年产10万吨煤合成甲醇的工艺设计.docx
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年产10万吨煤合成甲醇的工艺设计
精细化工工艺学
设计说明书
年产10万吨煤合成甲醇的工艺设计
起止日期：
2011年11月28日至2011年12月16日
学生姓名
班级
学号
成绩
指导教师（签字）
包装与材料工程学院（部）
2011年12月16日
目录
一、概述1
1.1甲醇的应用情况介绍1
1.2甲醇的合成方法1
1.2.1常用的合成方法1
1.2.2其他方法2
1.2.3本设计所采用的合成方法2
二．工艺概述2
2.1造气工段2
2.2净化工段3
2.3合成工段3
2.3.1合成工段工艺3
2.3.2反应热力学4
2.4精馏工段4
三．生产工艺及主要设备计算4
3.1合成塔物料平衡计算5
3.2合成塔能量计算9
3.3常压塔主要尺寸确定11
3.3.1.壁厚11
3.3.2.封头11
3.3.3裙座11
3.3.4塔高设计11
3.3.5接管设计12
3.3.5.1.塔顶甲醇蒸汽出口管12
3.3.5.2.回流液进口管12
3.3.5.3塔底出料管12
3.3.5.4进料管13
3.3.5.5.再沸器蒸汽入口管13
四．参考文献14
五．结束语15
一、概述
1.1甲醇的应用情况介绍
甲醇作为及其重要的有机化工原料，是碳一化学工业的基础产品，在国民经济中占有重要地位。
长期以来，甲醇都是被作为农药，医药，染料等行业的工业原料，但随着科技的进步与发展，甲醇将被应用于越来越多的领域。
1.2甲醇的合成方法
1.2.1常用的合成方法
当今甲醇生产技术主要采用中压法和低压法两种工艺，并且以低压法为主，这两种方法生产的甲醇约占世界甲醇产量的80%以上。
高压法：
（19.6-29.4Mpa）是最初生产甲醇的方法，采用锌铬催化剂，反应温度360-400℃，压力19.6-29.4Mpa。
高压法由于原料和动力消耗大，反应温度高，生成粗甲醇中有机杂质含量高，而且投资大，其发展长期以来处于停顿状态。
低压法：
（5.0-8.0Mpa）是20世纪60年代后期发展起来的甲醇合成技术，低压法基于高活性的铜基催化剂，其活性明显高于锌铬催化剂，反应温度低（240-270℃）。
在较低压力下可获得较高的甲醇收率，且选择性好，减少了副反应，改善了甲醇质量，降低了原料消耗。
此外，由于压力低，动力消耗降低很多，工艺设备制造容易。
中压法：
（9.8-12.0Mpa）随着甲醇工业的大型化，如采用低压法势必导致工艺管道和设备较大，因此在低压法的基础上适当提高合成压力，即发展成为中压法。
中压法仍采用高活性的铜基催化剂，反应温度与低压法相同，但由于提高了压力，相应的动力消耗略有增加。
1.2.2其他方法
目前，甲醇的生产方法还主要有①甲烷直接氧化法：
2CH4+O2→2CH3OH.②由一氧化碳和氢气合成甲醇，③液化石油气氧化法
1.2.3本设计所采用的合成方法
比较以上三者的优缺点，以投资成本，生产成本，产品收率为依据，选择中压法为生产甲醇的工艺，用CO和H2在加热压力下，在催化剂作用下合成甲醇，其主要反应式为：
CO+H2→CH3OH
二．工艺概述
总工艺路线图见图1-1。
2.1造气工段
（1）原料：
由于甲醇生产工艺成熟,市场竞争激烈,选用合适的原料就成为项目的关键,以天然气和重油为原料合成工艺简单，投资相对较少，得到大多数国家的青睐，但从我国资源背景看，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，在大力发展煤炭洁净利用技术的形势下，应该优先考虑以煤为原料,所以本设计选用煤作原料[2]。
图1-1甲醇生产工艺示意图
（2）工艺概述：
反应器选择流化床，采用水煤浆气化激冷流程。
原料煤通过粉碎制成65%的水煤浆与99.6%的高压氧通过烧嘴进入气化炉进行气化反应，产生的粗煤气主要成分为CO，CO2，H２等[3]。
2.2净化工段
由于水煤浆气化工序制得粗煤气的水汽比高达1.4可以直接进行CO变换不需加入其他水蒸气，故先进行部分耐硫变换，将CO转化为CO2，变换气与未变换气汇合进入低温甲醇洗工序，脱除H2S和过量的CO2，最终达到合适的碳氢比，得到合成甲醇的新鲜气[4]。
CO反应式：
1-1）
2.3合成工段
2.3.1合成工段工艺
流程图如图2-1。
合成反应要点在于合成塔反应温度的控制，另外，一般甲醇合成反应10～15Mpa的高压需要高标准的设备，这一项增加了很大的设备投资，在设计时，选择目前先进的林达均温合成塔，操作压力仅5.2MPa，由于这种管壳式塔的催化剂床层温度平稳均匀，反应的转化率很高。
在合成工段充分利用自动化控制方法，实行连锁机制，通过控制壳程的中压蒸汽的压力，能及时有效的掌控反应条件，从而确保合成产品的质量[5]。
合成主反应：
CO+2H2→CH3OH+102.37kJ/kmol1-2）
副反应：
2CO+4H2→（CH3O）2+H2O+200.3kJ/kmol1-3）
CO+3H2→CH4+H2O+115.69kJ/kmol1-4）
4CO+8H2→C4H9OH+3H2O+49.62kJ/kmol1-5）
CO+H2→CO+H2O-42.92kJ/kmol1-6）
除（1-5）外，副反应的发生，都增大了CO的消耗量，降低了产率，故应尽量减少副反应。
2.3.2反应热力学
一氧化碳加氢合成甲醇的反应式为：
CO+2H2
CH3OH（g）
这是一个可逆放热反应，热效应
。
当合成气中有CO2时，也可合成甲醇。
CO2+3H2
CH3OH（g）+H2O
这也是一个可逆放热反应，热效应
2.4精馏工段
精馏工段工艺流程图见图2-2。
合成反应的副产主要为醚、酮和多元醇类，本设计要求产品达质量到国家一级标准，因此对精馏工艺的合理设计关系重大，是该设计的重点工作。
设计中选用双塔流程，对各物料的进出量和回流比进行了优化，另外，为了进一步提高精甲醇质量，从主塔回流量中采出低沸点物继续进预塔精馏，这一循环流程能有效的提高甲醇的质量。
三．生产工艺及主要设备计算
工艺计算作为化工工艺设计，工艺管道，设备的选择及生产管理，工艺条件选择的主要依据，对平衡原料，产品质量，选择最佳工艺条件，确定操作控制指标，合理利用生产的废料，废气，废热都有重要作用。
3.1合成塔物料平衡计算
已知：
年产100000吨精甲醇，每年以300个工作日计。
精甲醇中甲醇含量（wt）：
99.95%
粗甲醇组成（wt）：
[Lurgi低压合成工艺]
甲醇：
93.89%
轻组分[以二甲醚（CH3）2O计]：
0.188%
重组分[以异丁醇C4H9OH计]：
0.026%
水：
5.896%
所以：
时产精甲醇：
Kg/h
时产粗甲醇：
Kg/h
根据粗甲醇组分，算得各组分的生成量为：
甲醇（32）：
Kg/h434.03kmol/h9722.22Nm3/h
二甲醚（46）：
27.796Kg/h0.604kmol/h13.536Nm3/h
异丁醇（74）：
3.844Kg/h0.052kmol/h1.164Nm3/h
水（18）：
871.74Kg/h48.43kmol/h1048.84Nm3/h
合成甲醇的化学反应为：
主反应：
CO+2H2
CH3OH+102.37KJ/mol……①
副反应：
2CO+4H2
（CH3）2O+H2O+200.39KJ/mol……②
CO+3H2
CH4+H2O+115.69KJ/mol……③
4CO+8H2
C4H9OH+3H2O+49.62KJ/mol……④
CO2+H2
CO+H2O-42.92KJ/mol……⑤
生产中，测得每生产1吨粗甲醇生成甲烷7.56Nm3,即0.34kmol，故CH4每小时生成量为：
7.56
14.78533=111.777Nm3，即4.987kmol/h，79.794Kg/h。
忽略原料气带入份，根据②、③、④得反应⑤生成的水的量为：
48.43-0.604-0.0520
3-4.987=42.683kmol/h，即在CO逆变换中生成的H2O为42.683kmol/h，即956.13Nm3/h。
5.06MPa，40℃时各组分在甲醇中的溶解度列表于表2-1
表2-15.06Mpa，40℃时气体在甲醇中的溶解度
组分
H2
CO
CO2
N2
Ar
CH4
溶解度
Nm3/t甲醇
0
0.682
3.416
0.341
0.358
0.682
Nm3/h
0
1.008
5.501
0.504
0.529
1.008
《甲醇生产技术及进展》华东工学院出版社.1990
据测定：
35℃时液态甲醇中释放CO、CO2、H2等混合气中每立方米含37.14g甲醇，假定溶解气全部释放，则甲醇扩散损失为：
（1.008+5.501+0.504+0.529+1.008）
=0.318kg/h
即0.0099kmol/h，0.223Nm3/h。
根据以上计算，则粗甲醇生产消耗量及生产量及组成列表2-2。
表2-2甲醇生产消耗和生成物量及组成
消耗
方式
单
位
消耗物料量
生成物料量
合计
CO
H2
CO2
N2
CH4
CH3OH
C4H9OH
（CH3）2O
H2O
消耗
生成
①式
kmol
434.
868.06
434.03
Nm3
9722.
19444.4
9722.22
29166.
9722.22
②式
kmol
1.208
2.416
0.604
0.604
Nm3
27.06
54.12
13.536
13.536
81.18
27.07
③式
kmol
4.987
9.974
4.987
4.987
Nm3
111.7
223.554
111.7
111.77
335.33
223.554
④式
kmol
0.208
0.416
0.052
0.156
Nm3
4.659
9.318
1.164
3.494
13.977
4.658
⑤式
kmol
<42.6
42.683
42.68
42.683
Nm3
<956.
956.13
956.1
956.13
956.13
956.13
气体溶解
Nm3
1.008
0
5.051
0.50
1.008
7.571
扩散损失
Nm3
0.211
0
0.422
<0.211>
0.633
0.211
合计
Nm3
18664.45
40194.86
961.603
0.504
110.769
19444.39
2.322
27.06
1101.933
59821.42
20686.502
消耗组成
%（v）
31.2
67.191
1.607
0.0008
生成质量
kg
27751.34
7.70
55.56
873.70
28688.3
生成组成
%（wt）
93.89
0.026
0.188
5.896
100
3.2合成塔能量计算
已知：
合成塔入塔气为220℃，出塔气为250℃，热损失以5%计，壳层走4MPa的沸水。
查《化工工艺设计手册》得，4MPa下水的气化潜热为409.7kmol/kg，即1715.00kJ/kg，密度799.0kg/m3，水蒸气密度为19.18kg/m3，温度为250℃。
入塔气热容见4-16。
表2-16 5MPa，220℃下入塔气除（CH3OH）热容
组分
CO
CO2
H2
N2
Ar
CH4
合计
流量Nm3
34894.77
10668.7
239349.67
7808.40
5627.28
11721.9
310070.86
比热：
30.15
45.95
29.34
30.35
21.41
47.05
/
热量：
kJ/
23580.65
10987.9
157396.59
5312.06
2700.69
12360.2
212338.19
比热（单位kJ/kmol℃）热量：
（kJ/℃）；查得220℃时甲醇的焓值为42248.46kJ/kmol，流量为749.391Nm3。
所以：
Q入=42248.46
+212338.19
220=2815007.35+46714401.8
=49529409.15kJ
出塔气热容除（CH3OH）见表2-17。
表2-175MPa，220℃下出塔气除（CH3OH）热容
组分
CO
CO2
H2
N2
Ar
CH4
C4H9OH
（CH3）2O
H2O
合计
流量：
17145.4
8751.20
198114.4
7805.78
5626.16
11941.6
2.322
27.06
2185.08
251599.2
比热：
30.13
46.58
29.39
30.41
21.36
48.39
170.97
95.85
83.49
热量：
11579.3
9138.40
130521.9
5321.88
2694.39
12951.5
8.90
59.71
4088.59
176365.7
其中各量单位是：
流量：
Nm3比热：
kJ/kmol℃热量：
kJ/℃；查得250℃时甲醇的焓值为46883.2kJ/kmol，流量为10471.692Nm3。
所以：
Q出=46883.2
+176365.71
250=21917251.36+44091421.5
=66008672.86kJ
由反应式得:
Q反应=[
102.37+
200.39+
115.69
+
49.62+
（-42.92）]
1000
=（88862.60+242.08+577.30+5.14-2130.80）
1000
=87556320kJ
Q热损失=（Q入＋Q反应）
5%=（49529409.15+87556320）
5%
=6854286.46kJ
所以：
壳程热水带走热量
Q传=Q入+Q反应-Q出-Q热
=49529409.15+87556320-66008672.86-6854286.46
=64222769.83kJ
又：
Q传=G热水r热水
所以:
G热水=
=37447.89kg/h
即时产蒸气：
=1952.45m3
3.3常压塔主要尺寸确定
3.3.1.壁厚
选用20尺钢为塔体材料，由于是常温常压操作，取壁厚Sn=10mm
3.3.2.封头
采用标准椭圆封头，材料为20R钢，壁厚与塔体相同，即：
Sn=10mm
hi=
1000=750mm，h0=60mm
3.3.3裙座
以Q235-A钢为裙座材料，壁厚为10mm，内径等于塔内径D=2600mm，高度为3m，裙座与简体的连接采用对焊不校核强度。
3.3.4塔高设计
塔釜高取Hb=3m，塔顶高为1.2m，顶接管高为350mm，板间距为350mm，开7个人孔，人孔处板间距为700mm。
塔高=3000+（750+60）+35
350+1200+350+3000+700
7
=25510mm
3.3.5接管设计
3.3.5.1.塔顶甲醇蒸汽出口管
由前面计算可知：
塔顶甲醇蒸汽流量为6583.6571kg/h，温度75℃，则体积流量为：
V=
=
=24786.79m3/h
蒸汽流速，取u=20m/s
则出口管面积S=
=0.3443m2
所以：
出口管径d1=
=0.6622m
即取d1=663mm
3.3.5.2.回流液进口管
已知回流液温度为40℃，甲醇液体流量为63960.896kg/h
查表知:
40℃=772.21kg/m3
所以：
其体积流量V=
=82.83m3/h
取液体流速u=1.5m/s
则回流液入口管径d2=
=
=0.1398m=139.8mm
即取d2=140mm
3.3.5.3塔底出料管
因塔底含醇1%，可近似为水，查表知0.13MPa，105℃下水的密度为954.7kg/m3，而塔底出料流量为27751.34kg/h，仍取流速为1.5m/s。
则出口管径：
d3=
=0.0828m
取出口管径d3=90mm。
3.3.5.4进料管
进料状态为124℃，0.67MPa，甲醇9259.914kg/h，水6730.31kg/h，查得此状态下水的密度为939.85kg/m3，而醇的比重0.690，即甲醇的密度为：
＝939.85
0.69＝1.105m3/h
所以：
进料体积流量为：
V=
=20.594m3/h
进料管流速取为u=1.5m/s，则进料管径：
d4=
=0.0697m
即取d4=70mm
3.3.5.5.再沸器蒸汽入口管
由前面计算可知：
再沸器蒸汽流量为23817.5kg/h，温度为105℃。
则体积流量为：
V=
=
=41040.14m3/h
蒸汽流速取u=10m/s，则入口管积S=
=0.57m2
所以：
入口管径d5=
=0.8521m
即取d5=853mm
四．参考文献
[1]赵国方编著《化工工艺设计概论》原子能出版社，1990
[2]天津大学物理化学教研室《物理化学》（上、下）高等教育出版社，1991
[3]刁玉玮等编《化工设备机械基础》大连理工大学出版社，1992
[4]杨福升等编《甲醇生产工艺与操作》石油化学工业出版社，1974
[5]天津大学化工原理教研室《化工原理》（上、下）天津科学技术出版社，1994
[6]天津大学等合编《基本有机化工分离工程》化学工业出版社，1995
[7]房鼎业等编《甲醇生产技术及进展》华东化工学院出版社，1990
[8]冯元琦主编《联醇生产》第二版，化学工业出版社，1994
[9]上海化学工业设计院石油化工设备设计建设组《化工设备图集》（Ⅳ，塔类），上海科技出版社，1974
[10]宋维端等编《甲醇工学》化学工业出版社，1991
[11]国家医药管理局上海医药设计院编《化工工艺设计手册》第二版（上、下）化学工业出版社，1996
五．结束语
大学四年的日子马上就要过去了，我们迎来了毕业设计前的演习，这也是课程设计，是我们通过大学四年的学习，总结所学课程的一次机会，也是对我们把理论知识用于实际生产的一次综合检测。
通过课程设计训练使自己进一步巩固加深所学的基础理论、基本技能和专业知识，使之系统化、综合化；在毕业设计中培养了自己独立工作、独立思考并运用已学的知识解决实际工程技术问题的能力，特别是获取新知识的能力；加强了对计算、绘图、实验方法、数据处理、编辑设计文件、使用规范化手册等最基本的工作实践能力的培养；训练了树立具有符合国情和生产实际的正确的设计思想和观与他人合作的工作作风。
但是由于时间短、工艺复杂，加上首次进行这样的大型设计，经验不足且水平有限，在本次设计中，缺点、错误在所难免，敬请各位老师指正。
我相信通过本次设计，这将是我以后在工作中的重要经验，在本次设计过程中，得到了各位指导教师及多位同学的热心帮助，在此表示谢意。
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