年处理80万吨粗甲醇制低碳烯烃预处理工段工艺设计课程设计-学士学位论文

齐齐哈尔大学化工过程课程设计PAGEPAGEI年处理80万吨粗甲醇制低碳烯烃预处理工段工艺设计目录中文摘要 -1-英文摘要 -2-第1章总论 -3-1.1概述 -3-1.1.1产品介绍 -3-1.1.2预处理的意义 -3-1.2设计依据 -4-1.3设计规模与生产制度 -4-1.3.1设计规模 -4-1.3.2生产制度 -4-1.4原料与产品规格 -5-1.4.1原料规格 -5-1.4.2产品规格 -5-第2章工艺设计与计算 -6-2.1工艺原理 -6-2.1.1吸收工艺原理 -6-2.1.2解析原理 -6-2.2工艺路线选择 -6-2.2.1物理吸收法 -6-2.2.2化学吸收法 -7-2.3工艺流程简述 -8-2.4工艺参数 -8-2.5物料衡算 -9-1.吸收塔 -9-2.解析塔 -9-3.干燥塔 -10-2.6热量衡算 -10-1.吸收塔 -10-2解析塔 -11-3干燥塔 -11-2.6AspenPlus全流程模拟 -12-2.6.1吸收塔模拟 -12-2.6.2加热器模拟 -13-2.6.3解析塔模拟 -14-2.6.4全流程模拟 -15-第3章自动控制 -17-3.1主要控制原理 -17-3.1.1PLC的基本工作原理 -17-3.1.2DCS（集散控制系统）的基本工作原理 -17-3.2仪表控制 -17-3.1.1流量控制 -17-3.1.2液位控制 -17-3.1.3压力控制 -18-3.1.4塔底顶温度控制 -18-3.1.4温度控制 -18-3.3自动控制图图例 -18-第4章安全与环境保护 -20-4.1安全生产规制 -20-4.1.1生产安全与防护 -20-4.1.2安全操作规程 -20-4.1.3安全保护装置 -20-4.2三废处理及环境保护 -21-参考文献 -22-年处理80万吨粗甲醇制低碳烯烃预处理工段工艺设计摘要：本次课程设计任务为年处理80万吨甲醇制低碳烯烃预处理工段的工艺设计，此工段包括吸收、解析、压缩、干燥等基本步骤，上述基本步骤组合成为与处理工段的工艺流程。来自反应工段的反应产物的摩尔分数组成如下：H24.40%，CO22.60%，H2O1.30%，CH42.60%，C2H60.39%，C2H463.65%，C3H621.96%，C3H80.27%，C4H82.60%，C5H120.23%，由于要得到聚合级的乙烯和聚合级的丙烯的条件比较苛刻，所以必须除去混合气中的CO2和H2O。本工段的主要设计目的是除去CO2和H2O，通过查阅相关文献及资料，设计了年处理80万吨粗甲醇制低碳烯烃预处理工段的工艺流程并借助CAD技术绘制了该工艺的管道及仪表流程图和设备布置图。最后借助现代化工模拟软件AspenPlus对该工艺流程进行了物料衡算，能量衡算，并根据设计任务及操作温度,压力和相关标准对工艺管道的尺寸和材质进行了选择。关键词：低碳烯烃，甲醇，物料衡算，能量衡算Theannualhandlingcapacityof800000tonsofcrudemethanoltoolefinspretreatmentprocessdesignAbstract:Thecurriculumdesigntaskfortheannualprocessingcapacityof800000tonsofmethanoltoolefinspretreatmentprocessdesign,Thissectionincludesabsorption,analysis,compression,dryingandothersteps,Thebasicstepsarecombinedintoandtreatmentprocess.Thereactionproductfromthereactionsectionofthemolefractionconsistingofthefollowing:H24.40%,CO22.60%,H2O1.30%,CH42.60%,C2H60.39%,C2H463.65%,C3H621.96%,C3H80.27%,C4H82.60%,C5H120.23%,Duetobeaggregatedethyleneandpropylenepolymerizationgraderelativelyharshconditions,SowemustremovethemixtureofCO2andH2O.ThissectionisdesignedprimarilytoremoveCO2andH2O,ThissectionisdesignedprimarilytoremoveCO2andH2O,Throughaccesstorelevantdocumentsandmaterials,designyearofprocessing800000tonsofcrudemethanoltoolefinspretreatmentprocessflowandwiththeaidoftheCADtechnologydrawstheprocesspipingandinstrumentdiagramandmaterialselection.Finally,withthehelpofmodernchemicalengineeringsimulationsoftwareAspenthePlustoprocessthematerialbalance,energybalance,andaccordingtothedesignandtheoperationtemperature,pressureandrelatedstandardsofprocesspipingdimensionsandmaterialselection.Keyword：Lowcarbonolefin,methanol,materialbalance,energybalance第1章总论1.1概述1.1.1产品介绍低碳烯[1]烃通常是指碳原子数小于等于4的烯烃如乙烯、丙烯及丁烯等。低碳烯烃是石油化工的重要原料。乙烯是合成纤维、合成橡胶、合成塑料（聚乙烯及聚氯乙烯）、合成乙醇（酒精）的基本化工原料，也用于制造氯乙烯、苯乙烯、环氧乙烷、醋酸、乙醛、乙醇和炸药等乙烯用量最大的是生产聚乙烯(PE),约占乙烯耗量的45%。丙烯用量最大的是生产聚丙烯，另外丙烯可制丙烯腈、异丙醇、苯酚和丙酮、丁醇和辛醇、丙烯酸及其脂类以及制环氧丙烷和丙二醇、环氧氯丙烷和合成甘油等。正丁烯主要用于制造丁二烯,其次用于制造甲基酮、乙基酮、仲丁醇、环氧丁烷及丁烯聚合物和共聚物。异丁烯主要用于制造丁基橡胶、聚异丁烯橡胶及各种塑料。1.1.2预处理的意义甲醇制低碳碳烯烃的产品中含有CO2酸性气体，酸性气体对烃类分离装置会有很大的危害，对于混合气分离装置而言，CO2在低温下已结成干冰，造成分离系统设备和管道堵塞，对于下游产品加工装置而言，当氢气、乙烯、丙烯产品中酸性气体含量不合格时，可是下游加工装置的聚合过程或催化反应过程中的催化剂中毒，也可能严重影响产品质量，因此必须将混合气中的酸性气体CO2脱除干净。甲醇制低碳烯烃过程中会产生水，为避免水在低温分离系统中结冰或形成水合物，堵塞管道和设备，另外，水在加压和低温条件下，可与烃类生成白色结晶状态的水合物，这些水合物也会在设备和管道内积累造成堵塞现象，因此需要对混合气进行脱水处理以保证低碳烯烃生产装置正常运行，并保证产品乙烯和丙烯中的水达到规定值，为避免低温系统冻堵，因而需要进行干燥脱水处理，通常要求将裂解气中水含量托处置1ppm以下，相应，进入低温分离系统的裂解气露点在-70℃以下。1.2设计依据根据齐齐哈尔大学化学与化学工程学院下达的关于化工过程课程设计任务书和化工厂国家设计国家标准，以及学校对本课程的要求，确定设计题目是：年处理80万吨粗甲醇制低碳烯烃预处理工段设计。同时，查阅了大量的中外文资料，本设计的关键设备是填料吸收塔，因此，依据《化学化工物性数据手册》中国石化出版的《化工计算手册》，《气液物性估算手册》对各个组分的物性进行估算，为化工设计计算部分提供依据。利用网络资源，了解到国内外吸收CO2技术发展现状及其发展趋势，通过自己的思考和总结作为出设计依据。除此之外，设计也要符合以下依据：(1)产品的技术要求。(2)安全要求：在化工生产中大量的物质都具有易燃易爆有毒的性质，所以在设计上一定要考量到安全问题，保证生产的安全进行和操作人员的人身安全。(3)经济要求：从社会效益出发，保证经技术指标应有竞争力，需要经济的使用物力、人力，节省开支。(4)建筑单位提供的主要原料及公用工程供应条件的供应报告，主要原料、燃料、运输及销售方面的有关文件。(5)三废要求：化工生产过程会产生三废“废气、废液、废渣”根据国家及环保要求，要对生产过程中产生的三废进行合理的处理，以达到节约能源保护环境的要求。1.3设计规模与生产制度1.3.1设计规模年处理80万吨粗甲醇制低碳烯烃预处理工段设计，装置采用一条线连续运行，主要对对低碳烯烃混合物中的二氧化碳及水进行处理，以便于对后续分离。1.3.2生产制度本设计的关键是对填料塔[2]关键设备的设计，在正常生产中，填料塔塔顶、塔底温度控制，各个设备的压力、温度，塔顶回流比、流量及液位等工艺参数等，都是重要的影响因素。烃类物质属于易燃易爆化学物质，因此，在操作过程中一定要严格按照国家相关标准，同时要保证各个工艺参数在生产操作过程中稳定运行。在公用工程方面，应选用合适的饱和蒸汽，该设计选用184℃，1.1Mpa的饱和蒸汽进料，通过控制蒸汽用量来调节稳定塔底温度，从而达到分离效果。总之，对各个工艺参数的控制严格执行岗位的工艺操作指南，保证产各塔正常生产。负责本岗位的开、停车及事故处理[3]，根据产品质量要求，加强巡回检查力度，并做好本岗位的交接班和原始数据记录，保证整个装置的安全平稳运行。同时要求员工要树立“安全第一”的思想，自觉接受安全教育，学习安全知识，保证生产的安全性。生产中要严格执行安全操作规程，避免各类事故发生。生产岗位员工必须按规定穿戴劳动保护用品。车间安全员工要切实履行职责，随时检查安全生产制度，落实情况，制止违章操作和冒险作业。1.4原料与产品规格1.4.1原料规格表1-1原料规格表序号物质名称摩尔流量Kmol/hr摩尔分数1H251.670.0372CO230.710.0253H2O15.870.0284CH430.140.0255C2H64.540.00346C2H4752.410.547C3H6259.730.228C3H83.180.00359C4H8230.710.00710C5H122.770.00411.4.2产品规格表1-2产品规格表序号物质名称摩尔流量Kmol/hr摩尔分数1H251.670.0452CH430.140.0273C2H64.540.0034C2H4752.410.5615C3H6259.730.1956C3H83.180.00367C4H8230.710.0068C5H122.770.0045第2章工艺设计与计算2.1工艺原理2.1.1吸收工艺原理是混合气体与适当的液体接触，气体中的一个或几个组分便溶解于液体内而形成溶液，于是原混合气体的组分得以分离。这种利用溶解度不同而分离气体混合物的操作成为吸收，根据吸收过程中，溶质与溶剂之间是否发生化学反应将吸收分为物理吸收和化学吸收，本工艺采用MDEA与CO2发生化学反应而除去CO2，故本工艺采用化学吸收。2.1.2解析原理解吸是吸收的逆过程。吸收时需要高压和低温，而在解吸时就应是低压和高温，有关吸收的基本原理也适用于解吸，只是在解析过程中，氨，二氧化碳组分在液相中浓度大于气相成平衡的浓度，所以能过从也想进入气相。离平衡越远，推动里越大，越容易解吸。在工业生产中，为了实现解吸应设法降低解吸组分在气相中的分压，或者提高液相的平衡分压。常用的方法是：(1)使溶液加热汽化法：该法的实质是提高温度，增加组分在液面上的平衡分压；温度升高以后，气体在液体中的溶解度下降，使组分被解吸出来。例如在第四章“未反应物的分离“所讨论的一分塔、二分塔实质上就是用这种方法使氨和二氧化碳解吸出来。(2)通入惰性气体法：将惰性气体通入解吸设备中，由于惰性气体中不含有吸收组分，也就是组分在气相中的分压小于液面上的平衡分压，因而溶液一经与惰洗器接触，溶液中的组分就可以被解吸出来。尿素生产中解吸塔就是用水蒸气作为惰性气体，使溶液中的氨和二氧化碳解吸出来的。(3)减压解吸法是基于气体的溶解度随着压力降低而降低的原理本工艺采用溶液气化解析。2.2工艺路线选择2.2.1物理吸收法包括PSA法和TSA法。PSA法是利用吸收量随压力变化而使CO2分离的变压吸附法，其中包含吸收CO2的古老方法-加压水洗法；TSA法是利用吸收量随温度变化而使气体分离的变温吸附法。二者又合称法。于这种方法误差较大，现多已不采用。(1)膜吸收法:包括气体分离膜技术和气体吸收膜技术。气体分离膜技术是基于气体在膜中溶解和扩散而实现的，分离过程的动力是两侧气体分压力差，但效果不佳，耗能过大。气体吸收膜技术是综合了膜分离技术（设备紧凑）和胺液吸收技术（高选择技术）的膜分离技术。混合气体沿膜的一侧流入，待分离组分（如CO2）通过充满在膜的微孔中的气体向另一侧扩散时，被吸收液吸收，此法效果较好，但成本较高。叶向群等人以醇胺类水溶液为吸收剂，进行了中空纤维膜基吸收法脱除空气中CO2的研究，对此法进行了一定改进。(2)空气分离/排气循环法:又称O2/CO2燃烧法是美国ANL开发的一种从锅炉排气中回收CO2的新方法。该法用从空气分离获得的O2和一部分锅炉排气循环气构成的混合天然气体，代替空气作为燃料燃烧时的氧化剂，以提高燃料排气时CO2的浓度。此法节约能耗，但吸收效果一般。2.2.2化学吸收法化学吸收法是利用二氧化碳和吸收液之间的化学反应将二氧化碳从排气中分离出来的方法。最初，一些学者在用氨水［9］、热钾碱溶液［10~11］吸收二氧化碳作了许多工作，对于纯氨水吸收二氧化碳的速度、低碳化度热碱和有机胺催化热碱吸收二氧化碳的速度的近似解、胺类活化热钾碱脱碳溶液气-液平衡都作了深入研究。在上述研究的基础上，发现利用有机胺作CO2的吸收剂，效果较好。(1)热钾碱法：此法包括一个在加压下的吸收阶段和一个常压下再生阶段，吸收温度等于或接近再生温度。采用冷的支路，特别具有支路的两段再生流程可以得到高的再生效率，从而使净化尾气中的CO2分压很低。(2)苯菲尔法：是在热钾碱法的基础上发展起来的，用此法可以有效地把CO2脱除到1%~2%。“改良苯菲尔法”是在碳酸钾溶液中加入活化剂，以提高CO2的吸收速率并降低溶液表面CO2的平衡能力。(3)有机胺吸收法：有机胺法工艺出现于30年代，实现工业化后成为工业净化的主要方法之一，是以胺类化合物吸收CO2的方法，与其它方法相比具有吸收量大、吸收效果好、成本低、洗涤剂可循环使用并能回收到高纯产品的特点而得到广泛应用。学者们还提出了“铁肥”有助于吸收二氧化碳；高温下锆酸锂吸收二氧化碳；石膏氨水悬浮液吸收二氧化碳等思路，但目前研究最多、最广泛的还是胺吸收法。综合比较本工艺选择工业利用成熟的胺吸收法[4]，采用MDEA溶液吸收CO2。2.3工艺流程简述全工段流程图如下：MDEA溶液(T=20℃，P=1.013br，组成：水65%MDEA35%)输送至吸收塔T0202塔顶与从塔底进入的混合气(T=20℃，P=1.8br)逆向接触，除去CO2后的混合气体(T=27.3℃，)，经压缩机C0201压缩(T=93℃，P=3br)进入干燥塔T0204，干燥塔采用Al2O33A型分子筛吸收水蒸气，由于干燥塔需要轮流更换所以采用一开一备双塔操作；吸收塔底富液(T=24℃，P=1.3br)经泵P0202输送至换热器(T=80℃，P=2.2br)，解析塔底贫液经泵P0203输送至换热器E0201与富液换热后返回吸收塔，换热后的富液进入解析塔。解析塔塔顶(T=101℃，P=1.013br)，塔底(T=108℃，P=1.04br)。图2-1预处理工段流程图2.4工艺参数本工段所有物性参数如下：表2-1各物质物性参数序号物质名称20℃热容/kJ/(kg·K)摩尔分数1H214.50.0442CO20.80.0253H2O1.80.0284CH42.280.0255C2H61.840.00346C2H41.70.647C3H62.110.228C3H81.60.00359C4H82.00.00710C5H121.690.00412.5物料衡算1.吸收塔MDEA混合气吸收塔MDEA混合气吸收塔气体富液而则将代入则解得解析塔解析塔CO2贫液富液2.解析塔设解析后MDEA溶液中C02为1mol则解得y=0.87即塔顶排出的气体中C02占87%干燥塔干燥气气体3.干燥塔干燥塔干燥气气体进入干燥塔的混合气体摩尔流量为1182-20=1150kmol/h设温度为20，相对湿度为φ=60%的新鲜空气为介质，空气在预热器中有20-90度离开干燥器时为45度，湿度为0.022KG絶干气物料进入干燥器和离开干燥器的温度分别为20度90度则湿物料质量流量G1==16235kg/h干基含水量絶干料设绝干料物料衡算LH1+GX1=LH2+GH2则W=L(H2-H1)=G(X1-X2)而G=16235-0.029则蒸发量绝干空气消耗量查化工原理书图5-2则H1=H0=0.009kg/kg绝干气则则新鲜空气消耗量Q入吸收塔△HQ入吸收塔△HQ出1.吸收塔混合气体的平均比热容为CPM则质量流量W则吸收剂MDEAaq的平均比热容质量流量为31000kg/h设吸收液温度升高4°C则由化学吸收过程焓变（根据物性手册查及计算断键，成键过程的能量变化求得）则解得Q入解收塔△HQ入解收塔△HQ出2解析塔设再沸需提供的热量为Q则则即再沸器需提供的热量为换热器则有解得QP干燥QDQP干燥QDQ3干燥塔预热器消耗热量QP=L(I1-IO)IO查化工原理书5-3则IO=43KJ/Kg绝干气I1=115KJ/Kg绝干气则干燥系统消耗的中热量为Q设QL=1.2×3600则向干燥器补充的热量2.6AspenPlus全流程模拟2.6.1吸收塔模拟(1)选用AspenPlus中的RadFrac模型，连接好各流股，选择物性方法为ELENRTL，在comment组分信息中定义电解质溶液，其电解质组分为MDEA、CO2、H2O.图2-2吸收塔模拟(2)输入模块信息,在analysis中选择吸收。图2-3吸收塔参数(3)模拟结果如下图2-4吸收塔模拟结果2.6.2加热器模拟(1)吸收塔塔底富液，在进入解析塔之前要经过预热[5]。选用HEATER模块，连接好各流股，物性方法为NRTL，图2-5加热器模块(2)输入模块信息图2-6加热器参数(3)模拟结果图2-7加热器模拟结果2.6.3解析塔模拟(1)选用RadFrac模型中的解析模块连接好各流股。物性方法为ELENRTL图2-8解析塔模块(2)输入组分信息图2-9解析塔参数(3)模拟结果图2-10解析塔模拟结果2.6.4全流程模拟各个模块模拟结束之后连接进行全流程模拟，模拟如下图：图2-11全流程模拟图第3章自动控制3.1主要控制原理3.1.1PLC的基本工作原理PLC的CPU采用分时操作的原理，其工作方式是一个不断循环的顺序扫描过程。PLC的整个扫描过程可以概括地归纳为上电初始化、一般处理扫描、数据I/O操作、用户程序的扫描和外设端口服务五个阶段。每一次扫描所用的时间称为一个工作周期或扫描周期，PLC的扫描周期与PLC的硬件特性和用户程序的长短有关，典型值一般为几十毫秒。3.1.2DCS（集散控制系统）的基本工作原理集散控制系统DCS[6]是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统。集散控制系统的主要特征是它的集中管理和分散控制。它采用危险分散、控制分散，而操作和管理集中的基本设计思想，多层分级、合作自治的结构形式，同时也为正在发展的先进过程控制系统提供了必要的工具和手段。目前，DCS在电力、冶金、石油、化工、制药等各种领域都得到了极其广泛的应用。3.2仪表控制 3.1.1流量控制流量主要主要是针对泵出口及回流液的流量来设置的，在泵出口处安装流量调节阀，当流量发生变化时流量传感器将调解信息传递给流量调节阀，流量调节阀改变其开度大小来调节流量3.1.2液位控制回流罐液位一般与采出流量相关联，另外回流量的改变会对回流罐的液位产生影响。可通过提高回流量和采出流量的方式来降低回流罐液位，反之亦然。通过双法兰液位计对罐内液位的测量，并传送到DCS系统中，经过液位和调节阀的串级调解，可以自动的对回流罐液位进行调节。3.1.3压力控制回流罐压力与塔顶压力采用连锁控制，若塔顶压力过低，则打开压力调节阀，进行补压。如塔压过高，则关闭压力调节阀，使回流罐压力保持稳定。另外，回流罐压力超高，可打开放空阀向火炬排放[7]。通过压力变送器对罐内压力的测量，并把所测量的数据传送到DCS系统中，在处于自动状态时，当压力达到设定的上限值时，经过与调节阀串级调节，自动的对调节阀进行调节；在处于手动状态时，可以人为的对调节阀进行调节，进而控制罐内压力。3.1.4塔底顶温度控制一种是通过对空冷后温度的设定，并处于自动状态，空冷风机通过变频调解自动的调节风机转速，从而把温度控制在所设定的温度值。另一种是通过主控室对回流调节阀阀位的控制来增减回流流量，从而进一步控制塔顶温度。3.1.4温度控制塔底温度升高，则会造成塔压升高，或使塔顶携带重组分，从而导致产品质量不合格；塔底温度过低，则轻组分不能完全蒸到塔顶，通过塔底进入下塔，影响下塔的平稳操作及其产品质量。塔底温度是精馏操作中的关键因素，是全塔的能量来源，是热平衡的支持。因此，只有塔底温度保持稳定，其它各参数才有可能保持稳定。由热电阻、流量计采集来的温度和流量信号，反馈到系统，经过串级调解控制调节阀的阀位开度，从而控制塔底物料的温度。3.3自动控制图图例根据以上温度、压力、液位、流量的的控制原理对全工段进行自动控制，截取部分自动控制图如下：图3-1部分设备自动控制图第4章安全与环境保护4.1安全生产规制4.1.1生产安全与防护本装置主要原料和产品是可燃性气体，因此要做到防火防爆安全1.可燃性气体：闭操作，全面通风。操作人员必须经过专门培训，严格遵守操作规程。建议操作人员穿防静电工作服。远离火种、热源，工作场所严禁吸烟。使用防爆型的通风系统和设备。防止气体泄漏到工作场所空气中。避免与氧化剂、卤素接触。在传送过程中，钢瓶和容器必须接地和跨接，防止产生静电。搬运时轻装轻卸，防止钢瓶及附件破损。配备相应品种和数量的消防器材及泄漏应急处理设备[8]。2.有腐蚀性的MDEA溶液：系统操作，加强通风，操作人员须经过专门培训，严格遵守操作规程，建议操作人员穿戴工作服，佩戴塑胶手套远火种、热源，工作场所严禁吸烟，严禁接触强氧化剂，搬运时要轻装轻卸，防止包装容器损坏，配备相应的消防器材，空气中浓度超标，建议戴过滤式防毒面具，紧急事态抢救或撤离时，急处理设备或倒空的容器可能残留有害物[9]。4.1.2安全操作规程(1)制定操作规程在装置投产前，为确保开车和正常生产的顺利进行，必须制定一套完整的科学的符合工艺特点和