年产十五万吨甲醇设计.docx
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年产十五万吨甲醇设计
太原理工大学化学化工学院
《化工设计》课程设计说明书
年产15万吨煤制甲醇合成工段工艺设计
学生学号：
**********
*******
专业班级：
化工工艺0903
*******
起止日期：
2012.11.26～2012.12.21
太原理工大学化学化工学院
太原理工大学
化工设计课程设计任务书
一、化工课程设计题目：
年产15万吨甲醇合成工段工艺的初步设计
二、化工课程设计要求及原始数据（资料）：
原始数据（资料）：
年产15万吨精甲醇，每年330个工作日，连续生产
精甲醇中甲醇含量99.9%，
粗甲醇组成（wt）：
甲醇：
93.86%
二甲醚（CH3）2O：
0.2%
异丁醇C4H9OH：
0.03%
水：
5.91%
甲醇收率97%
新鲜气中各组分百分比组成：
CH40.69%H268.85%CO26.26%CO23.78%N20.33%Ar0.09%
化工课程设计主要内容：
一、绪论
二、甲醇生产流程或方法的确定
三、甲醇合成工段物料衡算和热量衡算
四、甲醇合成塔主要工艺设备的计算及选型（包括设备一览表）
五、原材料、动力消耗定额及消耗量
六、参考文献
七、致谢
八、附图（带控制点的工艺流程图和关键设备的结构图）
时间安排：
共设计四周，前2周收集资料，进行工艺流程的设计、物料和热量衡算，后两周进行设计说明书的撰写、工艺流程图和设备图的绘制。
学生应交出的设计文件：
课程设计说明书一本
生产工艺流程图一套（要求手工绘制）
主要设备结构图一套（要求CAD绘制）
主要参考文献（资料）：
1、《化工设计》王静康主编1995年版化学工业出版社出版
2、《化工原理》（上、下）2001年版天津大学化工原理教研室编天津科学技术出版社出版
3、曾纪龙.大型煤制甲醇的气化与合成工艺选择.“2005年中国碳一化下与洁净煤技术应用（石河子）国际研讨会”摘要，第7期.
4、李琼玖,唐嗣荣,顾子樵,周述志,赵沛华.近代甲醇合成工艺与合成塔技术（上）[J].
专业班级化工工艺0903学生冯玉波
要求设计工作起止日期2012年11月26日至2012年12月21日
指导教师签字日期
教研室主任审查签字日期
系主任批准签字日期
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。
为了满足经济发展对甲醇的需求，开展了此15万t/a的甲醇项目。
设计的主要内容是进行工艺论证，物料衡算和热量衡算，以及对甲醇生产的一些主要设备进行器形的选择和确定，得出对甲醇合成工段的认识和结论。
本设计本着符合国情、技术先进和易得、经济、环保的原则，采用煤炭为原料；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，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。
关键词：
甲醇、合成、工艺设计
Abstract
Carbinolisavitallyimportantkindofchemicalmaterials,alsoasortoffuel.ItisabasisproductofC1chemistry,andholdsaaveryimportantplaceinthenationaleconomy.Nowadays,withthedevelopmentofmethanolaffiliateproducts,especially,thepopularizationandapplicationofthemethanolfuel,thedemandofmethanolincreases.Inordertomeettheneedsofeconomicdevelopmentofmethanol,wecarryoutthe150,000tons/yearproject.Themaincontentofthedesignprocessisdemonstrated,materialbalance,heatbalanceandsoon.Thedesignusecoalasrawmaterials,conformingtonationalconditionsandinlinewithadvancedtechnologyandeconomybetweentheprincipleofenvironmentalprotection;exploitingGSPgasificationprocessgasification,NHDpurificationprocesssynthesisgaspurification;utilizingthetabulationconstanttemperaturesynthetictoweratalowpressure.Besides,theprojectcontrolsthedischargeof"threewastes"strictly,makefulluseofwasteheat,reduceenergyintensity,ensurethatpersonnelsafetyandhealth.
Keywords:
methanol、synthesis、processdesign
年产20万吨甲醇合成工段工艺初步设计
第一章总论
1.1甲醇工业发展现状
随着我国国民经济不断稳定的发展，不管是能源生产总量还是需求总量都在不断增长。
7O年代两次石油危机和石油价格的不断上涨，让世界各国充分认识到当今社会将是能源结构逐步向多元化结构发展的时代。
目前，人类己经面临着石油及天然气这一宝贵的化石能源在不断的枯竭，根据我国提出的经济可持续发展的战略，需要合理有效地利用资源。
“缺油、少气、富煤”的客观现实，意味着今后30年内，我国一次能源消费以煤为主的格局不会改变。
但是我们如果还是沿用落后技术，把煤直接燃烧用于发电和其它工业目的，不断扩大低效、高污染应用技术中煤的用量，则同样是难以为继的，同时对环境的污染将是难以估量的。
因此，充分利用丰富的煤炭资源，大力发展洁净煤技术和新一代煤化工技术是非常必要的，既对我国合理利用资源、有效利用能源和促进经济可持续发展具有重要的现实，又对保护国家能源安全具有深远的战略意义。
近年来，我国甲醇市场非常红火，甲醇价格持续上涨，甲醇生产装置开工率不断提高，各地甲醇新建项目陆续开工。
出现这种局面的原因，一是甲醇传统消费领域，如甲醛、醋酸等产品的产量稳步提升，对甲醇的需求量逐步增加；二是新的消费领域，如醇醚燃料、甲醇制烯烃等由于发展前景广阔，也引发了国内对甲醇装置的投资热。
我国甲醇生产以煤为主要原料，产业结构不尽合理，装置规模偏小，企业数目过多，原料路线和工艺技术五花八门。
由于对醇醚燃料需求的高度期待，我国甲醇发展过热，几乎“遍地开花”。
据报导，2000～2007年我国甲醇产能年均增长率为24.8%，2007年我国共有甲醇生产企业177家，总规模已突破每年1600万吨，2010年总产能达到每年3000万吨。
我国规划中的甲醇产能已超过同期世界其他各国的总产能。
煤基甲醇是资源消耗型产品，是低附加值产品，而依靠大量出口来消化过剩的产能是不合理的。
1.2甲醇的发展前景
甲醇作为最有希望代替汽油的并且将成为二十一世纪有竞争力的可选清洁燃料，具有非常好的发展前景。
所以专家认为，必须开拓甲醇作为车用燃料的用途，即发展甲醇汽车才能使甲醇取得较好的经济效益。
甲醇汽油是符合我国国情的替代能源之一，不仅符合国家节能减排政策的要求，而且因甲醇汽油可部分替代石油，在一定程度上相当于扩大了我国石油战略储备。
与此同时，推广甲醇汽油，一方面可以释放我国每年2000多万吨的甲醇产能，改变我国甲醇产能严重过剩的局面，提高甲醇生产企业的开工率。
另一方面，甲醇汽油的生产成本低，甲醇汽油价格更为优惠，更适用于老百姓的需求，更经济实惠。
我国现在提出了四个石油替代路径：
天然气替代、电动力替代、生物燃料替代和煤基燃料替代，煤基燃料替代包括煤制天然气、甲醇、二甲醚、合成油等。
煤基醇醚燃料更具有大规模、基地化推广的现实性，是最实用、经济的选择。
由于甲醇在我国已经有一定规模的生产，另外甲醇的投资成本低，无论甲醇汽油生产技术还是甲醇车辆生产技术都已经非常成熟了。
如果甲醇汽油作为车用燃料相比于其他能源具有一定的优势，甲醇汽油也是一种液体燃料，好多特性和汽油雷同，但比汽油更安全、更节能、更环保。
此外，甲醇汽油可直接利用现在所有中石油和中石化的输配系统进行快速推广，推广渠道会相对便捷一些，推广成本也非常小。
1.3设计的目的和意义
由于我国石油资源短缺，能源安全已经成为不可回避的现实问题，寻求替代能源已成为我国经济发展的关键。
甲醇作为石油的补充已成为现实，发展甲醇工业对我国经济发展具有重要的战略意义。
煤在世界化石能源储量中占有很大比重（我国情况更是如此），而且煤制甲醇的合成技术很成熟。
随着石油和天然气价格的迅速上涨，煤制甲醇更加具有优势。
本设计遵循“工艺先进、技术可靠、配置科学、安全环保”的原则；结合甲醇的性质特征设计一座年产15万吨甲醇的生产车间。
通过设计可以巩固、深化和扩大所学基本知识，培养分析解决问题的能力；还可以培养创新精神，树立良好的学术思想和工作作风。
通过完成设计，可以知道甲醇的用途；基本掌握煤制甲醇的生产工艺；了解国内外甲醇工业的发展现状；以及甲醇工业的发展趋势。
1.4设计的依据
1.4.1太原理工大学化学化工学院2009届课程设计选题
《年产15万吨甲醇合成工段工艺初步设计》任务书。
1.4.2设计的基础资料
（1）工艺流程资料
参阅某化学工程公司的甲醇合成厂的工艺流程资料和参考由房鼎业主编的《甲醇工学》。
（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，副产蒸汽压力3.9MPa，入塔温度225℃，出塔温度255℃。
1.5设计的指导思想
以设计任务书为基础，适应我国甲醇工业发展的需要。
加强理论联系实际，扩大知识面；培养独立思考、独立工作的能力。
整个设计应贯彻节省基建投资，充分重视技术进步，降低工程造价，节能环保等思想，设计生产高质量甲醇产品。
1.6设计的范围﹑装置组成及建设规模
1.6.1设计的范围
（1）年产15万吨甲醇生产工艺流程的设计
（2）物料衡算、热量衡算
（3）主要生产设备设计计算与选型
（4）编写设计说明书
（5）绘制设计图纸
设计重点：
工艺流程的设计，工艺计算，合成塔设计计算与选型
1.6.2建设规模
生产能力：
年产15万吨甲醇，年开工日为330天。
工作制度：
合成车间日工作小时为24小时，每日3班轮流替换，每班8小时连续生产，共4个班。
第二章工艺流程设计
甲醇合成
合成气净化
煤制合成气
甲醇精馏
图1-1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
目前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。
甲醇的生产方法还主要有：
甲烷直接氧化法、由一氧化碳和氢气合成甲醇、液化石油气氧化法。
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，选择低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→C4H9OH。
2.2甲醇合成塔的选择
甲醇合成反应器实际是甲醇合成系统中最重要的设备。
从操作结构，材料及维修等方面考虑，甲醇合成反应器应具有以下要求：
（1）催化剂床层温度易于控制，调节灵活，能有效移走反应热，并能以较高位能回收反应热；
（2）反应器内部结构合理，能保证气体均匀通过催化剂床层，阻力小，气体处理量大，合成转化率高，催化剂生产强度大；
（3）结构紧凑，尽可能多填装催化剂，提高高压空间利用率；高压容器及内件间无渗漏；催化剂装御方便；制造安装及维修容易。
甲醇合成塔主要由外筒、内件和电加热器三部分组成。
内件事由催化剂筐和换热器两部分组成。
根据内件的催化剂筐和换热器的结构形式不同，甲醇内件份为若干类型。
按气体在催化剂床的流向可分为：
轴向式、径向式和轴径复合型。
按催化剂筐内反应惹得移出方式可分为冷管型连续换热式和冷激型多段换热式两大类。
按换热器的形式分为列管式、螺旋板式、波纹板式等多种形式。
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
这是最早的低压甲醇合成塔，是用进塔冷气冷激来带走反应热。
该塔结构简单，也适于大型化。
但碳的转化率低，出塔的甲醇浓度低，循环量大，能耗高，又不能副产蒸汽，现已经基本被淘汰。
（2）冷管式合成塔
这种合成塔源于氨合成塔，在催化剂内设置足够换热面积的冷气管，用进塔冷管来移走反应热。
冷管的结构有逆流式、并流式和U型管式。
由于逆流式与合成反应的放热不相适应，即床层出口处温差最大，但这时反应放热最小，而在床层上部反应最快、放热最多，但温差却又最小，为克服这种不足，冷管改为并流或U形冷管。
如1984年ICI公司提出的逆流式冷管型及1993年提出的并流冷管TCC型合成塔和国内林达公司的U形冷管型。
这种塔型碳转化率较高但仅能在出塔气中副产0.4MPa的低压蒸汽。
日前大型装置很少使用。
（3）水管式合成塔
将床层内的传热管由管内走冷气改为走沸腾水。
这样可较大地提高传热系数，更好地移走反应热，缩小传热面积，多装催化剂，同时可副产2.5Mpa—4.0MPa的中压蒸汽，是大型化较理想的塔型。
（4）固定管板列管合成塔
这种合成塔就是一台列管换热器，催化剂在管内，管间（壳程）是沸腾水，将反应热用于副产3.0MPa～4.0MPa的中压蒸汽。
代表塔型有Lurgi公司的合成塔和三菱公司套管超级合成塔，该塔是在列管内再增加一小管，小管内走进塔的冷气。
进一步强化传热，即反应热通过列管传给壳程沸腾水，而同时又通过列管中心的冷气管传给进塔的冷气。
这样就大大提高转化率，降低循环量和能耗，然而使合成塔的结构更复杂。
固定管板列管合成塔虽然可用于大型化，但受管长、设备直径、管板制造所限。
在日产超过2000t时，往往需要并联两个。
这种塔型是造价最高的一种，也是装卸催化剂较难的一种。
随着合成压力增高，塔径加大，管板的厚度也增加。
管板处的催化剂属于绝热段;管板下面还有一段逆传热段，也就是进塔气225℃，管外的沸腾水却是248℃，不是将反应热移走而是水给反应气加热。
这种合成塔由于列管需用特种不锈钢，因而是造价非常高的一种。
（5）多床内换热式合成塔
这种合成塔由大型氨合成塔发展而来。
日前各工程公司的氨合成塔均采用二床（四床）内换热式合成塔。
针对甲醇合成的特点采用四床（或五床）内换热式合成塔。
各床层是绝热反应，在各床出口将热量移走。
这种塔型结构简单，造价低，不需特种合金钢，转化率高，适合于大型或超大型装置，但反应热不能全部直接副产中压蒸汽。
典型塔型有Casale的四床卧式内换热合成塔和中国成达公司的四床内换热式合成塔。
合成塔的选用原则一般为：
反应能在接近最佳温度曲线条件下进行，床层阻力小，需要消耗的动力低，合成反应的反应热利用率高，操作控制方便，技术易得，装置投资要底等。
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15万吨的甲醇合成塔（日产量为650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。
2.3催化剂的选用
2.3.1甲醇合成催化剂
经过长时间的研究开发和工业实践，广泛使用的合成甲醇催化剂主要有两大系列：
一种是以氧化铜为主体的铜基催化剂，一种是以氧化锌为主体的锌基催化剂。
锌基催化剂机械强度好.耐热性好，对毒物敏感性小，操作的适宜温度为350～400℃，压力为25～32MPa（寿命为2～3年）；铜基催化剂具有良好的低温活性，较高的选择性，通常用于低、中压流程。
耐热性较差，对硫、氯及其化合物敏感，易中毒。
操作的适宜温度为220～270℃，压力为5～15MPa（一般寿命为2～3年）。
通过操作条件的对比分析，可知使用铜基催化剂可大幅度节省投资费用和操作费用，降低成本。
随着脱硫技术的发展，使用铜基催化剂己成为甲醇合成工业的主要方向，锌基催化剂已于80年代中期淘汰。
表2-1国内外常用铜基催化剂特性对比
催化剂型号
组分/％
操作条件
CuO
ZnO
Al2O3
压力/MPa
温度/℃
英国ICI51-3
60
30
10
7.8～11.8
190～270
德国LG104
51
32
4
4.9
210～240
丹麦LMK
40
10
-
9.8
220～270
中国C302系列
51
32
4
5.0～10.0
210～280
中国XCN-98
52
20
8
5.0～10.0
200～290
从表的对比可以看出，国产催化剂的铜含量已提50%以上。
制备工艺合理，使该催化剂的活性、选择性、使用寿命和机械强度均达到国外同类催化剂的先进水平，并且价格较低。
2.3.2XNC-98甲醇合成催化剂简介
XNC-98型催化剂是四川天一科技股份有限公司研制和开发的新产品。
目前已在国内20多套大、中、小型工业甲醇装置上使用,运行情况良好。
它是一种高活性、高选择性的新催化剂。
用于低温、低压下由碳氧化物与氢合成甲醇，具有低温活性高、热稳定性好的特点。
常用操作温度200～290℃,操作压力5.0～10.0MPa。
催化剂主要物化性质：
催化剂由铜、锌和铝等含氧化合物组成。
外 观：
有色金属光泽的圆柱体
堆积密度：
1.3～1.5kg/L
外型尺寸：
5×（4.5～5）mm
径向抗压强度：
≥200N/cm
催化剂活性和寿命：
在该催化剂质量检验规定的活性检测条件下，其活性为：
230℃时：
催化剂的时空收率≥1.20kg/（L.h）
250℃时：
催化剂的时空收率≥1.55kg/（L.h）
在正常情况下，使用寿命为2年以上。
表2-2XNC-98型与C型催化剂的性能对比
催化剂型号
合成塔进口温度初末期
加入量/（kg.h-1）
甲烷单耗/（t.t-1）
甲纯收率/％
甲纯产率/
（t.m-3.h-1）
甲纯产量/
（t.h-1）
C
210
224
670
0.48
210
0.45
90.72
XCN-98
200
230
900
0.43
229
0.49
98.93
通过对比，并结合生产实际可见,XCN-98型催化剂具有以下性能优点：
（1）易还原。
（2）低温活性好，日产量高。
75%负荷下的甲醇产量（4.1t/h）接近装置满负荷设计甲醇量（4.17t/h）。
（3）适用温区宽,使用寿命长。
合成塔进口温度可调温C型催化剂为14℃，而XCN-98型则为30℃。
随着可调温区的增加，催化剂的使用寿命也相应延长。
（4）选择性好。
75%负荷下合成系统未发现结蜡,粗甲醇质量符合设计要求。
（5）可适用于含高浓度CO2的合成气。
50%负荷下，C型催化剂CO2加入量最高不超过670kg/h，而XCN-98型催化剂则最高可达900kg/h。
75%负荷时，使用XCN-98型催化剂，当入塔气中CO2组分体积分数高达5%时，生产运行情况仍良好，收率和物耗都较低，催化剂仍能保持较高的活性，产品质量符合质量标准的要求。
综上所述，催化剂的活性、选择性和使用寿命等主要技术经济指标均优于进口催化剂及国产C型催化剂，所以本设计选用四川天一科技股份有限公司研制的XNC-98型催化剂。
2.3.3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。
操作温度的控制同样是一个操作费用的控制问题，在设计中，需要延长催化剂的使用寿命，防止催化剂的迅速老化和活性衰减速度加快。
一般而言，在催化剂的使用初期，反应温度维持较底的数值，随着使用时间的增加，逐步提高反应温度。
例如副产蒸汽型等温甲醇合成塔采用国产铜系催化剂，使用前期，可控制床层零点温度230～240℃，热点温度260℃左右；后期，可控制床层零点温度260～270℃，热点温度290℃。
设计采用的甲醇合成塔为列管式等温反应器，管间走的是沸腾水，可以副产蒸汽，床层内温差很小，接近最佳温度操作曲线。
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
压力是甲醇合成反应过程的重要工艺条件之一。
甲醇合成反应时分子数变少，因此增加压力对反应有利，由于压力高，组分的分压提高，因而催化剂的生产强度也提高。
操作压力的选用与催化剂的活性有关。
早期的高压法合成甲醇工艺采用的是锌基催化剂，由于活性差，需要在高温高压下操作，其操作压力为25～35Mpa，操作温度350～420℃。
至较高的压力和温度下，一氧化碳和氢生成甲烷、异丁醇等副产物，这些副反应的反应热高于甲醇合成反应，使床层温度提高，副反应加速，如果不及时控制，回造成温度猛升而损坏催化剂。
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
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