年产30万吨甲醇生产车间工艺初步设计 精品.docx

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年产30万吨甲醇生产车间工艺初步设计精品

题目：

年产20万吨甲醇生产车间工艺初步设计

学号：

200902180389

姓名：

张钊

年级：

2009级

学院：

东营职业学院

系别：

工业工程系

专业：

石油化工生产技术

指导教师：

李玉娟

完成日期：

第一步、设计任务书

第二步、总结概述

第三步设计生产方案

第四步、工艺论证

第五步物料衡算

第六步、能量衡算

第七步、设备选型和工艺计算

第八步、合成车间的设计

第九步九、安全生产设计十、

第十步非工艺专业要求

第十一步三废处理

第十二步、经济效益评价

第十三步、设计结果评析

第十四步、心得体会与致谢

一、设计任务书

（一）课程设计题目

年产20万吨甲醇生产车间工艺初步设计

（二）设计条件

1原料来源：

天然气，海南天然气厂供

2产品：

甲醇（一级）

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：

2012年3月1日---2012年4月23日；

设计实质进行阶段：

2012年3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

0.0015

羰基化合物含量（以CH2O计），%≤

0.002

0.005

0.01

蒸发残渣含量，%≤

0.001

0.003

0.005

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）=41.82×1000×0.26%=108.72kg/h即1.47kmol/h,32.91m3/h

高级烷烃（以辛烷计）=41.82×1000×0.32%=133.83kg/h即1.17kmol/h26.28m3/h

水=41.82×1000×5.6%=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

气体

CH3OH

H2

CO

CO2

N2

Ar

CH4

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

CO

CO2

H2

N2

Ar

反应

（1）

m3/h

24878.79

49757.58

反应（3）

m3/h

171.0

342.00

反应（4）

m3/h

63.57

190.71

反应（5）

m3/h

131.61

263.28

反应（6）

m3/h

210.30

反应（7）

m3/h

（2454.81）

2454.81

2454.81

注：

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

单位

生成物组分

CH4

CH3OH

（CH3O）2

C4H9OH

C18H18

H2O

反应

（1）

m3/h

24878.79

反应（3）

m3/h

85.50

85.50

反应（4）

m3/h

63.57

63.57

反应（5）

m3/h

32.91

98.70

反应（6）

m3/h

26.28

210.30

反应（7）

m3/h

2454.81

表7其他情况原料气消耗

消耗项

单位

消耗原料气组分

CO

CO2

H2

N2

Ar

CH4

粗甲醇中溶解

m3/h

34.08

325.26

182.50

15.27

10.17

70.23

扩散的甲醇

m3/h

16.56

33.15

弛放气

m3/h

9.16%×G

3.11%×G

81.20%×G

3.21%×G

0.82%×G

1.89%×G

驰放气中甲醇

m3/h

0.61%×G

1.22%×G

注：

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

组分

单位

CO

CO2

H2

N2

Ar

CH4

气量

m3/h

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

m3/h

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

气体

CH3OH

H2

CO

CO2

N2

Ar

CH4

组成

0.61%

81.82%

9.16%

3.11%

3.21%

0.82%

1.89%

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）

气体

CH4

H2

CO

CO2

N2

Ar

组成

0.19%

68.81%

27.07%

3.45%

0.33%

0.09%

气量m3/h

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+0.61%×8566.80×3=74842.83

G8=171.00+342.00+63.57+190.71+131.61+263.28+210.30+446.91+2454.81+2454.81=6728.94

已知出塔气中甲醇含量为5.84%，则

（G4×0.61%+8566.80×0.61%+24878.79+16.56）/G1=0.0584

解得G4=434921.07m3/h

循环气气量计算汇总见表11

表11循环气组成

气体

CH3OH

H2

CO

CO2

N2

Ar

CH4

组成

0.61%

81.82%

9.16%

3.11%

3.21%

0.82%

1.89%

气量m3/h

2653.02

353155.92

39838.77

13526.04

13960.98

3566.37

8220.00

5.3.9循环比，CO及CO2单程转化率的确定

循环比R=G4/G3=434921.07/88257.66=4.93

CO单程转化率：

（23017.02+52.26）/（23888.07+3