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(20届)毕业设计利用二氧化碳生产甲醇的工艺流程设计摘要:本文介绍了二氧化碳加氢合成甲醇的反应机理,设计出二氧化碳生产甲醇的工艺流程,并采用Aspenplus流程模拟系统模拟出工艺流程图。再不断优化模拟数据,并打通各个循环,得到工艺流程中的物料衡算、热量衡算以及主要设备选型的数据结果。关键词:二氧化碳;甲醇;工艺流程;Aspen-plus。Abstract:Inthispaper,thesynthesisofcarbondioxidehydrogenationreactionmechanismofmethanolwasintroduced.Theprocessflowofthesynthesisofmethanolwithcarbondioxidewasdesigned,andusetheAspenplusprocesssimulationsystemsimulates,theprocessflowdiagram.Constantlyoptimizethesimulationdataagain,andgetthrougheachcycle,theprocessmaterialscalculation,heatcalculation,andmajorequipmentselectionofthedataweregainedKeywords:Carbondioxide;methanol;Processdesign;Aspen-plus目录摘要IAbstractII1.绪论11.1选题的背景、意义11.2相关研究的最新成果及动态21.2.1国内外研究二氧化碳生产甲醇的工艺研究21.2.2Aspenplus软件的相关介绍21.2.3反应机理41.2.4催化剂的研究51.3设计内容52.主要设计过程62.1初值估算62.2采用RadFrac进行严格精馏验证103.设计结果153.1主要工艺流程图的设计结果153.2物料衡算163.3热量衡算233.4主要设备选型294.结论与展望33致谢34参考文献351.绪论1.1选题的背景、意义二氧化碳是工业的主要排放物,是引起全球温室效应的气体之一,更是一种重要的碳资源。二氧化碳的活化及利用引起了人们越来越强烈的关注。[1]除了提高资源使用效率(低碳经济)外,二氧化碳的捕集、封存及再利用(CCS)技术受到广泛关注。该技术不仅可以减少大气中二氧化碳的浓度,降低温室气体的排放和减少环境污染,而且可以得到高纯度二氧化碳并成为制造化学品的含碳原料,变废为宝,增加经济效益。该技术是控制温室气体排放,实现含碳资源循环利用的应用途径之一。针对世界石油储备量的减少,这越来越涉及到碳氢化合物和碳原料等这些源头,例如,天然气在工业加工[2-4],有效地取代石油,必须开发高度评价的生产技术,在此基础上[5-6]生产的主要产品是化学产品、石油化工合成产品和清洁汽车燃料。各种以二氧化碳作为原料或中间体的新产品和新技术正不断被研发出,也进一步拉动了二氧化碳的捕集技术的发展。可以预见,二氧化碳的捕集将配合二氧化碳的再利用成为降低成本的普遍方法。甲醇是重要的有机化工原料,是Cl化学的基础物质,甲醇产量仅次子合成氨、乙烯、丙烯和苯,居第5位,在我国其即将跃为第1位。[7]随着能源结构的改变,甲醇有未来燃料的候补燃料之称,甲醇易传输,可以单独或与汽油混合作为汽车燃料,用它作为汽油添加剂可起节约芳烃、提高辛烷值的作用,甲醇将成为21世纪有竞争力的可选清洁燃料[8-10]。从甲醇出发生产的化工产品达数百种。随着节约能源和保护环境上升为基本国策,以及节能减排工作的进一步深入,可持续发展日益重要,甲醇将再次被研究人员重视,以致于有关甲醇的下游产品及技术发展的更加透彻,从而甲醇的市场会变的更大。化工流程模拟软件出现于上世纪50年代末,现已成为进行化工过程设计的强大工具。这类软件包含强大的热力学和单元操作模块,并配有庞大的物性数据库,既可进行单个的设备计算,也可计算整个化工生产流程。现在化工过程模拟软件已经广泛地被应用于化工过程的设计、测试、优化和过程的整合。其主要代表作是由美国ASPENTECH公司于上世纪80年代推向市场的大型通用流程模拟系统??AspenPlus。该软件具有完备的物性数据库,备有全面、广泛的化工单元操作模型,能方便地构成各种化工生产流程,提供一套功能强大的模型分析工具,它用严格和最新的计算方法,进行化工单元和全流程的模拟运算。化工过程模拟或流程模拟是根据化工过程的数据,诸如物料的压力、温度、流量、组成和有关的工艺操作条件、工艺规定、产品规格以及一定的设备参数,如蒸馏板的板数、进料位置等,采用适当的模拟软件,将一个由许多个单元过程组成的化工流程用数学模型描述,用计算机模拟实际的生产过程,并在计算机上通过改变各种有效条件得到所需要的结果。其中包括原材料消耗、公用工程消耗和产品、副产品的产量和质量等重要数据。1.2相关研究的最新成果及动态1.2.1国内外研究二氧化碳生产甲醇的工艺研究CO?本身呈现极大的化学惰性,要在较温和的条件下实现CO?加氢的高效转化,关键在于开发高活性的催化剂。国外已经开发出了成熟的CO?加氢合成甲醇的催化剂,国内还处于研究阶段。CO?加氢合成甲醇过程中H?的来源是一个大问题,如果通过化石资源生产氢气必定副产大量的CO?达不到本质利用CO?目的。如果工厂有多余的氢气和CO?可以采用该合成方法合成甲醇。由于受到热力学的限制,CO?加氢合成甲醇反应的转化率很低,生产工艺中必须考虑原料气循环利用的问题。采用CO?和H?合成甲醇的流程包括原料精制、甲醇合成、甲醇精馏这3个主要的步骤。由于CO?和H?合成甲醇反应生产的水量较大,所以甲醇的精馏过程能耗会偏高。目前研究CO?加氢合成甲醇工艺的单位较多,均处于对催化荆和反应条件的研究。该工艺CO?的转化率较低.甲醇的产率低,限制了其工业化生产装置的建设。今后应加强提高CO?的括性、增大甲醇的选择性、新型催化剂及装置工业化等关键技术的研究。超细负载型催化剂园具有比表面积大、分散度高和热稳定性好的特点,将成为一种发展苊势,是今后研究的方向。CO?加氢制甲醇的工艺流程和设备与传统甲醇合成工艺相比差别不大,投资、成本较低。国内仅有一家以CO?为原料生产甲醇的厂家,但不是直接加氧,国外已有多家二氧化碳催化加氢直接转化为甲醇工业化的实倒。CO?制甲醇既可缓解温室效应,又可节约能源,无论从经济、环境还是社会角度,都具有十分美好的前景,因此,国内更应该加强这方面的研究工作。1.2.2Aspenplus软件的相关介绍1.AspenPlus的介绍AspenPlus是AspenTech公司最早开发的稳态模拟软件。在20世纪80年代初商品化,到目前经过20多年的不断增补完善,已成为世界级标准流程模拟软件和功能最强的商品化流程模拟软件。该软件包括50多种单元设备严格模型组成的模型库及5000种化合物的物性数据库,在科研开发、工程设计、生产管理各个阶段均有广泛的应用。在科研开发上用该软件可以减少中试层次及实验次数,加速产品上市过程;在工程设计中应用该软件可以快速筛选各种流程方案,迅速确定物料及能量衡算,自动形成PFD图;在生产中使用它可模拟诊断生产装置不正常运行工况并优化操作参数,节能降耗,也可以标定生产流程各部位的能力,找出“瓶颈”位置及增产方案。AspenB-JAC是用于列管式换热器和空冷器等设备设计的严格计算程序。它包括AspenHetran,AspenTeams,AspenAerotran等3个组件,其中AspenHetran和AspenAerotran主要用于换热器和空冷器等设备的热力学设计,而AspenTeams则主要用于设备的机械设计、造价估算以及生成设计简图等方面。AspenDynamics是一种界面软件,是为了将稳态-动态模拟集成起来,为动态计算提供稳态初值的工具。使用AspenDynamics可以真正将包括控制器的AspenPlus与AspenCustomModeler结合成一体,从稳态设计到模拟控制特性、参数整定等可以一气呵成。AspenCustomModeler是一套建立在联立微分-代数方程组求积分解基础上的动态模拟系统。它有一套单元操作的动态模型库并使用和AspenPlus一样的物性数据库,这样可使稳态及动态模拟计算结果保持一致性。AspenCustomModeler常用的几个方面是:1提高可操作性,包括开车方案、正常操作规程;2改进安全性,包括释放系统、事故分析;3改进过程控制方案,测试可能的控制方案,研究先进控制方案;4开发用户模型及优化过程操作。AspenPinch是一个基于过程综合与集成的夹点技术计算软件。它采用工厂现场操作数据或AspenPlus模拟计算的数据为输入,来设计能耗最小、操作成本最低的化工厂和炼油厂过程流程。此外,AspenTech公司针对一些具体的工艺过程开发了一些专用的过程模拟系统,如PolymersPlus是一个模拟聚合物制造过程的通用聚合过程模拟系统,BatchPlus是关于制药企业的全方位解决方案,AspenOLI是一个电解质溶液严格模拟工具,AspenSplit是非理想共沸物系精馏过程综合分析工具。2.Aspen在工程开发中的应用和探索基础物性数据的验证和使用:为了今后较准确地开展相关工艺流程模拟的研究,利用PropertyPlus模块开展了聚酯、PTA、PIA工艺主要物系的基本物性数据比对工作。将直接从数据库中提取或分析工具计算得到的基础数据及交互参数与已知数据进行比对,结果发现两者结果大致吻合,可以用于工艺流程模拟的计算。概念设计方面应用的探索:利用AspenPlus提供的50多种单元设备的模型库,可以开展不同设备如塔器、分流器、混合器、换热器、变压单元等的工艺设计,进而完成单元操作的概念设计。如针对PTA、PIA工艺中催化剂回收效果不能令人满意的情况,提出通过萃取回收催化剂的新方案,并利用AspenPlus完成了初步流程模拟。随后通过对模拟结果的分析,确定了将催化剂回收系统与溶剂脱水系统进行整合的思路,据此充分利用AspenPlus中FlowsheetOptions和ModelAnalysisTools囊括的DesignSpec,Calcula2tor,Sensitivity,Optimization和CaseStudy等工具调整流程及模型参数,基本确定了流程方案,并得到了关键设备参数、流程控制指标、物料能量衡算及公用工程耗量等数据,完成了本单元工艺的概念设计工作。3.在工程化设计过程中的应用利用AspenPlus提供的单元设备的严格模型,可以对一些设备进行工艺设计和工程设计。如PTA和PIA工艺中的氧化反应器塔顶换热系统多组分相变过程,换热器是整个工艺流程中极为关键的设备,不仅设备复杂庞大,而且副产蒸汽的品级与产量对工艺空气压缩系统的蒸汽透平设备有着至关重要的影响。刘保柱,于凤文,朱菊香等通过对流程模拟参数的不断调整,实现了对各级副产蒸汽的优化控制,同时利用B-JAC模块对各个换热器进行了严格计算,计算出的换热器设备参数与已知工程数据吻合良好,并已实际应用于设计项目中。B-JAC模块对换热器的严格计算广泛应用于包括聚酯、PTA、PIA、聚乳酸等的工程设计中。1.2.3反应机理CO?加氢合成甲醇的反应机理目前尚存在一些未解决的问题:一是合成甲醇反应的中间物种;二是CO?与氢是直接合成甲醇还是通过CO间接合成;三是对研究得多的铜基催化剂的反应活性中心说法不一。随着人们对CO?加氢合成甲醇反应研究的不断深入,愈来愈多的人认为CO?加氢合成甲醇不需经CO的中间过程,而是由CO?直接与氢作用合成甲醇。[11]CO?加氢合成甲醇通常会发生以下两个平行反应:CO?+3H?CH3OH+H2OΔH-49.143kJ/molCO?+H?CO+H?OΔH-41.112kJ/mol而CO加氢合成甲醇的主要反应为:CO+2H?CH3OHΔH-90kJ/mol可见,CO?加氢合成甲醇的反应热约为CO的一半,因此,CO?加氢合成甲醇可在较低的温