1、年产 28 万吨甲醇精馏工段工艺设计Design of an annual output of 280000 tons ofMethanol Distillation Process目录摘要 .IAbstract .II第一章 绪 论 .11.1 甲醇的性质 .11.1.1 甲醇的物理性质 .11.1.2 甲醇的化学性质 .11.2 甲醇的用途 .11.3 甲醇工业的发展及现状 .21.3.1 甲醇的消费量 .21.3.2 世界甲醇工业发展概况 .21.3.3 中国甲醇工业发展概况与发展前景 .41.4 甲醇精馏方法的选择 .51.4.1 甲醇精馏的概述 .51.4.2 甲醇精馏方法 .5第二
2、章 精馏工艺流程的设计 .72.1 甲醇精馏工艺流程比较 .72.1.1 铜基催化剂合成粗甲醇的单塔精馏 .72.1.2 铜基催化剂合成粗甲醇的双塔精馏 .72.1.3 铜基催化剂合成粗甲醇的三塔精馏 .82.2 精馏设备的选择 .92.2.1 精馏塔的介绍和选择 .92.2.2 其他部分设备的介绍 .11第三章 工艺计算 .133.1 物料衡算 .133.1.1 预精馏塔的物料衡算 .133.1.2 主塔的物料平衡计算 .143.2 能量衡算 .153.2.1 预塔的热量衡算 .153.2.2 加压塔的热量衡算 .173.2.3 常压塔的热量衡算 .193.2.4 精馏系统能量结果汇总 .2
3、1第四章 精馏塔设计 .224.1 基础数据 .224.2 塔板数的计算 .234.2.1 处理能力 .234.2.2 最小理论板数 .234.2.3 最小回流比 .244.2.4 进料位置 .244.2.5 实际理论板数 .254.2.6 全塔效率的估算 .254.3 精馏段与提馏段的体积流量 .254.3.1 精馏段 .254.3.2 提馏段 .274.4 塔径计算 .294.4.1 精馏段 .294.4.2 提馏段 .294.5 塔内件设计 .304.5.1 溢流堰的设计 .304.5.2 降液管的设计 .304.5.3 塔板布置及浮阀数目与排列 .314.6 塔板流体力学验算 .334
4、.6.1 汽相通过浮阀塔的压降 .334.6.2 液泛 .334.6.3 雾沫夹带 .344.7 塔板负荷性能图 .344.7.1 雾沫夹带线 .344.7.2 液泛线 .354.7.3 液相负荷上限线 .354.7.4 漏液线 .354.7.5 液相负荷下限线 .364.8 常压塔工艺计算汇总 .364.9 常压塔主要尺寸确定 .374.9.1 塔高设计 .374.9.2 接管设计 .37第五章 自动化控制设计 .405.1 自动化控制原理 .405.2 自动化控制设计 .40第六章 厂区布置设计 .41第七章 结论 .42致谢 .43参考文献 .44I年产 28 万吨甲醇精馏工段工艺设计摘
5、要：甲醇精制就是通过精馏操作，将粗甲醇进行提纯。本设计需要将原料粗甲醇精制到含醇量 99.95%的纯度。根据现代对甲醇精馏工艺设计的了解，甲醇三塔精馏技术以其能耗低、产品质量好的优点领先于其他工艺。所以本设计以三塔精馏工艺为依据，通过物料衡算、能量衡算，设备选型，最后得到常压精馏塔塔径 5.0m，塔高为 23.9m，共 32块塔板，塔板板间距为 0.6m。关键词：甲醇；工艺设计；三塔精馏；常压塔 IIDesign of an annual output of 280000 tons ofMethanol Distillation ProcessAbstract: Methanol is ref
6、ined through distillation operation. Its purity need to be 99.95% by refining. According to the modern process of the methanol distillation systerm, three tower distillation technology for its lower energy consumption and higher product quality goes ahead of other technology. Based on three tower di
7、stillation process, by using material balance, energy balance, equipment disign, main tower was got with its diameter of 5.0m, the height of 23.9m, the trays of tower of 32 and the distance between neighbouring trays of 0.6m.Key words: Methanol; Process design; Three-tower-distillation; Atmospheric
8、tower1第一章 绪 论1.1 甲醇的性质1.1.1 甲醇的物理性质甲醇是最简单的饱和一元醇，化学式为：CH 3OH，在常温常压下，单质甲醇是无色、易挥发、有酒精气味的有毒液体。能 与 水 、 醇 类 、 乙 醚 、 苯 、 酯 类 、 卤 代 烃 和 许 多 其他 有 机 溶 剂 互 溶 ， 但 是 不 与 脂 肪 烃 类 化 合 物 混 溶 。 它 相 关 的 部 分 物 理 性 质 如 表 1.1。表 1.1 甲醇的部分物理性质1.1.2 甲醇的化学性质甲醇为最简单的饱和脂肪醇，其化学性能活泼，易燃烧。相关反应诸多，例如其氧化反应、酯化反应、卤化反应、脱水反应、甲基化反应等等。1.2
9、甲醇的用途甲醇是很重要的有机化工原料和溶剂，当前，世界上甲醇的生产能力为每年近千万吨，其中将近 30%至 40%的甲醇用于生产甲醛。此外，在合成材料、医药、农药、香料、染料和油漆等工业中，甲醇是不可缺少的溶剂和原料。甲醇在能源方面的用途早在上世纪 90 年代就得到了快速的发展，例如甲醇制备甲基叔丁基醚燃料电池 2、燃料甲醇 3等。此外，甲醇低压羰基化制备乙酸的技术在近年来也发展很快，已经成为生产乙酸的主要方法 4。以甲醇为原料制得的人工蛋白称为甲醇蛋白。含有丰富的维生素和蛋白质，营养价值超过粮食和大豆油饼，成本比鱼粉便宜，无毒，收率高 5。上世纪 80 年代以来，甲醇的非化工用途受到人们的重视
10、，并为甲醇的用途开辟一个新的领域。甲醇和燃料油相比是一类廉价、辛烷值高（高达 110） 、热效率高、对环境的污染小的液体燃料。甲醇若直接作为汽车发动机的燃料，虽然热值只有汽油的一半，但它使汽车行驶一样的里程消耗的甲醇和汽油之比不是 2：1，而仅为 1.07：1，其热效率高出汽油 90%以上。可见，甲醇作发动机的燃料，经济上是合理的，所以可以代替汽油作项目 数值 项目 数值液体密度 kg/m3（20） 804.8 熔点/ -97.5气体密度 kg/m3（100） 3.984 闪点（闭环） 9.4气体粘度 （100）sPa12.3 沸点 64.6液体粘度 （20） 0.580 表面张力 mN/m（
11、20） 22.072为轮船、机车、飞机的燃料，也可以做发电厂轮机的燃料。甲醇还可以与汽油掺混燃烧，作为汽车的燃料 6。1.3 甲醇工业的发展及现状1.3.1 甲醇的消费量80 年代以来，世界的甲醇总需求量增长很快，平均年增长率约 8%。市场的需求必然导致甲醇产量的迅速增加。1982 年全世界的甲醇产量不足 1.2103kt，而 1990 年超过了1.7103kt，更甚者 1995 年达到了 2.5103kt ，同年世界甲醇的消费总量为 2.39103kt。预计到 2015 年达到约 7200 万吨。我国甲醇的消费增长也很快，从 1957 年的 1.664kt，到 1970 年的 83kt，再到
12、 1990 年的 660kt、1991 年的 780kt，而 1995 年已经达到 1133.8kt，1996 年达到 1081.8kt，2005年 7200kt，2008 年实际产量达到 11260kt，到了 2009 年全年产量达到近 11160kt，新增甲醇装置 18 套，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，其中相当一部分是配套生产其他煤化工产品的 8。1.3.2 世界甲醇工业发展概况甲醇最早是由木材和木质素干馏而制得的，俗称木醇。到了 1661 年，德国的 Robert Boyle 发现焦木酸含有一种“中性物质” ，称它为木醇（ Wood A
13、lcohol） 。木材在较长时间加热炭化的过程中，会产生可凝和不可凝挥发性物质，被称之为焦木酸的可凝性液体中含有甲醇、焦油和乙酸。除去焦油的焦木酸可以通过精馏分离出天然的甲醇和乙酸，这是生产甲醇的最古老的方法。美国在 20 世纪的 70 年代初才完全摒弃了这一方法。1934 年，Damds 和 Peligt 一起从焦木酸中分离出了甲醇，并且测定了甲醇的分子量。甲醇的大规模工业化生产是以 20 世纪 20 年代高压法合成甲醇作为标志。1913 年，德国 BASF 公司在高压合成氨的实验装置上进行一氧化碳和氢气合成含氧化合物的研究，于 1923 年在德国 Leuna 建成世界上第一座年产 3000
14、 吨合成甲醇生产装置，并成功投产。该装置采用了 Zn-Cr 氧化物作为催化剂，一氧化碳和氢气作为原料，压力 30 至 35MPa，温度 300 至 400条件下进行。 1965 年采用这样的方法生产的甲醇已经达到了 298.8 万吨。高压法甲醇生产装置成功投产后，引起了世界各国广泛重视，纷纷开展甲醇实验室研究进行合成和工业生产开发。1927 年，美国的 Commerical Solvent 公司建成世界第一座以一氧化碳和氢气作为原料合成甲醇的工业装置，并且投入工业生产。该装置所采用的催化剂为 Zn-Cr 氧化物或者 Cu-Zn-Cr 氧化物，反应的压力为 31.6Mpa，产物组成为 68%甲3
15、醇和 32%水。由于经济方面的原因，该装置 1951 年停止使用 9。高压法合成甲醇的工业投资很大，生产成本太高。为此，世界各国一直在探求可以降低合成压力的工业生产方法。英国 ICI 公司和德国的 Lurgi 公司分别成功研制出了中低压甲醇合成催化剂，降低了反应的压力，极大促进了甲醇生产的高速发展。与此同时，世界其他的化学公司也相继开发自己的中低压甲醇合成工艺，建设甲醇合成装置，但是ICI 和 Lurgi 中低压法合成工艺发展的最快。到了 1982 年，世界各国所采用 ICI 中低压法生产的甲醇年总量达到 1028 万吨，占世界甲醇总量的近 50%，装置的规模一般为年产5.082.5 万吨；而
16、采用 Lurgi 低压法已经建成以及正在建设的甲醇生产装置的总生产能力达到了 606 万吨，占了世界甲醇总生产能力近 30%，装置规模一般为年产 4.581 万吨。随着甲醇合成技术不断发展和规模的不断扩大，原料也发生了很大的变化，由原来以煤和焦炭气化生产路线发展到目前以天然气和煤作为主要的合成路线。20 世纪 50 年代以前，甲醇合成原料气以煤和焦炭作为原料，在常压或者加压下气化，用水蒸气、空气为气化剂，通过这样生产水煤气，再经过水汽变换逆反应脱出部分二氧化碳来获得甲醇合成气，相似于合成氨来生产半水煤气。50 年代以后，石油和天然气资源大量开采，特别是储量很丰富、廉价的天然气蒸汽转化技术的快速
17、发展使生产甲醇原料气的成本大大降低，称为甲醇合成的主要原料路线。目前天然气路线大约占甲醇生产总能力的 80%，中东和拉丁美洲凭借其廉价且丰富的天然气资源，成为近年来甲醇的生产能力增长最快的地区。煤作为制备甲醇原料气的传统原料，由于气化和气体的净化比较复杂，生产成本相对较高，但对于缺少油气但是富煤的国家和地区，例如我国，这样就成了主要的原料路线，大约占了 90%。从长远的发展趋势来看，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
18、发展，国外一共有甲醇生产装置进 110 套，每套的年平均生产能力都超过 0.5Mt，年总达到了 64Mt，在其中年生产能力超过 0.8Mt 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 26Mt10。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4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
19、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。1.3.3 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 Zn-Cr 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 Lu
20、rgi 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
21、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 2004 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。2009 年国家标准
22、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5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
23、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。1.4 甲醇精馏方法的选择1.4.1 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
24、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。整个精制过程工业上习惯称为粗甲醇的精馏。1.4.2 甲醇精馏方法（1）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。（2）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。
