年产50万吨煤制甲醇生产的工艺设计_毕业设计.doc

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北京理工大学珠海学院2013届本科生毕业设计

年产50万吨煤制甲醇生产的工艺设计

诚信承诺书

本人郑重承诺：

我所呈交的课程设计《年产50万吨煤制甲醇生产的工艺设计》是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，论文使用的数据真实可靠。

承诺人签名：

日期：

年月日

年产50万吨煤制甲醇生产的工艺设计

摘要

煤制甲醇生产工艺是一种以煤为原料进行甲醇生产的工艺流程。

在国际原油价格不断攀升的环境下，甲醇作为多种有机产品的基本原料和重要溶剂，受到众多投资者的关注。

通过查阅资料及分析，采用德国Lurgi公司开发的低压合成法，以煤作为原料，进行年产50万吨的甲醇生产的工艺设计，包括原料气的制备、合成工艺设计以及粗产品的精制工艺设计。

同时，参考相关的资料和标准对合成工段和精馏工段的设备和管道进行了合理布局，并编制了设备一览表，物料流程图，工艺管道及仪表流程图，设备平面布置图。

关键词：

甲醇；低压法；合成工艺；精制工艺

Anannualoutputof500,000tonsofcoaltomethanol

Productionprocessdesign

Abstract

Methanolproductionprocessisacoalasfeedstockformethanolproductionprocess.

Methanolasthebasicrawmaterialofavarietyoforganicproductsandanimportantsolventintheenvironmentofrisinginternationalcrudeoilprice,subjecttotheattentionofmanyinvestors.

Throughaccesstoinformationandanalysis,usingGermanLurgicompanyhasdevelopedalow-pressuresynthesis,usingcoalasrawmaterial,andanannualoutputof500,000tonsofmethanolproductionprocessdesign,inducingthepreparationofthefeedgas,thesynthesisprocessdesign,andthecrudeproductwaspurifiedprocessdesign.Thesametime,referenceinformationandstandardrationaldistributionofthesynthesissectionanddistillationequipmentandpipingsection,andtopreparealistofequipment,materialflowchart,processpipingandinstrumentationdiagrams,equipmentlayoutplan.

Keywords:

Methanol;Low-pressuremethod;Synthesisprocess;Refiningprocess

目录

1前言 1

1.1合成甲醇的发展历程 1

1.2合成甲醇的重要性 1

1.3国内外甲醇的生产和供需概况 2

1.3.1国外甲醇的生产和供需概况 2

1.3.2国内甲醇的生产和供需概况 3

1.4甲醇的生产方法 4

1.5甲醇的生产规模 6

1.6粗甲醇的精制原理 6

1.6.1粗甲醇的组成 6

1.6.2粗甲醇中杂质的分类 7

1.6.3精甲醇的质量标准 8

1.7几种典型的甲醇精制工艺流程 9

2甲醇合成催化剂及合成工艺选择 12

2.1催化剂选择 12

2.2反应温度 12

2.3反应压力 13

2.4气体组成 13

2.5空速 13

3原料气的制取工艺 15

3.1煤的选用 15

3.2气化工艺 15

3.3原料气的变换 17

3.4脱硫脱碳工艺 18

3.5合成工艺流程 20

3.6精馏方案选择 21

4物料衡算 22

4.1合成过程的反应方程 22

4.2合成塔物料衡算 22

4.3合成反应中各气体消耗和生产量 23

4.4新鲜气和驰放气量的确定 24

4.5循环气气量的确定 25

4.6入塔气和出塔气组成 26

4.7甲醇分离器出口气体组成 28

4.8贮罐气组成 29

5热量衡算 31

5.1合成塔热量衡算相关计算式 31

5.1.1合成塔入塔热量计算 31

5.1.2合成塔的反应热 32

5.1.3合成塔出塔热量计算 32

5.2合成塔热量损失 33

5.3蒸汽吸收的热量 33

5.4合成气换热器的热量衡算 34

5.4.1合成气入换热器的热量 34

5.4.2合成气出换热器的热量 34

5.5换热器的热量衡算 34

5.5.1入换热器的出合成塔气热量 34

5.5.2出换热器的出合成塔气热量 35

5.6水冷器的热量衡算 35

5.6.1入水冷器的热量 35

5.6.2出水冷器的热量 35

5.6.3冷却水的用量 36

5.7甲醇分离器的热量衡算 36

6合成工段的设备选型 37

6.1催化剂的使用量 37

6.2合成塔的设计 37

6.2.1换热面积的确定 37

6.2.2换热管数的确定 37

6.2.3合成塔直径 38

6.2.4合成塔的壁厚设计 38

6.2.5壳体设计液压强度校核 38

6.2.6合成塔封头设计 39

6.2.7折流板和管板的选择及设计 39

6.2.8支座 39

6.3合成气进塔换热器的选型 39

6.4水冷器的选型 43

6.5汽包的选型 44

6.6加热器的选型 44

6.7分离器的设计 45

6.8合成气压缩机选型 45

6.9出塔气离心泵 45

6.10冷却水离心泵 46

6.11粗产品泵 46

7甲醇精馏工段的设计 47

7.1预精馏塔的设计 47

7.1.1进料组成 47

7.1.2加碱量的计算 47

7.1.3清晰分割法取出二甲醚 48

7.1.4预精馏塔塔釜温度计算 49

7.1.5理论板数的计算 49

7.2加压精馏塔设计 50

7.2.1清晰分割法分离物系 50

7.2.2塔顶、进料、塔釜温度计算 51

7.2.3回流比及理论板数计算 52

7.3加压精馏塔工艺尺寸设计 53

7.3.1平均摩尔质量、密度、表面张力计算 53

7.3.2精馏段塔径设计 55

7.3.3提馏段塔径设计 55

7.3.4塔板工艺尺寸计算 56

7.3.5热量衡算 59

7.4常压精馏塔设计 61

7.4.1清晰分割法分离物系 61

7.4.2塔顶、进料、塔釜温度计算 62

7.4.3回流比及理论板数计算 63

7.5常压精馏塔工艺尺寸设计 64

7.5.1平均摩尔质量、密度、表面张力计算 64

7.5.2精馏段塔径设计 65

7.5.3提馏段塔径设计 66

7.5.4精馏段塔板工艺尺寸计算 67

7.5.5精馏段塔板负荷性能图 69

7.5.6提馏段塔板工艺尺寸计算 71

7.5.7提馏段塔板负荷性能图 74

7.6热量衡算 76

8安全技术与环境保护 79

8.1有毒物质的预防 79

8.1.1甲醇中毒的应急处理 79

8.1.2二甲醚中毒的应急处理 79

8.1.3一氧化碳中毒的应急处理 79

8.1.4硫化氢中毒的应急处理 79

8.2甲醇的贮藏 80

9总结 81

参考文献 82

符号说明 83

谢辞 86

附录 87

VI

1前言

甲醇，是一种有酒精气味的易挥发的无色液体，有毒，燃烧时无烟，有蓝色火焰，能与水、乙醇、乙醚等有机溶剂互溶，能与多种化合物形成共沸混合物，能与多种化合物形成溶剂混溶。

因为它最早是由木材和木质素干馏制得，所以又称“木醇”或“木精”,分子式CH3OH,是饱和醇中最简单的一元醇[1]。

自然界中游离态甲醇很少见，但在许多植物油脂，天然染料，生物碱中却有它的衍生物。

在不同的催化剂存在下，选用不同的工艺条件，生产甲醇可以采用单产甲醇（分高压法、低压和中压）或与合成氨联产甲醇（联醇法[2]）。

1.1合成甲醇的发展历程

甲醇作为多种有机产品的基本原料和重要溶剂，广泛用于有机合成、染料、医药、涂料和国防等工业,生产规模日益增大，消费范围也不断扩大。

20世纪30年代，甲醇几乎全部由木材蒸馏制得，世界甲醇产量约4.5万吨。

1923年，德国巴登苯胺-纯碱公司试验用CO和H2，在300-400℃和30-50MPa的条件下，通过锌铬催化剂的作用下合成甲醇，并于当年首先实现甲醇合成的工业化，简称年产300t甲醇的高压合成法装置，至20世纪60年代，此法一直被引用。

1966年英国帝国化学工业公司（I.C.I）研制成功铜基催化剂，并开发了低压合成工艺，及I.C.I工艺。

1971年，德国鲁奇公司开发另一种低压合成甲醇的工艺，简称Lurgi工艺。

20世纪70年代中期以后，世界上新建和扩建的甲醇装置几乎都采用低压合成工艺。

50多年来，低压法合成甲醇的工艺几乎成为工业生产甲醇的唯一方法，生产工艺也不断改善。

随着技术的不断完善以及新工艺的不断革新，合成甲醇的原料也逐渐拓宽。

根据原料的不同，合成甲醇的方法有多种，早期的木材或木质素干馏法制甲醇的方法，今天在工业上已经被淘汰。

工业合成甲醇常用的方法有甲烷部分氧化法制甲醇和一氧化碳、二氧化碳加压催化氢化制取甲醇的方法。

后者在现今的工业上应用较广泛，国外对前者的研究一直没有间断[3]，是一个很有工业前途的制取甲醇的方法。

甲醇工业的迅速发展，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。

1.2合成甲醇的重要性

甲醇是一种重要的化工产品，有很多用途，它是生产塑料、合成橡胶、农药、医药和染料的原料。

甲醇大量用于生产甲醛和对苯二甲酸二甲酯；以甲醇为原料经羰化反应直接合成醋酸也已经工业化，。

ICI公司生产的甲醇蛋白商品名为“Pruteen”。

“Pruteen”产品中含有72％的粗蛋白，蛋氨酸和赖氨酸含量与鱼粉非常相近，作为富含热量、维生素、矿物质及高蛋白的饲料在市场上销售[4，5，6]。

为了解决石油资源不足的问题，许多国家正研究充分利用煤和天然气资源，发展合成甲醇工业，以甲醇代替燃料或进一步合成汽油，也可以从甲醇出发合成乙醇，然后进行乙醇脱水生产乙烯，以替代石油生产乙烯的原料路线，或从甲醇直接制取乙烯、丙烯等低级烯烃[7，8，9]。

近年来，我国甲醇需求增长平稳，一部分来自于传统应用领域，如甲醛生产等，而新应用领域如醋酸及MTBE等则支撑着甲醇需求的增长。

广义地说，甲醇应用可分为