年产5万吨甲醇合成工艺设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 四川理工学院毕业设计  年产 5 万吨甲醇合成工艺设计  学     生：  学     号：  专     业：  班     级：  指导老师：  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 摘要  本设计重点讨论了合成车间的主要设备的计算及选型，首先初步介绍了合成 机理，然后重点围绕合成进行物料衡算和热量衡算，主要包括合成塔的外形设计，水冷凝器的选型及计算，脱硫塔的选型及计算，转化炉的选型及计算精馏塔的选型及计算等，最后进行了总结与讨论。  关键词： 合成，转化，精馏，甲醇  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 of to on  so on 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 目录  1 总     论  . 6 述  . 6 产的发展  . 6 产技术的发展  . 6  . 7   . 7 醇的化学性 质    . 8 醇的合成方法  . 9 用的合成方法  . 9 设计所采用的合成方法  . 10  醇的合成路线  . 10 用的合成工艺  . 10 设计的合成工艺  . 11 成甲醇的目的和意义  . 12 设计的主要方法及原理  . 13 气工段  . 13 成工段  . 13 2 生产工艺及主要设备计算  . 14 醇生产的物料平衡计算  . 14 合成塔物料平衡计算  . 14 甲醇精馏的物料平衡计算  . 21 醇生产的能量平衡计算  . 23 成塔能量计算  . 23 压精馏塔能量衡算  . 25 要设备计算及选型  . 28 压精馏塔计算  . 28 估塔径  . 29 论板数的计算  . 31 内件设计  . 34 板流体力学验算  . 37 板负荷性能  . 39 压塔主要尺寸确定  . 41 3 辅助设备  . 43 4 甲醇生产对环境的污染   . 44 气   . 44 水   . 44 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 渣   . 45 气处理   . 45 水处理   . 45 渣处理   . 46 参考文献  . 47 致谢  . 48 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 1 总     论  述  甲醇作为及其重要的有机化工原料，是碳一化学工业的基础产品，在国民经济中占有重要地位。长期以来，甲醇都是被作为农药，医药，染料等行业的工业原料，但随着科技的进步与发展，甲醇将被应用于越来越多的领域。  产的发展  1）  世界甲醇工业的发展  总体上说，世界甲醇工业从 90 年代开始经历了 1991供需平衡，1998供大于求，从 2000 年初至今的供求基本平衡三个基本阶段。 1据司的最新统计，全球 2004年 甲醇生产能力为 t/a2 2）  我国甲醇工业发展  我国的甲醇工业经过十几年的发展，生产能力得到了很大提高。 1991 年，我国的生产能力仅为 70万吨，截止 2004年底，我国甲醇产能已达 740万吨， 117家生产企业共生产甲醇 吨， 2005 年甲醇产量达到 500 万吨，比 2004年增长 进口量 此下降   产技术的发展  1）  装置大型化  于上世纪末相比，现在新建甲醇规模超过百万吨的已不再少数。在 2004 2008 年 新建的 14 套甲醇装置中平均规模为 134 万 t/a，其中卡塔尔二期工程项目高达 230万 t/a。最小规模的是智利甲醇项目，产能也达 84万 t/a，一些上世纪末还称得上经济规模的 60万 t/ 2）  二次转化和自转化工艺  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 合成气发生占甲醇装置总投资的 50% 60%，所以许多工程公司将其视为技术改进重点。已经形成的新工艺在主要是  先进天然气加热炉转化工艺 (组合转化工艺 ( 3）  新甲醇反应器的合成技术  大型甲醇生产装置必须具备与其规模相适应的甲醇反应器和反应技术。传统甲醇合成反应器有 冷激型反应器， 管壳式反应器， 径向流动反应器等，近期出现的新合成甲醇反应器有日本东洋工程的 应器等，而反应技术方面则出现了  4）  引入膜分离技术的反应技术  通常的甲醇合成工艺中，未反应气体需循环返回反应器，而 提出将未反应气体送往膜分离器，并将气体分为富含氢气的气体，前者作 燃料用，后者返回反应器。  5）  液相合成工艺  传统甲醇合成采用气相工艺，不足之处是原料单程转化率低，合成气净化成本高，能耗高。相比之下，液相合成由于使用了比热容高，导热系数大的长链烷烃化合物作反应介质，可使甲醇合成在等温条件下进行。  醇的主要性质   醇的物理性质    无色、透明、高度挥发、易燃液体。略有酒精气味。分子式  子量 对密度 0/4 )、熔点 沸点 闪点  自燃点 蒸 气密度  气压  00)。蒸气与空气混合物爆炸下限  。能与水、乙醇、乙醚、苯、酮、卤代烃和许多其他有机溶剂相混溶。遇热、明火或氧化剂易着火。遇明火会爆炸，在空气中甲醇蒸汽的爆炸极限 体积 )。甲醇是最常用的有机溶剂之一。与水互溶且体积缩小 ,吸入浓的甲醇蒸汽时会出沉醉、头痛、恶心、呕吐、流泪、视力模糊和眼痛等 ,需要数日才能恢复 ,空气中 允许浓度为 l,极限允许浓度在空气中为 2000  甲醇的一般性质列于表 1买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 表 1甲醇的一般性质   性    质                    数    据                  性    质                       数    据  密度  g/0 )                        临界压力                105 沸点                             蒸汽压  20 )           104 熔点                                   黏度  s（ 20 )          10自燃点（空气中 )        473                  膨胀系数（ 20 )              临界温度                 240                爆炸性（空气中）          蒸发潜热  kJ/                腐蚀性         除铅、铝外，常温下无  （                                                                  腐蚀性   醇的化学性质    甲醇具有脂肪醇的化学性质，即可进行氧化、酯化、羰基化、氨化、脱水等反应。甲醇裂解产生  制备  重要化学方法。   （ 1）氧化反 应   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： 5  甲醇完全燃烧时氧化成  出大量的热：       kJ/（ 2）酯化反应   甲醇和硝酸作用生成硝酸甲酯     （ 3）  羰基化反应   甲醇和光气发生羰基化反应生成氯甲酸甲酯，进一步反应生成碳酸二甲酯：       2（ 4）胺化反应   在压力 5 20度 370 420下，以活化氧化铝或分子筛催得一甲胺、二甲胺和三甲胺一甲胺、二甲胺和三甲胺产品。                2 ( 23 (+ 3 （ 5）脱水反应   甲醇在高温和酸性催化剂如 用下分子间脱水生成二甲醚：   2(O+ （ 6）裂解反应   在铜催化剂上，甲醇可裂解成      2    （ 7）  氯化反应   甲醇和氯化氢在 化剂上发生氯化反应生成一氯甲烷：   买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 2O   氯甲烷和氯化氢在        +（ 8）其他反应   甲醇和苯在 350380反应条件下，在催化剂的作用下可生成甲苯：    62O  220 ,20 ,甲醇在钴催化剂的作用下发生同系化发反应生成乙醇 :  O+2O           醇的合成方法  用的合成方法  当今甲醇生产技术主要采用中压法和低压法两种工艺，并且以低压法为主，这两种方法生产的甲醇约占世界甲醇产量的 80%以上。  高压法： (最初生产甲醇的方法，采用锌铬催化剂，反应温度 360压力 压法由于原料和动力消耗大，反应温度高，生成粗甲醇中有机杂质含量高，而且投资大，其发展长期以来处于停顿状态。  低压法： ( 20世纪 60年代后期发展起来的甲醇合成技术，低压法基于高活性的铜基催化剂，其活性明显高于锌铬催化剂，反应温度低(240)。在较低压力下可获得较高的甲醇收率，且选择性好，减少了副反应，改善了甲醇质量，降低了原料消耗。 此外，由于压力低，动力消耗降低很多，工艺设备制造容易。  中压法： (着甲醇工业的大型化，如采用低压法势必导致工艺管道和设备较大，因此在低压法的基础上适当提高合成压力，即发展成为中压法。中压法仍采用高活性的铜基催化剂，反应温度与低压法相同，但由于提高了压力，相应的动力消耗略有增加。  目前，甲醇的生产方法还主要有甲烷直接氧化法： 22 2由一氧化碳和氢气合成甲醇，液化石油气氧化法  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 设计所采用的合成方法  比较以上三者的优缺点，以投资成本，生产成本， 产品收率为依据，选择中压法为生产甲醇的工艺，用  催化剂作用下合成甲醇，其主要反应式为： 醇的合成路线  用的合成工艺  虽然开发了高活性的铜基催化剂，合成甲醇从高压法转向低压法，完成了合成甲醇技术的一次重大飞跃，但仍存在许多问题：反应器结构复杂；单程转化率低，气体压缩和循环的耗能大；反应温度不易控制，反应器热稳定性差。所有这些问题向人们揭示，在合成甲醇技术方面仍有很大的潜力，更新更高的技术等待我们去开发。下面介绍 20 世纪 80 年代以来所 取得的新成果。  (1)  气液固三项合成甲醇工艺    首先由美国化学系统公司提出，采用三相流化床，液相是惰性介质，催化剂是  进型催化剂。对液相介质的要求：在甲醇合成条件下有很好的热稳定性和化学稳定性。既是催化剂的硫化介质，又是反应热吸收介质，甲醇在液相介质中的溶解度越小越好，产物甲醇以气相的形式离开反应器。这类液相介质有如三甲苯，液体石蜡和正十六烷等。后来人提出了相反的观点，采用的液相介质除了热稳定性及化学稳定性外，要求甲醇在其溶液中的溶解度越大越好，产物甲醇不是以气相形式离开 反应器，而是以液相形式离开反应器，在反应器外进行分离。经试验发现四甘醇二甲醚是极理想的液相介质。  该液相中的气液平衡常数很大，采用 单程转化率大于相同条件下气相的平衡转化率。  气液固三相工艺的优点是：反应器结构简单，投资少；由于介质的存在改善了反应器的传热性能，温度易于控制，提高了反应器的热稳定性；催化剂的颗粒小，内扩散影响易于消除；合成甲醇的单程转化率高，可达 15%循环比大为减小；能量回收利用率高；催化剂磨损少。缺点是三相反应器压降较大，液相内的扩散系数比气相小 的多。  (2)   液相法合成甲醇工艺    液相合成甲醇工艺的特点是采用活性更高的买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 过度金属络合催化剂。催化剂均匀分布在液相介质中，不存在催化剂表面不均一性和内扩散影响问题，反应温度低，一般不超过 200， 20 世纪 80 年代中期，美国 家实验室开发了活性很高的复合型催化剂，其结构为,其中 i, 为低碳烷基，当 i，相介质为四氢呋喃，反应温度为 80压力为 2成气单程转化率高于 80%， 甲醇选择性高达 96%。当该催化剂与第族金属的羰基络合物混合使用时，能得到更好的效果，他能激活 有较好的耐硫性，当合成气中还有 1670102S 时，其甲醇产率仍达 33%。  人研制了由过渡金属络合物与醇盐组成的符合催化剂，如四羰  基镍和甲醇钾，以四氢呋喃为液相介质，反应温度为 125， 0%，选择性达 99%。  目前液相合成甲醇研究仍处在实验室阶段，尚未工业化，但它是一种很有开发前景的合成技术。该法的缺点是由于反应温度低，反应热不易回收利用； 2O 容易使复合催化剂中毒，因此对合成气体的要求很苛刻，不能还有 需进一步研究。  (3)  新型    该系统采用反应 ,吸附和产物交换交替进行的一种新型反应装置。 指气 固滴流流动反应系统， 2 在催化剂的作用下，在此系统内进行反应合成甲醇，该甲醇马上被固态粉状吸附剂所吸附，并滴流带出反应系统。 级间产品脱出反应系统，当以吸附气态甲醇的粉状吸附剂流入该系统时，与该系统内的液相四甘醇二甲醚进行交换，气态的甲醇被液相所吸附，然后 再将四甘醇二甲醚中的甲醇分离出来。这样合成甲醇反应不断向右进行， 00%，气相反应物不循环。这项新工艺仍处在研究之中，尚未投入工业生产，还有许多技术问题需要解决和完善。  设计的合成工艺  经过净化的原料气，经预热加压，于 5220 下，从上到下进入 铜基催化剂的作用下发生反应，出口温度为 250 左右，甲醇 7%左右，因此，原料气必须循环，则合成工序配置原则为图 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 甲醇的合成是可逆放热反应，为使反应达到较高的转化率，应迅速移走反应热，本设计采用 壳式反应器，管程走反应气，壳程走 4沸腾水。  此流程是德国 司开发的甲醇合成工艺，流程采用管壳式反应器，催化剂装在管内，反应热由管间沸腾水放走，并副产高压蒸汽，甲醇合成原料在离心式透平压缩机内加压到 以 1： 5 的比例混合 ) 循环，混合气体在进反应器前先与反应后气体换热，升温到 220 左右，然后进入管壳式反应器反应，反应热传给壳程中的水，产生的蒸汽进入汽包，出塔气温度约为  250 ，含甲醇 7%左右，经过换热冷却到 40 ，冷凝的粗甲醇经分离器分离。分离粗甲醇后的 气体适当放空，控制系统中的惰性气体含量。这部分空气作为燃料，大部分气体进入透平压缩机加压返回合成塔，合成塔副产的蒸汽及外部补充的高压蒸汽一起进入过热器加热到 50 ，带动透平压缩机，透平后的低压蒸汽作为甲醇精馏工段所需热源。  成甲醇的目的和意义  甲醇是极为重要的有机化工原料，在化工、医药、轻工、纺织及运输等行业都有广泛的应用，其衍生物产品发展前景广阔。目前甲醇的深加工产品已达120 多种，我国以甲醇为原料的一次加工产品已有近 30 种。在化工生产中，甲醇可用于制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲胺、甲基叔丁基 醚（ 聚乙烯醇（ 硫酸二甲酯、对苯二甲酸二甲酯（ 二甲醚、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲醇等。  以甲醇为中间体的煤基化学品深加工产业：从甲醇出发生产煤基化学品是未来 工发展的重要方向。比如神华集团发展以甲醇为中间体的煤基化学品深加工，利用先进成熟技术，发展“甲醇醋酸及其衍生物”；利用国外开发成功的 展“甲醇烯烃及衍生物”的 2  作为替代燃料：近几年，汽车工业在我国获得了飞速发展，随之带来能源供应问题。石油作为及其重要的能源储量是有限的，而甲醇燃料以 其安全、廉价、燃烧充分，利用率高、环保的众多优点，替代汽油已经成为车用燃料的发展方向之一。我国政府已充分认识到发展车用替代燃料的重要性，并开展了这方面的工作。  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 随着 甲醇为原料合成乙二醇、乙醛和乙醇等工艺正日益受到重视。甲醇作为重要原料在敌百虫、甲基对硫磷和多菌灵等农药生产中，在医药、染料、塑料和合成纤维等工业中都有着重要的地位。甲醇还可经生物发酵生成甲醇蛋白，用作饲料添加剂，有着广阔的应用前景。  设计的主要方法及原理  气工段  使用二步法造气 : 2O(气 ) 2 1 合成工段  5主反应  ：  反应：   2(+O+3) 2 （ A）外，副反应的发生，都增大了 低了产率，故应尽量减少副反应。  反应热力学  一氧化碳加氢合成甲醇的反应式为  g) 这是一个可逆放热反应，热效应 m  8 。  当合成气中有 可合成甲醇。  + 3  g) + 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 这也是一个可逆放热反应，热效应 m  8  合成法反应机理  本反应采用铜基催化剂， 5 250 左右反应，清华大学高森泉，朱起明等认为其机理为吸附理论，反应模式为：   2H    +H      +2H      反应为，控制。即吸附控制。  2 生产工艺及主要设备计算  工艺计算作为化工工艺设计，工艺管道，设备的选择 及生产管理，工艺条件选择的主要依据，对平衡原料，产品质量，选择最佳工艺条件，确定操作控制指标，合理利用生产的废料，废气，废热都有重要作用。  醇生产的物料平衡计算  合成塔物料平衡计算  已知：年产 50000 吨精甲醇，每年以 300 个工作日计。  精甲醇中甲醇含量 ( 粗甲醇组成 ( 压合成工艺 甲醇： 轻组分 以二甲醚 (O 计 ： 重组分 以异丁醇  ： 水： 所以：时产精甲醇：   4 4243 0 0 1 0 0 05 0 0 0 0 Kg/h 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 时产粗甲醇：  Kg/h 根据粗甲醇组分，算得各组分的生成量为：  甲醇 (32)：   g/h    h    m3/h 二甲醚 (46)： g/h      h     m3/h 异丁醇 (74)： g/h       h     m3/h 水 (18)：     g/h     h     m3/h 合成甲醇的化学反应为：  主反应： J/                      副反应： 2(O+J/                2O+J/                      4J/                  2 J/                        生 产中，测得每生产 1 吨粗甲醇生成甲烷    h， g/h。  忽略原料气带入份，根据 、得反应生成的水的量为：h，即在 变换中生成的 h，即 m3/h。  40时各组分在甲醇中的溶解度列表于表 2 240时气体在甲醇中的溶解度  组分                                            溶解度                单位                           t 甲醇                        h                                                 2                                               0                                                0                                                               2                                                                 r                                                                                                                 甲醇生产技术及进展华东工学院出版社 测定： 35 时液态甲醇中释放 方米含 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 g 甲醇，假定溶解气全部释放，则甲醇扩散损失为：  (kg/h 即 h， m3/h。  根据以上计算，则粗甲醇生产消耗量及生产量及组成列表 2 表 2应式 消耗和生成物 量  输入                                       输出                  消耗物                  量                 生成物                   量  单位                                                                 单位                                                    O                                                 2                                                                                      计                                                 合计                                        2应式 消耗和生成物量        输入                                       输出                  消耗物                  量                 生成物                   量  单位                                                            单位                                                    O                          (O                              2                                                                              计                                                 合计                                        2应式 消耗和生成物量        输入                                       输出                  消耗物                  量                生成物                     量  单位                                                             单位                                                          O                                                                                                                           合计                                                合计                                           2应式 消耗和生成物量   买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 输入                                       输出                  消耗物                  量                生成物                     量  单位                                                             单位                                                          O                                                    2                                                                           计                                                    合计                                             2应式 消耗和生成物量         输入                                       输出                  消耗物                  量                生成物                     量  单位                                                             单位                                                          2                                                                                                                      合计                                               合计                                                2反应消耗和生成物量及组成   总输入                                    总输出                  消耗物     量（   ）        组成 %(v)        生成物      量（   ）   质量（   组成 %(                                                2                                                                                              2                                   (O                               -                                                         计                       100               合计                               100 设新鲜气量为 G 新鲜气 ,驰放气为新鲜气的 9%1。  表 2放气组成  买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 物质         组分               物质        组分              物质        组分                                                                                                                                                                                                                                    -         甲醇生产技术及进展华东工学院出版社  新鲜气 G 消耗气 +G 驰放气 =G 消耗气 + 新鲜气 = 新鲜气   所以： G 新鲜气 h 新鲜气组成见表 2 2醇合成新鲜气组成  物质                          组分  （                       组成 (                                                               &nb