1. 研究目的与意义（文献综述）

甲醇（英文名Methanol）是最简单饱和一元醇，化学式CH₃OH，又称“木醇”或“木精”，约有90％用于化工生产行业，作为原料生产甲醛、甲基叔丁基醚、醋酸、甲酸甲酯、氯甲烷、甲胺、二甲醛等化学产品，其余的10％作为能源用于工业生产和人们的生活。在化工生产中，甲醇是仅排在乙烯、丙烯和苯后边的第四大基础原料。我国以甲醇为原料的一次加工产品有近30种，而甲醇的深加工产品目前已有120多种。根据2015年甲醇市场报告，截止至2014年底世界甲醇的总生产能力超过1.2亿吨/年。2014年我国甲醇产能持续增加，新投产接近千万吨/年，总产能已达近7000万吨/年，占比超过全球的一半。IHS发布的市场研究报告称，今后10年全球甲醇需求开始明显增长，将从2013年的6070万吨增至2023年的至少1.09亿吨，年均增速6%。HIS指出，中国和美国分别是拉动全球甲醇需求量和产量快速增长的主要引擎，欧洲是全球甲醇生产技术进步的主要动力。IHS称，中国是甲醇需求最大的国家，对每种甲醇衍生物都有需求。IHS预测，中国甲醇需求将增加1倍以上，由2013年的3000万吨增至023年的6750万吨。甲醇的市场竞争很激烈，近年来甲醇生产技术发展很快，甲醇的后加工产品，如羰基法合成醋酸，其主要原料为甲醇和一氧化碳，该工艺要求甲醇中的乙醇含量小于100×10^-6，乙醇含量愈低愈好，以免乙醇与CO合成丙酸而影响醋酸质量。由此可见，如何进一步提高甲醇产品的质量和进一步节能降耗成为越来越重要的课题，越发引起人们关注。

甲醇在常温常压下是无色澄清的有微乙醇味的液体，易挥发，易流动，燃烧时无烟，有蓝色火焰。甲醇能与多种化合物形成共沸混合物，与水、乙醇、乙醚、苯、酮类和其他多种有机溶剂混溶。甲醇的溶解性能优于乙醇，且能溶解多种无机盐类，如碘化钠、氯化钙、硝酸铵、硫酸铜、硝酸银、氯化铵和氯化钠等。甲醇的相对密度为0.7915，熔点-97.8℃，沸点64.7℃，折光率为1.3292，闪点(闭杯)12℃。甲醇蒸气能与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限6.0%～36.5%(体积)。甲醇对人体有毒，一般误饮15ml即可导致眼睛失明，一般成人致死量为100～200ml。

甲醇易于吸收水蒸汽、二氧化碳和某些其他物质，因此，只有用特殊的方法才能制得完全无水的甲醇。同样，也难以从甲醇中清除有机杂质，所以产品甲醇总有有机杂质约0.01%以下。甲醇可以任意比例同多种有机化合物互溶，并与其中的一些有机化合物生成共沸混合物。迄今己发现与甲醇一起生成共沸混合物的物质有100种以上。由于有共沸混合物的生成，且共沸物沸点与甲醇的沸点相接近，将影响到蒸馏过程对有机杂质的消除。甲醇具有上述多种重要的物理化学性质，使它在许多工业部门得到广泛的用途，特别是由于能源结构的改变，和碳1化学工业的发展，甲醇的许多重要的工业用途正在研究开发中。例如甲醇可以裂解制氢，用于燃料电池，日益引人注目。甲醇通过ZSM-5分子筛催化剂转化为汽油已经工业化为固体燃料转化为液体燃料开辟了捷径。甲醇加一氧化碳加氢可以合成乙醇，甲醇还可以裂解制烯烃。这对石油化工原料的多样化，面对石油资源日渐枯竭对能源结构的改变，具有重要的意义。

由粗甲醇精制为精甲醇，主要采用精馏的方法，同时根据粗甲醇的质量，在精制过程中，还可能采用化学净化与吸附的方法，其整个精制过程工业上称为甲醇的精馏。

工业上精甲醇精馏的工艺流程，随着粗甲醇合成方法不同而有差异，其精制过程的复杂程度有较大差别，但基本方法是一致的。首先。以蒸馏的方法在蒸馏塔的顶部脱出较甲醇沸点低的轻组分，这时也可能有部分高沸点的杂志与甲醇形成共沸物，随轻组分一起脱出。然后，仍以蒸馏的方法在塔的底部或底侧脱除水和重组分，从而获得纯净甲醇组分。其次，根据精甲醇对稳定性或其他特殊指标的要求，采取必要的辅助方法。

目前工业上普遍采用的粗甲醇精馏工艺流程只要有如下几种：

1、双塔流程

高压法锌铬催化剂合成的甲醇，由于质量的改善，也早已在精馏流程中取消了脱醚塔和高锰酸钾的化学净化，只剩下双塔精馏（预精馏塔、主精馏塔），也就是目前工业上普遍采用的双塔流程。铜系催化剂中、低压法合成的粗甲醇，也普遍采用双塔流程进行粗甲醇的精制。

2、单塔流程

I.C.I.公司最初实现铜系催化剂低压合成甲醇工艺时，即采用了单塔流程精制粗甲醇。由于粗甲醇中不仅还原性杂质的含量大大减少，而且二甲醚的含量几十倍地降低，因此在取消化学净化的同时，甚至可以将预精馏及甲醇-水-重组分的分离在一台主精馏塔内同时进行，即所谓的单塔流程，就能获得一般工业上所需要的精甲醇。显然，单塔流程对节约投资和减少热能损耗都是有利的。但是如果对精甲醇的关键性质量—高锰酸钾值有严格要求时，往往用单塔流程精制的甲醇不容易达到，这时候往往认为预精馏的作用是不可能忽略的。单塔流程更适合于合成甲基燃料的分离，很容易获得燃料级甲醇。

3、制取高纯度甲醇流程

该流程采用有效的蒸馏方法，从粗甲醇中分离出水、乙醇和其他有机杂质，以得到高纯度的甲醇。该流程主要有以下优点：生产高纯度无水甲醇，同时不增加甲醇的损失量；热能的合理利用，如提高精馏塔的压力，可将塔顶气相组分的冷凝潜热用于常压塔塔釜的热源。

4、节能型工艺流程

三塔差压精馏流程概图如下：

我国目前的甲醇精馏工艺基本都采用三塔双效的差压精馏工艺，如上图所示。粗甲醇依次进入预精馏塔、加压塔和常压塔进行精馏。大部分轻组分在预精馏塔除去，加压塔和常压塔除重组分和水，且均采出产品。三塔流程和以往的的甲醇精馏流程相比主要有三大优点：

节能：该流程将原双塔流程的主精馏塔一分为二，第一塔加压操作，第二塔常压操作，由于加压塔顶部气相甲醇的液化温度约为123℃，远高于常压塔塔釜液（主要为水）的沸点温度，因此其冷凝潜热可作为常压塔再沸器热源，这一过程称为双效法。三塔双效精馏初期投资较多，但由于能耗下降，其操作费用要比双塔流程低很多。随着粗甲醇精馏规模的增大，三塔双效的节能效益也就越明显。

降低精甲醇中乙醇含量：由于第一主精馏塔进料多，采出产品占进料的近一半，故塔釜甲醇浓度很高，含水量较低，有利于乙醇的下移直至浓缩在塔釜内，避免其上升，因而加压塔塔顶的精甲醇产品中乙醇含量也甚少。但常压塔的塔釜几乎为纯水，不利于乙醇的浓缩。

2. 研究的基本内容与方案

要研究和开发一种新工艺，传统的方法是先进行实验，再经过小试、中试、工业规模生产等等逐级放大的过程，周期长，投资大。应用流程模拟软件，对工艺流程进行模拟，则很容易实现对流程的考察，可以改进工艺流程布置，优化工艺操作参数，只要选择的模型及热力学方法适当，模拟结果是相当可靠的，可以用来指导生产，或者为装置改造以及新装置的设计提供基础数据。

国内一些甲醇生产装置，甲醇精馏能耗较高、产品收率较低、甚至一些装置的甲醇产品质量较差。同时，国内甲醇产能的扩张很迅速，但是目前新项目设计还是沿袭以往设计为主、没有足够的甲醇精馏系统设计应用理论研究基础。因此，对甲醇精馏工艺作系统的研究对于甲醇精馏系统的合理设计、通过设备改造和调整工艺来降低甲醇精馏的能耗、提高甲醇产品质量和收率有突出的现实意义。

采用aspen plus流程模拟软件对对甲醇三塔精馏系统进行全流程模拟。通过调整各塔进料位置、回流比和理论板数等操作参数，对进料温度、操作压力进行模拟优化和灵敏度分析，最后将三个塔整合为一个系统，对各项参数设计规定，使得精馏出的甲醇质量符合gb338 - 2004优等品要求,并在有效降低过程能耗、提高产品稳定性。使用三塔可以达到很好的纯度，且相对双塔来说更加容易实现节能，利用高压塔的塔顶热料给常压塔塔釜供热，调整塔板数及回流比使两者热量相匹配，就可实现供给常压塔最少的热量。

3. 研究计划与安排

第3－4周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需相关资料，确定方案，完成开题报告。

第5－10周：建立流程模型，分析此网络存在的问题，确立优化目标。

第11－14周：寻找优化条件，确立优化求解方法，计算得到优化结果。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 许波. 粗甲醇的双塔精馏与三塔精馏[j].化工催化剂及甲醇技术.2002, 1: 22-24.

[2] 刘保柱, 章渊昶, 陈平等. 节能型甲醇精馏工艺研究[j].化工进展, 2007, 26(5): 739-742.

[3] 许桂忠.合成甲醇精制过程的优化[d].浙江：浙江大学，2005.