1、 石河子大学毕业 设计 题目： 年产 30 万吨甲醇精馏提纯的工段设计 院 （系）： 化学化工学院 专 业： 化学工程与工艺 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2014.6 本科毕业 设计 第 1 页 目录 第一章 文献综述 . 4 1.1 甲醇生产工艺进展及国内发展前景 . 4 1.1.1 甲醇简介 . 4 1.1.2 甲醇的用途 . 6 1.1.3 甲醇的安全性 . 7 1.1.4 甲醇国内外合成技术现状 . 8 1.3 影响精馏操作的因素与调节 . 10 1.3.1 影响精馏操作的主要因素简析 . 10 1.3.2 精馏塔的产品 质量控制和调节 . 11 1.4 Aspen P
2、lus 工艺流程模拟 . 12 第二章 物料衡算和能量衡算 . 14 2.1 操作条件 . 14 2.2 物料衡算 . 14 2.2.1 预塔物料衡算 . 14 2.2.2 加压塔的物料衡算 . 16 2.2.3 常压塔的物料衡算 . 27 2.2.4 回收塔的物料衡算 . 36 2.2.5 四塔实际模拟 . 44 2.4 整个四塔甲醇的回收率 . 54 2.5 加压塔、常压塔、回收塔采出甲醇的浓度 . 54 第三章 预精馏塔工艺设计及其附件选型 . 54 3.1 设计依据 . 54 3.1.1 预精馏塔设计已知条件 . 54 3.1.2 塔板工艺条件计算 . 55 3.1.3 塔径计算 .
3、56 3.1.4 塔高计算 . 57 3.1.5 塔板的工艺尺寸 . 59 3.1.6 塔板流体力学验算 . 63 3.2 预精馏塔附件选型 . 69 3.2.1 管口设计 . 69 3.2.2 设备管口表 . 71 参考文献 . 72 附 录 . 72 致谢 . 73 本科毕业 设计 第 2 页 年产 30 万吨甲醇精馏提纯的工段设计 学生： xxx 指导老师： xxx 摘要： 本设计是关于甲醇精馏的工段及其预塔设备的设计 ， 文中着重介绍了四塔流程 。 按照课程设计任务书上的要求，文中具体内容包括：甲醇及精馏的相关内容；甲醇精馏流程介绍；精馏全流程的物料衡算 和能量衡算 ； Aspen对全
4、流程 的模拟及分析 以及 Radfrac模块中的 Tray Sizing对 加压、常压、回收 塔的尺寸设计 ；预精馏塔的塔设备计算及塔附件选型等。 关键词 ： 甲醇；精馏 ； 四塔流程； Aspen Plus 流程模拟 本科毕业 设计 第 3 页 Annual output of 300000 tons of methanol distillation section design J.W.L and J.G.C Abstract: This design is about the methanol distillation section and the preliminary design
5、 of tower equipment, this paper emphatically introduces the four processes. According to the requirements of the curriculum design task book, in this paper, the concrete content includes: methanol and distillation of the related content; The methanol distillation process is introduced; Distillation
6、process of material balance and energy balance; Aspen simulation and analysis of the whole process and the Tray was Radfrac module Sizing on the size of the pressure, normal pressure, recovery tower into the tower design; In the process of the rectifying column tower equipment accessories selection
7、calculation and tower, etc. Keywords : Methanol; distillation; Four-column process; Aspen Plus process simulation. 本科毕业 设计 第 4 页 第一章 文献综述 1.1 甲醇生产工艺进展及国内发展前景 1.1.1 甲醇简介 甲醇的分子式为 CH3OH，其分子量为 32.04。常温常压下，纯甲醇是无色透明的、易流动甲醇的电导率，主要决定于它含的、易挥发的可燃液体，具有与乙醇相似的气味 ， 其一般性质列于表 1-1。甲醇的密度、粘度和表面张力随温度改变如表 1-3 所示。 有的能电离的
8、杂质，如胺、酸、硫化物和金属等。工业生产的粗甲醇都含有一定量的有机杂质，其一般比电导率为 110-7 710-6。甲醇可以和水以及许多有机液体如乙醇、乙醚等无限地混合，但不能与脂肪族烃类相混合。它易于吸收 水蒸汽、二氧化碳和某些其他物质，因此，只有用特殊的方法才能制得完全无水的甲醇。同样，也难以从甲醇中清除有机杂质，产品甲醇总有有机杂质约 0.01以下。 表 1-1 甲醇的一般性质 性质 数据 性质 数据 密度 0.81009 g ml(25 ) 导热系数 2.09103J/（ cm.s， K） 相对密度 0.7913(d20)4 表面张力 0.00002255N/cm（ 22.55dyn/c
9、m）（ 20 ） 沸点 64.5 64.7 熔点 一 97.8 折射率 1.3287（ 20 ） 闪点 16 (开口容器 ) 12 (闭口容器 ) 蒸发潜热 35.295KJ/mol（ 64.7 ） 自燃点 473 (空气中 ) 461 (氧气中 ) 熔融热 3.169KJ/mol 临界温度 240 燃烧热 727.038KJ/mol（ 25 液体）本科毕业 设计 第 5 页 临界压力 79.54106Pa(78.5atm) 742.738KJ/mol 临界体积 117.8ml mol 生成热 238.798KJ/mol（ 25 液体）201.385KJ/mol（ 25 气体） 热容 2.5l
10、 2.53J(g. )(20“(2 25 液 体 )，45J(mol. )(25 气体 ) 蒸汽压 1.2879104Pa（ 96.6mmHg）（ 20 ） 膨胀系数 0.00119（ 20 ） 粘度 5.945104Pa.S（ 0.5945cp）（ 20 ） 腐蚀性 常温无腐蚀性（铅，铝例外） 临界压缩系数 0.224 爆炸性 6.0 36.5%（ Vol）（在空气中爆炸范围） 甲醇的沸点随压力变化如表 1-2 所示。 表 1-2 甲醇的沸点 1mmHg=133.322 Pa 1at=9.80665104 Pa 表 1-3 温度对性质的影响 1Cp=106 PaS， 1dyn=106 N 表
11、 1-4 与甲醇生成共沸混合物的性质和共沸物的沸点 压力 mmHg 1 10 20 40 100 200 400 760 温度 -44.0 -16.2 -6.0 5.0 21.2 34.8 49.9 64.7 压力 atm 2 5 10 20 30 40 50 60 温度 84 112.5 138.0 167.8 186.5 203.5 214.0 224.0 温度 0 10 20 30 40 50 60 密度 g/cm3 0.8100 0.8008 0.7915 0.7825 0.7740 0.7650 0.7565 粘度 Cp 0.817 0.690 0.597 0.510 0.450 0
12、.396 0.350 表面张力dyn/cm 24.5 23.5 22.6 21.8 20.9 20.1 19.3 化合物 沸点 共沸混合物 本科毕业 设计 第 6 页 1.1.2 甲醇的用途 甲醇 结构最为简单的饱和一元醇有毒、易 燃 、 化学性质较活泼 。工业上合成甲醇几乎全部采用一氧化碳加压催化加氢的方法 ， 工艺过程包括造沸点 甲醇浓度 丙酮 CH3COCH3 56.4 55.7 12.0 醋酸甲酯CH3COOCH3 57.0 54.0 19.0 双甲氧基甲烷甲醛 42.3 41.8 8.2 丁酮 CH3COC2H5 79.6 63.5 70.0 甲酸炳酯HCOOC3H7 80.9 61
13、.9 50.2 二甲醚（ CH3） 2O 38.9 38.8 10.0 乙醛缩二甲醇 64.3 57.5 24.2 乙基丙烯酸酯 43.1 64.3 84.4 甲酸异丁酯HCOOC4H 97.9 64.6 95.0 环己烷 C6H12 80.8 64.2 61.0 二内醚（ C3H7） 2O 90.4 63.3 72.0 丙酸甲酯C2H5COOCH3 79.8 62.4 4.7 甲酸乙酯HCOOC2H3 54.1 50.9 16.0 本科毕业 设计 第 7 页 气、合成净化、甲醇合成和粗甲醇精馏等工序。 甲醇有很多用途，它是生产塑料、合成橡胶、合成纤维、农药和医药的原料。 主要用于制造甲醛、醋
14、酸、氯甲烷、对苯二甲酸二甲酯 、 甲胺和硫酸二甲酯等多种有机产品。用作涂料、清漆、虫胶、油墨、胶黏剂、染料、生物碱、醋酸纤维素、硝酸纤维素、乙基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛等的溶剂。甲醇为清洗去油剂 ，MOS 级 主要用于分立器件 ， 中、大规模集成电路 ， BV- 级主要用于超大规模集成电路工艺技术。用作分析试剂 ， 如作溶剂、甲基化试剂、色谱分析试剂 。 用于电子工业 ， 常用作清洗去油剂。通常甲醇是一种比乙醇更好的溶剂 ， 可以溶解许多无机盐。 也可以从甲醇出发合成乙烯和丙烯，代替石油生产乙烯和丙烯的原料路线。由于甲醇用途广泛，属于大吨位产品，近年来发展势头迅猛。中国具有富煤、缺油、少气的能源
15、资源特点，因地制宜地利用煤或者天然气为原料合成甲醇，进一步发展有机化学工业和燃料工业的路线是合理可行的，而由合成气合成甲醇是煤间接液化的成熟技术， 是煤转化利用的重要途径。 1.1.3 甲醇的安全性 甲醇的毒性及常用急救方法；甲醇被人饮用后，就会产生甲醇中毒。甲醇的致命剂量大约是 70 毫升。甲醇有较强的毒性，对人体的神经系统和血液系统影响最大，它经消化道、呼吸道或皮肤摄入都会产生毒性反应，甲醇蒸气能损害人的呼吸道粘膜和视力。急性中毒症状有：头疼、恶心、胃痛、疲倦、视力模糊以至失明，继而呼吸困难，最终导致呼吸中枢麻痹而死亡。慢性中毒反应为：眩晕、昏睡、头痛、耳鸣、现力减退、消化障碍。甲醇摄入量
16、超过 4 克就会出现中毒反应，误服一小杯超过 10 克就能造成双目失明， 饮入量大造成死亡。甲醇中毒，通常可以用乙醇解毒法。其原理是，甲醇本身无毒，而代谢产物有毒，因此可以通过抑制代谢的方法本科毕业 设计 第 8 页 来解毒。甲醇和乙醇在人体的代谢都是同一种酶，而这种酶和乙醇更具亲和力。因此，甲醇中毒者，可以通过饮用烈性酒（酒精度通常在 60 度以上）的方式来缓解甲醇代谢，进而使之排出体外。而甲醇已经代谢产生的甲酸，可以通过服用小苏打（碳酸氢钠）的方式来中和。甲醇也容易引发大火。一旦发生火灾，救护人员必须穿戴防护服和防毒面具。小火用二氧化碳、干粉、 1211、抗溶泡沫、雾状水灭火，以使用大量水
17、灭火效果较好。如果发 生泄漏，救护人员首先必须切断所有火源，戴好防毒面具与手套，用水冲洗，对污染地面进行通风处理。 1.1.4 甲醇国内外 合成技术 现状 1.1.4.1 国外大规模甲醇合成技术现状 甲醇精馏是甲醇生产中重点研究与攻关的课题之一，多年来世界各国对此开展了大量的工作，特别是世界著名的英国 ICI、法国的 Lurgi 和日本三菱瓦斯等均开发出了自己独特的精馏技术。在倡导节约能源的当今社会，低压法是一种主要的现代甲醇合成生产工艺。据说，利用能够代表国外甲醇生产水平的英国 ICI 公司和德国 Lurgi 公司技术的国外生产设备占据了至少 70%，现在拥有最高生产能力的单一反应器是 Lu
18、rgi 联合反应器 。 1.1.4.2 国内的甲醇合成技术 我国的精馏技术也在逐年改进，产品甲醇的质量也相应得到了提高。目前，国内甲醇精馏工艺主要分为双塔精馏工艺、带有高锰酸钾反应的精馏工艺和三塔精馏工艺。带有高锰酸钾反应的精馏工艺需要对粗甲醇中的还原性物质进行处理后再精馏，工艺复杂，该工艺主要用于对甲醇质量要求相当严格的场合。由于双塔精馏和三塔精馏工艺完全能够保证工业上对精甲醇质量的要求，因此一般不必采用带高锰酸钾反应的精馏工艺。目前我国使用较广泛的是双塔精馏与 三塔精馏流程工艺。 本科毕业 设计 第 9 页 1.2四塔流程描述 四塔流程（见图 1.1）包含预精馏塔、加压精馏塔、常压精馏塔和
19、甲醇回收塔。 第一阶段 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 换热 后进入加压精馏塔 。第二阶段在加压精馏塔和常压塔中完成，主要获得精甲醇；预塔精馏塔底馏分送入加压精馏塔，加压精馏塔顶的气相进入冷凝器，利用加压塔和常压塔塔顶、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，一部分作为加压精馏塔回流，一部分作为精甲醇产品出装置；加压 精馏塔主要有两个作用：为常压精馏塔塔提供热源及获得部分高纯度精甲醇。加压精馏塔塔底馏分再进入常压精馏塔，通过常压精馏塔获得绝大部分的精甲醇产品。第三阶段为甲醇回收系统，既要控制回收的精甲醇质量，还要控制塔底废水中总醇含量要求，塔底废水送生化处理。 图 1.1 甲醇精馏工艺的四塔流程 注释： T01预精馏塔； T02加压精馏塔； T03常压精馏塔； T04回收精馏塔 P01泵； E01换热器。
