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1、陕西能源职业技术学院课程设计40万吨煤制甲醇精馏工艺设计 学生姓名： 指导老师： 李秉昌 专 业：应用化工技术 系 部： 地质测量系摘 要甲醇是煤化工中非常重要的有机产品，在甲醇合成工业生产过程中，粗甲醇的精制不仅是决定甲醇产品质量的重要工序，而且也是影响甲醇生产成本的关键因素之一。换热器是化工生产中重要的通用热工设备之一，管壳式换热器以其结构简单、牢固、操作弹性大等特点被广泛应用于工业生产中。 本文的研究对象是四塔甲醇精馏工艺，与传统工艺相比新工艺能够节约能量，节约软水；但是同时新工艺增加了系统的藕合程度，加强了塔之间的关联性，提高了系统对于进料波动的响应的复杂性，给控制带来了很大的难题。为
2、了能够实现新工艺的工业应用，对新工艺进行详细的研究。关键词：甲醇精馏，Aspen Plus模拟，换热器计算，设备选型目 录摘 要II前 言I第一章 文献综述- 6 -1.1研究背景- 6 -1.1.1课题的提出- 6 -1.1.2研究目标- 6 -1.2 甲醇的简介- 6 -1.3 甲醇精馏流程发展- 7 -1.3.1 工艺流程概述- 7 -1.3.2 典型的工艺流程- 7 -1.3.3 影响精馏操作的因素与调节- 10 -第二章 甲醇精馏工段物料衡算- 11 -2.1 甲醇精馏原理- 11 -2.1.1 预精馏塔的作用- 11 -2.1.2 加碱对甲醇精馏的改善- 11 -2.1.3 萃取精
3、馏在甲醇精馏中的应用- 12 -2.1.4 回流比的选择- 12 -2.2 四塔精馏工段工艺的物料衡算- 12 -2.2.1 甲醇精馏工段物料衡算任务- 12 -2.2.2 甲醇精馏工段物料衡算计算原理18- 13 -2.2.3 甲醇精馏工段物料衡算- 13 -第三章 常压塔冷却器的设计- 18 -3.1确定设计方案- 18 -3.2确定物性数据18- 18 -3.2.1计算总传热系数- 18 -3.2.2 工艺结构尺寸- 19 -3.2.3折流板- 20 -3.2.4接管- 21 -3.3换热器核算- 21 -3.4 确定折流挡板形状和尺寸- 25 -3.5 波形膨胀节- 25 -3.6 设
4、备主要附件的选择17- 25 -3.6.1 接管及法兰的选型- 25 -3.6.2 左管板的选型- 27 -3.6.3 换热管的选择- 28 -3.6.4 左管箱短节的选择- 28 -3.6.5 左管箱封头的选择- 28 -3.6.6 左管箱隔板的选择- 29 -3.6.7 左管箱法兰和密封垫片的选型- 29 -3.6.8 右管板- 29 -3.6.9 右管箱设计- 29 -3.6.10 鞍座的选型- 30 -3.7 设计结果一览表- 30 -第四章 结论- 31 -参考文献- 32 -致 谢- 33 -前 言甲醇是重要的有机基本产品，用途非常广泛。甲醇的产品质量、能耗指标是甲醇精馏系统的关键
5、因素。甲醇精馏工艺对整个甲醇生产流程的生产能力、产品质量、能源消耗与原料消耗、环境保护都有重大影响。精馏过程占总能耗的很大部分，甲醇生产能耗其中约60%就用于精馏过程。精馏投资约占项目总投资的30%-40%。要研究和开发一种新工艺，传统的方法是先进行实验，再经过小试、中试、工业规模生产等等逐级放大的过程，周期长，投资大。应用流程模拟软件，对工艺流程进行模拟，则很容易实现对流程的考察，可以改进工艺流程布置，优化工艺操作参数，只要选择的模型及热力学方法适当，模拟结果是相当可靠的，可以用来指导生产，或者为装置改造以及新装置的设计提供基础数据。国内一些甲醇生产装置，甲醇精馏能耗较高、产品收率较低、甚至
6、一些装置的甲醇产品质量较差。同时，国内甲醇产能的扩张很迅速，但是目前新项目设计还是沿袭以往设计为主、没有足够的甲醇精馏系统设计应用理论研究基础。因此，对甲醇精馏工艺作系统的研究对于甲醇精馏系统的合理设计、通过设备改造和调整工艺来降低甲醇精馏的能耗、提高甲醇产品质量和收率有突出的现实意义。现本文通过查阅国内外文献和实际生产中的工艺资料，利用流程模拟软件，使用专有的物性热力学包模拟计算了四塔甲醇精馏工艺流程，并和实际的工艺数据进行了对比，同时对常规甲醇精馏工艺的不同流程的设计参数和操作参数进行了总结和分析，提出了甲醇精馏系统的工艺设计原则和设备设计原则。在此基础之上对于甲醇精馏系统提出了新的改进流
7、程和全新流程的开发。对于甲醇工业的发展具有重要的意义。由于本人水平有限，文章中有不妥之处还望老师批评指正。第一章 文献综述1.1研究背景1.1.1课题的提出粗甲醇中含有多种有机杂质和水分，需要精制。精制过程包括精馏与化学处理。化学处理主要用碱破坏在精馏过程中难以分离的杂质，并调节pH。精馏主要是除去易挥发组分，如二甲醚、以及难以挥发的组分、高级醇、水等1。在确定粗甲醇精馏的工艺流程时，应对生产过程中能耗、自动化程度、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。甲醇精馏过程的物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。根据甲醇质量要求不同，甲醇精馏可分为
8、一塔流程、双塔流程和三塔流程。另外，ICI公司上世纪80年代末为节省能耗，还将双塔流程改为四塔流程。因此，对甲醇精馏工艺作系统的研究对于甲醇精馏系统的合理设计、通过设备改造和调整工艺来降低甲醇精馏的能耗、提高甲醇产品质量和收率有突出的现实意义。现本文通过查阅国内外文献和实际生产中的工艺资料，利用流程模拟软件，使用专有的物性热力学模拟计算了四塔甲醇精馏工艺流程，并和实际的工艺数据进行了对比，同时对常规甲醇精馏工艺的不同流程的设计参数和操作参数进行了总结和分析，提出了甲醇精馏系统的工艺设计原则和设备设计原则。1.1.2研究目标本论文的研究目标是：甲醇精馏工段进行初步设计（1）通过热力学原理对甲醇精
9、馏工段的工艺流程进行选择，进行物料衡算和能量衡算；（3）根据换热器的热力计算、流动计算、结构计算和强度设计，对换热器进行合理的选型；（4）利用Auto CAD软件，绘制甲醇精馏工段的物料流程图、带控制点的工艺流程图、冷却器的设备图、0.000平面的精馏工段设备布置图。 1.2 甲醇的简介纯甲醇为无色透明略带乙醇气味的易挥发液体，沸点65，熔点-97.8，和水相对密度0.7915。甲醇能和水以任意比互溶，但不形成共沸物，能和多数常用的有机溶剂(乙醇、乙醚、丙酮、苯等)混溶，并形成恒沸混合物。甲醇剧毒，内服10ml有失明危险， 30ml能导致人死亡，空气中允许最高甲醇蒸汽浓度为0.05mg/h。易
10、燃烧，其蒸汽能和空气形成爆炸性混合物，爆炸极限6.036.5%(体积) 2。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C化学工业的发展，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ZMS-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变化。 1.3 甲醇精馏流程发展1.3.
11、1 工艺流程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3。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，老的工艺装置由于能耗过高，在市场竞争力下降，技术更新和技术进步成为必走之路。1.3.2 典型的工艺流程甲醇精馏产生工艺有多种，分为单塔精馏，双塔精馏，三塔精馏与四塔精馏4。（1）单塔流程描述单塔流程（见图1.1）为粗甲醇产品经过一
12、个塔就可以采出产品。粗甲醇塔中部加料口送入，轻组分由塔顶排出，高沸点的重组分在进料板以下若塔板处引出，水从塔底排出，产品甲醇在塔顶以下若干块塔板引出。DANTACJIACHUNGAOFEIWUJJIACHUNDIFEIWUSHUI图1.1 甲醇精馏工艺的单塔流程（aspen 模拟图）（2）双塔流程描述5从合成工序来的粗甲醇入预精馏塔，此塔为常压操作。为了提高预精馏塔后甲醇的稳定性，并尽可能回收甲醇，塔顶采用两级冷凝。塔顶经部分冷凝后的大部分甲醇、水及少量杂质留在液相作为回流返回塔，二甲醚等轻组分(初馏分)及少量的甲醇、水由塔顶逸出，塔底含水甲醇则由泵送至主精馏塔。主精馏塔操作压力稍高于预精馏塔
13、，但也可以认为是常压操作，塔顶得到精甲醇产品，塔底含微量甲醇及其它重组分的水送往水处理系统（见图1.2）。图1.2 甲醇精馏工艺的双塔流程（3）三塔流程描述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。三塔流程（见图1.3）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。6图1.
14、3 甲醇精馏工艺的三塔流程（4） 四塔流程描述四塔流程（见图1.4）包含预精馏塔、加压精馏塔、常压精馏塔和甲醇回收塔。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加压后进入加压精馏塔；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，同时对加压塔塔顶气相冷凝。冷凝后的精甲醇进入回流罐，一部分作为加压塔回流，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，常压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。图1.4 甲醇精馏工艺的四塔流程1.3.3 影响精馏操作的因素与调节（1）进料状态7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。对于固定进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，直接关系着塔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
