年产10万吨J甲醇精馏工艺设计

1、摘要甲醇作为重要的有机化工原料，是碳化工的基础产品，在国民经济中占有重要地位。长期以来，甲醇一直被用作农药、医药、染料等行业的工业原料，但随着科学技术的进步和发展，甲醇将被应用于越来越多的领域。甲醇是一种无色、透明、易燃、易挥发的有毒液体，有轻微的酒精气味。分子量为32.04，相对密度为0.792(20/4)，熔点为-97.8，沸点为64.5，闪点为12.22，自燃点为463.89，蒸气密度为1.11，蒸气压为13.33千帕(100毫微克21.2)，蒸气和空气混合物的爆炸下限为6 36。甲醇被广泛用作基础有机化学原料和优质燃料。主要用于精细化工、塑料等领域制造各种有机产品，如甲醛、醋酸、氯甲烷

2、、甲胺、硫酸二甲酯等。它也是杀虫剂和药物的重要原料之一。甲醇经过深加工后可以作为一种新的清洁燃料，还可以添加汽油燃烧。经过十多年的发展，我国甲醇工业的生产能力有了很大提高。1991年，中国的生产能力只有70万吨。截至2004年底，中国甲醇产能达到740万吨，117家生产企业生产甲醇440.65万吨。2005年甲醇产量达到500万吨，比2004年增长22.2%，进口量为99.1万吨，同比下降3.1%。与上世纪末相比，规模超过100万吨的新建甲醇不少。在2004年新建的14家甲醇厂中，333家、54家和2008年新建的甲醇厂，平均规模为134万吨/年，其中卡塔尔二期工程高达230万吨/年，规模最小

3、的是智利甲醇项目，生产能力为84万吨/年，上世纪末仍具有经济规模的约60万吨/年的甲醇厂因失去竞争力而相继关闭。大型甲醇生产厂必须有适合其规模的甲醇反应器和反应技术。传统的甲醇合成反应器包括ICI冷激反应器、Lungi管壳式反应器、Topsdpe径向流反应器等。最近新的甲醇合成反应器包括日本东洋项目的MRF-Z反应器等。而Lurgi引入的水冷与风冷相结合的新工艺出现在反应技术中。在通常的甲醇合成过程中，未反应的气体需要循环回反应器，而KPT建议将未反应的气体送至膜分离器并将气体分成富氢气体，前者用作燃料，后者返回反应器。传统甲醇合成采用气相法，存在单程原料转化率低、合成气净化成本高、能耗高的缺

4、点。相反，液相合成使用具有高比热容和高热导率的长链烷烃化合物作为反应介质，因此甲醇合成可以在等温条件下进行。关键词：设计过程综合第一章甲醇合成的基本概念3第1.1节常用合成方法3第1.2节甲醇合成路线3第1.3节甲醇合成的目的和意义6第1.4节本设计的主要方法和原则7第二章生产工艺及主要设备的计算9第2.1节甲醇生产中物料平衡的计算9第2.1.1节合成塔9物料平衡计算第2.1.2节粗甲醇蒸馏的物料平衡计算16第2.2节甲醇生产中能量平衡的计算19第一节2.2.1合成塔能量计算19第2.2.2节常压蒸馏塔20的能量平衡计算第2.3节主要设备的计算和选择23第2.3.1节常压蒸馏塔23的计算第2.

5、3.2节塔架直径的初步估算25第2.3.3节理论塔板数的计算27第2.3.4节塔内构件设计30第一节2.3.5塔盘流体力学计算32第2.3.6节托盘34的负载性能第2.3.7节常压塔36主要尺寸的确定第2.3.8节辅助设备39第三章主要设备图和工艺流程图39参考文献40致谢41第一章甲醇合成的基本概念1.1甲醇的合成方法1.常用的合成方法目前，甲醇生产技术主要采用中压法和低压法两种工艺，这两种方法生产的甲醇占世界甲醇产量的80%以上。高压法：(19.6-29.4兆帕)是生产甲醇的初始方法，采用锌铬催化剂，反应温度360-400，压力19.6-29.4兆帕。由于原料和动力消耗高，反应温度高，粗甲

6、醇中有机杂质含量高，投资大，高压法的发展长期处于停滞状态。低压法(5.0-8.0 Mpa)是20世纪60年代末发展起来的一种甲醇合成技术。低压法以高活性铜基催化剂为基础，其活性明显高于锌铬催化剂，反应温度低(240-270)。在较低的压力下，可以获得较高的甲醇收率，且选择性好，减少了副反应，提高了甲醇质量，降低了原料消耗。另外，由于压力低，功耗大大降低，工艺设备制造容易。中压法：(9.8-12.0 Mpa)随着甲醇工业的大型化，如果采用低压法，工艺管道和设备将会较大，因此合成压力将在低压法的基础上适当提高，即发展中压法。中压法仍使用高活性铜基催化剂，反应温度与低压法相同。然而，由于压力的增加，

7、相应的功耗略有增加。目前甲醇的生产方法主要有：甲烷直接氧化：2ch 4o 22ch 3oh；由一氧化碳和氢气合成甲醇；液化石油气的氧化2.本设计采用的综合方法对比上述三种方法的优缺点，从投资成本、生产成本和产品收率出发，选择中压法作为甲醇生产工艺，在催化剂的作用下，利用一氧化碳和H2在加热压力下合成甲醇。主要反应式为一氧化碳H2甲醇1.2甲醇合成路线1.常用的合成工艺虽然高活性铜基催化剂已经开发出来，甲醇合成已经从高压法向低压法转变，完成了甲醇合成技术的一次重大飞跃，但仍存在许多问题：反应器结构复杂；单向转化率低，气体压缩和循环能耗高；反应温度难以控制，反应器的热稳定性差。所有这些问题都表明甲

8、醇合成技术仍有很大的潜力，更新更高的技术正等着我们去开发。下面描述自1980年代以来取得的新成就。(1)气、液、固三相合成甲醇工艺由美国化学系统公司首次提出，采用三相流化床，液相为惰性介质，催化剂为ICI的铜锌改性催化剂。对液体介质的要求：在甲醇合成条件下具有良好的热稳定性和化学稳定性。它不仅是催化剂的硫化介质，也是反应吸热介质。甲醇在液相介质中的溶解度越小越好。产物甲醇以气相形式离开反应器。这种液体介质像三甲苯、液体石蜡和正十六烷。后来，Berty等人提出了相反的观点。除了热稳定性和化学稳定性之外，所用的液相介质要求甲醇在其溶液中的溶解度越大越好。产物甲醇以液相而不是气相的形式离开反应器，并

9、在反应器外分离。发现四乙二醇二甲醚是一种理想的液体介质。该液相中一氧化碳和H2的气液平衡常数很大，在相同条件下，铜锌铝催化剂上一氧化碳和H2的单程转化率高于气相。气液固三相工艺的优点是：反应器结构简单，投资少；由于介质的存在提高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；催化剂颗粒小，内部扩散的影响容易消除；甲醇合成的单程转化率高，可达15%-2%(2)液相甲醇合成工艺液相甲醇合成工艺的特点是采用活性较高的金属配合物催化剂。催化剂均匀分布在液相介质中，不受催化剂表面不均匀性和内部扩散的影响，反应温度低，一般不超过200。20世纪80年代中期，布鲁克海文国家实验室开发了一种具有Na

10、OH-RONa-M(OAc)2结构的高活性复合催化剂，其中M代表过渡金属Ni、Pd或Co，R代表低级烷基，当M为Ni时，当R为叔戊烷时，催化剂性能最佳，液体介质为四氢呋喃，反应温度为80 120，压力约为2MPa，合成气的单程转化率高于80%，甲醇选择性高达96%。当催化剂与族金属羰基配合物混合时，效果更好，能活化一氧化碳，抗硫性更好。当合成气中含有167010-6 H2S时，甲醇产率仍达到33%。Mahajan等人开发了一种由过渡金属络合物和醇盐组成的相容催化剂，例如四羰基以甲醇镍和甲醇钾、四氢呋喃为液相介质，反应温度125，一氧化碳转化率90%以上，选择性高达99%。目前，液相甲醇合成的研

11、究仍处于实验室阶段，尚未实现工业化，但它是一种很有前途的合成技术。这种方法的缺点是由于反应温度低，反应热不易回收；CO2和H2O容易使复合催化剂中毒，因此对合成气的要求非常严格，不能添加CO2和H2O，这需要进一步研究。(3)新型气相色谱-质谱-质谱联用反应器系统该系统采用一种新型反应装置，反应、吸附和产物交换交替进行。气-液-固滴流反应系统是指一氧化碳和H2在催化剂的作用下反应合成甲醇，甲醇立即被固体粉末吸附剂吸附并从反应系统中滴出。RSIPR是一个级间产物去除反应系统。当吸附气态甲醇的粉状吸附剂流入系统时，它与系统中的液相四乙二醇二甲醚进行交换，气态甲醇被液相吸附，然后四乙二醇二甲醚中的甲

12、醇被分离出来。这样，甲醇合成反应连续向右进行，一氧化碳单程转化率可达100%，气相反应物不循环使用。这项新技术仍在研究中，尚未投入工业生产。仍然有许多技术问题需要解决和改进。2.本设计的合成过程净化后的原料气经预热和加压后，在5 Mpa和220下自上而下进入鲁奇反应器，在铜基催化剂的作用下发生反应。出口温度约为250，甲醇含量约为7%。因此，原料气必须循环使用，因此合成工艺的配置原则如图2-2所示。甲醇合成是可逆的放热反应。为了达到高转化率，反应热应该快速除去。鲁奇管壳式反应器用于本设计中，反应气体在管程，沸水在壳程，压力为4兆帕。合成塔水冷却器甲醇分离塔循环器粗甲醇吹扫气体图1-1合成序列的

13、配置原理甲醇合成工艺流程(图)该工艺是由德国鲁奇公司开发的甲醇合成工艺。该工艺采用管壳式反应器，催化剂安装在管内，反应热通过管间沸水释放，副产物为高压蒸汽。甲醇合成原料加压至5.2兆帕(以15的比例混合)进行循环。混合气体在进入反应器之前与反应气体进行热交换，然后进入管壳式反应器进行反应。反应热转移到壳程的水中，产生的蒸汽进入汽包。出口气体温度约为250，含有约7%的甲醇，通过热交换冷却至40，冷凝的粗甲醇通过分离器分离。分离粗甲醇后的气体得到适当排放，系统中的惰性气体含量得到控制。这部分空气用作燃料，大部分气体进入涡轮压缩机增压后返回合成塔。合成塔的副产品蒸汽和外部补充的高压蒸汽进入过热器，

14、加热到50后甲醇是一种极其重要的有机化工原料，广泛应用于化工、医药、轻工、纺织和交通运输等行业，其衍生物具有广阔的发展前景。目前，我国甲醇深加工产品有120多种，以甲醇为原料的初级加工产品近30种。在化工生产中，甲醇可用于生产甲醛、醋酸、氯甲烷、甲胺、甲基叔丁基醚(MTBE)、聚乙烯醇(PVA)、硫酸二甲酯、对苯二甲酸二甲酯(DMT)、二甲醚、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯等。以甲醇为中间体的煤基化学品深加工产业：以甲醇为原料生产煤基化学品是C1未来化学工业的重要发展方向。如神华集团开发以甲醇为中间体的煤基化学品深加工，采用先进成熟的技术开发“甲醇-醋酸及其衍生物”；利用国外成功开发的MTO或MT

15、P先进技术，开发两个系列的“甲醇-烯烃及其衍生物”。作为替代燃料：近年来，汽车工业在中国取得了快速发展，这带来了能源供应问题。作为一种重要的能源，石油储量有限，而甲醇燃料因其安全、价格低廉、燃烧充分、利用率高和环保等诸多优点，已成为替代汽油的车用燃料发展方向之一。我国政府已经充分认识到发展汽车替代燃料的重要性，并在这一领域开展了工作。随着C1化学工业的发展，由甲醇合成乙二醇、乙醛和乙醇越来越受到重视。甲醇作为一种重要的原料，在敌百虫、甲基对硫磷和多菌灵等农药的生产以及医药、染料、塑料和合成纤维等行业中发挥着重要作用。甲醇也可通过生物发酵生产甲醇蛋白，可作为饲料添加剂，具有广阔的应用前景。1.4本设计的主要方法和原则造气部分：采用两步造气甲烷H2O(气体)一氧化碳3氢-205.85千焦/摩尔CH4 O2CO2 H2 109.45千焦/摩尔CH4 O2CO 2H2 35.6千焦/摩尔CH4 2O2CO2 2H2O 802.3千焦/摩尔合成部分在铜基催化剂的作用下，在5兆帕的压力下发生了一系列反应主要反应：CO 2H2CH3OH 102.37 kJ/kmol副反应：2CO 4H2(CH3O)2 H2O 200.3千焦/千摩尔一氧化碳3氢甲烷H2O 115.69千焦/千摩尔4CO 8 H2C4H 9OH 3H2O 49.62 kJ/kmol-(A)一氧化碳H2一氧化碳H