【正文】 ............................................................................39 自動化控制原理 ....................................................................................................40 自動化控制設(shè)計 ....................................................................................................40 第六章 廠區(qū)布置設(shè)計 ..................................................................................................40 第七章 結(jié)論 ....................................................................................................................41 致謝 ...................................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 Abstract ................................................................................................ 錯誤 !未定義書簽。根據(jù)現(xiàn)代對甲醇精餾工藝設(shè)計的了解，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 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 80 年代以來，甲醇的非化工用途受到人們的重視，并為甲醇的用途開辟一個新的領(lǐng)域。甲醇還可以與汽油摻混燃燒，作為汽車項目 數(shù)值 項目 數(shù)值 液體密度 kg/m3（ 20℃ ） 熔點 /℃ 氣體密度 kg/m3（ 100℃ ） 閃點（閉環(huán)） ℃ 氣體粘度 sPa?? （ 100℃ ） 沸點 ℃ 液體粘度 sPa?? （ 20℃ ） 表面張力 mN/m（ 20℃ ） 2 的燃料 [6]。預(yù)計到 2020 年達到約 7200 萬噸。木材在較長時間加熱炭化的過程中，會產(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 20 年代高壓法合成甲醇作為標志。 高壓法甲醇生產(chǎn)裝置成功投產(chǎn)后，引起了世界各國廣泛重視，紛紛開展甲醇實驗室研究進行合成和工業(yè)生產(chǎn)開發(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，世界各國所采用 ICI 中低壓法生產(chǎn)的甲醇年總量達到 1028 萬噸，占世界甲醇總量的近 50%，裝置的規(guī)模一般為年產(chǎn) ~萬噸；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)能力達到了 606萬噸，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且豐富的天然氣資源，成為近年來甲醇的生產(chǎn)能力增長最快的地區(qū)。在未來的幾年內(nèi)，更多超大規(guī)模的甲醇生產(chǎn)裝置的集中投產(chǎn)，必將對國際甲醇生產(chǎn)和消費市場產(chǎn)生重大的影響。 4 中國甲醇工業(yè)發(fā)展概況與發(fā)展前景 中國甲醇工業(yè)開始于 20 世紀 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。進入了 90 年代，隨著甲醇的需要快速增長，通過引進技術(shù)和自主技術(shù)的開發(fā)建成數(shù)十套甲醇和聯(lián)醇的生產(chǎn)裝置，這樣使我國的甲醇行業(yè)得到了前所未有的進步。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)略儲備對于調(diào)節(jié)甲醇的市場價格、促進煤化工的長期發(fā)展和保證我國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)展機遇和長遠發(fā)展前景。例如反應(yīng)溫度偏高，甲醇分離不好，會生成醚類、醛類、酮類等羰基物；進塔氣中水汽濃度過高，可能生成有機酸；催化劑及設(shè)備管線中帶入微量鐵，那么可能有各種烴類生成；原料氣中脫硫不盡，會生成硫醇、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、有機物雜質(zhì)的揮發(fā)度 不同、沸點不同，通過精餾方法將雜質(zhì)、水、甲醇進行分離。 （ 2）化學(xué)精餾方法 當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時，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 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，甚至可以將甲醇 水 重組分在一個塔內(nèi)進行分離，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自循環(huán)氣壓縮機驅(qū)動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、乙醇和高級醇等，同時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 精餾過程對能量的消耗很大，而且對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)加入堿液進行中和后進再 沸器加熱，然后進入預(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)過加壓泵送至加壓塔。 可見，對于三塔精餾過程，兩個 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，屬于逐級接觸逆流操作過程。根據(jù)本設(shè)計，年產(chǎn)量 28 萬噸精甲醇，物料量比較大，應(yīng)該采用板式塔。這類塔板雖然結(jié)構(gòu)簡單，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。它的每層塔板上開著若干個小孔，孔上還焊有短管來作為上升氣體通道，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。由于過去對于篩板塔的性能研究并不充分，認為操作不易穩(wěn)定，所以沒有普遍采用，直到 20 世紀的 50 年代初，對篩板塔結(jié)構(gòu)和性能作了較充分的研究，認識到了只要設(shè)計合理和操作正確，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 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，由閥孔上升氣流，經(jīng)過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，每個閥的質(zhì)量約為 33g；輕閥采用的是厚度為 ，每個閥的質(zhì)量約為 25g?？梢?V4 型浮閥適合于減 壓系統(tǒng)。因為閥片可以自由的升降來適應(yīng)氣量的變化，所以維持正常的操作所容許的負荷波動范圍比泡罩塔和篩板塔都要寬。因為氣液流過浮閥塔板時遇到的阻力比較小，所以氣體壓強降和板上的液面落差都比泡罩塔板小。 綜上所述，本設(shè)計粗甲醇的精餾中，三個塔均采用 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行傳質(zhì)。 表 粗甲醇組成表 成分 CH3OH (CH3)2O C4H9OH H2O 合計 組成 /% 100 預(yù)精餾塔的物料衡算 （ 1） 進料 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 計算 則消耗純 氫氧化鈉： ≈換成堿液： 247。 （ 1）進料 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 ＝ － ＝ 又因為 Q 傳 ＝ G1 水 （ 40－ 30）＝ 所以得到 G1 水 ＝ 加壓塔的熱量衡算 設(shè)計的操 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 進料板 塔釜 質(zhì)量分數(shù) xf＝ xl＝ yf＝ yl＝ 摩爾分數(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)量分數(shù) 3m/?Lm?所以 h/k m o ????? FLL提餾段的液相負荷 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