【正文】 年產(chǎn) 15 萬(wàn)噸甲醇合成工藝的設(shè)計(jì) 摘要 :甲醇（ Methanol）又名木醇，木酒精，甲基氫氧化物，是一種最 簡(jiǎn)單的飽 和醇，化學(xué)式為 CH4 O。甲醇是由煤氣化或天然氣轉(zhuǎn)化生成合成氣合成的化工產(chǎn)品，它既是一種重要的、需求量巨大的基本有機(jī)化工原料，也是一種新型的清潔能源。甲醇應(yīng)用 逐漸擴(kuò)展到石油替代領(lǐng)域，圍繞甲醇產(chǎn)品開(kāi)發(fā)出了烯烴等新的替代石油產(chǎn)品。 本設(shè)計(jì)是以煤為原料生產(chǎn)甲醇，合成塔選用 Lurgi 低壓甲醇合成塔。此塔形似列管式換熱器，在塔內(nèi)列管中裝填催化劑，管間為沸騰水，原料氣進(jìn)入塔內(nèi)列管中發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)； 由要求的年產(chǎn)量，計(jì)算合成塔物料衡算、熱量衡算、相關(guān)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)估算或?qū)嶒?yàn)資料， 經(jīng)由計(jì)算分析確定各個(gè)設(shè)備的技術(shù)參型。 通過(guò)熱量衡算，可知甲醇合成塔中放熱量。通過(guò)對(duì)主體設(shè)備甲醇合成塔的設(shè)計(jì)計(jì)算，確定殼體直徑 2500mm，厚度為 23mm。 合成塔 內(nèi) 列管尺寸 ?? ,總數(shù)目 2687,管長(zhǎng) 9000mm, 管子分布采用正三角形排列 關(guān)鍵詞 ：甲醇 ； 低壓法 ； 合成塔 ； 衡算 II The Design of Methanol Synthesis Process of 150kt/a Abstract: Methanol, also known as wood alcohol, wood alcohol, methyl hydroxide, is one of the easiest saturated alcohol. The chemical formula of methanol is CH4 O. Methanol is a chemical product which transformed from coal gasification or natural gas to produce synthesis gas. It is not only an important and a huge demand for basic anic chemical raw materials, but also a new type of clean energy. The application of methanol is gradually extended to the field of oil alternatives, meanwhile, olefins and other new alternative petroleum products have been developed around the methanol products. he design is based on coal as raw materials to produce methanol, and choses the Lurgi low pressure methanol synthetic tower as synthesis reactor. The synthesis tower is similar in form of column tube type heat exchanger, which the catalyst loading in the lumen of tube, and the boiling water flowing from the shell side. A series of chemical reactions that occur when the feed gas through into column tube of the tower. By the requirements of the annual output, the material balance, heat balance, and experience estimates or experimental data of relevant parameters are calculated to analyze and determine the technical parameters of each device. By the heat balance, it shows that exothermic heat of methanol synthetic tower is 234,299, KJ/h. Through the design calculations of main equipment methanol synthesis tower, determining the body39。s diameter is 2,500 millimetre, and thickness is 23 millimetre. The synthetic tower tube size, the total number of 2687,length 9000mm, the distribution of the equilateral triangle arrangement Keywords: Methanol。 Low tension method。 Synthetic tower。 Balance 1 引 言 甲醇是極為重要的有機(jī)化工原料，是碳一化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)品，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的意義。甲醇化工是許多工業(yè)國(guó)家竟相開(kāi)發(fā)的一個(gè)十分重要的領(lǐng)域。它的研究與發(fā)展對(duì)于各國(guó)工業(yè)有著深遠(yuǎn)的影響。甲醇化工是碳一化學(xué)工業(yè)的一個(gè)分支，碳一化學(xué)工業(yè)是指以分子中含有一個(gè)碳原子的化合物 (如 CO、 COCH CH3OH、 HCOOH、 HCN 及其衍生體系 )為原料，以有機(jī)合成化學(xué)和催化化學(xué)為手段制造有機(jī)化工產(chǎn)品的化學(xué)工業(yè)的總稱。固體原料煤炭、液體原料石腦油和渣油、氣體原料天然氣和油田氣等經(jīng)部分氧化法或蒸汽轉(zhuǎn)化法可制得合成氣。合成氣的主要成分是 CO 和 H2。 CO 加氫可制得甲醇，這就構(gòu)成了碳一化工的基本原料。由于甲醇的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件溫和，技術(shù)容易突破，甲醇系列產(chǎn)品有著廣泛的用途，世界各國(guó)都把甲醇作為碳一化學(xué)工業(yè)的重要研究開(kāi)發(fā)領(lǐng)域?，F(xiàn)在甲醇已成 為新一代能源的重要起始原料，生產(chǎn)一系列深度加工產(chǎn)品 。 甲醇作為重要有機(jī)化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料，主要用于制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲脂等多種有機(jī)產(chǎn)品，也是農(nóng)藥、醫(yī)藥的重要原料之一。此外甲醇還廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工，塑料，醫(yī)藥，林產(chǎn)品加工等領(lǐng)域的基本有機(jī)化工原料，可開(kāi)發(fā)出 100 多種高附加值化工產(chǎn)品，尤其深加工后作為一種新型清潔燃料和加入汽油摻燒，其發(fā)展前景越來(lái)越廣闊。 隨著社會(huì)發(fā)展以及甲醇對(duì)人們需求量的發(fā)展趨勢(shì)，甲醇在生活經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的意義，本設(shè)計(jì)主要是甲醇生產(chǎn)中合成工段的工藝設(shè)計(jì)。 2 第一章 概 述 甲醇的設(shè)計(jì)背景 甲醇 的性質(zhì) 甲醇，又名木醇，木酒精，甲基氫氧化物，是一種最簡(jiǎn)單的飽和醇。化學(xué)分子式為 CH3 OH。醇是由烴基和羥基兩部分組成。按烴基的類型，醇可分為飽和醇、不飽和醇、脂環(huán)醇和芳香醇。按醇分子中所含羥基的數(shù)目可分為一元醇、二元醇和三元醇。二元醇以上統(tǒng)稱多元醇。甲醇是有機(jī)物醇類中最簡(jiǎn)單的一元飽和醇。甲醇化學(xué)性質(zhì)較活潑，具有脂肪族伯醇的一般性質(zhì)，能發(fā)生氧化、酯化、羰基化等化學(xué)反應(yīng)，其連有羥基的碳原子上的三個(gè)氫原子均可被一一氧化，或脫氫生成 甲醛，再氧化成甲酸，甲酸氧化的最終產(chǎn)物是二氧化碳和水。甲醇不具酸性，同時(shí)其分子組成雖有能作為堿性特征的羥基，但也不呈堿性，對(duì)酚酞及石蕊均呈中性。試劑甲醇常密封保存在棕色瓶中置于較冷處 。 物理化學(xué)屬性：甲醇是一種無(wú)色、透明、易燃、易揮發(fā)的有毒液體，略有酒精氣味。分子量 ，相對(duì)密度 ，熔點(diǎn) ℃ ，沸點(diǎn) ℃ ，自燃點(diǎn) ℃蒸氣密度 ，蒸汽壓 (℃ ),蒸汽與空氣混合物爆炸下限6～ %，能與水、乙醇、乙醚、苯、酮和其他有機(jī)溶劑相混溶，遇 熱、明火或氧化劑易燃燒。 甲醇 (CH3OH)是一種揮發(fā)性液體。甲醇與水互溶，在汽油中也有較大的溶解度。甲醇劇毒，易燃燒，其蒸氣與空氣的混合物在一定范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生爆炸 。 甲醇的用途 甲醇是由煤氣化或天然氣轉(zhuǎn)化生成合成氣合成的化工產(chǎn)品，它既是一種重要的、需求量巨大的基本有機(jī)化工原料，也是一種新型的清潔能源。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，它是僅次于烯烴和芳烴的基礎(chǔ)有機(jī)化工原料，其消費(fèi)量?jī)H次于乙烯、丙烯和苯，居第四位。 甲醇是極為重要的有機(jī)化工原料，在化工、醫(yī)藥、輕工、紡織及運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)都有廣泛的應(yīng)用，其衍生物產(chǎn)品發(fā)展前景 廣闊 。 甲醇應(yīng)用十分廣泛，在石油化工、醫(yī)藥、輕紡、生物化工以及能源、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)均有廣泛用途，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位 [1]。近年來(lái) ，隨著石油資源儲(chǔ)量的日趨減少，甲醇應(yīng)用逐漸擴(kuò)展到石油替代領(lǐng)域，圍繞甲醇產(chǎn)品開(kāi)發(fā) 3 出了烯烴等新的替代石油產(chǎn)品，市場(chǎng)對(duì)醋酸、甲醛、二甲醚等甲醇下游產(chǎn)品需求量迅速擴(kuò)大，產(chǎn)業(yè)發(fā)展明顯加快，甲醇需求以年均 12%左右的速度增長(zhǎng)。甲醇主要有以下幾個(gè)方面的用途 ： ① 甲醇作為化工基本原料 甲醇作為重要的化工原料，以甲醇為原 料可以生產(chǎn)許多重要的有機(jī)化合物，甲醇的深加工產(chǎn) 品目前已達(dá) 120 多種，我國(guó)以甲醇為原料的一次加工產(chǎn)品已有30 多種。由甲醇生產(chǎn)的重要有機(jī)化合物包括醋酸、甲醛、甲胺、甲烷氯化物、甲酸、甲酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、二甲醚、二甲基甲酰胺、二甲基亞楓、碳酸二甲酯、聚乙烯醇等。其中，以甲醇為原料采用羰基化法生產(chǎn)醋酸，是目前最具競(jìng)爭(zhēng)力的醋酸生產(chǎn)方法 , 所消費(fèi)甲醇約占全球甲醇消費(fèi)總量的 7%。 ② 甲醇作為新一代燃料 甲醇是一種 易燃易揮發(fā)的無(wú)色透明液體，具有與傳統(tǒng)液體燃料 極為相近的燃燒性能，辛烷值高，抗爆性能好，產(chǎn)品的運(yùn)輸、儲(chǔ)存、分裝加注和使用也與汽油、柴油燃料極為相似。由甲醇可以生產(chǎn)高標(biāo)號(hào)無(wú)鉛汽油，甲醇和異丁烯合成的甲基叔丁基醚是高辛烷值汽油添加劑，生產(chǎn) MTBE 消費(fèi)甲醇約占甲醇需求的 6%，甲醇還可摻燒汽油 (如 M1 M25)或直接用作汽車燃料 (M100)。 由甲醇轉(zhuǎn)化生產(chǎn)的二甲醚具有清潔、動(dòng)力性能好、污染少、易儲(chǔ)存等特點(diǎn)，綜合性能遠(yuǎn)優(yōu)于液化氣、天然氣、甲醇、乙醇等產(chǎn)品，其作為替代柴油燃料的市場(chǎng)空間廣闊。 ③ 甲醇作 為精細(xì)化工與高分子化工的主要原料 甲醇作為基本有機(jī)化工原料之一，主要用于生產(chǎn)酚醛樹(shù)脂、甲醛塑料等高分子材料和粘合劑等精細(xì)化工產(chǎn)品。由甲醇制甲醛是甲醇最主要的消費(fèi)領(lǐng)域之一，目前約占甲醇總消費(fèi)量的 37～ 40%， 2020 年我國(guó)甲醛生產(chǎn)對(duì)甲醇的需求量約 220萬(wàn)噸，近期甲醛對(duì)甲醇的需求量將以每年 10%的速度繼續(xù)增長(zhǎng)。甲醛再經(jīng)聚合反應(yīng)生成的聚甲醛塑料是一種性能優(yōu)良的工程塑料，在汽車工業(yè)及電器工業(yè)中有廣泛的用途。經(jīng)甲醇制烯烴工藝，甲醇可以轉(zhuǎn)化為基本石油化工原料乙烯、丙烯，并延伸加工成一系列衍生物。我國(guó) DMTO 技術(shù)的開(kāi)發(fā)成 功，開(kāi)辟了傳統(tǒng)石油化工之外的烯烴生產(chǎn)新途徑，拓展了甲醇在化工領(lǐng)域中的新用途 。 4 甲醇生產(chǎn)的發(fā)展 甲醇工業(yè)的發(fā)展 (1）世界甲醇工業(yè)的發(fā)展 總體上說(shuō)，世界甲醇工業(yè)從 90 年代開(kāi)始經(jīng)歷了 19911998 的供需平衡，19981999 的供大于求，從 2020 年初至今的供求基本平衡三個(gè)基本階段 [1]。據(jù)Nexant Chen Systems 公司的最新統(tǒng)計(jì)，全球 2020 年甲醇生產(chǎn)能力為 萬(wàn)t/a[2] (2）我國(guó)甲醇工業(yè)發(fā)展 我國(guó)的甲醇工業(yè)經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，生產(chǎn)能力得到了很大提高。 1991 年 ，我國(guó)的生產(chǎn)能力僅為 70 萬(wàn)噸，截止 2020 年底，我國(guó)甲醇產(chǎn)能已達(dá) 740 萬(wàn)噸， 117家生產(chǎn)企業(yè)共生產(chǎn)甲醇 萬(wàn)噸， 2020 年甲醇產(chǎn)量達(dá)到 500 萬(wàn)噸，比 2020年增長(zhǎng) %，進(jìn)口量 萬(wàn)噸，因此下降 %。 甲醇生產(chǎn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 （ 1）二次轉(zhuǎn)化和自轉(zhuǎn)化工藝 合成氣發(fā)生占甲醇裝置總投資的 50％ ~60％，所以許多工程公司將其視為技術(shù)改進(jìn)重點(diǎn)。已經(jīng)形成的新工藝主要是 Syix(前 ICI)的先進(jìn)天然氣加熱爐轉(zhuǎn)化工藝 (AGHR)、 Lurgi的組合轉(zhuǎn)化工藝 (CR)和 Topse 的自熱轉(zhuǎn)化工藝 (ATR)。 （ 2）新甲醇反應(yīng)器和合成技術(shù) 大型甲醇生產(chǎn)裝置必須具備與其規(guī)模相適應(yīng)的甲醇反應(yīng)器和反應(yīng)技術(shù)。傳統(tǒng)甲醇合成反應(yīng)器有 ICI 的冷激型反應(yīng)器、 Lungi 的管殼式反應(yīng)器、 Topsdpe 的徑向流動(dòng)反應(yīng)器等 近期出現(xiàn)的新合成甲醇反應(yīng)器有日本東洋工程 (TEC)的 MRF— Z反應(yīng)器等，而反應(yīng)技術(shù)方面則出現(xiàn)了 Lurgi推出的水冷一氣冷相結(jié)合的新流程。 （ 3）引進(jìn)膜分離技術(shù)的反應(yīng)技術(shù) 通常的甲醇合成工藝中，未反應(yīng)氣體需循環(huán)返回反應(yīng)器，而 KPT 則提出將未反應(yīng)氣體送往膜分離器，并將氣體分為富含氫氣的氣體，前者作燃料用，后 者返回反應(yīng)器。 （ 4）液相合成工藝 傳統(tǒng)甲醇合成采用氣相工藝，不足之處是原料單程轉(zhuǎn)化率低、合成氣凈化成 本高、能耗高。相比之下，液相合成由于使用了比熱容高、導(dǎo)熱系數(shù)大的長(zhǎng)鏈烷 5 烴化合物作反應(yīng)介質(zhì)，可使甲醇合成在等溫條件下進(jìn)行。 甲醇合成工藝原理 銅基催化劑作用下發(fā)生一系列反應(yīng) 主反應(yīng)： CO+