產(chǎn)萬(wàn)噸煤合成甲醇的工藝設(shè)計(jì)

1、 精細(xì)化工工藝學(xué)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 年產(chǎn)10萬(wàn)噸煤合成甲醇的工藝設(shè)計(jì)起止日期： 2011 年 11 月 28 日至 2011 年 12 月 16 日學(xué) 生 姓 名班 級(jí)學(xué) 號(hào)成 績(jī)指導(dǎo)教師 (簽字)包裝與材料工程學(xué)院（部）2011年 12 月 16 日20 目 錄一、概述11.1甲醇的應(yīng)用情況介紹11.2 甲醇的合成方法11.2.1常用的合成方法11.2.2其他方法21.2.3本設(shè)計(jì)所采用的合成方法2二工藝概述22.1 造氣工段22.2 凈化工段32.3 合成工段32.3.1合成工段工藝32.3.2反應(yīng)熱力學(xué)42.4 精餾工段4三生產(chǎn)工藝及主要設(shè)備計(jì)算43.1 合成塔物料平衡計(jì)算53.2合成塔能量計(jì)算

2、93.3 常壓塔主要尺寸確定113.3.1.壁厚113.3.2.封頭113.3.3裙座113.3.4塔高設(shè)計(jì)113.3.5接管設(shè)計(jì)123.3.5.1.塔頂甲醇蒸汽出口管123.3.5.2.回流液進(jìn)口管123.3.5.3塔底出料管123.3.5.4進(jìn)料管133.3.5.5.再沸器蒸汽入口管13四參考文獻(xiàn)14五結(jié) 束 語(yǔ)15一、 概述1.1甲醇的應(yīng)用情況介紹甲醇作為及其重要的有機(jī)化工原料，是碳一化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)品，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。長(zhǎng)期以來(lái)，甲醇都是被作為農(nóng)藥，醫(yī)藥，染料等行業(yè)的工業(yè)原料，但隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，甲醇將被應(yīng)用于越來(lái)越多的領(lǐng)域。 1.2 甲醇的合成方法1.2.1常用的合成方法

3、當(dāng)今甲醇生產(chǎn)技術(shù)主要采用中壓法和低壓法兩種工藝，并且以低壓法為主，這兩種方法生產(chǎn)的甲醇約占世界甲醇產(chǎn)量的80%以上。高壓法：(19.6-29.4Mpa)是最初生產(chǎn)甲醇的方法，采用鋅鉻催化劑，反應(yīng)溫度360-400，壓力19.6-29.4Mpa。高壓法由于原料和動(dòng)力消耗大，反應(yīng)溫度高，生成粗甲醇中有機(jī)雜質(zhì)含量高，而且投資大，其發(fā)展長(zhǎng)期以來(lái)處于停頓狀態(tài)。低壓法：(5.0-8.0 Mpa)是20世紀(jì)60年代后期發(fā)展起來(lái)的甲醇合成技術(shù)，低壓法基于高活性的銅基催化劑，其活性明顯高于鋅鉻催化劑，反應(yīng)溫度低(240-270)。在較低壓力下可獲得較高的甲醇收率，且選擇性好，減少了副反應(yīng)，改善了甲醇質(zhì)量，降低了

4、原料消耗。此外，由于壓力低，動(dòng)力消耗降低很多，工藝設(shè)備制造容易。中壓法：(9.8-12.0 Mpa)隨著甲醇工業(yè)的大型化，如采用低壓法勢(shì)必導(dǎo)致工藝管道和設(shè)備較大，因此在低壓法的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高合成壓力，即發(fā)展成為中壓法。中壓法仍采用高活性的銅基催化劑，反應(yīng)溫度與低壓法相同，但由于提高了壓力，相應(yīng)的動(dòng)力消耗略有增加。1.2.2其他方法目前，甲醇的生產(chǎn)方法還主要有甲烷直接氧化法：2CH4+O22CH3OH.由一氧化碳和氫氣合成甲醇，液化石油氣氧化法1.2.3本設(shè)計(jì)所采用的合成方法比較以上三者的優(yōu)缺點(diǎn)，以投資成本，生產(chǎn)成本，產(chǎn)品收率為依據(jù)，選擇中壓法為生產(chǎn)甲醇的工藝，用CO和H2在加熱壓力下，在催化劑

5、作用下合成甲醇，其主要反應(yīng)式為：CO+ H2CH3OH二工藝概述 總工藝路線圖見(jiàn)圖1-1。 2.1 造氣工段（1）原料：由于甲醇生產(chǎn)工藝成熟,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈,選用合適的原料就成為項(xiàng)目的關(guān)鍵,以天然氣和重油為原料合成工藝簡(jiǎn)單，投資相對(duì)較少，得到大多數(shù)國(guó)家的青睞，但從我國(guó)資源背景看，煤炭?jī)?chǔ)量遠(yuǎn)大于石油、天然氣儲(chǔ)量，隨著石油資源緊缺、油價(jià)上漲，在大力發(fā)展煤炭潔凈利用技術(shù)的形勢(shì)下，應(yīng)該優(yōu)先考慮以煤為原料,所以本設(shè)計(jì)選用煤作原料2。圖1-1 甲醇生產(chǎn)工藝示意圖（2）工藝概述：反應(yīng)器選擇流化床，采用水煤漿氣化激冷流程。原料煤通過(guò)粉碎制成65%的水煤漿與99.6%的高壓氧通過(guò)燒嘴進(jìn)入氣化爐進(jìn)行氣化反應(yīng)，產(chǎn)生的

6、粗煤氣主要成分為CO，CO2，H等3。2.2 凈化工段由于水煤漿氣化工序制得粗煤氣的水汽比高達(dá)1.4可以直接進(jìn)行CO變換不需加入其他水蒸氣，故先進(jìn)行部分耐硫變換，將CO轉(zhuǎn)化為CO2，變換氣與未變換氣匯合進(jìn)入低溫甲醇洗工序，脫除H2S和過(guò)量的CO2，最終達(dá)到合適的碳?xì)浔?，得到合成甲醇的新鮮氣4。CO反應(yīng)式： 1-1）2.3 合成工段2.3.1合成工段工藝流程圖如圖2-1。合成反應(yīng)要點(diǎn)在于合成塔反應(yīng)溫度的控制，另外，一般甲醇合成反應(yīng)1015Mpa的高壓需要高標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，這一項(xiàng)增加了很大的設(shè)備投資，在設(shè)計(jì)時(shí)，選擇目前先進(jìn)的林達(dá)均溫合成塔，操作壓力僅5.2MPa，由于這種管殼式塔的催化劑床層溫度平穩(wěn)均

7、勻，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率很高。在合成工段充分利用自動(dòng)化控制方法，實(shí)行連鎖機(jī)制，通過(guò)控制殼程的中壓蒸汽的壓力，能及時(shí)有效的掌控反應(yīng)條件，從而確保合成產(chǎn)品的質(zhì)量5。合成主反應(yīng)： CO+2H2CH3OH+102.37 kJ/kmol 1-2）副反應(yīng)： 2CO+4H2(CH3O)2+H2O+200.3 kJ/kmol 1-3） CO+3H2CH4+ H2O+115.69 kJ/kmol 1-4） 4CO+8H2C4H9OH+3H2O+49.62 kJ/kmol 1-5） CO+H2CO +H2O-42.92 kJ/kmol 1-6）除（1-5）外，副反應(yīng)的發(fā)生，都增大了CO的消耗量，降低了產(chǎn)率，故應(yīng)盡量減少副

8、反應(yīng)。2.3.2反應(yīng)熱力學(xué)一氧化碳加氫合成甲醇的反應(yīng)式為： CO+2H2CH3OH(g)這是一個(gè)可逆放熱反應(yīng)，熱效應(yīng)。當(dāng)合成氣中有CO2時(shí)，也可合成甲醇。 CO2 + 3H2 CH3OH(g) + H2O這也是一個(gè)可逆放熱反應(yīng)，熱效應(yīng)2.4 精餾工段精餾工段工藝流程圖見(jiàn)圖2-2。合成反應(yīng)的副產(chǎn)主要為醚、酮和多元醇類，本設(shè)計(jì)要求產(chǎn)品達(dá)質(zhì)量到國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，因此對(duì)精餾工藝的合理設(shè)計(jì)關(guān)系重大，是該設(shè)計(jì)的重點(diǎn)工作。設(shè)計(jì)中選用雙塔流程，對(duì)各物料的進(jìn)出量和回流比進(jìn)行了優(yōu)化，另外，為了進(jìn)一步提高精甲醇質(zhì)量，從主塔回流量中采出低沸點(diǎn)物繼續(xù)進(jìn)預(yù)塔精餾，這一循環(huán)流程能有效的提高甲醇的質(zhì)量。三生產(chǎn)工藝及主要設(shè)備計(jì)算工

9、藝計(jì)算作為化工工藝設(shè)計(jì)，工藝管道，設(shè)備的選擇及生產(chǎn)管理，工藝條件選擇的主要依據(jù)，對(duì)平衡原料，產(chǎn)品質(zhì)量，選擇最佳工藝條件，確定操作控制指標(biāo)，合理利用生產(chǎn)的廢料，廢氣，廢熱都有重要作用。 3.1 合成塔物料平衡計(jì)算已知：年產(chǎn)100000噸精甲醇，每年以300個(gè)工作日計(jì)。精甲醇中甲醇含量(wt)：99.95%粗甲醇組成(wt)：Lurgi低壓合成工藝甲醇：93.89%輕組分以二甲醚(CH3)2O計(jì)：0.188%重組分以異丁醇C4H9OH計(jì)：0.026%水：5.896%所以：時(shí)產(chǎn)精甲醇：Kg/h 時(shí)產(chǎn)粗甲醇： Kg/h根據(jù)粗甲醇組分，算得各組分的生成量為：甲醇(32)： Kg/h 434.03kmol

10、/h 9722.22 Nm3/h二甲醚(46)：27.796 Kg/h 0.604 kmol/h 13.536 Nm3/h異丁醇(74)：3.844 Kg/h 0.052 kmol/h 1.164 Nm3/h水(18)： 871.74 Kg/h 48.43 kmol/h 1048.84 Nm3/h合成甲醇的化學(xué)反應(yīng)為：主反應(yīng)：CO+2H2CH3OH+102.37 KJ/mol 副反應(yīng)：2CO+4H2(CH3)2O+H2O+200.39 KJ/mol CO+3H2CH4+H2O+115.69 KJ/mol 4CO+8H2C4H9OH+3H2O+49.62 KJ/mol CO2+H2CO+ H2O

11、-42.92 KJ/mol 生產(chǎn)中，測(cè)得每生產(chǎn)1噸粗甲醇生成甲烷7.56 Nm3,即0.34 kmol，故CH4每小時(shí)生成量為：7.5614.78533=111.777 Nm3，即4.987 kmol/h，79.794 Kg/h。忽略原料氣帶入份，根據(jù)、得反應(yīng)生成的水的量為：48.43-0.604-0.05203-4.987=42.683 kmol/h，即在CO逆變換中生成的H2O為42.683 kmol/h，即956.13 Nm3/h。5.06 MPa，40時(shí)各組分在甲醇中的溶解度列表于表2-1表2-1 5.06Mpa，40時(shí)氣體在甲醇中的溶解度組分H2COCO2N2ArCH4溶解度Nm3/

12、t甲醇00.6823.4160.3410.3580.682Nm3/h01.0085.5010.5040.5291.008 甲醇生產(chǎn)技術(shù)及進(jìn)展華東工學(xué)院出版社.1990據(jù)測(cè)定：35 時(shí)液態(tài)甲醇中釋放CO、CO2、H2等混合氣中每立方米含37.14 g甲醇，假定溶解氣全部釋放，則甲醇擴(kuò)散損失為：(1.008+5.501+0.504+0.529+1.008)= 0.318 kg/h即0.0099kmol/h，0.223 Nm3/h。根據(jù)以上計(jì)算，則粗甲醇生產(chǎn)消耗量及生產(chǎn)量及組成列表2-2。 表2-2 甲醇生產(chǎn)消耗和生成物量及組成消耗方式單位消耗物料量生成物料量合計(jì)COH2CO2N2CH4CH3OHC

13、4H9OH(CH3)2OH2O消耗生成式kmol434.868.06434.03Nm39722.19444.49722.2229166.9722.22式kmol1.2082.4160.6040.604Nm327.0654.1213.53613.53681.1827.07式kmol4.9879.9744.9874.987Nm3111.7223.554111.7111.77335.33223.554式kmol0.2080.4160.0520.156Nm34.6599.3181.1643.49413.9774.658式kmol<42.642.68342.6842.683Nm3<956.9

14、56.13956.1956.13956.13956.13氣體溶解Nm31.00805.0510.501.0087.571擴(kuò)散損失Nm30.21100.422<0.211>0.6330.211合計(jì)Nm318664.4540194.86961.6030.504110.76919444.392.32227.061101.93359821.4220686.502消耗組成%(v)31.267.1911.6070.0008生成質(zhì)量kg27751.347.7055.56873.7028688.3生成組成%(wt)93.890.0260.1885.8961003.2合成塔能量計(jì)算已知：合成塔入塔氣

15、為220 ，出塔氣為250 ，熱損失以5%計(jì)，殼層走4MPa的沸水。查化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)得，4 MPa下水的氣化潛熱為409.7 kmol/kg，即1715.00 kJ/kg，密度799.0 kg/m3，水蒸氣密度為19.18 kg/m3，溫度為250 。入塔氣熱容見(jiàn)4-16。 表2-165MPa，220下入塔氣除(CH3OH)熱容組分COCO2H2N2ArCH4合計(jì)流量Nm334894.7710668.7239349.677808.405627.2811721.9310070.86比熱：30.1545.9529.3430.3521.4147.05/熱量：kJ/23580.6510987.915

16、7396.595312.062700.6912360.2212338.19比熱(單位kJ/kmol)熱量：（kJ/)；查得220時(shí)甲醇的焓值為42248.46 kJ/kmol，流量為749.391 Nm3。所以：Q入=42248.46+212338.19220=2815007.35+46714401.8 =49529409.15 kJ出塔氣熱容除(CH3OH)見(jiàn)表2-17。 表2-17 5MPa，220下出塔氣除(CH3OH)熱容組分COCO2H2N2ArCH4C4H9OH(CH3)2OH2O合計(jì)流量：17145.48751.20198114.47805.785626.1611941.62.3

17、2227.062185.08251599.2比熱：30.1346.5829.3930.4121.3648.39170.9795.8583.49熱量：11579.39138.40130521.95321.882694.3912951.58.9059.714088.59176365.7其中各量單位是：流量：Nm3比熱：kJ/kmol熱量：kJ/；查得250時(shí)甲醇的焓值為46883.2 kJ/kmol，流量為10471.692 Nm3。所以：Q出=46883.2+176365.71250=21917251.36+44091421.5 =66008672.86 kJ由反應(yīng)式得:Q反應(yīng)=102.37+2

18、00.39+115.69+49.62+(-42.92) 1000 =(88862.60+242.08+577.30+5.14-2130.80)1000 =87556320 kJ Q熱損失=(Q入Q反應(yīng)) 5%=(49529409.15+87556320) 5%=6854286.46 kJ所以：殼程熱水帶走熱量 Q傳 = Q入 + Q反應(yīng) - Q出 - Q熱 =49529409.15+87556320-66008672.86-6854286.46 =64222769.83 kJ又：Q傳=G熱水r熱水所以:G熱水=37447.89 kg/h即時(shí)產(chǎn)蒸氣：=1952.45m33.3 常壓塔主要尺寸確定

19、3.3.1.壁厚選用20尺鋼為塔體材料，由于是常溫常壓操作，取壁厚Sn=10 mm3.3.2.封頭采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，材料為20R鋼，壁厚與塔體相同，即：Sn=10 mmhi=1000=750 mm，h0=60 mm 3.3.3裙座以Q235-A鋼為裙座材料，壁厚為10 mm，內(nèi)徑等于塔內(nèi)徑D=2600 mm，高度為3m，裙座與簡(jiǎn)體的連接采用對(duì)焊不校核強(qiáng)度。 3.3.4塔高設(shè)計(jì)塔釜高取Hb=3 m，塔頂高為1.2 m，頂接管高為350 mm，板間距為350 mm，開(kāi)7個(gè)人孔，人孔處板間距為700 mm。塔高=3000+(750+60)+35350+1200+350+3000+7007 =2551

20、0 mm3.3.5接管設(shè)計(jì)3.3.5.1.塔頂甲醇蒸汽出口管由前面計(jì)算可知：塔頂甲醇蒸汽流量為6583.6571 kg/h，溫度75 ，則體積流量為：V=24786.79 m3/h蒸汽流速，取u=20 m/s則出口管面積S=0.3443 m2所以：出口管徑d1=0.6622 m即取d1=663 mm3.3.5.2.回流液進(jìn)口管已知回流液溫度為40，甲醇液體流量為63960.896 kg/h查表知:40=772.21 kg/m3所以：其體積流量V=82.83 m3/h取液體流速u=1.5 m/s則回流液入口管徑d2=0.1398m=139.8 mm即取d2=140 mm3.3.5.3塔底出料管因

21、塔底含醇1%，可近似為水，查表知0.13 MPa，105 下水的密度為954.7 kg/m3，而塔底出料流量為27751.34kg/h，仍取流速為1.5 m/s。則出口管徑：d3=0.0828 m取出口管徑d3=90 mm。 3.3.5.4進(jìn)料管進(jìn)料狀態(tài)為124 ，0.67 MPa，甲醇9259.914 kg/h，水6730.31 kg/h，查得此狀態(tài)下水的密度為939.85 kg/m3，而醇的比重0.690，即甲醇的密度為：939.850.691.105 m3/h所以：進(jìn)料體積流量為：V=20.594 m3/h進(jìn)料管流速取為u=1.5 m/s，則進(jìn)料管徑： d4=0.0697 m即取d4=70 mm3.3.5.5.再沸器蒸汽入口管由前面計(jì)算可知：再沸器蒸汽流量為23817.5 kg/h，溫度為105 。則體積流量為：V= =41040.14 m3/h蒸汽流速取u=10 m/s，則入口管積S=0.57 m2所以：入口管徑d5=0.8521 m即取d5=853 mm四參考文獻(xiàn)1 趙國(guó)方編著 化工工藝設(shè)計(jì)概論 原子能出版社，19902 天津大學(xué)物理化學(xué)教研室 物理化學(xué)（上、下）高等教育出版社，19913 刁玉瑋 等編 化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ) 大連理工大學(xué)出版社，