【正文】 ............................................................................39 自動(dòng)化控制原理 ....................................................................................................40 自動(dòng)化控制設(shè)計(jì) ....................................................................................................40 第六章 廠區(qū)布置設(shè)計(jì) ..................................................................................................40 第七章 結(jié)論 ....................................................................................................................41 致謝 ...................................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 Abstract ................................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。根據(jù)現(xiàn)代對(duì)甲醇精餾工藝設(shè)計(jì)的了解，甲醇三塔精餾技術(shù)以其能耗低、產(chǎn)品質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)領(lǐng)先于其他工藝。 Threetowerdistillation。 表 甲醇的部分物理性質(zhì) 甲醇的化學(xué)性質(zhì) 甲醇為最簡(jiǎn)單的飽和脂肪醇，其化學(xué)性能活潑，易燃燒。甲醇在能源方面的用途早在上世紀(jì) 90年代就得到了快速的發(fā)展，例如甲醇制備甲基叔丁基醚燃料電池 [2]、燃料甲醇 [3]等。 上世紀(jì) 80 年代以來(lái)，甲醇的非化工用途受到人們的重視，并為甲醇的用途開(kāi)辟一個(gè)新的領(lǐng)域。甲醇還可以與汽油摻混燃燒，作為汽車(chē)項(xiàng)目 數(shù)值 項(xiàng)目 數(shù)值 液體密度 kg/m3（ 20℃ ） 熔點(diǎn) /℃ 氣體密度 kg/m3（ 100℃ ） 閃點(diǎn)（閉環(huán)） ℃ 氣體粘度 sPa?? （ 100℃ ） 沸點(diǎn) ℃ 液體粘度 sPa?? （ 20℃ ） 表面張力 mN/m（ 20℃ ） 2 的燃料 [6]。預(yù)計(jì)到 2020 年達(dá)到約 7200 萬(wàn)噸。木材在較長(zhǎng)時(shí)間加熱炭化的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生可凝和不可凝揮發(fā)性物質(zhì)，被稱之為焦木酸的可凝性液體中含有甲醇、焦油和乙酸。 甲醇的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)是以 20 世紀(jì) 20 年代高壓法合成甲醇作為標(biāo)志。 高壓法甲醇生產(chǎn)裝置成功投產(chǎn)后，引起了世界各國(guó)廣泛重視，紛紛開(kāi)展甲醇實(shí)驗(yàn)室研究進(jìn)行合成和工業(yè)生產(chǎn)開(kāi)發(fā)。 高壓法合成甲醇的工業(yè)投資很大，生產(chǎn)成本太 高。到了 1982 年，世界各國(guó)所采用 ICI 中低壓法生產(chǎn)的甲醇年總量達(dá)到 1028 萬(wàn)噸，占世界甲醇總量的近 50%，裝置的規(guī)模一般為年產(chǎn) ~萬(wàn)噸；而采用 Lurgi 低壓法已經(jīng)建成以及正在建設(shè)的甲醇生產(chǎn) 裝置的總生產(chǎn)能力達(dá)到了 606萬(wàn)噸，占了世界甲醇總生產(chǎn)能力近 30%，裝置規(guī)模一般為年產(chǎn) ~81 萬(wàn)噸。目前天然氣路線大約占甲醇生產(chǎn)總能力的 80%，中東和拉丁美洲憑借其廉價(jià)且豐富的天然氣資源，成為近年來(lái)甲醇的生產(chǎn)能力增長(zhǎng)最快的地區(qū)。在未來(lái)的幾年內(nèi)，更多超大規(guī)模的甲醇生產(chǎn)裝置的集中投產(chǎn)，必將對(duì)國(guó)際甲醇生產(chǎn)和消費(fèi)市場(chǎng)產(chǎn)生重大的影響。 4 中國(guó)甲醇工業(yè)發(fā)展概況與發(fā)展前景 中國(guó)甲醇工業(yè)開(kāi)始于 20 世紀(jì) 50 年代，之前利用前蘇聯(lián)技術(shù)曾在蘭州、吉林和太原采用 ZnCr 氧化物催化劑建設(shè)高壓甲醇合成裝置。進(jìn)入了 90 年代，隨著甲醇的需要快速增長(zhǎng)，通過(guò)引進(jìn)技術(shù)和自主技術(shù)的開(kāi)發(fā)建成數(shù)十套甲醇和聯(lián)醇的生產(chǎn)裝置，這樣使我國(guó)的甲醇行業(yè)得到了前所未有的進(jìn)步。煤化工產(chǎn)品的產(chǎn)量占了化學(xué)工業(yè)（除石油和石化外）近 50%，目前合成甲醇和氨兩大種基礎(chǔ)化工產(chǎn)品的主 要原料就是煤炭。假設(shè)甲醇生產(chǎn)的戰(zhàn)略儲(chǔ)備對(duì)于調(diào)節(jié)甲醇的市場(chǎng)價(jià)格、促進(jìn)煤化工的長(zhǎng)期發(fā)展和保證我國(guó)能源的安全均有重要意義。新型的煤化工煤制甲醇、二甲醚、烯烴等在我國(guó)能源領(lǐng)域里已經(jīng)顯示出了很重要的地位，正 5 面臨著前所未有的發(fā)展機(jī)遇和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展前景。例如反應(yīng)溫度偏高，甲醇分離不好，會(huì)生成醚類(lèi)、醛類(lèi)、酮類(lèi)等羰基物；進(jìn)塔氣中水汽濃度過(guò)高，可能生成有機(jī)酸；催化劑及設(shè)備管線中帶入微量鐵，那么可能有各種烴類(lèi)生成；原料氣中脫硫不盡，會(huì)生成硫醇、甲基硫醇，使甲醇呈異臭。 甲醇精餾方法 （ 1）物理精餾方法 就是利用甲醇、水、有機(jī)物雜質(zhì)的揮發(fā)度 不同、沸點(diǎn)不同，通過(guò)精餾方法將雜質(zhì)、水、甲醇進(jìn)行分離。 （ 2）化學(xué)精餾方法 當(dāng)采用蒸餾的方法不能將雜質(zhì)降低至精甲醇所要求的指標(biāo)時(shí)，則需要用化學(xué)凈化的方法破壞掉這些雜質(zhì)。至于化學(xué)凈化方法，要取決于粗甲醇的質(zhì)量要求是否真正需要。 7 第二章 精餾工藝流程的設(shè)計(jì) 甲醇精餾工藝流程比較 銅基催化劑合成粗甲醇的單塔精餾 由于催化劑為銅基催化劑，較使用鋅鉻催化劑得到的粗甲醇產(chǎn)品中的還原性雜質(zhì)的含量大大的減少，特別是二甲醚的含量幾十倍的降低了 ，因此在取消了化學(xué)凈化步驟的同時(shí)，甚至可以將甲醇 水 重組分在一個(gè)塔內(nèi)進(jìn)行分離，這樣就可以獲得一般工業(yè)上所需要的精甲醇。第一塔為預(yù)精餾塔，第二塔為主精餾塔，兩者的再沸器的熱源都是來(lái)自循環(huán)氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)透平排出的低壓蒸汽。 主精餾塔主要除去重組分，其中包括了水、乙醇和高級(jí)醇等，同時(shí)得到符合要求的精甲醇。 銅基催化劑合成粗甲醇的三塔精餾 圖 三塔精餾工藝工藝流程圖 精餾過(guò)程對(duì)能量的消耗很大，而且對(duì)熱能的利用率也很低，所以精餾工序的節(jié)能有很多潛力可以發(fā)掘。 粗甲醇在槽內(nèi)加入堿液進(jìn)行中和后進(jìn)再 沸器加熱，然后進(jìn)入預(yù)塔，在預(yù)塔頂分離出輕組分，塔釜液由預(yù)塔的塔釜送出，經(jīng)過(guò)加壓泵送至加壓塔。 可見(jiàn)，對(duì)于三塔精餾過(guò)程，兩個(gè) 主精餾塔的塔板數(shù)總和比雙塔精餾主塔的塔板數(shù)增多了很多，自然而然分離的效率提高了很多，但能量的消耗反而降低了。精餾塔的優(yōu)劣直接影響到了生產(chǎn)裝置中產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)品的回收率、生產(chǎn)能力以及污水處理等環(huán)保問(wèn)題。在正常操作下，氣相為分散相，液相為連續(xù)相，氣相組成呈階梯變化，屬于逐級(jí)接觸逆流操作過(guò)程。根據(jù)本設(shè)計(jì)，年產(chǎn)量 28 萬(wàn)噸精甲醇，物料量比較大，應(yīng)該采用板式塔。這類(lèi)塔板雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，板面利用率也高，但是需要有較高的氣速才能夠維持板上的液層，操作范圍較小，分離效率也很低，工業(yè)上用得很少。它的每層塔板上開(kāi)著若干個(gè)小孔，孔上還焊有短管來(lái)作為上升氣體通道，稱之為升氣管?；S廣泛使用的圓形泡罩主要結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)系列化。但是目前仍有采用的工廠。正常操作的氣速下，通過(guò)篩孔上升氣流，應(yīng)該能阻止液體流經(jīng)篩孔向下泄露。由于過(guò)去對(duì)于篩板塔的性能研究并不充分，認(rèn)為操作不易穩(wěn)定，所以沒(méi)有普遍采用，直到 20 世紀(jì)的 50 年代初，對(duì)篩板塔結(jié)構(gòu)和性能作了較充分的研究，認(rèn)識(shí)到了只要設(shè)計(jì)合理和操作正確，同樣可以獲得較滿意的 塔板效率，以及可觀的操作彈性，所以近年來(lái) 篩板塔的應(yīng)用又日漸廣泛。其中 F1 型浮閥塔的閥片的本身有三條 “腿 ”，將其插入閥孔后 ，各腿底腳扳轉(zhuǎn) 90176。在操作時(shí)，由閥孔上升氣流，經(jīng)過(guò)閥片與塔板間間隙而和板上橫流的液體接觸。 F1 型浮閥又分為輕閥和重閥：重閥采用厚度是 2mm 的薄板沖制，每個(gè)閥的質(zhì)量約為 33g；輕閥采用的是厚度為 ，每個(gè)閥的質(zhì)量約為 25g。可見(jiàn) V4 型浮閥適合于減 壓系統(tǒng)。因?yàn)殚y片可以自由的升降來(lái)適應(yīng)氣量的變化，所以維持正常的操作所容許的負(fù)荷波動(dòng)范圍比泡罩塔和篩板塔都要寬。因?yàn)闅庖毫鬟^(guò)浮閥塔板時(shí)遇到的阻力比較小，所以氣體壓強(qiáng)降和板上的液面落差都比泡罩塔板小。 綜上所述，本設(shè)計(jì)粗甲醇的精餾中，三個(gè)塔均采用 F1 型重閥浮閥塔。 再沸器其作用可將塔內(nèi)最后一塊板下的原料液加熱，使液體升溫至沸點(diǎn)發(fā)生汽化為蒸汽繼續(xù)上升，提供上升氣流，保證塔板的氣液相進(jìn)行傳質(zhì)。 表 粗甲醇組成表 成分 CH3OH (CH3)2O C4H9OH H2O 合計(jì) 組成 /% 100 預(yù)精餾塔的物料衡算 （ 1） 進(jìn)料 A 粗甲醇： h/% ? B 堿液：為了防止工藝管路和設(shè)備的腐蝕，先以 8%的氫氧化鈉溶液和粗甲醇中的酸性物質(zhì)反應(yīng)，使其呈弱堿性，每噸精甲醇的耗堿量按 計(jì)算 則消耗純 氫氧化鈉： ≈換成堿液： 247。 （ 1）進(jìn)料 加壓塔：預(yù)后粗甲醇 常壓 塔： － 364604/101/＝ （ 2）出 料 A 加壓塔：塔頂 364604/101/＝ 塔釜 B 常壓塔：塔頂 364606/1099%1/＝ 釜液中：甲醇 水 kg/h NaOH 高沸物 以上 計(jì)算結(jié)果如表 。 表 預(yù)塔熱量平衡表 帶入熱量 kJ/h 帶出熱量 kJ/h 17 塔側(cè)粗甲醇入熱 塔頂二甲醚出熱 塔頂加入冷凝殘液入熱 塔頂回流甲醇蒸汽 塔頂回流液入熱 塔底預(yù)后粗甲醇 加熱蒸汽 熱損失 總?cè)霟? 總出熱 冷卻水用量計(jì)算 假設(shè)入口冷卻水的溫度為 30℃ ，出口冷卻水的溫度 40℃ ，平均比熱為 ℃ Q 入 ＝ Q 甲醇 ＋ Q 甲醇蒸汽 ＝ ＋ ＝ Q 出 ＝ Q 二甲醚 ＋ Q 回流液 ＋ Q 損失 ＝ ＋ ＋ 5% ＝ Q 傳 ＝ Q 入 － Q 出 ＝ － ＝ 又因?yàn)? Q 傳 ＝ G1 水 （ 40－ 30）＝ 所以得到 G1 水 ＝ 加壓塔的熱量衡算 設(shè)計(jì)的操 作條件為：塔頂?shù)臏囟?115℃ ，回流溫度為 115℃ ，塔底的溫度為 124℃ ，進(jìn)料的溫度為 82℃ ，取回流比 ，甲醇溫度 40℃ 。 表 加壓塔精餾出熱表 物料 精甲醇 回流液 塔底出料 熱損失 組分 甲醇 甲醇 甲醇 水＋堿 流量 kg/h 溫度 ℃ 115 115 124 124 比熱 kJ/kg℃ 汽化熱 熱量 kg/h 5%Q 入 h/ 6 8 9 3 6 0 )HC(WQ h ?????????? ）（汽甲醇甲醇精甲醇 其他 物質(zhì)的熱量亦同上公式計(jì)算。 表 常壓塔出熱表 物料 精甲醇 回流液 釜液 熱損失 成分 甲醇 甲醇 甲醇 水＋堿 流量 kg/h 溫度 ℃ 65 65 105 105 比熱 kJ/kg℃ 潛熱 kJ/kg 熱量 kJ/h 5%Q 入 k J / h ????????? ）（甲醇甲醇甲醇 C 同理可得其他物質(zhì)的熱量。 根據(jù)芬斯克公式： lg11lg ??????? ?????? ???????????????????????????????? ?? ? wddmXXXXNw 最小回流比 各組分 如表 。 表 提餾段數(shù)據(jù) 所處位置 進(jìn)料板 塔釜 質(zhì)量分?jǐn)?shù) xf＝ xl＝ yf＝ yl＝ 摩爾分?jǐn)?shù) Xf＝ Xl＝ Yf＝ Yl＝ 摩爾質(zhì)量 kg/kmol MLf＝ MLw＝ MVf＝ Mvw＝ 溫度 ℃ 70 105 液相平均摩爾質(zhì)量： M＝ k m o l/ ???? LWLf MM 液相平均溫度為： 1 0 5702 ????? Dfm ttt℃ 在平均溫度 ℃ 下查工具書(shū)得到： 3m/?水? ， 3m/?甲醇? 液相平均密度為：水甲醇 ???LmLmLmxx ??? 11 ????? lfLm xxx其中的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù) 3m/?Lm?所以 h/k m o ????? FLL提餾段的液相負(fù)荷 h/ 8 3 0 3???? Lmm MLL ? k m o l/ ????? VlVf MMM汽相平均摩爾質(zhì)量： 若氣體為理想氣體，在平均溫度 ℃ 下，平均壓力為 103kPa 下： 28 3m/)( ??? ??? RTPM水? 3m/)( ??? ??? RTPM甲醇? 水甲醇汽相平均