年产30万吨甲醇毕业设计.docx

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年产30万吨甲醇毕业设计

年产30万吨甲醇毕业设计

摘要

甲醇是由CO和H2合成的，本设计分析了操作条件：

温度、压力、原料气组成、空速和惰性气体对甲醇生产的影响，本设计采用煤为原料，通过GSP气化工艺将原料煤气转化为合成气，通过变换和NHD脱硫脱碳工艺把合成气转化为满足甲醇合成条件的原料气，在列管式等温反应器中合成甲醇，本设计采用XNC-98型催化剂，利用三塔精馏工艺将生成的粗甲醇精制后得到精甲醇。

设计的主要内容包括能量衡算和主要设备的选型，能量衡算有物料衡算和热量衡算，主要设备包括甲醇合成塔和精馏塔。

关键词：

甲醇；合成；精馏

Abstract

MethanolconsistsofCOandH2，thisdesignanalysistheeffectsofoperationconditions:

temperature,pressure,thegasmaterialcomposition,airspeedandinertgas,thisdesignusesthecoalasrawmaterial,throughtheGSPgasificationprocesswillrawmaterialsgasintosnags,throughthetransformationandNHDdesulfurizationprocessintothedecarburizationsnagsmethanolsynthesisconditionsmeetgasmaterial,inthetubetypeofmethanolsynthesisisothermalreactor,thisdesignusestheXNC-98typecatalyst,usethreetowerdistillationprocesswillcreatethethickmethanolblendedgetfinemethanol.Thedesignofthemaincontentsincludeenergycalculationandmajorequipmentselection,energybalancecalculationshavematerialcalculationandheatbalancecalculations,themainequipmentincludingmethanolsynthesistowerandrectifyingtower.

Keywords：

Methanol；Synthesis；Rectification

第1章概述

由于我国石油资源短缺，能源安全已经成为不可回避的现实问题，寻求替代能源已成为我国经济发展的关键。

甲醇不仅是重要的化工原料，而且还是性能优良的能源和车用燃料。

随着石油和天然气价格的迅速上涨，煤制甲醇更加具有优势。

本设计遵循“工艺先进、技术可靠、配置科学、安全环保”的原则，结合甲醇的性质特征设计年产30万吨煤制甲醇的生产。

甲醇由H2和CO合成，是最简单的饱和一元醇，俗称木醇、木精，化学式CH3OH,无色澄清液体,微有乙醇样气味,易挥发,易流动；燃烧时无烟有蓝色火焰；能与多种化合物形成共沸混合物。

本次设计主要包括三个部分，第一部分是甲醇合成的工艺流程，第二部分是能量衡算，第三部分是主要设备的计算和选型。

第一部分有甲醇合成工艺和甲醇精馏工艺。

甲醇合成流程可概述为：

首先采用GSP气化工艺将原料煤气转化为合成气，然后通过变换和NHD脱硫脱碳工艺把合成气转化为满足甲醇合成条件的原料气，接着在XNC-98型催化剂的作用下合成甲醇，最后将生成的粗甲醇利用三塔精馏工艺精制后得到精甲醇。

第二部分包括物料衡算和能量衡算。

第三部分主要是甲醇合成塔和精馏塔的设计。

本设计采用固定管板列管合成塔，这种合成塔就是一台列管换热器，催化剂在管内，管间（壳程）是沸腾水，将反应热用于副产3.0MPa～4.0MPa的中压蒸汽。

精馏是利用不同物质的挥发度不同，将液体混合物进行多次部分气化，同时又把产生的蒸汽多次部分冷凝，使混合物分离到所要求组分的操作过程。

甲醇精馏采用三塔精馏工艺，其具有精馏能耗低，操作稳定，产品质量还等突出优点，但操作相对比较复杂。

精馏塔选用的是板式塔，塔内填充适当高度的填料，以增加两种流体间的接触表面。

例如应用于气体吸收时，液体由塔的上部通过分布器进入，沿填料表面下降。

气体则由塔的下部通过孔隙逆流而上，与液体密切接触而相互作用。

结构比较简单，检修比较方便。

广泛应用于气体吸收、蒸馏、萃取等操作。

第2章工艺简介及影响因素

2.1甲醇合成工艺简介

图1-1甲醇合成工艺流程图

2.2操作条件对反应过程的影响

（1）温度

在甲醇合成反应过程中，温度对于反应混合物的平衡和速率都有很大影响。

对于反应来说，温度升高会使分子的运动加快，分子间的有效碰撞增多，并使分子克服化合时的阻力的能力增大，从而增加了分子有效结合的机会，使甲醇合成反应的速度加快。

但是，由于一氧化碳加氢生成甲醇的反应和由二氧化碳加氢生成甲醇的反应均为可逆的放热反应，对于可逆放热反应来讲，温度升高固然使反应速率常数增大，但平衡常数的数值将会降低。

因此，选择合适的操作温度对甲醇合成至关重要，所以必须兼顾上述两个方面，温度过低达不到催化剂的活性温度，则反应不能进行。

温度太高不仅增加了副反应，消耗了原料气，而且反应过快，温度难以控制，容易使催化剂衰老失活。

一般工业生产中反应温度取决于催化剂的活性温度，不同催化剂其反应温度不同。

另外为了延长催化剂寿命，反应初期宜采用较低温度，使用一段时间后再升温至适宜温度。

甲醇合成催化床层的操作温度主要是由催化剂的活性温度区决定的。

操作温度的控制同样是一个操作费用的控制问题，在设计中，需要延长催化剂的使用寿命，防止催化剂的迅速老化和活性衰减速度加快。

一般而言，在催化剂的使用初期，反应温度维持在较底的数值，随着使用时间的增加，逐步提高反应温度。

例如副产蒸汽型等温甲醇合成塔采用国产铜系催化剂，使用前期，可控制床层零点温度230～240℃，热点温度260℃左右；后期，可控制床层零点温度260～270℃，热点温度290℃。

设计采用的甲醇合成塔为列管式等温反应器，管间走的是沸腾水，可以副产蒸汽，床层内温差很小，接近最佳温度操作曲线。

设计中采用的甲醇合成催化剂为国产的铜系XCN-98，由它的性质可知：

适合使用的温度范围为200～290℃。

（2）压力

压力是甲醇合成反应过程的重要工艺条件之一。

甲醇合成反应时分子数变少，因此增加压力对反应有利，由于压力高，组分的分压提高，因而催化剂的生产强度也提高，操作压力的选用与催化剂的活性有关。

早期的高压法合成甲醇工艺采用的是锌基催化剂，由于活性差，需要在高温高压下操作，其操作压力为25～35Mpa，操作温度350～420℃。

较高的压力和温度下，一氧化碳和氢生成甲烷、异丁醇等副产物，这些副反应的反应热高于甲醇合成反应，使床层温度提高，副反应加速，如果不及时控制，会造成温度猛升而损坏催化剂。

近年来普遍使用的铜基甲醇合成催化剂，其活性温度范围在200～300℃，有较高的活性，对于规模小于30万吨/a的工厂，操作压力一般可降为5Mpa左右；对于超大型的甲醇装置，为了减少设备尺寸，合成系统的操作压力可以升至10Mpa左右。

本设计采用的是低压法（入塔压强为5.14MPa）合成甲醇。

（3）气体组成

氢与一氧化碳合成甲醇的化学当量比为2，与二氧化碳合成甲醇的化学当量比为3，当一氧化碳与二氧化碳都有时，对原料气中氢碳比要求为f=（H2-CO2）/（CO+CO2）=2.10～2.15,当原料气组成偏离上述值时应调节氢碳比，原料气中氢气过多时，需要在转化前或转化后加入二氧化碳调节合理氢碳比；当氢碳比太低时，需要设置变换工序使过量的一氧化碳变换为氢气，再将过量的二氧化碳除去。

甲醇合成原料气中应保持一定量的二氧化碳，一定量二氧化碳的存在能促进铜基催化剂上甲醇合成的反应速率，适量二氧化碳可使催化剂呈现高活性，此外，在二氧化碳存在下，甲醇合成的热效应比无二氧化碳时热效应要小，催化床温度易于控制，这对防止生产过程中催化剂超温及延长催化剂寿命是有利的。

但是，当二氧化碳含量过高时，会造成粗甲醇中含水量增多．降低压缩机生产能力，增加气体压缩与精馏粗醇的能耗。

二氧化碳在原料气中的最佳含量，应根据甲醇合成所用的催化剂与甲醇合成操作温度作相应调整。

在使用锌-铬催化剂的高压合成装置中，原料气含二氧化碳4～5％时，催化剂寿命与生产能力不受影响，合成设备操作稳定而且可以自热，但是粗甲醇含水量为14～16％。

因此，对于锌-铬催化剂上甲醇合成反应，原料气中二氧化碳低于5％为宜。

在采用铜基催化剂时，原料气中二氧化碳可适当增加，可使塔内总放热量减少，以保护铜基催化剂不致过热，延长催化剂使用寿命。

（4）空速

空速的大小意味着气体与催化剂接触时间的长短，在数值上，空速与接触时间互为倒数。

一般来说，催化剂活性愈高，对同样的生产负荷所需的接触时间就愈短，空速愈大。

甲醇合成所选用的空速的大小，既涉及合成反应的醇净值、合成塔的生产强度、循环气量的大小和系统压力降的大小，又涉及到反应热的综合利用。

当甲醇合成反应采用较低的空速时，气体接触催化剂的时间长，反应接近平衡，反应物的单程转化率高。

由于单位时间通过的气量小，总的产量仍然是低的。

由于反应物的转化率高，单位甲醇合成所需要的循环量较少，所以气体循环的动力消耗小。

当空速增大时，将使出口气体中醇含量降低，即醇净值降低，催化剂床层中既定部位的醇含量与平衡浓度增大，反应速度也相应增大。

由于醇净值降低的程度比空速增大的倍数要小，从而合成塔的生产强度在增加空速的情况下有所提高，因此可以增大空速以增加产量。

但实际生产中也不能太大，否则会带来一系列的问题：

（1）提高空速，意味着循环气量的增加，整个系统阻力增加，使得压缩机循环功耗增加。

（2）甲醇合成是放热反应，依靠反应热来维持床层温度。

那么若空速增大，单位体积气体产生的反应热随醇净值的下降而减少。

空速过大，催化剂温度就难以维持，合成塔不能维持自热则可能在不启用加热炉的情况下使床层温度跨掉。

国产铜基催化剂，一般要求气体空速在8000～20000h-1之间。

空速过低，结炭等副反应加剧，空速过高，系统阻力加大或合成系统投资加大，能耗增加，催化剂的更换周期缩短。

空速的选择需要根据每一种催化剂的特性，在一个相对较小的范围内变化。

XCN-98的空速要求为6000～15000h-1，本设计空速定为12000h-1。

（5）惰性气体（CH4、N2、Ar）的影响

合成系统中惰性气体含量的高低，影响到合成气中有效气体成分的高低。

惰性气体的存在引起CO、CO2、H2分压的下降。

合成系统中惰性气体含量，取决于进入合成系统中新鲜气中惰性气体的多少和从合成系统排放的气量的多少。

排放量过多，增加新鲜气的消耗量，损失原料气的有效成分。

排放量过少则影响合成反应进行。

调节惰性气体的含量，可以改变触媒床层的温度分布和系统总体压力。

当转化率过高而使合成塔出口温度过高时，提高惰气含量可以解决温度过高的问题。

此外，在给定系统压力操作下，为了维持一定的产量，必须确定适当的惰气含量，从而选择（驰放气）合适的排放量。

再生产操作初期，催化剂活性较高，循环气中惰性气体含量可控制在20%-30%，在生产操作后期，催化剂活性降低，循环气中惰性气体含量一般控制在15%-25%。

第3章甲醇生产工艺流程

3.1甲醇合成工艺流程

来自脱碳装置的新鲜气（40℃，3.4MPa）与循环气一起经甲醇合成气压缩机（C7001）压缩至5.14MPa后，经过入塔气预热器（E7001）加热到225℃，进入甲醇合成塔（R7001）内，甲醇