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1、沈阳工业大学毕业设计沈阳工业大学毕业设计专业：专业：班级：二班班级：二班姓名：张帅姓名：张帅甲醇合成工艺设计2前言41.1 概述.51.2 甲醇的合成方法.101.3 甲醇的合成路线.111.4 合成甲醇的目的和意义.141.5 本设计的主要方法及原理.14造气工段：使用二步法造气14合成工段15生产工艺及主要设备计算162.1 甲醇生产的物料平衡计算.162.1.1 合成塔物料平衡计算162.1.2 粗甲醇精馏的物料平衡计算232.2 甲醇生产的能量平衡计算.262.2.1 合成塔能量计算262.2.2 常压精馏塔能量衡算282.3 主要设备计算及选型.302.3.1 常压精馏塔计算312.
2、3.2 初估塔径322.3.3 理论板数的计算342.3.4 塔内件设计372.3.5 塔板流体力学验算402.3.6 塔板负荷性能422.3.7 常压塔主要尺寸确定442.3.8 辅助设备46参考文献485 天津大学化工原理教研室 化工原理 （上、下） 天津科学技术出版社，199448结 束 语50甲醇合成工艺设计4前言众所周知，甲醇是重要的化工产品，也是重要的化工原料，又是很有发展 前途的重要燃料。由甲醇合成的后加工产品名目繁多，效益显著，市场非常活 跃。甲醇作为一种新型燃料，市场前景非常看好，作为燃料的甲醇在四年之内 增长了 12 倍。 合成甲醇技术是煤化工技术在能源转换的背景下研究开发
3、的，其宗旨是以 水煤气为原料，扩大炭资源的使用范围，缓和石油危机。随着天然气资源的大 量开发，加之天然气转换成合成气的技术日益成熟，使以天然气为原料经合成气合成的甲醇比以煤炭为原料经合成气合成的甲醇在市场上更具竞争力。因此 在合成甲醇的原料中用的最多的是天然气。现在世界上几乎所有大型的生产甲 醇的厂家均采用天然气，这是因为天然气转化合成气比较容易，是合成甲醇的 最理想原料，而且市场价格低，用其他原料生产出来的甲醇成本较高，无法与 天然气相竞争。1 1 总 论1.1 概述甲醇作为及其重要的有机化工原料，是碳一化学工业的基础产品，在国民经济中占有重要地位。长期以来，甲醇都是被作为农药，医药，染料等
4、行业的工甲醇合成工艺设计6业原料，但随着科技的进步与发展，甲醇将被应用于越来越多的领域。1. 生产的发展1） 世界甲醇工业的发展总体上说，世界甲醇工业从 90 年代开始经历了 1991-1998 的供需平衡，1998-1999 的供大于求，从 2000 年初至今的供求基本平衡三个基本阶段。1据Nexant Chen Systems 公司的最新统计，全球 2004 年甲醇生产能力为 4226.5万 t/a2以下是最近几年的甲醇需求统计。全球主要地区甲醇消费构成2001 年2002 年2003 年2004 年按用途分甲醛940(31)970(32)1010(32)1050(33)MTBE830(2
5、8)810(26)780(25)760(22)(其中美国）470(16)430(14)340(11)270(8)醋酸270(9)290(9)300(10)310(10)MMA90(3)90(3)100(3)100(3)其他880(29)900(29)930(30)970(30)需求合计3020（100)3060(100)3100(100)3180(100)按地区分亚洲920(30)940(31)990(32)1040(33)北美1000(33)1000(33)980(31)970(31)西欧630(21)640(21)650(21)670(21)其他470(16)480(16)490(16)5
6、00(16)需求合计3020(100)3060(100)3110(100)3180(100)从上表可以看出，到 2004 年为止，甲醇仍主要用于制造甲醛和 MTBE。用于制造甲醛的甲醇用量随年份成增长趋势，而 MTBE 的需求量则逐年降低。亚洲需求量增长比较迅速，与此相反，北美地区需求则在减少。目前, 国外以天然气为原料生产的甲醇占 92% ,以煤为原料生产的甲醇 2. 3% , 因此国外公司的甲醇技术均集中于天然气制甲醇。国际上广泛采用的先进的甲醇生产工艺技术主要有:DAV Y (原 I. C. I)、O PSO E、U hde、L u rgi 公司甲醇技术等, 不同甲醇技术的消耗及能耗差异
7、不大, 其主要的差异在于所采用的主要设备甲醇合成塔的类型不同。(a) DAV Y 甲醇技术特点DAV Y 低压甲醇合成技术的优势在于其性能优良的低压甲醇合成催化剂, 合成压力: 5. 010M Pa, 大规模甲醇生产装置的合成压力为 810M Pa。合成塔型式有: 第一种, 激冷式合成塔, 单塔生产能力大, 出口甲醇浓度约为 4 6%vo l。第二种, 内换热冷管式甲醇合成塔。最近又开发了水管式合成塔。精馏多数采用二塔, 有时也用三塔精馏,与蒸汽系统设置统一考虑。蒸汽系统: 分为高压 10.5M Pa、中压 2. 8M Pa、低压 0. 45M Pa 三级。转化产生的废热与转化炉烟气废热, 用
8、于产生 10. 5M Pa、510高压过热蒸汽。高压过热蒸汽用于驱动合成压缩机蒸汽透平, 抽出中压蒸汽用作装置内使用。(b) L u rgi 甲醇技术L u rgi 公司的合成有自己的特色, 即有自己的合成塔专利。其特点是合成塔为列管式, 副产蒸汽,管内是 L u rgi 合成催化剂, 管间是锅炉水, 副产 3. 5 4. 0M Pa 的饱和中压蒸汽。由于大规模装置如 2000M TPD 的合成塔直径太大, 常采用两个合成塔并联。若规模更大, 则采用列管式合成塔后再串一个冷管式或热管式合成塔, 同时还可采用两个系列的合成塔并联。L u rgi 工艺的精馏采用三塔精馏或三塔精馏后再串一个回收塔。
9、有时也采用两塔精馏。三塔精馏流程的预精馏塔和加压精馏塔的再沸器热源来自转化气的余热。因此, 精馏消耗的低压蒸汽很少。(c) TO PSO E 的甲醇技术特点TO PSO E 公司为合成氨、甲醇工业主要的专利技术商及催化剂制造商, 其甲醇技术特点主要表现在甲醇合成上的有:甲醇合成塔采用 BWR 合成塔(列管副产蒸汽) , 或采用 CMD 多床绝热式合成塔。其流程特点为: 采用轴向绝热床层, 塔间设换热器, 废热用于预热锅炉给水或饱和系统循环热水。进塔温度为220。单程转化率高、催化剂体积少、合成塔结构简单、单系列生产能力大。合成压力 5. 0 10. 0M Pa, 根据装置能力优化。日产 200
10、0 吨甲醇装置, 合成压力约为 8M Pa。采用三塔或四塔(包括回收塔) 工艺技术。(d) TEC 甲醇技术特点甲醇合成工艺设计8合成工艺采用 IC I 低压甲醇技术。精馏采用 L u rgi 公司的技术。合成采用 IC I 低压甲醇合成催化剂。合成塔: 采用 TEC 的 MRF- Z 合成塔(多层径向合成塔) , 出口甲醇浓度可达 8%vo l。合成塔阻力降小, 为 0. 1M Pa。甲醇合成废热用于产生 3. 5 4. 0M Pa 中压蒸汽, 中压蒸汽可作为工艺蒸汽, 或过热后用于透平驱动蒸汽。(e) 三菱重工业公司甲醇技术特点三菱甲醇技术与 I. C. I 工艺相类似, 其特点是:采用结
11、构独特的超级甲醇合成塔。合成压力与甲醇装置能力有关。日产2000 吨甲醇装置, 合成压力约为 8. 0M Pa。超级甲醇合成塔特点是: 采用双套管, 催化剂温度均匀, 单程转化率高, 合成塔出口浓度最高可达 14%vo l。副产 3. 5 4. 0M Pa 中压蒸汽的合成塔, 出口浓度可达 8 10%vo l, 合成系统循环量比传统技术大为减少, 所消耗补充气最少。采用 2 塔或 3 塔精馏, 根据蒸汽系统设置而定。(f)伍德公司甲醇技术特点采用 I. C. I 低压合成工艺及催化剂, 日产 2000 甲醇装置合成压力为 8. 0M Pa。合成塔: 伍德公司采用改进的气冷激式菱形反应器、等温合
12、成塔、冷管式合成塔。CA SAL E 公司 ARC 合成塔(多层轴径向合成塔) , 单系列生产能力最高可达 3000M TPD。合成废热回收方式: 预热锅炉给水, 设备投资低。等温合成塔: 副产中压蒸汽的管壳式合成塔, 中压蒸汽压力为 3. 5 4. 0M Pa, 单塔生产能力最高可达 1200M TPD。设备投资高。冷管式合成塔: 轴向、冷管间接换热, 单塔生产能力最高可达 2000M TPD。设备投资低。可采用 2 塔、3 塔精馏或 4 塔精馏, 其比较如下: 2 塔精馏, 甲醇回收率为 98. 5% , 吨甲醇耗 1. 2 吨低压蒸汽。3 塔精馏, 甲醇回收率为 99% , 吨甲醇耗 0
13、. 47 吨低压蒸汽。4 塔精馏, 设甲醇回收塔, 甲醇回收率为 99. 5% ,吨甲醇耗 0. 45 吨低压蒸汽。(g) 林德公司甲醇技术的特点采用 I. C. I 低压合成工艺及催化剂。采用副产蒸汽的螺旋管式等温合成塔, 管内为锅炉水, 中压蒸汽压力为 3. 5 4. 0M Pa, 气体阻力降低。其余部分与 IC I 低压甲醇类似。2） 我国甲醇工业发展我国的甲醇工业经过十几年的发展，生产能力得到了很大提高。1991 年，我国的生产能力仅为 70 万吨，截止 2004 年底，我国甲醇产能已达 740 万吨，117 家生产企业共生产甲醇 440.65 万吨，2005 年甲醇产量达到 500
14、万吨，比2004 年增长 22.2%，进口量 99.1 万吨，因此下降 3.1%。我国以天然气为原料合成甲醇技术主要有: 一段蒸汽转化工艺和中国成达公司的纯氧两段转化工艺。我国以煤为原料合成甲醇技术主要有: 固定床气化(包括 L u rgi 炉、恩德炉和间歇式气化炉)、流化床气化(灰熔聚气化)、气流床气化炉, 近几年引进的 Texaco 水煤浆气化和 Shell 粉煤气化, 其中 Texaco的气化引进较早, 使用的经验较多, 国产化率高, 投资较省。Shell 气化还没有使用经验。（a） 国内煤气净化技术甲醇粗煤气脱硫脱碳净化与合成氨是相同的,只是不需要液氮洗。国内主要的净化技术有低温甲醇洗
15、、MDEA、NHD, 对于中小厂也有脱硫用 ADA、PDS, 脱碳用热钾碱、PC、MDEA 技术。(b) 合成甲醇和精馏技术我国自 86 年就开发了低压甲醇合成和精馏技术, 目前国内广泛采用的管壳式副产蒸汽合成塔和两塔精馏就源于该开发, 后又推广了“U ”形冷管合成塔, 精馏也从两塔发展到三塔, 既可生产 GB338-2004 优等品精甲醇, 又可生产美国 O - M - 232KAA 级精甲醇, 含醇污水的处理工艺已取得突破性进展, 污水处理后可回收利用, 故甲醇装置在正常生产时实现了无含醇污水排放。近年来, 甲醇技术发展很快, 主要趋向为:生产的原料转向天然气、烃类加工尾气。从甲醇生产的实
16、际情况核算, 采用天然气为原料比用固体为原料的投资可降低 50%; 采用乙炔尾气则经济效果更为显著。目前国际上, 生产甲醇的原料以天然气为主约占 90% , 以煤为原料只占 2%。国内近年来以煤为原料生产甲醇的比例在逐步上升, 这与中国的能源结构有关。生产规模大型化, 单系列最大规模达 225 万吨 年, 即单系列日产 7500 公吨。规模扩大后, 可降低单位产品的投资和成本。充分回收系统的热量。产生经济压力的蒸汽,以驱动压缩机及锅炉给水泵、循甲醇合成工艺设计10环水泵的透平, 实现热能的综合利用。采用新型副产中压蒸汽的甲醇合成塔, 降低能耗。采用节能技术, 如氢回收技术、预转化、工艺冷凝液饱和技术、燃烧空气预热技术等, 降低甲醇消耗。2.生产技术的发展1） 装置大型化于上世纪末相比，现在新建甲醇规模超过百万吨的已不再少数。在 20042008 年新建的 14 套甲醇装置中平均规模为 134 万 t/a，其中卡塔尔二期工程项目高达 230 万 t/a。最小规模的是智利甲醇项目，产能也达 84 万 t/a，一些上世纪末还
