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基于HYSYS的甲醇精馏系统模拟与优化学院：专业：姓名：指导老师：化工与材料学院化学工程与工艺学号：职称：中国·珠海二○一二年五月诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计《基于HYSYS的甲醇精馏系统模拟与优化》是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。本人签名：日期：年月日基于HYSYS的甲醇精馏系统模拟与优化摘要本文应用过程模拟软件HYSYS对甲醇的精馏过程进行了模拟计算，实现了对某厂甲醇四塔精馏系统的模拟。为降低生产成本，本文通过对系统模拟与分析，对生产的工艺流程进行进一步改进，以醇类、水作为关键组分，采用WILSON模型分别对预精馏塔、回收塔和加压塔、常压塔进行了甲醇四塔精馏流程模拟计算。对进料位置、回流比、理论板数、进料温度、操作压力进行了模拟优化。模拟结果表明，四塔流程生产出的精甲醇产品在纯度、水含量、乙醇含量和甲醇回收率上较二塔、三塔流程有较大的提高，且装置能耗低，操作稳定、灵活。本文所选用的单元操作模型及物性方法对于模拟甲醇精馏系统是准确可靠的，因此本文所提出的优化方案能为甲醇工业生产改造和新工艺流程的开发提供理论依据。关键词：甲醇精馏；HYSYS软件；模拟与优化；WILSON模型SimulationandOptimizationofMethanolDistillationSystemBasedonHYSYSSystemAbstractThispaperappliesprocesssimulationsoftwareHYSYStosimulateandcalculatemethanoldistillationprocess,andrealizes4-towermethanoldistillationsystemsimulationofsomefactory.Inordertoreduceproductioncost,thepaperfurtherimprovedtheprocessflowthroughsystemsimulationandanalysisforproductionprocess.Usingalcoholsandwateraskeycomponents,WILSONmodeltosimulatethe4-towermethanoldistillation,i.e.pre-distillationcolumn,recovertower,pressurizedtowerandnormalpressuretower.Feedingposition,refluxratio,theoreticaltowernumber,feedingtemperature，operatingpressureonhavebeenoptimized.Thesimulationresultsshowthatthe4-towerprocesshavelargelyimprovedonmethanolpurity,watercontent,ethanolcontentandmethanolrecoverythan2-tower,3-towerprocess.What’smore,ithaslowenergyconsumption,stableoperation,andflexibleoperation.Theunitoperationmodelandphysicalpropertymethodformethanoldistillationsystemsimulationisaccurateandreliable,sotheoptimizationsolutionforindustrialproductioninnovationofmethanolindustryandnewprocessdevelopmentprovidestheorybasis.Keywords:Methanoldistillation;HYSYSsoftware;simulationandoptimization;WILSONmodel目录（请自动生成目录）1前言1.1甲醇发展现状及本设计的意义随着世界经济的高速发展，世界各国对能源消费也在不断增长，据美国能源部和世界能源理事会预测，全球石化类能源的可开采年限分别为石油39a、天然气60a、煤211a，主要分布在美国、加拿大、俄罗斯和中东地区。目前我国是仅次于美国的世界第二大能源生产与消费国。其中，石油消费和石油进口均占世界第二位，仅次于美国。然而，我国能源基本状况是缺油少气，煤炭丰富，中国的煤炭储量为114.5Gt，至少可开采116a，而中国的石油储量为3．3Gt，专家预测石油的稳定供给不会超过20a。预计到2020年中国的石油需求量1.5×108～6.1×108t，而预计届时国内石油产量只有1.8×108～2×108t，石油对外依存度将达55％以上，我国的石油安全已成为待解决的重大问题。依照我国少油多煤的能源结构特点以及我国目前能源消费的基本状况，尽快发展石油替代产品已成为我国能源发展的基本国策。我国新的“能源中长期规划纲要”中提出要尽快调整优化能源结构，拓展甲醇等替代能源的清洁高效开发利用。甲醇的潜在耗用量十分巨大，尤其在当前世界石油资源日益减少，甲醇单位生产成本降低的背景下，使用甲醇作为新的燃料已经成为一种趋势。另外甲醇作为煤化工最主要的产品和替代能源的一部分[1]，在当前全球化工市场上起着举足轻重的作用。甲醇用途广泛，是基础的有机化工原料和优质燃料。主要应用于精细化工，塑料等领域，用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲酯等多种有机产品，也是农药、医药的重要原料之一。甲醇在深加工后可作为一种新型清洁燃料，也加入汽油掺烧。同时，甲醇是许多有机产品的基本原料和重要溶剂，被广泛应用于有机合成、燃料、医药、涂料和国防等工业[2]。甲醇生产工艺简单，合成甲醇的原料众多，固体（如煤、焦炭）液体（如原油、重油、轻油）或气体（如天然气及其他可燃性气体）为原料，经造气净化（脱硫）变换，除去二氧化碳，配制成一定的合成气（氢和一氧化碳）。在不同的催化剂存在下，选用不同的工艺条件。通常合成的粗甲醇浓度达不到使用要求[3]，需要进行甲醇的精馏。甲醇精馏工艺对整个甲醇生产流程的生产能力、产品质量、能量消耗、原料消耗，以及环境保护都有重大影响。据统计，石油和化学工业的能耗占工业总能耗的很大部分，其中约有60％就是用于精馏过程[4]。因此研究甲醇精馏过程中的节能减耗有着重要的实际意义。甲醇精馏系统的模拟与优化不仅能提高甲醇纯度，同时还降低装置的能耗，对扩大甲醇的应用领域、提高甲醇行业经济效益有着至关重要的作用。1.2甲醇的性质介绍在常温常压下，纯甲醇是无色透明、易流动、易挥发的可燃性液体，具有与乙醇相似的气味。有毒性，蒸气能与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限6.0%～36.5%(体积)。一般误饮15ml可致眼睛失明，一般致死量为100～200ml。空气中允许最高甲醇蒸汽浓度为0.05ml。甲醇的密度在0℃时为0.81009/ml；沸点在latm时为64.6—64.7℃，甲醇的沸点随压力增大而降低；在0到200℃之间时，甲醇的摩尔热容量为4.1868J/(mol℃)。它的汽化热随温度的升高而降低；甲醇水溶液的密度随温度的降低而增大，在相同温度下儿一乎随甲醇浓度的增大而均匀地减小；甲醇水溶液的沸点随甲醇浓度的增大而降低；在相同温度下甲醇水溶液的饱和蒸汽压随甲醇蒸汽分压的增高而增大；甲醇水溶液的热容随甲醇浓度的增大和温度的升高而增加；混合物的粘度与组成有关，大于纯甲醇粘度，在甲醇含量为50%时有最大值。表1.1温度对甲醇性质的影响温度℃0102030405060密度g/cm30.81000.80080.79150.78250.77400.76500.7556粘度cp0.8170.6900.5970.5100.4500.3960.350表面张力dyn/cm24.523.522.621.820.920.119.3注l：IcP=10-3Pa·s，ldyn=10-5甲醇可以和水以及许多有机液体如乙醇、乙醚等无限浓度的混合，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，只有用特殊的方法刁一能制得完全无水的甲醇。同理，也很难从甲醇中清除有机杂质。因此，产品甲醇总含有有机杂质，含量约0.01%以下。甲醇可以任意比例同许多种有机化合物互溶，并且能与其中的一些有机化合物生成共沸混合物。据文献记载，迄今己经发现能与甲醇一起生成共沸混合物的物质有100种以上。由于有共沸混合物的生成，且共沸混合物的沸点与甲醇的沸点相接近，因此将会影响到甲醇蒸馏过程对有机杂质的消除[5-6]。目前甲醇的深加工产品已达120多种，我国以甲醇作为原料的一次加工产品己有近30种[7-8]。在化工生产中，作为甲醛、醋酸、氯甲烷、甲胺、甲基叔丁基醚(MTBE)、聚乙烯醇(PVA)、硫酸二甲酷、对苯二甲酸二甲酷(DMT)、二甲醚、丙烯酸甲醋、甲基丙烯酸甲醇等一系列有机化工产品的原料。还有约10%用于能源工业，作为替代燃料。甲醇是容易输送的清洁燃料，可以加入汽油掺烧或代替汽油作为动力燃料。近年来，汽车工业在我国速发展迅速，随之带来了能源供应问题。石油作为及其重要的能源其储量是有限的，而甲醇燃料以其安全、廉价、燃烧充分，利用率高、环保等众多优点，替代汽油已经成为车用燃料的发展方向之一。我国政府已充分认识到发展车用替代燃料的重要性，并已经开展了这方面的工作。用甲醇作汽油添加剂，可以节约芳烃，提高辛烷值。另外甲醇还是很好的人工合成蛋白的原料，蛋白转化率高，发酵速度快，无毒性，价格便宜。甲醇可经生物发酵生成甲醇蛋白，用作饲料添加剂，有广阔的应用前景。甲醇作为重要原料在敌百虫、甲基对硫磷和多菌灵等农药生产中，在医药、染料、塑料和合成纤维等工业中都有着重要的地位。在世界基础有机化工原料中，甲醇的消耗量仅次于乙烯、丙烯、苯，居第四位。生产甲醇可以使用天然气、煤炭、焦炭、渣油、石油脑、乙炔尾气等作为原料[9-10]。其中以天然气制取甲醇是最重要的气体转化液体的甲醇化工生产过程。表1.2压力对甲醇沸点的影响压力mmHg温度℃压力mmHg温度℃压力at温度℃压力at温度℃1-44.010021.228430186.510-16.220034.85112.540203.520-6.040049.910138.050214.0405.076064.720167.860224.01.3甲醇生产工艺介绍甲醇最早是在1661年，由英国R.玻意耳首先在木材和木质素干馏的液体中发现的，故而又俗称木醇。它是最简单的饱和脂肪族醇类的代表物。这种早期的生产甲醇的方式产率甚低，在工业上早已被淘汰。氯甲烷水解法也可以生产甲醇，但因水解法价格昂贵，没有得到工业上的应用。甲烷部分氧化法可以生产甲醇，这种制甲醇的方法工艺流程简单，建设投资节省。但是，这种氧化过程不易控制，常因深度氧化生成碳的氧化物和水。而使原料和产品受到很大损失，因此甲烷部分氧化法制甲醇的方法仍未实现工业化。但它具有上述优点，国外在这方面的研究一直没有中断。应该是一个很有工业前途的制取甲醇的方法[11]。现代的甲醇合成工业是在1923年，德国苯胺苏打制造厂在实现了氨合成工业化的十年之后，首次用一氧化碳和氢气在锌铬催化剂上，在高压高温下实现的甲醇合成的基础上发展起来的。这种人工合成甲醇的方法得到了很快的发展。氨合成高压操作中的成功经验对甲醉催化合成工业的发展有着指导性的帮助。随后的50多年儿乎所有的甲醇生产装置都采用的是高压法。直到1966年英国卜内门化学工业公司成功研制铜系催化剂并开发了低压生产工艺，简称ICI低压法。此后一世界上新建以及扩建的甲醇生产装置。目前工业上几乎都是采用一氧化碳、二氧化碳加压催化氢化法合成甲醇。典型的甲醇生产流程主要包括原料气的制造、合成气净化、甲醇合成和粗甲醇精馏等工序。甲醇的合成是在高温、高压、催化剂存在下进行的