【正文】 摘要甲醇作為及其重要的有機化工原料，是碳一化學工業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)品，在國民經(jīng)濟中占有重要地位。長期以來，甲醇都是被作為農(nóng)藥，醫(yī)藥，染料等行業(yè)的工業(yè)原料，但隨著科技的進步與發(fā)展，甲醇將被應用于越來越多的領(lǐng)域。甲醇是一種無色、透明、易燃、易揮發(fā)的有毒液體，略有酒精氣味。，(20/4℃)，℃，℃，℃，℃，蒸氣密度 ，蒸氣壓 (100mmHg ℃)，蒸氣與空氣混合物爆炸下限 6～ % ，能與水、乙醇、乙醚、苯、酮、鹵代烴和許多其他有機溶劑相混溶，遇熱、明火或氧化劑易燃燒。甲醇用途廣泛，是基礎(chǔ)的有機化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料。主要應用于精細化工，塑料等領(lǐng)域，用來制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲脂等多種有機產(chǎn)品，也是農(nóng)藥、醫(yī)藥的重要原料之一。甲醇在深加工后可作為一種新型清潔燃料，也加入汽油摻燒。我國的甲醇工業(yè)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，生產(chǎn)能力得到了很大提高。1991年，我國的生產(chǎn)能力僅為70萬噸，截止2004年底，我國甲醇產(chǎn)能已達740萬噸，2005年甲醇產(chǎn)量達到500萬噸，%，%。 于上世紀末相比，現(xiàn)在新建甲醇規(guī)模超過百萬噸的已不再少數(shù)。在2004——2008年新建的14套甲醇裝置中平均規(guī)模為134萬t/a，其中卡塔爾二期工程項目高達230萬t/a。最小規(guī)模的是智利甲醇項目，產(chǎn)能也達84萬t/a，一些上世紀末還稱得上經(jīng)濟規(guī)模的60萬t/a裝置因失去競爭力而紛紛關(guān)閉。 大型甲醇生產(chǎn)裝置必須具備與其規(guī)模相適應的甲醇反應器和反應技術(shù)。傳統(tǒng)甲醇合成反應器有ICI的冷激型反應器，Lungi的管殼式反應器，Topsdpe的徑向流動反應器等，近期出現(xiàn)的新合成甲醇反應器有日本東洋工程的MRFZ反應器等，而反應技術(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。 通常的甲醇合成工藝中，未反應氣體需循環(huán)返回反應器，而KPT則提出將未反應氣體送往膜分離器，并將氣體分為富含氫氣的氣體，前者作燃料用，后者返回反應器。 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，導熱系數(shù)大的長鏈烷烴化合物作反應介質(zhì)，可使甲醇合成在等溫條件下進行。關(guān)鍵詞：設(shè)計 工藝 合成 第1章 甲醇合成的基本概念 3 常用的合成方法 3 甲醇的合成路線 3 合成甲醇的目的和意義 6 本設(shè)計的主要方法及原理7第2章 生產(chǎn)工藝及主要設(shè)備計算 9 甲醇生產(chǎn)的物料平衡計算9 合成塔物料平衡計算9 粗甲醇精餾的物料平衡計算16 節(jié) 甲醇生產(chǎn)的能量平衡計算19 節(jié) 合成塔能量計算 19 節(jié) 常壓精餾塔能量衡算20 主要設(shè)備計算及選型23 節(jié) 常壓精餾塔計算23 節(jié) 初估塔徑25 理論板數(shù)的計算27 塔內(nèi)件設(shè)計30 塔板流體力學驗算32 塔板負荷性能34 節(jié) 常壓塔主要尺寸確定36 節(jié) 輔助設(shè)備39 第3章 主設(shè)備圖及工藝流程圖39參考文獻 40致謝 41 第1章甲醇合成的基本概念 甲醇的合成方法 當今甲醇生產(chǎn)技術(shù)主要采用中壓法和低壓法兩種工藝，并且以低壓法為主，這兩種方法生產(chǎn)的甲醇約占世界甲醇產(chǎn)量的80%以上。高壓法：()是最初生產(chǎn)甲醇的方法，采用鋅鉻催化劑，反應溫度360400℃。高壓法由于原料和動力消耗大，反應溫度高，生成粗甲醇中有機雜質(zhì)含量高，而且投資大，其發(fā)展長期以來處于停頓狀態(tài)。低壓法：( Mpa)是20世紀60年代后期發(fā)展起來的甲醇合成技術(shù)，低壓法基于高活性的銅基催化劑，其活性明顯高于鋅鉻催化劑，反應溫度低(240270℃)。在較低壓力下可獲得較高的甲醇收率，且選擇性好，減少了副反應，改善了甲醇質(zhì)量，降低了原料消耗。此外，由于壓力低，動力消耗降低很多，工藝設(shè)備制造容易。中壓法：( Mpa)隨著甲醇工業(yè)的大型化，如采用低壓法勢必導致工藝管道和設(shè)備較大，因此在低壓法的基礎(chǔ)上適當提高合成壓力，即發(fā)展成為中壓法。中壓法仍采用高活性的銅基催化劑，反應溫度與低壓法相同，但由于提高了壓力，相應的動力消耗略有增加。目前，甲醇的生產(chǎn)方法還主要有①甲烷直接氧化法：2CH4+O2→2CH3OH.②由一氧化碳和氫氣合成甲醇，③液化石油氣氧化法 比較以上三者的優(yōu)缺點，以投資成本，生產(chǎn)成本，產(chǎn)品收率為依據(jù)，選擇中壓法為生產(chǎn)甲醇的工藝，用CO和H2在加熱壓力下，在催化劑作用下合成甲醇，其主要反應式為：CO+ H2→CH3OH 甲醇的合成路線1．常用的合成工藝 雖然開發(fā)了高活性的銅基催化劑，合成甲醇從高壓法轉(zhuǎn)向低壓法，完成了合成甲醇技術(shù)的一次重大飛躍，但仍存在許多問題：反應器結(jié)構(gòu)復雜；單程轉(zhuǎn)化率低，氣體壓縮和循環(huán)的耗能大；反應溫度不易控制，反應器熱穩(wěn)定性差。所有這些問題向人們揭示，在合成甲醇技術(shù)方面仍有很大的潛力，更新更高的技術(shù)等待我們?nèi)ラ_發(fā)。下面介紹20世紀80年代以來所取得的新成果。(1) 氣液固三項合成甲醇工藝 首先由美國化學系統(tǒng)公司提出，采用三相流化床，液相是惰性介質(zhì)，催化劑是ICI的CuZn改進型催化劑。對液相介質(zhì)的要求：在甲醇合成條件下有很好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性。既是催化劑的硫化介質(zhì)，又是反應熱吸收介質(zhì)，甲醇在液相介質(zhì)中的溶解度越小越好，產(chǎn)物甲醇以氣相的形式離開反應器。這類液相介質(zhì)有如三甲苯，液體石蠟和正十六烷等。后來Berty等人提出了相反的觀點，采用的液相介質(zhì)除了熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性外，要求甲醇在其溶液中的溶解度越大越好，產(chǎn)物甲醇不是以氣相形式離開反應器，而是以液相形式離開反應器，在反應器外進行分離。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)四甘醇二甲醚是極理想的液相介質(zhì)。CO和H2在該液相中的氣液平衡常數(shù)很大，采用CuZnAl催化劑，其單程轉(zhuǎn)化率大于相同條件下氣相的平衡轉(zhuǎn)化率。氣液固三相工藝的優(yōu)點是：反應器結(jié)構(gòu)簡單，投資少；由于介質(zhì)的存在改善了反應器的傳熱性能，溫度易于控制，提高了反應器的熱穩(wěn)定性；催化劑的顆粒小，內(nèi)擴散影響易于消除；合成甲醇的單程轉(zhuǎn)化率高，可達15%20%，循環(huán)比大為減?。荒芰炕厥绽寐矢?；催化劑磨損少。缺點是三相反應器壓降較大，液相內(nèi)的擴散系數(shù)比氣相小的多。(2) 液相法合成甲醇工藝 液相合成甲醇工藝的特點是采用活性更高的過度金屬絡(luò)合催化劑。催化劑均勻分布在液相介質(zhì)中，不存在催化劑表面不均一性和內(nèi)擴散影響問題，反應溫度低，一般不超過200℃，20世紀80年代中期，美國Brookhaven國家實驗室開發(fā)了活性很高的復合型催化劑，其結(jié)構(gòu)為NaOHRONaM(OAc)2,其中M代表過渡金屬Ni,Pd或Co,R為低碳烷基，當M為Ni，R為叔戊烷基時催化劑性能最好，液相介質(zhì)為四氫呋喃，反應溫度為80120℃，壓力為2MPa左右，合成氣單程轉(zhuǎn)化率高于80%，甲醇選擇性高達96%。當該催化劑與第Ⅵ族金屬的羰基絡(luò)合物混合使用時，能得到更好的效果，他能激活CO，并有較好的耐硫性，當合成氣中還有1670106的H2S時，其甲醇產(chǎn)率仍達33%。 Mahajan等人研制了由過渡金屬絡(luò)合物與醇鹽組成的符合催化劑，如四羰基鎳和甲醇鉀，以四氫呋喃為液相介質(zhì)，反應溫度為125℃，CO轉(zhuǎn)化率大于90%，選擇性達99%。 目前液相合成甲醇研究仍處在實驗室階段，尚未工業(yè)化，但它是一種很有開發(fā)前景的合成技術(shù)。該法的缺點是由于反應溫度低，反應熱不易回收利用；CO2和H2O容易使復合催化劑中毒，因此對合成氣體的要求很苛刻，不能還有CO2和H2O，還需進一步研究。 (3) 新型GSSTFR和RSIPR反應器系統(tǒng) 該系統(tǒng)采用反應,吸附和產(chǎn)物交換交替進行的一種新型反應裝置。GSSTFR是指氣液固滴流流動反應系統(tǒng)，CO和H2在催化劑的作用下，在此系統(tǒng)內(nèi)進行反應合成甲醇，該甲醇馬上被固態(tài)粉狀吸附劑所吸附，并滴流帶出反應系統(tǒng)。RSIPR是級間產(chǎn)品脫出反應系統(tǒng)，當以吸附氣態(tài)甲醇的粉狀吸附劑流入該系統(tǒng)時，與該系統(tǒng)內(nèi)的液相四甘醇二甲醚進行交換，氣態(tài)的甲醇被液相所吸附，然后再將四甘醇二甲醚中的甲醇分離出來。這樣合成甲醇反應不斷向右進行，CO的單程轉(zhuǎn)化率可達100%，氣相反應物不循環(huán)。這項新工藝仍處在研究之中，尚未投入工業(yè)生產(chǎn)，還有許多技術(shù)問題需要解決和完善。2．本設(shè)計的合成工藝經(jīng)過凈化的原料氣，經(jīng)預熱加壓，于5 Mpa、220 ℃下，從上到下進入Lurgi反應器，在銅基催化劑的作用下發(fā)生反應，出口溫度為250 ℃左右，甲醇7%左右，因此，原料氣必須循環(huán)，則合成工序配置原則為圖22。甲醇的合成是可逆放熱反應，為使反應達到較高的轉(zhuǎn)化率，應迅速移走反應熱，本設(shè)計采用Lurgi管殼式反應器，管程走反應氣，殼程走4MPa的沸騰水合成塔水冷器甲醇分離塔循環(huán)器粗甲醇　　　　　　　馳放氣 圖11　合成合序配置原則甲醇合成的工藝流程（圖①）這個流程是德國Lurgi公司開發(fā)的甲醇合成工藝，流程采用管殼式反應器，催化劑裝在管內(nèi)，反應熱由管間沸騰水放走，并副產(chǎn)高壓蒸汽， MPa (以1：5的比例混合) 循環(huán)，混合氣體