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1、东北石油大学本科生毕业设计（论文）年产 30 万吨甲醇毕业设计摘 要甲醇是由 CO 和 H2合成的，本设计分析了操作条件：温度、压力、原料气组成、空速和惰性气体对甲醇生产的影响，本设计采用煤为原料，通过 GSP 气化工艺将原料煤气转化为合成气，通过变换和 NHD 脱硫脱碳工艺把合成气转化为满足甲醇合成条件的原料气，在列管式等温反应器中合成甲醇，本设计采用 XNC-98 型催化剂，利用三塔精馏工艺将生成的粗甲醇精制后得到精甲醇。设计的主要内容包括能量衡算和主要设备的选型，能量衡算有物料衡算和热量衡算，主要设备包括甲醇合成塔和精馏塔。 关键词：甲醇；合成；精馏东北石油大学本科生毕业设计（论文）Ab
2、stractMethanol consists of CO and H2，this design analysis the effects of operation conditions: temperature, pressure, the gas material composition, airspeed and inert gas , this design uses the coal as raw material, through the GSP gasification process will raw materials gas into snags, through the
3、transformation and NHD desulfurization process into the decarburization snags methanol synthesis conditions meet gas material, in the tube type of methanol synthesis isothermal reactor, this design uses the XNC-98 type catalyst, use three tower distillation process will create the thick methanol ble
4、nded get fine methanol. The design of the main contents include energy calculation and major equipment selection, energy balance calculations have material calculation and heat balance calculations, the main equipment including methanol synthesis tower and rectifying tower. Key words：Methanol ；Synth
5、esis ；Rectification东北石油大学本科生毕业设计（论文）I目 录第 1 章 概述 .1第 2 章 工艺简介及影响因素 .22.1 甲醇合成工艺简介 .22.2 操作条件对反应过程的影响 .2第 3 章 甲醇生产工艺流程 .53.1 甲醇合成工艺流程 .53.2 甲醇精馏工艺流程 .6第 4 章 工艺计算 .84.1 物料衡算 .84.2 能量衡算 .16第五章 主要设备的计算和选型 .215.1 甲醇合成塔的设计 .215.2 甲醇精馏塔的设计 .23参考文献 .32致 谢 .33东北石油大学本科生毕业设计（论文）1第 1 章 概述由于我国石油资源短缺，能源安全已经成为不可回避
6、的现实问题，寻求替代能源已成为我国经济发展的关键。甲醇不仅是重要的化工原料，而且还是性能优良的能源和车用燃料。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年产 30 万吨煤制甲醇的生产。甲醇由 H2和 CO 合成，是最简单的饱和一元醇，俗称木醇、木精，化学式 CH3OH,无色澄清液体,微有乙醇样气味,易挥发,易流动；燃烧时无烟有蓝色火焰；能与多种化合物形成共沸混合物。本次设计主要包括三个部分，第一部分是甲醇合成的工艺流程，第二部分是能量衡算，第三部分是主要设备的计算和选型。第一部分有甲醇合成工艺和甲醇精
7、馏工艺。甲醇合成流程可概述为：首先采用 GSP 气化工艺将原料煤气转化为合成气，然后通过变换和 NHD 脱硫脱碳工艺把合成气转化为满足甲醇合成条件的原料气，接着在 XNC-98型催化剂的作用下合成甲醇，最后将生成的粗甲醇利用三塔精馏工艺精制后得到精甲醇。第二部分包括物料衡算和能量衡算。第三部分主要是甲醇合成塔和精馏塔的设计。本设计采用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 3.0MPa4.0MPa 的中压蒸汽。精馏是利用不同物质的挥发度不同，将液体混合物进行多次部分气化，同时又把产生的蒸汽多次部分冷凝，使混合物分离到所要求组分的操
8、作过程。甲醇精馏采用三塔精馏工艺，其具有精馏能耗低，操作稳定，产品质量还等突出优点，但操作相对比较复杂。精馏塔选用的是板式塔，塔内填充适当高度的填料，以增加两种流体间的接触表面。例如应用于气体吸收时，液体由塔的上部通过分布器进入，沿填料表面下降。气体则由塔的下部通过孔隙逆流而上，与液体密切接触而相互作用。结构比较简单，检修比较方便。广泛应用于气体吸收、蒸馏、萃取等操作。 东北石油大学本科生毕业设计（论文）2第 2 章 工艺简介及影响因素2.1 甲醇合成工艺简介合成塔驰放气中压蒸汽锅炉给水新鲜气过热蒸汽去锅炉 甲醇合成工段工艺流程图粗甲醇去精馏氢循环分 离器合成操作条件1 . 反应压力 ：5 .
9、 0 M P a2 . 反应温度 ：2 5 0 2 7 0 3 . 流量 ：出口 6 9 9 . 8 k m o l / h入口 7 8 3 . 6 k m o l / h2 . 2 4 M P a5 . 0 M P a2 1 5 5 . 0 M P a2 8 5 图 1-1 甲醇合成工艺流程图2.2 操作条件对反应过程的影响 （1）温度在甲醇合成反应过程中，温度对于反应混合物的平衡和速率都有很大影响。对于反应来说，温度升高会使分子的运动加快，分子间的有效碰撞增多，并使分子克服化合时的阻力的能力增大，从而增加了分子有效结合的机会，使甲醇合成反应的速度加快。但是，由于一氧化碳加氢生成甲醇的反应和
10、由二氧化碳加氢生成甲醇的反应均为可逆的放热反应，对于可逆放热反应来讲，温度升高固然使反应速率常数增大，但平衡常数的数值将会降低。因此，选择合适的操作温度对甲醇合成至关重要，所以必须兼顾上述两个方面，温度过低达不到催化剂的活性温度，则反应不能进行。温度太高不仅增加了副反应，消耗了原料气，而且反应过快，温度难以控制，容易使催化剂衰老失活。一般工业生产中反应温度取决于催化剂的活性温度，不同催化剂其反应温度东北石油大学本科生毕业设计（论文）3不同。另外为了延长催化剂寿命，反应初期宜采用较低温度，使用一段时间后再升温至适宜温度。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
11、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，反应温度维持在较底的数值，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230240，热点温度 260左右；后期，可控制床层零点温度 260270，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 200290。（2）压力 压力
12、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 2535Mpa，操作温度350420。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，会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 200300，有较高的活性，对于规模小于 30 万吨/a 的工厂，操作压
13、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。本设计采用的是低压法（入塔压强为 5.14MPa）合成甲醇。（3）气体组成氢与一氧化碳合成甲醇的化学当量比为 2，与二氧化碳合成甲醇的化学当量比为3，当一氧化碳与二氧化碳都有时，对原料气中氢碳比要求为 f=（H 2-CO2）/(CO+CO 2)=2.102.15,当原料气组成偏离上述值时应调节氢碳比，原料气中氢气过多时，需要在转化前或转化后加入二氧化碳调节合理氢碳比；当氢碳比太低时，需要设置变换工序使过量的一氧化碳变换为氢气，再将过量的二氧化碳除去。甲醇合成原料气中应保持一定量的二氧化碳，一定量二氧化碳的存在能促进铜基催化剂上甲醇合成的反应速率，适量二氧化碳可使催化剂呈现高活性，此外，在二氧化碳存在下，甲醇合成的热效应比无二氧化碳时热效应要小，催化床温度易于控制，这对防止生产过程中催化剂超温及延长催化剂寿命是有利的。但是，当二氧化碳含量过高时，会造成粗甲醇中含水量增多降低压缩机生产能力，增加气体压缩与精馏粗醇的能耗。二氧化碳在原料气中的最佳含量，应根据甲醇合成所用的催化剂与甲醇合成操作温度作相应调整。在使用锌-铬催化剂的高压合成装置中，原料气含二氧化碳45时，催化剂寿命与生产能力不受影响，合成设备操作稳定而且可以自热，但是粗
