【正文】 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 年產(chǎn) 30 萬噸甲醇畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘 要 甲醇是由 CO 和 H2合成的，本設(shè)計(jì)分析了操作條件：溫度、壓力、原料氣組成、空速和惰性氣體對(duì)甲醇生產(chǎn)的影響，本設(shè)計(jì)采用煤為原料，通過 GSP 氣化工藝將原料煤氣轉(zhuǎn)化為合成氣，通過變換和 NHD 脫硫脫碳工藝把合成氣轉(zhuǎn)化為滿足甲醇合成條件的原料氣，在列管式等溫反應(yīng)器中合成甲醇，本設(shè)計(jì)采用 XNC98型催化劑，利用三塔精餾工藝將生成的粗甲醇精制后得到精甲醇。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括能量衡算和主要設(shè)備的選型，能量衡算有 物料衡算和熱量衡算，主要設(shè)備包括甲醇合成塔和精餾塔 。 關(guān)鍵詞： 甲醇；合成；精 餾 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） Abstract Methanol consists of CO and H2， this design analysis the effects of operation conditions: temperature, pressure, the gas material position, airspeed and inert gas , this design uses the coal as raw material, through the GSP gasification process will raw materials gas into snags, through the transformation and NHD desulfurization process into the decarburization snags methanol synthesis conditions meet gas material, in the tube type of methanol synthesis isothermal reactor, this design uses the XNC98 type catalyst, use three tower distillation process will create the thick methanol blended get fine methanol. The design of the main contents include energy calculation and major equipment selection, energy balance calculations have material calculation and heat balance calculations, the main equipment including methanol synthesis tower and rectifying tower. Key words： Methanol； Synthesis； Rectification 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 目 錄 第 1章 概述 ........................................................ 1 第 2章 工藝簡介及影響因素 ........................................... 2 甲醇合成工藝簡介 .............................................. 2 操作條件對(duì)反應(yīng)過 程的影響 ...................................... 2 第 3章 甲醇生產(chǎn)工藝流程 ............................................. 5 甲醇合成工藝流程 .............................................. 5 甲醇精餾工藝流程 .............................................. 6 第 4章 工藝計(jì)算 .................................................... 8 物料衡算 ...................................................... 8 能量衡算 ..................................................... 16 第五章 主要設(shè)備的計(jì)算和選型 ........................................ 21 甲醇合成塔的設(shè)計(jì) ............................................. 21 甲醇精餾塔的設(shè)計(jì) ............................................. 23 參考文獻(xiàn) .......................................................... 32 致 謝 ............................................................ 33 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章 概述 由于我國石油資源短缺，能源安全已經(jīng)成為不可回避的現(xiàn)實(shí)問題，尋求替代能源已成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵。甲醇不僅是重要的化工原料，而且還是性能優(yōu)良的能源和車用燃料。隨著石油和天 然氣價(jià)格的迅速上漲，煤制甲醇更加具有優(yōu)勢。本設(shè)計(jì)遵循“工藝先進(jìn)、技術(shù)可靠、配置科學(xué)、安全環(huán)保”的原則，結(jié)合甲醇的性質(zhì)特征設(shè)計(jì)年產(chǎn) 30 萬噸煤制甲醇的生產(chǎn)。 甲醇由 H2和 CO 合成，是最簡單的飽和一元醇，俗稱木醇、木精，化學(xué)式 CH3OH,無色澄清液體 ,微有乙醇樣氣味 ,易揮發(fā) ,易流動(dòng) ； 燃燒時(shí)無煙有藍(lán)色火焰 ； 能與多種化合物形成共沸混合物。 本次設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)部分，第一部分是甲醇合成的工藝流程，第二部分是能量衡算，第三部分是主要設(shè)備的計(jì)算和選型。第一部分有甲醇合成工藝和甲醇精餾工藝。甲醇合成流程可概述為：首先采用 GSP 氣化工藝將原料煤氣轉(zhuǎn)化為合成氣，然后通過變換和 NHD脫硫脫碳工藝把合成氣轉(zhuǎn)化為滿足甲醇合成條件的原料氣，接著在 XNC98型催化劑的作用下合成甲醇，最后將生成的粗甲醇利用三塔精餾工藝精制后得到精甲醇。第二部分包括物料衡算和能量衡算。第三部分主要是甲醇合成塔 和 精餾塔 的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用固定管板列管合成塔，這種合成塔就是一臺(tái)列管換熱器，催化劑在管內(nèi)，管間（殼程 )是沸騰水，將反應(yīng)熱用于副產(chǎn) ～ 的中壓蒸汽。精餾是利用不同物質(zhì)的揮發(fā)度不同，將液體混合物進(jìn)行多次部分氣化，同時(shí)又把產(chǎn)生的蒸汽多次部分 冷凝，使混合物分離到所要求組分的操作過程。甲醇精餾采用三塔精餾工藝，其具有精餾能耗低，操作穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量還等突出優(yōu)點(diǎn)，但操作相對(duì)比較復(fù)雜。精餾塔選用的是 板式塔 ， 塔內(nèi)填充適當(dāng)高度的填料，以增加兩種流體間的接觸表面。例如應(yīng)用于氣體吸收時(shí)，液體由塔的上部通過分布器進(jìn)入，沿填料表面下降。氣體則由塔的下部通過孔隙逆流而上，與液體密切接觸而相互作用。結(jié)構(gòu) 比 較簡單，檢修 比 較方便。廣泛應(yīng)用于氣體吸收、蒸餾、萃取等操作。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 第 2 章 工藝 簡介 及影響因素 甲醇合成工藝 簡介 合 成 塔馳 放 氣中 壓 蒸 汽鍋 爐 給 水 新 鮮 氣過 熱 蒸 汽去 鍋 爐 甲 醇 合 成 工 段 工 藝 流程 圖粗 甲 醇 去 精 餾氫 循 環(huán)分 離器合 成 操 作 條 件1 . 反 應(yīng) 壓 力 ：5 . 0 M P a2 . 反 應(yīng) 溫 度 ：2 5 0 ~ 2 7 0 ℃ 3 . 流 量 ： 出 口 6 9 9 . 8 k m o l / h 入 口 7 8 3 . 6 k m o l / h2 . 2 4 M P a5 . 0 M P a2 1 5 ℃ 5 . 0 M P a2 8 5 ℃ 圖 11 甲醇合成工藝流程圖 操作條件對(duì)反應(yīng)過程的影響 （ 1）溫度 在甲醇合成反應(yīng)過程中，溫度對(duì)于反應(yīng)混合物的平衡和速率都有很大影響。對(duì)于反應(yīng)來說，溫度升高會(huì)使分子的運(yùn)動(dòng)加快，分子間的有效碰撞增多，并使分子克服化合時(shí)的阻力的能力增大，從而增加了分子有效結(jié)合的機(jī)會(huì)，使甲醇合成反應(yīng)的速度加快。但是，由于一氧化碳加氫生成甲醇的反應(yīng)和由二氧化碳加氫生成甲醇的反應(yīng)均為可逆的放熱反應(yīng)，對(duì)于可逆放熱反應(yīng)來講，溫度升高固然使反應(yīng)速率常數(shù)增大，但平衡常數(shù)的數(shù)值將會(huì)降低。因此，選擇合適的操作溫度對(duì)甲 醇合成至關(guān)重要，所以必須兼顧上述兩個(gè)方面，溫度過低達(dá)不到催化劑的活性溫度，則反應(yīng)不能進(jìn)行。溫度太高不僅增加了副反應(yīng)，消耗了原料氣，而且反應(yīng)過快，溫度難以控制，容易使催化劑衰老失活。一般工業(yè)生產(chǎn)中反應(yīng)溫度取決于催化劑的活性溫度，不同催化劑其反應(yīng)溫度東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 不同。另外為了延長催化劑壽命，反應(yīng)初期宜采用較低溫度，使用一段時(shí)間后再升溫至適宜溫度。甲醇合成催化床層的操作溫度主要是由催化劑的活性溫度區(qū)決定的。操作溫度的控制同樣是一個(gè)操作費(fèi)用的控制問題，在設(shè)計(jì)中，需要延長催化劑的使用壽命，防止催化劑的迅速老化和活性衰減速度加快。 一般而言，在催化劑的使用初期，反應(yīng)溫度維持在較底的數(shù)值，隨著使用時(shí)間的增加，逐步提高反應(yīng)溫度。例如副產(chǎn)蒸汽型等溫甲醇合成塔采用國產(chǎn)銅系催化劑，使用前期，可控制床層零點(diǎn)溫度 230～240℃ ，熱點(diǎn)溫度 260℃ 左右；后期，可控制床層零點(diǎn)溫度 260～ 270℃ ，熱點(diǎn)溫度 290℃ 。設(shè)計(jì)采用的甲醇合成塔為列管式等溫反應(yīng)器，管間走的是沸騰水，可以副產(chǎn)蒸汽，床層內(nèi)溫差很小，接近最佳溫度操作曲線。設(shè)計(jì)中采用的甲醇合成催化劑為國產(chǎn)的銅系XCN98，由它的性質(zhì)可知：適合使用的溫度范圍為 200～ 290℃ 。 （ 2）壓力 壓力是甲醇 合成反應(yīng)過程的重要工藝條件之一。甲醇合成反應(yīng)時(shí)分子數(shù)變少，因此增加壓力對(duì)反應(yīng)有利，由于壓力高，組分的分壓提高，因而催化劑的生產(chǎn)強(qiáng)度也提高，操作壓力的選用與催化劑的活性有關(guān)。早期的高壓法合成甲醇工藝采用的是鋅基催化劑，由于活性差，需要在高溫高壓下操作，其操作壓力為 25～ 35Mpa，操作溫度350～ 420℃。較高的壓力和溫度下，一氧化碳和氫生成甲烷、異丁醇等副產(chǎn)物，這些副反應(yīng)的反應(yīng)熱高于甲醇合成反應(yīng)，使床層溫度提高，副反應(yīng)加速，如果不及時(shí)控制，會(huì)造成溫度猛升而損壞催化劑。近年來普遍使用的銅基甲醇合成催化劑，其活 性溫度范圍在 200～ 300℃，有較高的活性，對(duì)于規(guī)模小于 30萬噸 /a 的工廠，操作壓力一般可降為 5Mpa 左右；對(duì)于超大型的甲醇裝置，為了減少設(shè)備尺寸，合成系統(tǒng)的操作壓力可以升至 10Mpa左右。本設(shè)計(jì)采用的是低壓法（入塔壓強(qiáng)為 ）合成甲醇 。 （ 3）氣體組成 氫與一氧化碳合成甲醇的化學(xué)當(dāng)量比為 2，與二氧化碳合成甲醇的化學(xué)當(dāng)量比為 3，當(dāng)一氧化碳與二氧化碳都有時(shí)，對(duì)原料氣中氫碳比 要求為 f=（ H2CO2） /(CO+CO2)=～,當(dāng) 原料氣組成偏離上述值 時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)氫碳比 ，原料氣 中 氫氣過多 時(shí) ，需要 在轉(zhuǎn)化前或轉(zhuǎn)化后加入二氧化碳調(diào)節(jié)合理氫碳比 ；當(dāng) 氫碳比太低 時(shí) ，需要設(shè)置變換工序使過量的一氧化碳變換為氫氣，再將過量的二氧化碳除去。 甲醇 合成 原料氣中應(yīng)保持一定量的二氧化碳，一定量二氧化碳的存在能促進(jìn)銅基催化劑上甲醇合成的反應(yīng)速率，適量二氧化碳可使催化劑呈現(xiàn)高活性，此外，在二氧化碳存在下，甲醇合成的熱效應(yīng)比無二氧化碳時(shí)熱效應(yīng)要小，催化床溫度易于控制，這對(duì)防止生產(chǎn)過程中催化劑超溫及延長催化劑壽命是有利的。但是， 當(dāng) 二氧化碳含量過高 時(shí) ，會(huì)造成粗甲醇中含水量增多．降低壓縮機(jī)生產(chǎn)能力，增加氣體壓縮與精餾粗醇的能耗 。 二氧化 碳在原料氣中的最佳含量，應(yīng)根據(jù)甲醇合成所用的催化劑與甲醇合成操作溫度作相應(yīng)調(diào)整。在使用鋅 鉻催化劑的高壓合成裝置中，原料氣含二氧化碳 4～5％時(shí)，催化劑壽命與生產(chǎn)能力不受影響，合成設(shè)備操作穩(wěn)定而且可以自熱，但是粗甲醇含水量為 14～ 16％。因此，對(duì)于鋅 鉻催化劑上甲醇合成反應(yīng)，原料氣中二氧化碳低東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 于 5％為宜。在采用銅基催化劑時(shí)，原料氣中二氧化碳可適當(dāng)增加，可使塔內(nèi)總放熱量減少，以保護(hù)銅基催化劑不致過熱，延長催化劑使用壽命。 （ 4）空速 空速的大小意味著氣體與催化劑接觸時(shí)間的長短，在數(shù)值上，空速與接觸時(shí)間互為 倒數(shù)。一般來說，催化劑活性愈高，對(duì)同樣的生產(chǎn)負(fù)荷所需的接觸時(shí)間就愈短，空速愈大。甲醇合成所選用的空速的大小，既涉及合成反應(yīng)的醇凈值、合成塔的生產(chǎn)強(qiáng)度、循環(huán)氣量的大小和系統(tǒng)壓力降的大小，又涉及到反應(yīng)熱的綜合利用。當(dāng)甲醇合成反應(yīng)采用較低的空速時(shí)，氣體接觸催化劑的時(shí)間長，反應(yīng)接近平衡，反應(yīng)物的單程轉(zhuǎn)化率高。由于單位時(shí)間通過的氣量小，總的產(chǎn)量仍然是低的。由于反應(yīng)