年产10万吨粗甲醇精馏基本工艺设计.doc
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1、摘要3第1章甲醇合成基本概念41.1 甲醇合成办法41.惯用合成办法42.本设计所采用合成办法41.2 甲醇合成路线51惯用合成工艺52本设计合成工艺61.3合成甲醇目和意义71.4 本设计重要办法及原理8造气工段：使用二步法造气8合成工段8第2章生产工艺及重要设备计算102.1 甲醇生产物料平衡计算102.1.2 粗甲醇精馏物料平衡计算192.2 甲醇生产能量平衡计算232.2.1 合成塔能量计算232.2.2 常压精馏塔能量衡算252.3.1 常压精馏塔计算282.3.2 初估塔径302.3.3 理论板数计算322.3.4 塔内件设计342.3.5 塔板流体力学验算372.3.6 塔板负荷
2、性能392.3.7 常压塔重要尺寸拟定412.3.8 辅助设备44参照文献45致 谢46 摘要甲醇作为及其重要有机化工原料，是碳一化学工业基本产品，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，染料等行业工业原料，但随着科技进步与发展，甲醇将被应用于越来越多领域。甲醇是一种无色、透明、易燃、易挥发有毒液体，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，闪点12.22，自燃点463.89，蒸气密度 1.11，蒸气压 13.33KPa(100mmHg 21.2)，蒸气与空气混合物爆炸下限 636.5 % ，能与水、乙醇、乙醚、苯、酮、
3、卤代烃和许多其她有机溶剂相混溶，遇热、明火或氧化剂易燃烧。甲醇用途广泛，是基本有机化工原料和优质燃料。重要应用于精细化工，塑料等领域，用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲脂等各种有机产品，也是农药、医药重要原料之一。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。国内甲醇工业通过十几年发展，生产能力得到了很大提高。1991年，国内生产能力仅为70万吨，截止底，国内甲醇产能已达740万吨，117家生产公司共生产甲醇440.65万吨，甲醇产量达到500万吨，比增长22.2%，进口量99.1万吨，因而下降3.1%。 于上世纪末相比，当前新建甲醇规模超过百万吨已不再少数。在新建14套甲醇装
4、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。最小规模是智利甲醇项目，产能也达84万t/a，某些上世纪末还称得上经济规模60万t/a装置因失去竞争力而纷纷关闭。 大型甲醇生产装置必要具备与其规模相适应甲醇反映器和反映技术。老式甲醇合成反映器有ICI冷激型反映器，Lungi管壳式反映器，Topsdpe径向流动反映器等，近期浮现新合成甲醇反映器有日本东洋工程MRF-Z反映器等，而反映技术方面则浮现了Lurgi推出水冷一气冷相结合新流程。 普通甲醇合成工艺中，未反映气体需循环返回反映器，而KPT则提出将未反映气体送往膜分离器，并将气体分为富含氢气气体，前者作燃料用，后者返回
5、反映器。 老式甲醇合成采用气相工艺，局限性之处是原料单程转化率低，合成气净化成本高，能耗高。相比之下，液相合成由于使用了比热容高，导热系数大长链烷烃化合物作反映介质，可使甲醇合成在等温条件下进行。核心词：设计 工艺 合成 第1章甲醇合成基本概念1.1 甲醇合成办法 1.惯用合成办法 当今甲醇生产技术重要采用中压法和低压法两种工艺，并且以低压法为主，这两种办法生产甲醇约占世界甲醇产量80%以上。高压法：(19.6-29.4Mpa)是最初生产甲醇办法，采用锌铬催化剂，反映温度360-400，压力19.6-29.4Mpa。高压法由于原料和动力消耗大，反映温度高，生成粗甲醇中有机杂质含量高，并且投资大
6、，其发展长期以来处在停顿状态。低压法：(5.0-8.0 Mpa)是20世纪60年代后期发展起来甲醇合成技术，低压法基于高活性铜基催化剂，其活性明显高于锌铬催化剂，反映温度低(240-270)。在较低压力下可获得较高甲醇收率，且选取性好，减少了副反映，改进了甲醇质量，减少了原料消耗。此外，由于压力低，动力消耗减少诸多，工艺设备制造容易。中压法：(9.8-12.0 Mpa)随着甲醇工业大型化，如采用低压法势必导致工艺管道和设备较大，因而在低压法基本上恰当提高合成压力，即发展成为中压法。中压法仍采用高活性铜基催化剂，反映温度与低压法相似，但由于提高了压力，相应动力消耗略有增长。当前，甲醇生产办法还重
7、要有甲烷直接氧化法：2CH4+O22CH3OH.由一氧化碳和氢气合成甲醇，液化石油气氧化法 2.本设计所采用合成办法比较以上三者优缺陷，以投资成本，生产成本，产品收率为根据，选取中压法为生产甲醇工艺，用CO和H2在加热压力下，在催化剂作用下合成甲醇，其重要反映式为：CO+ H2CH3OH1.2 甲醇合成路线1惯用合成工艺 虽然开发了高活性铜基催化剂，合成甲醇从高压法转向低压法，完毕了合成甲醇技术一次重大奔腾，但仍存在许多问题：反映器构造复杂；单程转化率低，气体压缩和循环耗能大；反映温度不易控制，反映器热稳定性差。所有这些问题向人们揭示，在合成甲醇技术方面仍有很大潜力，更新更高技术等待咱们去开发
8、。下面简介20世纪80年代以来所获得新成果。(1) 气液固三项合成甲醇工艺 一方面由美国化学系统公司提出，采用三相流化床，液相是惰性介质，催化剂是ICICu-Zn改进型催化剂。对液相介质规定：在甲醇合成条件下有较好热稳定性和化学稳定性。既是催化剂硫化介质，又是反映热吸取介质，甲醇在液相介质中溶解度越小越好，产物甲醇以气相形式离开反映器。此类液相介质有如三甲苯，液体石蜡和正十六烷等。日后Berty等人提出了相反观点，采用液相介质除了热稳定性及化学稳定性外，规定甲醇在其溶液中溶解度越大越好，产物甲醇不是以气相形式离开反映器，而是以液相形式离开反映器，在反映器外进行分离。经实验发现四甘醇二甲醚是极抱
9、负液相介质。CO和H2在该液相中气液平衡常数很大，采用Cu-Zn-Al催化剂，其单程转化率不不大于相似条件下气相平衡转化率。气液固三相工艺长处是：反映器构造简朴，投资少；由于介质存在改进了反映器传热性能，温度易于控制，提高了反映器热稳定性；催化剂颗粒小，内扩散影响易于消除；合成甲醇单程转化率高，可达15%-20%，循环比大为减小；能量回收运用率高；催化剂磨损少。缺陷是三相反映器压降较大，液相内扩散系数比气相小多。(2) 液相法合成甲醇工艺 液相合成甲醇工艺特点是采用活性更高过度金属络合催化剂。催化剂均匀分布在液相介质中，不存在催化剂表面不均一性和内扩散影响问题，反映温度低，普通不超过200，2
10、0世纪80年代中期，美国Brookhaven国家实验室开发了活性很高复合型催化剂，其构造为NaOH-RONa-M(OAc)2,其中M代表过渡金属Ni,Pd或Co,R为低碳烷基，当M为Ni，R为叔戊烷基时催化剂性能最佳，液相介质为四氢呋喃，反映温度为80-120，压力为2MPa左右，合成气单程转化率高于80%，甲醇选取性高达96%。当该催化剂与第族金属羰基络合物混合使用时，能得到更好效果，她能激活CO，并有较好耐硫性，当合成气中尚有167010-6H2S时，其甲醇产率仍达33%。Mahajan等人研制了由过渡金属络合物与醇盐构成符合催化剂，如四羰基镍和甲醇钾，以四氢呋喃为液相介质，反映温度为12
11、5，CO转化率不不大于90%，选取性达99%。 当前液相合成甲醇研究仍处在实验室阶段，尚未工业化，但它是一种很有开发前景合成技术。该法缺陷是由于反映温度低，反映热不易回收运用；CO2和H2O容易使复合催化剂中毒，因而对合成气体规定很苛刻，不能尚有CO2和H2O，还需进一步研究。 (3) 新型GSSTFR和RSIPR反映器系统 该系统采用反映,吸附和产物互换交替进行一种新型反映装置。GSSTFR是指气-液-固滴流流动反映系统，CO和H2在催化剂作用下，在此系统内进行反映合成甲醇，该甲醇立即被固态粉状吸附剂所吸附，并滴流带出反映系统。RSIPR是级间产品脱出反映系统，当以吸附气态甲醇粉状吸附剂流入
12、该系统时，与该系统内液相四甘醇二甲醚进行互换，气态甲醇被液相所吸附，然后再将四甘醇二甲醚中甲醇分离出来。这样合成甲醇反映不断向右进行，CO单程转化率可达100%，气相反映物不循环。这项新工艺仍处在研究之中，尚未投入工业生产，尚有许多技术问题需要解决和完善。2本设计合成工艺通过净化原料气，经预热加压，于5 Mpa、220 下，从上到下进入Lurgi反映器，在铜基催化剂作用下发生反映，出口温度为250 左右，甲醇7%左右，因而，原料气必要循环，则合成工序配备原则为图2-2。甲醇合成是可逆放热反映，为使反映达到较高转化率，应迅速移走反映热，本设计采用Lurgi管壳式反映器，管程走反映气，壳程走4MP
13、a沸腾水合成塔水冷器甲醇分离塔循环器粗甲醇驰放气 图1-1合成合序配备原则甲醇合成工艺流程（图）这个流程是德国Lurgi公司开发甲醇合成工艺，流程采用管壳式反映器，催化剂装在管内，反映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比例混合) 循环，混合气体在进反映器前先与反映后气体换热，升温到220 左右，然后进入管壳式反映器反映，反映热传给壳程中水，产生蒸汽进入汽包，出塔气温度约为 250 ，含甲醇7%左右，通过换热冷却到40 ，冷凝粗甲醇经分离器分离。分离粗甲醇后气体恰当放空，控制系统中惰性气体含量。这某些空气作为燃料，大某些气体进入透
14、平压缩机加压返回合成塔，合成塔副产蒸汽及外部补充高压蒸汽一起进入过热器加热到50 ，带动透平压缩机，透平后低压蒸汽作为甲醇精馏工段所需热源。1.3合成甲醇目和意义 甲醇是极为重要有机化工原料，在化工、医药、轻工、纺织及运送等行业均有广泛应用，其衍生物产品发展前景辽阔。当前甲醇深加工产品已达120各种，国内以甲醇为原料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。以甲醇为中间体煤基化学品深加工产业：从甲醇出发生产煤基化学品是将来C1化工发展
15、重要方向。例如神华集团发展以甲醇为中间体煤基化学品深加工，运用先进成熟技术，发展“甲醇醋酸及其衍生物”；运用国外开发成功MTO或MTP先进技术，发展“甲醇烯烃及衍生物”2大系列。作为代替燃料：近几年，汽车工业在国内获得了飞速发展，随之带来能源供应问题。石油作为及其重要能源储量是有限，而甲醇燃料以其安全、便宜、燃烧充分，运用率高、环保众多长处，代替汽油已经成为车用燃料发展方向之一。国内政府已充分结识到发展车用代替燃料重要性，并开展了这方面工作。随着C1化工发展，由甲醇为原料合成乙二醇、乙醛和乙醇等工艺正日益受到注重。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
16、成纤维等工业中均有着重要地位。甲醇还可经生物发酵生成甲醇蛋白，用作饲料添加剂，有着辽阔应用前景。1.4 本设计重要办法及原理 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映 主反映 ： CO+2H2CH3OH+102.37 kJ/kmol副反映： 2CO+4H2(CH3O)2+H2O+200.3 kJ/kmol CO+3H2CH4+ H2O+11
17、5.69 kJ/kmol 4CO+8H2C4H9OH+3H2O+49.62 kJ/kmol-(A) CO+H2CO +H2O-42.92 kJ/kmol除（A）外，副反映发生，都增大了CO消耗量，减少了产率，故应尽量减少副反映。反映热力学一氧化碳加氢合成甲醇反映式为 CO+2H2CH3OH(g)这是一种可逆放热反映，热效应。 当合成气中有CO2时，也可合成甲醇。 CO2 + 3H2 CH3OH(g) + H2O这也是一种可逆放热反映，热效应合成法反映机理 本反映采用铜基催化剂，5 MPa，250 左右反映，清华大学高森泉，朱起明等以为其机理为吸附理论，反映模式为：H2+22H -CO+HHCO
18、-HCO+H H2COH2CO+2HCH3OH+3CH3OH CH3OH+反映为，控制。即吸附控制。第2章生产工艺及重要设备计算工艺计算作为化工工艺设计，工艺管道，设备选取及生产管理，工艺条件选取重要根据，对平衡原料，产品质量，选取最佳工艺条件，拟定操作控制指标，合理运用生产废料，废气，废热均有重要作用。2.1 甲醇生产物料平衡计算2.1.1 合成塔物料平衡计算已知：年产100000吨精甲醇，每年以300个工作日计。精甲醇中甲醇含量(wt)：99.95%粗甲醇构成(wt)：Lurgi低压合成工艺甲醇：93.89%轻组分以二甲醚(CH3)2O计：0.188%重组分以异丁醇C4H9OH计：0.02
19、6%水：5.896%因此：时产精甲醇：Kg/h 时产粗甲醇： Kg/h依照粗甲醇组分，算得各组分生成量为：甲醇(32)： Kg/h 434.03kmol/h 9722.22 Nm3/h二甲醚(46)：27.796 Kg/h 0.604 kmol/h 13.536 Nm3/h异丁醇(74)：3.844 Kg/h 0.052 kmol/h 1.164 Nm3/h水(18)： 871.74 Kg/h 48.43 kmol/h 1048.84 Nm3/h合成甲醇化学反映为：主反映：CO+2H2CH3OH+102.37 KJ/mol 副反映：2CO+4H2(CH3)2O+H2O+200.39 KJ/mo
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