年产6万吨甲醇精馏工艺设计

I年产6万吨甲醇精馏工艺设计摘要《6万吨甲醇精馏设计》是为大型合成氨厂联产甲醇而设计的，对精馏的原理、方法进行了介绍，在对甲醇精馏的工艺路线、流程进行分析、调研的基础上选择了6万吨甲醇精馏设计，并对甲醇精馏系统进行了物料平衡和热量平衡的计算，并对精馏塔进行了设计，提出了相应的配套设施。关键词：联醇；精馏；萃取II目录前言.....................................................................................................................1符号说明.............................................................................................................2第1章设计简介...............................................................................................3第1.1节设计要求.........................................................................................3第1.2节甲醇精馏的原理与方法.................................................................3第1.3节主要技术路线.................................................................................5第2章方案和工艺流程的评定.......................................................................7第2.1节双塔流程的特点...........................................................................7第2.2节工艺说明.......................................................................................7第2.3节主要设备选型.............................................................................10第3章设计计算书.........................................................................................11第3.1节给定数据.....................................................................................11第3.2节物料和热量衡算.........................................................................11第3.3节精馏塔的设计.............................................................................23结论...................................................................................................................30参考文献...........................................................................................................31致谢...............................................................................................................321前言本文详细论述了6万吨甲醇精馏设计，利用合成氨生产中有害气体（CO、CO2）和H2，采用铜基催化剂，在5.0-15.0MPa压力下生产甲醇。国内联醇工艺存在规模小，绝大部分为30kt/a以下小厂，没有规模效应；技术路线单一，能耗较大（国外先进联醇装置能耗30GJ/t左右，我国联醇装置能耗一般在50GJ/t以上）；国外联醇装置一般规模均在60kt/a以上，托普索的联醇装置80kt/a，而我国大部分是10kt/a的小厂，经济技术指标落后，所以需在合成氨改造的同时，改造联醇装置，串联式联醇装置一般宜扩大到60-80kt/a为宜。通过物料衡算、热量衡算、主要设备工艺，得出所选脱醚塔和甲醇水精馏塔等主要设备的技术参数和设备尺寸，并且证明所得技术参数及设备尺寸均能满足年产6万吨甲醇的设计要求，各项消耗也在消耗控制指标范围内。所以本文对年产6万吨甲醇的精馏工艺设计是比较合理和科学的。2符号说明P压力kPaQ热量kJ/hG冷却水量t/tXf进料中甲醇的摩尔分数Xd精甲醇中甲醇的摩尔分数Xw残液中甲醇的摩尔分数Nm最小理论塔板数a相对挥发度R回流比Rm最小回流比Pa.s物料的粘度Pa.s，物料的平均粘度Pa.sE0全塔效率NT理论塔板数(不包括再沸器)NP实际塔板数L液相负荷kmol/hV气相负荷kmol/hσ表面张力N/mρ液相密度kg/m3HT板间距mHL板上清液层高度mC气体负荷因子u空塔速度m/sR气体常数J/mol.K或atm.m3/kmol.KT温度KZ塔的有效高度3第1章设计简介第1.1节设计要求合成氨联产甲醇是利用合成氨生产中有害气体（CO、CO2）和H2，采用铜基催化剂，在5.0-15.0MPa压力下生产甲醇。国内联醇工艺存在规模小，绝大部分为30kt/a以下小厂，没有规模效应；技术路线单一，能耗较大（国外先进联醇装置能耗30GJ/t左右，我国联醇装置能耗一般在50GJ/t以上）；国外联醇装置一般规模均在60kt/a以上，托普索的联醇装置80kt/a，而我国大部分是10kt/a的小厂，经济技术指标落后，所以需在合成氨改造的同时，改造联醇装置，串联式联醇装置一般宜扩大到60-80kt/a为宜。第1.2节甲醇精馏的原理与方法为了得到纯甲醇，利用甲醇与各杂质之间各种物理性质上的差异，将杂质分开，在甲醇精制时，通常用精馏与萃取等方法。1.2.1精馏原理利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的回流，使气、液两相逆向多级接触，在热能驱动和相平衡关系的约束下，使得易挥发组分（轻组分）不断从液相往气相中转移，而难挥发组分却由气相向液相中迁移，使混合物得到不断分离，称该过程为精馏。该过程中，传热、传质过程同时进行，属传质过程控制。1.2.2精馏的方法在实际生产中如何体现精馏操作，试用图1-1a的装置形式来说明。原料液加入容器A，并在容器内加热使之沸腾，液相组成x1，部分气化成气相y1，y1进入容器B并使部分气化成y2，这样液相中的甲醇浓度x1x2x3x4……。虽然原料液不断向A加入，但由于甲醇的不断蒸发，蒸汽组成y始终大于x，液相中的甲醇组份越来越少，致使操作不能持久继续下去。4y4Dy4y3DCCy3y2x4Cy2x3x3y1BB原料液y1原料液x2蒸汽x2A蒸汽Ax1x1(a)(b)图1-1精馏的体现如果将各容器中冷凝的液体引回一部分到前一容器，如图1－1b所示。这样改变操作后由各容器分出的蒸汽所含的易挥发组分量仍然在递增，但就任何一个容器而言，它得自后面一个容器的液体，气中甲醇含量多于他送往前面一个容器的液体中的含量。容器中液体所获得的甲醇含量，则各容器中的液相组成保持不变。这种引回的液体叫做回流液，运用回流液是精馏操作的一个主要特点。根据上述，在A、B、C、D……各容器中，易挥发组分甲醇有x1x2x3x4……，而气相中甲醇y1y2y3y4……，在足够多的容器串联时，从最上层可以得到几乎全部是易挥发组分的蒸汽，冷凝后得到几乎纯粹的馏出液。而从最下一层可以得到几乎全部为难挥发组分，叫做残液。就这样将混合液分离为几乎纯粹的组份。上部易挥发组分蒸出冷凝后取出，最下部取出难挥发组分，同时不断补充原料液，保持：补充原料液＝上部馏出液＋下部残液为了使装置简化，又能达到制取纯组分的目的，将图1－1b的装置做成所谓的精馏塔，即为工业上用以精馏的主要设备。5第1.3节主要技术路线1.3.1精馏工艺的要求精馏工艺的设计，首先要使产品精甲醇的各项指标达到国家标准的要求。其次，精馏及加工中甲醇损耗与能耗也是考核生产工艺的重要指标。在精馏过程中，甲醇损耗约占加工费用的三分之二，所以降低加工费用应主要着眼于降低甲醇的损耗。另外，对于加工过程中流出物的回收利用、环境保护及安全技术措施也是十分重要的。1.3.2精馏工艺的选择⑴.生产规模的确定本设计是考虑为大型化肥厂改造配套的。近年来国内化肥行业技术进步的步伐很快，新技术得到广泛引用，甲醇、烷烃化工艺（简称双甲工艺）就是国内自行开发的新工艺之一。目前国内许多合成氨厂仍然使用传统的铜洗工艺精制原料气，其缺点越来越突出，主要表现在控制指标多、操作不稳定、检修频繁、运行费用高、环境污染严重等。双甲工艺主要是用来取代铜洗工艺，使原料气中的CO和CO2大部分转化为甲醇，变废为宝，而且原料气精制程度高、操作简单、运行稳定、工作环境清洁。双甲工艺的目的主要是精制合成氨原料气，甲醇只是附带产品，客观上限制了甲醇的生产能力，以150000吨／年的合成氨装置为例，其甲醇产量在60000吨／年左右。所以本设计精甲醇的生产能力确定为60000吨／年。⑿工艺流程的选定双甲工艺的甲醇合成压力一般在13MPa，采用铜系催化剂。从原理上讲，也可以认为是联醇生产。在13MPa压力下合成甲醇，反应温度也大幅度降低，因此合成过程中的接续反应、歧化反应明显减少，但是乙醇的生成明显增加。使用铜系催化剂，粗甲醇中的烷烃大量增加，这是联醇生产中对精甲醇质量的主要影响，实践证明，烷烃类杂质大量集中在预塔回流液中，可采用加水萃取的方法采出。粗甲醇中能溶于甲醇的烷烃类杂质大都能与甲醇形成共沸物，集中在预塔的顶部，严重影响精甲醇的质量。为了去掉这部分杂质，在操作时加20％左右的冷凝水（占入料量）6于预塔回流液收集槽中进行萃取。由于水的加入把回流液稀释，使烷烃类萃取出来，从槽中引出即为甲醇油。对于不溶于水的烃类可以从回流液中采出，即为低沸点初馏物。这样能更好地使预后甲醇液中低沸点杂质脱除干净。因为水的沸点比甲醇的沸点高，加入水后能够改变原来在混合物中的活度系数，使被分离的组份相对挥发度增大，更容易在精馏塔的不同部位分离出成品醇、高沸点物和残液。甲醇合成是体积缩小的反应，增加压力对甲醇合成有利，利用合成氨现有设备，联产甲醇具有投资省，能耗低的优点，联醇后可使原合成氨装置总能力提高4-5%，甲醇占总能力幅度为18-25%。我国目前的甲醇生产中，精馏工艺主要有两种：一种是三塔流程，多用于产量较大的精馏系统；一种是双塔流程，多用于小规模的甲醇精馏。三塔流程就是采用一台预塔，一台加压精馏塔，一台常压精馏塔。加压精馏塔的冷凝器作为常压精馏塔的再沸器，这样精馏塔的蒸汽消耗可降低近一半，精馏1吨甲醇消耗蒸汽约1.2～1.3吨。但缺点是流程长，操作复杂，投资较大。双塔流程采用一台预塔，一台常压精馏塔（主塔），流程短，操作简单，投资相对较低，但缺点是蒸汽消耗高，1吨甲醇耗蒸汽在1.7～2吨之间。本设计选用双塔流程。7第2章方案和工艺流程评定第2.1节双塔流程的特点轻馏分在预塔中分离出来，精甲醇、高沸点物和残液在主塔中分离出