60万吨合成甲醇.docx

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60万吨合成甲醇

60万吨/年合成甲醇工艺设计

（一）工艺流程（完成人：

白维坤）

1.设计原则

（1）根据计划任务书规定的产品品种、产量和质量进行设计

（2）选择技术先进、经济合理的工艺流程和设备

（3）合理考虑机械化、自动化装备水平

（4）选择合理原料路线、合理利用资源和各种物料贮备的关系

（5）注意保护环境，减少污染

2.流程图

基本流程主要包括：

原料气的采集；甲醇的合成；甲醇的冷凝分离；气体的循环以及新鲜气的补充与惰性气的排放。

甲醇合成工序的基本流程示意图

经综合分析本次采用鲁奇低压合成工艺

Lurgi低压甲醇合成工艺流程

（二）关键设备选型（完成人：

白维坤）

1.选型原则

（1）在结构上，要求简单紧凑，高压空间利用率高，触媒装卸方便；

（2）在操作上，要求催化剂床层的温度易控制，调节灵活，合成反应的转化率高，催化剂的生产强度大，能以较高能位回收反应热，床层中气体分布均匀，压降低；

（3）在材料上，要求具有抗羰基化物及抗氢脆的能力；

（4）在制造、维修、运输、安装上要求方便。

2.关键设备结构性能介绍

（1）Lurgi管壳型甲醇合成反应器

结构性能介绍：

形似列管式换热器，在塔内，列管中装填催化

剂，管间为沸腾水；原料气与出塔气换热至230℃左右进入合成塔，反应放出的热经管壁传给管间的沸腾水，产生4MPa左右的饱和蒸汽，用来驱动透平压缩机。

合成塔全系统的温度条件用蒸汽压来控制，从而保证催化剂床层大致为等温。

优点：

催化剂床层温差较小、单程转化率较高（可达50%）、催化剂使用寿命较长（4年～5年）、热能利用合理、设备紧凑，开停车方便，合成反应过程中副反应少，甲醇质量高。

缺点：

结构复杂、制作较困难、材料要求高、放大较困难。

经典管壳塔的最大生产能力（经济型塔）为1500t/d。

全世界现有Lurgi装置37套，甲醇总生产能力达1600万t/a以上。

（2）Linde等温型甲醇合成反应器

结构特点：

Linde等温型甲醇合成反应器结构与高效螺旋盘管换热器类似，盘管内为沸水，盘管外放置催化剂，反应热通过盘管内沸水移走。

该反应器的主要优点：

基本上在等温下操作，可防止催化剂过热，催化剂易还原，操作简单，反应器触媒体积装填系数大，冷却盘管与气流间为错流流动，传热系数较大

（三）原料选择和工艺条件分析（完成人：

王存响）

1.经过对比筛选，我们决定选择用低压法和成甲醇。

下面是我借助Aspenplus11.1设计的工艺流程图：

图1.合成甲醇工艺流程图

设计的原则是：

（1）原料气（CO、H2和少量的CO2、N2）温度是40℃，压力是3.5MPa.。

（2）经过压缩机压缩到6MPa,进入换热器（3）换热器将其加热到275℃，压力依然控制在6MPa

（4）加热后的气体经过列管式反应器反应，壳程走饱和水进行换热

（5）反应的产物（其中含有COH2CO2N2CH4OC2H6OH2O等）经过换热器再次换热到40℃（6）换热后的气体，进入闪蒸塔。

未反应的CO、H2循环反应（7）粗甲醇进入简单蒸馏塔，其中塔顶出轻组分，并将其放空，塔底出来精馏后的甲醇（8）再次用严格精馏塔进行精馏，塔顶得到0.999纯度的甲醇，重组分从塔底排出（模拟时我将其用水代替因为其量相对其他重组分很大）

2.原料气经过压缩机用Aspenplus11.1模拟得到的数据如下：

Compressormodel:

4

Phasecalculations:

9

Indicatedhorsepower:

5944.09643KW

Brakehorsepower:

5944.09643KW

Networkrequired:

5944.09643KW

Powerloss:

0KW

Efficiency:

0.7

Mechanicalefficiency:

Outletpressure:

59.215396atm

Outlettemperature:

389.896755K

Isentropicoutlettempe:

366.943856

Vaporfraction:

1K

Displacement:

表1.压缩机能耗及原料气压强变化（效率以0.7记）

3.压缩后的气体经过换热器加热用Aspenplus11.1模拟得到的数据如下：

Outlettemperature

275.000011℃

Outletpressure

6.00000018MPa

Vaporfraction

1

Heatduty

0.0000000038253kw

表2.换热器能耗及压缩器温度变化

4.275℃、6.0MPa气体通过反应器用Aspenplus11.1模拟得到的数据如下：

（由于数据较多，故而以图片形式呈现单程转化率为0.5

以CO为基准记另外还有副反应转化率为0.02以CO为基准记）

反应方程式：

CO+2H2===CH4O（主反应）

2CO+4H2==C2H6O+H2O（副反应1代替所有多元醇）

CO+4H2==CH4+2H2O（副反应2代替所有多元烃）

表3.反应器经过列管式反应器参数变化及热功率

反应器中参数如下：

Outletpressure

275.000006℃

Outletpressure

4.99999989MPa

Heatduty

-10504120cal/sec

表4.列管式反应器内参数

5.粗笨经过闪蒸塔时用Aspenplus11.1模拟得到的数据如下（0.6MPa）

Substream:

MIXED

FEED

Outlet1（顶部）

Outlet2（底部）

MoleFlowkmol/hr

CO

1440

1435.3828

4.61774458

H2

3080

3080.00117

2.12E-05

CO2

100

96.4595327

3.5404993

N2

100

99.7543831

0.24565514

CH4O

1500

289.946958

1210.05131

ETHAN-01

30

3.49374772

26.5062132

H2O

30

2.27441781

27.7255408

TotalFlowkmol/hr

6280

5007.31302

1272.68698

TotalFlowkg/hr

103731.984

62946.6461

40785.3001

TotalFlowl/min

42638.3267

362408.409

871.386725

TemperatureK

313.15

313.15

313.15

Pressureatm

49.3461633

5.9215396

5.9215396

VaporFrac

0.74683992

1

0

LiquidFrac

0.25316008

0

1

SolidFrac

0

0

0

Enthalpycal/mol

-21602.068

-12118.898

-57058.415

Enthalpycal/gm

-1307.8029

-964.0405

-1780.4822

Enthalpycal/sec

-37683608

-16856421

-20171529

Entropycal/mol-K

-13.336802

3.05441699

-55.701403

Entropycal/gm-K

-0.8074185

0.24297437

-1.7381373

Densitymol/cc

0.00245475

0.00023027

0.02434217

Densitygm/cc

0.04054723

0.00289483

0.78008417

AverageMW

16.5178318

12.5709429

32.0466074

LiqVol60Fl/min

5259.68989

4404.70005

854.99024

Outlettemperature

40.00000061℃

Outletpressure

0.59999999MPa

Vaporfraction

0.79734284

Heatduty

655658.292cal/sec

表5.闪蒸塔内各参数变化（40℃、0.6MPa）

在确定此压力下，我进行了优化计算，在保持闪蒸温度不变的情况下，我对压力值做了改变，其粗甲苯值和热负荷随压力变化情况如以下两图（图2、图3）

闪蒸压力（MPa）

0.4

0.5

0.6

0.7

甲醇流量（kmol/hr）

1055.944

1149.418

1210.051

1252.552

heatduty（cal/sec）

1043615

808333.1

655658.3

548488.4

图2.闪蒸压力与甲醇流量的关系曲线

图3.闪蒸压力与热负荷的关系曲线

经过认真对比，闪蒸压力若是在比较低的状态，则其得到的甲醇量过低，但是其热负荷比较大，及能量回收的比较多;若是在比较高的状态，虽然得到的甲醇量很高，但是其热负荷比较小，及能量回收的比较少。

综上考虑，我选择0.6MPa作为闪蒸压力。

6.闪蒸后的气态（主要是COH2循环使用）经压缩机压缩再次进反应器，粗甲苯进入简单精馏塔精馏，由于过程比较简单，在此不再用数据表示。

主要过程是粗甲醇经过此精馏塔后易挥发气体从塔顶排出（放空此过程咨询了王志亮老师，塔底流出较纯的甲醇）

7.下面是进严格精馏塔前的设计计算：

从闪蒸数据：

甲醇流量：

1210.051kmol/hr

乙醇流量：

26.5062kmol/hr

水流量：

27.72544kmol/hr

由此可粗略计算甲醇含量（摩尔分数）

（进入严格精馏塔的摩尔分数可近似由其代替，有些偏高。

由于三元精馏过于复杂，学生能力有限，故而将乙醇当做水来计算这样形成了甲醇与水的分离体系，另外由于还有循环的一部分气体因为进料出于不断变化的状态，用Aspen计算较为繁琐，再此我将总转化率定为0.95.并计算出其值为2850这样依据比例关系算出其中的水量为131.17.）在以上情况下，我用Aspenplus11.1进行了模拟，并进行了灵敏度（数据有50组不再给出）的分析。

其数据及图表如下：

Substream:

MIXED

FEED

D

W

MoleFlowkmol/hr

CH4O

2850

2847.15

2.85

H2O

131.17

0.26234

130.90766

TotalFlowkmol/hr

2981.17

2847.41234

133.75766

TotalFlowkg/hr

93683.2203

91233.562

2449.65831

TotalFlowl/min

2098.47443

2038.28615

45.2533526

TemperatureK

343.816266

339.788737

377.847458

Pressureatm

1.23365408

1.08561559

1.33234641

VaporFrac

0

0

0

LiquidFrac

1

1

1

SolidFrac

0

0

0

Enthalpycal/mol

-56325.609

-55931.215

-66576.254

Enthalpycal/gm

-1792.3831

-1745.6211

-3635.2352

Enthalpycal/sec

-46643394

-44238676

-2473634.5

Entropycal/mol-K

-52.925182

-54.338311

-34.899211

Entropycal/gm-K

-1.6841753

-1.6959064

-1.9055869

Densitymol/cc

0.02367728

0.02328273

0.04926252

Densitygm/cc

0.74405814

0.74599896

0.9022014

AverageMW

31.4249842

32.0408677

18.3141534

LiqVol60Fl/min

1955.35378

1914.0565

41.2972807

Minimumrefluxratio:

0.32986172

Actualrefluxratio:

0.65972344

Minimumnumberofstages:

12.1798034

Numberofactualstages:

21.9601676

Feedstage

13.4672591

Numberofactualstagesabovefeed:

12.4672591

Reboilerheatingrequired:

10934913.6cal/sec

Condensercoolingrequired:

11003829.8cal/sec

Distillatetemperature:

339.788737K

Bottomtemperature:

377.847458K

Distillatetofeedfraction:

0.95513249

HETP:

表6.甲醇与水二元体系的精馏分析

（我定义了其塔顶产品纯度是0.999塔底是0.002）

这样：

由物料衡算有：

将数据带入得：

D=2954.27kmol/hr

W=26.9kmol/hr

回收率：

η1=0.9999（塔顶甲醇）

η2=0.002（塔底水）

由于甲醇进料的时候比较纯，因而其回流比比较小，仅有R=0.66

下面为了体现各变量对理论塔板数的影响我将对其进行灵敏度分析：

Case1.回流比对理论塔板数的影响（数据太多，不再显示）

图4.回流比对理论塔板数的影响

Case2.轻组分的回收率对理论塔板数的影响

图5.轻组分的回收率对理论板数的影响图

下面我对产量进行校对：

由模拟可知甲醇的产率是2847.41234kmol/hr,则年产量为：

2847.41234×8000×32÷1000=72万吨符合要求。

（四）经济性评价（完成人：

王存响）

甲醇生产所用原料主要有煤炭、焦炭、天然气、重油、石脑油、

焦炉煤气、等。

我国能源资源现状是缺油、少气、富煤。

以煤为原料生产甲醇是我国的主流，在今后一个相当长的时期内不会有大的改变。

2010年以前预测甲醇国内市场平均价格将保持2500元／t以上，国际市场将保持400美元／t以上价位。

本次甲醇的年生产能力约为72万吨左右，采用Lurgi工艺，管壳式反应器，铜系催化剂，经查阅资料的下表

每吨甲醇消耗

煤

渣油

天然气

原料/GJ

40.8

38.3

29.7

原料水/m^3

3.8

2.5

3.1

催化剂和化学品费/美元

0.6

0.5

1.0

生产1t焦炭可副产焦炉气200m3，每吨甲醇耗焦炉气1800m3。

经查表计算每吨甲醇耗原料煤1.52t，燃料煤0.6t。

国内煤炭市场大部分地区煤炭价格在500元／t以下，其甲醇价格按4000元／t。

换算为72万吨，得年生产总原料成本54720万元，年生产总值288000万元。

除去其间的电费、水费、装备费用、能量消耗、建厂费用……可看出还是有很大经济效益的

（五）存在的问题及解决方案（完成人：

白维坤）

1．生产甲醇合成：

（1）温度：

从化学平衡考虑，温度提高，对平衡不利；从动力学考虑，温度提高，反应速率加快。

因而，反应存在最佳温度。

铜基催化剂甲醇合成的使用温度范围为210~

270℃；

（2）压力：

从化学平衡考虑，压力提高，对平衡有利；从动力学考虑，压力提高，反应速率加快。

因而，提高压力对反应有利。

低压甲醇合成，合成压力一般4~6MPa；

（3）空速：

空速为5000~10000h-1范围内，时空产率随空速增加而增加；

（4）入塔气体组成：

H2+CO/CO+CO2合成气体的摩尔比和含量高低影响催化剂寿命和甲醇产率，惰性气体含量——施放，循环气中甲醇含量

（5）催化剂的选择铜基催化剂中的活性成份溶解于氧化锌中的Cu2+------X-射线衍、电子能谱分析；Cu2+/Cu的比例取决于反应气体中CO2和CO比例，即一定比例内有促进作用；微量氧存在也有利于反应-----实验设计与方法；存在于催化剂所有物相中，以铜-氧化锌固熔体上的活性组分最好；甲醇合成首先是H2、CO和CO2在铜基催化剂上的竞争性吸附，然后合成甲醇。

2．生产上的解决方案：

（1）在煤资源丰富且开采成本低的地区采用先进技术，建设特大型甲醇装置，尽量减少成本是有可能做到的，企业就会具有较强竞争能力。

（2）国家尽早出台甲醇及发展规划，进行宏观调控，综合平

衡甲醇市场需求，防止盲目发展。

（3）在原煤价格高于500元／t以上的地区不宜再新建甲醇装置。

因为在煤价高的地区电价也高，煤和电的费用占制造成本65％以上，

一旦煤价上涨风险较大，要慎重行事。

（4）学习国外经验，新建煤制甲醇应走大型化、基地化、多联产

的路子。

（5）对于环境问题也应足够重视，预防为主，防治结合，综合治理

结语——设计的感想：

此次设计是由我和白维坤同学两人独立完成的，我们组只有两个人，因此相对于其他团队来说人数上并不占优势，这样就意味着我们有更多的工作要做，要付出比别人更多的努力。

期间，我们请王志亮老师对我们的设计流程进行评价，在听取了诸多的建议后，我们已经有了比较完备的设计思路。

模型的选择则请教了张治山老师。

经过深入的探讨之后，我们对各自的任务进行了分配。

为了使设计的结果更加接近于实际工业生产，为了使我自学的化工软件能够应用于实践，在我的任务中我全权使用了Aspenplus11.1对压缩模块、换热模块、闪蒸模块、精馏模块进行了模拟，得到了比较可靠的数据。

我们两人已经尽我们所能地将我们所学的知识应用到工业生产中去。

不过由于学生的时间、精力和水平有限，其中固然还有许多需要改正的地方，望乔老师批评指正。

（王存响白维坤）

（注：

可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!

）