年產3萬噸甲醇精餾工藝設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 工業對發揮我國豐富的煤炭資源優勢，以此補充我國油氣資源的不足與滿足對 化工產品的需求，保障能源安全，推動煤炭清潔利用，促 進我國經濟的可持續發展發揮了重要作用。 隨著經濟的快速發展， 甲醇的用途很廣，也必然會存在浪費，對環境造成的污染非常嚴重，而且， 可用資源越來越少， 因此，對于廢甲醇的回收意義重大，關于這一課題的研究也越來越多。 由于廢甲醇中含有多種固體雜質和水分，需要精制。精制過程包括精餾與預處理固體顆粒。精餾主要是除去易揮發組分，以及難以揮發的組分，如水等 [2]。作為 有機化工原料，作為 精細化工。 農藥、醫藥的重要原料之一。對甲醇純度的要求很高。因此，本設計研究甲醇精餾有非常重要的意義，由于產量小，選用單塔流程進行工藝設計， 單塔流程 操作方便、運行穩定。因此，本設計的工藝設計很有價值。 2 第一章 文獻綜述 本課題研究的目的和意義 隨著經濟的快速發展，甲醇作為 基礎的有機化工原料和優質燃料， 在石油化工、醫藥、輕紡、生物化工以及能源、交通運輸等行業均有廣泛用途，在國民經濟中占有十分重要的地位 [1]。甲醇的消耗量也逐漸增大， 80年代以來，世界的甲醇總需求量增長很快，平均年增長率約 8%。我國甲醇的消費增長也很快，市場的需求必然導致甲醇產量的迅速增加。因此，存在一個很嚴重的問題就是甲醇廢水的污染和浪費。， 隨著現代社會對環境保護的要求越來越高，可用資源越來越少，搞好廢水廢液的回收利用十分重要。甲醇廢水回收的重要意義在于利用技改方式把它轉化成能源，進行充分利用變廢為寶、化害為利，既節約了自然資源和能源，又達到了生產創利的目的，真正實現了社會效益、環境效益、經濟效益的統一，為同類行業生產廢水的綜合利用提供了可行的實踐經驗。 甲醇的簡介 甲醇的性質 甲醇是最簡單的飽和一元醇，化學式為： CH3OH，在常溫常壓下，單質甲醇是無色、易揮發、有酒精氣味的有毒液體。能與水、醇類、乙醚、苯、酯類 、鹵代烴和許多其他有機溶劑互溶，但是不與脂肪烴類化合物混溶。常溫下對金屬無腐蝕性（鉛鋁除外）易燃其蒸汽與空氣易形成爆炸混合物，完全燃燒生成二氧化碳和水蒸氣，同時放出熱量。甲醇又名木醇，木酒精，甲基氫氧化物，是一種最簡單的飽和醇。 甲醇為最簡單的飽和脂肪醇，其化學性能活潑，易燃燒。相關反應諸多，例如其氧化反應、酯化反應、鹵化反應、脫水反應、甲基化反應等等。 甲醇的用途 甲醇用途廣泛，是基礎的有機化工原料和優質燃料。 也是一種新型的清潔能源 。 在石油化工、醫藥、輕紡、生物化工以及能源、交通運輸等行業 均有廣泛用途，在國民經濟中占有十分重要的地位 [1]。甲醇 主要應用于精細化工，塑料等領域， 生產酚醛樹脂、甲醛塑料等高分子材料和粘合劑等精細化工產品。 甲醇作為化工基本原料， 用來制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲脂等多種有機產品，也是農藥、醫藥的重要原料之一。 作為新一代燃料， 甲醇是一種 易燃易揮發的無色透明液體，具有與傳統液體燃料極為相近的燃燒性能，辛烷值高，抗爆性能好，產品的運輸、儲存、分裝加注和使用也與汽油、柴油燃料極 3 為相似。 由甲醇轉化生產的二甲醚具有清潔、動力性能好、污染少、易儲存 等特點，綜合性能遠優于液 化氣、天然氣、甲醇、乙醇等產品，其作為替代柴油燃料的市場空間廣闊 。還是重要的溶劑，亦可摻入汽油作替代燃料使用。 20世紀 80 年代以來，甲醇用于生產汽油辛烷值添加劑甲基叔丁基醚，甲醇汽油，甲醇燃料以及甲醇蛋白等產品，大大促進了甲醇生產的發展和市場需要。 甲醇工業的發展及現狀 甲醇的消費量 80年代以來，世界的甲醇總需求量增長很快，平均年增長率約 8%。市場的需求必然導致甲醇產量的迅速增加。 1982 年全世界的甲醇產量不足 103kt，預計到 20xx 年達到約 7200 萬噸 [3]。我國甲醇的消費增長 也很快，從 1957 年的 ，到 1970 年的 83kt，到了 20xx 年全年產量達到近 11160kt[4]，新增甲醇裝置 18 套，新增產能約為 850 萬噸，而且各地還在籌劃建設的甲醇產能高達 4320 萬噸。 世界甲醇工業的發展 甲醇裝置正向大型化發展，國外一共有甲醇生產裝置進 110 套，每套的年平均生產能力都超過 ，年總達到了 64Mt，在其中年生產能力超過 的裝置近 32 套，總生產能力約為 30Mt，目前正建設的大型裝置的總生產能力可達 26Mt。在未來的幾年內，更多超大規模的甲醇生產裝置 的集中投產，必將對國際甲醇生產和消費市場產生重大的影響。 總體上說，世界甲醇工業從 90 年代開始經歷了 19911998 的供需平衡， 19981999 的供大于求，從 20xx 年初至今的供求基本平衡三個基本階段。 [1]據 Nexant Chen Systems 公司的最新統計，全球 20xx 年甲醇生產能力為 萬 t/a[6] 我國甲醇工業發展 中國甲醇工業開始于 20 世紀 50 年代，我國的甲醇工業發展是伴隨著能源與美化工工業的發展而崛起的。特別是近年來，由于國際油價的節節攀升，煤化工工業對發揮我國豐富的煤炭 資源優勢，以此補充我國油氣資源的不足與滿足對化工產品的需求，保障能源安全，推動煤炭清潔利用，促進我國經濟的可持續發展發揮了重要作用。按照規劃的目標，到 2020 年我國甲醇的生產能力可達到 6000 至 7000 萬噸。甲醇可作為“功能”儲備來補充石油的不足，國家標準委連續發布了甲醇燃料及 M85 甲醇汽油兩個國家標準， M15 甲醇汽油等系列的國家標準也即將頒布，這些國家標準的頒布和實施必將進一步促進和加快甲醇燃料的規范發展。假設甲醇生產的戰略儲備對于調節甲醇的市場價格、促進煤化工的長期發展和保證我國能源的安全均有重要意義。 4 甲醇精餾的方法 物理 精餾方法，就是利用甲醇、水、有機物雜質的揮發度不同、沸點不同，通過精餾方法將雜質、水、甲醇進行分離。將粗甲醇精餾為純組分。 化學精餾方法，當采用蒸餾的方法不能將雜質降低至精甲醇所要求的指標時，則需要用化學凈化的方法破壞掉這些雜質。例如廢甲醇中含有還原性雜質，雖然采取萃取蒸餾的方法分離，但殘留在甲醇中的部分將繼續影響其高錳酸鉀值，若不除去繼續蒸餾，則必然會造成精餾設備的復雜性、增加甲醇的損失、增加能耗等。所以必須采取化學方法進行預處理。 本設計是對進行過預處理除去廢甲醇中的固體顆粒 之后的精餾工段，采用物理精餾方法， 其分離的原理如下：精餾是將沸點不同的組分所組成的混合液，在精餾塔中，同時多次部分氣化和多次部分冷凝，使其分離成純態組分的過程。對于由沸點不同的組分組成的混合液，加熱到一定溫度，使其部分氣化，并將氣相與液相分離。因低沸點組分易于氣化，則所得氣相中低沸點組分含量高于液相中的含量，而液相中高沸點組分含量，較氣相中高。若將氣相混合蒸汽再部分冷凝下來，將冷凝液再加熱到一定溫度，使其部分氣化，并將氣相與液相分離，則所得氣相冷凝液中的低沸點組分又高于原氣相冷凝液。如此反復，低沸點組分不斷 提高。到最后制得接近純態的低沸點組分。 工藝流程的選擇 甲醇精餾生產工藝有多種，分為單塔精餾，雙塔精餾，三塔精餾與四塔精餾 (即三塔加回收塔 )。在甲醇精餾流程的選擇上，往往以規模的大小來確定裝置。通常年產 4 萬噸以下 ( 包括 4 萬噸 ) 的甲醇裝置選擇單塔流程，年產 4 萬噸以上的采用三塔四塔流程。本設計甲醇的年生產能力是 3萬噸 ，選用了單塔流程 。下面比較其他流程對選擇單塔流程的原因做進一步闡述。 首先，雙塔精餾流程簡單、操作方便和運行穩定，產量大。但從國內雙塔常壓精餾現狀來看，能耗較高，以及精甲醇中乙醇 含量較高，是兩個比較突出的問題。不少工廠每蒸餾 1 噸精甲醇要耗能 105 kJ，即消耗兩噸以上的蒸汽，因此降低能耗是十分必要的。 其次，三塔精餾與雙塔精餾在流程上的區別在于三塔精餾采用了兩個主精餾塔，較雙塔流程多 1 個加壓塔。這樣，在同等的生產條件下，降低了主精餾塔的負荷，并且常壓塔利用加壓塔塔頂的蒸汽冷凝熱作為加熱源，所以，三塔精餾既節約蒸汽，又節省冷卻水。突出的優點是能耗小，操作費用低，產量大。但是三塔流程比一塔流程復雜，投資大，操 5 作難度大。 四塔流程在三塔的基礎上加了甲醇回收塔。回收塔設有側線抽出， 主要抽出物為高沸點醇類，以保證回收塔塔頂精甲醇質量和塔底廢水中總醇含量要求，塔底廢水送生化處理。四 塔精餾和三塔精餾一樣節約蒸汽，節省冷卻水。但是缺點也是流程更復雜，成本高，操作難度大。 最后，單塔流程適合與產量小， 純度要求不太高的上游生產流程 的甲醇精餾設計，其優點是節約投資，而且減少了熱能的損耗。 流程簡單、操作方便、運行穩定。 綜上，本設計選擇單塔流程。 單塔工藝流程的描述 本設計是對進行過預處理除去廢甲醇中的固體顆粒之后的精餾工段。下圖是單塔精餾的工藝流程圖。 圖 甲醇 精餾工藝的單塔流程 單塔精餾工藝流程圖，本設計精餾工段為分離甲醇－水混合物。單塔流程 為廢甲醇產品經過一個塔就可以采出產品。廢甲醇不斷地以連續式從塔中部加料口送入精餾塔內，餾出液和殘液不斷地排出，加料板下部為提餾段，上部為精餾段，底部的釜稱為蒸餾釜。原 6 料液不斷地由泵經預熱器 E0101 預熱至指定的溫度而于提餾段的最上層塔板（加料板），加入塔內。進料在此處與精餾段的回流匯合，再逐層下流而入蒸餾釜中。在逐層下降的同時，液體和上升蒸汽互相作用，從液體中分離出易揮發組分，因而下流至塔底的液體幾乎全為難揮發的組分。塔底液 體的一部分稱為殘液，不斷地被引出，入貯槽 V0102，剩余部分則送入蒸餾釜內間接蒸汽被加熱氣化。蒸汽自塔底上升，依次經過所有的塔板，使蒸汽中易揮發組分逐漸增濃，而后進入冷凝器 E0103 中。一部分蒸汽在此冷凝所得液體送回塔頂做為回流，其余部分蒸汽則進入冷凝冷卻器 E0105，在此將蒸汽全部冷凝并將餾出液冷卻，餾出液經觀測罩流入貯槽 V0103。有時也可使從塔頂逸出的蒸汽在冷凝器內全部冷凝，再將所得餾出液分為兩部分：一部分作為回流送回塔頂，另一部分則送入冷卻器加以冷卻。 塔設備的選擇 精餾設備所用的設備及其附屬 裝置，總稱為精餾裝置，其核心為精餾塔。常用的精餾塔有板式塔和填料塔兩類，通稱塔設備，和其他傳質過程一樣，精餾塔對塔設備的要求大致有：生產能力大，效率高，流體阻力小，有一定的操作彈性，結構簡單，造價低，安裝檢修方便。能滿足某些工藝的特性：腐蝕性，熱敏性，起泡性等。常用板式塔類型有很多，如：篩板塔、泡罩塔、舌型塔、浮閥塔等。篩孔塔板是在泡罩塔板的基礎上發展起來的，它吸收了泡罩塔板的優點。 板式塔在工業上最早使用的是泡罩塔 (1813 年 )、篩板塔 (1832年 )，其后，特別是在本世紀五十年代以后，隨著石油、化學工業生產 的迅速發展，相繼出現了大批新型塔板，如 S 型板、浮閥塔板、多降液管篩板、舌形塔板等。目前從國內外實際使用情況看，主要的塔板類型為浮閥塔、篩板塔及泡罩塔，而前兩者使用尤為廣泛。 篩板塔也是傳質過程常用的塔設備，它的主要優點有： ⑴ 結構比浮閥塔更簡單，易于加工，造價約為泡罩塔的 60％，為浮閥塔的 80％左右。 ⑵ 處理能力大，比同塔徑的泡罩塔可增加 10～ 15％。 ⑶ 塔板效率高，比泡罩塔高 15％左右。 ⑷ 壓降較低，每板壓力比泡罩塔約低 30％左右。 篩板塔的缺點是： ⑴ 塔板安裝的水平度要求較高，否則氣液接觸不勻。 ⑵ 操作彈性較小 (約 2～ 3)。 ⑶ 小孔篩板容易堵塞。 近些年來采用大孔徑的篩板可以避免堵塞，而且由于氣速提高，生產能力大大增加。本設計采用篩板塔。 7 第二章 精餾塔物料衡算及熱量衡算 前面對甲醇以及單塔流程做了詳細的介紹，本設計用的原料為廢甲醇，是在抗生素類藥物生產過程中，需用甲醇溶媒洗滌晶體，洗滌過后產生的廢甲醇，其組成為含甲醇 46%、水 54%（質量分數），含有少量的藥物固體顆粒，下面對經過預處理除去藥物固體顆粒之后的廢甲醇精餾 過程進行物料及熱量衡算。 精餾塔的物料衡算 原料液及塔頂和塔底的摩爾分率 甲醇的摩爾質量 AM =水的摩爾質量 BM = 3 2 ???Fx ???Dx ???Wx 原料液及塔頂和塔底產品的平均摩爾質量 FM =?+() ?= DM =?+() ?= WM =?+() ?= 物料衡算 原料處理量 hk m o lF /8 4 .6 0 0 103 7 ??? ?? 總物料衡算 F=D+W 甲醇物料衡算 WD 8 4 . 6 9 ??? 聯立解得 D= W= 質量衡算 ∵ ＝ D＋ W ＝ ＋ 8 解得 ： D＝