年产10万吨低压法甲醇精制工段设计毕业论文设计.doc

年产10万吨低压法甲醇精制工段设计 （生物与化学工程学院10化学工程与工艺班） 摘要：本设计所用的低压法采用511型铜基催化剂，合成压力为5MPa。以天然气为原料，利用铜基催化剂合成粗甲醇后再经过三塔精馏合成纯度更高的甲醇。再通过查阅相关的精馏工艺资料；在实习车间观摩实际操作过程；并整合与精馏相关的文献，从物料和热量衡算，设备选型与计算的角度，设计出符合生产要求的精馏工艺路线。关键词：甲醇；低压法；精制；工段设计引言甲醇在现代工业中占着及其重要的地位，他不仅仅是碳一化工的基本原料，而且在无论是在化工、医药，还是在轻工纺织行业都有着广泛的应用。甲醇用途广泛，加工后可以作为优质燃料。其衍生物也用途广泛，诸如甲醛、醋酸、氯甲烷等现代工业的基础产品都能通过甲醇的加工得到，现今，我国已有三十多种工业产品是通过甲醇的一次加工得到的，同时，在市场需求的不断扩张下，如何生产出高质量、高纯度的甲醇产品，已经影响到了每个甲醇生产企业的生存能力。工艺原理：造气工段：使用二步造气法1CH4+H2O（气）CO+3H2 H =-205.85kJ / molCH4+O2CO2+2H2 H =+109.45kJ / molCH4+O2CO+2H2 H =+35.6kJ / molCH4+2H2CO2+2H2O H =+802.3kJ / mol合成工段：鲁奇低压工艺法，在5MPa，铜基催化剂条件下合成。主反应：CO+2H2CH3OH H =+102.37kJ / mol副反应：2CO+4H2CH3(O)+H2O H =+200.3kJ / mol CO+3H2CH4+H2O H =+115.69kJ / mol 4CO+8H2C4H9OH+3H2OH =+49.62kJ / mol CO2+H2CO+H2O H =-42.92kJ / mol (1)因为除了(1)反应之外，所有反应都增加了反应物CO的消耗，从反应平衡的角度考虑，必须抑制除(1)外所有副反应的进行，以此增加CO反应物的物质的量，利于反应向合成甲醇方向进行，增加产率。精馏阶段甲醇合成塔分离器贮 罐冷 凝新鲜气循环气入塔气驰放气精甲醇粗甲醇图1 甲醇生产和精馏过程流程 甲醇精馏的概述：采用精馏的方法，由粗甲醇制成精甲醇，这整个过程称作甲醇的精馏。甲醇精馏方法的比较：工业上常用铜基催化剂合成粗甲醇的单塔精馏、铜基催化剂合成粗甲醇的双塔精馏、铜基催化剂合成粗甲醇的三塔精馏三种方法。三种方法优缺点如下表2表1三种塔的对比项目单塔精馏双塔精馏三塔精馏运行操作运行简单运行相对简单、稳定运行比较复杂产品质量相对于粗甲醇得到了很好的提高可以获得比较优质的精甲醇可以得到高纯度的精甲醇能量消耗相对较低能量消耗很高，而且热能的利用率低相对于双塔精馏节约很多热能产品适合方向获得燃料级甲醇可以满足下游产品生产对甲醇高纯度的要求综上比较，本设计采用的精馏方法为三塔精馏。常压塔出料预精馏塔加压精馏塔常压精馏塔预塔顶出料预塔顶出料粗甲醇软 水碱 液常压塔出料预塔釜出料加压釜出料图2 三塔精馏的工艺流程图1甲醇精馏过程物料平衡计算1.1合成塔物料平衡计算已知年产10万吨甲醇，按每年330个工作日来计算其中成品精甲醇中甲醇含量为99.95%粗甲醇中各组分含量（鲁奇工组分含量艺法）如下表表2粗甲醇中各组分含量%甲醇以二甲醚高级醇高级烷烃水93.40%0.42%0.26%0.32%5.60% 由此可知每小时精甲醇产量： Kg/h 每小时粗甲醇产量： Kg/h并且，根据表1可算得粗甲醇中各组分各自的含量为表3甲醇中各组分含量甲醇以二甲醚高级醇高级烷烃水12619.95 Kg/h56.75 Kg/h35.13 Kg/h43.24 Kg/h756.66 Kg/h394.38 k mol/h1.24 k mol/h0.48 k mol/h0.43 k mol/h84.07 k mol/h 合成甲醇的化学反应为主反应：CO+2H2CH3OH H =+102.37kJ / mol （1）副反应：2CO+4H2CH3(O)+H2O H =+200.3kJ / mol （2） CO+3H2CH4+H2O H =+115.69kJ / mol （3） 4CO+8H2C4H9OH+3H2OH =+49.62kJ / mol （4）CO2+H2CO+H2O H =-42.92kJ / mol （5） 由于在实际生产中测得每生产一吨粗甲醇会产生0.34 k mol甲烷，故甲烷每小时生成量为0.3427.02345=9.187 kmol/h，147.008kg/h。由上述的五个主副反应化学方程式（1）（2）（3）（4）（5）可算得每生产一吨粗甲醇，（5）中CO逆变换生成水84.07-0.86-0.953-2.47=77.89 k mol/h。3每一吨粗甲醇溶解在5Mpa，40 溶解其他组分查表得知表3表4 5 Mpa，40 溶解组分气体H2COCO2N2ArCH4溶解量（m3/t粗甲醇）4.3640.8157.7800.3650.2431.680已知每小时生产粗甲醇质量13.51t表5 每一吨粗甲醇溶解其他气体的量气体H2COCO2N2ArCH4溶解量（m3/h）60.82 11.36108.425.093.3923.41溶解量（kmol/h）2.720.514.840.230.151.051.2粗甲醇扩散损失在40时，液体甲醇蒸发气化的溶解气中含有37.014kg/ m3甲醇，假设，减压后，除了二甲醚之外的其他气体全部释放出，则甲醇扩散损失：G=（60.82+11.36+108.42+5.09+3.39+23.41）0.03714=7.89 kg/h7.89 kg/h=0.25 kmol/h,5.52 m3/h1.3预塔的物料衡算进料：A:粗甲醇：在之前中合成塔的物料衡算中，我们已经得知粗甲醇的时产量为 Kg/h，并且根据表4，我们可以算出粗甲醇中各组分的量如下表表6 粗甲醇中各组分的量组分甲醇二甲醚异丁醇辛烷水合计流量：kg/h12619.9556.7535.1343.24756.655组成：(wt)%93.400.420.260.325.6100B：碱液：为了防止粗甲醇中的酸性成分对管路和设备的腐蚀和破坏，我们选择在其中加入8%的NaOH容易使粗甲醇呈碱性，按每吨精甲醇的耗碱量0.1kg计算。0.1=1.262627kg/h，这是每小时消耗NaOH的量。换算成碱液的量，1.2626278%=15.72884Kg/hC软水：根据中氮肥中“粗甲醇精馏过程中的加碱处理”记载，软水的加入量按精甲醇的20%计算，那么需要补加软水420%-15.7288492%=2510.78 kg/h可得预料塔组分含量如下表表7 预料塔组分含量物料量：kg/hCH3OHH2ONaOH(CH3)2OC4H9OH合计粗甲醇12626.27756.65556.7535.1313511.725碱液16.4971.3517.9315软水2509.7282757.561合计6755.8653282.881.3556.7535.1317119.6075出料：组分及流量如下表表8 组分及流量组分甲醇塔底水异丁醇及其高沸物二甲醚及其低沸物流量kg/h12626.273282.8835.1356.75其中塔底水包括：粗甲醇含水，补加软水，碱液带水流量如下表表9 塔底水成分及流量组分粗甲醇含水补加软水碱液带水合计流量kg/h756.6552510.7816.4723282.88综合表7,8,9可得表10预塔出料流量及组成表10 塔出料流量及组成物料量：kg/hCH3OHH2ONaOH(CH3)2OC4H9OH合计塔顶56.7556.75塔底12626.273282.881.3535.1315945.625合计12626.273282.881.3527.7835.1316002.37751.4主塔的物料衡算进料：加压塔，预处理后的粗甲醇： kg/h常压塔，-=7584.865kg/h出料：常压塔釜液中含甲醇1%,加压塔和常压塔采出量按2:1分配5加压塔：塔顶 12626.27 =8417.51kg/h 塔釜7841.38kg/h常压塔：塔顶13875.671/399%=4573.97kg/h塔釜组分及流量如下表表11塔釜组分及流量塔釜甲醇水NaOH高沸物流量kg/h46.253210.872.43453.85由以上分析可得表12甲醇精馏塔物料平衡表。单位：kg/h表12 甲醇精馏塔物料平衡表物料物料加压塔顶出料常压塔顶出料常压塔釜出料合计甲醇13875.679250.4454578.9746.2513875.67NaOH1.43451.43451.4345水3210.8733210.8733210.873高沸物3.853.853.85合计17087.989250.4454578.973262.4119087.982精馏过程能量衡算2.1合成塔能量衡算 参考鲁奇低压法工艺制甲醇6，各项指标如下表表13 鲁奇低压法工艺制甲醇各项指标指标名称入塔气出塔气热损失壳程沸水气压数值220 250 5%4MPa查化工工艺设计手册得，4 MPa下水的气化潜热为409.7 kmol/kg，即1715.00 kJ/kg，密度799.0 kg/m3，水蒸气密度为19.18 kg/m3，温度为250 。 入塔气热容见下表表14 入塔气热容组分COCO2H2N2ArCH4合计流量：Nm317447.355334.3911974.833904.202813.645860.97155035.43比热：kJ/kmol30.1545.9529.3430.3521.4147.05 热量：kJ/11790.3255493.99578698.2952656.031350.3456180.105106169.095根据物理化学上，查得220时甲醇的焓值为42248.46 kJ/kmol，流量为Nm3因此，Q入=42248.46106169.095220=26162208.25KJ出塔气热容见下表表15 出塔气热容组分COCO2H2N2ArCH4C4H9OH(CH3)2OH2O合计流量：Nm38572.744375.6099057.23902.892813.085970.811.16113.531092.54125799.5285156比热：kJ/kmol30.1346.5829.3930.4121.3648.39170.9795.8583.49/热量：kJ/5789.684569.2065260.982660.941347.1956475.7654.4529.8552044.47588182.855根据物理化学上，查得250时甲醇的焓值为46883.2 kJ/kmol，流量为Nm3因此Q出=46883.2+88182.855250=21917251.36+44091421.5 =43962962.1kJ Q反应=102.37+200.39+115.69+49.62+(-42.92) 1000 =43778160 kJQ热损失=(Q入Q反应) 5%=(26162208.25+43778160) 5%=3497018.4625 kJ 因此，壳程水带走热量Q传 = Q入 + Q反应 - Q出 - Q热损失 =26162208.25+43778160-43962962.1-3497018.4625 =22470387.8875KJ又：Q传=G热水r热水所以:G热水=13102.3 kg/h即时产蒸气：=683.12m32.2常压精馏塔能量衡算由表12可知Xf=0.224查化工工艺设计手册，甲醇露点温度t=74.81757操作条件：塔顶75，塔釜105，进料温度124，回流液温度40，取回流液与进料的比例为4:1。根据常压塔进料组分可求得常压塔入热如下表表16 常压塔入热物料进料回流液加热蒸汽组分甲醇水+碱甲醇流量：kg/h4629.9573365.15531980.448温度：12412440比热：kJ/kg2.684.262.68热量:kg/h1538627.311777609.483428304.03Q加热Q入=Q进料+Q回流液+Q加热=1538627.31+1777609.48+3428304.03+Q加热6=4744540.81+ Q加热带出热量为下表表17 带出热量物料精甲醇回流液残液热损失组分甲醇甲醇甲醇水+碱流量：kg/h4629.95731980.44846.253365.155温度：7575105105比热：kJ/kg2.682.683.504.187潜热：kJ/kg1046.751046.75热量:kg/h5713409.8223165837.0217015.251479439.925%Q入则Q出15713409.8223165837.0217015.2514794439.925%Q入 =30375702.01+5%Q入Q出Q入= Q出31974423.17kJ/h得Q蒸汽=25229882.35kJ/h查表可知，水蒸气的汽化热为2118.6 kJ/kg所以，需蒸汽G水蒸汽=11908.75 kg/h，由以上计算结果，可知常压精馏塔的工艺流程图。图5常压精馏塔回流甲醇加压塔底液体12040 水30 水105 残液115 精甲醇冷凝液甲醇蒸汽图3 常压精馏塔的工艺流程3主要设备及选型计算3.1常压精馏塔计算组分条件：表18表18 组分条件组分精甲醇残液含量99.95%1%操作条件：表19表19 操作条件塔顶压力塔底压力塔顶温度塔底温度进料温度回流液温度0.01106 Pa0.13106 Pa67 105 12440（1）精馏段平均温度：(124+67)=95.5 平均压力：(0.13106-0.01106) 0.01106=99.6 KPa精馏段物料流率如下表表20 精馏段物料流率物料质量流量：kg/h分子量：g/mol摩尔流量：kmol/h内回流20114.73532628.585如若气体在标准状态下，即温度273.15K（0），压强101.325Kpa条件下。气体体积为：V0=628.58522.4=14130.315Nm3/h而在操作压力下，气体的体积V1=14130.315=9561.235 m3/h由于标准状态下和操作压力下气体体积有差，所以存在气体负荷气体负荷为：Vn=2.656 m3/s气体密度： =2.104kg/ m3查化工工艺设计手册，95.5时甲醇的密度=721 kg/m3液体负荷：Ln=0.00775m3/h（2）提馏段：平均温度：(105+124)=114.5 入料压力：(0.13106-0.01106)=89.6 kPa平均压力：(89.6103+0.13106)=109.8 kPa提馏段物料流率如下表表21 提馏段物料流率物料质量流量：kg/h分子量：kg/kmol摩尔流量：kmol/h内回流24371.6632761.615如若气体在标准状态下，即温度273.15K（0），压强101.325Kpa条件下。气体体积为：V2=761.61522.4=17055.16Nm3/h而在操作压力下，气体体积V3=17055.16=11646.45由于标准状态下和操作压力下气体体积有差，所以存在气体负荷气体负荷Vm=3.235 m3/s气体密度：=2.093kg/m3查化工工艺设计手册，查得进料状态甲醇溶液温度124，含甲醇55.7%，密度为0.83 t/m。塔底含醇1%，可近似为纯水，105，0.13Mpa下水的密度为939.41 kg/m3。液体平均密度=893.21 kg/m3液体负荷Lm=0.00758m3/s3.2 塔径估算根据鲁奇低压法工艺，本设计所采用F1重阀浮阀塔,全塔采用标准结构，板间距HT=0.35 m，溢流堰高hc=0.05 m。8精馏段：精馏段功能参数包括温度、压力、液位、流量、阻力、浓度。（1）查阅化工原理可知：精馏段功能参数()=()=0.054（2）塔板间有效高度H0=HT-HC=0.35-0.05=0.30m查甲醇工学负荷系数：G=0.0515，化工原理查得95.5时：甲醇的表面张力为：15.8710-5 N/cm，水的表面张力为：68.8710-5 N/cm则可计算出甲醇精馏段甲醇-水的溶液组分平均组成为：甲醇：(0.9995+0.579)=0.7893wt水：1-0.7893=0.2107 wt所以表面张力：=0.789315.8710-5+0.210768.8710-5 =27.0410-5 N/cmC=0.0485（3）最大流速UmaxUmax=1.3C=1.30.0485=1.69 m/sU适=0.7Umax=1.690.7=1.183 m/s（4）塔径DD=1.88 m（5）提馏段：根据精馏段公式求得提馏段功能参数()=0.0484根据甲醇工学得负荷系数：G=0.0524,化工原理得114.5时：甲醇表面张力为：14.1310-5 N/cm，水的表面张力为：57.0610-5 N/cm则可计算出甲醇精馏段甲醇-水的溶液组分平均组成为：甲醇：(0.01+0.579)=0.295,水：1-0.295=0.705与精馏段计算方法相同可求得表面张力=0.29514.1310-5+0.70557.0610-5=44.4010-5 N/cmC=0.0447Umax=1.3C=1.30.0447=1.199 m/sU适=0.7 Umax=0.71.199=0.839 m/s塔径=2.07 m对全塔，取塔径D=3000mm3.3最小塔板数的估算Xf为加压后的甲醇摩尔分率Xf=0.437 （1）Xd为精甲醇中的甲醇摩尔分率Xd=0.999 （2）Xw为残液中的甲醇摩尔分率Xw=0.0057 （3）Xw1=1- Xw=0.9943 (4 )处理能力 F= =51.465 kmol/h精馏段物料量D精=F=51.465=44.697 kmol/h提馏段物料量：D提=F=51.465=27.5925 kmol/h根据化工原理查得124时,甲醇的饱和蒸汽压P*CH3OH=705.38 Kpa,水的饱和蒸汽压P*H2O=229.47 Kpa105时，甲醇的饱和蒸汽压P*CH3OH=439.08 Kpa,水的饱和蒸P*H2O=123.18 Kpa根据公式相对挥发度=9124时，124=3.074105时，105=3.565平均挥发度：=3.310则，根据以上（1）（2）（3）（4）理论塔板数根据斯克公式：Nm= =10.06块3.4实际塔板数的计算根据化工原理吉利兰图可查得，=0.356=0.356N16.17块板效率：要想求得实际塔板数，我们必须先求得板效率，而板效率又是建立在求相对平均挥发度与平均粘度的积之上，即(、)10已知塔顶温度105，塔底温度67，则平均温度=(105+67)=8686时：=0.32510-3 PaS,=0.335410-3 PaS则：= Xf+ (1-Xf)=0.32510-30.437+0.335410-3(1-0.437)=0.330910-3 PaS=0.330910-33.310=1.097310-3 PaS根据化工原理查板效率与关联图得：N=15.05板效率：E=49*=0.464实际板数为：=34.85块表22设备一览表序号名称型号规格台数1甲醇合成塔F=346.9 L=600012预精馏塔列管：322.5L=800013加压精馏塔2800mmL=7200mm14常压精馏塔2400mmH=8000mm15闪蒸槽3000mmH=8000mm1参考文献1 李镇蓉.中氮肥M. 成都:全国