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1、 本 科 毕 业 设 计 年产30万吨甲醇工艺设计Process Design of 300 kt/a Methanol Synthesis Section37目 录摘要IAbstractII引 言1第一章 概 述21.1甲醇的概述21.1.1理化性质21.1.2制法21.1.3用途31.2由CO和H2合成甲醇31.2.1高压法31.2.2低压法31.2.3中压法51.3甲醇生产技术的发展趋势5第二章 工艺流程设计62.1甲醇合成62.1.1反应方程式62.1.2合成法反应机理62.1.3甲醇合成塔的选择82.1.4催化剂的选用102.1.5合成工序工艺操作条件的论证与确定122.1.6低压L
2、urgi甲醇合成工艺13第三章 生产工艺计算153.1甲醇生产的物料平衡计算153.1.1合成工段物料衡算153.2甲醇生产的能量平衡计算203.2.1合成工段能量衡算203.2.2冷凝器能量计算22第四章 主要设备计算及选型254.1合成系统主要设备的计算及选型254.1.1甲醇合成塔的设计254.1.2水冷器的工艺设计294.1.3甲醇分离器324.1.4循环压缩机的选型324.2控制仪表的选择32结 论33致 谢34参考文献35附 录36年产30万吨甲醇合成工段工艺设计摘要：甲醇是一种极重要的有机化工原料，也是一种燃料，是碳化学的基础产品，在国民经济中占有十分重要的地位。近年来，随着甲醇
3、下游产品的开发，特别是甲醇燃料的推广应用，甲醇的需求大幅度上升。因此开展了此年产30万吨的甲醇项目。对目前现有的各种生产工艺进行对比分析，确定选用低压Lurgi工艺获得粗甲醇。根据所掌握的知识对甲醇合成工段进行了物料衡算、能量衡算、主要设备相关数据计算及相关附属设备的选型及计算，合成甲醇所选的反应器是列管式的甲醇合成塔，并做出了带控制点的工艺流程图和合成塔设备图。关键词：甲醇；合成；工艺设计Process Design of 300 kt/a Methanol Synthesis SectionAbstract: Methanol is a raw material which is extr
4、emely important for organic chemical industry, and it can be used as furnace oil. Methanol is also the basic products of the carbon chemistry and it is very important in national economy. In recent years, the demand for the methanol rises by a large margin with the development of the products which
5、are made from methanol, especially the application and popularization of the methanol petrol. Therefore carried out the annual output of 300000 tons of methanol project. The comparative analysis of the existing production process, determine the selection of low voltage Lurgi process to obtain crude
6、methanol.According to the knowledge of methanol synthesis section of material balance, heat balance and equipment related calculation. Process for the main equipment synthesis tower calculation and selection, the selected synthetic methanol reactor is shell and tube type of methanol synthesis tower,
7、 also make the process flow chart with control points and synthetic tower equipment diagram.Key words: methanol; synthesis; process design引 言甲醇最早是由木材和木质素干馏制得俗称“木醇”，其分子式为CH3OH，是重要的有机化工原料之一，是碳化学、有机及精细化工的基础原料，又是优质的能源载体。长期以来，甲醇除少量直接用于溶剂外，人们一直把甲醇作为农药、染料、医药等工业的原料。尽管国内甲醇的传统消费领域如甲醛、醋酸等行业受房地产调控政策等因素影响，产量增速有所
8、放缓，但新兴应用领域如甲醇燃料、甲醇制烯烃等行业在石油供需缺口下迅速发展。近十年来，我国的甲醇工业有了突飞猛进的发展，在原料路线、生产规模、节能降耗、过程控制与优化、产品市场与其他化工产品联合生产等方面都有了新的突破与进展。尤其我国是煤炭生产和消费大国，除了用煤直接气化生产甲醇外，由于炼焦工业采用洁净工艺和综合利用，焦炉煤气将成为我国甲醇生产的新原料。 据了解，目前国内已投产的甲醇制烯烃企业共四家，包括神华包头60万吨烯烃装置、神华宁煤50万吨烯烃装置、大唐46万吨烯烃装置以及中原石化60万吨烯烃装置。2012年上半年数据显示，甲醇制烯烃产量约60万吨，应用甲醇167.7万吨，仅2012年上半
9、年神华包头煤制烯烃项目实现销售收入31亿元、利润6亿元，取得较好的效益1。而甲醇燃料的推广应用，更会使甲醇的需求市场进一步扩张。2009年5月，车用燃料甲醇及车用甲醇汽油（M85）两个国家标准正式发布，标志着以甲醇为基础调配大比例M85甲醇汽油的时机已经成熟。因此，甲醇在化学工业中的作用必将越来越重要。第一章 概 述1.1甲醇的概述1.1.1理化性质甲醇是一种无色、透明、易燃、易挥发的有毒液体，常温下对金属无腐蚀性（铅、铝除外），略有酒精气味。分子量32.04，相对密度0.792(20/4)，熔点-97.8，沸点64.5，燃烧热725.76kJ/mol，闪点12.22，自燃点463.89，蒸气
10、密度1.11，蒸气压13.33kPa(100mmHg 21.2)，蒸气与空气混合物爆炸极限636.5 %（体积比），能与水、乙醇、乙醚、苯、酮、卤代烃和许多其他有机溶剂相混溶，但是不与石油醚混溶，遇热、明火或氧化剂易燃烧5。1.1.2制法1661年英国波义耳（Boyle）首先在木材干馏的液体产品中发现了甲醇，木材干馏成为工业上制取甲醇最古老的方法。1834年，杜马（Dumas）和彼利哥（Peligot）制得了甲醇纯品。1857年法国伯特格（Berthelot）用一氯甲烷水解制得甲醇。合成甲醇的工业生产始于1923年。德国巴登苯胺纯碱（BASF）公司首先建成以一氧化碳和氢为原料、年产300t甲醇
11、的高压合成法装置，从20世纪20年代至60年代中期，所有甲醇生产装置均采用高压法，即操作压力为3035MPa，采用锌铬催化剂。1966年，英国帝国化学工业（ICI）公司研制成功铜基催化剂，并开发了低压合成甲醇工艺，即ICl工艺。20世纪70年代中期以后，世界上新建和扩建的甲醇装置几乎都采用低压法1。合成甲醇可以固体（如煤、焦炭）液体（如原油、重油、轻油）或气体（如天然气及其他可燃性气体）为原料，经造气净化（脱硫）变换，除去二氧化碳，配制成一定的合成气（一氧化碳和氢）。在不同的催化剂存在下，选用不同的工艺条件。单产甲醇（分高压法低压和中压法），或与合成氨联产甲醇（联醇法）。将合成后的粗甲醇，经预
12、精馏脱除甲醚，精馏而得成品甲醇。高压法为BASF最先实现工业合成的方法，但因其能耗大，加工复杂，材质要求苛刻，产品中副产物多，今后将由ICI低压和中压法及Lurgi低压和中压法取代。1.1.3用途甲醇用途广泛，是基础的有机化工原料和优质燃料。主要应用于精细化工，塑料等领域，用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲酯等多种有机产品，也是农药、医药的重要原料之一。甲醇在深加工后可作为一种新型清洁燃料，也加入汽油掺烧5。1.2由CO和H2合成甲醇甲醇合成反应是可逆的强放热反应，受热力学及动力学控制，通常在单程反应器中，CO和CO2的单程转化率比较低，需要把未反应的CO、CO2和H2与甲醇分离，然后
13、通过循环压缩机再压缩到反应器中进一步反应。为确保反应器出口气体中有较高的甲醇含量，一般采用较高的反应压力。根据合成过程所采用压力的不同，可分为高压法、中压法和低压法。脱碳变换造气脱硫精脱硫合成精馏图1.1 甲醇合成流程图1.2.1高压法CO和H2在高温（340420）高压（30.050.0MPa）下，用锌铬氧化物作催化剂合成甲醇。高压法是最早的甲醇合成工艺流程，此法的特点是技术成熟，但投资及生产成本较高。1.2.2低压法以CO和H2为原料在低压（5.0MPa）和相对较低温度（275左右）下，采用铜基催化剂合成甲醇。目前，低压法甲醇合成技术主要是英国I.C.I低压法和德国Lurgi低压法。此外，
14、还有美国电动研究所的三相甲醇合成技术，三相甲醇合成技术虽已研究成功，但尚未进行大规模生产。（1） I.C.I低压法 1966年，英国I.C.I公司在成功地开发了铜基低压甲醇合成催化剂之后，建立了世界上第一个低压法甲醇合成工厂，即英国Teesside地区Billingham工厂。该厂以石脑油为原料，日产甲醇300t。到1970年，最多日产量能达到700t。催化剂使用寿命可达4年以上。由于低压法合成的粗甲醇杂质含量比高压法得到的粗甲醇杂质含量低得多，净化比较容易，利用双塔精馏系统便可以得到纯度为99.85的精制产品甲醇。煤炭气化煤气合成甲醇与以石脑油、天然气、重油为原料合成甲醇的合成工艺是相同的，
15、区别在于它们制备甲醇原料气的方法和工序不同2。（2） Lurgi低压法 20世纪60年代末，德国Lurgi公司在Union Kraftstoff Wesseling工厂建立了一套年产4000t的低压法甲醇合成示范装置。在取得必要的数据及经验后，于1979年底，Lurgi公司建立了3套总产量超过30万吨每年的工业装置。Lurgi低压法甲醇合成工艺与I.C.I低压工艺的主要区别在于合成塔的设计，该工艺采用管壳型合成塔，催化剂装填在管内，反应热由管间的沸腾水移走并副产中压蒸汽。Lurgi低压法甲醇合成工业化后，很快得到广泛应用。Lurgi低压法合成甲醇的主要特点如下。采用管壳式合成塔。这种合成塔温度容易控制，同时，由于换热方式好，催化剂床层温度分布均匀，可以防止铜基催化剂过热，可延长催化剂寿命，且副反应大大减少，允许含CO高的新鲜气进入合成系统，因
