萬噸甲醇生產廠設計書

1、74年48萬噸甲醇生產廠設計設計任務書一、設計目標為某化工總廠設計一個480kt/a合成甲醇分廠。二、設計基礎條件1、原料規(guī)格：來自總廠造氣分廠的凈化合成氣，壓強1.5MPa，溫度313.15K，組成為組份COCO2H2N2CH4摩爾分率17.956.4371.223.810.682、產品規(guī)格：達到國家標準（GB 388-85）一級品質量標準，分廠生產控制指標為組份CH3OH醛、酮總量烷烴總量水分摩爾分率>0.999<0.00005<0.00005<0.00073、排污要求：含有機物氣體用管道送至總廠鍋爐房焚燒處理；工藝廢水含有機物總量<0.002，用專用管路送至

2、總廠水處理分廠。4、公用工程：供電、供水、供惰性氣、供汽、機修等公用工程由總廠統(tǒng)一安排、配套提供。5、廠址地形條件：一側靠河、另一側靠總廠內公路，寬度100m，長度無限制。目錄1、概述41.1背景和意義41.2產品性質51.3產品用途51.4設計依據62、廠址選擇73、生產工藝的選擇93.1生產任務93.1.1設計能力93.1.2原料及化學品規(guī)格93.1.3產品規(guī)格93.1.4副產品規(guī)格93.2主要工藝簡介113.3甲醇生產工藝的選擇123.3.1原料氣的選擇123.3.2合成工藝的選擇133.3.3反應催化劑的選擇133.3.4精餾段工藝選擇153.4生產工藝參數183.5合成裝置簡介183

3、.6工藝流程簡介213.6.1合成工藝概況213.6.2精餾段工藝概況224、物料衡算234.1合成氣組成234.2生產能力計算234.3物料衡算235.熱量衡算305.1.合成工段熱量衡算305.1.1.合成塔的熱平衡計算305.1.2. 入塔換熱器的熱量計算325.1.3 .水冷器熱量的計算335.2.精餾工段熱量衡算355.2.1.塔精餾熱負荷表355.2.2.加熱介質和冷卻劑的選擇356、設備選型和計算376.1.精餾塔的設計與選用376.1.1.板式塔與填料塔的比較376.1.2.精餾塔的設計計算396.1.3.噴淋裝置的數據表426.2 換熱器的設計和選用436.2.1 加壓精餾塔

4、塔頂出料換熱器(E-307)的設計436.2.2.其余換熱器型號列表476.3.其它設備選型486.3.1.泵的選型486.3.2.壓縮機的選型486.4.設備一覽表497、廠區(qū)、車間平面布置與立面布置517.1概述517.2總規(guī)劃說明517.2.1.總的原則517.2.2.主要有毒有害、易燃易爆物質的燃爆性及毒性517.3廠區(qū)布置537.3.1廠區(qū)布置原則537.2.3 廠房的跨度和柱網布置547.3.車間規(guī)劃及設備布置說明547.3.1.車間布置547.3.2.具體設備布置557.4.附圖558、儀表568.1 儀表、檢測控制點說明568.1.1 測量儀表568.2 檢測、控制點儀表579

5、、生產安全及環(huán)境保護609.1甲醇的危害及防護609.1.1甲醇的物性609.1.2甲醇的危害609.1.3急救措施針對甲醇的危害609.2甲醇儲運注意事項609.3甲醇的接觸控制及個人防護619.4甲醇的消防常識619.5甲醇意外釋放的處理措施6210、技術經濟指標6410.1.機構設置及人員配備6410.2.設備估價6410.3.投資估算及成本分析6510.3.1.其它直接費用6610.3.2.間接費用6610.4.運行成本估算6710.5 .產品的產值6810.6經濟評價681、概述1.1背景和意義甲醇是最簡單的脂肪醇，是重要的化工基礎原料和清潔液體燃料，廣泛應用予有機合成、染料、醫(yī)藥、

6、涂料、交通、國防等工業(yè)中。甲醇是除合成氨之外，唯一由煤經氣化和天然氣重整大規(guī)模合成的化學品，是重要的一碳化工基礎產品和有機化工原料。甲醇作為固體煤或是天然氣轉化成液體清潔燃料，便于儲存和運輸，是重要的能源載體。由于既可以為做車用替代能源產品，又可以作為高附加值化工產品的特點，甲醇成為近年來煤化工和天然氣化工發(fā)展的主要產品，也因此，使其合成和應用技術都得到前所未有的發(fā)展，可以說，甲醇化學和甲醇化工已經成為化學工業(yè)和能源工業(yè)的一個重要領域。隨著甲醇汽油、柴油的應用，會使甲醇在MTBE方面的需求放緩，MTBE在甲醇的消費結構中約占9 。近年來，精對二甲苯(PTA)發(fā)展迅速，逐漸取代了已二酸二甲酯(D

7、MT)在聚酯方面的應用，使DMT在甲醇消費結構中所占比例有所下降。但在其它領域，如醋酸/醋酐、甲基丙烯酸甲酯(MMA)和燃料方面消費增長更快，這都會使甲醇的消費逐年增長。因此，甲醇行業(yè)正呈現(xiàn)出突飛猛進的發(fā)展趨勢。我國的甲醇工業(yè)始于20世紀50年代，曾利用前蘇聯(lián)技術在太原、蘭州、吉林采用鋅鉻系催化劑建有高壓法甲醇合成裝置。60至70年代，上海吳涇化工廠先后建有以交談和石腦油為原料的甲醇生產裝置，南京化學工業(yè)公司研究員研制了合成氨聯(lián)醇用的中壓銅基催化劑，推動了合成氨聯(lián)產甲醇的工業(yè)發(fā)展。70年代，四川尼綸廠易用我國第一套抵押甲醇合成裝置，以乙炔尾氣為原料采用ICI冷激式合成工藝。進入90年代，隨著甲

8、醇需求的快速增長，利用引進技術和自主技術建成了數十臺甲醇和聯(lián)醇的生產裝置，是我國的甲醇生產得到前所未有的進步。進入21世紀，由于晉級的快速發(fā)展，甲醇一方面作為有機化工的原料，如制備甲醛、醋酸、二甲醚等，兩一方面作為清潔燃料的代替品得到大量的推廣應用使甲醇作為煤化工的主要產品也得到快速的發(fā)展，生產能力直線上升，生產技術不斷提高，據不完全統(tǒng)計，2005年國內甲醇的產能還只有720萬噸，而2008年已發(fā)展到2200萬噸，實際產量達1126萬噸，表觀消費量1218萬噸。2009年全國新增甲醇裝置18套，新增產能約為850萬噸，而且各地還在籌劃假設的甲醇產能高達4230萬噸，其中相當一部分是配套生產的其

9、他煤化工產品的。1.2產品性質甲醇是無色、透明、易揮發(fā)的有毒易燃液體，能完全溶解于水、丙酮、醇類、酯類及鹵代烷類，其性質如表1。表1 甲醇物性表分子式CH3OH分子量32.04沸點64.564.7閃點16（開口容器）、12（閉口容器）自燃點473（空氣中）臨界溫度240臨界壓力79.54×105Pa蒸氣壓1.2897×104Pa比重0.7913（d4）密度0.81g/ml（0）比熱2.4702.533J/g（2025）粘度0.5945厘泊（20）導熱系數2.09×103J/cm.s.K表面張力22.55×10-5N/cm蒸發(fā)潛熱35.295KJ/mol（

10、64.7）折射率1.32874（20）熔融熱3.169 KJ/mol燃燒熱727.038 KJ/mol（25液體）生成熱273.79KJ/mol（25液體）爆炸極限636.5體積%（空氣中）1.3產品用途（1）甲醇作為基本化工原料，可生產許多重要的有機化合物，其深加工產品目前已達120多種，我國以甲醇為原料的一次加工產品已有30種。以甲醇為原料采用羰基化法生產醋酸，是目前最具競爭力的生產醋酸的方法。由醋酸可進一步生產出極具商業(yè)價值的二、三醋酸纖維素。由甲醇生產的其它重要有機化合物有甲醛、甲胺、甲烷氯化物、甲酸、甲酸甲酯、甲酸胺、甲基丙烯酸甲酯、二甲基甲酰胺、二甲基亞楓、碳酸二甲酯、二甲醚、聚乙

11、烯醇、醋酸乙烯等。（2）甲醇可作為新一代燃料。由甲醇和異丁烯合成的MTBE（甲基叔丁基醚）是高辛烷值汽油添加劑，甲醇還可摻燒汽油（如M15）或直接用作汽車燃料，是新一代的能源替代品。（3）甲醇是精細化工與高分子化工的主要原料。由甲醇為基礎原料制得的聚甲醛塑料是一種性能優(yōu)良的工程塑料，可替代金屬使用，在汽車工業(yè)及電器工業(yè)中有廣泛的用途。而甲醇直接催化轉化成烯烴的技術（MTP和MTO）也已具備了工業(yè)化的條件，這將進一步拓展甲醇在石油化工領域中的重要性及其應用領域。（4）由甲醇可生產單細胞蛋白（甲醇蛋白）。甲醇蛋白有許多優(yōu)點，蛋白轉化率高、發(fā)酵速度快、無毒性、價格便宜，其生產不受地理位置、氣候條件的

12、限制。我國飼養(yǎng)業(yè)對蛋白質的需求量很大，發(fā)展甲醇蛋白很有前途。甲醇是一種性能優(yōu)異的清潔燃料，隨著世界石油資源的日漸枯竭、環(huán)保呼聲的日趨高漲，甲醇摻燒汽油及甲醇燃料越來越受到人們的重視，國內許多地區(qū)已開始大面積推廣。由甲醇生產二甲醚來替代柴油及石油液化氣目前也已成為國內研究和投資的熱點，這為我國甲醇工業(yè)的發(fā)展提供了更大的空間。甲醇是一種重要的有機化工基本原料，被廣泛應用于有機合成、染料、農藥、醫(yī)藥、涂料等行業(yè)，其消費量僅次于乙烯、丙烯和苯。甲醇可以用于生產甲醛、甲基叔丁基醚（MTBE）、醋酸、甲酸甲酯、氯甲烷、甲胺、硫酸二甲酯、丙烯酸甲酯、烯烴和二甲醚等有機化工產品。甲醇消費的新途徑、新領域、世界

13、各國都在競相開發(fā)，從而促進了甲醇生產的迅速發(fā)展。根據專家對未來汽車代用能源的預測，甲醇和液態(tài)氫將起到重要作用，因此，甲醇產業(yè)的發(fā)展前景還是比較樂觀的。1.4設計依據 我們此次設計的依據是采用發(fā)展成熟并被廣泛應用的甲醇合成、精餾工藝，根據中華人民共和國國家標準工業(yè)甲醇（GB-338-2004）和美國聯(lián)邦標準（O-M-232K-98）AA級和A級標準，運用化工原理以及相關知識，利用化工模擬軟件PRO/II作為模擬手段，以最大程度的獲取相關合成、分離數據，完善生產甲醇的整個工藝過程，實現(xiàn)高效、節(jié)能、環(huán)保的工藝理念。2、廠址選擇我們把年產48萬噸甲醇廠選在上海徐涇工業(yè)園區(qū)。徐涇工業(yè)園區(qū)于2001年5月

14、經青浦區(qū)人民政府批準成立的青浦工業(yè)園區(qū)配套區(qū)，規(guī)劃開發(fā)總面積733公頃。其中，首期開發(fā)面積133公頃，至2001年已完成首期開發(fā)，二期、三期開發(fā)正在進行，140家企業(yè)已在園區(qū)落戶，投資總額116億元人民幣，區(qū)內職工總人數10000人。徐涇工業(yè)區(qū)又位于江南著名的魚米之鄉(xiāng)-青浦區(qū)的東大門，從開發(fā)區(qū)西行20公里，有明清時代青瓦白墻的古鎮(zhèn)，依橋而居的流水人家，聞名遐爾的紅樓大觀園，波光鱗鱗的淀山湖。區(qū)內地勢平坦，高亢，地質優(yōu)良，環(huán)境安靜。區(qū)內供電由上海城市電網供配，已建成3.5萬伏變電站兩座，容量8萬KVA，用電大戶可由10萬伏變電站直接供配。區(qū)內實現(xiàn)電話自動化，傳輸光纜化，能為用戶提供IDD，計算機

15、聯(lián)網專線和圖象傳輸業(yè)務。區(qū)內道路城市化，主干道與318國道，徐鳳公路相連接，為開發(fā)區(qū)配套的日供水量6萬噸的自來水公司，儲備量60萬立方米的管道煤氣站已投入使用，區(qū)內供電，供水，通訊，排水等系統(tǒng)完備，目前，正在籌建大型污水處理廠。開發(fā)區(qū)組建以來，往來客戶絡繹不絕，至今，已有日本、韓國、德國、美國、新加坡、菲律賓以及香港、臺灣等20多個國家和地區(qū)的投資者前來考察落戶。金朋芯裝（上海）有限公司，德國拜爾斯道夫股份公司投資的妮維雅（上海）有限公司，日本黑田電氣（上海）有限公司，新加坡的上海泰豐箱包有限公司，香港的鄭明明化妝品有限公司，上海家化聯(lián)合公司，上海關勒名有限公司等公司。交通徐涇工業(yè)區(qū)位于上海市

16、區(qū)的西側，是繼虹橋開發(fā)區(qū)，漕河經開發(fā)區(qū)之后，離市中心最近的工業(yè)開發(fā)區(qū)，距虹橋國際機場六公里，上海港口四十五公里。經濟區(qū)南有國家一級公路-318國道和滬青平高速公路，北有北青公路，東臨滬杭鐵路，是上海通往全國各地的必經之路。園區(qū)產業(yè)根據園區(qū)產業(yè)發(fā)展的規(guī)劃，以發(fā)展電子信息業(yè)、精細化工業(yè)作為工業(yè)區(qū)的主導產業(yè)。自建區(qū)以來，已累計投入基礎設施建設資金4億元，建造標準廠房6.54萬平方米。現(xiàn)有落戶企業(yè)中，主要有金朋（上海）有限公司、上海五洋藥業(yè)健康產品有限公司、上海展華電子有限公司、上海國家會計學院、尤妮佳（上海）有限公司等，2002年完成工業(yè)總產值20億元，實現(xiàn)利潤2億元，實繳稅收2.5億元。未來發(fā)展隨

17、著工業(yè)區(qū)內基礎設施建設的不斷完善，上海市三環(huán)線建設和虹橋路，延安路（西段）高架公路及高速公路入城段的建成，開發(fā)區(qū)地理位置地優(yōu)勢將能得到更完美的體現(xiàn)。徐涇工業(yè)區(qū)總體目標是建設一個具有優(yōu)越的投資環(huán)境，優(yōu)良的服務體系和優(yōu)惠的投資政策、集多功能，現(xiàn)代化，外向型一體的工業(yè)園區(qū)，使前來投資的客商得到更優(yōu)厚的回報。3、生產工藝的選擇3.1生產任務3.1.1設計能力設計甲醇生產能力480kt/a，按年操作330天，甲醇損失率3%，另外設計裕度量按照6%考慮，則甲醇生產能力約為：實際生產取1600t/d。則實際每小時甲醇生產量為2080.94kmlo/h。3.1.2原料及化學品規(guī)格來自總廠造氣分廠的凈化合成氣，

18、壓強1.5MPa，溫度313.15K，組成為組份COCO2H2N2、Ar等惰性氣體CH4摩爾分率%17.956.4371.223.810.683.1.3產品規(guī)格達到國家標準(GB 388-85)一級品質量標準，分廠生產控制指標為組份CH3OH醛、酮總量烷烴總量水分摩爾分率>0.999<0.00005<0.00005<0.00073.1.4副產品規(guī)格符合中華人民共和國國家標準工業(yè)甲醇（GB-338-2004）和美國聯(lián)邦標準（O-M-232K-98）AA級和A級標準，具體規(guī)定見表2和表3。表2 中華人民共和國國家標準工業(yè)甲醇GB-338-2004序號項 目指 標優(yōu)等品一等品

19、合格品1色度/HaZen單位（鉑-鈷色號）5102密度（20），g/cm30.791-0.7920.791-0.7933沸程（101.3KPa，）6465.5范圍內4包括64.6±0.1/0.81.01.55高錳酸鉀試驗/min5030206水混溶性試驗通過試驗(1+3)通過試驗(1+3)7水分質量分數/%0.100.158酸度質量分數（以HCOOH計）/%0.00150.00300.00509或堿度質量分數（以NH3計）/%0.00020.00080.001510羰基化合物質量分數（以CH2O計）/%0.0020.0050.01011蒸發(fā)殘渣質量分數%0.0010.0030.005

20、12硫酸洗滌試驗/HaZen單位(鉑-鈷色號)5013乙酸質量分數/%供需雙方協(xié)商表3美國工業(yè)甲醇A級和AA級標準(O-M-232K-98)序號指 標 名 稱指 標A級AA級1乙醇/PPm(w)102丙酮/PPm(w)30203游離酸（Hac計）/PPm(w)30304外觀無色透明，無懸浮物，無沉淀物無色透明，無懸浮物，無沉淀物5可炭化物(濃硫酸洗)顏色(鉑-鈷色號)NO.30NO.306色度/(鉑-鈷色號)不暗于ASTM的鉑-鈷標度5不暗于ASTM的鉑-鈷標度57餾程（760mmHg，64.6±0.1）/118比重d2020/g/cm30.79280.79289不揮發(fā)物/mg/10

21、0ml101010氣味醇類特征，無其它氣味醇類特征，無其它氣味11高錳酸鉀試驗30分鐘內褪色30分鐘內褪色12水質量分數/%褪色0.150.13.2主要工藝簡介甲醇是重要的化工原料,在有機合成、染料、醫(yī)藥、涂料等領域有著廣泛的應用。目前，國際上主要的甲醇生產工藝主要以天然氣制甲醇為主，先進的生產技術有DAV Y (原I. C. I)、O PSO E、U hde、L u rgi 公司甲醇技術等，不同的甲醇生產技術主要差異在于甲醇合成塔的不同選擇。甲醇的生產工藝目前主要有以下幾種：天然氣制甲醇法，煤、焦炭制甲醇法，油制甲醇法，聯(lián)醇生產法。（1）以天然氣生產甲醇原料氣有蒸汽轉化、催化部分氧化、非催化

22、部分氧化等方法,其中蒸汽轉化法應用得最廣泛,它是在管式爐中常壓或加壓下進行的。（2）油制甲醇法的油品主要有二類:一類是石腦油,另一類是重油。目前用石腦油生產甲醇原料氣的主要方法是加壓蒸汽轉化法，石腦油的加壓蒸汽轉化需在結構復雜的轉化爐中進行，轉化爐設置有輻射室與對流室,在高溫、催化劑存在下進行烴類蒸汽轉化反應。以重油為原料制取甲醇原料氣有部分氧化法與高溫裂解法兩種途徑，裂解法需在1400以上的高溫下,在蓄熱爐中將重油裂解,缺點是雖然可以不用氧氣,但設備復雜,操作麻煩,生成炭黑量多。（3）與合成氨聯(lián)合生產甲醇簡稱聯(lián)醇，聯(lián)醇生產的工藝條件是在壓縮機五段出口與銅洗工序進口之間增加一套甲醇合成的裝置,

23、包括甲醇合成塔、循環(huán)機、水冷器、分離器和粗甲醇貯槽等有關設備,工藝流程是壓縮機五段出口氣體先進人甲醇合成塔,大部分原先要在銅洗工序除去的一氧化碳和二氧化碳在甲醇合成塔內與氫氣反應生成甲醇。優(yōu)點是一氧化碳含量明顯降低，能耗降低較明顯。（4）煤、焦炭制甲醇的工藝路線包括燃料的氣化、氣體的脫硫、變換、脫碳及甲醇合成與精制。其中，以煤、焦炭為原料制甲醇的工藝流程圖如下：圖1 焦爐氣制甲醇生產工藝流程圖3.3甲醇生產工藝的選擇生產甲醇的主要方程式為：合成甲醇過程中發(fā)生的主要副反應有：目前市場上生產甲醇的工藝路線從原料來源上主要分為天然氣制甲醇、煤焦炭（焦爐氣）制甲醇、油制甲醇以及合成氨聯(lián)產甲醇四種工藝；

24、從合成工藝上主要可以分為低壓、中壓和高壓合成。3.3.1原料氣的選擇由于天然氣的使用限制，我們小組討論決定用焦爐氣作為合成氣制甲醇的原料氣。眾所周知，我國是一個焦炭生產大國,焦炭產量居世界第1位。焦爐煤氣是在煉焦過程中,在產出焦炭和焦油產品的同時所得到的可燃氣體,是煉焦過程的副產品。焦爐氣除部分返回煉焦爐用作加熱燃料外,剩余的焦爐氣主要用作城市居民的燃料氣,隨著天然氣作為燃料的普及，有相當數量的焦爐氣通過火炬燃燒放空,不僅造成大量資源浪費,而且嚴重污染環(huán)境。利用焦爐氣生產甲醇，不僅可以合理利用資源，也減輕了廢氣的排放，所以，用焦爐氣生產甲醇是一項環(huán)保項目。3.3.2合成工藝的選擇甲醇是醇類中最

25、簡單的一元醇。1661年英國化學家R.波義耳首先在木材干餾后的液體產物中發(fā)現(xiàn)甲醇，故甲醇俗稱木精、木醇。在自然界只有某些樹葉或果實中含有少量的游離態(tài)甲醇，絕大多數以酯或醚的形式存在。1857年法國的M·貝特洛在實驗室用一氯甲烷在堿性溶液中水解也制得了甲醇。1923年德國BASF公司首先用合成氣在高壓下實現(xiàn)了甲醇的工業(yè)化生產，直到1965年，這種高壓法工藝是合成甲醇的唯一方法。1966年英國ICI公司開發(fā)了低壓法工藝，接著又開發(fā)了中壓法工藝。1971年德國的Lurgi公司相繼開發(fā)了適用于天然氣渣油為原料的低壓法工藝。由于低壓法比高壓法在能耗、裝置建設和單系列反應器生產能力方面具有明顯的

26、優(yōu)越性，所以從70年代中期起，國外新建裝置大多采用低壓法工藝。世界上典型的甲醇合成工藝主要有ICI工藝、Lurgi工藝和三菱瓦斯化學公司(MCC)工藝。目前，國外的液相甲醇合成新工藝具有投資省、熱效率高、生產成本低的顯著優(yōu)點，尤其是LPMEOHTM工藝，采用漿態(tài)反應器，特別適用于用現(xiàn)代氣流床煤氣化爐生產的低H2(COCO2)比的原料氣，在價格上能夠與天然氣原料競爭。如今，低壓法生產甲醇已經逐漸取代了高壓法生產甲醇的工藝。在當今世界上ICI和Lurgi是兩種主要的低壓合成甲醇工藝?，F(xiàn)對兩種工藝從流程情況、床層溫度分布狀況、催化劑的使用效果及動力消耗等方面進行比較。Lurgi低壓甲醇合成工藝反應床

27、層的溫度比ICI低壓甲醇合成工藝的床層溫度更易于控制和調節(jié)，并且反應床層溫度的分布也更臺理，因而催化劑活性高，時空產率比ICI法高一倍左右。Lurgi低壓甲醇合成工藝比ICI低壓甲醇臺成工藝可更有效地提高產品質量和原料氣的單程轉化率。Lurgi低壓甲醇合成工藝比ICI低壓甲醇合成工藝動力消耗低，生產成本也較低Lurgi低壓甲醇合成工藝還能利用反應熱副產中壓蒸汽，能量的利用比ICI低壓甲醇合成工藝更為有效。ICI法最大的特點是合成塔結構簡單，材料沒有特殊要求，設備易制造；而Lurgi甲醇合成塔管材采用雙相不銹鋼，加工較復雜。通過以上各種因素的比較，可以看出在大批量的工業(yè)生產中Lurgi法優(yōu)于IC

28、I法。綜上考慮，我們確定合成工藝選用Lurgi低壓法合成甲醇的工藝路線。3.3.3反應催化劑的選擇經過長時間的研究開發(fā)和工業(yè)實踐，廣泛使用的合成甲醇催化劑主要有兩大系列：一種是以氧化銅為主體的銅基催化劑，一種是以氧化鋅為主體的鋅基催化劑。鋅基催化劑機械強度好.耐熱性好，對毒物敏感性小，操作的適宜溫度為350400，壓力為2532MPa(壽命為23年)；銅基催化劑具有良好的低溫活性，較高的選擇性，通常用于低、中壓流程。耐熱性較差，對硫、氯及其化合物敏感，易中毒。操作的適宜溫度為220270，壓力為515MPa(一般壽命為23年)。通過操作條件的對比分析，可知使用銅基催化劑可大幅度節(jié)省投資費用和操

29、作費用，降低成本。隨著脫硫技術的發(fā)展，使用銅基催化劑己成為甲醇合成工業(yè)的主要方向，鋅基催化劑已于80年代中期淘汰。表3.3國內外常用銅基催化劑特性對比催化劑型號組分/操作條件CuOZnOAl2O3壓力/MPa溫度/英國ICI 51-36030107.8-11.8190270德國LG104513244.9210240美國C79-2-1.5-11.7220330丹麥LMK4010-9.8220270中國C302系列513245.0-10.0 210280中國XCN-985220 85.010.0 200290從上表的對比可以看出，國產催化劑的銅含量已提50%以上。制備工藝合理，使該催化劑的活性、選

30、擇性、使用壽命和機械強度均達到國外同類催化劑的先進水平，并且價格較低。由下圖CO的轉化率與溫度、壓力關系圖中可以看出，低溫低壓有利于CO的轉化率提高，所以銅基催化劑是很好的選擇。圖3.2 CO轉化率與溫度、壓力關系圖我們小組采用的是四川天一科技股份有限公司研制和開發(fā)的XNC-98甲醇合成催化劑，這款產品目前已在國內20多套大、中、小型工業(yè)甲醇裝置上使用,運行情況良好。它是一種高活性、高選擇性的新催化劑。用于低溫、低壓下由碳氧化物與氫合成甲醇，具有低溫活性高、熱穩(wěn)定性好的特點。常用操作溫度200290,操作壓力5.010.0 MPa。表3.4 XNC-98主要物性參數型號XNC-98主要物質銅、

31、鋅和鋁等含氧化合物外觀有色金屬光澤的圓柱體堆積密度1.31.5kg/L外型尺寸5×(4.55)mm徑向抗壓強度200N/cm催化劑壽命在正常情況下，使用壽命為2年以上催化劑活性230時：催化劑的時空收率1.20 kg/(L.h)250時：催化劑的時空收率1.55 kg/(L.h)3.3.4精餾段工藝選擇甲醇精餾按工藝主要分為三種：雙塔精餾工藝技術、帶有高錳酸鉀反應的精餾工藝技術和三塔精餾工藝技術。雙塔精餾工藝技術由于具有投資少、建設周期短、操作簡單等優(yōu)點，被我國眾多中、小甲醇生產企業(yè)所采用。其在聯(lián)醇裝置中得到了迅速推廣。帶有高錳酸鉀反應的精餾工藝技術僅在單醇生產中用鋅鉻為催化劑的產品

32、中有應用。近年來.隨著甲醇合成銅基催化劑的廣泛應用和氣體凈化水平的提高。粗甲醇生產中的副反應減少和雜質的降低，此工藝流程己經很少采用。三塔精餾工藝技術是為減少甲醇在精餾中的損耗和提高熱利用率，而開發(fā)的一種先進、高效和能耗較低的工藝流程。近年來在大、中型企業(yè)中得到了推廣和應用。（1） 雙塔精餾工藝國內中、小甲醇廠大部分都選用雙塔精餾工藝傳統(tǒng)的主、預精餾塔幾乎都選用板式結構。雙塔精餾工藝流程見下圖。來自合成工段含醇90%的粗甲醇，經減壓進入粗甲醇貯槽。經粗甲醇預熱器加熱到45后進入預精餾塔。甲醇的精餾分2個階段：先在預塔中脫除輕餾分.主要是二甲醚；后進入主精餾塔，進一步把高沸點的重餾分雜質脫除，主

33、要是水、異丁基油等。從塔頂或側線采出.經精餾甲醇冷卻器冷卻至常溫后，就可得到純度在99.9%以上的符合國家指標的精甲醇產品。該工藝具有流程簡單，運行穩(wěn)定，操作方便，一次投資少的特點。該工藝適合于原料粗甲醇中二甲醚等輕組分、還原性雜質量較低的粗甲醇加工。1預精餾塔； 2主精餾塔圖3.3 雙塔精餾工藝（2） 三塔精餾工藝近年來，許多企業(yè)原有甲醇雙塔精餾裝置己不能滿足企業(yè)的需要。隨著生產的強化，不僅消耗大幅度上升，而且殘液中的甲醇含量也大大超過了工藝指標。對企業(yè)的達標排放構成了較大的威脅。 甲醇三塔精餾工藝技術是為了減少甲醇在精餾過程中的損耗，提高甲醇的收率和產品質量而設計的。預精餾塔后的冷凝器采用

34、一級冷凝，用以脫除二甲醚等低沸點的雜質，控制冷凝器氣體出口溫度在一定范圍內。在該溫度下，幾乎所有的低沸點餾分都為氣相，不造成冷凝回流。脫除低沸點組分后，采用加壓精餾的方法，提高甲醇氣體分壓與沸點，減少甲醇的氣相揮發(fā)，從而提高了甲醇的收率。作為一般要求的精甲醇經加壓精餾塔后就可以達到合格的質量。如作為特殊需要，則再經過常壓精餾塔的進一步提純。生產中加壓塔和常壓塔同時采出精甲醇，常壓塔的再沸器熱量由加壓塔的塔頂氣提供，不需要外加熱源。粗甲醇預熱器的熱量由精甲醇提供，也不需要外供熱量。因此.該工藝技術生產能力大，節(jié)能效果顯著，特別適合較大規(guī)模的精甲醇生產。1 預精餾塔 2加壓精餾塔 3 常壓精餾塔圖

35、3.4 三塔精餾工藝(3) 雙塔精餾與三塔精餾的比較<1>工藝流程。三塔精餾與雙塔精餾在流程上的區(qū)別在于三塔精餾采用了2臺主精餾塔(其中1臺是加壓塔)和1臺常壓塔，較雙塔流程多1臺加壓塔。這樣，在同等的生產條件下，降低了主精餾塔的負荷，并目常壓塔利用加壓塔塔頂的蒸汽冷凝熱作為加熱源，所以三塔精餾既節(jié)約蒸汽，又節(jié)省冷卻水。<2>蒸汽消耗。在消耗方面,由于常壓塔加壓塔的蒸汽冷凝熱作為加熱源，所以三塔精餾的蒸汽消耗相比雙塔精餾要低。<3>產品質量。三塔精餾與雙塔精餾在產品質量上最大的不同是三塔精餾制取的精甲醇中乙醇含量低，一般小于50×10-6,而雙塔精

36、餾制取的精甲醇中乙醇含量為400×10-6500×10-6，三塔精餾制取的精甲醇純度可達99.99%，含有的有機雜質相對較少。<4>設備投資。三塔精餾的流程較雙塔精餾流程要復雜，所以在投資方面，同等規(guī)模三塔精的設備投資要比雙塔精餾高出20%30%。<5>操作方面。由于雙塔精餾具有流程簡單,運行穩(wěn)定的特點,所以在操作上較三塔精餾要方便簡單。表3.5雙塔精餾與三塔精餾的投資與操作費用比較表項目雙塔精餾三塔精餾生產規(guī)模t/a1052.51052.5投資100100100113122.3129操作費用1001001006466.771能耗1001001006

37、060.461.2注：投資、操作費用、能耗為相對數我們小組最終決定采用三塔精餾的精餾段工藝，既能保證甲醇的質量，也能進一步節(jié)能，使能量得到更好地利用。3.4生產工藝參數根據各個工藝路線的參考與比對，我們小組最終選定了自己的甲醇生產工藝路線，詳細參數見下表：表3.5甲醇合成工段設計參數工藝參數工段溫度()壓力(Mpa)新鮮氣40.001.50入塔氣170.005.50出塔氣230.005.50脫鹽水冷凝器進料120.005.50出料70.004.85水冷卻器進料70.004.85出料50.004.803.5合成裝置簡介甲醇合成反應器實際是甲醇合成系統(tǒng)中最重要的設備。從操作結構，材料及維修等方面考

38、慮，甲醇合成反應器應具有以下要求：（1）催化劑床層溫度易于控制，調節(jié)靈活，能有效移走反應熱，并能以較高位能回收反應熱；（2）反應器內部結構合理，能保證氣體均勻通過催化劑床層，阻力小，氣體處理量大，合成轉化率高，催化劑生產強度大；（3）結構緊湊，盡可能多填裝催化劑，提高高壓空間利用率；高壓容器及內件間無滲漏；催化劑裝御方便；制造安裝及維修容易。甲醇合成塔主要由外筒、內件和電加熱器三部分組成。內件事由催化劑筐和換熱器兩部分組成。根據內件的催化劑筐和換熱器的結構形式不同，甲醇內件份為若干類型。按氣體在催化劑床的流向可分為：軸向式、徑向式和軸徑復合型。按催化劑筐內反應惹得移出方式可分為冷管型連續(xù)換熱式

39、和冷激型多段換熱式兩大類。按換熱器的形式分為列管式、螺旋板式、波紋板式等多種形式。目前，國內外的大型甲醇合成塔塔型較多，歸納起來可分為五種： （1）冷激式合成塔這是最早的低壓甲醇合成塔，是用進塔冷氣冷激來帶走反應熱。該塔結構簡單，也適于大型化。但碳的轉化率低，出塔的甲醇濃度低，循環(huán)量大，能耗高，又不能副產蒸汽，現(xiàn)已經基本被淘汰。（2）冷管式合成塔這種合成塔源于氨合成塔，在催化劑內設置足夠換熱面積的冷氣管，用進塔冷管來移走反應熱。冷管的結構有逆流式、并流式和U型管式。由于逆流式與合成反應的放熱不相適應，即床層出口處溫差最大，但這時反應放熱最小，而在床層上部反應最快、放熱最多，但溫差卻又最小，為克

40、服這種不足，冷管改為并流或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型合成塔和國內林達公司的U形冷管型。這種塔型碳轉化率較高但僅能在出塔氣中副產0. 4MPa的低壓蒸汽。日前大型裝置很少使用。（3）水管式合成塔 將床層內的傳熱管由管內走冷氣改為走沸騰水。這樣可較大地提高傳熱系數，更好地移走反應熱，縮小傳熱面積，多裝催化劑，同時可副產2.5Mpa4.0MPa的中壓蒸汽，是大型化較理想的塔型。（4）固定管板列管合成塔 這種合成塔就是一臺列管換熱器，催化劑在管內，管間（殼程)是沸騰水，將反應熱用于副產3.0MPa4.0MPa的中壓蒸汽。代表塔型有Lurgi公司

41、的合成塔和三菱公司套管超級合成塔，該塔是在列管內再增加一小管，小管內走進塔的冷氣。進一步強化傳熱，即反應熱通過列管傳給殼程沸騰水，而同時又通過列管中心的冷氣管傳給進塔的冷氣。這樣就大大提高轉化率，降低循環(huán)量和能耗，然而使合成塔的結構更復雜。固定管板列管合成塔雖然可用于大型化，但受管長、設備直徑、管板制造所限。在日產超過2000t時，往往需要并聯(lián)兩個。這種塔型是造價最高的一種，也是裝卸催化劑較難的一種。隨著合成壓力增高，塔徑加大，管板的厚度也增加。管板處的催化劑屬于絕熱段;管板下面還有一段逆?zhèn)鳠岫?，也就是進塔氣225，管外的沸騰水卻是248，不是將反應熱移走而是水給反應氣加熱。這種合成塔由于列管

42、需用特種不銹鋼，因而是造價非常高的一種。（5）多床內換熱式合成塔 這種合成塔由大型氨合成塔發(fā)展而來。日前各工程公司的氨合成塔均采用二床(四床)內換熱式合成塔。針對甲醇合成的特點采用四床（或五床)內換熱式合成塔。各床層是絕熱反應，在各床出口將熱量移走。這種塔型結構簡單，造價低，不需特種合金鋼，轉化率高，適合于大型或超大型裝置，但反應熱不能全部直接副產中壓蒸汽。典型塔型有Casale的四床臥式內換熱合成塔和中國成達公司的四床內換熱式合成塔。合成塔的選用原則一般為：反應能在接近最佳溫度曲線條件下進行，床層阻力小，需要消耗的動力低，合成反應的反應熱利用率高，操作控制方便，技術易得，裝置投資要底等。綜上

43、所述和借鑒大型甲醇合成企業(yè)的經驗，（大型裝置不宜選用激冷式和冷管式），設計選用固定管板列管合成塔。這種塔內甲醇合成反應接近最佳溫度操作線，反應熱利用率高，雖然設備復雜、投資高，但是由于這種塔在國內外使用較多，具有豐富的管理和維修經驗，技術也較容易得到；外加考慮到設計的是年產35萬噸的甲醇合成塔，塔的塔徑和管板的厚度不會很大，費用也不會很高，所以本設計采用了固定管板列管合成塔。設計條件一般為：操作壓力5.27MPa，操作溫度230255。在列管式反應器(管殼式)里，有管內裝催化劑、管間用沸騰水移去反應熱，和管間裝催化劑、管內走水兩種類型，氣體都呈軸向流。該塔的特點是：床層內溫度比較平穩(wěn)，除進口處

44、有一定溫升(一般從230升至255左右)，大部分床層均處于250255之間操作，塔中下部位溫度變化小(熱點溫差一般不超過15)；另一方面由于傳熱面積與床層體積比大(約80m2/m3)，移熱迅速，同平面溫差較小，有利于延長催化劑的壽命，并允許原料氣中含較高的CO。 能準確、靈敏地控制反應溫度，由于該反應器床層溫度是通過調節(jié)蒸汽汽包壓力來控制，靈敏度高達0.3。 與冷激型反應器相比，合成效率較高，合成塔出口甲醇含量高，循環(huán)氣量減少。 以較高位能回收反應熱，可副產約2.13.5MPa的中壓蒸汽(壓力隨催化劑型號和使用時間而定)。不足的是：(1)結構相對比絕熱型復雜，設備制造費相對較高。(2)雖然塔壓

45、降較ICI小，但氣體在該塔內呈軸向流，塔壓降仍比徑向流大。(3)反應曲線與后面將要論述的等溫型或均溫型反應器相比，偏離最佳溫度曲線仍較遠。對于催化劑裝在管內的管殼式反應器，還存在著兩點不足： 由于管數較多，裝催化劑不容易均勻，催化劑的裝卸也相對較困難。隨著開車時間的進行，管內裝的催化劑收縮較大，管上部出現(xiàn)較大的空間，合成氣體先吸熱，進入催化劑床層反應后才能放熱，整體熱利用率不盡合理。圖3.5 Lurgi合成塔示意圖3.6工藝流程簡介3.6.1合成工藝概況圖3.6 甲醇合成工段流程圖如上圖所示，來自造氣廠的合成氣的溫度為40，壓力為1.5MPa，通過第一個壓縮機被壓縮為2.5MPa,再經過第二個

46、壓縮機被壓縮到5.5MPa，進入預熱器加熱至170，進入甲醇合成反應器，設定CO轉化率為45%，CO2轉化率為25%，其他副產物轉化率為0.1%，反應得到的混合器返回預熱器，作為加熱進料氣的熱源，同時自身降溫至150左右，進入脫鹽水冷凝器，冷卻至70，在經過一個冷卻水換熱器，降溫至50，進入閃蒸罐，進行氣液分離，分出大部分反應氣體，其中大部分反應器繼續(xù)回到第二個壓縮機作為循環(huán)氣使用，極小部分作為馳放氣排出。閃蒸罐下部出來的物料進入精餾工段。3.6.2精餾段工藝概況圖3.7甲醇三塔精餾工段流程圖如上圖所示，來自合成甲醇工序閃蒸后的出口產品，由于其溫度已經比較低了，因此直接用回流泵送入預精餾塔中，

47、在塔頂除去輕組分及不凝氣；塔底的甲醇水溶液再由泵送至加壓塔中。加壓塔操作壓力為400KPa，塔頂甲醇蒸氣經過常壓塔塔釜再沸器，一部分作為熱源利用后回到加壓塔中，另一部分冷凝后作為精甲醇產品回收，加壓塔塔釜出料進入常壓塔繼續(xù)精餾后得到甲醇精制產品。詳細的工藝流程圖及帶控制點的工藝流程圖見附錄。4、物料衡算4.1合成氣組成來自總廠造氣分廠的凈化合成氣，壓強1.5MPa，溫度313.15K，組成為組份COCO2H2N2、Ar等惰性氣體CH4摩爾分率%17.956.4371.223.810.684.2生產能力計算設計甲醇生產能力480kt/a，按年操作330天，甲醇損失率3%，另外設計裕度量按照6%考

48、慮，則甲醇生產能力約為：4.3物料衡算甲醇合成反應式：主反應 （1） （2） 副反應 （3） （4） （5）CO和CO2的總反應轉化率定為95%，則需要的進氣量為M=5618kmol/h通過PRO/II模擬，合成工段圖如下：圖4.1 合成工段流程圖圖4.2 精餾工段流程圖計算結果如下表：表4.1甲醇生產工藝物料衡算表NameS1S2S3S4S5摩爾流量kmol-hPhaseVaporVaporVaporVaporVapor H26267.366267.3643074.157643074.157637951.1158 H2O0076.62276.622640.9529 CO1579.61579.

49、61660.09251660.092583.0048 CO2565.84565.8400594.4065594.406529.7203 N2334.4334.48886.08628886.08628821.6343 CH452.852.80001400.98061400.98061390.8198 AR00000 C2H6O000.02530.02530.2367 C2H6O2000.00010.00010.2119甲醛002.31472.31472.6963 CH4O00426.6155426.61552563.9671總摩爾流量kmol / hr8800880056121.30125612

50、1.301251484.3599溫度 40108.719163.8555170210壓力 MPa1.52.55.55.55.5摩爾質量10.454210.45427.94747.94748.612焓值kJ / kg173.6789360.2245599.67621.8839939.5132比熱CpkJ/kg-C2.85362.89763.81353.81523.686摩爾分數 H20.71220.71220.76750.76750.7371 H2O000.00140.00140.0124 CO0.17950.17950.02960.02960.0016 CO20.06430.06430.010

51、60.01060.0006 N20.0380.0380.15830.15830.1713 CH40.0060.0060.0250.0250.027 AR00000 C2H6O00000 C2H6O200000甲醛00000 CH4O000.00760.00760.0498NameS6S7S8S9S10摩爾流量kmol-hPhaseVaporVaporMixedMixedVapor H237951.115837951.115837951.11585.87150.641 H2O640.9529640.9529640.9529561.9610.0015 CO83.004883.004883.00480.02280.0015 CO229.720329.720329.72030.27030.0006 N288