年产20玩吨中压法合成甲醇.docx

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年产20玩吨中压法合成甲醇

呼伦贝尔学院本科生毕业论文

院系类别:

化学与化工与学院

专业:

化学工程与工艺

学生:

龙

班级:

2012级煤化工班

学号:

9

论文题目:

年产20万吨中压法甲醇合成工艺设计

学科方向:

化学工程与工艺（煤化工方向）

指导教师:

乌日娜

论文知识产权权属声明

本人在导师指导下所完成的学士学位论文及相关的研究成果，系在呼伦贝尔学院资助下的职务行为，知识产权归属呼伦贝尔学院与本人共有。

呼伦贝尔学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编本学位论文。

本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的成果时，署位仍然为呼伦贝尔学院。

允许论文被查阅和借阅以及申请专利。

本人授权呼伦贝尔学院。

呼伦贝尔学院

化学与化工学院学术委员会

年月日

学号论文作者签名：

指导教师签名：

年月日

化学与化工学院

毕业设计任务书

学生

龙

专业

化学工程与工艺

发题日期

2015年12月23日

设计期限

自2015年12月23日至2016年05月30日

指导老师

乌日娜

设计题目

年产20万吨中压法甲醇合成工艺设计

容：

（1）设计方案的选择

（2）工艺计算

（3）绘图

①物料流程图

②合成、精馏工段带控制点的工艺流程图

③设备一览表

（4）编写设计说明书

系主任签字

院长签字

摘要1

关键字1

一、甲醇简介1

1.1甲醇性质1

1.1.1其物理性质1

1.1.2其化学性质2

1.2甲醇的用途3

1.3甲醇产业的发展3

1.3.1世界甲醇工业的发展3

1.3.2我国甲醇工业发展3

1.4甲醇生产技术的发展3

1.4.1装置大型化4

1.4.2二次转化和自转化工艺4

1.4.3新甲醇反应器的合成技术4

1.4.4引入膜分离技术的反应技术4

1.4.5液相合成工艺4

二、甲醇的合成方法5

2.1常用的合成方法5

2.1.1高压法5

2.1.2低压法5

2.1.3中压法5

2.2甲醇的合成路线5

2.2.1常用的合成工艺5

2.2.2本设计的合成工艺7

2.3本设计的主要方法及原理7

2.4甲醇合成反应的化学平衡8

三、工艺计算10

3.1合成塔物料平衡计算10

3.2粗甲醇精馏的物料平衡计算16

3.2.1预塔的物料平衡16

3.2.2主塔的物料平衡计算18

3.3甲醇生产的能量平衡计算19

3.3.1合成塔能量计算19

3.3.2常压精馏塔能量衡算21

3.4主要设备计算及选型23

3.5常压精馏塔计算23

3.5.1精馏段24

3.5.2提馏段24

3.6初估塔径25

3.6.1精馏段25

3.6.2提馏段26

3.7理论板数的计算27

3.7.1各点的甲醇摩尔分数27

3.7.2处理能力28

3.7.3平均挥发度28

3.7.4求最小理论塔板数Nm28

3.7.5求最小回流比29

3.7.6际理论板数29

3.7.7计算板效率30

年产20万吨中压法甲醇合成工艺设计

摘要：

甲醇最早由木材和木质素干馏制得，所以俗称木醇，这是最简单得饱和脂肪族醇类得代表物。

甲醇是一种极重要的有机化工原料，也是一种燃料，是碳一化学的基础产品，在国民经济中占有十分重要的地位。

近年来，随着甲醇下属产品的开发，特别是甲醇燃料的推广应用，甲醇的需求大幅度上升。

关键字：

甲醇合成中压

一、甲醇简介

1.1甲醇性质

甲醇的化学式是CH3OH，是一中无色、透明、高度挥发、易燃的液体，略有酒精气味。

1.1.1其物理性质：

表1-1甲醇的物理性质

项目

单位

数值

沸点

℃

64.5-64.7

凝固点

℃

-97-97.8

闪点

℃

12（闭口）-16（开口）

自燃点

℃

473（空气）-461（氧气）

蒸汽压力（20℃）

Pa

11825

临界压力

MPa

7.95

临界温度

℃

240

燃烧热（25℃液体）

KJ/mol

726.55

蒸发潜热（64.7℃）

KJ/mol

35.3

液体热容（20-25℃）

KJ/mol·℃

2.51-2.53

气体热容（77℃）

KJ/mol·℃

1.63

爆炸上限

%

36.5

爆炸下限

%

6

最小点火能量

MJ

0.216

1.1.2其化学性质：

甲醇具有脂肪醇的化学性质，即可进行氧化、酯化、羰基化，氨化、脱水等反应。

甲醇裂解产生CO和H2，是制备CO和H2的重要化学方法。

（1）氧化反应：

甲醇在电解银催化剂上可被空气氧化成甲醛，是重要的工业制备甲醛的方法。

CH3OH+0.5O2→HCHO+H2O

甲醇完全燃烧时氧化成Co和HO，放出大量的热：

CH3OH+O→CO2+H2O△H=726.55kJ/mol

（2）酯化反应：

甲醇和硝酸作用生成硝酸甲酯

CH3OH+HNO3→CH3NO3+H2O

（3）羰基化反应：

甲醇和光气发生羰基化反应生成氯甲酸甲酯，进一步反应生成碳酸二甲酯：

CH3OH+COCl2→CH3OCOCl+HCl

CH3OCOCl+CH3OH→（CH3O）2CO

（4）胺化反应：

在压力5～20Mpa,温度370～420℃下，以活化氧化铝或分子筛催化剂，甲醇和氨发生反应生成一甲胺，二甲胺和三甲胺的混合物，经精馏分离可得一甲胺，二甲胺和三甲胺一甲胺，二甲胺和三甲胺产品。

CH3OH+NH3→CH3NH2+H2O

2CH3OH+NH3→（CH3）2NH+2H2O

3CH3OH+NH3→（CH3）3+3H2O

（5）脱水反应：

甲醇在高温和酸性催化剂如ZSM-5，r-Al2O3作用下分子间脱水生成二甲醚：

2CH3OH→（CH3）2O+H2O

（6）裂解反应：

在铜催化剂上，甲醇可裂解成CO和H2：

CH3OH→CO+H2

（7）氯化反应：

甲醇和氯化氢在Zn/ZrO催化剂上发生氯化反应生成一氯甲烷：

CH3OH+HCl→CH3Cl+H2O

氯甲烷和氯化氢在CuCl2/ZrO2催化剂作用下进一步发生氧氯化反应生成二氯甲烷和三氯甲烷。

CH3OH+HCl+0.5O2→CH2Cl2+H2O

CH3Cl2+HCl+0.5O2→CHCl3+H2O

（8）其他反应：

甲醇和苯在3.5MPa，350～380℃反应条件下，在催化剂的作用下可生成甲苯：

CH3OH+C6H6→C6H5CH3+H2O

1.2甲醇的用途

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。

1.3甲醇产业的发展

1.3.1世界甲醇工业的发展

总体上说，世界甲醇工业从90年代开始经历了1991-1998的供需平衡，1998-1999的供大于求，从2000年初至今的供求基本平衡三个基本阶段。

据NexantChenSystems公司的最新统计，全球2004年甲醇生产能力为4226.5万t/a

1.3.2我国甲醇工业发展

我国的甲醇工业经过十几年的发展，生产能力得到了很大提高。

1991年，我国的生产能力仅为70万吨，截止2004年底，我国甲醇产能已达740万吨，117家生产企业共生产甲醇440.65万吨，2005年甲醇产量达到500万吨，比2004年增长22.2%，进口量99.1万吨，因此下降3.1%。

1.4甲醇生产技术的发展

1.4.1装置大型化

于上世纪末相比，现在新建甲醇规模超过百万吨的已不再少数。

在2004——2008年新建的14套甲醇装置中平均规模为134万t/a，其中卡塔尔二期工程项目高达230万t/a。

最小规模的是智利甲醇项目，产能也达84万t/a，一些上世纪末还称得上经济规模的60万t/a装置因失去竞争力而纷纷关闭。

1.4.2二次转化和自转化工艺

合成气发生占甲醇装置总投资的50%—60%，所以许多工程公司将其视为技术改进重点。

已经形成的新工艺在主要是Syenetix（前ICI）的先进天然气加热炉转化工艺（AGHR）,Lurgi的组合转化工艺（CR）和Topse的自热转化工艺（ATR）

1.4.3新甲醇反应器的合成技术

大型甲醇生产装置必须具备与其规模相适应的甲醇反应器和反应技术。

传统甲醇合成反应器有ICI的冷激型反应器，Lungi的管壳式反应器，Topsdpe的径向流动反应器等，近期出现的新合成甲醇反应器有日本东洋工程的MRF--Z反应器等，而反应技术方面则出现了Lurgi推出的水冷一气冷相结合的新流程。

1.4.4引入膜分离技术的反应技术

通常的甲醇合成工艺中，未反应气体需循环返回反应器，而KPT则提出将未反应气体送往膜分离器，并将气体分为富含氢气的气体，前者作燃料用，后者返回反应器。

1.4.5液相合成工艺

传统甲醇合成采用气相工艺，不足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，导热系数大的长链烷烃化合物作反应介质，可使甲醇合成在等温条件下进行。

二、甲醇的合成方法

2.1常用的合成方法

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。

2.1.1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。

2.1.2低压法：

（5.0-8.0Mpa）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。

2.1.3中压法：

（9.8-12.0Mpa）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。

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，