年产6万吨甲醇合成工艺设计化学工程与工艺毕业设计.docx
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年产6万吨甲醇合成工艺设计化学工程与工艺毕业设计
毕业设计说明书
设计题目：
年产6万吨甲醇合成工艺设计
学院：
化学工程学院
专业：
化学工程与工艺
目录
第1章概述3
1.1甲醇性质3
1.2甲醇用途3
1.4甲醇生产原料4
第2章工艺流程设计5
2.1合成甲醇工艺的选择5
2.1.1甲醇合成塔的选择6
2.1.2催化剂的选用6
2.1.3合成工序工艺操作条件的确定与论证6
2.2粗甲醇的精馏7
2.2.1精馏原理7
2.2.2精馏工艺和精馏塔的选择7
2.2.3精馏塔的选择8
2.2.4生产工艺参数8
第3章6万吨甲醇工艺的计算9
3.1工艺计算9
3.2计算基准9
3.3计算过程9
第4章6万吨甲醇合成工艺的分析10
4.1甲醇合成热力学分析10
4.2平衡常数11
4.3副反应12
4.4甲醇合成催化剂及反应条件12
4.1.1催化剂---------------------------------------------------------------12
4.1.2反应条件--------------------------------------------12
第5章6万吨甲醇合成装置物料和能量衡算14
5.1甲醇合成回路设计14
5.2合成系统物料衡算14
5.3合成反应器热量衡算条件-------------------------------16
5.4中间换热器热量衡算-------------------------------------18
第6章结论20
参考文献22
第1章概述
1.1甲醇性质
甲醇俗称木醇、木精，英文名为methanol，分子式CH3OH。
是一种无色、透明、易燃、有毒、易挥发的液体，略带酒精味；分子量32.04，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（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6.0％～36.5﹪（体积比）。
化学性质较活泼，能发生氧化、酯化、羰基化等化学反应。
1.2甲醇用途
甲醇是重要有机化工原料和优质燃料，广泛应用于精细化工，塑料，医药，林产品加工等领域。
甲醇主要用于生产甲醛，消耗量要占到甲醇总产量的一半，甲醛则是生产各种合成树脂不可少的原料。
用甲醇作甲基化试剂可生产丙烯酸甲酯、对苯二甲酸二甲酯、甲胺、甲基苯胺、甲烷氯化物等；甲醇羰基化可生产醋酸、醋酐、甲酸甲酯等重要有机合成中间体，它们是制造各种染料、药品、农药、炸药、香料、喷漆的原料，目前用甲醇合成乙二醇、乙醛、乙醇也日益受到重视。
甲醇也是一种重要的有机溶剂，其溶解性能优于乙醇，可用于调制油漆。
作为一种良好的萃取剂，甲醇在分析化学中可用于一些物质的分离。
甲醇还是一种很有前景的清洁能源，甲醇燃料以其安全、廉价、燃烧充分，利用率高、环保的众多优点，替代汽油已经成为车用燃料的发展方向之一；另外燃料级甲醇用于供热和发电，也可达到环保要求。
甲醇还可经生物发酵生成甲醇蛋白，富含维生素和蛋白质，具有营养价值高而成本低的优点，用作饲料添加剂，有着广阔的应用前景。
1.3甲醇生产工艺的发展
甲醇是醇类中最简单的一元醇。
1661年英国化学家R.波义耳首先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。
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ICI工艺、Lurgi工艺和三菱瓦斯化学公司（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。
我国的甲醇生产始于1957年，50年代在吉林、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95kt/a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200kt/a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拥的局面，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。
1.4甲醇生产原料
合成甲醇的工业生产是以固体（如煤、焦炭）、液体（如原油、重油、轻油）或气体（如天然气及其它可燃性气体）为原料，经造气、净化（脱硫）变换，除二氧化碳，配制成一定配比的合成气。
在不同的催化剂存在下，选用不同的工艺条件可单产甲醇（分高、中、低压法），或与合成氨联产甲醇（联醇法）。
将合成后的粗甲醇经预精镏脱除甲醚，再精镏而得成品甲醇。
自1923年开始工业化生产以来，甲醇合成的原料路线经历了很大变化。
20世纪50年代以前多以煤和焦碳为原料；50年代以后，以天然气为原料的甲醇生产流程被广泛应用；进入60年代以来，以重油为原料的甲醇装置有所发展。
对于我国，从资源背景看，煤炭储量远大于石油、天然气储量，随着石油资源紧缺、油价上涨，因此在大力发展煤炭洁净利用技术的背景下，在很长一段时间内煤是我国甲醇生产最重要的原料［4］。
第2章工艺流程设计
图1煤制甲醇的简单工艺流程
首先是采用GSP气化工艺将原料煤气化为合成气；然后通过变换和NHD脱硫脱碳工艺将合成气转化为满足甲醇合成条件的原料气；第三步就是甲醇的合成，将原料气加压到5.14Mpa，加温到225℃后输入列管式等温反应器，在XNC-98型催化剂的作用下合成甲醇，生成的粗甲醇送入精馏塔精馏，得到精甲醇。
然后利用三塔精馏工艺将粗甲醇精制得到精甲醇。
2.1合成甲醇工艺的选择
甲醇合成的典型工艺主要是：
低压工艺（ICI低压工艺、Lurgi低压工艺）、中压工艺、高压工艺。
甲醇合成工艺中最重要的工序是甲醇的合成，其关键技术是合成甲醇催化剂的和反应器，设计采用用的是低压合成工艺。
2.1.1甲醇合成塔的选择
目前，国内外的大型甲醇合成塔塔型较多，归纳起来可分为五种：
（1）冷激式合成塔
（2）冷管式合成塔
（3）水管式合成塔
（4）固定管板列管合成塔
（5）多床内换热式合成塔
综上所述和借鉴大型甲醇合成企业的经验，（大型装置不宜选用激冷式和冷管式），设计选用固定管板列管合成塔。
这种塔内甲醇合成反应接近最佳温度操作线，反应热利用率高，虽然设备复杂、投资高，但是由于这种塔在国内外使用较多，具有丰富的管理和维修经验，技术也较容易得到；外加考虑到设计的是年产6万吨的甲醇合成塔（日产量为200吨左右），塔的塔径和管板的厚度不会很大，费用也不会很高，所以本设计采用了固定管板列管合成塔。
2.1.3合成工序工艺操作条件的确定与论证
（1）操作温度
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。
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）操作压力
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。
设采用的是低压法（入塔压强为5.14MPa）合成甲醇。
（3）气体组成
对于甲醇合成原料气，即合成工序的新鲜气，应维持f=（H2-CO2）/（CO+CO2）=2.10～2.15,并保持一定的CO2。
由于新鲜气中（H2-CO2）/（CO+CO2）略大于2，而反应过程中氢与一氧化碳、二氧化碳的化学计量比分别为2:
1和3:
1，因此循环气中（H2-CO2）/（CO+CO2）远大于2。
合成塔中氢气过量，对减少副反应是有利的。
甲醇合成过程中，需要一定的二氧化碳存在以保持催化剂的高活性。
一般不超过5%。
（4）空速:
空速不仅是一个和合成回路气体循环量相关联的工艺控制参数，也是一个影响综合经济效益的变量。
甲醇合成过程中，首先甲醇合成塔内的气体空速必须满足催化剂的使用要求，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。
2.2粗甲醇的精馏
在甲醇合成时，因合成条件如压力、温度、合成气组成及催化剂性能等因素的影响，在产生甲醇反应的同时，还伴随着一系列的副反应。
所得产品除甲醇为，还有水、醚、醛、酮、酯、烷烃、有机酸等几十种有机杂质。
由于甲醇作为有机化工的基础原料，用它加工的铲平种类很多，因此对甲醇的纯度均有一定的要求。
甲醇的纯度直接影响下游产品的质量、消耗、安全生产及生产过程中所用的催化剂的寿命。
所以粗甲醇必须提纯。
2.2.1精馏原理
精馏是将沸点不同的组分所组成的混合液，在精馏塔中，同时多次部分气化和多次部分冷凝，使其分离成纯态组分的过程。
其分离的原理如下：
对于由沸点不同的组分组成的混合液，加热到一定温度，使其部分气化，并将气相与液相分离。
因低沸点组分易于气化，则所得气相中低沸点组分含量高于液相中的含量，而液相中高沸点组分含量，较气相中高。
若将气相混合蒸汽再部分冷凝下来，将冷凝液再加热到一定温度，使其部分气化，并将气相与液相分离，则所得气相冷凝液中的低沸点组分又高于原气相冷凝液。
如此反复，低沸点组分不断提高。
道最后制得接近纯态的低沸点组分。
2.2.2精馏工艺和精馏塔的选择
甲醇精馏按工艺主要分为三种：
双塔精馏工艺技术、带有高锰酸钾反应的精馏工艺技术和三塔精馏工艺技术。
双塔精馏工艺技术由于具有投资少、建设周期短、操作简单等优点，被我国众多中、小甲醇生产企业所采用。
其在联醇装置中得到了迅速推广。
带有高锰酸钾反应的精馏工艺技术仅在单醇生产中用锌铬为催化剂的产品中有应用。
近年来.随着甲醇合成铜基催化剂的广泛应用和气体净化水平的提高。
粗甲醇生产中的副反应减少和杂质的降低，此工艺流程己经很少采用。
三塔精馏工艺技术是为减少甲醇在精馏中的损耗和提高热利用率，而开发的一种先进、高效和能耗较低的工艺流程。
近年来在大、中型企业中得到了推广和应用。
2.2.3精馏塔的选择
精馏塔市粗甲醇精馏工序的关键设备，它直接制约着生产装置的产品质量、消耗、生产能力及对环境的影响。
所以要根据企业的实际条件选择合适的高效精馏塔。
四种塔中填料塔和新型垂直筛板性质更加优越，同时考虑到新型垂直筛板是一种新型塔，目前使用很少，技术难得，而填料塔使用较普遍，技术非常成熟，所以设计选用了填料塔。
2.2.4生产工艺参数
预塔：
入塔温度65℃，塔顶放空温度40℃，预精馏后甲醇比重维持在0.87，预精馏后甲醇pH值宜控制在8；加压塔：
塔底釜液压强0.6Mpa，温度125℃，塔顶气体压强0.6Mpa，温度122℃，常压塔：
塔顶气体压强0.13Mpa，温度67℃。
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参考文献
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