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化学工程与工艺专业毕业设计

摘要

本设计以年产30万吨精甲醇精馏工艺为研究对象，基于焦炭半水煤气低压合成粗甲醇原料，遵循SHSG052-2024《石油化工装置工艺设计包内容规定》，采用“预精馏塔-加压塔-常压塔”三级精馏流程。通过AspenPlusV12建立稳态模拟模型，完成全流程物料衡算与能量衡算，优化确定回流比、操作压力等关键参数。设备选型采用能效等级≥2级的节能设备，结合HAZOP风险分析与SIL2级安全仪表系统，构建绿色安全的生产体系。经济性分析显示，项目总投资4.2亿元，静态投资回收期3.8年，符合化工行业投资回报标准。本设计为甲醇精馏工业化应用提供完整技术方案，可推广至同类醇类分离工艺。

关键词：甲醇精馏；工艺设计；设备选型；Aspen模拟；安全环保；经济性分析

一、引言

1.1选题背景与意义

1.1.1行业发展现状

全球甲醇产能已突破1.3亿吨/年，我国作为最大甲醇生产国，占全球产能65%以上。但传统甲醇精馏工艺存在能耗高（单吨产品能耗≥200kg标煤）、杂质分离不彻底等问题，不符合“双碳”目标下化工行业绿色转型需求。2024年石油化工行业规范明确要求，新建精馏装置需实现能耗降低15%、废水回用率≥90%的指标，因此开发高效精馏工艺具有迫切现实意义。

1.1.2研究目标与内容

研究目标：设计年产30万吨精甲醇（纯度≥99.95%）的精馏工艺，实现二甲醚去除率≥99%、异丁醇去除率≥98%，单吨能耗降至170kg标煤以下。

核心内容：

三级精馏流程设计与参数优化

全流程物料衡算与能量衡算

关键设备选型与结构设计

安全风险评估与环保方案制定

技术经济性综合分析

1.2文献综述

1.2.1甲醇精馏技术进展

国外主流采用“预塔+加压塔+常压塔”流程，如Lurgi公司开发的热集成工艺，通过加压塔塔顶蒸汽加热常压塔再沸器，节能率达20%。国内研究集中于新型塔内件应用，如天津大学开发的高效导向浮阀塔，传质效率较传统浮阀塔提升18%。

1.2.2模拟技术应用现状

AspenPlus已成为化工工艺设计核心工具，V12版本新增AI辅助参数优化功能，可缩短模拟收敛时间30%。Zhang等（2024）采用RadFrac模块模拟甲醇精馏，模拟值与工业数据偏差≤2.5%，验证了模拟方法的可靠性。

二、工艺设计基础

2.1设计依据与规范

类别

标准名称

核心要求

工艺设计

SHSG052-2024

工艺包需包含PFD、物料/能量衡算、设备表等18项内容

安全标准

GB50160-2023

危险区域划分采用ATEX标准，防爆等级不低于ExdIIBT3

环保要求

GB31571-2023

甲醇排放限值≤10mg/m3，废水COD≤50mg/L

设备标准

GB150.1-2021

压力容器设计压力需留1.1倍安全系数

2.2原料与产品规格

2.2.1原料组成

粗甲醇原料来自铜基催化合成工艺，组分含量如下表：

组分

质量分数（%）

沸点（℃，1atm）

用途

甲醇

93.45

64.7

产品主体

二甲醚

0.70

-24.9

轻组分杂质

水

5.80

100.0

重组分杂质

异丁醇

0.05

107.8

高沸物杂质

2.2.2产品指标

精甲醇需符合GB/T338-2011优等品标准：

纯度≥99.95%（质量分数）

水分≤0.03%

沸程（64.0-65.5℃）≥98%

高锰酸钾试验≥50min

2.3基础参数设定

生产规模：30万吨/年精甲醇

年操作时间：300天（7200小时）

小时精甲醇产量：41667kg/h

操作弹性：70%-120%

设计寿命：15年

三、工艺方案设计

3.1流程选择与论证

3.1.1方案对比

方案

流程组成

能耗（kg标煤/吨）

投资成本（万元）

适用场景

方案1

单塔精馏

280

8500

小规模、低纯度要求

方案2

双塔精馏（预塔+主塔）

220

15000

中等规模、纯度≥99.5%

方案3

三级精馏（预塔+加压塔+常压塔）

170

21000

大规模、高纯度要求

3.1.2最优方案确定

方案3通过热集成技术（加压塔塔顶蒸汽加热常压塔再沸器）降低能耗，且三级分离确保产品纯度达标，符合本设计大规模、高纯度的需求，故确定为最终方案。

3.2工艺流程详述

3.2.1流程框图

graphTD

A[粗甲醇储罐]--B[预热器E101]

B--C[预精馏塔T101]

C--D[塔顶冷凝器E102]

D--E[气液分离器V101]

E--