毕业论文（设计）-年产4万吨工业甲醇—精馏生产车间设计.doc
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海南大学
毕业设计
题目：
年产4万吨工业甲醇—精馏生产车间设计
学号：
20100411310071
姓名：
王晓明
年级：
2010级
学院：
材料与化工学院
系别：
化工系
专业：
化学工程与工艺
指导教师：
张美苍
完成日期：
2014/4/25
年产4万吨工业甲醇—精馏生产车间设计
摘要
甲醇,简单饱和脂肪醇，其分子式为CH3OH。
甲醇是重要的化工原料和清洁燃料，用途广泛，在国民经济生产中中占有十分重要的地位。
近年来，随着甲醇下游产品的开发特别是甲醇燃料的应用，国内外对于甲醇的需求日益增长。
故而，经过分析比较各种生产原料、合成工艺后，本设计采用煤为原料年产4万吨工业甲醇，以供应国内需求。
本设计遵循“技术先进、工艺成熟、经济合理、安全环保”等原则，在充分论证国内外各种先进生产方法、工艺流程和设备配置基础上，选用以原料气经双效法三塔精馏工艺路线生产甲醇。
设计的重点是生产工艺设计论证、工艺计算及设备设计选型。
此外，在设计中充分考虑环境保护和劳动安全，以减少“三废”排放，加强“三废”治理，确保安全生产，消除并尽可能减少工厂生产对职工的伤害。
关键词：
煤；精馏；设计
Abstract
Methanol,simplesaturationoffattyalcohols,itsmolecularformulaforCH3OH.Methanolisimportantchemicalrawmaterialsandcleanfuel,awiderangeofUSES,inthenationaleconomyintheproductionofanimportantposition.Inrecentyears,withthedevelopmentofcarbinoldownstreamproductsespeciallytheapplicationofmethanolfuel,bothathomeandabroadthegrowingdemandformethanol.So,afteranalysiscomparingkindsofrawmaterial,productionsynthesisprocess,thisdesignUSESthenaturalgasasrawmaterialwiththeannualproductioncapacityof40000tonsmethanol,tosupplydomesticdemand.
Thisdesignfollowthe"advancedtechnology,thecraftismature,theeconomicandreasonable,safeenvironmentalprotection"principle,inthefulldiscussionvariousdomesticandinternationaladvancedproductionmethod,technologicalprocessandequipmentbasedonconfiguration,choosetothegasmaterialthreetowerdistillation"producemethanolprocessroute.Designisthefocusoftheproductionprocessdesignargumentation,processcalculationanddesignofequipmenttypeselection.Inaddition,inthedesignoffullyconsideringenvironmentalprotectionandlaborsafety,toreduceemissions"threewastes",strengtheningof"threewastes"treatment,ensurethesafetyinproduction,eliminateandreduceproductionfactorytotheworker'sdamage.
Keywords:
coal;distillation;design
目录
总论 1
1．概述 1
1.1甲醇的性质 1
1.2甲醇用途 2
1.3甲醇在国民经济中的重要性 2
1.4甲醇的市场需求 2
1.5设计的目的和意义 3
1.6设计的依据 3
1.6.1海南大学材料与化工学院2010届毕业设计选题 3
1.6.2设计的基础资料 3
1.7设计的指导思想 3
1.8设计的范围﹑装置组成及建设规模 4
1.8.1设计的范围 4
1.8.2生产和辅助车间设置 4
1.8.3建设规模 4
1.9原料煤规格 5
1.10产品质量标准 5
2．工艺流程设计 5
2.1粗甲醇的精馏 6
2.1.1精馏原理 6
2.1.2精馏工艺和精馏塔的选择 6
3．工艺流程 11
3.1甲醇合成工艺流程 11
3.2甲醇精馏工艺流程 12
3.3氨吸收制冷流程 13
4．合成工段工艺计算 14
4.1合成工段物料衡算 15
4.1.1设计条件及参数 15
5.精馏工段工艺计算 16
5.1精馏工段物料衡算 16
5.1.1预精馏塔物料衡算 16
5.1.2加压塔物料衡算 18
5.1.3常压塔物料衡算 21
5.2精馏工段的热量衡算 23
5.2.1预精馏塔热量衡算 23
5.2.2预塔冷凝器热量衡算 26
5.2.3加压塔热量衡算 27
5.2.4常压塔热量衡算 29
6.主要设备的计算与选型 32
6.1物料衡算 33
6.1.1原料液及其塔顶、塔底产品的摩尔分率 33
6.1.2原料液及其塔顶与塔底产品的平均摩尔质量 33
6.1.3全塔物料衡算 34
6.2塔板数的确定 34
6.2.1最小回流比的估算 34
6.2.2 实际回流比 35
6.2.3最少理论塔板数的计算 35
6.2.4理论板数 35
6.2.5 进料板位置 36
6.2.6苯塔的工艺条件及有关物性数据的计算 37
6.2.7平均摩尔质量 37
6.3液相和气相平均密度 38
6.3.1液相平均密度 38
6.3.2气相平均密度 39
6.3.3液相平均表面张力 39
6.3.4液相平均粘度 40
6.4精馏塔塔体和塔板主要尺寸计算 41
6.4.1塔高和塔径 41
6.4.2塔板主要工艺尺寸的计算 44
6.5塔板的流体力学验算 47
6.5.1阻力和单板压降校验 47
6.5.2液面落差 49
6.5.3雾沫夹带校验 49
6.5.4漏液校验 50
6.5.5液泛校验 50
6.6负荷性能图 51
6.6.1精馏段负荷性能图 51
6.6.1.1漏液线（气相负荷下限线） 51
6.6.1.2液体流量下限线 52
6.6.1.3液体流量上限线 52
6.6.1.4雾沫夹带线 53
6.6.1.5液泛线 53
6.6.1.6操作弹性 55
6.6.2提馏段负荷性能图 55
6.6.2.1漏液线（气相负荷下限线） 55
6.6.2.2液体流量下限线 55
6.6.2.3液体流量上限线 55
6.6.2.4雾沫夹带线 56
6.6.2.5液泛线 56
6.6.2.6操作弹性 57
6.7预塔冷却器工艺计算 57
6.7.1初选换热器 57
6.7.2核算压降 59
6.7.3核算总传热系数 60
6.8循环压缩机的选择 61
6.9精馏段设备设计 61
6.9.1设计条件 62
6.9.2精馏塔设备选择 62
7.车间设计 64
7.1厂区布置原则 64
7.2厂房的整体布置 65
7.3车间设备布置设计 65
7.3.1车间设计要求 65
7.3.2合成车间 65
7.4精馏车间 66
8三废处理和生产安全 66
8.1三废处理 66
8.1.1甲醇生产对环境的污染 66
8.1.2处理方法 67
8.2生产安全 68
8.2.1甲醇的火灾、爆炸危险性 68
8.2.2预防甲醇火灾、爆炸的措施 69
8.2.3生产过程中职业危险、危害因素的分析 70
8.2.4主要防范措施 72
8.2.5自动控制及安全联锁 73
8.2.6劳动保护防范措施 73
8.2.7中毒事故处理措施 74
致谢 76
参考文献 76
78
总论
1．概述
1.1甲醇的性质
化学名称为甲醇，别名甲基醇、木醇、木精。
分子式CH3OH，分子量32.04。
是有类似于乙醇气味的无色透明、易燃、易挥发的液体。
甲醇是最常用的有机化学溶剂之一，能与水和多种有机溶剂互溶，但不能与脂肪烃类化合物互溶。
甲醇是最简单的饱和脂肪醇，具有脂肪醇的化学性能，其化学性很活泼，如氧化反应、氨化反应、酯化反应、羟基化反应、卤化反应、脱水反应、裂解反应等。
其主要物理性质如下表：
表1-1甲醇的主要物理性质
项目
数值
项目
数值
液体密度／kg·m－3
793.1
临界常数
蒸汽密度／kg·m－3
1.43
临界温度﹙Tc﹚／℃
240
沸点／℃
64.65
临界压力﹙pc﹚／MPa
7.97
熔点／℃
－97.8
生成热／kJ·mol－1
闪点／℃
气体﹙25℃﹚
－201.22
开杯法
16.0
液体﹙25℃﹚
－238.73
闭杯法
12.0
燃烧热／kJ·mol－1
自燃点／℃
气体
764.09
在空气中
473
液体
726.16
在氧气中
461
蒸发潜热﹙64.7℃﹚／kJ·mol－1
35.295
表面张力／mN·m－1
24.5
熔融热﹙－97.1℃﹚／kJ·mol－1
3.169
黏度／mPa·s
热导率／〔J／﹙m·s·K﹚〕
2.1×10－3
液体黏度﹙20℃﹚
0.5945
空气中最大允许浓度／﹙g·m－3﹚
0.05
蒸汽黏度﹙15℃﹚
0.140
空气中爆炸极限／%
临界体积﹙Vc﹚／mL·mol－1
118
下限
6.0
临界压缩系数﹙Zc﹚
0.224
上限
36.5
1.2甲醇用途
甲醇是最简单的饱和醇，也是重要的化学工业基础原料和清洁液体燃料，它广泛用于有机合成、医药、农药、涂料、染料、汽车和国防等工业中。
用于制造甲醛和农药（杀虫剂、杀虫螨）、医药（磺胺类、合霉素类）等的原料、合成对苯二甲酸二甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯的原料之一、醋酸、氯甲烷、甲胺和硫酸二甲酯等多种有机产品。
等，并用作有机物的萃取剂和酒精的变性剂等。
用作基本有机原料、溶剂及防冻剂。
主要用于制甲醛、香精、染料、医药、火药、防冻剂等。
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、硫酸二甲脂等多种有机产品，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。
1.3甲醇在国民经济中的重要性
甲醇是由CO和H2合成的，主要生产原料为煤、焦碳、天然气、焦炉气、石油等。
甲醇产品目前是全世界需求量巨大的重要基础化工产品和基本化工原料，同时也是新一代的能源燃料，其产量仅次于合成氨而居于第二大化工原料产品。
甲醇在石油化学工业、医药工业、轻纺工业、生物化工以及能源、交通运输行业均有广泛用途，在国民经济中占有十分重要的地位。
1.4甲醇的市场需求
随着国民经济的日益增长，国内对于作为重要化工原料的甲醇的需求不断的增加，我国是石油比较贫乏的国家，对外进口困难，另外从长远利益看，甲醇成为汽油的替代品已经成为必然，动力燃料将成为本世纪甲醇用量最大的领域，这使得国内对甲醇的需求大幅度的提升。
1.5设计的目的和意义
我国石油资源短缺，能源安全已经成为不可回避的现实问题，寻求替代能源已成为我国经济发展的关键。
甲醇作为石油的补充已成为现实，发展甲醇工业对我国经济发展具有重要的战略意义。
煤在世界化石能源储量中占有很大比重（我国情况更是如此），而且煤制甲醇的合成技术很成熟。
随着石油和天然气价格的迅速上涨，煤制甲醇更加具有优势。
本设计遵循“工艺先进、技术可靠、配置科学、安全环保”的原则；结合甲醇的性质特征设计一座年产4万吨工业甲醇—精馏生产车间工艺设计。
通过设计可以巩固、深化和扩大所学基本知识，培养分析解决问题的能力；还可以培养创新精神，树立良好的学术思想和工作作风。
通过完成设计，可以知道甲醇的用途；基本掌握煤制甲醇的生产工艺；了解国内外甲醇工业的发展现状；以及甲醇工业的发展趋势。
1.6设计的依据
1.6.1海南大学材料与化工学院2010届毕业设计选题
《年产4万吨工业甲醇—精馏生产车间设计》任务书，见附件。
1.6.2设计的基础资料
（1）工艺流程资料
参阅某化学工程公司的甲醇合成厂的工艺流程资料和参考由房鼎业主编的《甲醇工学》。
1.7设计的指导思想
以设计任务书为基础，适应我国甲醇工业发展的需要。
加强理论联系实际，扩大知识面；培养独立思考、独立工作的能力。
整个设计应贯彻节省基建投资，充分重视技术进步，降低工程造价，节能环保等思想，设计生产高质量甲醇产品。
1.8设计的范围﹑装置组成及建设规模
1.8.1设计的范围
（1）物料衡算、热量衡算、设备选型
（2）年产4万吨工业甲醇—精馏生产车间设计
（4）安全环保措施
（5）编写设计说明书
（6）绘制设计图纸
设计重点：
工艺流程的设计，工艺计算，精馏塔、水冷器设计计算与选型
1.8.2生产车间设置
（1）设生产车间4个
煤气化车间：
包括原料煤的贮存、备煤加工处理、粉煤气化和空分。
净化车间：
包括脱硫（常压粗煤气脱硫、变换气脱硫）、一氧化碳变换、脱二氧化碳及精脱硫。
合成车间：
包括压缩、甲醇合成。
精馏车间：
甲醇精馏和甲醇贮罐区。
动力车间：
包括全厂供排水、锅炉供热、软水脱盐水、供电。
1.8.3建设规模
生产能力：
年产4万吨工业甲醇，年开工日为330天，日产为121.21吨，建设期2年。
工作制度：
合成车间日工作小时为24小时，每日3班轮流替换，每班8小时连续生产，共4个班。
厂址选择
该厂建设在某煤矿附近，计划占地约85亩；厂房基建部分由某工程设计院设计。
1.9原料煤规格
原料煤的元素分析为：
C67.5%；H4.0%；O10.2%；N0.65%；S（可燃）1.73%；S（不可燃）0.34%；Cl/（mg/kg）229；F/（mg/kg）104；Na/（mg/kg）2180；K/（mg/kg）292。
1.10产品质量标准
本产品（精甲醇）执行国家《GB338—92》标准，具体指标见下表
表1甲醇《GB338—92》
项目
指标
优等品
一等品
合格品
色度（铂—钴），号≤
5
10
密度（200C），g/cm3
0.791～0.792
0.791～0.793
温度范围（0℃,101325Pa），℃
沸程（包括64.6±0.10C），℃≤
64.0-65.5
0.8
1.0
1.5
高锰酸钾试验，min≥
50
30
20
水溶性试验
澄清
水分含量，%≤
0.10
0.15
酸度（以HCOOH计），%≤
或碱度（以NH3计），%≤
0.0015
0.003
0.005
0.0002
0.0008
0.0015
羰基化合物含量（以CH2O计），%≤
0.002
0.005
0.01
蒸发残渣含量，%≤
0.001
0.003
0.005
2．工艺流程设计
甲醇合成
合成气净化
甲醇精馏
煤制合成气
图1煤制甲醇的简单工艺流程
采用GSP气化工艺将原料煤气化为合成气；通过变换和NHD脱硫脱碳工艺将合成气转化为符合甲醇合成条件的原料气；第三步就是甲醇的合成，将原料气加压到5.14Mpa，加温到225℃后输入列管式等温反应器后，在XNC-98型催化剂的作用下合成甲醇，生成的粗甲醇送入精馏塔精馏，得精甲醇。
然后利用三塔精馏工艺将得到的粗甲醇精制得到精甲醇。
2.1粗甲醇的精馏
在甲醇合成时，因合成条件如压力、温度、合成气组成及催化剂性能等因素的影响，在产生甲醇反应的同时，还伴随着一系列的副反应。
所得产品除甲醇为，还有水、醚、醛、酮、酯、烷烃、有机酸等几十种有机杂质。
由于甲醇作为有机化工的基础原料，用它加工的铲平种类很多，因此对甲醇的纯度均有一定的要求。
甲醇的纯度直接影响下游产品的质量、消耗、安全生产及生产过程中所用的催化剂的寿命。
所以粗甲醇必须提纯。
2.1.1精馏原理
精馏是将沸点不同的组分所组成的混合液，在精馏塔中，同时多次部分气化和多次部分冷凝，使其分离成纯态组分的过程。
其分离的原理如下：
对于由沸点不同的组分组成的混合液，加热到一定温度，使其部分气化，并将气相与液相分离。
因低沸点组分易于气化，则所得气相中低沸点组分含量高于液相中的含量，而液相中高沸点组分含量，较气相中高。
若将气相混合蒸汽再部分冷凝下来，将冷凝液再加热到一定温度，使其部分气化，并将气相与液相分离，则所得气相冷凝液中的低沸点组分又高于原气相冷凝液。
如此反复，低沸点组分不断提高。
到最后制得接近纯态的低沸点组分。
2.1.2精馏工艺和精馏塔的选择
甲醇精馏按工艺主要分为三种：
双塔精馏工艺技术、带有高锰酸钾反应的精馏工艺技术和三塔精馏工艺技术。
双塔精馏工艺技术由于具有投资少、建设周期短、操作简单等优点，被我国众多中、小甲醇生产企业所采用。
其在联醇装置中得到了迅速推广。
带有高锰酸钾反应的精馏工艺技术仅在单醇生产中用锌铬为催化剂的产品中有应用。
近年来.随着甲醇合成铜基催化剂的广泛应用和气体净化水平的提高。
粗甲醇生产中的副反应减少和杂质的降低，此工艺流程己经很少采用。
三塔精馏工艺技术是为减少甲醇在精馏中的损耗和提高热利用率，而开发的一种先进、高效和能耗较低的工艺流程。
近年来在大、中型企业中得到了推广和应用。
2.1.2.1双塔精馏工艺
国内中、小甲醇厂大部分都选用双塔精馏工艺传统的主、预精馏塔几乎都选用板式结构。
双塔精馏工艺流程见下图。
来自合成工段含醇90%的粗甲醇，经减压进入粗甲醇贮槽。
经粗甲醇预热器加热到45℃后进入预精馏塔。
甲醇的精馏分2个阶段：
先在预塔中脱除轻馏分.主要是二甲醚；后进入主精馏塔，进一步把高沸点的重馏分杂质脱除，主要是水、异丁基油等。
从塔顶或侧线采出.经精馏甲醇冷却器冷却至常温后，就可得到纯度在99.9%以上的符合国家指标的精甲醇产品。
该工艺具有流程简单，运行稳定，操作方便，一次投资少的特点。
该工艺适合于原料粗甲醇中二甲醚等轻组分、还原性杂质量较低的粗甲醇加工。
1预精馏塔；2主精馏塔
图2甲醇双塔工艺流程
2.1.2.2三塔精馏工艺
近年来，许多企业原有甲醇双塔精馏装置己不能满足企业的需要。
随着生产的强化，不仅消耗大幅度上升，而且残液中的甲醇含量也大大超过了工艺指标。
对企业的达标排放构成了较大的威胁。
甲醇三塔精馏工艺技术是为了减少甲醇在精馏过程中的损耗，提高甲醇的收率和产品质量而设计的。
预精馏塔后的冷凝器采用一级冷凝，用以脱除二甲醚等低沸点的杂质，控制冷凝器气体出口温度在一定范围内。
在该温度下，几乎所有的低沸点馏分都为气相，不造成冷凝回流。
脱除低沸点组分后，采用加压精馏的方法，提高甲醇气体分压与沸点，减少甲醇的气相挥发，从而提高了甲醇的收率。
作为一般要求的精甲醇经加压精馏塔后就可以达到合格的质量。
如作为特殊需要，则再经过常压精馏塔的进一步提纯。
生产中加压塔和常压塔同时采出精甲醇，常压塔的再沸器热量由加压塔的塔顶气提供，不需要外加热源。
粗甲醇预热器的热量由精甲醇提供，也不需要外供热量。
因此.该工艺技术生产能力大，节能效果显著，特别适合较大规模的精甲醇生产。
图3三塔工艺流程
1预精馏塔2加压精馏塔3常压精馏塔
2.1.2.3双塔与三塔精馏技术比较
（1）工艺流程。
三塔精馏与双塔精馏在流程上的区别在于三塔精馏采用了2台主精馏塔（其中1台是加压塔）和1台常压塔，较双塔流程多1台加压塔。
这样，在同等的生产条件下，降低了主精馏塔的负荷，并且常压塔利用加压塔塔顶的蒸汽冷凝热作为加热源，所以三塔精馏既节约蒸汽，又节省冷却水。
（2）蒸汽消耗。
在消耗方面,由于常压塔加压塔的蒸汽冷凝热作为加热源，所以三塔精馏的蒸汽消耗相比双塔精馏要低。
（3）产品质量。
三塔精馏与双塔精馏在产品质量上最大的不同是三塔精馏制取的精甲醇中乙醇含量低，一般小于50×10-6,而双塔精馏制取的精甲醇中乙醇含量为400×10-6～500×10-6，三塔精馏制取的精甲醇纯度可达99.99%，含有的有机杂质相对较少。
（4）设备投资。
三塔精馏的流程较双塔精馏流程要复杂，所以在投资方面，同等规模三塔精的设备投资要比双塔精馏高出20%～30%。
（5）操作方面。
由于双塔精馏具有流程简单,运行稳定的特点,所以在操作上较三塔精馏要方便简单。
表5双塔精馏与三塔精馏的投资与操作费用比较表
项目
双塔精馏
三塔精馏
生产规模t/a
10
5
2.5
10
5
2.5
投资
100
100
100
113
122.3
129
操作费用
100
100
100
64
66.7
71
能耗
100
100
100
60
60.4
61.2
注：
投资、操作费用、能耗为相对数
通过上述比较可知，虽然三塔精馏技术的一次性投入要比双塔精馏高出20%~30%,但是从能源消耗、精甲醇质量上都要优于双塔精馏，特别是能耗低的优点十分突出。
随着三塔精馏生产规模
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