% 24315.75= L+D1+D2 以水为关键组分进行物料衡算 3355.58=L×100%+D1×0%+D2×30.23% 联立计算可得D2=1435.03 (Kg/h) D1=19958.96 (Kg/h)L=2921.76 (Kg/h)常压塔塔顶出料：甲醇；19958.96Kg/h常压塔塔釜出料：水；2921.76Kg/h常压塔侧线出料 : 表2-10组分CH3OHC2H

51、5OHC4H9OHH2O组分量（Kg/h）869.9265.6565.65433.81 回收塔物料衡算常压塔侧线出料即为回收塔进料回收塔塔顶出料的质量分数：甲醇； 100%回收塔塔釜出料的质量分数：表2-11组分C2H5OHC4H9OHH2O质量分数（%）0.0811.8488.08回收塔侧线出料的质量分数: 表2-12组分CH3OHC2H5OHC4H9OHH2O质量分数（%）20.2757.68.413.74因为VYS+1 =LXS+D1XD1+D2XD2 V=L+D1+D2 以甲醇为关键组分进行物料衡算 869.92=L×0%+D1×100%+D2×20.27

52、% 1435.03= L+D1+D2 以水为关键组分进行物料衡算 433.81=L×88.08%+D1×0%+D2×13.74% 联立计算可得D2=113.2 (Kg/h) D1=846.97 (Kg/h)L=474.86(Kg/h)回收塔塔顶出料：甲醇846.97Kg/h回收塔塔釜出料：表2-13组分C2H5OHC4H9OHH2O组分量（Kg/h）0.3856.22418.26回收塔侧线出料 : 表2-14组分CH3OHC2H5OHC4H9OHH2O组分量（Kg/h）22.9565.29.515.552.3 ASPEN甲醇精馏工艺流程模拟常压塔物料及热量模拟回流

53、比及塔板数的模拟温度、压力、热量模拟灵敏度分析第三章 常压塔工艺设计计算3.1 物料处理量 原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率甲醇的摩尔质量 MCH3OH=32 kg/mol;水的摩尔质量 MH2O=18 kg/mol;乙醇的摩尔质量 MC2H5OH=46 kg/mol;丁醇的摩尔质量 MC4H9OH=74 kg/mol;XF=0.77XD=0.98XW=0.005原料液及塔顶、塔底产品的平均摩尔质量MF=0.7732+(10.77)18=28.78 kg/molMD=0.9832+(10.98)18=31.72 kg/molMW=0.00532+(10.005)18=18.07 kg/mol原料处理量24315.75/28.78=844.88 kmol/h3.2 回流比及塔板数的确定 求最小回流比及操作回流比。采用作图法求最小回流比。于对角线上，自点e（，）作垂线ef