1、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
2、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AbstractMethanol, simple saturation of fatty alcohols, its molecular formula for CH3OH. Methanol is imp
3、ortant chemical raw materials and clean fuel, a wide range of USES, in the national economy in the production of an important position. In recent years, with the development of carbinol downstream products especially the application of methanol fuel, both at home and abroad the growing demand for me
4、thanol. So, after analysis comparing kinds of raw material, production synthesis process, this design USES the natural gas as raw material with the annual production capacity of 40000 tons methanol, to supply domestic demand. This design follow the advanced technology, the craft is mature, the econo
5、mic and reasonable, safe environmental protection principle, in the full discussion various domestic and international advanced production method, technological process and equipment based on configuration, choose to the gas material three tower distillation produce methanol process route. Design is
6、 the focus of the production process design argumentation, process calculation and design of equipment type selection. In addition, in the design of fully considering environmental protection and labor safety, to reduce emissions three wastes, strengthening of three wastes treatment, ensure the safe
7、ty in production, eliminate and reduce production factory to the workers damage. Key words: coal ;distillation;design目 录总论11 概述11.1 甲醇的性质11.2 甲醇用途21.3 甲醇在国民经济中的重要性21.4 甲醇的市场需求21.5 设计的目的和意义31.6 设计的依据31.6.1 海南大学材料与化工学院2010届毕业设计选题31.6.2 设计的基础资料31.7 设计的指导思想31.8 设计的范围装置组成及建设规模41.8.1 设计的范围41.8.2 生产和辅助车间设置
8、41.8.3 建设规模41.9 原料煤规格51.10 产品质量标准52工艺流程设计52.1 粗甲醇的精馏62.1.1 精馏原理62.1.2 精馏工艺和精馏塔的选择63工艺流程113.1 甲醇合成工艺流程113.2 甲醇精馏工艺流程123.3 氨吸收制冷流程134合成工段工艺计算144.1 合成工段物料衡算154.1.1 设计条件及参数155. 精馏工段工艺计算165.1 精馏工段物料衡算165.1.1 预精馏塔物料衡算165.1.2 加压塔物料衡算185.1.3 常压塔物料衡算215.2 精馏工段的热量衡算235.2.1 预精馏塔热量衡算235.2.2 预塔冷凝器热量衡算265.2.3 加压塔
9、热量衡算275.2.4 常压塔热量衡算296. 主要设备的计算与选型326.1 物料衡算336.1.1 原料液及其塔顶、塔底产品的摩尔分率336.1.2 原料液及其塔顶与塔底产品的平均摩尔质量336.1.3 全塔物料衡算346.2 塔板数的确定346.2.1 最小回流比的估算346.2.2实际回流比356.2.3 最少理论塔板数的计算356.2.4 理论板数356.2.5进料板位置366.2.6 苯塔的工艺条件及有关物性数据的计算376.2.7 平均摩尔质量376.3 液相和气相平均密度386.3.1 液相平均密度386.3.2 气相平均密度396.3.3 液相平均表面张力396.3.4 液相
10、平均粘度406.4 精馏塔塔体和塔板主要尺寸计算416.4.1 塔高和塔径416.4.2 塔板主要工艺尺寸的计算446.5 塔板的流体力学验算476.5.1 阻力和单板压降校验476.5.2 液面落差496.5.3 雾沫夹带校验496.5.4 漏液校验506.5.5 液泛校验506.6负荷性能图516.6.1 精馏段负荷性能图516.6.1.1漏液线（气相负荷下限线）516.6.1.2 液体流量下限线526.6.1.3 液体流量上限线526.6.1.4 雾沫夹带线536.6.1.5液泛线536.6.1.6 操作弹性556.6.2 提馏段负荷性能图556.6.2.1 漏液线（气相负荷下限线）55
11、6.6.2.2 液体流量下限线556.6.2.3 液体流量上限线556.6.2.4 雾沫夹带线566.6.2.5 液泛线566.6.2.6 操作弹性576.7 预塔冷却器工艺计算576.7.1 初选换热器576.7.2 核算压降596.7.3 核算总传热系数606.8 循环压缩机的选择616.9 精馏段设备设计616.9.1 设计条件626.9.2 精馏塔设备选择627. 车间设计647.1 厂区布置原则647.2 厂房的整体布置657.3 车间设备布置设计657.3.1车间设计要求657.3.2 合成车间657.4 精馏车间668 三废处理和生产安全668.1 三废处理668.1.1 甲醇生
12、产对环境的污染668.1.2 处理方法678.2 生产安全688.2.1 甲醇的火灾、爆炸危险性688.2.2 预防甲醇火灾、爆炸的措施698.2.3 生产过程中职业危险、危害因素的分析708.2.4 主要防范措施728.2.5 自动控制及安全联锁738.2.6 劳动保护防范措施738.2.7 中毒事故处理措施74致谢76参考文献7678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
13、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kgm3793.1临界常数蒸汽密度kgm31.43临界温度Tc240沸点64.65临界压力pcMPa7.97熔点97.8生成热kJmol1闪点气体25201.22开杯法16.0液体25238.73闭杯法12.0燃烧热kJmol1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64.7kJmol135.295表面张力mNm124.5熔融热97.1kJmol13.169黏度m
14、Pas热导率JmsK2.1103液体黏度200.5945空气中最大允许浓度gm30.05蒸汽黏度150.140空气中爆炸极限%临界体积VcmLmol1118下限6.0临界压缩系数Zc0.224上限36.51.2 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。
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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：C 67.5%；H 4.0% ；O 10.2%；N 0.65% ；S（可燃）1.73%；S（不可
20、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GB33892标准，具体指标见下表表1 甲醇GB33892项 目指标优等品一等品合格品色度（铂钴），号 510密度（200C），g/cm30.7910.7920.7910.793温度范围(0,101325Pa)，沸程（包括64.60.10C）， 64.0-65.50.81.01.5高锰酸钾试验，min 503020水溶性试验澄清水分含量，% 0.100.15酸度（以HCOOH计），% 或碱度（以NH3计），% 0.001
21、50.0030.0050.00020.00080.0015羰基化合物含量（以CH2O计），% 0.0020.0050.01蒸发残渣含量，% 0.0010.0030.0052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
22、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
23、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
24、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
25、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
26、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
27、。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5010-6,而双塔精
28、馏制取的精甲醇中乙醇含量为40010-650010-6，三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/a1052.51052.5投资100100100113122.3129操作费用1001001006466.771能耗1001001006060.461.2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
