年产8万吨甲醇装置的AspenPlus模拟及工艺设计全解.doc

年产8 万吨甲醇装置的Aspen Plus 模拟及工艺设计 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）专题部分： 甲醇合成反应器 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 万吨甲醇装置的 Aspen 模拟及工艺设计。本设计依据锦西天燃气有限责任公司甲醇生产工段的工艺过程，在实际生产理论的基础上，制定合理可行的设计方案。 本文主要阐述了甲醇在国民经济中的地位和作用、工业生产方法、生产原理、工艺流程。采用 Aspen 对主要设备如：混合器、反应器、闪蒸塔、换热器、精馏塔等进行物料衡算，对甲醇反应器，进料-产品第一换热器，冷却器等六个设备进行热量衡算，并对甲醇反应器和换热器进行设备计算。并使用CAD 绘制相应的工艺流程图。最后对此工艺过程的安全及环保问题做了简要说明。 关键词：甲醇；Aspen 模拟；工艺设计；反应器；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 甲醇在国民经济中的地位和作用 . 1 1.2 甲醇在国内外的发展动向 . 1 1.2.1 生产技术 . 1 1.2.2 技术发展动向 . 1 1.3 甲醇的市场需求状况 . 2 2 工艺概述 . 3 2.1 甲醇的性质 . 3 2.1.1 甲醇的物理性质 . 3 2.1.2 甲醇的化学性质 . 3 2.2 生产方法的评述及选择 . 3 2.2.1 高压法 . 3 2.2.2 低压法 . 4 2.2.3 中压法 . 4 2.3 合成甲醇催化剂的种类及性能 . 4 2.3.1 几种国外催化剂种类及性能 . 4 2.3.2 几种国内催化剂的性状 . 5 2.4 甲醇的生产原理. 6 2.4.1 合成反应原理 . 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 设计依据 . 8 3.3 Aspen 模拟循环系统的物料衡算 . 8 3.3.1 进料组分的摩尔百分数 . 8 3.3.2 Aspen 模拟工艺流程图的设备一览表 . 9 表3.3 合成甲醇装置的Aspen 的模拟设备统计表 . 9 3.3.3 Aspen 模拟工艺流程的数据衡算表 . 11 4 设备计算 . 20 4.1 反应器R301 . 20 4.1.1 反应器设计依据 . 20 4.1.2 反应器的计算依据 . 20 4.1.3 反应器R301 . 22 4.1.4 反应器的设计Aspen 模拟流程图 . 22 4.1.5 反应器的设计和灵敏度分析 . 23 4.2 换热器的设计 . 28 iv 4.2.1 换热器设计概述 . 28 4.2.2 管壳式换热器的简介 . 29 4.2.3 换热器E302 . 30 4.3 精馏塔塔T401 . 34 4.3.1 精馏塔的设计依据 . 34 4.3.2 精馏塔的设计的Aspen 的模拟流程图 . 35 4.3.3 精馏塔T401 的设计和灵敏度的分析 . 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 安全问题的设计. 48 5.3 三废处理 . 48 5.4 厂址的选择 . 49 致谢 . 51 参考文献 . 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 甲醇在国民经济中的地位和作用 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、易挥发的有度液体，常温下对金属无腐蚀性（铅、铝除外），略有酒精气味。 甲醇是多种有机产品的基本原料和重要溶剂，是基础的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、硫酸二甲酯等多种有机产品。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。甲醇和氨反应可以制造一甲胺。在国民经济发展中具有重要的地位和作用。 1.2 甲醇在国内外的发展动向 1.2.1 生产技术 1661 年，德国的Robert Boyle 发现焦木酸中含有一种“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，并测定了甲醇的相对分子质量。1857 年，Berthelot 用氯甲烷在碱性溶液中水解首次通过化学方法合成了甲醇。 甲醇的大规模工业化生产是从 20 世纪 20 年代高压法合成甲醇的工业实现开始的。1913 年，德国BASF 公司在其高压合成氨的实验装置上进行了CO 和H2 合成含氧化合物的研究，并于1923 年在德国Leuna 建成了世界上第一座年产3000 t 合成甲醇的生产装置，并成功投产。1927 年，美国Commerical Solvent 公司建成了世界第一座利用CO2 和H2 合成甲醇的工业装置，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能够降低合成压力的工业生产方法。英国ICI 公司和德国Lurgi 公司分别成功的研制出中低压甲醇合成催化剂，降低了反应压力，促进了甲醇生产的高速发展。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 的CO 和H2 合成甲醇的生产 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 的中压甲醇合成工艺。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 甲醇的低压生产装置，该法称为Lurgi 低压法。与此同时，世界其他化学公司也竞相开发自己的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的合成技术。 甲醇的制备是一个多相反应过程，还发生生成烃、高碳醇、醚、醛、酯及单质碳等一系列副反应。我国甲醇生产主要是以煤炭为原料，生产的主要方法是合成法。较早的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、产品质量差等缺点，现已逐步被淘汰。目前大都采用（中）低压工艺来合成甲醇。 1.3 甲醇的市场需求状况 我国甲醇生产已有40 年的历史，目前已形成390 万t/a 的生产能力，生产企业有 200 多家。2002 年我国甲醇产量达到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，企业效益差。万吨级以上的厂家只有几十家，十万吨级以上规模的就更少。 随着国内甲醇消费市场走强，生产能力、产量、表观消费量大幅增加，进口量也逐年提高，各企业看好甲醇市场，纷纷准备新建或扩建甲醇项目。其中较大的有海南 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，若这些装置全部按计划投产，届时我国甲醇生产能力将达到 500 万 t/a，由于中小装置及能耗高、效益差的装置不断关闭，预计实际有效产能约为 400 万 t/a。现已有多家以煤或天然气为原料的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 甲醇的性质 2.1.1 甲醇的物理性质 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、卤代烃和许多其他有机溶剂相混溶，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 甲醇的化学性质 甲醇含有一个甲基与一个羟基，是最简单的饱和脂肪醇，具有脂肪醇的化学性质，即可进行氧化、酯化、羰基化、胺化、脱水等反应。甲醇可以与一系列物质反应，所以甲醇在工业上有着十分广泛的应用。甲醇裂解产生CO 和H2，是制备CO 和H2 的重要化学方法。 甲醇在电解银催化剂上可被空气氧化成甲醛，是重要的工业制备甲醛的方法。甲醇可与多无机酸和有机酸发生脂化反应。甲醇和光气发生羰基化反应生成氯甲酸甲酯。在压力520 MPa，温度370420 下，以活性氧化铝或分子筛作催化剂，甲醇和胺发生反应生成一甲胺、二甲胺和三甲胺的混合物，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 生产方法的评述及选择 用天然气制甲醇高压法、中压法、低压法三种方法。 2.2.1 高压法 高压工艺流程一般指的是使用锌铬催化剂,在 300400,30MPa 高温高压下合成甲醇的过程。自从 1923 年第一次用这种方法合成甲醇成功后,差不多有 50 年的时间,世界上合成甲醇生产都沿用这种方法,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 塔内移热的方法有冷管型连续换热式和冷激型多段换热式两大类,反应气体流动的方式有轴向和径向或者二者兼有的混合型式,有副产蒸汽和不副产蒸汽的流程等.近几年来,我国开发了 25-27MPa 压力下在铜基催化剂上合成甲醇的技术,出口气体中甲醇含量4左右,反应温度230-290。 2.2.2 低压法 ICl 低压甲醇法为英国ICl 公司在1966 年研究成功的甲醇生产方法.从而打破了甲醇合成的高压法的垄断，这是甲醇生产工艺上的一次重大变革，它采用 51-1 型铜基催化剂,合成压力 5Mpa。ICl 法所用的合成塔为热壁多段冷激式，结构简单，每段催化剂层上部装有菱形冷激气分配器，使冷激气均匀地进入催化剂层，用以调节塔内温度.低压法合成塔的型式还有联邦德国 Lurgi 公司的管束型副产蒸汽合成塔及美国电动研究所的三相甲醇合成系统。70 年代，我国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 公司的低压甲醇合成装置 2.2.3 中压法 中压法是在低压法研究基础上进一步发展起来的,由于低压法操作压力低,导致设备体积相当庞大,不利于甲醇生产的大型化.因此发展了压力为 10MPa 左右的甲醇合成中压法.它能更有效地降低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,其化学组成和活性与低压合成催化剂51-1型差不多,只是催化剂的晶体结构不相同,制造成本比51-1型高贵.由于这种催化剂在较高压力下也能维持较长的寿命,从而使 ICI 公司有可能将原有的 5MPa 的合成压力提高到 l0MPa,所用合成塔与低压法相同也是四段冷激式，其流程,其流程和设备与低压法类似. 2.3 合成甲醇催化剂的种类及性能 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 该催化剂的化学组成为 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，因此要求合成气中不含硫化物（小于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。催化剂的空时甲醇产率为 0.30.4t/(m3h), 寿命在两年以上，一般可达到4 年。 2Tops eMK-101 型甲醇合成催化剂 该催化剂具有高活性，高选择性，高稳定性的特点，进口温度为220，经两年操作，活性保持稳定。引起催化剂选择性恶化的条件为高温，高压，高 CO/H2 比，高CO/CO2 比，低空速。该催化剂具有活性高，选择性高（副产物低），强度高，允许合成器组成范围宽，稳定性好，活性下降缓慢，低温活性好，达到同样空时产量的操作温度比一般催化剂低等特点。要求操作压力为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的甲醇合成催化剂，催化剂特点：活性高，在230条件时具有高活性，时空收率大于2.3Nm3/(m3h)；使用寿命长（4 年以上）；副反应小，粗甲醇中杂质少；抗侧压强度高，不易粉碎；还原后收缩率低小于 3%；抗毒能力强。催化剂效果：单程转化率高；循环比小（小于2）；出口甲醇浓度高，12%14%（V）；甲醇产率高；碳转化率高（大于99%）；能源与原料消耗低；催化剂用量少，为传统的50%。 2.3.2 几种国内催化剂的性状 1C207 型铜基催化剂 该催化剂主要用于1013Mpa 下的联醇生产，也可以用于2530Mpa 下的甲醇合成。该催化剂为铜、锌、铝的氧化物，易吸潮及吸收空气中的硫化物，应密封贮存。其使用温度范围235315，最佳使用温度范围为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,使用温度范围为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 甲醇的生产原理 2.4.1 合成反应原理 甲醇合成是在5.0MPa 压力下，在催化剂的作用下，气体中的一氧化碳、二氧化碳与氢反应生成甲醇，基本反应式为： 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 以铜为主体的铜基催化剂，对于甲醇合成具有极高的选择性，而且在不太高的压力及温度下，要求合成气的净化要彻底，否则其活性将很快丧失，它的耐热性也较差，要求维持催化剂在最佳的稳定的温度下操作。 铜基催化剂一般可在 210-280下操作，视催化剂的型号及反应器型式不同，其最佳操作温度范围与略有不同。管壳式反应器的最佳操作温度在 230-260之间。在铜基催化剂上合成甲醇，合适的操作压力是 5.010.0MPa，对于合成气中二氧化碳较高的情况，压力的提高对提高反应速度有比较明显的效果。合成气的成份对甲醇合成反应的影响较大，由前述反应式可见，要降低能耗，应采用适量的二氧化碳浓度的合成气，若合成气中二氧化碳含量过高，会加重精馏工序的负担并增加了能耗，但二氧化碳含量太低，会导致催化剂活性和转化率过低。 理论的合成新鲜气成份，应满足以下比值：氢碳比f=（H2-CO2）/（CO+CO2） =2.05，实际操作中氢碳比应适当增大,大约在2.052.15 之间。空速一般控制在8000 10000h-1 左右。 甲醇合成是强烈的放热反应，必须在反应过程中不断的将热量移走，反应才能正常进行，管壳式反应器利用管子与壳体间副产中压蒸汽来移走热量，这样，合成反应适宜的温度条件维持就几乎全依赖于副产品中压蒸汽压力操作的正常与稳定。 精甲醇的精馏过程是利用粗甲醇中各组分的挥发度不同，而且不形成共沸物。利用多次部分汽化和部分冷凝的方法，以达到完全分离各组分的目的。 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 从合成工段出来的粗甲醇物料,经过初步的分离,进入精馏工段。本设计选用的是双塔精馏工艺。 在双塔流程中,物料先以饱和液体的状态进入第一个塔,一般称为预精馏塔，塔顶分离出的主要成分为甲酸甲酯、CO、CO 2 等的轻组分,塔底组成一般为甲醇和水的混合物。随后,物料再经过第二塔,称为主精馏塔，分离产品和工艺废液。 预精馏塔的主要任务是分离从上一工段未分离完全的轻组分,降低主精馏塔的分离负荷。而主精馏塔的主要的任务就是分离甲醇和水,回收物料中的重醇(主要是乙醇)。产品甲醇的纯度在99%以上。 2.5 工艺流程描述 由外界来的2.7MPa 天然气混合物首先从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，然后经过 E301A 的加热，使原料气的温度升高到 200,压力为 5.35Mpa，后进入R301 反应器反应，这时由于选的催化剂是C301,而其的温度范围为 230到285,故这时的反应器的温度设置为230,出来的混合气体经过E301B 冷凝器使其温度降为102,压力为5.15Mpa，为了在闪蒸塔里能够更好的闪蒸，在这之前在加入冷凝器 E302 使温度降为 40,压力 5.1Mpa，冷凝后的混合气体经过闪蒸塔 V301,在压力为5Mpa 下闪蒸，这时会有一部分混合物循环，循环气经过物料10 在分离器 M202 中分离，这时分离器的回流比为 0.6165，而大部分混合物料经过物料 11 送入后续精馏部分，在进入之前，混合气体经过换热器E401 的换热，使温度为60, 压力为 0.17Mpa，这时的混合气体就开始进入精馏部分，于是混合气体通过精馏塔 T401 这时的重组分主要是甲醇而轻组分主要是甲酸甲酯，故经过T401 主要是分离出甲酸甲酯，这时可以塔顶的压力为0.16Mpa，塔釜的压力为0.18Mpa，精馏后的混合物，轻组分则通过物料 15 而进行处理，分离的重组分则经过混合物料 16 由泵 P401 打入下一个精馏塔T402,进一步的精馏，这时的轻组分为甲醇，重组分则是水，故可以得到精制的甲醇。 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 设计依据 1设计任务：年产8 万吨甲醇装置的Aspen 模拟及工艺设计； 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 模拟循环系统的物料衡算 3.3.1 进料组分的摩尔百分数 表3.2 原料气的摩尔组成 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 模拟工艺流程图的设备一览表 表3.3 合成甲醇装置的Aspen 的模拟设备统计表 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 反应器 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 轻关键组分： 甲酸甲脂：0.99999 重关键组分： 甲醇：0.000526 压力： 塔顶：0.16Mpa 塔釜：0.18Mpa 分离方式：部分 13 T402 精馏塔 m R R ：1.8 轻关键组分： 甲醇：0.99999 重关键组分： 水：0.0005 压力： 塔顶：0.16Mpa 塔釜：0.2Mpa 分离方式：部分 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：反应气