【正文】 年產(chǎn)30萬噸合成甲醇分廠設(shè)計(jì)書第一章 概述 項(xiàng)目概述年產(chǎn)30萬噸合成甲醇分廠設(shè)計(jì)本項(xiàng)目以總廠造氣分廠的凈化合成氣作為原料，充分合理利用原料氣組分的現(xiàn)有資源及成熟的生產(chǎn)工藝，設(shè)計(jì)一座合成甲醇的分廠，對分廠的科學(xué)發(fā)展進(jìn)行規(guī)劃，擴(kuò)大經(jīng)濟(jì)效益的同時，減少烴原料化工對石油資源的過度依賴，對優(yōu)化資源利用有重要意義。 設(shè)計(jì)依據(jù)及原則 設(shè)計(jì)依據(jù)（1）課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)書（2）“十二五”國家政策。（3）根據(jù)甲醇合成的相關(guān)資料，包括發(fā)展規(guī)劃、自然條件、交通條件、政府政策等。（4）《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》和《中華人民共和國勞動安全法》等相關(guān)的國家法律、法規(guī)。 設(shè)計(jì)原則(1) 項(xiàng)目建設(shè)遵守國家的各項(xiàng)政策、法規(guī)和法令，符合國家的產(chǎn)業(yè)政策、投資方向及行業(yè)和地區(qū)的規(guī)劃，貫徹有關(guān)部門的頒發(fā)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范合理安排建設(shè)周期，嚴(yán)格控制工程建設(shè)項(xiàng)目的生產(chǎn)規(guī)模和投資；(2) 采用成熟而先進(jìn)可靠的工藝生產(chǎn)技術(shù)，確保操作運(yùn)行穩(wěn)定、盡可能節(jié)能降耗、三廢排放少、產(chǎn)品質(zhì)量好；(3) 堅(jiān)持體現(xiàn)“社會經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益并重”的原則，按照國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的長遠(yuǎn)規(guī)劃，行業(yè)、地區(qū)的發(fā)展規(guī)劃，在項(xiàng)目調(diào)查、選擇中對項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)全面的論證。(4) 重視環(huán)境保護(hù)、安全和工業(yè)衛(wèi)生，設(shè)計(jì)中選用清潔生產(chǎn)工藝，三廢治理、消防、安全、勞動保護(hù)措施必須與主體裝置同時設(shè)計(jì)、同時建設(shè)、同時投運(yùn)，污染物的排放必須達(dá)到規(guī)定的指標(biāo)，并保證工廠安全運(yùn)行和操作人員的健康不受損害；(5) 產(chǎn)品生產(chǎn)和質(zhì)量指標(biāo)符合國家及地方頒發(fā)的各項(xiàng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；(6) 在保證工藝生產(chǎn)安全、可靠的前提下，盡可能利用國產(chǎn)化的設(shè)備、材料，并控制投資在合理范圍內(nèi)； 工藝特點(diǎn) 德國Lurgi公司開發(fā)的甲醇合成工藝，該流程采用管殼型反應(yīng)器，催化劑裝在管內(nèi)，反應(yīng)熱由管間沸騰水帶走，并副產(chǎn)中壓蒸汽。 生產(chǎn)過程中可通過控制所產(chǎn)中壓蒸汽壓力來調(diào)節(jié)催化床層溫度，反應(yīng)溫度易控制、徑向溫度5℃左右。由于反應(yīng)溫度平穩(wěn)，催化劑的作用得到很好發(fā)揮，原料氣的單程轉(zhuǎn)化率得以提高，副反應(yīng)少，粗甲醇質(zhì)量較好。 產(chǎn)品方案 本項(xiàng)目通過Lurgi低壓甲醇合成工藝，利用凈化合成氣生產(chǎn)甲醇，其產(chǎn)品規(guī)格為達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 38885）一級品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)控制指標(biāo)為下表： 產(chǎn)品規(guī)格組分CH3OH醛、酮總量水分摩爾分率＞＜＜ 主要物料規(guī)格及消耗 本項(xiàng)目的主要原料為凈化合成氣，整個項(xiàng)目所需的主要原料規(guī)格見下表： 原料規(guī)格來自總廠造氣分廠的凈化合成氣， ， ，組成為：組分COCO2H2N2摩爾分率 排污要求含醇?xì)怏w用管道送至總廠鍋爐房焚燒處理；工藝廢水含有機(jī)物總量＜，用專用管路送至總廠水處理分廠。供電、供水、供惰性氣、供汽、機(jī)修等公用工程由總廠統(tǒng)一安排、配套提供。 廠址概況一側(cè)靠河、另一側(cè)靠廠內(nèi)公路的狹長平地，寬度60m ，長度無限制。 產(chǎn)品文獻(xiàn)綜述 甲醇作為化工原料，主要用于制備甲醛、對苯二甲酸二甲酯、鹵甲烷、炸藥、醫(yī)藥、染料、農(nóng)藥及其他有機(jī)化工產(chǎn)品。隨著世界能源的消耗日益增加，天然氣和石油資源日益緊張，在甲醇的應(yīng)用方面開發(fā)了許多新的領(lǐng)域，如甲醇作為非石油基燃料迅速進(jìn)入燃料市場，成為汽油的代用燃料與汽油滲燒得到迅速發(fā)展；甲醇直接合成汽油；甲醇也可合成甲基叔丁基醚（MTBE）作為無鉛汽油的優(yōu)質(zhì)添加劑，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益；此外甲醇還可作為合成蛋白質(zhì)的碳來源，也具有廣闊的前途。 合成甲醇的工業(yè)化始于1923年，用高壓合成（溫度300~400℃，壓力30MPa），一直沿用至20世紀(jì)60年代中期。1966年，英國開發(fā)了ICI低壓法（溫度230~270℃，壓力5~10MPa）。1971年，德國開發(fā)了魯奇低壓法；1973年，意大利開發(fā)成功氨甲醇聯(lián)合生產(chǎn)方法（聯(lián)醇法）。自20世紀(jì)70年代中期以后，世界上新建和擴(kuò)建的甲醇均為低壓法。 甲醇合成的原料氣為CO和H2, 可可由煤、天然氣、輕油、重油、裂解氣及焦?fàn)t氣來制取。今年的發(fā)展可以看出，從天然氣出發(fā)生產(chǎn)甲醇的原料路線備受重視，其投資費(fèi)用和消耗指標(biāo)都低于煤和石油，而天然氣儲量較石油豐富。目前世界上以天然氣作原料合成甲醇的能力占總能力的80%以上。 （1）物理性質(zhì)：外觀與性狀：無色澄清液體，有刺激性氣味。微有乙醇樣氣味，易揮發(fā)，易流動，燃燒時無煙有藍(lán)色火焰，能與乙醇、乙醚等有機(jī)溶劑和水互溶，能與多種化合物形成共沸混合物，能與多種化合物形成溶劑混溶，溶解性能優(yōu)于乙醇，能溶解多種無機(jī)鹽，如碘化鈉、氯化鈣、硝酸銨、硫酸銅、硝酸銀、氯化銨和氯化鈉等。易燃，%%（體積）。有毒，一般誤飲5～10ml可致眼睛失明，大量飲用會導(dǎo)致死亡。 （2）化學(xué)性質(zhì)：甲醇對金屬特別是黃銅有輕微的腐蝕性。易燃，燃燒時有無光的淡藍(lán)色火焰。蒸氣能與空氣形成爆炸混合物．%%(vol)。純品略帶乙醇味，粗品刺鼻難聞。有毒可直接侵害人的肢體細(xì)胞組織．特別是侵害視覺神經(jīng)網(wǎng)膜，致使失明。正常人一次飲用410g純甲醇可產(chǎn)生嚴(yán)重中毒。飲用78g可導(dǎo)致失明，飲用30100g就會死亡。 （3）作用與用途：甲醇是最簡單的飽和醇，也是重要的化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料和清潔液體燃料，它廣泛用于有機(jī)合成、醫(yī)藥、農(nóng)藥、涂料、染料、汽車和國防等工業(yè)中。用于制造甲醛和農(nóng)藥（殺蟲劑、殺蟲螨）、醫(yī)藥（磺胺類、合霉素類）等的原料、合成對苯二甲酸二甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯的原料之一、醋酸、氯甲烷、甲胺和硫酸二甲酯等多種有機(jī)產(chǎn)品等，并用作有機(jī)物的萃取劑和酒精的變性劑等?；咀饔檬牵米饔袡C(jī)原料、溶劑及防凍劑。主要用于制甲醛、香精、染料、醫(yī)藥、火藥、防凍劑等。是基礎(chǔ)的有機(jī)化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料。主要應(yīng)用于精細(xì)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(jī)產(chǎn)品，也是農(nóng)藥、醫(yī)藥的重要原料之一，經(jīng)常作為氣相色譜和液相色譜分析的溶劑。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。能源和環(huán)境是世界經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展面臨的兩大主題。如何有效地解決由于全球經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展帶來的能源危機(jī)和環(huán)境污染不但是全世界關(guān)注的焦點(diǎn)，也是我國實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的主要屏障。為了解決能源問題我國在石油替代燃料方面做了大量工作。從我國“缺油、富煤”的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)看甲醇的發(fā)展前景廣闊。甲醇甲醇原料來源廣泛、生產(chǎn)工藝成熟，主要來自煤化工和天然氣合成可以利用煤炭、天然氣、煤層氣、生物質(zhì)等制成。本設(shè)計(jì)遵循“工藝技術(shù)可靠科學(xué)、優(yōu)化生產(chǎn)安全環(huán)?！钡脑瓌t。通過設(shè)計(jì)可以加深對甲醇生產(chǎn)知識的掌握，將課本知識實(shí)地應(yīng)用于具體的設(shè)計(jì)中，使理論與實(shí)踐得到一定的結(jié)合。對國內(nèi)外的甲醇生產(chǎn)工藝有了進(jìn)一步的了解，對所學(xué)專業(yè)的使命感有了更深的認(rèn)識。第二章 工藝方案的確定及流程模擬 概述隨著甲醇作為重要化工原料用途的日益拓寬和替代日趨緊張的汽油而用作潔凈燃料，甲醇在許多國家得以開發(fā)、推廣和應(yīng)用．工業(yè)合成甲醇的工藝技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，并日趨成熟，特別是20世紀(jì)6O年代中期以后，為了降低甲醇生產(chǎn)的投資、降低生產(chǎn)過程中的動力消耗、實(shí)現(xiàn)較溫和的生產(chǎn)操作條件、改善粗甲醇的質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本，人們成功研制了低壓合成甲醇的銅基催化劑，實(shí)現(xiàn)了高壓合成法向低壓合成法的轉(zhuǎn)變，并使低壓合成工藝得到迅速發(fā)展。低壓法臺成甲醇生產(chǎn)工藝始于1966年，由英國帝國化學(xué)工業(yè)(ICI)公司開發(fā)，簡稱ICI低壓甲醇臺成工藝；隨后當(dāng)時的西德魯奇（Lurgi)公司于1 971年開發(fā)了另一種低壓法合成甲醇工藝，簡旅I urgi低壓甲醇合成工藝。這兩種低壓法臺成甲醇工藝便成了以后低壓合成甲醇的主要工藝。我國從2O世紀(jì)7O年代以來所建的甲醇裝置主要采用這兩種工藝，如四J1I維尼綸廠和哈爾濱氣化廠建的ICI低壓甲醇合成裝置；在齊魯二化、濮陽和安陽等地相繼建成了Lurg[低壓甲醇合成裝置。隨著這兩種工藝在我國近幾十年的推廣應(yīng)用，它們在技術(shù)方面的差異也日漸顯露出來，從前認(rèn)為ICI反應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)單臺大規(guī)模生產(chǎn)，I urgi反應(yīng)器由于制造困難而難于放大?，F(xiàn)在由于機(jī)械制造技術(shù)的不斷改進(jìn)，國內(nèi)I urg[反應(yīng)器單臺能力已達(dá)2O萬t／a。本文將著重從這兩種工藝的流程情況、床層溫度分布狀況、催化劑的使用效果及動力消耗等方面進(jìn)行分析比較和初步探討。 甲醇合成的反應(yīng)及動力學(xué)分析 甲醇合成的反應(yīng)甲醇合成反應(yīng)體系主要發(fā)生以下反應(yīng)：CO+ 2H2=CH3OH ( 1)CO2+ 3H2=CH3OH+ H2O ( 2)CO2+ H2=CO+ H2O ( 3)由于其中只有兩個為獨(dú)立反應(yīng), 在進(jìn)行化學(xué)平衡計(jì)算時只需考慮其中兩個反應(yīng)。 反應(yīng)動力學(xué)分析根據(jù)《甲醇工學(xué)》所提供的數(shù)據(jù)以及AspenPlus所提供的物性計(jì)算方法和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方法，可以采用以下簡化方法進(jìn)行甲醇合成系統(tǒng)的化學(xué)動力學(xué)計(jì)算：物性計(jì)算方法： BWRLS化學(xué)反應(yīng)方程： 反應(yīng)速率方程：在SI制下，速率方程式中各系數(shù)可表為：速率常數(shù)：平衡常數(shù)：P = 5 MPa吸附系數(shù)：反應(yīng)動力學(xué)，它主要研究作用于物體的力與物體運(yùn)動的關(guān)系。動力學(xué)的研究對象是運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于光速的宏觀物體。動力學(xué)是物理學(xué)和天文學(xué)的基礎(chǔ)，也是許多工程學(xué)科的基礎(chǔ)。 合成工藝 甲醇生產(chǎn)工藝（1）甲醇生產(chǎn)工藝國內(nèi)國外的發(fā)展情況 ，故甲醇俗稱木精、木醇。在自然界只有某些樹葉或果實(shí)中含有少量的游離態(tài)甲醇，絕大多數(shù)以酯或醚的形式存在。1857年法國的M貝特洛在實(shí)驗(yàn)室用一氯甲烷在堿性溶液中水解也制得了甲醇。1923年德國BASF公司首先用合成氣在高壓下實(shí)現(xiàn)了甲醇的工業(yè)化生產(chǎn)，直到1965年，這種高壓法工藝是合成甲醇的唯一方法。1966年英國ICI公司開發(fā)了低壓法工藝，接著又開發(fā)了中壓法工藝。1971年德國的Lurgi公司相繼開發(fā)了適用于天然氣－渣油為原料的低壓法工藝。從70年代中期起，國外新建裝置大多采用低壓法工藝。世界上典型的甲醇合成工藝主要有ICI工藝、Lurgi工藝和三菱瓦斯化學(xué)公司(MCC)工藝。目前，國外的液相甲醇合成新工藝具有投資省、熱效率高、生產(chǎn)成本低的顯著優(yōu)點(diǎn)，尤其是LPMEOHTM工藝，采用漿態(tài)反應(yīng)器，特別適用于用現(xiàn)代氣流床煤氣化爐生產(chǎn)低的原料氣，在價格上能夠與天然氣原料相競爭。我國的甲醇生產(chǎn)始于1957年，50年代在吉林、蘭州和太原等地建成了以煤或焦炭為原料來生產(chǎn)甲醇的裝置。60年代建成了一批中小型裝置，并在合成氨工業(yè)的基礎(chǔ)上開發(fā)了聯(lián)產(chǎn)法生產(chǎn)甲醇的工藝。70年代四川維尼綸廠引進(jìn)了一套以乙炔尾氣為原料的95 kt/a低壓法裝置，采用英國ICI技術(shù)。1995年12月，由化工部第八設(shè)計(jì)院和上海化工設(shè)計(jì)院聯(lián)合設(shè)計(jì)的200 kt/a甲醇生產(chǎn)裝置在上海太平洋化工公司順利投產(chǎn)，標(biāo)志著我國甲醇生產(chǎn)技術(shù)向大型化和國產(chǎn)化邁出了新的一步。2000年，杭州林達(dá)公司開發(fā)了擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的JW低壓均溫甲醇合成塔技術(shù)，打破長期來被ICI、Lurgi等國外少數(shù)公司所壟斷擁的局面，并在2004年獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎。2005年，該技術(shù)成功應(yīng)用于國內(nèi)首家焦?fàn)t氣制甲醇裝置上。國內(nèi)主要的研究單位有南華集團(tuán)研究院、西南化工研究院、齊魯石化公司研究院等。對于我國，從資源背景看，煤炭儲量遠(yuǎn)大于石油、天然氣儲量，隨著石油資源緊缺、油價上漲，因此在大力發(fā)展煤炭潔凈利用技術(shù)的背景下，在很長一段時間內(nèi)煤是我國甲醇生產(chǎn)最重要的原料。近年來, 甲醇技術(shù)發(fā)展很快, 主要趨向?yàn)?生產(chǎn)的原料轉(zhuǎn)向天然氣、烴類加工尾氣。從甲醇生產(chǎn)的實(shí)際情況核算, 采用天然氣為原料比用固體為原料的投資可降低50%。 采用乙炔尾氣則經(jīng)濟(jì)效果更為顯著。目前國際上, 生產(chǎn)甲醇的原料以天然氣為主約占90% , 以煤為原料只占2%。國內(nèi)近年來以煤為原料生產(chǎn)甲醇的比例在逐步上升, 這與中國的能源結(jié)構(gòu)有關(guān)。生產(chǎn)規(guī)模大型化, 單系列最大規(guī)模達(dá)225 萬噸/年, 即單系列日產(chǎn)7500 公斤。規(guī)模擴(kuò)大后, 可降低單位產(chǎn)品的投資和成本。充分回收系統(tǒng)的熱量。產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)壓力的蒸汽,以驅(qū)動壓縮機(jī)及鍋爐給水泵、循環(huán)水泵的透平, 實(shí)現(xiàn)熱能的綜合利用。采用新型副產(chǎn)中壓蒸汽的甲醇合成塔, 降低能耗。采用節(jié)能技術(shù), 如氫回收技術(shù)、預(yù)轉(zhuǎn)化、工藝?yán)淠猴柡图夹g(shù)、燃燒空氣預(yù)熱技術(shù)等, 降低甲醇消耗。（2）甲醇的工藝流程目前工業(yè)上幾乎都是采用一氧化碳、二 、原料氣凈化、甲醇合成、粗甲醇精餾等工序。天然氣、石腦油、重油、煤及其加工產(chǎn)品(焦炭、焦?fàn)t煤氣)、,在高溫,催化劑存在下進(jìn)行烴類蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)。重油部分氧化需在高溫氣化爐中進(jìn)行，以固體燃料為原料時,可用間歇?dú)饣蜻B續(xù)氣化制水煤氣，間歇?dú)饣ㄒ钥諝?、蒸汽為氣化?將吹風(fēng)、制氣階段分開進(jìn)行,連續(xù)氣化以氧氣、蒸汽為氣化劑,過程連續(xù)進(jìn)行。 甲醇生產(chǎn)中所使用的多種催化劑,如天然氣與石腦油蒸氣轉(zhuǎn)化催化劑、甲醇合成催化劑都易受硫化物毒害而失去活性,必須將硫化物除凈。氣體脫硫方法可分為兩類,一類是干法脫硫,一類是濕法脫硫。干法脫硫設(shè)備簡單,但由于反應(yīng)速率較慢,設(shè)備比較龐大，濕法脫硫可分為物理吸收法、化學(xué)吸收法與直接氧化法三類。 甲醇的合成是在高溫、高壓、催化劑存在下進(jìn)行的,是典型的復(fù)合氣固相催化反應(yīng)過程。隨著甲醇合成催化劑技術(shù)的不斷發(fā)展,目前總的趨勢是由高壓向低、中壓發(fā)展。 粗甲醇中存在水分、高級醇、醚、酮等雜質(zhì),需要精制。精制過程包括精餾與化學(xué)處理?；瘜W(xué)處理主要用堿破壞在精餾過程中難以分離的雜質(zhì),并調(diào)節(jié)PH。精餾主要是除去易揮發(fā)組分,如二甲醚、以及難以揮發(fā)的組分,如乙醇高級醇、水等。 甲醇生產(chǎn)的總流程長,工藝復(fù)雜,根據(jù)不同原料與不同的凈化方法可以演變?yōu)槎喾N生產(chǎn)流程。下面簡述高壓法、中壓法、低壓法三種方法及區(qū)別 （1）高壓法高壓工藝流程一般指的是使用鋅鉻催化劑,在300—400℃,30MPa高溫高壓下合成甲醇的過程。自從1923年第一次用這種方法合成甲醇成功后,差不多有50年的時間,世界上合成甲醇生產(chǎn)都沿用這種方法,僅在設(shè)計(jì)上有某些細(xì)節(jié)不同,例如甲醇合成塔內(nèi)移熱的方法有冷管型