年产30万吨合成甲醇项目初步设计说明书.doc

年产 30 万吨合成甲醇分厂设计 0 年产 30 万吨合成甲醇分厂设计 年产 30 万吨合成甲醇分厂设计 1 第一章第一章 概述概述.4 1.1 项目概述 .4 1.1.1 项目名称.4 1.1.2 项目简介.4 1.2 设计依据及原则 .4 1.2.1 设计依据.4 1.2.2 设计原则.4 1.3 工艺特点 .5 1.4 产品方案 .5 1.5 主要物料规格及消耗 .6 1.6 排污要求 .6 1.7 公用工程.6 1.8 厂址概况 .6 1.9 产品文献综述 .6 1.9.1 产品甲醇简介.7 1.10 项目建设的目的及意义.8 第二章第二章 工艺方案的确定及流程模拟工艺方案的确定及流程模拟.9 2.1 概述.9 2.2 甲醇合成的反应及动力学分析.9 2.2.1 甲醇合成的反应.9 2.2.2 反应动力学分析.10 2.3 合成工艺.11 2.3.1 甲醇生产工艺.11 2.3.2 工艺流程的确定.14 2.3.3 合成工序工艺操作条件的确定.16 2.3.4 催化剂.17 2.4 工艺流程模拟.18 2.4.1.18 2.4.2 合成.19 2.4.3 分离工段.20 第三章第三章 物料衡算和热量衡算物料衡算和热量衡算.21 3.1 概述 .21 3.2 物料衡算的意义.21 3.3 物料衡算遵循的原则.21 3.4 物料衡算结果.22 3.4.1 全段工艺的物料衡算.22 3.5 热量衡算 .33 3.5.1 热量衡算原则.33 3.5.2 热量衡算.34 第四章第四章 设备设计及选型设备设计及选型.40 4.1 概述.40 年产 30 万吨合成甲醇分厂设计 2 4.2 甲醇合成反应器的选择.40 4.2.1 列管式反应器内部结构及空速的计算.40 4.2.2 反应器内径、壁厚、外径的计算.41 4.2.3 反应器塔高的计算.41 4.3 压缩机的选择 .41 4.3.1 选型原则.41 4.3.2 选型介绍.41 4.4 闪蒸罐设计.42 4.5 精馏塔的选择 .42 4.5.1 精馏段塔径的计算.42 4.5.2 提馏段塔径的计算.44 4.5.3 塔高的确定：.45 4.6 泵的选择.45 4.7 换热器的选择 .46 4.8 回流罐，储罐的选择 .47 4.9 设备选型一览表 .48 第五章第五章 总图及车间布置总图及车间布置.51 5.1 总图设计 .51 5.11 布置原则.51 5.12 参照要求及标准.51 5.1.3 布局情况介绍.51 5.1.4 反应车间.55 5.1.5 辅助车间和公用工程.55 5.1.6 发展用地及绿化.56 5.1.7 其它布局说明.56 5.2 车间布置 .57 5.2.1 车间布置依据.57 5.2.2 车间布置原则.57 5.2.3 车间整体布置.57 5.2.4 合成工段车间布置.58 第六章第六章 自动控制及仪表自动控制及仪表.60 6.1 全厂自控水平和主要控制方案 .60 6.1.1 概述.60 6.1.2 自控水平.60 6.1.3 主要控制方案.60 6.1.4 通讯网络.61 6.2 仪表选型的确定 .61 6.2.1 选型原则.61 6.2.2 控制室监控系统.62 6.3 动力供应 .62 6.3.1 仪表电源.62 6.3.2 仪表气源.62 6.4 典型设备控制方案 .62 年产 30 万吨合成甲醇分厂设计 3 6.4.1 精馏塔的控制.62 6.4.2 离心泵控制方案直接节流法调节.63 6.4.3 压缩机的控制.64 6.4.4 换热器的控制.64 6.4.5 储罐的控制.64 第七章第七章 环境保护及评价环境保护及评价.66 7.1 概述.66 7.1.1 环保目的.66 7.1.2 环境保护遵守依据.66 7.1.3 控制及保护目标.66 7.2 废气中主要污染物的特征和危害.67 7.2.1 对人体的健康危害.67 7.2.2 对植物的危害.67 7.3 环境保护治理措施.68 7.3.1 废气.68 7.3.2 废水.68 7.3.3 废渣.69 7.4 总结.69 年产 30 万吨合成甲醇分厂设计 4 第一章第一章 概述概述 1.1 项目概述 1.1.1 项目名称 年产 30 万吨合成甲醇分厂设计 1.1.2 项目简介 本项目以总厂造气分厂的净化合成气作为原料，充分合理利用原料气组分 的现有资源及成熟的生产工艺，设计一座合成甲醇的分厂，对分厂的科学发展 进行规划，扩大经济效益的同时，减少烃原料化工对石油资源的过度依赖，对 优化资源利用有重要意义。 1.2 设计依据及原则 1.2.1 设计依据 （1）课程设计项目设计任务书 （2） “十二五”国家政策。 （3）根据甲醇合成的相关资料，包括发展规划、自然条件、交通条件、政府 政策等。 （4） 中华人民共和国环境保护法和中华人民共和国劳动安全法等相关 的国家法律、法规。 1.2.2 设计原则 (1) 项目建设遵守国家的各项政策、法规和法令，符合国家的产业政策、投 资方向及行业和地区的规划，贯彻有关部门的颁发标准和规范合理安排建设周 年产 30 万吨合成甲醇分厂设计 5 期，严格控制工程建设项目的生产规模和投资； (2) 采用成熟而先进可靠的工艺生产技术，确保操作运行稳定、尽可能节 能降耗、三废排放少、产品质量好； (3) 坚持体现“社会经济效益、环保效益和企业经济效益并重”的原则， 按照国民经济和社会发展的长远规划，行业、地区的发展规划，在项目调查、 选择中对项目进行详细全面的论证。 (4) 重视环境保护、安全和工业卫生，设计中选用清洁生产工艺，三废治 理、 消防、安全、劳动保护措施必须与主体装置同时设计、同时建设、同时投运， 污 染物的排放必须达到规定的指标，并保证工厂安全运行和操作人员的健康不受 损 害； (5) 产品生产和质量指标符合国家及地方颁发的各项相关标准； (6) 在保证工艺生产安全、可靠的前提下，尽可能利用国产化的设备、材 料， 并控制投资在合理范围内； 1.3 工艺特点 德国 lurgi 公司开发的甲醇合成工艺，该流程采用管壳型反应器，催化剂 装在管内，反应热由管间沸腾水带走，并副产中压蒸汽。 生产过程中可通过控制所产中压蒸汽压力来调节催化床层温度，反应温度 易控制、径向温度 5左右。由于反应温度平稳，催化剂的作用得到很好发挥， 原料气的单程转化率得以提高，副反应少，粗甲醇质量较好。 1.4 产品方案 本项目通过 lurgi 低压甲醇合成工艺，利用净化合成气生产甲醇，其产品 规格为达到国家标准（gb 388-85）一级品质量标准，生产控制指标为下表： 表 1.1 产品规格 年产 30 万吨合成甲醇分厂设计 6 组分 ch3oh 醛、酮总量水分 摩尔分率0.9990.000050.0007 1.5 主要物料规格及消耗 本项目的主要原料为净化合成气，整个项目所需的主要原料规格见下表： 表 1.2 原料规格 来自总厂造气分厂的净化合成气，压强 3.5mpa ，温度 313.15k ，组成为： 组分 coco2h2n2 摩尔分率 28.23.267.80.5 1.6 排污要求 含醇气体用管道送至总厂锅炉房焚烧处理； 工艺废水含有机物总量0.002，用专用管路送至总厂水处理分厂。 1.7 公用工程 供电、供水、供惰性气、供汽、机修等公用工程由总厂统一安排、配套提 供。 1.8 厂址概况 一侧靠河、另一侧靠厂内公路的狭长平地，宽度 60m ，长度无限制。 1.9 产品文献综述 甲醇作为化工原料，主要用于制备甲醛、对苯二甲酸二甲酯、卤甲烷、炸 药、医药、染料、农药及其他有机化工产品。随着世界能源的消耗日益增加， 天然气和石油资源日益紧张，在甲醇的应用方面开发了许多新的领域，如甲醇 作为非石油基燃料迅速进入燃料市场，成为汽油的代用燃料与汽油渗烧得到迅 年产 30 万吨合成甲醇分厂设计 7 速发展；甲醇直接合成汽油；甲醇也可合成甲基叔丁基醚（mtbe）作为无铅汽 油的优质添加剂，具有重要的经济效益和社会效益；此外甲醇还可作为合成蛋 白质的碳来源，也具有广阔的前途。 合成甲醇的工业化始于 1923 年，用高压合成（温度 300400，压力 30mpa） ，一直沿用至 20 世纪 60 年代中期。1966 年，英国开发了 ici 低压法 （温度 230270，压力 510mpa） 。1971 年，德国开发了鲁奇低压法；1973 年， 意大利开发成功氨-甲醇联合生产方法（联醇法） 。自 20 世纪 70 年代中期以后， 世界上新建和扩建的甲醇均为低压法。 甲醇合成的原料气为 co 和 h2, 可可由煤、天然气、轻油、重油、裂解气 及焦炉气来制取。今年的发展可以看出，从天然气出发生产甲醇的原料路线备 受重视，其投资费用和消耗指标都低于煤和石油，而天然气储量较石油丰富。 目前世界上以天然气作原料合成甲醇的能力占总能力的 80%以上。 1.9.1 产品甲醇简介 （1）物理性质：外观与性状：无色澄清液体，有刺激性气味。微有乙醇样 气味，易挥发，易流动，燃烧时无烟有蓝色火焰，能与乙醇、乙醚等有机溶剂 和水互溶，能与多种化合物形成共沸混合物，能与多种化合物形成溶剂混溶， 溶解性能优于乙醇，能溶解多种无机盐，如碘化钠、氯化钙、硝酸铵、硫酸铜、 硝酸银、氯化铵和氯化钠等。易燃，与空气混合的爆炸极限为 6.0%-36.5%（体 积） 。有毒，一般误饮 510ml 可致眼睛失明，大量饮用会导致死亡。 （2）化学性质：甲醇对金属特别是黄铜有轻微的腐蚀性。易燃，燃烧时有 无光的淡蓝色火焰。蒸气能与空气形成爆炸混合物爆炸极限 6.0%-36.5%(vol)。 纯品略带乙醇味，粗品刺鼻难闻。有毒可直接侵害人的肢体细胞组织特别是 侵害视觉神经网膜，致使失明。正常人一次饮用 4-10g 纯甲醇可产生严重中毒。 饮用 7-8g 可导致失明，饮用 30-100g 就会死亡。 （3）作用与用途：甲醇是最简单的饱和醇，也是重要的化学工业基础原料 和清洁液体燃料，它广泛用于有机合成、医药、农药、涂料、染料、汽车和国 防等工业中。用于制造甲醛和农药（杀虫剂、杀虫螨） 、医药（磺胺类、合霉素 类）等的原料、合成对苯二甲酸二甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯的原料 年产 30 万吨合成甲醇分厂设计 8 之一、醋酸、氯甲烷、甲胺和硫酸二甲酯等多种有机产品等，并用作有机物的 萃取剂和酒精的变性剂等。基本作用是，用作有机原料、溶剂及防冻剂。主要 用于制甲醛、香精、染料、医药、火药、防冻剂等。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、硫酸二甲脂等多种有机产品，也是农药、医药的重要原料之一，经常作 为气相色谱和液相色谱分析的溶剂。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。 1.10 项目建设的目的及意义 能源和环境是世界经济和社会发展面临的两大主题。如何有效地解决由于 全球经济迅猛发展带来的能源危机和环境污染不但是全世界关注的焦点，也是 我国实施可持续发展的主要屏障。为了解决能源问题我国在石油替代燃料方面 做了大量工作。从我国“缺油、富煤”的能源结构特点看甲醇的发展前景广阔。 甲醇甲醇原料来源广泛、生产工艺成熟，主要来自煤化工和天然气合成可以利 用煤炭、天然气、煤层气、生物质等制成。本设计遵循“工艺技术可靠科学、 优化生产安全环保”的原则。通过设计可以加深对甲醇生产知识的掌握，将课 本知识实地应用于具体的设计中，使理论与实践得到一定的结合。对国内外的 甲醇生产工艺有了进一步的了解，对所学专业的使命感有了更深的认识。 年产 30 万吨合成甲醇分厂设计 9 第二章第二章 工艺方案的确定及流程模拟工艺方案的确定及流程模拟 2.1 概述 随着甲醇作为重要化工原料用途的日益拓宽和替代日趋紧张的汽油而用作 洁净燃料，甲醇在许多国家得以开发、推广和应用工业合成甲醇的工艺技术 得到了迅猛发展，并日趋成熟，特别是 20 世纪 6o 年代中期以后，为了降低甲 醇生产的投资、降低生产过程中的动力消耗、实现较温和的生产操作条件、改 善粗甲醇的质量和降低生产成本，人们成功研制了低压合成甲醇的铜基催化剂， 实现了高压合成法向低压合成法的转变，并使低压合成工艺得到迅速发展。低 压法台成甲醇生产工艺始于 1966 年，由英国帝国化学工业(ici)公司开发，简 称 ici 低压甲醇台成工艺；随后当时的西德鲁奇（lurgi)公司于 1 971 年开发 了另一种低压法合成甲醇工艺，简旅 i urgi 低压甲醇合成工艺。这两种低压法 台成甲醇工艺便成了以后低压合成甲醇的主要工艺。我国从 2o 世纪 7o 年代以 来所建的甲醇装置主要采用这两种工艺，如四 j1i 维尼纶厂和哈尔滨气化厂建 的 ici 低压甲醇合成装置；在齐鲁二化、濮阳和安阳等地相继建成了 lurg低 压甲醇合成装置。 随着这两种工艺在我国近几十年的推广应用，它们在技术方面的差异也日渐显 露出来，从前认为 ici 反应器可实现单台大规模生产，i urgi 反应器由于制造 困难而难于放大。现在由于机械制造技术的不断改进，国内 i urg反应器单台 能力已达 2o 万 ta。本文将着重从这两种工艺的流程情况、床层温度分布状 况、催化剂的使用效果及动力消耗等方面进行分析比较和初步探讨。 年产 30 万吨合成甲醇分厂设计 10 2.2 甲醇合成的反应及动力学分析 2.2.1 甲醇合成的反应 甲醇合成反应体系主要发生以下反应： co+ 2h2=ch3oh ( 1) co2+ 3h2=ch3oh+ h2o ( 2) co2+ h2=co+ h2o ( 3) 由于其中只有两个为独立反应, 在进行化学平衡计算时只需考虑其中两个反应。 2.2.2 反应动力学分析 根据甲醇工学所提供的数据以及 aspenplus 所提供的物性计算方法和 化学反应动力学方法，可以采用以下简化方法进行甲醇合成系统的化学动力学 计算： 物性计算方法： bwr-ls 化学反应方程： 23 co+2hch oh .cat 2232 co +3hch oh+h o .cat 反应速率方程： 23 2222 2 1 13 3 1 kmol/ms 1 () cohch oh p co cocococohh kp pp k r kpkpkp 2232 2 2222 3 2 23 4 1 kmol/ms 1 () cohch ohh o p co cocococohh kpppp k r kpkpkp 在 si 制下，速率方程式中各系数可表为： 速率常数： 年产 30 万吨合成甲醇分厂设计 11 7 1633 1 5 043 10 6 175 10kmol/ms pa . .exp()k rt 7 2034 2 6 997 10 6 296 10kmol/ms pa . .exp()k rt 平衡常数：p = 5 mpa 4 1 1 75 7071 3818 103 2095ln.ln p kt t 3 2 1 81 2469 9079 104 4263ln.ln p kt t 吸附系数： 4 1 5 35763 1 309 10ln. co k t 2 3 1 21 648512 257 10ln. co k t 2 31 12 19395 1 585 10ln. h k t 反应动力学，它主要研究作用于物体的力与物体运动的关系。动力学的研究对 象是运动速度远小于光速的宏观物体。动力学是物理学和天文学的基础，也是 许多工程学科的基础。 2.3 合成工艺 2.3.1 甲醇生产工艺 （1）甲醇生产工艺国内国外的发展情况 1661 年英国化学家 r.波义耳首先在木材干馏后的液体产物中发现甲醇，故 甲醇俗称木精、木醇。在自然界只有某些树叶或果实中含有少量的游离态甲醇， 绝大多数以酯或醚的形式存在。1857 年法国的 m贝特洛在实验室用一氯甲烷 在碱性溶液中水解也制得了甲醇。1923 年德国 basf 公司首先用合成气在高压 下实现了甲醇的工业化生产，直到 1965 年，这种高压法工艺是合成甲醇的唯一 年产 30 万吨合成甲醇分厂设计 12 方法。1966 年英国 ici 公司开发了低压法工艺，接着又开发了中压法工艺。 1971 年德国的 lurgi 公司相继开发了适用于天然气渣油为原料的低压法工艺。 从 70 年代中期起，国外新建装置大多采用低压法工