最新版年产8万吨甲醇的生产工艺设计毕业设计.docx
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最新版年产8万吨甲醇的生产工艺设计毕业设计
年产8万吨甲醇的生产工艺设计
Anannualoutputof80ktonsofmethanolprocessdesign
附录A
附录B
年产8万吨甲醇的生产工艺设计
摘要：
甲醇是一种极重要的有机化工原料，也是一种燃料，是碳一化学的基础产品，在国民经济中占有十分重要的地位。
近年来，随着甲醇下属产品的开发，特别是甲醇燃料的推广应用，甲醇的需求大幅度上升。
为了满足就经济发展对甲醇的需求，开展了此8万ta的甲醇生产设计。
本设计本着符合国情、技术先进和易得、经济、环保的原则，采用天然气为原料；利用GSP气化工艺造气；NHD净化工艺净化合成气体；低压下利用列管均温合成塔合成甲醇；双塔精馏工艺精制甲醇；此外严格控制三废的排放，充分利用废热，降低能耗，保证人员安全与卫生。
根据热力学定律，对甲醇精馏塔进行热量衡算，求得理论塔板数、实际塔板数以及最小回流比。
并根据设计要求，对甲醇精馏塔的塔径，塔高、裙座、封头在理论上进行了尺寸计算及选择并且分别对精馏段、提馏段进行了校核，满足设计要求，达到所需要的工艺条件。
关键词：
甲醇；衡算；精馏；工艺设计
Anannualoutputof80ktonsofmethanolprocessdesign
Abstract：
Methanolisanextremelyimportantorganicchemicalrawmaterials,butalsoafuel,isacarbon-basedchemicalproducts,occupiesaveryimportantpositioninthenationaleconomy.Inrecentyears,withthedevelopmentofmethanolaffiliatedproducts,especiallypromotetheuseofmethanolfuel,asignificantincreaseindemandformethanol.Inordertomeettheeconomicdevelopmentneedsofmethanol,tocarryoutthis80,000tamethanoldesigns.Accordingtothelawsofthermodynamics,methanoldistillationcolumnofthespiritofnationalconditions,advancedtechnologyandaccessibility,economy,environmentalprotectionprinciples,theuseofnaturalgasasarawmaterial;utilizeGSPgasificationtechnologyforgas;NHDpurifiedsynthesisgaspurificationprocess;utilizationtubeuniformtemperaturesynthesisofmethanolsynthesisreactorunderlowpressure;towersrefinedmethanoldistillationprocess;additiontightlycontrolledwasteemissions,makefulluseofwaste,toensurepersonnelsafetyandaccordancewiththedesignrequirementsofthemethanoldistillationtowertowerdiameter,towertheory,werecalculatedseparayandchoosetherectifyingsectionandstrippingsectionwascheckedtomeetthedesignrequirements,achievethedesiredprocessconditions.
Keywords:
Methanol;Accountancy;Distillationprocess;Design
前言
随着经济发展，燃料的需求量急速增加，导致石油匮乏，而甲醇作为一种新型燃料，进入人们的生活，迅速得到人们的关注，所以甲醇的生产对国民经济具有重大的意义。
本次设计主要对甲醇的国内外生产消费现状、物性及用途进行分析，对其现有各种生产工艺做简要介绍及对比，重点探究Lurgi工艺（管壳式甲醇合成工艺），对甲醇的合成、分离及提纯阶段精馏塔进行详细设计，并根据物性及操作条件等综合因素对塔进行选型、设计，通过物料衡算、热量衡算做出年产8万吨甲醇最理想的设计方案。
第一章概述
1.1甲醇的性质
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˚C，沸点64.5˚C，闪点（开杯）16˚C，自燃点473˚C，折射率（20˚C）1.3287，表面张力（25˚C）45.05mNm，蒸气压（20˚C）12.265kPa，粘度（20˚C）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甲醇的用途
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]。
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.波义耳首先在木材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95kta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200kta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[2]。
1.4甲醇的合成方法
1.4.1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。
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。
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。
1.4.2本设计所采用的生产方法
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，在管壳式合成塔中合成甲醇”的技术路线，精甲醇的生产采用“双塔精馏工艺”。
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。
1.5生产方案与工艺流程设计
在天然气经加热到380˚C—400˚C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˚C下进入转化炉的对流段，进一步预热到500˚C—520˚C，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˚C—820˚C，经吸收一些热量以后，使温度升到850˚C—860˚C，并配入少量水蒸气，然后与450˚C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˚C左右。
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˚C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%[3]。
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˚C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双塔精馏，产品纯度可达到99.9%，即得合格的精甲醇产品。
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“双塔精馏工艺”的技术路线。
1.6工艺流程简述
天然气脱硫
→
合成气压缩
→
甲醇合成
→
甲醇精馏
图1.1天然气制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˚C后输入列管式等温反应器中，在C3O2催化剂的作用下合成甲醇，再就是甲醇的精馏，本工艺采用双塔精馏工艺将粗甲醇精制得到精甲醇。
1.6.1甲醇合成工艺流程简述
图1.2合成工段流程图
现在国内大多数采用Lurgi工艺采用管壳式合成塔，管内填装催化剂，管间为2.5~4.0MPa的沸腾水，反应气体走管内，反应热经管壁传递给管间的沸水，产生蒸汽。
管中心的温度与沸水温度相差不大于10摄氏度，反应压力为5~10MPa，催化剂使用德国南方公司的铜基催化剂，粗甲醇的回收则是通过冷凝的方式来完成，如图1.2所示。
甲醇合成气经压缩机升至5.2MPa，与循环气以1:
5的比例混合经热交换器加热至220~230˚C，含甲醇7%左右、温度约250˚C的出塔气，经换热冷却85˚C，再经水冷却，进分离塔分离，得到的粗甲醇进入甲醇储罐；未反应的气体循环使用，以提高转化率。
在实际生产中为了是合成回路中的惰性气体含量维持在一定范围内，再进循环机前驰放一股未反应的气体作为燃料，绝大部分气体进入压缩机与新鲜的合成气混合返回合成塔循环使用。
Lurgi工艺主要优点如下：
反应器内催化剂床层温度分布均匀，大部分床层的温度在250~255˚C之间；由于传热面与床层体积比大，传热迅速，床层同平面温度小，有利于延长催化剂寿命，并允许原料气中含较高的CO；催化剂床层的温度可以通过调节汽包蒸汽压力进行控制，效果精确、灵敏；可以回收高位热能，能量合理利用；反应器出口甲醇含量高；设备紧凑，开停车方便；反应的副反应少，粗甲醇中杂质少。
铜基催化剂的主要特征：
铜基催化剂是一种低温低压甲醇合成催化剂，其主要成分为，低中压法操作温度为210～300度，压力为5MPa～10MPa，比传统的合成工艺温度低得多，对甲醇平衡有利。
其特点是：
（1）活性好，单程转化率为7%～8%；
（2）选择性好，大于99%，之杂质只有微量的甲烷、二甲醚、甲酸甲酯，易于得到高纯度的精甲醇；（3）耐高温型差、对硫敏感[4]。
1.6.2甲醇精馏工艺流程简述
1预精馏塔；2主精馏
图1.3精馏工段流程图
来自甲醇合成装置的粗甲醇（74˚C，0.4MPa），通过预塔进料泵，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˚C）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˚C）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˚C），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[5]。
第二章工艺计算
2.1工艺技术参数
2.1.1原料天然气规格
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[6]。
2.1.2合成工段的工艺参数
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˚C，出塔温度255˚C。
工艺设计为年产精甲醇8万吨，开工时间为每年300天，采用连续操作，则每小时精甲醇的产量为11.11吨，即11.11t[10]，则查表可知
=74.9，=96％，A=0.06225，K=1.75，g=9.81
液相质量流量为
气相质量流量为
代入上式得：
求得：
，则
由于，故可采用50散装金属环矩鞍填料。
2.提馏段塔径的计算
取泛点率，则依据贝恩-霍根关联式计算调填料的泛点气速法
散装金属环矩鞍散装填料，假设其公称直径为50mm，则查表可知
=74.9，=96％，A=0.06225，K=1.75，g=9.81
液相质量流量为
气相质量流量为
代入上式得：
求得：
，则
由于，故可采用50散装金属环矩鞍填料。
比较精馏段与提馏段计算结果，两者基本相同。
圆整塔径，取D=1600mm
则校核精馏段有
泛点率，符合标准。
同理，校核提馏段，泛点率，符合标准。
最小液体喷淋密度
精馏段液体喷淋密度
提馏段液体喷淋密度
2.8.2填料层高度的计算
查找数据得，50散装金属环矩鞍填料时，HETP=0.65mm=0.75
则，精馏段的填料高度为
，圆整精馏段填料层高度为6.4m
提馏段填料层高度为
，圆整提馏段填料层高度为4.5m
表2.35散装填料分段高度推荐值
填料类型
hD
Hmaxm
拉西环
2.5
≤4
矩鞍
5～8
≤6
鲍尔环
5～10
≤6
阶梯环
8～15
≤6
环矩鞍
5～15
≤6
根据推荐值，将精馏段分为两层，且各为3.2m.
2.8.3填料层压降的计算
对50金属散装环矩鞍填料压降的计算依据埃克托通用关联图来计算。
先根据气液负荷有关物性数据，求出横坐标
对于精馏段：
对于提馏段：
根据空塔气速u及有关物性数据，求出纵坐标：
已知50金属散装环矩鞍填料=71
对于精馏段：
，代入式中得：
对于提馏段：
，代入式中得：
在埃克托通用关联图中查得：
精馏段
，则
提馏段
，则
则填料层总压降为
2.8.4筒体壁厚的计算
内有3个大气压，内径，，选用Q235C钢板制造，，（局部无损检测，单面焊接）
计算厚度
。
圆整量为4mm，由于碳素钢制塔式容器厚度要不少于4mm，所以取4mm。
校核水压强度：
则：
，可见，所以水压强度足够
采取椭圆型封头厚度为4mm。
2.8.5管径的计算
管径的计算依据公式
1.塔顶出气管径的计算
已知饱和甲醇蒸汽出料u取30ms，
2.塔顶回流管径计算
已知u取2ms
其内径d=57-2×3.5=5mm，重新核算u=2.22ms。
3.进料管径计算
已知u取1.5ms
其内径d=76-2×5=66mm，重新核算u=1.31ms。
4.塔釜出液管管径计算
已知u取1.5ms
其内径d=76-2×5=66mm，重新核算u=1.37ms。
5.塔釜回流蒸汽管径计算
已知u取30ms
2.8.6塔的附属设备及塔高的的计算及选型
1.封头
采用椭圆形封头，选用直边高度h0=40mm，Di2hi=2，故hi=400mm，厚度为4mm。
2.裙座[11]。
以Q235-A钢为裙座材料，裙座圈厚度为3.2mm，基础环厚度为11.4mm，地脚螺栓的个数Z=8，公称直径M=27mm，内经等于塔内经D=1600mm，高度为2m，裙座与筒体的连接采用对焊不校核强度。
3.塔高设计
H=19090mm.
2.9重要符号说明
表2.36符号注释表
符号
意义
计量单位
M
摩尔质量
kgkmol
qn,F
进料率
kmolh
qn,D
塔顶采出率
kmolh
qn,W
塔底采出率
kmolh
q
进料热状况
x
液相摩尔分率
y
气相摩尔分率
R
回流比
qn,L
液相负荷
kmolh
qn,V
气相负荷
kmolh
N
塔板数
P
操作压力
Pa
t
温度
˚C
qV,s
气相体积流率
m3s
qL,s
液相体积流率
m3s
uF
最大空塔气速
ms
u
空塔气速
ms
D
塔径
m
Z
有效高度
m
第三章三废处理
3.1甲醇生产对环境的污染
3.1.1废气
（1）甲醇膨胀槽出来的膨胀气，其中含有较多的一氧化碳和有机毒物。
（2）精馏时预塔顶排放出的不凝气体。
（3）其他如精馏塔顶还有少量含醇不凝性气体等。
3.1.2废水
（1）甲醇分离器排放的油水，各输送泵填料的漏液。
（2）甲醇生产中对水源污染最严重的是精馏塔底排放的残液。
3.2处理方法
3.2.1废气处理
甲醇精馏系统各塔排放的不凝性气体送去燃料气系统作燃料；甲醇膨胀槽排放的膨胀气也送去燃料气系统；气提塔排放的解析气送去气化系统火炬燃烧；脱硫工段的酸性气体去硫回收系统[12]。
3.2.2废水处理
以有机物为主要污染物的废水，只要毒性没达到严重抑制作用，一般都可以用生物法处理，一般认为生物方法是去除废水中有机物最经济最有效的方法，特别对于BOD浓度高的有机废水更适宜。
本设计选用AO生物处理法，即厌氧与好氧联合生物处理法，此法是近年来开发成功的、以深度处理高浓度有机污水的生化水处理工艺，其典型的工艺流程如下图所示：
图3.1AO生化法处理甲醇工艺
AO法处理甲醇废水的优点主要表现在：
该法既发挥了厌氧生化能处理高浓度有机污水的优点，又避免了生物接触氧化法抗负荷冲击力弱的缺点，能够较为彻底地消解废水中的主要污染物甲醇，基本上不需要更深程度的处理措施[13]。
结论
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“双塔精馏工艺”的技术路线。
根据热力学定律，进料状况为泡点进料，操作回流比R=1.04，进料温度=69.70˚C，塔顶温度=64.51˚C，塔底温度=98.92˚C，计算出年产8万吨精甲醇所用的精馏塔设备的塔高H=19090mm，塔径D=1600mm，经指导老师审阅，设计合理，能完成年产8万吨精甲醇的生产任务。
参考文献
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