年产8万吨甲醇装置的AspenPlus模拟及基本工艺设计.doc

年产8 万吨甲醇装置Aspen Plus 模仿及工艺设计 毕业设计（论文）内容： 1、工艺流程设计 2、物能衡算 3、设备计算 4、物料流程图 毕业设计（论文）专项某些： 甲醇合成反映器 预精馏塔 指 导 教 师： 教研室主任： 院 长： 签字 签字 签字 年 年 年 月 月 月 日 日 日 i 内容摘要 本文是对年产 8 万吨甲醇装置 Aspen 模仿及工艺设计。本设计根据锦西天燃气有限责任公司甲醇生产工段工艺过程，在实际生产理论基本上，制定合理可行设计方案。 本文重要阐述了甲醇在国民经济中地位和作用、工业生产办法、生产原理、工艺流程。采用 Aspen 对重要设备如：混合器、反映器、闪蒸塔、换热器、精馏塔等进行物料衡算，对甲醇反映器，进料-产品第一换热器，冷却器等六个设备进行热量衡算，并对甲醇反映器和换热器进行设备计算。并使用CAD 绘制相应工艺流程图。最后对此工艺过程安全及环保问题做了简要阐明。 核心词：甲醇；Aspen 模仿；工艺设计；反映器；精馏塔； ii Abstract In this paper，This is an update to 80,000 t/Aspen simulation of methanol plant and process design. This design was based on Jinxi natural gas Corporation Limited section petrochemical ethylene plant of methanol production process，in theory on the basis of actual production，develop reasonable feasible design. This article mainly on the status and role of methanol in the national economy，industrial production method，principle，technological process of production. Aspen on major equipment such as：flashing Tower，mixers，reactors，heat exchangers，distillation，such as material balance，on methanol reactor，feed-product of the first heat exchanger，cooler heat six devices such as accountancy，and device evaluation methanol reactor and heat exchangers. And using CAD drawing the flow chart.In the last，make a short illumination for the problem of security and environmentalist. Keywords：Methanol；Aspen simulation；design；reactor;rectify；iii 目录 内容摘要 . i Abstract . ii 目录 . iii 1 文献综述 . 1 1.1 甲醇在国民经济中地位和作用 . 1 1.2 甲醇在国内外发展动向 . 1 1.2.1 生产技术 . 1 1.2.2 技术发展动向 . 1 1.3 甲醇市场需求状况 . 2 2 工艺概述 . 3 2.1 甲醇性质 . 3 2.1.1 甲醇物理性质 . 3 2.1.2 甲醇化学性质 . 3 2.2 生产办法评述及选取 . 3 2.2.1 高压法 . 3 2.2.2 低压法 . 4 2.2.3 中压法 . 4 2.3 合成甲醇催化剂种类及性能 . 4 2.3.1 几种国外催化剂种类及性能 . 4 2.3.2 几种国内催化剂性状 . 5 2.4 甲醇生产原理. 6 2.4.1 合成反映原理 . 6 2.4.2 精馏工艺原理 . 7 2.5 工艺流程描述 . 7 3 物能衡算 . 8 3.1 物性数据 . 8 3.2 设计根据 . 8 3.3 Aspen 模仿循环系统物料衡算 . 8 3.3.1 进料组分摩尔百分数 . 8 3.3.2 Aspen 模仿工艺流程图设备一览表 . 9 表3.3 合成甲醇装置Aspen 模仿设备登记表 . 9 3.3.3 Aspen 模仿工艺流程数据衡算表 . 11 4 设备计算 . 20 4.1 反映器R301 . 20 4.1.1 反映器设计根据 . 20 4.1.2 反映器计算根据 . 20 4.1.3 反映器R301 . 22 4.1.4 反映器设计Aspen 模仿流程图 . 22 4.1.5 反映器设计和敏捷度分析 . 23 4.2 换热器设计 . 28 iv 4.2.1 换热器设计概述 . 28 4.2.2 管壳式换热器简介 . 29 4.2.3 换热器E302 . 30 4.3 精馏塔塔T401 . 34 4.3.1 精馏塔设计根据 . 34 4.3.2 精馏塔设计Aspen 模仿流程图 . 35 4.3.3 精馏塔T401 设计和敏捷度分析 . 35 4.3.4 精馏塔设计. 39 5 设计结论 . 48 5.1 设计结论 . 48 5.2 安全问题设计. 48 5.3 三废解决 . 48 5.4 厂址选取 . 49 道谢 . 51 参照文献 . 52 附录 . 53 沈阳化工大学学士学位论文 1 文献综述 1 1 文献综述 1.1 甲醇在国民经济中地位和作用 甲醇，又名：木精、木酒精；英文名：Methanol；分子式 CH 3 OH；分子量:32；是一种无色、易燃、易挥发有度液体，常温下对金属无腐蚀性（铅、铝除外），略有酒精气味。 甲醇是各种有机产品基本原料和重要溶剂，是基本有机化工原料和优质燃料。广泛应用有机合成、燃料、医药、涂料和国防等工业。甲醇可用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、硫酸二甲酯等各种有机产品。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。甲醇和氨反映可以制造一甲胺。在国民经济发展中具备重要地位和作用。 1.2 甲醇在国内外发展动向 1.2.1 生产技术 1661 年，德国Robert Boyle 发现焦木酸中具有一种“中性物质”，称其为木精 “Wood Alcohol”。1734 年，Damds 和P eligt 从焦木酸中分离出甲醇，并测定了甲醇相对分子质量。1857 年，Berthelot 用氯甲烷在碱性溶液中水解初次通过化学办法合成了甲醇。 甲醇大规模工业化生产是从 20 世纪 20 年代高压法合成甲醇工业实现开始。1913 年，德国BASF 公司在其高压合成氨实验装置上进行了CO 和H2 合成含氧化合物研究，并于1923 年在德国Leuna 建成了世界上第一座年产3000 t 合成甲醇生产装置，并成功投产。1927 年，美国Commerical Solvent 公司建成了世界第一座运用CO2 和H2 合成甲醇工业装置，并投入工业生产。 1.2.2 技术发展动向 高压法合成甲醇工业投资大，生产成本高。为此世界各国都在探求可以减少合成压力工业生产办法。英国ICI 公司和德国Lurgi 公司分别成功研制出中低压甲醇合成催化剂，减少了反映压力，增进了甲醇生产高速发展。1966 年，ICI 公司使用 Cu-Zn-Al 氧化物催化剂，成功实现了操作压力为5 MPa CO 和H2 合成甲醇生产 沈阳化工大学学士学位论文 1 文献综述 2 工艺，该过程称为ICI 低压法。1972 年，ICI 公又成功实现了10 MPa 中压甲醇合成工艺。1970 年，德国Lirgi 公司采用Cu-Zn-Mn 或Cu-Zn-Mn-V，Cu-Zn-Al-V 氧化物铜基催化剂，成功地建成了年产4000 t 甲醇低压生产装置，该法称为Lurgi 低压法。与此同步，世界其她化学公司也竞相开发自己中低压甲醇合成工艺，建立甲醇合成置，但ICI 和Lurgi 中低压法合成工艺是普遍采用合成技术。 甲醇制备是一种多相反映过程，还发生生成烃、高碳醇、醚、醛、酯及单质碳等一系列副反映。国内甲醇生产重要是以煤炭为原料，生产重要办法是合成法。较早甲醇合成采用高压合成工艺，由于操作压力高、动力消耗大、设备复杂、产品质量差等缺陷，现已逐渐被裁减。当前大都采用（中）低压工艺来合成甲醇。 1.3 甲醇市场需求状况 国内甲醇生产已有40 年历史，当前已形成390 万t/a 生产能力，生产公司有 200 多家。 年国内甲醇产量达到210.95 万t，表观消费量为390.0 万t,自给率为 54%。但由于单套装置能力较小、经济技术水平落后，使得产品成本高，公司效益差。万吨级以上厂家只有几十家，十万吨级以上规模就更少。 随着国内甲醇消费市场走强，生产能力、产量、表观消费量大幅增长，进口量也逐年提高，各公司看好甲醇市场，纷纷准备新建或扩建甲醇项目。其中较大有海南 60 万t/a、四川（泸天化）40 万t/a、山东30 万t/a、山西（长治）20 万t/a、陕西（韩城）20 万 t/a，内蒙（苏格里）18 万 t/a 等，若这些装置所有按筹划投产，届时国内甲醇生产能力将达到 500 万 t/a，由于中小装置及能耗高、效益差装置不断关闭，预测实际有效产能约为 400 万 t/a。现已有多家以煤或天然气为原料甲醇项目在筹建之中。 沈阳化工大学学士学位论文 2 工艺概述 3 2 工艺概述 2.1 甲醇性质 2.1.1 甲醇物理性质 甲醇，又名：木精、木酒精；英文名：Methanol；分子式CH3OH；分子量:32，相对密度0.792(20/4)，熔点-97.8，沸点64.5，燃烧热725.76KJ/mol，闪点12.22，自燃点463.89，蒸气密度1.11，蒸汽压 13.33KPa(100mmHg 21.2)，蒸气与空气混合物爆炸极限636.5 %（体积比），能与水、乙醇、乙醚、苯、酮、卤代烃和许多其她有机溶剂相混溶，但是不与石油醚混溶，遇热、明火或氧化剂易燃烧。挥发途中也会使物体油漆表面遭腐蚀。 2.1.2 甲醇化学性质 甲醇具有一种甲基与一种羟基，是最简朴饱和脂肪醇，具备脂肪醇化学性质，即可进行氧化、酯化、羰基化、胺化、脱水等反映。甲醇可以与一系列物质反映，因此甲醇在工业上有着十分广泛应用。甲醇裂解产生CO 和H2，是制备CO 和H2 重要化学办法。 甲醇在电解银催化剂上可被空气氧化成甲醛，是重要工业制备甲醛办法。甲醇可与多无机酸和有机酸发生脂化反映。甲醇和光气发生羰基化反映生成氯甲酸甲酯。在压力520 MPa，温度370420 下，以活性氧化铝或分子筛作催化剂，甲醇和胺发生反映生成一甲胺、二甲胺和三甲胺混合物，经精馏分离可得一甲胺、二甲胺和三甲胺产品。甲醇在高温和酸性催化剂如 ZSM-5， -Al2O3 作用下分子间脱水生成二甲醚等。 2.2 生产办法评述及选取 用天然气制甲醇高压法、中压法、低压法三种办法。 2.2.1 高压法 高压工艺流程普通指是使用锌铬催化剂,在 300400,30MPa 高温高压下合成甲醇过程。自从 1923 年第一次用这种办法合成甲醇成功后,差不多有 50 年时间,世界上合成甲醇生产都沿用这种办法,仅在设计上有某些细节不同,例如甲醇合成 沈阳化工大学学士学位论文 2 工艺概述 4 塔内移热办法有冷管型持续换热式和冷激型多段换热式两大类,反映气体流动方式有轴向和径向或者两者兼有混合型式,有副产蒸汽和不副产蒸汽流程等.近几年来,国内开发了 25-27MPa 压力下在铜基催化剂上合成甲醇技术,出口气体中甲醇含量4左右,反映温度230-290。 2.2.2 低压法 ICl 低压甲醇法为英国ICl 公司在1966 年研究成功甲醇生产办法.从而打破了甲醇合成高压法垄断，这是甲醇生产工艺上一次重大变革，它采用 51-1 型铜基催化剂,合成压力 5Mpa。ICl 法所用合成塔为热壁多段冷激式，构造简朴，每段催化剂层上部装有菱形冷激气分派器，使冷激气均匀地进入催化剂层，用以调节塔内温度.低压法合成塔型式尚有联邦德国 Lurgi 公司管束型副产蒸汽合成塔及美国电动研究所三相甲醇合成系统。70 年代，国内轻工部四川维尼纶厂从法国 Speichim 公司引进了一套以乙炔尾气为原料日产300 吨低压甲醇装置(英国ICI 专利技术)。80 年代齐鲁石化公司第二化肥厂引进了联邦德国Lurge 公司低压甲醇合成装置 2.2.3 中压法 中压法是在低压法研究基本上进一步发展起来,由于低压法操作压力低,导致设备体积相称庞大,不利于甲醇生产大型化.因而发展了压力为 10MPa 左右甲醇合成中压法.它能更有效地减少建厂费用和甲醇生产成本.例如 ICI 公司研究成功了 51-2 型铜基催化剂,其化学构成和活性与低压合成催化剂51-1型差不多,只是催化剂晶体构造不相似,制导致本比51-1型高贵.由于这种催化剂在较高压力下也能维持较长寿命,从而使 ICI 公司有也许将原有 5MPa 合成压力提高到 l0MPa,所用合成塔与低压法相似也是四段冷激式，其流程,其流程和设备与低压法类似. 2.3 合成甲醇催化剂种类及性能 2.3.1 几种国外催化剂种类及性能 1I.C.I.51-1 型甲醇合成催化剂 该催化剂化学构成为 CuO 60%，ZnO 30%,Al2O3 10%.形状及颗粒为 5.406 3.6mm圆柱形颗粒，堆密度为1.31.3kg/L；操作温度210270，操作压力可低于 6.2Mpa。由于该催化剂毒物敏感，因而规定合成气中不含硫化物（不大于0.06ml/mm3），沈阳化工大学学士学位论文 2 工艺概述 5 氯化物，重金属（铁锈），碱金属及砷。催化剂空时甲醇产率为 0.30.4t/(m3h)，寿命在两年以上，普通可达到4 年。 2Tops eMK-101 型甲醇合成催化剂 该催化剂具备高活性，高选取性，高稳定性特点，进口温度为220，经两年操作，活性保持稳定。引起催化剂选取性恶化条件为高温，高压，高 CO/H2 比，高CO/CO2 比，低空速。该催化剂具备活性高，选取性高（副产物低），强度高，容许合成器构成范畴宽，稳定性好，活性下降缓慢，低温活性好，达到同样空时产量操作温度比普通催化剂低等特点。规定操作压力为5150Mpa，温度200300。 3德国南方化学集团G79-7GL 甲醇合成催化剂 该催化剂是与齐鲁公司大型甲醇装置配套甲醇合成催化剂，催化剂特点：活性高，在230条件时具备高活性，时空收率不不大于2.3Nm3/(m3h)；使用寿命长（4 年以上）；副反映小，粗甲醇中杂质少；抗侧压强度高，不易粉碎；还原后收缩率低不大于 3%；抗毒能力强。催化剂效果：单程转化率高；循环比小（不大于2）；出口甲醇浓度高，12%14%（V）；甲醇产率高；碳转化率高（不不大于99%）；能源与原料消耗低；催化剂用量少，为老式50%。 2.3.2 几种国内催化剂性状 1C207 型铜基催化剂 该催化剂重要用于1013Mpa 下联醇生产，也可以用于2530Mpa 下甲醇合成。该催化剂为铜、锌、铝氧化物，易吸潮及吸取空气中硫化物，应密封贮存。其使用温度范畴235315，最佳使用温度范畴为240270。 2C301 型铜基催化剂 该催化剂外观为黑色光泽圆柱体，粒径为 5mm065mm，颗粒密度 3.63g/ml,使用温度范畴为230285。 表2.1 C301 催化剂参数性能表 温度/ 压 力 /Mpa 型状 规 格 直径/m 规 格 高/m 颗 粒 当量 直 径 /m 颗 粒 密度/kg/m 3 孔隙率 堆 积 密度/kg/m 3 空速/h 230-285 5 圆柱体 0.005 0.005 0.003062 3630 0.5 1650 10000 3C303 型铜基催化剂 沈阳化工大学学士学位论文 2 工艺概述 6 该催化剂是Cu-Zn-Cr 型低温甲醇催化剂。外观为棕黑色圆柱状 4.5mm064.5mm 颗粒，颗粒密度为2.0-2.2kg/L。 本设计采用国产C301 型铜基催化剂。 2.4 甲醇生产原理 2.4.1 合成反映原理 甲醇合成是在5.0MPa 压力下，在催化剂作用下，气体中一氧化碳、二氧化碳与氢反映生成甲醇，基本反映式为： 2 4 2 2 2 4 2 2 2 6 2 2 4 2 2 2 3 4 2 2 O H C H CO O H O CH H CO O H O H C H CO O CH H CO 以铜为主体铜基催化剂，对于甲醇合成具备极高选取性，并且在不太高压力及温度下，规定合成气净化要彻底，否则其活性将不久丧失，它耐热性也较差，规定维持催化剂在最佳稳定温度下操作。 铜基催化剂普通可在 210-280下操作，视催化剂型号及反映器型式不同，其最佳操作温度范畴与略有不同。管壳式反映器最佳操作温度在 230-260之间。在铜基催化剂上合成甲醇，适当操作压力是 5.010.0MPa，对于合成气中二氧化碳较高状况，压力提高对提高反映速度有比较明显效果。合成气成分对甲醇合成反映影响较大，由前述反映式可见，要减少能耗，应采用适量二氧化碳浓度合成气，若合成气中二氧化碳含量过高，会加重精馏工序承担并增长了能耗，但二氧化碳含量太低，会导致催化剂活性和转化率过低。 理论合成新鲜气成分，应满足如下比值：氢碳比f=（H2-CO2）/（CO+CO2） =2.05，实际操作中氢碳比应恰当增大,大概在2.052.15 之间。空速普通控制在8000 10000h-1 左右。 甲醇合成是强烈放热反映，必要在反映过程中不断将热量移走，反映才干正常进行，管壳式反映器运用管子与壳体间副产中压蒸汽来移走热量，这样，合成反映适当温度条件维持就几乎全依赖于副产品中压蒸汽压力操作正常与稳定。 精甲醇精馏过程是运用粗甲醇中各组分挥发度不同，并且不形成共沸物。运用多次某些汽化和某些冷凝办法，以达到完全分离各组分目。 沈阳化工大学学士学位论文 2 工艺概述 7 2.4.2 精馏工艺原理 从合成工段出来粗甲醇物料,通过初步分离,进入精馏工段。本设计选用是双塔精馏工艺。 在双塔流程中,物料先以饱和液体状态进入第一种塔,普通称为预精馏塔，塔顶分离出重要成分为甲酸甲酯、CO、CO 2 等轻组分,塔底构成普通为甲醇和水混合物。随后,物料再通过第二塔,称为主精馏塔，分离产品和工艺废液。 预精馏塔重要任务是分离从上一工段未分离完全轻组分,减少主精馏塔分离负荷。而主精馏塔重要任务就是分离甲醇和水,回收物料中重醇(重要是乙醇)。产品甲醇纯度在99%以上。 2.5 工艺流程描述 由外界来2.7MPa 天然气混合物一方面从1 进入天然气压缩机C201A，在加压到 3.5Mpa,然后与循环气26 混合进入M201 混合器，再一次进入天然气压缩机C201B，加压至 5.4MPa，然后通过 E301A 加热，使原料气温度升高到 200,压力为 5.35Mpa，后进入R301 反映器反映，这时由于选催化剂是C301,而其温度范畴为 230到285,故这时反映器温度设立为230,出来混合气体通过E301B 冷凝器使其温度降为102,压力为5.15Mpa，为了在闪蒸塔里可以更好闪蒸，在这之前在加入冷凝器 E302 使温度降为 40,压力 5.1Mpa，冷凝后混合气体通过闪蒸塔 V301,在压力为5Mpa 下闪蒸，这时会有一某些混合物循环，循环气通过物料10 在分离器 M202 中分离，这时分离器回流比为 0.6165，而大某些混合物料通过物料 11 送入后续精馏某些，在进入之前，混合气体通过换热器E401 换热，使温度为60，压力为 0.17Mpa，这时混合气体就开始进入精馏某些，于是混合气体通过精馏塔 T401 这时重组分重要是甲醇而轻组分重要是甲酸甲酯，故通过T401 重要是分离出甲酸甲酯，这时可以塔顶压力为0.16Mpa，塔釜压力为0.18Mpa，精馏后混合物，轻组分则通过物料 15 而进行解决，分离重组分则通过混合物料 16 由泵 P401 打入下一种精馏塔T402,进一步精馏，这时轻组分为甲醇，重组分则是水，故可以得到精制甲醇。 沈阳化工大学学士学位论文 3 物能横算 8 3 物能衡算 3.1 物性数据 表3.1 物性数据表 序 号 组分 分子式 分子量 常压 沸点 1 氮气 N 2 28.0134 -195.8 2 氩气 Ar 39.9480 -185.87 3 氧气 O 2 31.9988 -182.98 4 甲烷 CH 4 16.0423 -162.15 5 乙烯 C 2 H 4 28.0530 -103.71 6 乙烷 C 2 H 6 30.0688 -88.6 7 二氧碳 CO 2 44.0095 -78.45 8 环氧烷 C 2 H 4 O 44.0524 10.4 9 乙醛 CH 3 CHO 44.0524 20.4 10 水 H 2 O 18.0152 100 11 乙二醇 C 2 H 6 O 2 62.0676 197.3 3.2 设计根据 1设计任务：年产8 万吨甲醇装置Aspen 模仿及工艺设计； 2年工作时间：300 天； 3CO 单程转化率：34.8% CO 2 单程转化率：12.09%。 3.3 Aspen 模仿循环系统物料衡算 3.3.1 进料组分摩尔百分数 表3.2 原料气摩尔构成 组分 CO CO2 H2 CH4 N2 Ar H2O CH4O C2H4O2 C2H6O 摩尔百分数 0.1659 0.0924 0.6923 0.0396 0.0063 0.0002 0.0033 沈阳化工大学学士学位论文 3 物能横算 9 3.3.2 Aspen 模仿工艺流程图设备一览表 表3.3 合成甲醇装置Aspen 模仿设备登记表 序号 设备代号 设备 参数 1 C201A 压缩机 型号：等熵 压力：3.5MPa 2 C201B 压缩机 型号：等熵 压力：5.4MPa 3 E301A 换热器 温度：200 压力：5.35MPa 4 E301B 换热器 温度：102 压力：5.15MPa 5 R301 反映器 温度：230 压力：5.15MPa 6 E302 换热器 温度：40 压力：5.1MPa 7 V301 闪蒸塔 压力：5MPa 8 V302 闪蒸塔 温度：40 压力：0.5MPa 9 B1 混合器 温度：0 压力：0MPa 10 B2 分离器 回流比：0.08 11 E401 换热器 温度：60 压力：0.17MPa 12 T401 精馏塔 m R R ：1.8 轻核心组分： 甲酸甲脂：0.99999 重核心组分： 甲醇：0.000526 压力： 塔顶：0.16Mpa 塔釜：0.18Mpa 分离方式：某些 13 T402 精馏塔 m R R ：1.8 轻核心组分： 甲醇：0.99999 重核心组分： 水：0.0005 压力： 塔顶：0.16Mpa 塔釜：0.2Mpa 分离方式：某些 14 P404 泵 压力：0.27Mpa 沈阳化工大学学士学位论文 3 物能横算 10 C210A 1 2 C210B 3 M201 4 R301 5 7 E302 8 9 11 V302 E401 V301 10 13 14 T401 P404 15 16 T402 17 18 19 M202 25 26 12 E301 图31 天然气合成甲醇工艺流程图 C201A：原料气压缩机；M201：混合器；C201B：反映气压缩机；E301A：反映气加热器；R301：甲醇合成器；E301B：气体冷却器；E302：二次冷却器；V301：粗产品分离器；M202：放空阀；V302：CO 2 分离器；E401：换热器；T401：轻组分分离塔；T402：粗甲醇精馏塔 沈阳化工大学学士学位论文 3 物能横算 11 3.3.3 Aspen 模仿工艺流程数据衡算表 表3.4 进料工段物料衡算表 项目 物流号 1 2 3 4 组分 新鲜原料 原料压缩气 混合气 预