年产3万吨改6万吨甲醇工艺设计

1、 毕业设计(论文) 题 目: 年产3万吨改6万吨甲醇工艺设计 学习中心:安阳奥鹏学习中心 年级专业:0609级化学工程与工艺 学生姓名:王军强 学 号: 0660580059 指导教师: 郭志强 职 称: 高级工程师 导师单位:安化集团公司合成二车间 中国石油大学(华东)远程与继续教育学院论文完成时间: 2008 年 4 月 15 日摘 要 本设计介绍了甲醇的性质、用处及目前发展情况进行了概述,对年产3万吨甲醇生产装置的现状作了细致的调查、资料的查阅和数据的搜集,通过年产6万吨甲醇生产装置的工艺计算,系统的物料衡算和主要装置的能量衡算,并对年产3万吨甲醇生产装置扩产为年产6万吨甲醇生产装置的可

2、行性进行了深入得分析,以节能降耗为原则,充分利用原有设备,新增部分瓶颈设备,采用新触媒,新工艺,用新技术改造传统项目,在原有设计的基础上对不合理的部分进行改进,提高了生产规模,生产能力由3万吨扩大到6万吨。 关键词:年产6万吨甲醇生产装置中间换热器 合成反应器 催化剂目录摘 要i目 录ii第1章 前 言1第2章3万吨甲醇工艺装置情况22.1工艺流程简介22.2 主要设备技术规格2第3章 6万吨甲醇合成工艺的计算43.1工艺计算43.2计算基准43.3计算过程4第4章 6万吨甲醇合成工艺的分析54.1甲醇合成热力学分析54.2 平衡常数64.3 副反应74.4甲醇合成催化剂及反应条件74.4.1

3、催化剂74.4.2 反应条件8第5章 6万吨甲醇合成装置物料和能量衡算9 5.1 甲醇合成回路设计9 5.2 合成系统物料衡算9 5.3 合成反应器热量衡算条件115. 4中间换热器热量衡算13第6章 结 论15致 谢17参考文献18第1章 前 言 目前,甲醇在有机合成工业中,是仅次于烯烃和芳烃的重要基础有机原料。20年前,全世界约有4050%的甲醇用于生产甲醛,其余部分则用于生产农药、药品、合成树脂、甲胺及溶剂等。70年代以来受世界性能源危机的影响,促进了甲醇化学的研制和开发.甲醇广泛用于合成各种重要的高级含氧化学产品如醋酸、醋酐、甲基叔丁基醚MTBE、甲酸甲脂、醋酸乙烯、乙二醇等。目前国际

4、市场上甲醇应用领域正在逐步扩大,生产技术不断改进提高,作为碳一化学的核心产品,甲醇工业的发展前景十分广阔。国内甲醇用途也在不断扩大,由于今后甲醇将大量用作醋酸等有机合成产品的原料,以及用作掺合燃料,预计今后十年内甲醇仍将是一种紧俏的产品。安化集团甲醇采用无烟煤为原料,固定层气化制取合成原料气-水煤气 ,鲁奇低压合成工艺,设计能力为年产三万吨精甲醇。以节能降耗为原则,用新技术改造传统项目,同时在尊重原有设计的基础上对不合理的部分进行改造整顿,生产能力由3万t/a扩大到6万t/a的规模。 第2章 3万吨甲醇工艺装置情况2.1 工艺流程简介 水煤气经压缩机一、二、三段加压(1.8MPa,45)送到合

5、成工段,依次进入滤油器、第1换热器和变换气换热后与2.5 MPa蒸汽混合,混合气经第2换热器与变换气换热后进入变换炉,变换炉出来的变换气依次进入2换、1换换热后进入变换气煮沸器,与脱碳液换热后经水冷、分离后进入变脱塔,脱硫后的变换气(温度45)进入CO2吸收塔脱除CO2,脱碳后的净化气经水冷分离后依次进入预脱塔、水解塔、精脱塔控制总S含量<0.1PPm,最后送到压缩机四段入口。 从压缩四段出来的精制气(5.0MPa,45)与循环机出来的循环气混合后进入油过滤器除去油份,经中间换热器与出塔气换热至200-210进入合成塔,合成反应后混合气含甲醇约5-7%,温度240-260,出塔气经中间换

6、热器、甲醇水冷器降温至45以下进入甲醇分离器,分离出的液体进入闪蒸槽减压闪蒸后送往精馏工段。分离后的气体进入循环机加压循环利用,循环气中的一部分作为驰放气回收,以控制系统压力和惰性气体含量,合成塔温度借助于汽包饱和蒸汽压力来控制。2.2 主要设备技术规格序号设备名称设备主要参数及工艺技术规格台数1压缩机最初吸气压力:0.002MPa(表压)最终排气压力:5.5MPa形式:四列对称平衡型MPa(表压)活塞行程:360mm容积流量:150m3?min22循环机最初吸气压力:4.9MPa最终排气压力:5.3MPa活塞行程:240mm容积流量:29m3?min4、形式:二列对称平衡型、13中变炉DN

7、1800×30 H 10347筒体1800×30 L7300设计压力:2.42MPa设计温度480操作压力:2.2MPa设计温度48 0触媒:B103Q 数量 :6 m314中间换热器换热管:19×2 L 14000共1009根筒体900×30 L12416设计压力:管程5.4MPa 壳程5.4MPa设计温度:管程275 壳程250操作压力:管程5.4MPa 壳程5.4MPa操作温度:管程275 壳程25015合成反应器2200 H 16523换热管:38×2 L 6000共1855根筒体2200×28 L4490设计压力:管程5.6

8、MPa 壳程4.2MPa设计温度:管程280 壳程250操作压力:管程5.4MPa 壳程4.1MPa操作温度:管程275 壳程2501第3章 6万吨甲醇装置工艺的计算3.1工艺计算 按增设一台压缩机工艺设计3.2计算基准 以6万吨/年精甲醇为基准;合成1吨粗甲醇需3000原料气;粗甲醇中含精甲醇86.671。3.3计算过程 已知甲醇的产量为6万吨/年,考虑到一年中的假期,检修等消耗的时间,所以实际时间为320天/年,所以生产能力为187.5吨/天。 每小时的精甲醇量187.5?247.81吨 每小时的粗甲醇量7.81?0.86679吨 由于制造1吨粗甲醇需3000,所以每小时原料气9*3000

9、27000 第4章 6万吨甲醇合成工艺的分析4.1.甲醇合成热力学分析: 由一氧化碳加氢合成甲醇,是一个可逆反应 CO + 2 H2 CH3OH(气) 反应物中有二氧化碳存在时,亦可发生下列反应 CO2 + 3 H2 CH3OH+H2O 反应热效应:一氧化碳加氢合成甲醇是放热反应,在25时反应热HT-90.8kJ/h常压下不同温度的反应热可按下式进行计算。HT4.18617920-15.84T+1.142*10-2T2-2.699*10-6T3其中HT?常压下合成甲醇的反应热 ,J/mol T?开氏温度,K由上式计算得到不同温度下的反应温度 K298573473573673773HT90.89

10、3.79799.3101.2102.5反应热与压力的关系: 从图中可以看出,反应热的变化是比较大的。在高压下低温时反应放热比较大,而且,当反应低于200时,反应热随压力变化的幅度大于反应温度高时,低于300的等温线的斜率比300等温线斜率大。所以在低于300的条件下 的操作比在高温的条件下要求严格,温度和压力的波动时候容易失控。4.2平衡常数 由一氧化碳加氢合成甲醇的平衡常数Kf与标准自由焓G0 的关系如下表示:Kf f CH3OH / f co * f H22 exp-GT0/RT 式:f- 逸度 GT0-标准自由焓 T-反应温度 由上式可以看出平衡常数Kf 只是温度的函数,当反应温度一定时

11、,可以由GT0值直接求出Kf值。不同温度的GT0 与Kf 值如下表温度KGT0J/molKf温度KGT0J/molKf273-29917527450623519064.458*10-5373-736710.84673639581.091*10-5473161661.695*10-3723759673.625*10-6523279251.629*10-2773880021.134*10-6573398922.316*10-4 结论:由上表中可以看出,随着温度的升高,自由焓GT0 增大,平衡常数变小,这就说明在低温下反应对甲醇合成有用。由一氧化碳加氢合成甲醇,是一个可逆反应 CO + 2 H2 C

12、H3OH(气) (1) 对反应有 KPPCH3OH /(PCO * PH22),式中PCH3OH PCO PH2 分别是CH3OH CO 及 H2 的分压;KNNCH3OH/ (NCO *NH22),式中NCH3OH NCO 及 NH2 分别是CH3OH、CO 及 H2 的摩尔分率; KY YCH3OH /( YCO *YH2 ),式中YCH3OH YCO 及YH2 分别为CH3OH、CO 及 H2 逸度。甲醇合成反应的平衡常数表:温度MPaYCH3OHYCOYH2KfKYKPKN20010.020.030.040.00.520.340.260.221.041.091.151.291.051.

13、081.131.181.909*10-20.4530.2920.1171.1304.21*10-26.53*10-210.8*10-214.67*10-24.20269723430010.020.030.040.00.760.600.470.401.041.081.131.201.041.071.111.152.42*10-40.6760.4860.3380.2523.58*10-44.97*10-47.15*10-49.60*10-43.5819.964.4153.640010.020.030.040.00.880.770.680.621.041.081.121.191.041.071.10

14、1.141.079*10-50.7820.6250.5020.4001.378*10-51.726*10-52.075*10-52.695*10-50.140.691.874.18 从表中可以看出不同温度下的平衡常数值,以及不同压力下的KP 和 KN 值,由表中KN 数据可以看出在同一温度下,压力越大KN 值越大,即甲醇平衡产率越高。在同一压力下,温度越高KN 值越小。所以从热力学观点来看,低温高压对甲醇合成有利。若反应温度高,则必须采用高压,才能有足够大的KN 值。降低反应温度,则所需的压力就可相应的降低。但是实际上还要考虑催化剂的活性温度及耐受程度。4.3副反应 一氧化碳加氢除了生成甲醇的

15、反应之外,还有下列几个副反应 2CO+4H2CH3OCH3+H2O CO+3H2CH4+H2O 4CO+8H2C4H9OH+3H2O CO2+ H2CO+H2O 此外还能生成少量的乙醇和甲醛 酮 脂 等副反应物,亦可能生成少量的FeCO5 。这些副反应的标准生成自由焓均比一氧化碳加氢合成甲醇的副反应小,说明了这些副反应在热力学上均比主反应有利,这就要求在选择甲醇合成催化剂时必须能抑制副反应的选择性好的催化剂,才能更好的进行甲醇合成反应。4.4.甲醇合成催化剂及反应条件4.4.1催化剂:合成催化剂最早使用的是Zn203 ?Cr203 该催化剂活性较低,所需反应温度高(380400),为了提高平衡

16、转化率,反应必须在高压下进行(高压法)。在60中期以后,开发了铜基催化剂,其活性很高,适宜的温度为230270,现在广泛用于低压甲醇合成。4.4.2反应条件。 为了提高合成甲醇的副反应,提高甲醇产率,除了选择适当的催化剂之外,选定适宜的反应条件是很重要。反应条件的主要的是温度、压力、空速及原料的组成。4.4.2.1反应温度及压力 反应温度影响反应活,取决于催化剂的活性,活性范围不同,最适宜温度的反应温度也不同。对ZnO-Cr2O3催化剂最适宜温度为380左右,而对CuO-ZnO-Al2O3最适宜温度为230270。最适宜温度与转化深度与催化剂的老化程度有关。为了使催化剂有较长的寿命,开始时宜采

17、用较低的温度,过一段时间再升至适宜温度。其后随着催化剂使用时间增长,反应温度也需相应提高。由于甲醇合成是强放热反应,反应热必须及时移出,否则会使催化剂温升过高,不仅会使副反应增加-主要是高级醇的生成。尤其是使用铜基本催化剂时,催化剂热稳定较差,因此严格控制反应温度及时有效的移走反应热是低压法合成甲醇的反应器设计和操作的关键问题。4.4.2.2空速的选择. 合成甲醇的空速大小影响选择性和转化率,直接关系到催化剂的生产能力和单位放热量。合适的空速与催化剂的活性和反应温度是密切相关的。接触时间长不适宜的,不仅有利于副反应进行,生成高级醇类,且催化剂的生产能力减低。高空速下进行操作可以提高合成塔的生产

18、能力,减少副反应,提高甲醇产品浓度。但高空速也有缺点,单程转化率小,甲醇浓度低,且增大了循环气通过床层的压降及动力消耗能耗高。一般选择8000NM3h-1 。第5章 6万吨甲醇合成装置物料和能量衡算5.1甲醇合成回路设计条件:5.1.1 进甲醇装置原料气量 27000NM3/ h5.1.2 进界区原料气的组成 %H2COCO2CH4N2 + ArH2S53.838.2.3.61.82.60.1PPM5.1.3 进界区原料气压力:5.2MPa 5.5 MPa5.1.4 原料气温度:40 5.1.5 原料气:循环气1:45.1.6 原料气耗: 300 0NM3/ t精甲醇5.1.7 粗甲醇中甲醇含

19、量 86.3% 其余基本为水5.1.8 日产精甲醇187.5T/天 7.8t/h5.1.9 循环气组成:依据工厂经验值范围取定 开车后48h后100%负荷H2COCO2CH4N2 + ArCH3OH+H2063.814.19.62.05.35.25.2合成系统物料衡算: 因本系统为循环系统,计算为简化计算, 因入塔的CH3OH+H20 0.6含量很少, 故可忽略不计入塔的甲醇和水 我们可认定经过醇分之后的循环气中甲醇含量极少 醇分离器的分离效率较高。 新鲜气量 20000NM3/h 循环气量 20000*480000NM3/h 入塔总气量新鲜气量+循环气量100000NM3/h 入塔气组成及流

20、量: CO 20000*0.382+80000*0.1527640+1216019800NM3/h CO2 20000*0.036+80000*0.096720 + 7680 8400 NM3/h H2 20000*0.538+80000*0.63810760+5104061800NM3/h CH4+Ar+N220000*0.018+80000*0.026360+20802440NM3/h 入塔气体组成流量:100000NM3/h COCO2H2CH4+Ar+N2198008400618002440 在合成塔内主要有两个生成甲醇的反应CO + 2 H2 CH3OH CO2 + 3 H2 CH3

21、OH+H2O 每小时精甲醇产量 7.8T/h粗甲醇含甲醇86.3% 则每小时生成粗甲醇7.8/0.8639t 每小时生成的水量 9*1-.8631.23 t 每小时生成水量为 1.23*1000/18 * 22.41531 每小时生成的精甲醇量7.8*1000/32 * 22.45460 则合成塔内反应生成的水为1531Nm3/h 生成的甲醇量为5460 设由CO参与反应的量为XCO2参与反应的量为Y CO + 2 H2 CH3OH X2X X CO2 + 3 H2 CH3OH+H2O Y 3Y Y Y 其中X+Y5460Nm3/h Y 1531 Nm3/h X5460-15313929 Nm

22、3/h 出塔气体组成及流量: CO19800-392915871 Nm3/h CO28400-15316869 Nm3/h H261800-2*3929+3*1531 49349 Nm3/h CH3OH5460 Nm3/h H2O1531 Nm3/h CH4+Ar+N2 2440Nm3/h 出塔总气量81520 Nm3/h出塔气体组成流量Nm3/hCOCO2H2CH3OHH2OCH4+Ar+N215871686949349546015312440出塔气体百分含量%COCO2H2CH3OHH2OCH4+Ar+N214.19.663.84.01.27.3醇分后气量总气量 74529Nm3/h CO

23、CO2H2CH4+Ar+N2158716869493492440醇分后气体百分含量%COCO2H2CH4+Ar+N214.19.663.87.3为维持系统惰性气体含量保持稳定计算驰放气排放量:系统惰性气体含量稳定的条件:惰性气体进料量惰性气体排放量系统进料量*新鲜气中惰性气体含量 驰放气排放量*驰放点物流惰性气体浓度20000*0.647%驰放气体排量*11.8%驰放气 1097 Nm3/h 5.3合成塔热量衡算条件:5.3.1 进合成塔物料表:入塔总气量100000Nm3/h COCO2H2CH4+Ar+N2198008400618002440出塔气体物料表: 出塔总气量231868.556

24、 COCO2H2CH3OHH2OCH4+Ar+N2158716869493495460153124405.3.2 将上表换算为kmol/h进塔气体流量 4464.286 kmol/h COCO2H2CH4 +Ar +N2883.9293752758.927108.928出塔气体流量3639.284kmol/h COCO2H2CH3OHH2OCH4+Ar +N2708.527306.6522203.08243.7568.347108.9285.3.3 进塔温度210出塔温度265 (工艺决定)5.3.4 汽包进水10t/h 进水温度905.3.5 进塔气压力5.2MPa出塔气压力约5.0 MPa

25、 合成塔压降0.2 MPa 工厂经验确定5.3.6 5.2 MPa 下 210 下 气体的比热容 查理化手册得 单位 Kcal/Kmol。COCO2H2N2ArCH47.28811.367.017.105.210.87出塔气体在265 下 5.0MPa 比热容 查理化手册得 单位kcal/kmol COCO2H2CH3OHH2OCH4+Ar+N2平均值7.3311.467.01518.31.016.03热量衡算任务:计算合成塔应该移走的热量,副产蒸汽量。 简析:在Lurgi管壳式合成塔内, 催化剂装在管内管外为沸腾水由于甲醇反应热很大, 为了维持反应在特定温度区间保持催化的活性,必须及时的将大

26、量反应热移走,这就要求反应器必须带有换热装置,本合成塔为副产蒸汽的合成塔,合成塔与塔外的汽包为一个整体 合成塔相当于一个废热锅炉,产生的中压蒸汽在汽包内进行气液分离,汽包内的锅炉给水靠自身重力与合成塔构成给水循环。因此在计算合成塔放热并副产蒸汽时,必须考虑锅炉给水带入的热量 。出塔热负荷进塔热负荷+反应放热 ? 塔外壁热损 ? 反应移去的热量热损取反应放3%进出塔的物料流量,比热容均已知 进出塔的显热计算公式:QG*CP混合*T 其中G为进出塔合成气流量CP混合 为混合气体的热容 T为进出塔温度 Q进 4464.286*7.288*0.152+11.36*0.088+7.01*0.653+7.

27、72*0.107*2104464.286*1.108+0.999+4.578+0.826*2104464.286*7.511*2107041562.9kcal/h2.95*107 kJ/hQ3639.284*7.33*0.141+11.46*0.096+7.015*0.638+0.04*18.3+1.01*0.012+6.03*0.073*265 3639.284*1.034+1.1+4.76+0.732+0.01+0.44*2653639.284*7.792*265 7514684.75 kcal/h 3.14*107 kJ/h 反应放热计算:查25标准摩尔生成焓 ,在 210265 5MP

28、a 下可以近似使用 因为反应热变化幅度很小 。CO + 2 H2 CH3OH H-110.53 -201.2 90.67kJ/molCO2 + 3 H2 CH3OH+H2O H -393.51-201.2-241.83 49.52 kJ/mol175.01*103*90.67+68.7*103*49.52 1.93*107 kJ/h管间沸腾水应移走的热量:Q移走 Q进 ? Q出 + Q反应放热 ? Q损 2.95*107 -3.14*107 + 1.93*107*0.971.68*107kJ/h汽包进水每小时10 t/h 温度 90 90水热焓 376.81kJ/kg锅炉给水带入汽包的热量10

29、*103*376.810.38*107 kJ/h副产蒸汽的热量1.68*107+0.38*1072.06*107 kJ/h副产4MPa 蒸汽 查表4MPa蒸汽的热焓2789.3kJ/mol可副产2.06*107 /2.789*1067.4/h 4MPa每生产一吨精甲醇可副产7.4/7.80.95吨4MPa中压蒸汽5. 4中间换热器热量衡算:5.4.1 中间换热器流量3639.284 kmol/h 组成流量表: 因为反应气在塔内换热无相变 进出口流量无变化 进口温度265 出口100 ,进出口均为气态水蒸气 。单位:kmol/hCOCO2H2CH3OHH2OCH4+Ar+N2708.527306

30、.6522203.05243.7568.347108.9285.4.2 进塔气体温度 210 出塔换热后温度100。进塔265气体热容表:单位kcal/kmol COCO2H2CH3OHH2OCH4+Ar+N2平均值7.3311.467.01518.31.016.03出塔100气体热容表:单位kcal/kmolCOCO2H2CH3OHH20CH4+Ar+N2平均值7.3311.3197.00.830.57.5进塔显热:Q进 GCP进 T 其中G为进出塔合成气流量CP进 为进塔反应后气体的平均热容T为进塔温度2653639.284*7.33*0.141+11.46*0.096+7.015*0.6

31、38+0.04*18.3+1.01*0.012+6.03* 0.073*2653639.284 *(1.034+1.1+4.476+0.732+0.01+0.44)*2653639*7.792*2657.5*106kcal/hQ出 G*CP进 *T 其中G为进出塔合成气流量CP出 为进塔反应后气体的平均热容 T为出塔温度1003639.284 *(7.33*0.141+11.319*0.096+7.0*0.638+0.83*0.04+0.5*0.012+7.5* 0.073)*1003639.254*7.174*1002.6*106 kcal/h中间换热器的热负荷:Q Q进 - Q出 7.5*106 kcal/h-2.6*106 kcal/h4.9*106 kcal/h第6章 结 论 通过以上工艺分析与工艺计算,以及物料、能量衡算,可知在工艺流程不变的情况下,增设一台压缩机,完全能够满足年产6万