年产30万吨甲醇工艺设计毕业论文.doc

本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 年产年产 30 万吨甲醇工艺设计万吨甲醇工艺设计 process design of 300 kt/a methanol synthesis section 目 录 摘要.i abstract.ii 引 言.1 第一章 概 述.2 1.1 甲醇的概述.2 1.1.1 理化性质2 1.1.2 制法2 1.1.3 用途3 1.2 由 co 和 h2合成甲醇3 1.2.1 高压法3 1.2.2 低压法3 1.2.3 中压法5 1.3 甲醇生产技术的发展趋势.5 第二章 工艺流程设计.6 2.1 甲醇合成.6 2.1.1 反应方程式6 2.1.2 合成法反应机理6 2.1.3 甲醇合成塔的选择8 2.1.4 催化剂的选用10 2.1.5 合成工序工艺操作条件的论证与确定12 2.1.6 低压 lurgi 甲醇合成工艺 .13 第三章 生产工艺计算.15 3.1 甲醇生产的物料平衡计算.15 ii 3.1.1 合成工段物料衡算15 3.2 甲醇生产的能量平衡计算.20 3.2.1 合成工段能量衡算20 3.2.2 冷凝器能量计算22 第四章 主要设备计算及选型.25 4.1 合成系统主要设备的计算及选型.25 4.1.1 甲醇合成塔的设计25 4.1.2 水冷器的工艺设计29 4.1.3 甲醇分离器32 4.1.4 循环压缩机的选型32 4.2 控制仪表的选择.32 结 论.33 致 谢.34 参考文献.35 附 录.36 i 年产年产 30 万吨甲醇合成工段工艺设计万吨甲醇合成工段工艺设计 摘要摘要：甲醇是一种极重要的有机化工原料，也是一种燃料，是碳化学的基础产品，在国民 经济中占有十分重要的地位。近年来，随着甲醇下游产品的开发，特别是甲醇燃料的推 广应用，甲醇的需求大幅度上升。因此开展了此年产 30 万吨的甲醇项目。对目前现有的 各种生产工艺进行对比分析，确定选用低压 lurgi 工艺获得粗甲醇。根据所掌握的知识对 甲醇合成工段进行了物料衡算、能量衡算、主要设备相关数据计算及相关附属设备的选 型及计算，合成甲醇所选的反应器是列管式的甲醇合成塔，并做出了带控制点的工艺流 程图和合成塔设备图。 关键词：关键词：甲醇；合成；工艺设计 ii process design of 300 kt/a methanol synthesis section abstract: methanol is a raw material which is extremely important for organic chemical industry, and it can be used as furnace oil. methanol is also the basic products of the carbon chemistry and it is very important in national economy. in recent years, the demand for the methanol rises by a large margin with the development of the products which are made from methanol, especially the application and popularization of the methanol petrol. therefore carried out the annual output of 300000 tons of methanol project. the comparative analysis of the existing production process, determine the selection of low voltage lurgi process to obtain crude methanol.according to the knowledge of methanol synthesis section of material balance, heat balance and equipment related calculation. process for the main equipment synthesis tower calculation and selection, the selected synthetic methanol reactor is shell and tube type of methanol synthesis tower, also make the process flow chart with control points and synthetic tower equipment diagram. key words: methanol; synthesis; process design 1 引 言 甲醇最早是由木材和木质素干馏制得俗称“木醇”，其分子式为 ch3oh，是重要的有 机化工原料之一，是碳化学、有机及精细化工的基础原料，又是优质的能源载体。 长期以来，甲醇除少量直接用于溶剂外，人们一直把甲醇作为农药、染料、医药等 工业的原料。尽管国内甲醇的传统消费领域如甲醛、醋酸等行业受房地产调控政策等因 素影响，产量增速有所放缓，但新兴应用领域如甲醇燃料、甲醇制烯烃等行业在石油供 需缺口下迅速发展。 近十年来，我国的甲醇工业有了突飞猛进的发展，在原料路线、生产规模、节能降 耗、过程控制与优化、产品市场与其他化工产品联合生产等方面都有了新的突破与进展。 尤其我国是煤炭生产和消费大国，除了用煤直接气化生产甲醇外，由于炼焦工业采用洁 净工艺和综合利用，焦炉煤气将成为我国甲醇生产的新原料。 据了解，目前国内已投产的甲醇制烯烃企业共四家，包括神华包头 60 万吨烯烃装置、 神华宁煤 50 万吨烯烃装置、大唐 46 万吨烯烃装置以及中原石化 60 万吨烯烃装置。2012 年上半年数据显示，甲醇制烯烃产量约 60 万吨，应用甲醇 167.7 万吨，仅 2012 年上半年 神华包头煤制烯烃项目实现销售收入 31 亿元、利润 6 亿元，取得较好的效益1。而甲醇 燃料的推广应用，更会使甲醇的需求市场进一步扩张。2009 年 5 月， 车用燃料甲醇及 车用甲醇汽油（m85） 两个国家标准正式发布，标志着以甲醇为基础调配大比例 m85 甲醇汽油的时机已经成熟。因此，甲醇在化学工业中的作用必将越来越重要。 2 第一章 概 述 1.1 甲醇的概述 1.1.1 理化性质 甲醇是一种无色、透明、易燃、易挥发的有毒液体，常温下对金属无腐蚀性（铅、 铝除外），略有酒精气味。分子量 32.04，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，蒸气压 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5。 1.1.2 制法 1661 年英国波义耳（boyle）首先在木材干馏的液体产品中发现了甲醇，木材干馏成 为工业上制取甲醇最古老的方法。1834 年，杜马（dumas）和彼利哥（peligot）制得了甲 醇纯品。1857 年法国伯特格（berthelot）用一氯甲烷水解制得甲醇。 合成甲醇的工业生产始于 1923 年。德国巴登苯胺纯碱（basf）公司首先建成以一 氧化碳和氢为原料、年产 300t 甲醇的高压合成法装置，从 20 世纪 20 年代至 60 年代中期， 所有甲醇生产装置均采用高压法，即操作压力为 3035mpa，采用锌铬催化剂。1966 年， 英国帝国化学工业（ici）公司研制成功铜基催化剂，并开发了低压合成甲醇工艺，即 icl 工艺。20 世纪 70 年代中期以后，世界上新建和扩建的甲醇装置几乎都采用低压法1。 合成甲醇可以固体（如煤、焦炭）液体（如原油、重油、轻油）或气体（如天然气 及其他可燃性气体）为原料，经造气净化（脱硫）变换，除去二氧化碳，配制成一定的 合成气（一氧化碳和氢）。在不同的催化剂存在下，选用不同的工艺条件。单产甲醇 （分高压法低压和中压法），或与合成氨联产甲醇（联醇法）。将合成后的粗甲醇，经 预精馏脱除甲醚，精馏而得成品甲醇。高压法为 basf 最先实现工业合成的方法，但因 其能耗大，加工复杂，材质要求苛刻，产品中副产物多，今后将由 ici 低压和中压法及 lurgi 低压和中压法取代。 1.1.3 用途 甲醇用途广泛，是基础的有机化工原料和优质燃料。主要应用于精细化工，塑料等 领域，用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲酯等多种有机产品，也是农药、 3 医药的重要原料之一。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5。 1.2 由 co 和 h2合成甲醇 甲醇合成反应是可逆的强放热反应，受热力学及动力学控制，通常在单程反应器中， co 和 co2的单程转化率比较低，需要把未反应的 co、co2和 h2与甲醇分离，然后通过 循环压缩机再压缩到反应器中进一步反应。为确保反应器出口气体中有较高的甲醇含量， 一般采用较高的反应压力。根据合成过程所采用压力的不同，可分为高压法、中压法和 低压法。 图 1.1 甲醇合成流程图 1.2.1 高压法 co 和 h2在高温（340420）高压（30.050.0mpa）下，用锌铬氧化物作催化 剂合成甲醇。 高压法是最早的甲醇合成工艺流程，此法的特点是技术成熟，但投资及生产成本较 高。 1.2.2 低压法 以 co 和 h2为原料在低压（5.0mpa）和相对较低温度（275左右）下，采用铜基 催化剂合成甲醇。 目前，低压法甲醇合成技术主要是英国 i.c.i 低压法和德国 lurgi 低压法。此外，还 有美国电动研究所的三相甲醇合成技术，三相甲醇合成技术虽已研究成功，但尚未进行 大规模生产。 （1） i.c.i 低压法 1966 年，英国 i.c.i 公司在成功地开发了铜基低压甲醇合成催化 剂之后，建立了世界上第一个低压法甲醇合成工厂，即英国 teesside 地区 billingham 工 厂。该厂以石脑油为原料，日产甲醇 300t。到 1970 年，最多日产量能达到 700t。催化剂 使用寿命可达 4 年以上。由于低压法合成的粗甲醇杂质含量比高压法得到的粗甲醇杂质 含量低得多，净化比较容易，利用双塔精馏系统便可以得到纯度为 99.85的精制产品甲 造气脱硫 变换脱碳 精脱硫合成精馏 4 醇。 煤炭气化煤气合成甲醇与以石脑油、天然气、重油为原料合成甲醇的合成工艺是相 同的，区别在于它们制备甲醇原料气的方法和工序不同2。 （2） lurgi 低压法 20 世纪 60 年代末，德国 lurgi 公司在 union kraftstoff wesseling 工厂建立了一套年产 4000t 的低压法甲醇合成示范装置。在取得必要的数据及 经验后，于 1979 年底，lurgi 公司建立了 3 套总产量超过 30 万吨每年的工业装置。lurgi 低压法甲醇合成工艺与 i.c.i 低压工艺的主要区别在于合成塔的设计，该工艺采用管壳型 合成塔，催化剂装填在管内，反应热由管间的沸腾水移走并副产中压蒸汽。 lurgi 低压法甲醇合成工业化后，很快得到广泛应用。 lurgi 低压法合成甲醇的主要特点如下。 采用管壳式合成塔。这种合成塔温度容易控制，同时，由于换热方式好，催化剂 床层温度分布均匀，可以防止铜基催化剂过热，可延长催化剂寿命，且副反应大大减少， 允许含 co 高的新鲜气进入合成系统，因而单程气体转化率高，出口反应气体含甲醇 7 左右，循环气量较少，设备、管道尺寸小，动力消耗低。 无需专设开工加热炉，开车方便，开工时直接将蒸汽送入甲醇合成塔将催化剂加 热升温。 合成塔可以副产中压蒸汽，非常合理地利用了反应热。 lurgi 低压法合成甲醇投资和操作费用低，操作简便，不足之处是合成塔结构复杂， 材质要求高，装填催化剂不方便3。 目前，低压法甲醇技术主要是英国 i.c.i 法和德国 lurgi 法，这两种方法的工艺技术 见下表。 表 1.1 i.c.i 法和 lurgi 法制甲醇工艺技术指标 项目i.c.i 法lurgi 法 合成压力/mpa55 合成反应温度/23070225250 催化剂成分cu-zn-alcu-z