本科毕业设计(论文)-年产180万吨煤制甲醇的工艺设计.docx

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1、本科毕业设计(论文)-年产180万吨煤制甲醇的工艺设计 本科毕业设计(论文) 年产180万吨煤制甲醇的工艺设计 学生姓名： 学生学号： 院(系) ： 年级专业： 指导教师： 二一七年六月 摘要 以煤为原料生产甲醇的工艺过程包括空气分离、煤气化、一氧化碳变换、合成气净化、甲醇合成、甲醇精馏等工艺单元。 本文以年产180万吨煤制甲醇为目的进行设计，主要围绕原料气的制备、甲醇的合成以及粗甲醇的精馏几个工段。设计的主要内容是首先通过对各工艺流程各方法进行对比分析，确定本次设计采用的工艺流程，然后对主要工艺段进行物料衡算以及热量衡算，并对工艺中涉及的主要设备进行简单选型和对加压精馏塔进行了设计计算。同时

2、绘制了物料流程图及设备装配图。 关键词煤制甲醇，工艺流程，工艺计算 ABSTRACT The process for producing methanol talking coal as feedstock is composed of such units as air separation,coal gasification,CO-shift,syn-gas purification,methanol synthesis and methanol rectification. The purpose of this paper was to design for the yearly pr

3、oduction of 1.8 million tons of methanol from coal, mainly focusing on the preparation of raw material gas, the synthesis of methanol and the fractionation of crude methanol. The main content of this design embraced the followings: first, the study of the comparative analysis of each process and met

4、hod, determining the design process; then making material balance and heat balance of the main technological section, and making model selection of the main equipment involved in the process and making design calculation of pressurized column. At the same time, the flowchart of the material and the

5、assembly diagram were drawn. Keywords coal to methanol, process flow, process calculation 目录 摘要. I ABSTRACT. II 1 绪论 (1) 1.1甲醇的性质 (1) 1.1.1一般性状 (1) 1.1.2物理性质 (1) 1.1.3化学性质 (1) 1.2甲醇的用途 (2) 1.2.1甲醇的下游产品简介 (2) 1.2.2汽车用清洁燃料 (3) 1.3甲醇合成工艺 (4) 1.3.1发展现状 (4) 1.3.2合成方法 (5) 1.3.3ICI工艺与Lurgi工艺比较 (6) 1.3.4Lur

6、gi三塔流程的特点 (7) 1.4煤气化 (8) 1.4.1国内外主要煤气化技术 (8) 1.4.2GE水煤浆气化技术 (10) 1.5变换工艺 (11) 1.6气体净化 (11) 1.7甲醇精制 (12) 1.7.1粗甲醇的组成 (12) 1.7.2工业用甲醇标准 (13) 1.7.3几种典型的甲醇精制工艺流程 (15) 1.8工艺确定 (17) 1.8.1工艺技术 (17) 1.8.2流程简述 (17) 2 物料衡算 (19) 2.1精馏工段 (19) 2.1.1 预精馏塔的物料衡算 (19) 2.1.2 主精馏塔的物料衡算 (20) 2.1.3 回收塔的物料衡算 (21) 2.2合成工段

7、 (21) 2.2.1 合成塔中发生的反应 (21) 2.2.2 粗甲醇的合成 (21) 2.2.3 粗甲醇中的溶解气体量 (22) 2.2.4 粗甲醇中的溶解气体量 (22) 2.2.5 合成反应中各气体的消耗和生成量 (22) 2.2.6 新鲜气与驰放气量的确定 (23) 2.2.7循环气气量的确定 (24) 2.2.8入塔气和出塔气组成 (25) 2.2.9甲醇分离器出口组成 (27) 2.3原料气制备工段 (28) 2.3.1变换 (28) 2.3.2气化 (30) 3 热量衡算 (32) 3.1精馏工段 (32) 3.1.1 预塔的热量衡算 (32) 3.1.2 加压塔的热量衡算 (

8、33) 3.1.3 常压塔的热量衡算 (35) 3.1.4 回收塔的热量衡算 (36) 3.2合成工段 (38) 3.2.1合成塔热量衡算相关计算式 (38) 3.2.2合成塔入塔热量计算 (38) 3.2.3合成塔的反应热 (39) 3.2.4合成塔出塔热量计算 (40) 3.3原料气制备工段 (40) 3.3.1入塔热量 (40) 3.3.2合成气带出热量 (40) 4 主要设备的选型及计算 (42) 4.1气化炉的选型 (42) 4.2变换炉的选型 (43) 4.3合成塔的选型 (43) 4.4预精馏塔的选型 (43) 4.5.1原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率 (43) 4.5.2原料

9、液即塔顶、塔底产品的平均摩尔质量 (44) 4.5.3简捷法求理论板层数 (44) 4.5.4精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算 (45) 4.5.5塔体工艺尺寸计算 (47) 4.5.6塔板工艺尺寸计算 (49) 4.5.7塔板流体力学验算 (51) 4.5.8塔板性能负荷图 (52) 4.5.9塔主要尺寸确定 (53) 4.6常压精馏塔的选型 (54) 4.7回收塔的选型 (54) 5 厂址选择 (55) 5.1选址原则 (55) 5.2厂址位置 (55) 5.3选址优势 (56) 5.3.1自然条件优势 (56) 5.3.2交通运输优势 (56) 5.3.3给排水优势 (56) 5.3

10、.4环境治理优势 (56) 6 环境保护与安全技术 (58) 6.1环境保护 (58) 6.1.1法律法规 (58) 6.1.2引用标准 (58) 6.1.3废气 (58) 6.1.4废水 (59) 6.1.5废渣 (59) 6.1.6噪音 (59) 6.2安全技术 (59) 6.2.1有毒物质的预防 (59) 6.2.2防火 (60) 6.2.3甲醇的储存 (60) 7 经济分析及效益估算 (61) 7.1投资估算 (61) 7.3投资回收期估算 (61) 参考文献 (62) 致谢 (64) 1 绪论 1.1甲醇的性质 1.1.1一般性状 甲醇是最简单的饱和一元醇，因它最先是从木材加工得到，

11、所以俗名又称为“木精”、“木醇”。其分子式为CH3OH，分子量为32.043。常温常压下，甲醇是易挥发和易燃的无色液体，具有类似酒精的气味。甲醇能和水以任何比例互相溶解，但不与水形成共沸混合物，因此，可以用分馏方法来分离甲醇和水。甲醇能溶解多种树脂，因此是一种良好的有机溶剂，但不溶解脂肪。甲醇比水轻，是易挥发的液体，具有很强的毒性，误饮能使眼睛失明，甚至致死。 1.1.2物理性质 甲醇的物理性质见下表。 表1-1 甲醇的物理性质 沸点64.564.7 凝固点-97-97.8 自然点473461 相对密度0.7915（20 ） 粘度（液体） 5.94510-4 Pas（20 ）粘度（气体）11.

12、410-5 Pas(65 ) 闪光1216 折光系数 1.32874（20 ） 膨胀系数0.00119 -1表面张力22.110-4 kg/m（20 ） 蒸汽压力-44.4 131.45 Pa 20 11825.48 Pa -20 839.9 Pa 50 50888.2 Pa 0 3572.98 Pa 64.5 101323.2 Pa 10 6679.3 Pa 100 320634.6 Pa 1.1.3化学性质 （1）氧化反应：甲醇完全氧化燃烧，生成二氧化碳和水，并放出热量；甲醇不完全氧化，则生成甲醛。 （2）脱氢反应：甲醇脱氢生成甲醛。 （3）与有机酸反应：与乙酸作用，发生酯化反应，生成乙酸

13、甲酯。 （4）与无机酸反应：与硫酸作用，生成硫酸二甲酯；与硝酸作用，生成硝酸甲酯；与盐酸作用，生成氯甲烷。 （5）与氨反应生成甲胺（一甲胺、二甲胺、三甲胺）。 （6）与苯作用，生成甲苯。 （7）与一氧化碳作用，生成醋酸。 （8）与乙炔作用，生成甲基乙烯基醚。 （9）与金属钠作用，生成甲醇钠。 （10）与苯胺作用，生成二甲基苯。 1.2甲醇的用途 1.2.1甲醇的下游产品简介 甲醇有着非常广泛的工业应用，迎合市场需求，从中国紧缺甲醇能源的实际国情出发，发展甲醇下游产品，是未来大规模发展甲醇生产的发展方向。甲醇的下游产品种类繁多，本文仅简单介绍其中几种。 （1）醋酸 德国BASF公司甲醇羰基化法早

14、在1960年就工业化了，但由于它所采用的碘化钴催化剂在苛刻的工艺条件下进行反应，甲醇转化收率只有85%，因此醋酸生产的发展受到了限制。1970年美国孟山都公司首次建成世界第一套低压羰基化醋酸工业化装置，开创了醋酸生产非石油乙烯路线的新局面。近年来，以甲醇为原料合成醋酸大量发展，据估计，世界有一半以上醋酸产量由孟山都法生产。（2）合成汽油 由于世界能源趋紧，资本主义世界受多次石油危机的冲击，对于用甲醇合成汽油，改变能源路线发生了兴趣。美国莫比尔公司成功研究经甲醇路线合成汽油的新工艺，1985年与新西兰的合成燃料公司联合建成，成为世界上第一座以天然气为原料合成汽油的工业装置。随着世界石油消耗的不断

15、上升，与石油贮量的下降，合成汽油将有较大的发展前景。 （3）甲醇蛋白 甲醇蛋白是以甲醇为原料，利用生物技术生产的一种单细胞蛋白（SCP）。80年代初，英国I.C.I.公司建成年产7.5万t的甲醇蛋白工业生产装置，是世界上第一座人工合成蛋白装置。1983年，美国菲利浦石油公司也开发了甲醇蛋白的新工艺。I.C.I公司和菲利浦公司都可承担年产10万t甲醇蛋白生产装置的设计配套，同时他们已在进行年产30万t的大型甲醇蛋白装置的可行性研究。（4）碳酸二甲酯（DMC） 碳酸二甲酯，是非毒性、“绿色”化工原料。DMC的合成主要有酯交换法、甲醇氧化羰基化法及CO2直接合成法。甲醇液相氧化羰基合成法以甲醇、O2

16、和CO为原料。意大利埃索里尼公司和安司密卡公司开发的由甲醇和一氧化碳、氢羰基合成碳酸二甲酯生产工艺，1983年在拉文那（Ravinna）建成年产5000t装置，并且在此基础上继续开发进一步加工生产碳酸二苯酯和N-甲基苯基氨基甲酸的生产技术。 （5）直接甲醇燃料电池 甲醇燃料电池（DMPC）使用甲醇作为原料，运行温度相对较低（100 ）， 能量密度高于氢气-聚合物电解质燃料电池1。日本Yuasa公司开发的一种避免先转化生成氢气而直接采用甲醇为原料的燃料电池技术已于2022年工业化。我国大连化物所等单位在这方面的研究取得了一定进展。 1.2.2汽车用清洁燃料 上世纪70年代以来，世界上出现了甲醇应

17、用研究的热潮。如日本1974年制订了“阳光计划”，1980年制定了C1化学大型计划，1983年成立了“日本燃料甲醇联合公司”，加强甲醇的开发和应用研究。美国、德国、瑞典等国甲醇燃料开发和应用都给予财力支持和优惠政策。我国煤炭资源相对丰富，而石油探明储量仅为煤炭资源的1.5%。而截至2022年，我国汽车的保有量已达2000余万辆，一半以上的燃料需要进口。因此充分利用我国煤炭资源，制取汽车用代用燃料，是我国国民经济长远发展需要的一项重大的战略性国策。 随着汽车的增长，油品消耗加大，大气污染不断恶化，就北京市的统计，汽车已经成为主要的污染源。国内专家认为在诸多的清洁替代燃料中，最有前途的是甲醇（详见

18、下表1-2），这与国外专家所略同2。 表1-2 甲醇、汽油的理化性质比对表 性能甲醇汽油 分子量32 114 相对密度（15 ）0.802 0.73 沸点，65 40200 闪点，8 -44-17 自然点，464 255475 点火温度，455 50500 燃烧时体积增大，% 6.1 5.8 空燃比，Nm3/kg 6.5 15.5 辛烷值（马达法）92 7092 热值，kJ/kg 22273 46054 气化潜热，kJ/kg 1101 272 饱和蒸汽压37.8 ，kPa 0.667 1.022.18 爆炸低限，% 6 1.5 绝对运动粘度37.8 ，cSt 0.47 0.37 闪点范围（计算

19、值），% 48408 51425 估计行驶里程，% 5560 100 估计功率，% 100110 100 1.3甲醇合成工艺 1.3.1发展现状 我国的甲醇工艺合成最先发展是在20世纪50年代后期进行的，经过半个世纪的发展，我国的甲醇生产技术也发展的越来越好，生产工艺也越来越成熟，生产的规模也逐渐扩大。随着近些年的发展，甲醇作为一种新型代用燃料被应用。甲醇的生产已经成为我国重点发展的工业，对于大型甲醇生产项目的建设，国家给予大力支持3。 1.3.2合成方法 （1）木材干馏法 1924年以前，甲醇几乎全部是用木材分解干馏来生产的。甲醇的世界产量当时只有4500 t。用60100 kg木材干馏只能

20、获得1 kg甲醇，1 m3白桦木只能得到56 kg甲醇，而1 m3的针页树木只能得到23 kg甲醇。这种“森林化学”的甲醇含有丙酮和其他杂质，要从甲醇中除去这些杂质比较困难。由于甲醇的需要量与日俱增，木材干馏法不能满足需要。因此，人们开始采用化学合成的方法生产甲醇。 （2）气相合成甲醇法 按照压力来分类，甲醇生产技术有高压法、中压法、低压法三种，其中主要采用中压法和低压法这两种工艺，并且以低压法为主，这两种方法生产的甲醇约占世界甲醇产量的80%以上4。 高压法：最初生产甲醇的方法，采用锌-铬氧化物催化剂，反应温度360400 ，压力19.629.4 Mpa。此法是八十年代以前世界各国生产甲醇的

21、主要方法。高压法由于原料及动力消耗大，反应温度高，生成粗甲醇中有机杂质含量高，且投资大，成本高，长期以来发展处于停顿状态5。 低压法（5.08.0 Mpa）：20世纪60年代后期发展起来的甲醇合成技术，由英国ICI公司研究得出。低压法基于高活性的铜基催化剂，其活性明显高于锌铬催化剂，反应温度低（240270 ）。在较低压力下可获得较高的甲醇收率，且选择性好，减少了副反应，改善了甲醇质量，降低了原料消耗。此外，由于压力低，动力消耗降低很多，工艺设备制造容易。低压法合成工艺主要有英国帝国化学公司（ICI）和德国鲁奇（Lurgi）的工艺。 中压法（9.813.0 Mpa）：随着甲醇工业的大型化，如采用低压法，势必导致工艺管道和设备较大，因此在低压法的基础上适当提高合成压力，即发展成为中压法。中压法仍采用高活性的铜基催化剂，反应温度与低压法相同，但由于提高了压力，相应的动力消耗略有增加。由中国研究的联醇工艺，实际上也是一种中压合成甲醇的方法，所谓联醇，就是与合成氨联合生产甲醇，这是一种合成