最新版年产20万吨煤制甲醇生产工艺初步设计可行性研究报告.docx
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最新版年产20万吨煤制甲醇生产工艺初步设计可行性研究报告
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年产20万吨甲醇项目可行性报告
目录
第一章绪论2
第一节、甲醇合成的基本概念2
一、甲醇性质2
二、甲醇用途2
三、甲醇生产工艺的发展3
四、甲醇生产原料3
第二节、甲醇的合成方法4
第三节、设计的目的和意义5
第四节、设计的依据5
一、邢台职业技术学院资源与环境工程系2011届课程设计选题5
二、设计的基础资料5
三、设计的指导思想5
第二章、甲醇合成工艺流程的设计6
第一节、甲醇合成塔的选择「6
第二节、催化剂的选用7
一、甲醇合成催化剂7
第三节、合成工序工艺操作条件的确定与论证10
第四节、粗甲醇的精馏11
第五节、精馏塔的选择15
第六节、生产工艺参数15
第七节、甲醇合成工艺流程的设计16
第三章、甲醇合成的工艺计算16
第一节、物料衡算17
一、精馏工段17
二、合成工段19
三、新鲜气的计算20
四、循环气气量的确定20
五、入塔气和出塔气组成20
第二节、能量衡算20
一、Q1入塔热的计算（Q1=Cm△t）21
二、出塔热的计算22
三、反应热的计算22
四、损失热的计算23
第三节、主要设备的计算和选型24
一、合成段工艺计算和设备选型24
二、精馏段工艺计算和设备选型25
（1）、传热设备的选型依据26
（2）、换热器和冷凝器计算结果和选型27
（3）、再沸器计算结果和选型29
（4）、预塔计算结果和选型30
（5）、预塔和加压塔间离心泵的计算和选型32
（6）、加压塔计算结果和选型34
（7）、常压塔计算结果和选型37
（8）、甲醇储罐的计算和选型38
第四章、厂址的选择及总平面图设计39
第一节、厂址的选择39
一、原料来源39
二、周围环境及交通39
三、地势条件41
四、气候条件41
五、水文条件42
第五章、车间规划及布置说明43
第一节、合成车间设备平面布置43
第二节、精馏车间设备布置43
第三节、分厂总平面布置44
第六章、公用工程及环境保护45
第一节、公用工程45
一、水﹑电和汽的来源45
二、精甲醇的运输﹑装卸和贮存45
三、自控仪表45
第二节、安全卫生45
一、车间有毒气体最高允许浓度及保证不超标的措施45
二、一氧化碳中毒的症状、急救及预防措施46
三、甲醇中毒症状和急救46
四、中毒症状46
五、急救处理46
第三节、三废处理46
一、甲醇生产对环境的污染47
二、处理方法47
第七章、设计结果评价48
参考文献49
设计任务书
一、设计目标
为某化工总厂设计一个20万吨年合成甲醇分厂。
二、设计基础条件
1、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
组份
CO
CO2
H2
N2
CH4
摩尔分率
28.2
3.2
67.8
0.5
0.3
2、产品规格：
达到国家标准（GB388-85）一级品质量标准，分厂生产控制指标为
组份
CH3OH
醛、酮总量
水分
摩尔分率
>0.999
<0.00005
<0.0007
3、排污要求：
①含醇气体用管道送至总厂锅炉房焚烧处理；
②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。
4、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。
5、厂址地形条件：
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。
二、工作内容及进度安排
1、工艺流程设计及模拟计算
1）工艺方案选择及论证（中压法、Lurgi式合成塔）
2）工艺流程模拟计算（用ASPENPLUS）
3）绘制带控制点工艺流程图
4）编制物料及热量平衡计算书
2.设备选型及典型设备设计
1）典型非标设备——精馏塔的工艺设计，编制计算说明书。
2）典型标准设备——换热器的选型设计，编制计算说明书。
3）编制设备一览表。
2.车间设备布置设计
选择合成车间或精制车间，进行车间布置设计
1）绘制车间平面布置图（不少于1张）
2）绘制车间立面布置图（不少于1张）
2、分厂总平面布置设计
1）对合成车间、精制车间、压缩车间、产品储罐区、中心控制室、分析化验室、行政管理及生活等辅助用房、设备检修区、分厂内部道路等进行合理的布置设计，并对方案进行必要的说明。
2）绘制分厂平面布置总图（1张）。
3、设计说明书编制
对设计内容汇总，按正规格式编写《初步设计说明书》。
作了具体设计的内容可详细一些，为作具体设计的内容可简略，但要保持格式正确完整。
6、提交设计文档
将仿真设计模型（*.bkp文件）、设计说明书、计算说明书、表格、图纸等设计文档汇总编目，每组写一份设计小结，目录、小结与设计文档一起上载到FTP站点Hand-in目录下自己小组的目录（自建）中。
注：
设计文档均要求用MS-Word编辑，图纸用AutoCAD绘制。
4、经济分析与评价
参考以下价格数据对设计方案进行经济分析与评价：
1）合成原料气：
0.5元Nm3
2）304不锈钢设备：
45000元t
3）中低压（≤4MPa）碳钢设备：
18000元t
4）高压碳钢设备价格：
20000元t
5）低压蒸汽（0.8MPa）：
100元t
6）中压蒸汽（4MPa）：
300元t
电：
0.6元kW，行程S=360mm，假设气体的流速为15ms，则设计第一级压缩机的气缸内径为：
500㎜，设计第二级压缩机的气缸内径为900㎜。
C、甲醇分离器（S201）
从分离器的出口物料来估算分离器的容积：
a、分离器顶部（气体）:
估算气体的体积流量：
b、分离器底部（液体）：
这里忽略气体部分，液体只考虑甲醇和水两部分，其中甲醇0.68，水0.32。
可估算液体的体积流量
该分离器为连续操作，故在分离器中的累积量为零。
设计分离器的裕度为30%。
气液相总体积流量：
4.55；
设计分离器的体积为：
6.5。
设计外形尺寸为2000×2600，设计压力为5.5MPa，设计温度为60℃。
D、甲醇闪蒸槽（V202）
a、闪蒸气部分：
可估算闪蒸气的体积流量为：
0.0154
b、粗甲醇部分：
可估算粗甲醇液体的体积流量：
0.02
由此可估算气液两相的总体积流量：
0.0354；
该闪蒸槽为连续操作，假设在闪蒸槽中累积几分钟的物料。
设计闪蒸槽的裕度为30%。
设计闪蒸槽的体积为：
15。
设计闪蒸槽的外形尺寸为：
；设计压力为：
5MPa；设计温度为：
60℃。
E、甲醇合成器（R201）
进入合成器的混合气的摩尔流量为：
33944.1495Kmols.则可估算单程的冷管数量：
=1575根
上下冷管数目一样，故总的冷管数为3150根。
根据文献资料，年产35万吨的甲醇，甲醇合成器大小选择为：
合成器的截面积为：
=8.0425㎡
则触煤层的面积可估算为：
6.5㎡
反应器触煤装填系数70%，估算触煤装填量：
则触煤装填量取58。
F、粗甲醇储槽（V201）
从甲醇闪蒸槽里出来的粗甲醇（15）摩尔流量为：
2108.62458Kmolh；
则可估算其体积流量为：
72.22
流程是连续操作的，这里假设储槽可以储存几分钟的粗甲醇量，且假设储槽的裕度为10%，由此估计储槽的体积为：
7。
设计储槽型式为：
卧式；外形尺寸为：
；设计压力为：
1.5MPa；设计温度：
60℃。
5.1.7闪蒸槽输送泵（P201）
已知液体的体积流量为：
假设离心泵进出口的流体不存在流速变化，则
假设：
，
设定管路参数如下：
由此可估算出管道的阻力为：
离心泵的压头为：
根据管路对泵提出的流量和压头选定泵的型号：
IS150—125—250，单级单吸离心泵。
台数：
2台，其中一台备用。
转速
1450rmin
流量
200m3h
扬程
20m
效率
81%
功率
18.5kW
必须气蚀余量
3m
质量泵底座
758158
二、精馏段工艺计算和设备选型
（1）、传热设备的选型依据
表3.8常用流体流速范围表
流体名称
流速范围（ms）
饱和蒸汽主管
支管
30~40
20~30
低压蒸汽<1.0MPa（绝压）
15~20
中压蒸汽1.0~4.0MPa（绝压）
20~40
高压蒸汽4.0~12.0MPa（绝压）
40~60
过热蒸汽主管
支管
40~60
35~40
一般气体（常压）
10~20
高压气体
80~100
氧气0.6~1.0MPa
1.0~2.0MPa
4.0~6.0
4.0~5.0
压缩空气0.1~0.2MPa
10~15
氮气5.0~10.0MPa（绝压）
2~5
锅炉给水0.8MPa以上
>3.0
蒸汽冷凝水
0.5~1.5
盐水
1.0~2.0
根据
（5-3）
其中Q为热负荷，m为流体的质量流率，Cp为比热容，K为传热系数，A为传热面积
在计算中，校正系数在0.8~1.0之间，为了保证一定的换热裕度，在这次的选型计算中，校正系数都取
（5-4）
因此
由化工工艺手册查得传热系数的估计值取
加热时
冷却时
并且假设在冷凝过程中只有甲醇和水发生相变化
相变焓的数值如下：
甲醇相变焓为1129kgmol，水的相变焓为2258.4kgmol
根据软件模拟的物性数据和传热计算公式和经验值，我们进行了换热设备的简捷计算，为了保证设备能够达到应有的换热效果，在估算时，我们在最后确定了一定的传热面积的裕度，这里换热器的裕度为15%，冷凝器的裕度为30%，再沸器裕度也为30%。
（2）、换热器和冷凝器计算结果和选型
计算过程中得到的参数和计算结果用下表表示：
表3.9换热器和冷凝器参数和计算结果
明细
单位
进料换热器
预塔冷凝器
加压塔冷凝器
常压塔冷凝器
F流体
kmolh
2108.5596
117.5
3808.4
2092.9
F冷凝
kmolh
0
83.9
2897.3
1594.6
W脱盐水
Kgh
20648.3254
30402.7838
947768.595
F脱盐水
kmolh
1147.1292
1689.0435
116145.1134
52653.8108
T1流体进
0C
114
62.1
114.7
64.7
T2流体出
0C
104
46.9
114.6
64.4
T1水进
0C
75
30
30
30
T2水出
0C
65
41
42
41
A理论
m2
54.6394
51.3035
927.6843
1057.2381
A估算
m2
64.2816
73.2907
1325.2633<常压塔再沸器
双效作用
1510.3401
根据上面的计算得到的换热面积和流体性质（高压流体，带腐蚀性且含有不凝性气体），查化工工艺手册可以得到以下设备类型候选
进料换热器E1的型号为FA500-67.6-50-4
表3.10FA500-67.6-50-4参数表
外壳直径Dmm
500
管子尺寸mm
19
公称压强pMpa
6．0
管长lm
6
公称面积m2
67．6
管数NT
192
管程数Np
4
管中心距tmm
25
管子排列方式
正三角形
中心排管
10
重量kg
3086
预压塔冷凝器C1的型号为FLA600-80.7-50-4
表3.11FLA600-80.7-50-4参数表
外壳直径Dmm
600
管子尺寸mm
19
公称压强pMpa
6．0
管长lm
4.5
公称面积m2
80．7
管数NT
308
管程数Np
4
管中心距tmm
25
管子排列方式
正三角形
中心排管
14
重量kg
4036
由于换热面积很大，所以采用两个换热器并联的方式
外壳直径Dmm
1200
管子尺寸mm
19
公称压强pMpa
6.0
管长lm
9
公称面积m2
764.2
管数NT
1452
管程数Np
2
管中心距tmm
25
管子排列方式
正三角形
中心排管
28
重量kg
20538
（3）、再沸器计算结果和选型
工业上优先考虑具有一系列突出优点和优良性能的立式热虹吸再沸器，立式热虹吸再沸器是利用它的单相釜液与换热器传热管内热汽液混合物的密度差形成循环推动力，构成工艺物流在精馏塔底与再沸器间的流动循环，这种再沸器具有传热系数高，结构紧凑，安装方便，占地面积小，设备及运行费用低等显著优点。
但是由于结构上的原因，壳程不能采用机械方法清洗，因此不宜用于高粘度或较脏的加热介质。
同时由于是立式安装，因而增加了塔的裙座高度。
对于换热面积大于800m2的，采用卧式热虹吸重沸器比较合适
再沸器的热流量可以一贯呈液体蒸发所需的热流量或以刻成蒸汽冷凝所释放的热流量为准。
由于我们采用中压蒸汽加热，所以加热介质不存在相态的改变，以釜液的相变热为基准进行计算。
因此可以得到计算结果表格如下：
表3.13再沸器选型参数
明细
单位
预塔再沸器
加压塔再沸器
常压塔再沸器
双效作用
蒸发总量
kgh
7684.3369
92550.8788
31238.5293
92905.1115
热负荷
M-kJh
11.3886
162.8161
69.7095
104.7953
换热量
M-kJh
11.3886
162.8161
69.7095
塔釜压力
kPa
150.00
590.00
141.00
塔釜温度
0C
80.0
127.7
105.9
蒸汽温度
0C
180
360
114.7
成品气出塔温度
蒸汽用量
kgh
25783.6
54662.1
总计
80445.7
传热面积
81.9324
622.6237
1392.8947
估算面积
102.42
778.28
1500
双效作用可适当减小裕度
根据上面的换热面积查手册可以得到如下选型
外壳直径Dmm
1200
管子尺寸mm
25
公称压强pMpa
6
管长lm
2
公称面积m2
110
管数NT
505
管程数Np
6
管中心距tmm
32
管子排列方式
正三角形
中心排管
27
壳程接管直径
125
管程接管直径
350
重量kg
4500
外壳直径Dmm
1400
管子尺寸mm
25
公称压强pMpa
1．6
管长lm
9
公称面积m2
795
管数NT
1148
管程数Np
6
管中心距tmm
32
管子排列方式
正三角形
中心排管
33
壳程接管直径
125
管程接管直径
350
重量kg
29142
外壳直径Dmm
1800
管子尺寸mm
19
公称压强pMpa
1．6
管长lm
9
公称面积m2
1647．5
管数NT
3140
管程数Np
6
管中心距tmm
25
管子排列方式
正三角形
中心排管
28
壳程接管直径
125
管程接管直径
350
重量kg
45538
（4）、预塔计算结果和选型
由于预塔仅起到脱除不凝性气体的作用，所以在这里我们采用的是圆盘形浮阀板式塔，它的优点是操作稳定，设备投资少，操作弹性大，处理量多。
综合了工业生产历史所给的数据和文献参数，我们的预塔计划采用F1型（V-1型）浮阀塔，由于轻阀泄漏量多，所以采用重阀（Z）。
塔板采
分块式的泡罩塔板。
取板间距为
查图得到
可以算出液泛气速
取液泛百分率为80%，可以计算出气速
气体所需流通面积
选择单流型塔板，取堰长
由查图得到溢流管面积和塔板总面积之比为
将D’圆整到D=1.4m作为初选塔径
实际泛点百分率为
板间距重新选择为
塔的总体高度（不包括裙座）为
因为预塔采用的是立式热虹吸再沸器长度约有3m，所以我们采用的裙座高度为3.2m
塔顶吊柱设比塔顶高1.8m，则塔的总高位
（5）、预塔和加压塔间离心泵的计算和选型
根据伯努力方程
离心泵的压头可以表达为
（5-5）
式子中
假设离心泵进出口的流体不存在流速变化，则
选取
所以离心泵压头为
转速
1450rmin
流量
7.5m3h
扬程
4.6m
效率
55%
功率
0.55kW
必须气蚀余量
2.5m
质量泵底座
3238
（6）、加压塔计算结果和选型
加压塔需要比较好的分离效果，根据工业的发展现状，金属丝网孔板波纹规整填料的填料精馏塔应用比较广泛。
表3.18500型（BX）填料的性质
波峰高
6.3mm
波距
10.2mm
边长
8.11mm
比表面积
500m2m3
当量直径
7.5mm
空隙率
90%
密度
250~140kgm3
液体喷淋密度
0.2~12m3（m2h）
HETP
200mm
理论级压降
40Pa
持液量
4.2%
分离高度
3~4m
F因子
2.0~2.4[ms（kgm3）0.5]
干填料因子
521m-1
每米填料为3~5个理论板，该填料操作弹性大，操作通量大
计算过程如下：
空塔气速为0.3~1.5ms
取液泛百分率为70%，可以计算出
设计气速
有效填料层高度为
所需塔径
一般的填料塔的直径不超过0.8m，因此，将加压塔改用500型（BX）填料进行填充
选择塔径为D=0.8m的填料塔，每米取3块金属丝网孔板波纹规整500型（BX）填料，人孔设置4个，塔的总体高度（不包括裙座）为
因为加压塔采用的是卧式热虹吸再沸器塔径约为1.2m，所以我们采用的裙座高度为3.2m
塔顶吊柱设比塔顶高1.8m，则塔的总高位
（7）、常压塔计算结果和选型
填料操作弹性大，操作通量大
计算过程如下：
空塔气速为0.3~1.5
取液泛百分率为70%，可以计算出
设计气速
有效填料层高度为
所需塔径
将常压塔改用500型（BX）填料进行填充，选择塔径为D=0.5m的填料塔，每米取4块金属丝网孔板波纹规整500型（BX）填料，人孔设置4个，塔的总体高度（不包括裙座）为
因为加压塔采用的是卧式热虹吸再沸器塔径约为1.8m，所以我们采用的裙座高度为3.2m
塔顶吊柱设比塔顶高1.8m，则塔的总高位
（8）、甲醇储罐的计算和选型
采用立式平底锥盖储罐，按照每2小时处理一次产品为标准，则产量为
如果采用2个储罐存放，则
公称容积
63
计算容积
62.9
工作容积
59.0
公称直径mm
3800
壁厚mm
8
高度mm
5400
设备重量kg
5650
第四章、厂址的选择及总平面图设计
第一节、厂址的选择
本设计小组设计总厂随甲醇合成分厂一同建于上海浦东张江高科技园区地段，建于川杨河一侧，另一侧靠总厂内公路，分厂宽度100m，长度160m。
上海市张江高科技园区成立于1992年7月，位于浦东新区中部，规划面积25平方公里，分为技术创新区、高科技产业区、科研教育区、生活区等功能小区。
1999年8月，上海市委、市政府颁布了“聚焦张江”的战略决策，明确园区以集成电路、软件、生物医药为主导产业，集中体现创新创业的主体功能。
自此，张江园区步入了快速发展阶段。
该科技园区具有充实的人才资源、技术资源和物质资源，为厂区提供了基本完善的建厂条件。
一、原料来源
建厂于上海浦东张江高科技园区，可以充分利用该科技园区的化工资源，用于甲醇合成反应的合成气由总厂供应，合成气来源于天然气、焦炉气、石油或煤等原料，利用张江高科的交通条件，原料可以很方便的运送至总厂，原料的数量和质量应满足建厂要求。
二、周围环境及交通
厂区周围具有良好的卫生环境，厂区附近无有害气体、粉尘和其他扩散性的污染源，厂址不设在有食品厂或制药厂的上游或附近。
该科技园区交通便利，运输快捷，为厂区提供有利的地理条件。
其主要交线路图如下：
（1）道路
园内与内环线相连，距南浦大桥3.6公里，距市中心人民广场13公里，距外滩商务区9公里，经市区主干线可直达机场、港口、火车站、商业中心。
园内北面的龙东大道是连接内环线和浦东国际机场的重要通道，西面的罗南大道是连接内环线和外环线主干道路。
（2）机场
园内距虹桥机场25公里，距离浦东国际机场21公里。
30分钟左右的车程便可抵达两机场，对于工厂的物资运输非常有利。
（3）港区
外高桥港区距园内25公里，距上集装箱码头30公里。
航线性遍及国内外，覆盖面广且密集，是中国最大的港口。
（4）火车
园内距上海火车站17公里。
上海有一百多条客货线路，从上海火车可直达全国各主要城市级香港特区。
（5）地铁
地铁二号线从虹桥机场途经张江到浦东国际机场，其中一期工程从张江高科技园区到中山公园，中途有世纪公园、东方路、陆家嘴、南京路、人民广场、静安寺等站并在人民广场与地铁一号线交汇；中山公园站可换乘轻轨明珠线。
为园内的出行带来了极大的便利。
以上的交通条件，为原料与产品的运输提供了极其便利的条件。
三、地势条件
地势应基本平坦，厂区标高应高出通常最高洪水水位和所靠河的最高水位，应能够保障排水顺利。
（1）地理位置
上海位于北纬31度14分，东经121度29分，地处太平洋西岸，亚洲大陆东沿，长江三角洲前缘，东濒东海，南临杭州湾，西接江苏、浙江两省，北界长江入海口，长江与东海在此连接。
上海正当我国南北弧形海岸线中部，交通便利，腹地广阔，地理位置优越，是一个良好的江海港口。
（2）地势
上海境内除西南部有少数丘陵山脉外，全为坦荡低平的平原，是长江三角洲冲积平原的一部分，平均海拔高度为4米左右。
陆地地势总体呈现由东向西低微倾斜。
大金山为上海境内最高点，海拔高度103.4米。
四、气候条件
上海地处江海交汇的长江三角洲东部，位于东亚季风盛行的北亚热带地区，属于北亚热带季风气候。
上海受冬夏季风进退的影响，常年11月至翌年2月盛行冬季西北风，气候寒冷干燥，4～8月盛行夏季东南风，暖热湿润，但7、8月间在西北太平洋副热带高压直接控制下，有时出现西南风高温干燥天气；3月和9月至10月的前期是季风转换的过渡季节，一般以东北风和东风为主，低温阴雨天气较多。
上海的主要气候特征：
冬冷夏热，四季分明，但冬季常有寒流；雨热同季，降水充沛，但变率较大；光温协调，日照较多，但年际多变。
据上海（1873～1994）年
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