黑龙江科技学院本科毕业设计开题报告.doc

毕业设计开题报告 题 目： 30万t/a甲醇厂合成工段初步设计 院 （系）： 资源与环境工程学院 班 级： 煤炭深加工与利用 姓 名： 刘梦梦 学 号： 05 指导教师： 钟乃良 教师职称： 教授 黑龙江科技学院毕业设计开题报告 题 目30万t/a甲醇厂合成工段初步设计 来源工程实践研究目的和意义：甲醇（Methanol，Methyl alcohol，Acetone）又名木醇，木酒精，甲基氢氧化物，是一种最简单的饱和醇。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、硫酸二甲脂等多种有机产品，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燃料。甲醇是极为重要的有机化工原料，在化工、医药、轻工、纺织及运输等行业都有广泛的应用，其衍生物产品发展前景广阔。目前甲醇的深加工产品已达120多种，我国以甲醇为原料的一次加工产品已有近30种。在化工生产中，甲醇可用于制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲胺、甲基叔丁基醚（MTBE）、聚乙烯醇（PVA）、硫酸二甲酯、对苯二甲酸二甲酯（DMT）、二甲醚、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲醇等。以甲醇为中间体的煤基化学品深加工产业：从甲醇出发生产煤基化学品是未来C1化工发展的重要方向。比如神华集团发展以甲醇为中间体的煤基化学品深加工，利用先进成熟技术，发展“甲醇醋酸及其衍生物”；利用国外开发成功的MTO或MTP先进技术，发展“甲醇烯烃及衍生物”的2大系列。作为替代燃料：近几年，汽车工业在我国获得了飞速发展，随之带来能源供应问题。石油作为及其重要的能源储量是有限的，而甲醇燃料以其安全、廉价、燃烧充分，利用率高、环保的众多优点，替代汽油已经成为车用燃料的发展方向之一。我国政府已充分认识到发展车用替代燃料的重要性，并开展了这方面的工作。随着C1化工的发展，由甲醇为原料合成乙二醇、乙醛和乙醇等工艺正日益受到重视。甲醇作为重要原料在敌百虫、甲基对硫磷和多菌灵等农药生产中，在医药、染料、塑料和合成纤维等工业中都有着重要的地位。甲醇还可经生物发酵生成甲醇蛋白.1、 作为一种重要的化工原料，甲醇在中国的化工行业中一直扮演着重要的角色。随着甲醇应用技术的发展，甲醇及其衍生品作为替代能源的应用也越来越得到人们的重视。在利润的驱使和市场需求的推动下，中国大量煤基甲醇装置在建或者待建。在能源紧缺，提倡环保的今天，甲醇经济的黄金时代已经到来，甲醇工业面临更广阔的发展前景2、国内外发展情况(文献综述) 甲醇生产的核心技术是甲醇合成反应器（合成塔）的结构与形式、催化床温度控制和热量的转移与利用。反应器性能的好坏直接影响原料气和动力消耗以及设备能力的发挥，而甲醇合成反应器性能主要取决于其工艺结构，特别是在合成装置向大型化发展以后，其重要性更为突出。 1、国内技术特点：目前，国内自主开发的塔型主要有林达公司的均温塔，在国内均占有较高的市场份额，已经形成竞争发展的态势。已投产的最大装置规模已达到或接近20万吨/年。而30100万吨/年更大规模装置也在设计建设中。 （1）林达公司     杭州林达公司在甲醇合成塔将原料气加热和反应过程中移热结合，反应器和换热器结合连续移热，同时达到缩小设备体积和减少催化剂层温差的作用，实现达到“均温、高效、易大型化”的目标。该低压均温型甲醇塔是不同于现有国内外甲醇塔的全新反应器结构，为国内外首创，经PCT 国际检索、初步审查和国家实审，授予发明专利权，具多项独特的创新技术。其关键部分是发明了独特的大小二种弯头的双U 形管冷管胆结构作为换热元件。小弯头U 形管套在大弯头U 形管内构成一对双U 形管，双U 形管中大小弯头U 形管反向排列套装，气体在每二根相邻冷管内上下流动，方向均为逆流，达到触媒层等温均温反应目的，温差低达10。开发了全自由伸缩复合密封结构，环管位于催化剂上方的自由空间，双U 形管位于催化剂层中冷管没有焊接点，结构可靠。另一种型式为具上下双环管的低压均温型甲醇塔，冷管胆有上环管和下环管，上环管连结进气管和下行冷管，下环管连结下行冷管和上行冷管。优点：温差小，与ICI的冷管塔(TCC)相比，JW采用U型冷管或上行冷管和下行冷管全床层连续移热，轴向温差小，克服ICI的TCC单管逆流床层上下温差大、底部有绝热层的缺点；可采用径向，径向温差也小；管内外压差小；装卸触媒容易，上部自由伸缩结构可靠；内件化整为零，解决大塔制造难题。2、国外技术特点：目前世界上具有低压甲醇先进生产工艺的主要公司和专利商主要有丹麦托普索公司(Topsoe) 、德国鲁奇公司(Lurgi)、林德公司（Linde）、英国帝国化学公司（ICI）、日本三菱公司（MGC）、瑞士卡萨利公司(Casale)等，这些国际知名企业凭借自身的技术特点，相继开发出众多塔型，根据所采用的工艺结构基本上可以分为多段绝热型、冷管型二大类。而冷管式又可分为气冷式和水冷式二种。   （1）德国Lurgi德国Lurgi公司设计的低压甲醇合成塔为管壳式结构，管内装填催化剂，在中低压条件下进行甲醇合成反应，由管间沸水移出热量，并产生中压蒸汽，以控制床层温度，延长催化剂寿命，控制副反应的发生。其主要性能特点是：采用管内装催化剂，管间走循环沸水，用很大的换热面积来移去反应热，理论上反应时催化剂层温差较小，达到接近等温反应的目的，使合成反应几乎是在等温条件下进行，采用低循环比。为了适合装置大型化的发展，Lurgi公司对管壳式甲醇合成塔进行了改进，发明了两段等温甲醇合成工艺（气冷-水冷双塔），该工艺有两台管壳式甲醇合成塔组成，第一合成塔采用副产中压蒸气的方式移出反应热，第二台反应器产生的反应热则通过与新鲜合成气逆流换热方式脱除，在第二台反应器中，新鲜合成气在管内通过，反应气走壳层。目前采用该技术建设的165万吨/年甲醇装置已经投产。与单个管壳式合成塔工艺相比，两段等温甲醇合成工艺有以下特点：与单台反应塔相比，第一反应器尺寸减少了约50%。减少了约50%的合成气循环比。热量回收效率高，减少了冷却成本。单系列能力可以达到5000吨/天以上。整个合成回路（包括循环压缩机、热交换器等）的投资减少近40%。   （2）瑞士卡萨利（Casale）Casale公司最早开发是立式绝热轴径向反应器，其特点是：环形的催化剂床顶端不封闭,侧壁不开孔，造成催化剂床层上部气流的轴向流动，床层主要部分气流为径向流动。Casale开发的大型轴径向甲醇合成塔的主要结构特点：环形的催化剂床顶端不封闭，侧壁不开孔，造成催化剂床层上部气流的轴向流动;床层主要部分气流为径向流动；催化剂筐的外壁开有不同分布的孔,以保证气流分布；各段床层底部封闭，反应后气体经中心管流入合成塔外的换热器,回收热量。由于不采用直接冷激，而采用塔外热交换，各床层段出口甲醇浓度较高，所需的床层段数较少。由于床层阻力降的明显减少（比ICI轴向型塔减少24%），所以可增加合成塔高度和减少壁厚，可选用高径比的塔，以降低造价。与冷激式绝热塔相比，轴径向混合流塔可节省投资，简化控制流程，减少控制仪表。轴径向合成塔的缺点是催化剂筐需要更换，催化剂装卸复杂。优点是大型化的潜力大。轴径向合成塔的生产能力取决于塔的高度，合成塔过高造成催化剂装卸困难。一般塔高为16m，相应的生产能力为5000 t/d。上海焦化厂 MTD1350 火炬能化 MTD1350 新奥集团 MTD2030 华亭中徐煤化 MTD2030  山东久泰 年产100万吨 （3）英国ICI英国ICI公司多段冷激型甲醇塔，是国外甲醇装置中使用最多的塔型，为全轴向多段冷激型合成塔。结构简单，是其独特的优点。合成塔由塔体、多段床层及专用技术菱形分布器等组成。菱形分布器埋于催化床中，并沿着床层不同高度的平面上各安装一组，全塔共装三四组。可使冷激气和反应气混合均匀。催化剂装量大、寿命长，一般可长达6年，缺点是绝热反应，催化剂床层轴向温差大，采用原料气冷激的方法控制合成塔床层的温度，全部靠用冷原料气喷入各段催化剂床层之间以降低反应气温度。因此在降温的同时稀释了反应气中的甲醇含量，影响了催化剂利用率。为了防止催化剂过热，采用较大的空速，出塔气中甲醇含量不到4%，副产蒸汽量偏少，不能回收高位能的反应热，循环量较大，塔阻力较高，多为0.1 MPa0.4MPa，因此操作费用高。由于阻力的限制，其高径比较小，一般多在2.24.0，大型化后直径很大（46m），不利于运输；由于ICI冷激式甲醇合成塔，其设备结构简单，装置运行可靠，操作简便，设计弹性大，用材省且要求不高，投资小，易于大型化，因此仍是大型甲醇厂采用的一种主要塔型，世界上最大单套能力的仍属ICI，有多套 3000 t/d 装置，据报导目前最大的已有7500 t/d的装置。为了弥补冷激塔的不足，上世纪80年代，ICI公司又开发出两款冷管型塔，其中之一就是称之为LCM的水冷型塔，同鲁奇等温列管式甲醇合成塔所不同的是管内走水，管外装催化剂，这样就可以通过其膨胀圈结构较好地解决列管的膨胀问题，而且它还采用了径向流催化床结构，既能减少阻力，又可以增加传热系数。目前世界上大型甲醇装置中,有很多采用多段冷激式甲醇合成塔。近年来，在原来的基础上，对冷激式合成塔进行了大量、多方面的改进和完善，陆续推出了一系列冷激式合成塔的改进型。冷激式合成塔有以下特点：合成塔单系列生产能力大，适合大型或超大型装置。甲醇合成塔设备结构简单，催化剂装卸方便。采用特殊设计的分布系统进行冷激，温度控制较为方便。不能回收甲醇合成产生的高位热能，合成回路循环气量大。存在催化剂段间返混现象，合成塔出口甲醇含量低。催化剂时空产率不高，用量较大。（4）TOPSOE(托普索)TOPSOE 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. 0MPa, 根据装置能力优化。日产2000 吨甲醇装置, 合成压力约为8MPa。采用三塔或四塔(包括回收塔) 工艺技术。对于大型或超大型的单系列甲醇装置，丹麦Topsoe公司采用3台串联绝热式甲醇合成塔，在第一、第二甲醇合成塔出口设废热锅炉回收热量，第三甲醇合成塔出口气体预热第一甲醇合成塔的人口气体。Topsoe公司的绝热式甲醇合成塔与多段激冷式合成塔相比有以下特点：较高的单程转化率。较低的催化剂用量。热量回收好。设计简单，设备制造容易，便于运输。单系列生产能力大。缺点是设备台数多，流程复杂，投资较大。（5）日本TEC公司日本TEC公司开发了一种新的甲醇合成塔，它是多段、间接冷却、径向流动的合成塔，也称为MRF反应器。该反应器由外筒、催化剂筐以及许多垂直的沸水管，即反应器的冷却管组成。冷却管埋于催化剂层中，合成气由中心管进入，然后径向流动通过催化剂层进行反应，反应后的气体汇集于环形空间，由上部出去。冷却管吸收反应放出的热量发生蒸汽，根据反应的放热速率和移热速率，合理选择冷却管的数量和间距，则使反应过程按最佳温度线进行。MRF反应器有以下特点：气体径向流动，流道短，空速小，因此压降很小，约为轴向反应器的十分之一。床层与冷管之间的传热效率也很高，每吨甲醇能产生1吨多蒸汽（在给水预热的条件下）。单程转化率高，循环气量小。反应过程按最佳温度线进行。 我国甲醇工业起步较晚，长期以来一直以小型合成装置为主，早期的甲醇合成塔大多利用氨合成塔改造而成，合成压力一般为1232Mpa，目前国内自行设计已运行的甲醇生产装置规模在20万吨/年级的仅有两套，10万吨级规模的有9套。目前，大规模甲醇项目大多采用国外合成技术，技术风险要小，初步推荐我们项目选用国外工艺技术。3、研究/设计的目标：本项目生产规模为150万吨/年甲醇，设计采用单系列，规模为150万吨/年，即日产45005000吨级甲醇。目前已投产的最大规模甲醇装置为165万吨/年（日产5000吨甲醇），位于特立尼达和多巴哥。4、设计方案（研究/设计方法、理论分析、计算、实验方法和步骤等）：该装置采用Lurgi公司甲醇技术，反应器为多台串联流程，即气冷、水冷反应器串联。冷管（气冷）反应器的催化剂装填在壳侧，装填系数大，同等规格的反应器气冷式为水冷式的两倍。但由于气冷式反应器反应温度是靠循环气体流量控制，这样操作比较困难。水冷式反应器的反应温度是靠管外副产的蒸汽压力控制，操作比较灵活。水冷式反应器催化剂装填在管内，装填系数小。由于Lurgi公司技术已经成功应用于日产5000吨级甲醇规模，因此，推荐采用德国Lurgi公司气冷-水冷甲醇合成技术。考虑到建设地点的运输情况，甲醇合成选用8.0MPa低压法工艺，推荐选用多台反应器串联流程。单系列甲醇合成精馏装置采用一台气冷式合成塔后串联两台并联的管壳式水冷合成塔。催化剂装在管内，反应热由管间沸腾水放走，并副产高压蒸汽，甲醇合成原料在离心式透平压缩机内加压到5.2 MPa (以1：5的比例混合) 循环，混合气体在进反应器前先与反应后气体换热，升温到220 左右，然后进入管壳式反应器反应，反应热传给壳程中的水，产生的蒸汽进入汽包，出塔气温度约为 250 ，含甲醇7%左右，经过换热冷却到40 ，冷凝的粗甲醇经分离器分离。分离粗甲醇后的气体适当放空，控制系统中的惰性气体含量。这部分空气作为燃料，大部分气体进入透平压缩机加压返回合成塔，合成塔副产的蒸汽及外部补充的高压蒸汽一起进入过热器加热到50 ，带动透平压缩机，透平后的低压蒸汽作为甲醇精馏工段所需热源。本设计的主要方法及原理: 造气工段：使用二步法造气 CH4+H2O(气)CO+3H2-205.85 kJ/mol CH4+O2CO2+2H2+109.45 kJ/mol CH4+O2CO+2H2+35.6 kJ/mol CH4+2O2CO2+2H2O+802.3 kJ/mol合成工段5MPa下铜基催化剂作用下发生一系列反应 主反应 ： CO+2H2CH3OH+102.37 kJ/kmol副反应： 2CO+4H2(CH3O)2+H2O+200.3 kJ/kmol CO+3H2CH4+ H2O+115.69 kJ/kmol 4CO+8H2C4H9OH+3H2O+49.62 kJ/kmol-(A) CO+H2CO +H2O-42.92 kJ/kmol除（A）外，副反应的发生，都增大了CO的消耗量，降低了产率，故应尽量减少副反应。 反应热力学一氧化碳加氢合成甲醇的反应式为 CO+2H2CH3OH(g)这是一个可逆放热反应，热效应。 当合成气中有CO2时，也可合成甲醇。 CO2 + 3H2 CH3OH(g) + H2O这也是一个可逆放热反应，热效应 合成法反应机理 本反应采用铜基催化剂，5 MPa，250 左右反应，清华大学高森泉，朱起明等认为其机理为吸附理论，反应模式为：H2+22H -CO+HHCO-HCO+H H2COH2CO+2HCH3OH+3CH3OH CH3OH+ 反应为，控制。即吸附控制5、方案的可行性分析： 甲醇合成反应器是甲醇合成生产的核心设备，由于合成反应为可逆放热反应，故要求反应器设计能迅速移走反应热。目前世界上使用最多的是I.C.I公司的多段冷激炉和Lurgi公司的副产蒸汽管壳型合成塔。本设计选用Lurgi管壳型反应器。图 该反应器外型像一个列管式换热器，催化剂填装于管内，管外为4MPa的沸水。反应气流经反应管，放出的热量通过管壁传给沸腾水，使其汽化，转变为同温度蒸汽。其特点为 床层温度平稳 能准确，灵敏的控制反应温度 以较高位能回收反应热 出口甲醇含量较高 设备紧凑，开工方便 可避免石蜡等副产物生成 避免羰基化合物生成 压降小，所需外部能量少6、该设计的创新之处：德国Lurgi公司设计的低压甲醇合成塔为管壳式结构，管内装填催化剂，在中低压条件下进行甲醇合成反应，由管间沸水移出热量，并产生中压蒸汽，以控制床层温度，延长催化剂寿命，控制副反应的发生。其主要性能特点是：采用管内装催化剂，管间走循环沸水，用很大的换热面积来移去反应热，理论上反应时催化剂层温差较小，达到接近等温反应的目的，使合成反应几乎是在等温条件下进行，采用低循环比。7、设计产品的主要用途和应用领域： Lurgi公司于1997年率先提出了百万吨级大甲醇（MegaMethanol）概念。此后，单系列规模在1Mt/a以上的甲醇技术成为业内研究的重点，目前全球已有十多套年产量在1 Mt以上的甲醇装置在运行，其中三套产能已超过1.7 Mt/a。下面介绍有应用业绩的几种百万吨级甲醇合成技术Lurgi公司根据甲醇合成反应热大和现有铜基触媒耐热性差的特点，采用了列管式反应器。百万吨以上大甲醇则采用了“气冷式反应器水冷式反应器”两段等温甲醇合成技术方案，它不强求设置保护床.水冷反应器采用副产中压蒸汽的方式移出反应热，气冷反应器的反应热则通过与新鲜合成气逆流换热方式移出，实现热量偶合。在气冷反应器中，流经管内的新鲜气（125左右）与管外触媒逆流换热，加热到250后到水冷反应器进行甲醇合成反应，反应温度265，再进气冷反应器管外反应。在Lurgi两段等温甲醇合成技术中，大部分触媒装在气冷反应器中。 Lurgi于1997年提出百万吨大甲醇的概念，同年与Trinidad的TITAN签约了2500t/d甲醇装置。2000年与Trinidad的ATLAS签约5000t/d甲醇装置，2004年6月投产。又分别于2000年和2004年，与伊朗国家石油公司（NPC）签约了规模均为5000t/d的甲醇装置。2004年与卡塔尔的QAFAC签约一套6750t/d甲醇装置。2005年分别与马来西亚的PETRONAS和中国大唐国际签约一套5000t/d甲醇装置。2006年与神华宁煤分别签约5000t/d甲醇装置。8、时间进程1、1-3周：收集资料、撰写开题报告、开题答辩（3周）2、4周：工艺论证（1周）；3、5-9周：毕业实习、工艺计算及设备设计、选型计算（5周）；4、10-13周：绘图（4周）；5、14周：技术经济分析及非工艺部分（1周）；6、15：编制设计说明书（1周）；7、16周：上交毕业设计说明书、答辩评审、预答辩（1周）；8、17周：毕业设计答辩（1周）。9、参考文献： 【1】 中投顾问，2010-2015年中国甲醇行业投资分析及前将景测报告 【2】 百度文库文献 【3】 钱伯章甲醇市场和当代生产技术进展J】国际化工信息，2002(7)【4】 李琼玖，唐嗣荣，顾子樵，等近代甲醇合成工艺与合成塔技术(上F卷)M成都益盛环境科技工程公司 【5】 李琼玖，等近代甲醇合成工艺与合成塔技术(上)m化肥设计，2003.41(6):5-12 【6】 宋维端 等编 甲醇工学化学工业出版社，1991 【7】 房鼎业 等编 甲醇生产技术及进展 华东化工学院出版社，1990 【8】 聂磊， 曹金松甲醇项目浅析甲醇合成原理及其影响因素东华工程科技股份有限公司,安徽,合肥,230024 【9】 罗乐,聂容春,王允雨,申秀梅(安徽理工大学化学工程学院,安徽,淮南,232001 阳(安徽理工大学材料科学与工程学院,安徽,淮南,232001) 【10】刁玉玮 等编 化工设备机械基础 大连理工大学出版社，1992 【11】 王大鹏 ， 北京化工大学甲醇合成过程的模拟研究 【12】 天津大学等合编 基本有机化工分离工程化学工业出版社，1995 【13】刘吉平甲醇合成技术的发展神华宁夏煤业集团有限责任公司甲醇厂,宁夏银川,750411 【14】 甲醇合成气的拓展及应用 【15】 房德人 ，合成甲醇催化剂国内外现状，内部资料10（1994） 指导教师意见:   教师签字：年 月 日毕业设计领导小组意见: 组长签字：年 月 日