【双效法采用三塔精馏工艺路线制取高纯度甲醇工艺设计7300字（论文）】

双效法采用三塔精馏工艺路线制取高纯度甲醇工艺设计目录TOC\o"1-2"\h\u31899摘要 126100关键词:三塔精馏工艺；预换热器；甲醇精馏 219688第一章绪论 233281.1甲醇的性质 251351.2甲醇用途 2302921.3甲醇在国民经济中的重要性 2166061.4甲醇的市场需求 3179551.5设计的目的和意义 373831.6原料煤规格 326011第二章工艺介绍及分析 4254402.1粗甲醇的精馏 426066第三章物料及热量衡算 680463.1物料衡算 6212993.2热量衡算 627590具体计算结果及过程见附录二 717748第四章预塔冷凝器的选型及计算 720998第五章安全与环保 857115.1工艺主要副产物 899915.2三废的产生及防治 817944第六章自动控制 10305656.1概述 10290406.2本设计自动控制说明（部分） 1127946第七章经济技术对比分析 12167277.1单效与双（多）效的对比选择 1281787.2甲醇精馏的工艺比较 127982结论 132814参考文献 14摘要甲醇,是饱和脂肪醇，分子式是CH3OH。甲醇是重要的化工原料，在新能源中的占比也很大。因此在它国民经济生产中的地位毋庸置疑。近几年，随着甲醇后续产品的开发尤其是在清洁能源方面的应用，国内外对于甲醇的需求日益增长。本次设计里，分析比较了各种生产甲醇原料和甲醇的合成工艺，最终决定采用煤以为原料建立年产350kt工业甲醇的生产线。本次设计所遵循的原则是技术要先进、工艺要成熟、经济要合理、注重安全环保。本次设计先研究了国内外生产甲醇的各种先进的方法、工艺流程和设备配置，最终决定以煤为原料，选用双效法采用三塔精馏工艺路线以此来制取纯度较高的甲醇。设计的核心问题是对生产工艺进行选择、并且对工艺进行计算及对生产的设备进行设计选型。在设计工作完成之后，对所设计的设备进行了校核，验证设计的合理性和可行性。在设计工作中，整个工段的安全环保节能也是不可忽视的。并切要对精馏工段的设计进行技术经济评估。关键词:三塔精馏工艺；预换热器；甲醇精馏第一章绪论甲醇的性质甲醇，又被称为甲基醇、木醇等。常温常压下，高纯度的甲醇是无色的透明的易燃的易挥发的液体，它的气味与乙醇相似。甲醇还是使用率最高的化学溶剂之一，它能与水和许多有机溶剂互相溶解，但是不能与脂肪烃类化合物互溶。因为甲醇是最简单的饱和一元醇，因此具有醇的化学性能。它的化学性很活泼能够发生多种反应。1.2甲醇用途甲醇是的化学工业的基础原料和新能源燃料，它被广泛用于各个行业中。它是制造甲醛和农药、医药等的原料。甲醇还被用于合成对苯二甲酸二甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯、醋酸、氯甲烷、和硫酸二甲酯等有机产品。甲醇不仅可以作为有机物的萃取剂还可以作为酒精的变性剂等。甲醇是基础的有机化工原料和优质燃料。1.3甲醇在国民经济中的重要性甲醇的合成原料位H2和CO，主要生产原料为煤、天然气、石油、焦炭、焦炉气等。甲醇是产能仅次于合成氨的第二大化工原料。在石化工业、纺织工业、医药工业、生物化工以和交通运输、能源等行业都有广泛的应用，是国民经济的命脉之一。由此决定了甲醇和甲醇产品在全世界化工生产和基础化工产品原料中不可撼动的地位。甲醇在经过多次加工之后，可以作为一种替代燃料替代品，也可以加入汽油一起掺烧，是未来清洁能源的走向之一。1.4甲醇的市场需求随着国民经济的迅速发展，国内外对于这种重要的化工原料和可以作为清洁能源的甲醇的需求量一直在不断的增加。我国的能源国情是贫油富煤，在对外进口甲醇及产品的问题上比较难以解决，而且从长远利益来看，甲醇成为新的燃料替代汽油的地位已经是一个必然的结果，甲醇用量最大的领域将是研究甲醇动力燃料，由此决定了国内外对于甲醇的需求量将不断提高。1.5设计的目的和意义我国的能源国情是贫油富煤，寻找如何解决能源安全问题的方法已经迫在眉睫。因此寻找新能源已成为影响我国经济发展的决定性因素。甲醇作为新能源替代石油的地位已板上钉钉，大力发展甲醇工业是促使我国经济迅速发展的重要力量。世界化石能源的储备中煤炭占有很大的比重，我国更是一个贫油富煤的国家。而且我国煤制甲醇的技术也走在世界前列，更有大力发展甲醇工业的必要性。目前石油和天然气价格涨幅较大，使得煤制甲醇在经济和环保方面的优势体现了出来。本设计遵循工艺要先进、技术要可靠、配置要科学、注重安全环保的生产原则；完成了年产350kt工业甲醇生产的工艺设计。通过本次工艺设计，夯实了在校期间所学习的基础化工知识和工科专业技能，使我分析问题解决问题的能力得到了极大地提高；还培养了我的创新精神，帮我找到了正确的工作作风。通过完成本次设计，我了解了甲醇的性质和用途；对于煤制甲醇最基本的生产工艺做到了心里有数；并且知晓了国内外甲醇工业发展的现状以及甲醇工业今后的发展方向。1.6原料煤规格原料煤的元素分析为：C占比67.5％；H占比4.0％；O占比10.2％；N占比0.65％；可燃S占比1.73％；不可燃S占比0.34％；F/（mg/kg）104；Na/（mg/kg）2180；K/（mg/kg）292。第二章工艺介绍及分析煤制甲醇技术流程基本都包含4个工艺过程:①气化，即原料煤经过气化得到粗合成气(主要成分为CO、CO2和H2);②变换，即水煤气经变换调整得到合适氢碳比;③净化，即脱除CO2和含硫杂质;④合成及精馏，即在催化剂的作用下合成甲醇并通过精馏得到精制甲醇。其一般工艺流程如图1所示［3-5］。图2.1煤制甲醇工艺流程图2.1粗甲醇的精馏在进行甲醇反应和合成的工艺中,由于受到了合成时环境条件因素的影响,在使用了大量甲醇进行反应之后,还会发生其他一系列的副反应。因而制备出来的产品除了含甲醇以外,还包括了水等几十种无机杂质。甲醇作为现代化工产业所使用的的最基本的原料之一,可以生产多种多样的产品,这决定了对于甲醇的纯度有不同的要求。甲醇的纯度可以直接影响下游行业产品的质量、产率、生产安全和在生产环境中使用的催化剂和溶液的使用寿命。所以粗细的甲醇必须进行提纯,才能得到更好的后续产品。2.1.1精馏原理精馏冷凝法就是将两种固定沸点不同纯态组分之间所混合形成的两种混合液,在一个精馏塔中,同时对这些沸点组分分别进行多次混合部件的高压气化和多次混合部件的液化冷凝,使其完全混合分离为一种不同纯态的沸点组分。其中高等电子物质分离法的原理主要有两种:对于由温度沸点不同的各组分所构成的混合性液体,升温时就需要把它们分别放入一定量的温度,使其通过局部熔化进行液相气化,并将这些液体气相和液相混合进行加热分离。因为低于高沸点的气相组分很容易被液体气化,则所需要获取的和在气化物相之中那些低于高沸点的气相组分在水中的气含量也就应该远远不要高于液化气相中的液化水蒸气含量,而在液化气相中高于低沸点的气相组分在水中的气含量也则应该远远不要高于低于中沸点的气相组分的含量。如果将部分气相与其混合的部分蒸汽再此再次进行部分冷凝,将冷凝液再次进行加热至一定的物理温度,使其中的局部部分液相气化,并将其部分气相和液相混合进行加热分离,则这样我们所得的部分气相冷凝液在其中的低温高沸点蒸汽组分又远远地要高于了我们原有的部分气相冷凝液。这样多次反复,低至高沸点药物组分溶于水溶液的药物浓度不断升高增加。至于未终制的低浓度沸点稳态组分通常接近低于纯态的沸点组分。见附录一2.1.2精馏工艺的选择综合考虑能耗和投资等因素，对于大、中型甲醇精馏装置，三塔精馏工艺更具有优越性。所以本次设计选用三塔精馏工艺。第三章物料及热量衡算3.1物料衡算经物料衡算得，年生产350kt精甲醇需要360824.8t的含93.12%的粗甲醇。具体物料平衡如下表：表3-1主塔物料衡算结果汇总表成分加压塔进料加压塔出料常压塔顶出料常压塔釜出料甲醇42424.2514141.4214141.42氢氧化钠4.424.424.42水11763.2611678.167.0716019.9异丁醇1325.76246.02246.02合计58813.8126070.0214148.4916270.34预精馏塔计算结果与物料衡算详细过程见附录一3.2热量衡算各设备处各物料热量衡算如下表表3-2热量衡算结果汇总表表3-2-1预精馏塔全塔热平衡表入热项目入热数值kJ/h出热项目出热数值kJ/h粗甲醇入热7673800.19塔顶蒸汽275000000软水及碱液2656503.74塔底预后粗甲醇9411553.7回流液入热8664775.19热损失11400000加热蒸汽273000000————合计2.848×10合计2.845×10表3-2-2加压塔全塔热平衡表入热项目入热数值kg/h出热项目出热数值kg/h进料粗甲醇11650000000塔顶气象1550000000回流液4.680000000塔釜液相1550000000加热蒸汽2.56000000000热损失261000000000合计2.618000000000合计2641000000000表3-2-2常压塔全塔热平衡表入热项目入热数值出热项目出热数值粗甲醇1570000000塔顶气相1.820000000回流液1310000000塔釜液相60100000加热介质5880000000加热介质导出热5760000000———热损失4300000合计8890000000合计8880000000具体计算结果及过程见附录二预塔冷凝器的选型及计算预精馏塔的计算结果如下表表4-1预塔冷凝器设计结果汇总表外壳直径1000mm公称压力4.0MPa公称面积250m管子尺寸Φ19×2管子数n1148管长L/mm3000管中心距mm25管程数Np6管子排列方式正三角排列管程流通面积/m20.0338具体计算过程见附录三第五章安全与环保5.1工艺主要副产物在整个甲醇生产环节中，存在二甲醚、乙醇、石蜡等烷烃物。采用提高入塔气气体质量、使用高活性的催化剂，减少入塔甲醇的带入等方法可以减少副产物的生成。5.2三废的产生及防治5.2.1废气产生及防止甲醇生产过程产生的废气主要有:（1）从一个甲醇管的膨胀槽隙中释放出来的大量甲醇膨胀后的空气,其中很有可能还会包括较多的有机二氧化碳和有机氮等毒物。（2）气体精馏处理过程中应干预塔顶所需要排放的不凝结性气体。（3）另外的诸如精馏塔上的塔顶也包括少量的含醇不结晶的气体。（4）锅炉燃烧排放的烟气,烟气中所含有的粉尘。（5）在供煤工艺系统中的工序中所产生的灰尘。废气处理:甲醇塔在精馏脱硫系统中每个甲醇塔所需要排放的不同冷凝性脱硫气体被其输入输送到甲醇燃料轮机空气回收系统当中可以做为回收燃料;通过甲醇塔在膨胀粘性槽中所有的排放转化出来的一些膨胀粘性空气也被其输送到了甲醇燃料轮机空气回收系统;将酸性脱硫工程施工重点区域的一些酸性脱硫气体输送到甲醇回收空气系统。5.2.2废水产生及防止（1）从甲醇油水分离器中溶液排出的大量油水,各填料输送机的泵阀在填料中所使用产生的油水漏液。（2）甲醇精馏后从塔底排出的废液,这些废物都是甲醇制品生产中对自然水源环境污染最为严重的废物。（3）由气化作业工段中的气液分离而成的含有煤炭的水。废水处理:由我国常压生化精馏塔底部废液分流系统排出的随机精馏残液（生化废水）一般主要采用以下两种生化处理工艺方法:一种就是将精馏废水在常压冷却器中随机进行快速冷却后,由精馏废水随机泵入至生化废水处理厂的设备中再进行生化处理。5.2.3废渣产生及防治废渣主要分类包括氧化脱硫槽燃料排放的废氧化脱硫剂、转化炉燃料排放的废复合氧化燃料催化剂、合成炉燃料排放的废氧化合成燃料催化剂、这几种分类废渣的主要处理成分原料均为天然有机物,禁止随地排放外排。煤气化合物设备所同时排放的天然的煤气化合物炉渣和使用燃煤燃气蒸汽锅炉所同时排放的燃煤锅炉气化炉渣、飞灰也同样应该被综合考虑使用到进行综合利用,例如用于运输当地的专用水泥和陶工厂或者可说是专用建材运输公司可以用作运输水泥、瓷器和陶工厂等材料作为专用建筑材料。对不完全可以进行回收和再处理利用的,但是可能属于危险废物的催化剂、废弃物吸附催化剂产品等会被企业委托销售给其他具备大型危险废物回收处理企业经营或者管理从业资格的机关事业单位。生活污水垃圾将由当地各级环保部门统一进行管理和综合处置,污水处理综合利用处理厂所在地排放的大量活性污泥需要做安全性的回填污水处理。自动控制6.1概述在工艺生产的整个过程中,对各行业工艺生产流程的各种物料物性变化的测量（或者我们叫做针对工艺流程变化的测量）都要具有一定的物理可靠性以及控制。例如,一个大型的用于液体物料存放的贮藏槽,在其物料生产的工作过程中被广泛地使用来直接或间接充当一般的中间物料容器或者是成品罐，从前一个生产工序物料带出来的大量物料接连不断地被水流入槽中,而后一个槽中的大量物料液体再被水泵运输一直到水泵送至槽的下一个生产工序后再对其进行物料加工或者进行包装,当其物料流入来的量（或者者说是物料流出来的量）连续发生较大幅度波动后有时会直接造成引起整个贮藏槽内部的物料内部液位的较大幅度波动,严重的这种情况下还可能会直接造成整个水泵内部溢出或者水泵被抽空,因此必须把整个贮藏槽内的控制在水在波动允许的范围之内,才能够可以直接使得槽内物料均匀,保证可以保持连续均衡的生产进行。因此,为了确保企业的生产安全和生产设备的正常运行,产出高质量的产品,提升企业的劳动生产率和社会劳动经济效益,节约加工资金和降低能耗,改善加工劳动条件和工作环境。必须要对企业整个生产安全设备和加工过程环境中的各种化学参数进行必要的调整。这也是化工控制管理系统的基本内涵的一部分。在各种化工器械、装置和管道上,配置一些先进的自动化设备,以此来替代操作技术工人一部分的直接劳动,能够使得生产在不同的程度上有条不紊的顺利进行。这种使得化工企业的生产能够不同水平上自动进行的方法被称化工自动化。实现化工自动化的目的是：1.提高生产效率和产品质量，降低生产的经济成本。2.降低工人的劳动强度和企业劳动成本。3.保证生产稳定进行和安全生产。6.2本设计自动控制说明（部分）本设计的温度自动控制主要表现在反应器温度的控制,,在化工反应器的自动控制,为了能够有效地实现反应器的生产运行,就必须准确测量到反应器生产的过程中所有各种介质及其反应器温度,以便于为其生产运行及其控制工艺提供可靠性和依据。同时,为了经济核算,需要掌握在各工段的温度变化和热量流通。所以,温度控制系数是为了在工业控制中和工业生产中为了能够同时达到最佳的优质高产与安全高效生产和同时实现有效经济核算时所需要必须的一个重要物理参数。在温度的波动当一个进料的流量发生变化较大时,温度的波动和变化可能对精馏塔的运行和操纵都会产生巨大的不良影响。为了有效地避免精馏塔在操作过程中出现剧烈温度波动和频率变化等情况,使其平稳、安全地运行,要求塔在工况下的进料和流量波动都是比较平稳的,这就要求我们需要针对精馏塔温度控制系统做好调节。精馏塔进料流量的简单控制方案如下图所示。经济技术对比分析7.1单效与双（多）效的对比选择精馏分离技术既已经是目前对于我国化工行业产品分离制造运输行业重要的一个原料分离产品运输过程操作管理单位,同时也已经是一个极度严重耗能的产品分离运输单位。在运输操作过程,为了有效减少其运输能耗,我们通常可以综合考虑同时采取多种管理措施。多效精馏的方法蒸蒸便是其中一种行之有效的精馏方法。多效多层精馏再蒸法主要原理是将一个精馏塔分层划分可成为两个大部分,即一是压力低或高于精馏塔顶的多塔,压力高或低于再蒸塔的精馏塔顶多层蒸气向另一部分的即压力高或低于精馏塔的多层再沸器蒸气提供一定热量,同时高于塔顶的多层蒸气被冷凝。因此在多效蒸气精馏中仅仅只是第一个是在塔的下层塔釜上就需要直接加热,最后一个是在塔的上层塔顶多效蒸气精馏需要间接冷却和外介质加热才能对它进行直接冷凝,而其余的几个塔则不一定一样需要由于只有外界对它才能进行直接的蒸气供热和间接冷却,所以多效蒸气精馏需要相对于其他单塔而言才能具有极其明显的隔热节能环保效果。近年来随着当前我国清洁能源的紧张及我国人们对环保保护意识的不断提高,多效率的精馏化工技术在我国化工产品制造行业逐步发展得到广泛重视。目前在石化工业中广泛应用的这种精馏处理方法主要是双效炉式精馏,实际的精馏节能利用率约略仅为40％左右。所以本设计采用能耗较小的双效精馏。7.2甲醇精馏的工艺比较7.2.1各项产品消耗对比甲醇精馏装置主要消耗为低压蒸汽、循环冷却水、动力电等，甲醇精馏工艺不同，消耗不同醇收率不同［15］，生产成本也有较大区别，以35万ｔ/ａ甲醇精馏装置为例，各项消耗对比见表。由上表可知三塔能耗最低。7.2.2各工艺装置投资对比甲醇精馏工艺不同，带来的设备数量及规模不同。必然会引起装置投资费用不同，新建装置不仅要考虑运行成本，也要计算装置投资及回收期，以6０万ｔ/ａ甲醇精馏装置为例对采用三塔、四塔、五塔甲醇精馏工艺的装置投资进行对比结果见表3。由上表可知三塔投资最低。故从投资和产出来看选择三塔精馏是最为合适的。结论本次设计选择三塔方案进行甲醇精馏,通过对甲醇精馏的三塔工艺的物热平衡计算,再根据所得结果对预塔冷凝器进行工艺计算,通过对设计结果的校核,结合各种相关文献以及课本所学知识,验证了预塔冷凝器的设计符合要求。。甲醇三塔精馏工艺的优越性在于不仅节约能热能的消耗,而且有着极大的生产处理量,同样操作弹性高,塔板效率高。在加压塔与常压塔之间,采用双效换热器,以加压塔顶后所采出的甲醇蒸气为常压塔塔釜的再沸液提供热量,既有效节约了加压塔冷却水的使用量,也大大减少了再沸液中蒸汽的排放,同时效率也得到提高。对于目前的国内环境来讲,多数甲醇生产企业还是采用双塔以及三塔精馏工艺,其中甲醇三塔精馏工艺属于受众范围较大,对于国内大部分企业都是优先选择方案,在保证产品纯度的前提下,可以在原有设备上进行优化改造,使整个生产工艺流程更加节能环保。参考文献［1］徐振刚．中国现代煤化工近25年发展回顾反思展望［J］.煤炭科学技术，2020，48(8):1－25.［2］崔普选.煤制甲醇技术发展评述.2020,45(8):4-8.［3］李静,苏栋根.我国甲醇市场的现状与未来发展[J].石油化工技术与经济,2013,29(04):12-16.［4］牛小宝,刘重阳.关于煤制甲醇工艺问题的探讨[J].化工管理,2018(25):199-200.［5］吴宏伟.煤制甲醇生产工艺技术研究[J].化学工程与装备,2017(09):50-52.［6］孙雅利煤制甲醇过程中煤气化技术的选取［J］化学工程与装备2020（012）：26-27［7］SahkiR，BenlounesO，CheriFiO．Effectofpressureonthemecha-nismsoftheCO2/H2，reactiononaCO-precipitatedCuO/ZnO/Al2O3catalyst［J］．ReactionKineticsMechanisms＆Catalysis，2011