甲醇精制工段

1、学校代码：10128学 号：课程设计说明书题 目：40wt煤制烯烃设计一甲醇精制工 段 学生姓名：学 院：化工学院班 级：化学工程与工艺09-1班指导教师：二O 一三年五月二十二日目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark1 o Current Document 第1章 总论0 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 1.1产品简介2 HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 1.2设计依据2 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.

2、2设计指导思想3 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 第2章 工艺技术路线的选择 5 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 2.1全场工艺流程选择5 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 2.2甲醇精制工艺流程选择依据与原则5 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 2.2.1甲醇精制现有生产方法6 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2.2.2双塔精馏和三塔精馏产

3、工艺流程的对比6 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 2.2.3双塔精馏和三塔精馏产工艺耗能的对比6 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 第3章 甲醇精制工段物料和热量衡算9 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 3.1甲醇精馏工段的物料衡算的计算依据93.2甲醇精馏工段的物料衡算的计算过程9 HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 3.2.1预塔物料衡算9 HYPERLINK l bookmark64 o C

4、urrent Document 3.2.2加压塔物料衡算123.2. 3常压塔物料衡算13 HYPERLINK l bookmark69 o Current Document 第4章 甲醇精制工段工艺流程简述14 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 4.1三塔精馏工艺流程简介14 HYPERLINK l bookmark75 o Current Document 4.2三塔精馏工艺流程简图14 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 参考文献15 HYPERLINK l bookmark88 o Cur

5、rent Document 心得体会16致谢17第1章总论1.1产品简介在煤的清洁高效利用中，煤制烯烃是公认和可行的发展方向，其中甲醇制烯 烃是在世界范围内目前尚未实现工业化应用的关键技术，已经成为发展新型煤化 工的瓶颈。2009年10月9日，“流化床甲醇制丙烯工业技术开发项目”工业试 验装置在安徽淮南开车成功，装置经过470小时满负荷连续运行，获得了预期成 果，并于11月27日通过了由中国石油和化学工业协会组织的成果鉴定。烯烃作为重要的化工原料，作为石油化工核心产品，被称为“石化工业之 母”。乙烯产量已成为衡量一个国家石油化工发展水平的标志，其生产能力被看 作是一个国家经济实力的体现。196

6、2年我国首套乙烯生产装置在兰州化学工业 公司诞生，经过四十年的发展，我国目前已建成乙烯生产装置20套。但随着我 国GDP的快速增长，未来一段时期国内烯烃产品仍将供不应求。乙烯产品直接繁 衍和带动发展塑料深加工、橡胶制品、纺织、石蜡深加工、助剂加工、包装材料、 建设材料、化工机械制造、工程建筑、运输、餐饮服务等产业。大到航空航天， 小到吃饭穿衣，它与国民经济、人民生活息息相关。一个年产量百万吨级乙烯 项目，除本身直接提供数目庞大的就业岗位外，还通过发展配套产品和深加工 产品，建立起覆盖性的新兴加工产业。初步测算可增加就业岗位五万余个。传 统的烯烃产品，如乙烯、丙烯的制取路线，主要是通过石脑油裂解

7、生产的，其 缺点是过分依赖石油。1.2设计依据据权威机构预测，到2009年，全球乙烯需求量年均增长500万吨；我国 乙烯当量消费2010年将达到2 500万吨，2015年达3 000万吨以上。20世纪 60年代初，美国乙烯年产量就达200多万吨，到20世纪70年代后期更是激 增到了 2 000万吨。而当时我国大陆的乙烯年生产能力仅为6万吨/年。1983 年我国30万吨/年，大乙烯工程在大庆石化、齐鲁石化、扬子石化、上海石化建 成投产后，我国乙烯工业迈上新台阶。2003年以来，国际原油价格一路攀升，随着国际油价升高，乙烯生产成本 大幅度提高。以储量丰富、价格低廉的煤炭为原料生产乙烯及其衍生化工产

8、品前 景看好。根据国际能源机构的统计，石油、天然气、煤炭三种主要一次能源，其 全球剩余储量可供世界利用的时间分别为40年、50年和240年。1.3设计指导思想煤制烯烃包括煤气化、合成气净化、甲醇合成及甲醇制烯烃四项核心技术。 主要分为煤制甲醇、甲醇制烯烃这两个过程。而其中煤制甲醇的过程占了煤气化、 合成气净化、甲醇合成这三项核心技术。煤制烯烃首先要把煤制成甲醇，煤制甲醇技术也就是煤制烯烃技术上的核 心。而煤制甲醇的过程主要有4个步骤：首先将煤气化制成合成气；接着将合成 气变换；然后将转换后的合成气净化；最后将净化合成气制成粗甲醇并精馏，最 终产出合格的甲醇。煤炭、石油、天然气探明储量分别占中国

9、化石能源探明储量的94%、5.4%、 0.6%，比较而言，我国煤炭资源更为丰富。近两年来，国内大型煤炭企业、富产 煤炭的地区都在规划建设大型煤化工项目。尤其是煤经甲醇制烯烃项目，以其原 料易得、成本低廉、环境友好和竞争力强等优势，正在引起相关行业的广泛关注。 自从1993年我国成为石油净进口国之后，进口石油的比重不断加大，2007年 达到了 16 317万t，石油对外依存度达到47.2%。我国石油缺口逐年增大，对 能源的安全供应、国民经济的平稳运行以及社会的可持续发展构成了严重威胁。 因此，从煤化工中获得乙烯、丙烯显得非常重要。截止2008年底，煤气化、合成气净化和甲醇合成技术均已实现商业化，

10、有 多套大规模装置在运行，甲醇制烯烃技术已日趋成熟，具备工业化条件。甲醇转 化制烯烃单元除反应段的热传递方向不同之外，其他都与目前炼油过程中成熟的 催化裂化工艺过程非常类似，且由于原料是单一组分，更易把握物性，具有操作 条件更温和、产物分布窄等特点，更有利于实现过程化。轻烯烃回收单元与传统 的石脑油裂解制烯烃工艺中的裂解气分离单元基本相同，且产物组成更为简单， 杂质种类和含量更少，更易于实现产品的分离回收。因此在工程实施上都可以借 鉴现有的成熟工艺，技术风险处于可控范围。在工艺技术路线上，煤制烯烃与炼油行业的催化裂化差不多，中国国内是有 把握解决的。煤制烯烃问题不在工艺上，而在催化剂上。目前催

11、化剂的长周期运 转的数据并没有出来，催化剂的单程转化率、收率、副产物的组成，催化剂、原 材料和公用工程的消耗定额、催化剂衰减的特性曲线、废催化剂的毒性和处理、 催化剂制备的污水组成和数量、整个装置单程和年连续运行的时间、废液废气的 排放等多项重要数据目前没有公布，因此，大规模工业化可能还要过段时间。甲 醇是煤制烯烃工艺的中间产品，如果甲醇成本过高，将导致煤制烯烃路线在经济 上与石脑油路线和天然气路线缺乏竞争力，此外，MTO需要有数量巨大且供应稳 定的甲醇原料，只有煤制甲醇装置与甲醇制烯烃装置一体化建设才能规避原料风 险。因此，在煤炭产地附近建设工厂，以廉价的煤炭为原料，通过大规模装置生 产低成

12、本的甲醇，使煤制烯烃工艺路线具有了经济上的可行性。第2章工艺技术路线的选择2.1全场工艺流程选择我们的课程设计题目为40万吨煤制烯烃，煤气化工段采用的是德士古水煤 浆气化工艺；合成气净化采用的是低温甲醇洗lindeH艺（五塔）；甲醇合成采 用的是lurgi低压合成甲醇工艺；甲醇精制采用的是三塔精馏；甲醇制烯烃采用 的是MTO工艺。全厂工艺流程框图如下：粉煤德士古气化一低温甲醇洗一 Lurgi合成一甲醇精馏一甲醇制烯烃一乙烯水蒸气煤炭是我国的基础能源和重要原料，在国民经济和社会发展中具有重要的战 略地位。煤气化技术是煤炭清洁转化的核心技术之一，是发展煤基化学品（氨、 甲醇、二甲醚等）、煤基液体燃

13、料、先进的1GCC发电、多联产系统、制氢、燃料 电池等过程工业的基础，是这些行业的共性技术、关键技术和龙头技术。我所设计的工段是甲醇精制工段，本工段采用的是三塔精馏。2.2甲醇精制工艺流程选择依据与原则甲醇在世界基础有机化工原料中，消费量仅次于乙烯、丙烯和苯，居第四位， 在化工、医药、轻工、纺织等行业具有广泛的用途，具有举足轻重的作用。随着 我国国民经济的高速发展、甲醇衍生物及下游产品生产的迅速发展和甲醇燃料的 应用，甲醇需求量越来越大，2004年全国甲醇总产量为440万吨，比2003年同 比增长22.8%，2005年我国的甲醇消费量超过了 600万吨，并逐年递增。在以 CO和H2为原料合成甲

14、醇过程中，无论采何种工艺生产都会不同程度地发生一些 副反应，产生除甲醇以外的其它杂质，同时由于二氧化碳的存在，会有相当量的 水生成。为了获得高纯度、高质量的甲醇产品，甲醇精馏成为甲醇生产企业的重 要后处理工序，其能耗约占甲醇总能耗的20%。甲醇精馏的目的，就是实现甲 醇与水及有机物等杂质的分离，生产出合格的精甲醇产品，这一工序的能耗高低 对甲醇产品的成本有重要影响。如何提高甲醇的质量、降低能耗关系到每个企业 争生存、求发展、取得更高经济效益的大事。2.2.1甲醇精制现有生产方法目前我国使用较广泛的是双塔精馏、三塔精馏、四塔精馏流流程工艺，本文 主要从工艺角度和节能角度对粗甲醇的双塔精馏和三塔精

15、馏工艺的应用进行比 较和分析。目前我国在甲醇生产过程中主要使用的甲醇精馏技术有双塔精馏和三 塔精馏工艺。2.2.2双塔精馏和三塔精馏产工艺流程的对比一、双塔精馏工艺该流程为我国以前老的甲醇装置中采用较广的一种精馏流程。粗甲醇先经预 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 在主精馏塔将水与甲醇、重组分及参与轻组分进行有效分离，得到精甲醇产品。 生产实践证明双塔精馏流程简单、操作方便、运行稳定，能满足甲醇生产要求。二、三塔精馏工艺三塔精馏是目前甲醇生产装置应用最广泛的精馏工艺。粗甲醇按次序分别进 入预精馏塔、加压塔和常压塔逆行精馏，大部分轻组分在预精馏塔去除，加压塔

16、 和常压塔均采出产品，约各占一半。三塔精馏具有精馏能耗低、操作稳定、产品 质量好等突出优点，但操作相对比较复杂。2.2.3双塔精馆和三塔精馆产工艺耗能的对比一、双效精馏能源利用精馏是简单蒸馏的组合，蒸馏操作系基于混合物中各组分在相同温度条件 下，具有不同的挥发度，当混合液被加热到沸腾以后，将气相进行冷凝，其冷凝 液组成与原来的混合液不同，其中易挥发组分较以前增加，然后将冷凝液继续加 热蒸发。如此不断汽化、冷凝操作，最后使混合液中的组分几乎以纯组分被分离 出来。常温、常压下，甲醇是易挥发和易燃烧的无色液体，纯甲醇的沸点为64.7C, 杂质的沸点有高有低，低于甲醇沸点的为轻馏分，高于甲醇沸点的为重

17、馏分。一 般情况下，甲醇中所含轻馏分杂质主要为二甲谜、乙醛、丙酮等，约占粗甲醇重 量的1%，重馏分主要为水、异丁醇、异丁醚等，约占粗甲醇重量的45%。这 些杂质只有通过精馏去除，才能得到质量符合要求的精甲醇。双效精馏的原理是 重复利用给定数量的能量来提高精馏设备的热效率。精馏系统由不同操作压强的 塔组成，利用较高压力的塔顶蒸汽作为相邻压力较低的精馏塔再沸器的热源，而 较低压力精馏塔的再沸器即为较高压力精馏塔的冷凝器。塔顶蒸汽的汽化潜热被 系统本身回收利用，节省了低压精馏塔的再沸器加热蒸汽，同时循环冷却水的用 量也减少了，因此在较大程度上节约了能源。二、双效精馏与三塔精馏的耗能比较从投资、能耗等

18、指标对双塔精馏流程和三塔精馏流程进行比较分析， 判断两种精馏工艺的优缺点可知：1、塔径的变化与生产规模不成比例，与塔的结构型式等因素有关。2、三塔流程比双塔流程增加了一个塔系统投资也必然增加。即在设备材质相同，塔结构、塔板数和板间距不变的情况下，塔径可以作为 衡量塔设备投资的表征因素。两种流程预精馏塔操作条件相同，故塔径相同。由 于三塔流程中的加压精馏塔采用了加压操作，并从塔顶采出部分精甲醇产品，只 有塔底甲醇和水进入常压塔，所以规模相同时三塔流程中的两个主精馏塔塔径均 小于双塔流程主塔塔径。双塔流程与三塔流程在不同规模下的甲醇精馏装置能耗比较可得出 出：两种流程中预精馏塔的分离要求及操作条件

19、完全相同，所以能耗相不论是三塔流程，还是双塔流程，单位时间所耗用的冷却水量以及消 耗的蒸汽量与生产规模成正比，即同一流程不同规模的吨甲醇能耗是相同的。规模相同时三塔流程所用的冷却水量和蒸汽量大大小于双塔流程。经分析可得原因如下：三塔精馏流程中的常压塔塔釜再沸器加热所需热量为加压塔塔顶蒸 汽的冷凝热，不需外界供热，从而降低了热能消耗；三塔流程加压塔和常压塔的回流量之和较双塔流程中主精馏塔的回流 量小，因此耗用的蒸汽量及冷却水量均相对较小，说明三塔流程是一种节能型工 艺。表中数据显示，规模越大节能效果越显著。（三）综合比较综前所述，与双塔流程相比，三塔流程利用蒸汽潜热的多重效用，充分达到 节能的目

20、的，但其总投资增加。为了正确评价流程的经济性能，应比较分析两种 流程的综合技术经济指标，可见：（1）虽然规模相同的三塔流程的投资有所增加，但由于能耗大幅度下降， 操作费用也显著降低；（2）正如前面能耗及投资的比较所证明，由于同一流程设备投资增加的幅 度较生产规模增加的幅度小得多，而吨甲醇能耗保持不变，所以同一流程投资的 回收期随着生产规模的增加而缩短；（3）以100kt / a甲醇的三塔流程精馏装置为例，其较同一规模的双塔流程 增加的那部分投资的回收期为0.25年，即约三个月，三塔流程增加的投资就可 被收回。显然，总投资的回收期三塔流程较双塔流程短。三、结论综上所述，三塔流程较双塔流程复杂，但

21、操作费用及能耗较双塔流程低，从 长远角度看，应更有优势。根据双效多精馏原理，要实现两塔的热量用，必须满 足加压塔塔顶馏份的露点温度大于常压塔塔底液的泡点温度。但应注意：两主精 馏塔的压力差既不能太小，否则会导致冷凝器、再沸器的换热面积过大；也不能 太大，若加压塔压力过高，塔的强度要求势必要提高，投资费用必然增加，还必 须提高加压塔进料泵的功率，这样就会降低三塔流程的节能效果。可见，必须优 化设计三塔流程甲醇精馏系统。只有综合考虑所分离物系的具体特性、投资与能 耗等因素，并结合企业自身的生产条件和要求，才能找到可靠、经济的甲醇精馏 工艺方案。综合考虑能耗和投资等因素，对于大、中型甲醇精馏装置，三

22、塔精 馏工艺更具有优越性；而对于小规模甲醇精馏装置，简单成熟的双塔流程是比较 合理的选择。结合我公司实际情况，30kt/a甲醇精馏采用双塔流程，而150kt/a 甲醇精馏选用三塔流程，是合理的选择。I三I三甲醇精制工段物料和热量衡算3.1甲醇精馏工段的物料衡算的计算依据一、以1小时为基准计算，由低温甲醇洗工段可知粗甲醇进料量1798.304kg / h二、粗醇组分其中微量且对精馅无影响组分及含量忽略，如甲烷、氩、氧气、氮气等组分。故：甲醇含量：80.63%水含量：0.66%轻馅分含量：12.51%初馅物：6.95%精甲醇耗碱0.1kg /1000kg将烧碱配成含NaOH 2%5%溶液连续加入预

23、塔入料中，预塔排出的轻溜组分 占粗醇加入量的15%，在预塔排出物的分馅物占总溜物的60%，在常压塔排出的 初馅物占总溜物的40%。3.2甲醇精馏工段的物料衡算的计算过程3.2. 1预塔物料衡算一、入料量甲醇量二粗醇含醇量+稀醇（萃取水）含醇量粗醇含量二 1798.304 x 0.8063% = 1449.97kg稀醇（萃取水）含醇量二 1798.304 x 0.15 x 0.1 = 26.97kg甲醇量二 1449.97 + 26.97 = 1476.97kg水量二粗甲醇含水+稀醇含水+碱液含水粗甲醇含水=1798.304 x 0.066 = 118.69kg稀醇含水= 1798.304 x

24、0.15 x （1 - 0.1） = 242.77kg碱液带入水量二碱液量x碱液含水量加入的碱量二甲醇量X每吨甲醇的耗量=1798.304 X 0.1 -1000 = 0.1798kg碱液以3.5% NaOH溶液记碱液量二 0.1798 : 0.035 = 5.14kg碱液带入水量=5.14 x （1 - 0.035） = 4.96kg水量二 118.69 + 242.77 + 4.96 = 366.42kg轻馏分量二粗甲醇量x轻馏分含量=1798.304 x 0.1251 = 224.97kg初馏物（预塔排出的初馏物占总出馏物的60%）初馏物二粗甲醇量X初馏物含量X 0.6=1798.304

25、 x 0.6 x 0.0695 = 74.989kg二、出料量甲醇二粗甲醇含量+稀醇含醇量=1449.97 + 26.97 = 1476.94kg水=粗醇含水量+稀醇含水量+碱液含水量=118.69 + 242.77 + 4.96 = 366.42kgNAOH = 0.1798kg轻馏分量=224.97kg初馏物=74.989kg预塔物料衡算表见表3-1。表3-1预塔物料衡算表入料量出料量物质名称质量（kg）物质名称质量（kg）甲醇1476.94甲醇1476.94水366.42水366.42NAOH0.1798NAOH0.1798轻馏分量224.97轻馏分量224.97出馏物74.989出馏物

26、74.989总计2114.50总计2114.503.2.2加压塔物料衡算加压塔出料甲醇含量：60%加压塔回流比取进液量的0.65一、进料量总入料量二预塔总出料量-轻馏分量-排除的初馏分量=2143.4988 + 224.97 - 74.789 = 1843.5398kg水量二预出料水量=366.42kg甲醇量二预出料甲醇量=1476.94kgNAOH 二预塔出料 NAOH 量=0.1798kg初馏物二预出料初馏物量=1798.304 x 0.0695 x 0.4 = 49.99kg二、出料量出料水量=入料水量=366.42kgNAOH =入料 NAOH 量=0.1798kg初馏物=入料初馏物量

27、=49.99kg甲醇量二（出料水量+ NAOH +初馏物）x出料甲醇含量（1-出料甲醇含量）=624.88kg=(366.42 + 0.1798 + 49.99) =624.88kg采出精醇量=入塔甲醇量-出塔甲醇量=1843.54 - 855.09 = 988.45kg加压塔物料衡算表见表3-2。表3-2加压塔物料衡算表入料量出料量物质名称质量（kg）物质名称质量（kg）甲醇1476.94甲醇624.88水366.42水366.42NAOH0.1798NAOH0.1798初馏物49.99精甲醇852.06初馏物49.99总计1843.54总计1843.543.2.3常压塔物料衡算常压塔入料总

28、量：988.45kg甲醇含量：60%排除残液含醇0.1%所含初馏物乙醇、杂醇、烷烃等均在常压塔排出。预塔加入NAOH的随残液排出一、入料量甲醇=入料量X甲醇含量988.45 x 0.6 = 593.07kg水量=入料总量-甲醇-初馏物-NAOH=988.45 - 624.88 - 0.1798 - 49.99 = 313.4kgNAOH = 0.1798kg初馏物=49.99kg二、出料量塔底排除残液中：水：366.42kgNAOH :0.1798kg塔底排除残液中含醇量二(残液中水+ NAOH)X0001=(366.42 + 0.1798) x 0.001 = 0.367kg采出精馏量=入塔

29、甲醇量-残液中醇量=593.07 - 0.367 = 593.70kg初馏物：49.99kg常压塔物料衡算表见表3-3。表3-3常压塔物料衡算表物质名称入料量质量（kg）物质名称出料量质量（kg）甲醇593.07甲醇0.367水366.42水366.42NAOH0.1798NAOH0.1798初馏物49.99精甲醇592.07初馏物49.99总计1009.66总计1009.66第4章甲醇精制工段工艺流程简述4.1三塔精馏工艺流程简介甲醇是重要的有机化工基础原料，以其为原 料可生产甲酸、甲醛、乙酸、 甲酸甲脂、甲胺、二甲醚等 多种化工产品。甲醇是一种清洁的燃料，除了直接 掺 入汽油、柴油作为燃料

30、外，燃料电池技术正越来越受 到人们的关注。而且， 随着甲醇衍生物及其下游产 品的迅速发展，甲醇需求量越来越大，因此甲醇产 品 质量和甲醇装置的节能降耗越来越引起人们的关注。甲醇精馅装置是甲醇 生产的重要后处理工序，其能耗 占甲醇生产总能耗的2 0%左右。甲醇精馅技 术的好坏直接关系到精甲醇的质量，先进、节能、高效的精馅装置，对降低成本、 节能降耗、提高产品竞争力和企业经 济效益起到重要的作用。目前甲醇三塔精 馅技术具有热利用率高、消耗低、易操作、产品质量好、环保效益高等特点，越 来越多地被广泛推广和应用。粗醇贮槽中的粗醇液加碱后，用粗醇泵加压，经 粗醇预热器加热至6 5P 进入脱醚塔进行精馅。塔顶气相经脱醚塔冷凝器、排气冷凝器冷却，不凝气送硫 回收，冷凝液流入脱醚塔回流槽。在脱醚塔回流槽中，槽底甲醇液用脱醚塔回流 泵打入脱醚塔回流；中上部的杂醇流入油水中间槽。脱醚塔釜液用加压泵加压， 经预后粗醇预热器加 热后，进入加压塔进行精馅。塔顶气相甲醇送入常压 塔 再沸器，作为常压塔底热源，被冷凝成液体进入加压塔回流槽，一部分由加压塔 回流泵加压回流至加压塔顶，其余部分经加压塔精醇冷却器冷却至W4 0C 进入精醇计量槽作为产品。4.2三塔精馏工艺流程简图物料流程图及管道仪表流程图见附图。参考文献唐宏青.现代煤化工新技术.化学工业出版.郭树才.煤化工工艺学（第二版）.化学工业出版社.郭树才