年产20万吨甲醇精馏工艺设计

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摘要 (2)
ABSTRACT (3)
第一章综述 (4)
2.1加压精馏塔工艺计算 (8)
2.2常压精馏塔工艺计算 (11)
2.3 回收精馏塔工艺计算 (15)
第三章设备选型 (20)
第四章车间布置 (22)
3.1 厂房布局 (22)
3.2 设备布置的设计 (22)
3.3 水电气管线布局 (22)
第五章甲醇生产对环境的污染及处理 (23)
1、废气的来源及处理 (23)
2、废水的来源及处理 (23)
3、废渣的来源及处理 (23)
摘要
甲醇是重要的化工原料之一，它主要用于甲醛的生产制造，当然作为甲基化剂，还可以用来生产其它多种化工产品。

除此之外，它还是性能良好的能源和车用燃料，所以这就意味着，作为未来的候补燃料之一，社会对它有十分巨大的需求量，故大量而且合格甲醇的生产十分有意义。

但是在甲醇的实际生产中，由于粗甲醇产品中大量杂质的影响使产品甲醇的质量大大降低，因此在甲醇的生产中，精馏系统是极为重要且关键的部分。

改进和优化甲醇的精制工艺，节省精馏过程的能量，并且提高产品甲醇的质量等等，它们都是推动甲醇生产进一步发展的重要技术环节。

通过多年的生产实践证明，我国普遍采用的甲醇双塔精馏工艺虽然具有流程简单、操作方便和运行稳定的优点，但存在能耗高的缺陷。

本文就以甲醇精馏提高产量、节能降耗为目的，以兖矿国宏年产50万吨甲醇的现有精馏工艺为基础，进行过程模拟计算和优化，即主要是从工艺的角度对生产过程和主要设备进行了物料衡算、塔设备简捷法计算及热量衡算等工艺计算，并针对目前运行的系统提出了合理的优化建议，然后根据优化建议制定出改造方案，从而使甲醇产量显著提高，并为甲醇精馏的节能降耗提供了依据。

关键词：甲醇精馏；过程模拟；改造优化；提高产量；节能降耗
ABSTRACT
Methanol is an important chemical raw materials, it is mainly used in formaldehyde production, but as a methylating agent, can also be used for the production of a variety of other chemical products.In addition, it is the good performance of the energy and the car uses fuel, so it means that, as the future of the alternate fuel, society to have great demand, so large and qualified methanol production is very meaningful.But in the actual production of methanol in crude methanol, due in a great lot of impurity effects make methanol product quality are greatly reduced, thus in the production of methanol, rectification system is extremely important and critical part.
Improvement and optimization of methanol purification process, save the energy of distillation process, and improve the products of methanol quality and so on, they are promoting the further development of methanol production an important technical
link.Through years of practice, our country uses generally methanol distillation process although Twin Towers has the advantages of simple process, convenient operation and stable operation has the advantages of high energy consumption, but the existence of defects.This paper to methanol distillation yield improvement, energy conservation, take Yankuang Guohong, an annual output of 500000 tons of methanol distillation process based on existing, process simulation and optimization, which is mainly from the angle of technology on production process and main equipment for the material balance, tower equipment simple calculation and heat balance calculation process calculation, and the operation of the system put forward reasonable suggestions to optimize the formulation, then according to the optimization suggestions of reforming scheme, so that the methanol yield increased significantly, and for methanol distillation energy saving provides basis.
Key words: methanol distillation; process simulation; optimization; yield; energy
saving
第一章综述
1.1概况
1.1.1 甲醇的性质和用途
甲醇为无色透明液体，又叫木醇，易挥发，略带酒精气味，属于最简单的一种饱和醇，是甲基氢氧化物。

化学式：CH3OH。

很早之前，人类通过对木材进行干馏可以得到甲醇，所以又称木精或木醇。

甲醇的物理性质：熔点为-97.8℃、沸点65℃、密度0.7915gcm-3（常温下），能以任意比例和水混溶，还能和其他很多有机溶剂互溶。

甲醇剧毒，误食5～10ml令人双目失明，超过30ml会致人死亡。

甲醇易燃烧，蒸汽与空气能形成爆炸性混合物，爆炸极限：6.0～36.5%（体积百分数），所以，空气中允许的甲醇蒸汽含量最高为5mgm3，甲醇燃烧的生成产物是水和二氧化碳，还会放出大量热。

工业上生产甲醇的方法主要是煤炭间接液化，先将煤炭在气化炉内不完全燃烧，生成以氢气和一氧化碳为主的粗煤气，然后在甲醇催化剂的作用下产出甲醇。

甲醇在工业中得到广泛的应用，可以用来生产甲醛、合成橡胶、甲胺、对苯二甲酸二甲酯、甲基丙烯酸甲酯、氯甲烷、醋酸、甲基叔丁基醚等一系列有机化工产品，可以和汽油配比掺烧或代替汽油作为动力燃料以节约石油资源，而且还用来合成甲醇蛋白。

甲醇作为有机溶剂使用，还有比较优越的性能，通过ZMS-5分子筛催化剂将甲醇转变为汽油已经工业化，这为固体燃料向液体燃料的转化开辟了重要途径。

甲醇和一氧化碳、氢气在一定条件下可以生成乙醇。

再者甲醇可以通过聚合、裂解反应脱水制得烯烃。

随着石油资源的日渐枯竭，甲醇可以替代多种化工原料，这对世界能源的节约和结构的改变，做出了巨大的贡献。

以甲醇为首的化工产业链条不断地延伸，必将成为化工领域中不可缺少的一部分。

1.1.2甲醇精馏工艺的发展概况
1.生产流程描述
一般情况下甲醇精馏过程可以分为两个阶段，首先是预精馏阶段，其次是主精馏阶段。

预精馏阶段主要是通过萃取精馏首先脱除粗甲醇中某些高级烷烃，粗甲醇中的二甲醚等比甲醇轻的有机杂质可以在预精馏塔顶部排出。

塔底部的出料被送到主精馏
塔的进料位置．主精馏塔顶部可以采出甲醇产品，塔底部的废液送污水处理工段，塔下部装有侧线，可以采出杂醇油。

随着煤化工产业的迅猛发展，甲醇行业的竞争也变得异常激烈，尤其是随着计算机自动控制技术的普遍使用和甲醇精馏新技术的开发、应用，传统的工艺装置往往因为耗能高，生产效率低下，在市场上逐渐失去了竞争力，因此技术创新和流程改革必将成为大势所趋。

2.典型的工艺流程
甲醇的精馏工艺流程基本上大同小异，根据生产负荷以及对产品纯度的要求不同，可做如下划分：单塔精馏工艺，两塔精馏工艺，三塔精馏工艺与四塔精馏工艺。

(l)单塔精馏工艺概述
单塔精馏流程，粗甲醇通过一个塔精馏就可以采出精甲醇。

在精馏塔中部进料口位置加入粗甲醇，粗甲醇中的轻组分在塔顶蒸出，高分子的杂醇等重组分在精馏塔中下部通过侧线采出，废水从精馏塔底部排出，高纯度的精甲醇产品在塔顶回流槽采出。

(2)两塔精馏工艺概述
合成塔生产的粗甲醇首先进入预精馏塔，预精馏塔压力为常压。

为了尽可能多的除掉粗甲醇中的轻组分，同时减少塔顶不凝气带走的甲醇，塔顶设两个不凝气冷却器，串联使用。

塔顶冷却器冷凝后的液体大部分为甲醇和水，还有少量杂质，这部分液体作为回流返回预精馏塔，沸点比较低的轻组分（如二甲醚等），还有少量的甲醇、水作为不凝气在塔顶部冷却器后放空，预精馏塔底部的甲醇则作为进料，由泵加压打入主精馏塔进一步精馏。

根据生产负荷不同，主精馏塔的压力可以控制在0.1Mpa～
0.7Mpa，通过塔顶回流槽采出就可以得到甲醇产品，塔底部的废水中含有微量甲醇及少量杂醇，被泵送至污水处理工段。

(3)三塔精馏工艺概述
合成生产的粗甲醇进入预精馏塔，粗甲醇中的不凝气和轻组分在塔顶被蒸出，为了去除和甲醇沸点相近的杂质组分，还要加入一定量的脱盐水进行萃取精馏，塔底部浓度比较低的粗甲醇由泵送至加压塔。

加压塔操作压力为0.5Mpa～0.7Mpa，塔顶回流槽中甲醇，部分经泵打回加压塔顶部作为回流使用，部分采出至精甲醇储槽作为产品，塔底部的含水甲醇则作为进料，由泵打入常压塔进一步处理。

同理，常压塔顶部回流槽中的精甲醇一部分作为回流返回常压塔，一部分采出至精甲醇储槽，与加压塔
的采出混合作为产品进行储存。

三塔精馏流程设计比较科学，加压塔顶部的甲醇蒸汽直接通过常压塔底部的再沸器进行冷凝，冷凝后的甲醇液回到加压塔回流槽，这样，不仅在流程上少了一台换热设备，减少了建设投资，而且在工艺上加压塔节省了循环冷却水，常压塔节省了加热用的蒸汽，真正实现了节能。

(4) 四塔精馏工艺概述
四塔精馏流程主要包括预精馏塔、加压精馏塔、常压精馏塔和甲醇回收塔。

合成塔生产的粗甲醇经预热后首先进入预精馏塔，去除粗甲醇中的二甲醚、不凝气等轻组分。

为提高加压塔和常压塔精馏分离的效果，加入适量的萃取水。

塔底部的重组分及含水甲醇通过底料泵送入加压精馏塔，加压精馏塔顶部蒸出的气体物质进入常压精馏塔底部的再沸器，在给常压塔提供热量的同时，也被常压精馏塔底部的低温甲醇溶液冷凝，冷凝后的液态甲醇直接送入加压精馏塔回流槽，回流槽中的甲醇一部分当做回流返回加压精馏塔，根据回流槽的液位情况，适当采出一部分送至精甲醇储槽，作为产品进行销售；加压塔底部甲醇溶液含有大量的水以及少量重组分，经泵加压送至常压精馏塔，常压精馏塔顶部回流槽中的甲醇，部分返回常压精馏塔进行回流，另一部分采出至产品储槽，常压塔底部溶液大部分为水，还有少量甲醇和重组分，为进一步提高甲醇的提取率，这部分溶液打入甲醇回收塔进一步精馏，在甲醇回收塔顶部也有回流槽，可根据回流槽中甲醇的质量情况决定采出至精甲醇储槽还是杂醇油储槽，在回收塔中下部还有一路侧线采出，用来采出高沸点的杂醇油，塔底部的合格废水送往污水处理站进行生化处理。

3、工序任务
本工序的任务就是脱除粗甲醇中的二甲醚等轻组分及水、乙醇等其它重组分，生产GB338—2004高纯度级的精甲醇，经中间贮罐送往甲醇罐区，同时副产杂醇油，不凝气送往锅炉房，废水送往蜡回收槽回收蜡。

4、装置工艺特点
在现阶段，甲醇精馏装置应用比较多的的主要包括两塔精馏工艺流程、三塔精馏工艺流程、四塔精馏工艺流程。

因塔内结构和内件的不同，大体上又分为塔板式精馏塔、填料式精馏塔和塔板、填料混合型精馏塔。

精馏塔是甲醇精馏系统的关键设备，塔内部件又为甲醇溶液的热量传递和物质传递提供了一个重要的场所，目前大量使用的塔内件主要有两种，包括填料和塔板。

在
早期填料作为塔内部件，应用的比较普遍，主要原因是那时候的生产负荷低，精馏塔的直径较小，所以对塔内件的设计和加工制造比较容易，现场安装的时候施工难度小。

近年来，随着化工企业的快速发展，精馏装置的生产负荷越来越高，与之相对应的分离塔尺寸越做越大，同时也带来一系列的问题，例如：塔内严重的边界效应和沟流，使气液分布不均，分离效果急剧下降。

直径两米以上的精馏塔的分离效果已非常低。

为了避开这些不利因素，人们又把目光转向了板式塔，由于板式塔自身的特点：结构复杂、对加工制造要求较高，现场安装精度要求高、施工难度大。

所以又加快了人们对填料塔的研究，在解决了塔径扩大带来的边界效应和沟流等一系列问题后，大型的填料塔在生产上又得到大量应用。

规整填料和散装填料使用的最多。

甲醇精馏装置一般使用规整填料作为塔内件，这直接决定了塔内气相和液相的分布，一般情况下气体在填料内分布的会比较均匀，液体容易偏流，造成分布不均。

所以，填料塔内又多了一个比较重要的内件：积液分布器，可以很好地实现液体的均匀分布，使气、夜两相充分接触。

另外，积液分布器还具有抗堵塞、防液沫夹带，阻力小、负荷调节范围大等优点。

甲醇精馏采用四塔工艺，以规整填料作为塔的内件，具有以下特点]：
①、废水中含甲醇量低，产品质量好也比较稳定；
②、能源利用率高,比传统的双塔精馏装置节能约 25%；
③、在操作上稳定性比板式塔差一些，但操作灵敏性要高于板式塔；
④、处理量高，分离效果好，能适应不同负荷，而且工况也都比较稳定；
⑤、精馏过程包括共沸精馏、萃取精馏两种工艺，使难分离的微量组分得到
很好的去除和分离。

第二章 甲醇精馏装置的数值模拟与分析
2.1加压精馏塔工艺计算
2.1.1物料衡算
查资料得：M = 30.19 kg/kmol M 甲醇 = 32 kg/kmol M 水= 18 kg/kmol
进料量 F=w s =73729.8 kg/h 甲醇含量（质量） W t =86.9% 水含量（质量）
Wt =13.1%， 由于乙醇等杂质含量低，在计算过程中可以不予考虑。

摩尔含量单位：%
进料的摩尔流量 h kmol F M
s /1928.244219.30/8.73729w === 甲醇的摩尔含量82.01982.2442/)32/)100/8.737299.86((x =⨯=F
D=974.5434 kmol/h W =1557.8065 kmol/h X w =0.66
按照物料平衡公式F=D+W
W D F x W x D x F ***+=
可得： 2442.1928×0.82=974.5434×XD+1557.8065×0.66 Þ XD =0.9999
进料温度 tF （1013kPa ） tF = 108.1℃，取泡点进料 q=1
塔顶温度为tD= 127.9℃
在tF= 108.1℃温度下，按照安托因公式可得甲醇和水的饱和蒸汽压，注：水的 安托因常数为 A=7.1796，B=1698.754，C=223.6873。

C
B A P +-=t lg 。

注： P 。

------饱和蒸汽压，KPa ；
t-----系统的温度，℃。

由公式得，水的饱和蒸汽压 。

B P =130.65 kpa 。

甲醇的安托因常数为 A=18.586.95，B=3626.55，C=-34.29
C
B A P +-=T ln 。

注： P 。

------饱和蒸汽压，kpa.；
T-----系统的温度，K 。

由公式得，甲醇的饱和蒸汽压。

A P =439.88 kpa.
选择回流比 R 根据已知数据绘图
通过绘图可得 R min
因为进料为泡点进料 q=1，q 线会和平衡线相交，所以，根据交点即可确定最小回流比
图1 作图法求最小回流比
368.365.13088.439===。

B
A P P α 5839.0820
5818.9335818.9339.999min =--=--=q q q
D x y y x R 由经验得：实际回流比应是最小回流比的 1.1～2.0倍，所以取
R min =1.1×0.5839=0.6423
因此，选择回流比 R 为 R = 0.6385
L = R × D = 0.6423×974.5434=625.9492kmol/h
L .=L+q*F=625.9492+1×2442.1928=3068.1420kmol/h
V=1579.3150kmol/h
表 1 物料衡算表
2.1.2热量衡算
1.热源的确定和冷却介质的选取
①热源的确定
精馏装置热源可以用热空气，也可以用水蒸汽。

目前用的比较多的是饱和水蒸汽。

因为饱和水蒸汽有很多优点：来源广泛、不会使换热器结垢、没有腐蚀性，换热系数高，比热容大，流量容易调节，可以精确地控制精馏塔的温度。

本装置选用压力
1.0MPa，温度180℃的低压饱和蒸汽作为热源，我公司1.0MPa的低压饱和蒸汽由气化工段余热副产所得，不但成本低，而且产汽量也比较大，完全能够满足精馏的用量。

②冷却介质的选取
化工企业通常使用的冷却介质有水、空气、丙烯、液氨、氟利昂等，按照被冷却介质的要求不同，选用的冷却介质也不一样。

本装置所在地区。

在高温季节，日平均气温为30℃。

而精馏系统又不需要冷却到较低的温度，所以选取循环水作为冷却介质，循环水系统的出水温度：32℃；回水温度：42℃。

此装置的设计的数据， t
W =133.9℃，t
D
=127.9℃。

下述公式中：下标是 1的为甲醇，下标是 2的为水。

2.塔顶冷凝器热量衡算
塔顶冷凝器热量衡算Q
C =V(I
VD
-I
LD
)
注：I
VD
-------塔顶气相的焓
I
LD
-------塔顶冷凝液的焓
全凝器的热负荷计算可以不考虑热损失。