年产10万吨煤合成甲醇的工艺设计课程设计说明书

1、 精细化工工艺学设计说明书 年产10万吨煤合成甲醇的工艺设计起止日期： 2011 年 11 月 28 日至 2011 年 12 月 16 日学 生 姓 名班 级学 号成 绩指导教师 (签字)包装与材料工程学院（部）2011年 12 月 16 日20 目 录一、概述11.1甲醇的应用情况介绍11.2 甲醇的合成方法11.2.1常用的合成方法11.2.2其他方法21.2.3本设计所采用的合成方法2二工艺概述22.1 造气工段22.2 净化工段32.3 合成工段32.3.1合成工段工艺32.3.2反应热力学42.4 精馏工段4三生产工艺及主要设备计算43.1 合成塔物料平衡计算53.2合成塔能量计算

2、93.3 常压塔主要尺寸确定113.3.1.壁厚113.3.2.封头113.3.3裙座113.3.4塔高设计113.3.5接管设计123.3.5.1.塔顶甲醇蒸汽出口管123.3.5.2.回流液进口管123.3.5.3塔底出料管123.3.5.4进料管133.3.5.5.再沸器蒸汽入口管13四参考文献14五结 束 语15一、 概述1.1甲醇的应用情况介绍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，染料等行业的工业原料，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。 1.2 甲醇的合成方法1.2.1常用的合成方法

3、当今甲醇生产技术主要采用中压法和低压法两种工艺，并且以低压法为主，这两种方法生产的甲醇约占世界甲醇产量的80%以上。高压法：(19.6-29.4mpa)是最初生产甲醇的方法，采用锌铬催化剂，反应温度360-400，压力19.6-29.4mpa。高压法由于原料和动力消耗大，反应温度高，生成粗甲醇中有机杂质含量高，而且投资大，其发展长期以来处于停顿状态。低压法：(5.0-8.0 mpa)是20世纪60年代后期发展起来的甲醇合成技术，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(240-270)。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

4、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。中压法：(9.8-12.0 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。1.2.2其他方法目前，甲醇的生产方法还主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1.2.3本设计所采用的合成方法比较以上三者的优缺点，以投资成本，生产成本，产品收率为依据，选择中压法为生产甲醇的工艺，用co和h2在加热压力下，在催化剂

5、作用下合成甲醇，其主要反应式为：co+ h2ch3oh二工艺概述 总工艺路线图见图1-1。 2.1 造气工段（1）原料：由于甲醇生产工艺成熟,市场竞争激烈,选用合适的原料就成为项目的关键,以天然气和重油为原料合成工艺简单，投资相对较少，得到大多数国家的青睐，但从我国资源背景看，煤炭储量远大于石油、天然气储量，随着石油资源紧缺、油价上涨，在大力发展煤炭洁净利用技术的形势下，应该优先考虑以煤为原料,所以本设计选用煤作原料2。图1-1 甲醇生产工艺示意图（2）工艺概述：反应器选择流化床，采用水煤浆气化激冷流程。原料煤通过粉碎制成65%的水煤浆与99.6%的高压氧通过烧嘴进入气化炉进行气化反应，产生的

6、粗煤气主要成分为co，co2，h等3。2.2 净化工段由于水煤浆气化工序制得粗煤气的水汽比高达1.4可以直接进行co变换不需加入其他水蒸气，故先进行部分耐硫变换，将co转化为co2，变换气与未变换气汇合进入低温甲醇洗工序，脱除h2s和过量的co2，最终达到合适的碳氢比，得到合成甲醇的新鲜气4。co反应式： 1-1）2.3 合成工段2.3.1合成工段工艺流程图如图2-1。合成反应要点在于合成塔反应温度的控制，另外，一般甲醇合成反应1015mpa的高压需要高标准的设备，这一项增加了很大的设备投资，在设计时，选择目前先进的林达均温合成塔，操作压力仅5.2mpa，由于这种管壳式塔的催化剂床层温度平稳均

7、匀，反应的转化率很高。在合成工段充分利用自动化控制方法，实行连锁机制，通过控制壳程的中压蒸汽的压力，能及时有效的掌控反应条件，从而确保合成产品的质量5。合成主反应： co+2h2ch3oh+102.37 kj/kmol 1-2）副反应： 2co+4h2(ch3o)2+h2o+200.3 kj/kmol 1-3） co+3h2ch4+ h2o+115.69 kj/kmol 1-4） 4co+8h2c4h9oh+3h2o+49.62 kj/kmol 1-5） co+h2co +h2o-42.92 kj/kmol 1-6）除（1-5）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

8、反应。2.3.2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2.4 精馏工段精馏工段工艺流程图见图2-2。合成反应的副产主要为醚、酮和多元醇类，本设计要求产品达质量到国家一级标准，因此对精馏工艺的合理设计关系重大，是该设计的重点工作。设计中选用双塔流程，对各物料的进出量和回流比进行了优化，另外，为了进一步提高精甲醇质量，从主塔回流量中采出低沸点物继续进预塔精馏，这一循环流程能有效的提高甲醇的质量。三生产工艺及主要设备计算工

9、艺计算作为化工工艺设计，工艺管道，设备的选择及生产管理，工艺条件选择的主要依据，对平衡原料，产品质量，选择最佳工艺条件，确定操作控制指标，合理利用生产的废料，废气，废热都有重要作用。 3.1 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%粗甲醇组成(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：0.026%水：5.896%所以：时产精甲醇：kg/h 时产粗甲醇： kg/h根据粗甲醇组分，算得各组分的生成量为：甲醇(32)： kg/h 434.03kmol

10、/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合成甲醇的化学反应为：主反应：co+2h2ch3oh+102.37 kj/mol 副反应：2co+4h2(ch3)2o+h2o+200.39 kj/mol co+3h2ch4+h2o+115.69 kj/mol 4co+8h2c4h9oh+3h2o+49.62 kj/mol co2+h2co+ h2o

11、-42.92 kj/mol 生产中，测得每生产1吨粗甲醇生成甲烷7.56 nm3,即0.34 kmol，故ch4每小时生成量为：7.5614.78533=111.777 nm3，即4.987 kmol/h，79.794 kg/h。忽略原料气带入份，根据、得反应生成的水的量为：48.43-0.604-0.05203-4.987=42.683 kmol/h，即在co逆变换中生成的h2o为42.683 kmol/h，即956.13 nm3/h。5.06 mpa，40时各组分在甲醇中的溶解度列表于表2-1表2-1 5.06mpa，40时气体在甲醇中的溶解度组分h2coco2n2arch4溶解度nm3/

12、t甲醇00.6823.4160.3410.3580.682nm3/h01.0085.5010.5040.5291.008 甲醇生产技术及进展华东工学院出版社.1990据测定：35 时液态甲醇中释放co、co2、h2等混合气中每立方米含37.14 g甲醇，假定溶解气全部释放，则甲醇扩散损失为：(1.008+5.501+0.504+0.529+1.008)= 0.318 kg/h即0.0099kmol/h，0.223 nm3/h。根据以上计算，则粗甲醇生产消耗量及生产量及组成列表2-2。 表2-2 甲醇生产消耗和生成物量及组成消耗方式单位消耗物料量生成物料量合计coh2co2n2ch4ch3ohc

13、4h9oh(ch3)2oh2o消耗生成式kmol434.868.06434.03nm39722.19444.49722.2229166.9722.22式kmol1.2082.4160.6040.604nm327.0654.1213.53613.53681.1827.07式kmol4.9879.9744.9874.987nm3111.7223.554111.7111.77335.33223.554式kmol0.2080.4160.0520.156nm34.6599.3181.1643.49413.9774.658式kmol42.642.68342.6842.683nm3956.956.13956

14、.1956.13956.13956.13气体溶解nm31.00805.0510.501.0087.571扩散损失nm30.21100.4220.6330.211合计nm318664.4540194.86961.6030.504110.76919444.392.32227.061101.93359821.4220686.502消耗组成%(v)31.267.1911.6070.0008生成质量kg27751.347.7055.56873.7028688.3生成组成%(wt)93.890.0260.1885.8961003.2合成塔能量计算已知：合成塔入塔气为220 ，出塔气为250 ，热损失以5%

15、计，壳层走4mpa的沸水。查化工工艺设计手册得，4 mpa下水的气化潜热为409.7 kmol/kg，即1715.00 kj/kg，密度799.0 kg/m3，水蒸气密度为19.18 kg/m3，温度为250 。入塔气热容见4-16。 表2-165mpa，220下入塔气除(ch3oh)热容组分coco2h2n2arch4合计流量nm334894.7710668.7239349.677808.405627.2811721.9310070.86比热：30.1545.9529.3430.3521.4147.05/热量：kj/23580.6510987.9157396.595312.062700.69

16、12360.2212338.19比热(单位kj/kmol)热量：（kj/)；查得220时甲醇的焓值为42248.46 kj/kmol，流量为749.391 nm3。所以：q入=42248.46+212338.19220=2815007.35+46714401.8 =49529409.15 kj出塔气热容除(ch3oh)见表2-17。 表2-17 5mpa，220下出塔气除(ch3oh)热容组分coco2h2n2arch4c4h9oh(ch3)2oh2o合计流量：17145.48751.20198114.47805.785626.1611941.62.32227.062185.08251599.

17、2比热：30.1346.5829.3930.4121.3648.39170.9795.8583.49热量：11579.39138.40130521.95321.882694.3912951.58.9059.714088.59176365.7其中各量单位是：流量：nm3比热：kj/kmol热量：kj/；查得250时甲醇的焓值为46883.2 kj/kmol，流量为10471.692 nm3。所以：q出=46883.2+176365.71250=21917251.36+44091421.5 =66008672.86 kj由反应式得:q反应=102.37+200.39+115.69+49.62+(-

18、42.92) 1000 =(88862.60+242.08+577.30+5.14-2130.80)1000 =87556320 kj q热损失=(q入q反应) 5%=(49529409.15+87556320) 5%=6854286.46 kj所以：壳程热水带走热量 q传 = q入 + q反应 - q出 - q热 =49529409.15+87556320-66008672.86-6854286.46 =64222769.83 kj又：q传=g热水r热水所以:g热水=37447.89 kg/h即时产蒸气：=1952.45m33.3 常压塔主要尺寸确定3.3.1.壁厚选用20尺钢为塔体材料，由

19、于是常温常压操作，取壁厚sn=10 mm3.3.2.封头采用标准椭圆封头，材料为20r钢，壁厚与塔体相同，即：sn=10 mmhi=1000=750 mm，h0=60 mm 3.3.3裙座以q235-a钢为裙座材料，壁厚为10 mm，内径等于塔内径d=2600 mm，高度为3m，裙座与简体的连接采用对焊不校核强度。 3.3.4塔高设计塔釜高取hb=3 m，塔顶高为1.2 m，顶接管高为350 mm，板间距为350 mm，开7个人孔，人孔处板间距为700 mm。塔高=3000+(750+60)+35350+1200+350+3000+7007 =25510 mm3.3.5接管设计3.3.5.1.

20、塔顶甲醇蒸汽出口管由前面计算可知：塔顶甲醇蒸汽流量为6583.6571 kg/h，温度75 ，则体积流量为：v=24786.79 m3/h蒸汽流速，取u=20 m/s则出口管面积s=0.3443 m2所以：出口管径d1=0.6622 m即取d1=663 mm3.3.5.2.回流液进口管已知回流液温度为40，甲醇液体流量为63960.896 kg/h查表知:40=772.21 kg/m3所以：其体积流量v=82.83 m3/h取液体流速u=1.5 m/s则回流液入口管径d2=0.1398m=139.8 mm即取d2=140 mm3.3.5.3塔底出料管因塔底含醇1%，可近似为水，查表知0.13

21、mpa，105 下水的密度为954.7 kg/m3，而塔底出料流量为27751.34kg/h，仍取流速为1.5 m/s。则出口管径：d3=0.0828 m取出口管径d3=90 mm。 3.3.5.4进料管进料状态为124 ，0.67 mpa，甲醇9259.914 kg/h，水6730.31 kg/h，查得此状态下水的密度为939.85 kg/m3，而醇的比重0.690，即甲醇的密度为：939.850.691.105 m3/h所以：进料体积流量为：v=20.594 m3/h进料管流速取为u=1.5 m/s，则进料管径： d4=0.0697 m即取d4=70 mm3.3.5.5.再沸器蒸汽入口管由前面计算可知：再沸器蒸汽流量为23817.5 kg/h，温度为105 。则体积流量为：v= =41040.14 m3/h蒸汽流速取u=10 m/s，则入口管积s=0.57 m2所以：入口管径d5=0.8521 m即取d5=853 mm四参考文献1 赵国方编著 化工工艺设计概论 原子能出版社，19902 天津大学物理化学教研室 物理化学（上、下）高等教育出版社，19913 刁玉玮 等编 化工设备机械基础 大连理工大学出版社，199