年产30万吨甲醇生产车间工艺初步设计Word格式.docx
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3生产能力:
3万t/a
4热源条件:
加热剂:
天然气燃烧及生产过程的废热
冷却剂:
循环水,进口温度≤30℃出口温度≤40℃
5生产时间:
全年连续生产330天,每天工作24小时,三班制。
6生产厂址:
洋浦工业开发区
7当场天候温度:
最高40℃,最低8℃,平均18—25℃
(三)设计任务
1.甲醇(工业一级)生产方法确定、工艺流程设计与论证
2.技术指标、工艺参数和操作条件确定与说明
3.工艺计算——物料衡算、热量衡算(应用SI制)
4.生产设备设计计算与选型。
重点:
合成塔和换热器设计计算与选型
5.设计结果汇总表
(1)技术指标、工艺参数和操作条件汇总表
(2)物料衡算汇总表
(3)热量衡算汇总表
(4)生产设备配置汇总表
6.设计绘图(计算机CAD绘制)
(1)带控制点工艺原理流程图一张(A3)。
(2)合成塔工艺条件图或结构尺寸图一份(A3)。
(3)换热器结构示意简图一张(A3)。
(4)生产车间平面、立面布置图一份(A3)。
要求:
设计绘图:
图形、图标、图幅符合《机械制图标准》要求。
7.设计说明书编写
内容包括:
设计任务书,目录,生产方案、工艺流程设计与论证,工艺技术参数、操作条件设计说明,工艺计算,生产设备设计与选型,设计结果汇总,环保措施或方案,经济效益估算,设计结果评析,参考文献,设计附表附图等。
(四)设计进度与时间安排
设计选题与准备阶段:
2007年11月12日---2007年11月23日;
设计实质进行阶段:
2008年2月27日---2008年5月28日。
1.查阅文献,完成开题报告3周(07.11.12—07.11.23)
2.文献检索、资料查阅3周(08.2.27—08.3.17)
3.甲醇生产工艺流程设计选择与论证2周(08.3.18—08.3.31)
4.工艺计算2周(08.4.1—08.4.14)
5.
定型设备的选择与非定型设备的设计计算2周(08.4.15—08.4.28)
6.甲醇生产车间设备布置2周(08.4.29—08.5.12)
7.设计绘图1周(08.5.13—08.5.19)
8.环保设计、经济效应估算、设计评析3天(08.5.20—08.5.22)
9.编写设计说明书、核对校正、检查1周(08.5.23—08.5.26)
10.答辩准备2天(08.5.27—08.5.28)
二、概述[1]
甲醇,分子式CH3OH,又名木醇或木精,纯品为无色透明略带乙醇香气的挥发性液体,粗品刺鼻难闻。
有毒,饮用后能使双目失明。
相对密度0.7914(d420),蒸气相对密度1.11(空气=1),熔点-97.8℃,沸点64.7℃,闪点(开杯)16℃,自燃点473℃,折射率nD(20℃)1.3287,表面张力(25℃)45.05mN/m,蒸气压(20℃)12.265kPa,粘度(20℃)0.5945mPa•s。
能与水、乙醇、乙醚、苯、酮类和大多数其他有机溶剂混溶。
蒸气与空气形成爆炸性混合物,爆炸极限为6.0%~36.5%(体积比)。
1923年德国BASF公司率先用合成气在高压下实现甲醇的工业化生产,直至1965年,其期间这种高压法工艺是合成甲醇的唯一方法。
于1966年后,随着甲醇工业化生产的发展,各种甲醇生产方法相继出现。
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。
由于低压法比高压法在能耗、装置建设和单系列反应器生产能力方面具有明显的优越性,所以从70年代中期起,国外新建装置大多采用低压法工艺。
世界上典型的甲醇合成工艺主要有英国的ICI工艺、德国的Lurgi工艺和日本的三菱瓦斯化学公司(MCC)工艺。
目前,国外的液相甲醇合成新工艺具有投资省、热效率高、生产成本低的显著优点,尤其是LPMEOHTM工艺,采用浆态反应器,特别适用于用现代气流床煤气化炉生产的低H2/(CO+CO2)比的原料气,在价格上能够与天然气原料竞争。
我国甲醇工业化生产始于1957年。
50年代末在吉林、兰州和太原等地建成了以煤或焦炭为原料来生产甲醇的装置。
60年代建成了一批中小型装置,并在合成氨工业的基础上开发了联产法生产甲醇的工艺。
70年代四川维尼纶厂引进了一套以乙炔尾气为原料的95千吨/年低压法装置,采用英国ICI技术。
1995年12月,由化工部第八设计院和上海化工设计院联合设计的200千吨/年甲醇生产装置在上海太平洋化工公司顺利投产,标志着我国甲醇生产技术向大型化和国产化迈出了新的一步。
2000年,杭州林达公司开发了拥有完全自主知识产权的JW低压均温甲醇合成塔技术,打破长期来被ICI、Lurgi等国外少数公司所垄断的局面,并在2004年获得国家技术发明二等奖。
2005年,该技术成功应用于国内首家焦炉气制甲醇装置上。
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,使甲醇的需求逐年大幅度上升。
为了更好地满足经济发展对甲醇产品的需求,较好的利用天然气资源,选择“甲醇生产工艺设计”作为毕业设计课题,目的在于通过对该课题的设计,掌握和熟悉甲醇生产过程各环节,更好地开展甲醇生产方法研究和开发甲醇生产工艺,为资源利用、产品优化探索新途径。
本设计选用的课题:
“30万t/a甲醇生产车间工艺初步设计”。
依据“任务书”规定的设计内容,进行生产方案、工艺流程设计,工艺计算和生产设备设计等。
本设计遵循:
“符合国情、技术先进、经济环保”的原则,在综合分析诸多甲醇生产方法的基础上,采用“以天然气为原料,经脱硫-二段转化-合成气,在低压下、固定管板列管合成塔中合成甲醇”的技术路线;
精甲醇的生产采用:
“三塔精馏工艺”。
此外,即严格控制“三废”的排放、空气中甲醇的含量以及保证生产安全、环境卫生等方面参照国内外先进经验和方法。
三、生产方案与工艺流程设计
3.1生产方案确定
在天然气经加热到380℃—400℃时,进入填装有钴钼催化剂和氧化锌的脱硫罐中脱去硫化氢及有机硫,使硫含量降到0.5微克每克以下,接着原料气配入水蒸气后于400℃下进入转化炉的对流段,进一步预热到500℃—520℃,然后进入装有镍催化剂的转化管,在管内继续被管外的燃烧气加热,进行转化反应。
离开转化管底部的温度为800℃—820℃,经吸收一些热量以后,使温度升到850℃—860℃,并配入少量水蒸气,然后与450℃的红旗混合进入二段转化炉,在顶部燃烧区燃烧,放热,温度升到1200℃左右[6]。
再通过催化剂床层继续转化并吸热,然后离开二段转化炉,即得所需合成气,合成气此时成分含量为CH40.19%,H268.81%,CO27.07%,CO23.45%,N20.33%,Ar0.09%。
然后合成气经热量吸收后,被压缩到5.14Mpa,加热为225℃后输入固定管板列管合成塔反应,合成塔出口甲醇浓度为3.0—4%。
出塔合成气与入塔气换热后进入甲醇冷却器。
用水冷却至40℃以下以冷凝出甲醇。
合成气于分离甲醇后循环使用。
甲醇分离器出来的粗甲醇经过三塔精馏,产品纯度可达到99.9%,即得合格的精甲醇产品。
3-2工艺流程设计与论证
经综合分析甲醇生产的各种工艺路线,本设计选用:
以天然气为原料,经脱硫-二段转化-合成气,在低压下、固定管板列管合成塔中合成甲醇;
精甲醇的生产采用“三塔精馏工艺”的技术路线。
3-2-1工艺流程简图
图1天然气甲醇的简单工艺流程
工艺流程简述:
首先是采用凯洛格法气化工艺将原料天然气转化为合成气;
原料天然气先用ZnO脱硫,再通过二段转化炉变为合成气;
其次就是甲醇的合成,将合成气加压到5.14Mpa,升温到225℃后输入列管式等温反应器中,在C302催化剂的作用下合成甲醇,再就是甲醇的精馏,本工艺采用三塔精馏工艺将粗甲醇精制得到精甲醇「7」。
3-2-2C302甲醇催化剂的主要特性:
催化剂的主要化学组成:
CuO≥50%.ZnO≥25%n.Al2O3≥4%,还添加少量助剂.杂质Na2O<
0.2%;
催化剂外形尺寸Ф5mm×
5mm;
堆密度1.2—1.5kg/L;
机械破碎强度>
100N/cm2。
3-2-3甲醇精馏工艺流程
1、工艺流程简图:
(?
)
2、工艺流程简述:
来自甲醇合成装置的粗甲醇(40℃,0.4MPa),通过预塔进料泵,经粗甲醇预热器加热至65℃,进入预精馏塔,预塔再沸器用0.4MPa的低压蒸汽加热,低沸点的杂质如二甲醚等从塔顶排出,冷却分离出水后作为燃料;
回收的甲醇液通过预塔回流泵作为该塔回流液。
预精馏塔底部粗甲醇液经加压塔进料泵进入加压精馏塔,加压塔再沸器以1.3MPa低压蒸汽作为热源,加压塔塔顶馏出甲醇气体(0.6MPa,122℃)经常压塔再沸器后,甲醇气被冷凝,精甲醇回到加压塔回流槽,一部分精甲醇经加压塔回流泵,回到加压精馏塔作为回流液,另一部分经加压塔甲醇冷却器冷却后进入精甲醇计量槽中。
加压精馏塔塔底釜液(0.6MPa,125℃)进入常压精馏塔,进一步精馏。
常压塔再沸器以加压精馏塔塔顶出来的甲醇气作为热源。
常压精馏塔顶部排出精甲醇气(0.13MPa,67℃),经常压塔冷凝冷却器冷凝冷却后一部分回流到常压精馏塔,另一部分打到精甲醇计量槽内贮存。
产品精甲醇由精甲醇泵从精甲醇计量槽送至精甲醇贮罐装置。
3、工艺说明:
(1)为防止粗甲醇中含有的甲酸、二氧化碳等腐蚀设备,在预塔进料泵后的粗甲醇溶液中配入适量的烧碱溶液,用来调节粗甲醇溶液的PH值。
(2)甲醇精馏系统各塔排出的不凝气进入燃料气系统。
(3)由常压精馏塔底部排出的精馏残液经废水冷却器冷却至40℃后,由废水泵送到生化处理装置。
(4)由甲醇精馏来的精甲醇贮存到精甲醇贮槽中。
精甲醇贮槽为两台30000m3的固定贮罐,贮存量按15天产量计。
五、物料衡算
5-1工艺技术参数
5-1-1合成工段的工艺参数[2][3]
参阅某化学工程公司的甲醇合成厂的工艺参数资料。
具体数据为入塔压力5.14MPa,出塔压力4.9MPa,副产品蒸汽压力3.9MPa,入塔温度225℃,出塔温度255℃。
年产300000吨甲醇,年开工日为330天,日产为909.09吨,建设期为2年。
5-1-2产品质量标准
本产品(精甲醇)执行国家GB338—92标准,具体指标见表1:
[4]
表1产品指标
项目
指标
优等品
一等品
合格品
色度(铂—钴),号≤
5
10
密度(200C),g/cm3
0.791—0.792
0.791—0.793
沮度范围(00C,101325Pn),0C
沸程(包括64.6±
0.10C),0C≤
64.0-65.5
0.8
1.0
1.5
高锰酸钾试验,min≥
50
30
20
水溶性试验
澄清
水分含量,%≤
0.10
0.15
酸度(以HCOOH计),%≤
或碱度(以NH3计),%≤
0.0015
0.003
0.005
0.0002
0.0008
羰基化合物含量(以CH2O计),%≤
0.002
0.01
蒸发残渣含量,%≤
0.001
5-1-3原料天然气规格[5]
原料天然气的成份分析为V%:
CH497.93、C2H60.71、C3H80.04、CO20.74、N20.56其他杂质0.02。
5-2精馏工段
工厂设计为年产精甲醇30万吨,开工时间为每年330天,采用连续操作,则每小时精甲醇的产量为37.89吨,即37.89t/h。
通过三塔高效精馏工艺,精甲醇的纯度可达到99.9%,符合精甲醇国家一级标准。
三塔精馏工艺中甲醇的收率达97%。
则入预精馏塔的粗甲醇中甲醇量37.89/0.97=39.06t/h。
由粗甲醇的组成通过计算可得下表:
表2粗甲醇组成
组分
百分比
产量
甲醇
93.40%
1220.25kmol/h即27333.6m3/h
二甲醚
0.42%
3.81kmol/h即85.5m3/h
高级醇(以异丁醇计)
0.26%
1.47kmol/h即32.91m3/h
高级烷烃(以辛烷计)
0.32%
1.17kmol/h即26.28m3/h
水
5.6%
130.08kmol/h即2913.54m3/h
粗甲醇
100%
41.82t/h
注:
设计中的体积都为标准状态下的体积
计算方法:
粗甲醇=39.06/0.9340=41.82t/h
二甲醚=41.82×
1000×
0.42%=175.64kg/h即3.81kmol/h85.5m3/h
高级醇(以异丁醇计)=41.82×
0.26%=108.72kg/h即1.47kmol/h,32.91m3/h
高级烷烃(以辛烷计)=41.82×
0.32%=133.83kg/h即1.17kmol/h26.28m3/h
水=41.82×
5.6%=2341.92kg/h即130.08kmol/h2913.54m3/h
图2合成物料流程图
5-3合成工段
5-3-1合成塔中发生的化学反应:
主反应CO+2H2=CH3OH
(1)
CO2+3H2=CH3OH+H2O
(2)
副反应2CO+4H2=(CH3O)2+H2O(3)
CO+3H2=CH4+H2O(4)
4CO+8H2=C4H9OH+3H2O(5)
CO2+H2=H2O+CO(6)
8CO+17H2=C8H18+8H2O(7)
5-3-2工业生产中测得低压时,每生产一吨粗甲醇就会产生1.52m3(标态)的甲烷,即设计中每小时甲烷产量为2.85kmol/h,63.57m3/h。
5-3-3由于甲醇入塔气中水含量很少,忽略入塔气带入的水。
由反应(3)、(4)、(5)、(6)得出反应
(2)、(7)生成的水分为:
130.08-2.85-3.81-1.47×
3-1.17×
8=109.59kmol/h
由于合成反应中甲醇主要由一氧化碳合成,二氧化碳主要发生逆变反应生成一氧化碳,且入塔气中二氧化碳的含量一般不超过5%,所以计算中忽略反应
(2)。
则反应(6)中由二氧化碳反应生成了109.59kmol/h,即2454.81m3/h的水和一氧化碳。
5-3-4粗甲醇中气体溶解量查表5Mpa、40℃时,每一吨粗甲醇中溶解其他组成如下表:
表3每吨粗甲醇中合成气溶解情况
气体
H2
CO
CO2
N2
Ar
CH4
溶解量(m3/t粗甲醇)
4.364
0.815
7.780
0.365
0.243
1.680
则粗甲醇中的溶解气体量为:
H2=41.82×
4.364=182.50m3/h即8.16kmol/h
CO=41.82×
0.815=34.08m3/h即1.53kmol/h
CO2=41.82×
7.780=325.26m3/h即14.52kmol/h
N2=41.82×
0.365=15.27m3/h即0.69kmol/
Ar=41.82×
0.243=10.17m3/h即0.15kmol/h
CH4=41.82×
1.680=70.23m3/h即3.15kmol/h
5.3.5粗甲醇中甲醇扩散损失
40℃时,液体甲醇中释放的溶解气中,每立方米含有37014g的甲醇,假设减压后液相中除二甲醚外,其他气体全部释放出,则甲醇扩散损失
G=(182.5+325.26+34.08+15.27+10.17+70.23)×
0.037014=23.7kg/h
即0.74kmol/h,16.58m3/h
5.3.6合成反应中各气体的消耗和生成情况
表4弛放气组成
CH3OH
组成
0.61%
81.82%
9.16%
3.11%
3.21%
0.82%
1.89%
表5合成反应中消耗原料情况
消耗项
单位
消耗原料气组分
反应
(1)
m3/h
24878.79
49757.58
反应(3)
171.0
342.00
反应(4)
63.57
190.71
反应(5)
131.61
263.28
反应(6)
210.30
反应(7)
(2454.81)
2454.81
括号内的为生成量;
反应
(1)项不包括扩散甲醇和弛放气中甲醇消耗的原料气量
表6合成反应中生成物情况
生成项
生成物组分
(CH3O)2
C4H9OH
C18H18
H2O
85.50
32.91
98.70
26.28
表7其他情况原料气消耗
消耗项
粗甲醇中溶解
34.08
325.26
182.50
15.27
10.17
70.23
扩散的甲醇
16.56
33.15
弛放气
9.16%×
G
3.11%×
81.20%×
3.21%×
0.82%×
1.89%×
驰放气中甲醇
0.61%×
1.22%×
G为驰放气的量,m3/h。
5.3.7新鲜气和弛放气气量的确定
CO的各项消耗总和=新鲜气中CO的量,即
24878.79+171.00+63.57+131.61+210.30-2454.81+34.08+16.56+0.61%G+9.16%G
=23051.1+9.77%G
同理,原料气中其他各气体的量=该气体的各项消耗总和,由此可得新鲜气体中各气体流量,如下表:
表8新鲜气组成
气量
23051.1
+9.77%G
2780.07+
3.11%G
53672.1+
82.42%G
15.27+
3.21%G
10.17+
0.82%G
6.66+
1.89%G
新鲜气
79534.08+1.0183G
新鲜气中惰性气体(N2+Ar)百分比保持在0.42%,反应过程中惰性气体的量保持不变,(N2+Ar)=25.44+4.03%G,则
79534.08+1.0183G=(25.44+4.03%G)/0.42%
解得G=8566.80m3/h,即弛放气的量为8566.80m3/h,由G可得到新鲜气的量88257.66m3/h
由弛放气的组成可得出下表9和表10。
表9弛放气组成
气量m3/h
52.26
6956.22
784.71
266.46
274.98
70.29
161.88
表10新鲜气组成(合成气)
0.19%
68.81%
27.07%
3.45%
0.33%
0.09%
168.54
60731.58
23888.07
3046.53
290.25
80.43
5.3.8循环气气量的确定
G1=G3+G4+G5+G6-G7-G8
式中:
G1为出塔气气量;
G3新鲜气气量;
G4循环气气量;
G5主反应生成气量;
G6副反应生成气量;
G7主反应消耗气量;
G8副反应消耗气量;
G5=24878.79+16.56+0.61%×
8566.80=24947.60
G6=85.50+85.50+63.57+63.57+32.91+98.7+26.28+210.30+2454.81+2454.81=5575.8
G7=24878.79+4976.58+16.56+33.12+0