产万吨煤制甲醇合成工段初步设计方案

1、目录第1章概述41.1甲醇性质41.2甲醇用途41.3甲醇生产工艺的发41. 4甲醇生产原料5第2章工艺流程设计62.1合成甲醇工艺的选择62.1.1甲醇合成塔的选择62.1.2催化剂的选用62.1.3合成工序工艺操作条件的确定与论证8第3章工艺流程103.1甲醇合成工艺流程10第4章工艺计算124.1物料衡算124.1.1合成工段134.2能量衡算184.2.1煤发电量184.2.2合成工段18第5章主要设备的计算和选型225.1甲醇合成塔的设计225.2水冷器的工艺设计255.3循环压缩机的选型285.4气化炉的选型285.5甲醇合成厂的主要设备一览表28第6章合成车间设计296.1厂房的

2、整体布置设计296.2合成车间设备布置的设计29第7章设计结果评价30参考文献31致谢32第1章概述11甲醇性质甲醇俗称木醇、木精，英文名为methanol，分子式CH3OH。是一种无色、 透明、易燃、有毒、易挥发的液体，略带酒精味；分子量 32.04，相对密度 0.7914(d420，蒸气相对密度1.11(空气=1,熔点-97.8C，沸点64.7C，闪点 开杯）16C ,自燃点473 C ,折射率（20C1.3287 ,表面张力25C ） 45.05mN/m，蒸气压20C） 12.265kPa,粘度20C） 0.5945mPas。能与水、乙 醇、乙醚、苯、酮类和大多数其他有机溶剂混溶。蒸气与

3、空气形成爆炸性混合 物，爆炸极限6.0%36.5 % 体积比）。化学性质较活泼，能发生氧化、酯 化、羰基化等化学反应。12甲醇用途甲醇是重要有机化工原料和优质燃料，广泛应用于精细化工，塑料，医 药，林产品加工等领域。甲醇主要用于生产甲醛，消耗量要占到甲醇总产量的 一半，甲醛则是生产各种合成树脂不可少的原料。用甲醇作甲基化试剂可生产 丙烯酸甲酯、对苯二甲酸二甲酯、甲胺、甲基苯胺、甲烷氯化物等；甲醇羰基 化可生产醋酸、醋酐、甲酸甲酯等重要有机合成中间体，它们是制造各种染 料、药品、农药、炸药、香料、喷漆的原料，目前用甲醇合成乙二醇、乙醛、乙醇也日益 受到重视。甲醇也是一种重要的有机溶剂，其溶解性能

4、优于乙醇，可用于调制 油漆。作为一种良好的萃取剂，甲醇在分析化学中可用于一些物质的分离。甲 醇还是一种很有前景的清洁能源，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；另外燃 料级甲醇用于供热和发电，也可达到环保要求。甲醇还可经生物发酵生成甲醇 蛋白，富含维生素和蛋白质，具有营养价值高而成本低的优点，用作饲料添加 剂，有着广阔的应用前景。13甲醇生产工艺的发展甲醇是醇类中最简单的一元醇。1661年英国化学家R.波义耳首先干馏后的 液体产物中发现甲醇，故甲醇俗称木精、木醇。在自然界只有某些树叶或果实 中含有少量的游离态甲醇，绝大多数以酯或醚

5、的形式存在。1857年法国的M贝 特洛在实验室用一氯甲烷在碱性溶液中水解也制得了甲醇。1923年德国BASF公司首先用合成气在高压下实现了甲醇的工业化生产，直 到1965年，这种高压法工艺是合成甲醇的唯一方法。1966年英国ICI公司开发了 低压法工艺，接着又开发了中压法工艺。1971年德国的Lurg i公司相继开发了适 用于天然气一渣油为原料的低压法工艺。由于低压法比高压法在能耗、装置建 设和单系列反应器生产能力方面具有明显的优越性，所以从70年代中期起，国 外新建装置大多采用低压法工艺。世界上典型的甲醇合成工艺主要有ICI工艺、 Lurgi工艺和三菱瓦斯化学公司（MCC工艺。目前，国外的液

6、相甲醇合成新工艺 具有投资省、热效率高、生产成本低的显著优点，尤其是LPMEOHTM工艺， 采用浆态反应器，特别适用于用现代气流床煤气化炉生产的低H2 / （CO+CO2 比的原料气，在价格上能够与天然气原料竞争。我国的甲醇生产始于1957年，50年代在吉林、兰州和太原等地建成了以煤 或焦炭为原料来生产甲醇的装置。60年代建成了一批中小型装置，并在合成氨 工业的基础上开发了联产法生产甲醇的工艺。70年代四川维尼纶厂引进了一套 以乙炔尾气为原料的95kt/a低压法装置，采用英国1。1技术。1995年12月，由化工部第八设计院和上海 化工设计院联合设计的200kt/a甲醇生产装置在上海太平洋化工公

7、司顺利投产，标志着我国甲醇生产技术向 大型化和国产化迈出了新的一步。2000年，杭州林达公司开发了拥有完全自主 知识产权的JW低压均温甲醇合成塔技术，打破长期来被ICI、Lurgi等国外少数 公司所垄断拥的局面，并在2004年获得国家技术发明二等奖。2005年，该技术 成功应用于国内首家焦炉气制甲醇装置上。1. 4甲醇生产原料合成甲醇的工业生产是以固体 如煤、焦炭）、液体 如原油、重油、轻油 ）或气体 如天然气及其它可燃性气体）为原料，经造气、净化 脱硫）变换， 除二氧化碳，配制成一定配比的合成气。在不同的催化剂存在下，选用不同的 工艺条件可单产甲醇 分高、中、低压法），或与合成氨联产甲醇 甲

8、醇合成 甲醇精馏图1煤制甲醇的简单工艺流程首先是采用GSP气化工艺将原料煤气化为合成气；然后通过变换和NHD脱 硫脱碳工艺将合成气转化为满足甲醇合成条件的原料气；第三步就是甲醇的合 成，将原料气加压到5.14Mpa，加温0225C后输入列管式等温反应器，在XNC- 98型催化剂的作用下合成甲醇，生成的粗甲醇送入精馏塔精馏，得到精甲醇。 然后利用三塔精馏工艺将粗甲醇精制得到精甲醇。2.1合成甲醇工艺的选择甲醇合成的典型工艺主要是：低压工艺1。1低压工艺、Lurgi低压工艺）、 中压工艺、高压工艺。甲醇合成工艺中最重要的工序是甲醇的合成，其关键技 术是合成甲醇催化剂的和反应器，设计采用用的是低压合

9、成工艺。2.1.1甲醇合成塔的选择目前，国内外的大型甲醇合成塔塔型较多，归纳起来可分为五种：1）冷激式合成塔2）冷管式合成塔3）水管式合成塔4）固定管板列管合成塔5）多床内换热式合成塔综上所述和借鉴大型甲醇合成企业的经验，大型装置不宜选用激冷式和 冷管式），设计选用固定管板列管合成塔。这种塔内甲醇合成反应接近最佳温 度操作线，反应热利用率高，虽然设备复杂、投资高，但是由于这种塔在国内 外使用较多，具有丰富的管理和维修经验，技术也较容易得到；外加考虑到设 计的是年产20万吨的甲醇合成塔 日产量为650吨左右），塔的塔径和管板的厚 度不会很大，费用也不会很高，所以本设计采用了固定管板列管合成塔。2

10、.1.2催化剂的选用。通过操作条件的对比分析，可知使用铜基催化剂可大幅度节省 投资费用和操作费用，降低成本。随着脱硫技术的发展，使用铜基催化剂己成 为甲醇合成工业的主要方向，锌基催化剂已于80年代中期淘汰。表1国内外常用铜基催化剂特性对比10催化剂型号组分/%操作条件CuOZnOA12O3压力/MPa温度/C英国 ICI 51-36030107.8-11.8190 270德国LG104513244.9210 240美国C 79-2-1.5-11.7220330丹麦LMK4010-9.8220270中国C302系列513245.0-10.0210280中国XCN-98522085.010.020

11、0290从表的对比可以看出，国产催化剂的铜含量已提50%以上。制备工艺合理，使该催化剂的活性、选择性、使用寿命和机械强度均达到国外同类催化剂的 先进水平，并且价格较低。mm径向抗压强度：200N/cm催化剂活性和寿命：在该催化剂质量检验规定的活性检测条件下，其活性为：230C时：催化剂的时空收率1.20 kg/(L.h250 C时：催化剂的时空收率1.55 kg/(L.h在正常情况下，使用寿命为2年以上。2.1.3合成工序工艺操作条件的确定与论证1）操作温度甲醇合成催化床层的操作温度主要是由催化剂的活性温度区决定的。设计中 采用的甲醇合成催化剂为国产的铜系XCN-98,由它的性质可知：适合使用

12、的温度范围为200290C。2）操作压力近年来普遍使用的铜基甲醇合成催化剂，其活性温度范围在200300C, 有较高的活性，对于规模小于30万吨/a的工厂，操作压力一般可降为5Mpa左右 ;对于超大型的甲醇装置，为了减少设备尺寸，合成系统的操作压力可以升至1 0Mpa左右。设采用的是低压法 入塔压强为5.14MPa）合成甲醇。3）气体组成对于甲醇合成原料气，即合成工序的新鲜气，应维持f=2.102.15,并保持一定的CO2。由于新鲜气中略大于2,而反应过程中氢与一氧化碳、二氧化碳的化学计量 比分别为2:1和3:1，因此循环气中远大于2。合成塔中氢气过量，对减少副反应是有利的。甲醇合成过程中，需

13、要一定的二氧化碳存在以保持催化剂的高活性。一般不 超过5%。4）空速：空速不仅是一个和合成回路气体循环量相关联的工艺控制参数，也是一个 影响综合经济效益的变量。甲醇合成过程中，首先甲醇合成塔内的气体空速必 须满足催化剂的使用要求，国产铜基催化剂，一般要求气体空速在800020000 h-1之间。空速过低，结炭等副反应加剧，空速过高，系统阻力加大或合成系统投 资加大，能耗增加，催化剂的更换周期缩短。空速的选择需要根据每一种催化粗甲醇 驰放气图2 3 Luigi低压法甲醇合成工艺流种L透平压缩机z N.热交换器3锅炉水预热器4.水冷却器5.甲醇合成塔6.泡汽包7甲帷分离器 8.粗甲醇贮槽第3章工艺

14、流程3.1甲醇合成工艺流程来自脱碳装置的新鲜气40C,3.4MPa）与循环气一起经甲醇合成气压缩机C7001）压缩至5.14MPa后，经过入塔气预热器E7001）加热到225C，进入 甲醇合成塔R7001）内，甲醇合成气在催化剂作用下发生如下反应：CO + 2H2 = CH3OH + QCO2 + 3H2 = CH3OH + H2O + Q甲醇合成塔R7001）为列管式等温反应器，管内装有XNC- 98型甲醇合成催化剂，管外为沸腾锅炉水。反应放出大量的热，通过列管管壁传给锅炉水，产生大量中压蒸汽3.9MP a饱和蒸汽），减压后送至蒸汽管网。副产蒸汽确保了甲醇合成塔内反应趋于恒 定，且反应温度也

15、可通过副产蒸汽的压力来调节。甲醇合成塔R7001）出来的合成气255C，4.9MPa），经入塔气预热器 E7001），甲醇水冷器E7002A，8），进入甲醇分离器V7002），粗甲醇在此 被分离。分离出的粗甲醇进入甲醇膨胀槽V7003），被减压至0.4MPa后送至精 馏装置。甲醇分离器V7002 ）分离出的混合气与新鲜气按一定比例混合后升压 送至甲醇合成塔R7001）继续进行合成反应。从甲醇分离器V7002 ）出来的循环气在加压前排放一部分弛放气，以保持 整个循环回路惰性气体恒定。弛放气减压后去燃气发电系统；甲醇膨胀槽V70 03）顶部排出的膨胀气去燃料气系统。合格的锅炉给水来自变换装置；循环

16、冷却水来自界区外部。汽包V7001）排污，经排污膨胀槽V7006）膨胀减压后就地排放。第4章工艺计算4.1物料衡算工厂设计为年产精甲醇30万吨，开工时间为每年330天，采用连续操作， 则每小时精甲醇的产量为37.88吨，即37.88t/h。精馏工段通过三塔高效精馏工艺，精甲醇的纯度可达到99.9%，符合精甲醇国家一级 标准。三塔精馏工艺中甲醇的收率达97%。则入预精馏塔的粗甲醇中甲醇量37.8 8 / 0.97=39.05t/h。由粗甲醇的组成通过计算可得下表：表2粗甲醇组成组分百分比产量甲醇93.40%1220.31kmol/h 即 27335m3/h二甲醚0.42%3.82kmol/h 艮

17、fl 85.51m3/h高级醇 以异醇计）0.26%1.45kmol/h 艮四2.90 m3/h高级烷烃 以辛烷计）0.32%0.57kmol/h 艮P17.81m3/h水5.6%130.07kmol/h 即 2913.69m3/h粗甲醇100%41.81t/h注；设计中的体积都为标准状态下计算方法：粗甲醇=39.05 / 0.9340 = 41.81 t/h二甲醚=41.81x0.42% = 175.602 kg/h 即3.82 kmol/h , 85.51m3/h高级醇 以异丁醇计)=41.81x0.26%=108.71kg/h即 1.45kmol/h , 32.90m3/h高级烷烃以辛烷

18、计)=41.81x0.32% = 133.79 kg/h 即0.57kmol/h, 12.81m3/h水=41.81x5.6% = 2341.36kg/h 即 130.07kmol/h, 2913.69m3/h4.1.2合成工段1)合成塔中发生的反应：主反应 CO+2H2=CH3OH1)CO2+3H2=CH3OH +H2O2)副反应 2CO+4H2=CH3O) 2+H2O3)CO+3H2=CH4+H2O4)4CO+8H2=C4H9OH+3H2O5)8CO+17H2=C18H18+8H2O6)CO2+H2=CO+H2O7)2）工业生产中测得低压时，每生产一吨粗甲醇就会产生1.52m3标态）的甲烷

19、，即设计中每小时甲烷产量为3.97 kmol/h，63.55m3/h。由于甲醇入塔气中水含量很少，忽略入塔气带入的水。由反应3）、4）、5）、6）得出反应2）、7）生成的水分为；130.07 3.97 3.821.45x3 0.57x8 =113.37 kmol/h由于合成反应中甲醇主要由一氧化碳合成，二氧化碳主要发生逆变反应生成一 氧化碳，且入塔气中二氧化碳的含量一般不超过5%，所以计算中忽略反应2） 。则反应7）中二氧化碳生成了 113.37kmol/h，即2539.49m3/h的水和一氧化碳。3）粗甲醇中的溶解气体量粗甲醇中气体溶解量查表5Mpa、40C时，每一吨粗甲醇中溶解其他组成如下

20、表1吨粗甲醇中合成气溶解情况气体H2COCO2N2ArCH4溶解量m3/t粗甲醇)4.3640.8157.7800.3650.2431.680则粗甲醇中的溶解气体量为：H2 = 41.81x4.364 =182.46 m3/h即 8.15kmol/hCO= 41.81x0.815=34.07 m3/h即 1.52kmol/hCO2= 41.81x7.780=325.28 m3/h艮 P14.52kmol/hN2= 41.81x0.365= 15.26m3/h即 0.68kmol/Ar = 41.81x0.243=10.16 m3/h即 0.45kmol/hCH4 = 41.81x1.680=

21、70.24m3/h即 3.13kmol/h4）粗甲醇中甲醇扩散损失40C时，液体甲醇中释放的溶解气中,每立方M含有37014g的甲醇，假设减压后液 相中除二甲醚外，其他气体全部释放出，则甲醇扩散损失G =182.46+34.07+325.28+15.26+10.16+70.24） x0.03714=23.67kg/h即 0.74kmol/h, 16.57m3/h5）合成反应中各气体的消耗和生成情况表4弛放气组成气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4组成0.61%81.82%9.16%3.11%3.21%0.82%1.89%表5合成反应中消耗原料情况消耗项单位消耗原料气组分COCO2H_2A

22、r反应1)m3/h2733554670反应3)m3/h171.02342.04反应4)m3/h63.55190.65反应5)m3/h131.60262.32反应6)m3/h102.48217.77反应7)m3/h2539.49)2539.492539.49注：括号内的为生成量；反应1 )项不包括扩散甲醇和弛放气中甲醇消耗的原 料气量表6合成反应中生成物情况生成项单位生成物组分CH4CH3OHCH3O)2C4H9OHC18H18H2O反应1)m3/h27335反应3)m3/h85.5185.51反应4)m3/h63.5563.55反应5)m3/h32.9098.70反应6)m3/h17.8114

23、2.48反应7)m3/h2539.49表7其他情况原料气消耗消耗项单 位消耗原料气组分COCO2_H2_N2ArCH4粗甲醇中溶 解m3/h34.07325.28182.4615.2610.1670.24扩散的甲醇m3/h16.5733.14弛放气m3/h9.16% xG3.11%xG81.20%xG3.21%xG0.82% xG1.89%xG驰放气中甲m3/h0.61%1.22%醇xGxG注：G为驰放气的量，m3/h。6）新鲜气和弛放气气量的确定CO的各项消耗总和=新鲜气中CO的量，艮口27335+171.02+63.55+131.60+102.4-2539.49+34.07+16.57+0

24、.61%G+9.16%G=25314.72+9.77%G同理原料气中其他各气体的量=该气体的各项消耗总和，由此可得新鲜气体中各气体 流量，如下表：鲜3气/h新鲜气中惰性气体n2+Ar)百分比保持在0.42%，反应过程中惰性气体的量保持不变，N2+ Ar)=25.42+4.03%G，贝Q86649.47+1.0183G=25.42+4.03%G)/0.42%解得G=9396.95m3/h，即弛放气的量为9396.95m3/h，由G可得到新鲜气的量96218.38m3/h由弛放气的组成可得出下表表9弛放气组成气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4组成0.61%81.82%9.16%3.11%3

25、.21%0.82%1.89%气量m3/h57.327688.58860.76292.24301.6477.05177.60表10新鲜气组成气体CH4HCOCO2N2Ar组成0.19%68.81%27.07%3.45%0.33%0.09%气量m3/h182.8166207.8726046.313319.53317.5286.597)循环气气量的确定G1 =G 3+G4+G5+G6-G7-G8式中：G1为出塔气气量；G 3新鲜气气量；G4循环气气量；G5主反应生成气量；G6副反应生成气量；g7主反应消耗气量；g8副反应消耗气量；G5= 27335+171.02+0.61%x9396.95=2756

26、3.34m3/hG6= 85.51+85.51+63.55+63.55+32.90+98.70+17.8+142.48+2539.49+2539.49 =5668.89 m3/hG7=27335+54670+171.02+342.04+0.61%x9396.95x3=82347.98 m3/hG8=171.02+342.04+63.55+190.65+131.60+262.32+102.48+217.77+2539.49+2539.4 9=65604.41 m3/h已知出塔气中甲醇含量为5.84%,贝QG4x0.61%+9396.95x0.61%+27335+171.02) / G1=0.05

27、84解得 G4= 547683.36m3/hG1=529181.58 m3/h表11循环气组成气体CH3OH H 2COCO2 N2 Ar CH4组成0.61% 81.82% 9.16% 3.11% 3.21% 0.82% 1.89%气量 m3/h 3228 432976.36 48473.03 16457.54 16986.72 4331.08 10001.538)循环比，CO及CO2单程转化率的确定循环比 R= G4/G 3 =547683.36/96218.38=5.699)入塔气和出塔气组成G1 =G 3+G4+G5+G6 G7 G8=529181.58m3/h=23624.18 km

28、ol/hG2= G3+G4 =643901.74m3/h= 28745.61kmol/h G2 为入塔气气量表12入塔气组成气体 CH3OH H2 CO CO2 N2 ArCH4组成 0.06%气 m3/h量 kmol/h79.11% 12.18% 3.17% 2.72%74519.343326.750.70% 1.60%表13出塔气组成气体H2COCO2N2Arch3oh组成 76.29%气m3/h量 kmol/h8.61%2.93%3.02%0.77% 5.84%气体CH4ch3o)2C4H9OHC18H18H2O组成 1.79% 0.018%0.007%0.006% 0.62%气m3/h

29、量 kmol/h计算过程:入塔气COW循环气中CO+新鲜气中CO艮 P48473.03 +26046.31=74519.34 m3/h同理可得其他气体气量。出塔气中CO=入塔气中CO 一反应消耗的CO+反应中生成的CO艮 FI74519.3427335 171.0263.55 131.60102.48 16.579396.95x0.61%+2539.49=49181.28m3/h同理可得其它气体量10)甲醇分离器出口气体组成的确定分离器出口气体组分=循环气气体组分+弛放气气体组分；则分离器出口气体中CO 气量=循环气中 CO+弛放气中 C O=48473.03+860.76=49333.79m

30、3/h即2202.40kmol/h ；同理可算的其他气体的气量。表14分离器出口气体组成气体 CH3OH H2 CO CO2N2ArCH4组成 0.61% 81.82% 9.16% 3.11% 3.21% 0.82% 1.89%气 m3/h49333.79量 kmol/h4.2能量衡算合成塔的热平衡计算计算公式全塔热平衡方程式为：ZQ1 + ZQr = SQ2 + ZQ3+ Q 1)式中：Q1入塔气各气体组分焓，kJ/h；Qr 合成反应和副反应的反应热，kJ/h；Q2 出塔气各气体组分焓，kJ/h；Q3合成塔热损失，kJ/h；Q沸腾水吸收热量，kJ/h。ZQ1=ZG1xCm1xTm1)2)式中

31、：G1入塔气各组分流量，m3/h；Cm1入塔各组分的比热容，kJ/m3.k)；Tm1入塔气体温度，k；ZQ2=ZG2xCm2xTm2)3)式中：G2出塔气各组分流量m3/h；Cm2 出塔各组分的热容，kJ/m3.k)；Tm2出塔气体温度，k；ZQr= Qr1 +Qr2 +Qr3+ Qr4+ Qr5 +Qr6+ Qr74)l 式中：Qr1、Qr2、Qr3、Qr4、Qr5、Qr6、分别为甲醇、二甲醚、异丁醇、甲烷、辛烷的生成热，kJ/h；Qr7二氧化碳逆变反应的反应热，kJ/hQr=GrxAH5)式中：Gr各组分生成量，kmol/h ；H生成反应的热量变化，kJ/mol入塔热量计算通过计算可以得到

32、5.14Mpa，225C时各入塔气气体的热容，根据入塔气各气 体组分量，算的甲醇合成塔入塔热量如下表：表15甲醇合成塔入塔热量气体CH3OH H 2 CO CO2N2Ar CH4热容 kJ/kmol.k) 67.04 29.54 29.88 44.18 29.47 25.16 46.82 气量 kmol /h13.3218477.122844.96739.86636.21162.81374.49入塔热量 kJ/h.k) 595.32 363876.08 56673.92 21791.34 12499.40 2731.86 11689.08 入塔热量合计为479856.00 kJ/生成的热量，按

33、反应(1 (3 (4 (5 (6 (7生 成的热量如下表：表16甲醇合成塔内反应热气体CHQH ( CH OC H OH C HI CH CO33249884生成热 kJ/mol 102.3749.62 200.39 957.98115.6942.92生成量 kmol /h 1220.253.811.471.14130.08109.56反应热 kJ/h 124916992.5189052.2 294573.31092097.215048955.24701156.8 反应热合计=136840513.6 kJ/h塔出口气体总热量计算表17甲醇合成塔出塔气体组分热容和热量气体 H2 COCO2N2A

34、rCH3OH热容 29.5630.0145.0429.6125.1672.05气量 kmol/h 16085.41815.06618.36636.21162.811232.16 出塔热量kJ/h.k)475484.42454469.9506 27850.9344 18838.17814096.299692473.608气体CH4vCHO)2 C4H9OH C18H18 H2O合计热容48.14 18.0319.23101.7336.25气量 kmol/h 377.28 3.811.471.14130.02出塔热量kJ/x4%=(358560399.6+136840513.6x4%=19816036.528 kJ/h沸腾水吸收热量的确定由公式(1可得 Q=ZQ + ZQr -Z Q2-ZQ3=102652762.41 kJ/h2)塔气换热器的热量计算入换热器的被加热气体热量的确定表19入换热器被加热气体各组分热容和显热气体CH3OH H 2 COCO2N2ArCH4热容kJ/kmol.k) 95.87 29.25 29.44 38.47 29.47 25.18 39.66气量 kmol /h13.3218477.122844.96 493.24 636.21162.81374.49热量 kJ/h.k) 1276.9884540455.7683755.6224