年产30万吨煤制甲醇合成工段工艺的设计

110243105王二强应用化工技术年产30万吨煤制甲醇合成工段工艺计学生学号:学生姓名:专业班级:指导教师:起止日期:I化工设计课程设计任务书一、化工课程设计题目：年产30万吨甲醇合成工段工艺的初步设计拟设计一年产量30万吨/年煤制甲醇合成工段设计，厂址为陕西省咸阳市，年工作日以330天计。二、化工课程设计要求及原始数据（资料）.•原始数据（资料）：年产30万吨精甲醇，每年330个工作日，连续生产精甲醇中甲醇含量99.9%，粗甲醇组成(wt):甲醇：93.86%二甲醚(CH3)2O:0.2%异丁醇C4H9OH:0.03%水：5.91%甲醇收率97%新鲜气中各组分百分比组成：CH40.69%H268.85%CO26.26%CO23.78%N20.33%Ar0.09%化工课程设计主要内容：一、绪论二、甲醇生产流程或方法的确定三、甲醇合成工段物料衡算和热量衡算四、甲醇合成塔主要工艺设备的计算及选型（包括设备一览表）五、原材料、动力消耗定额及消耗量六、参考文献七、致谢八、附图（工艺流程图和关键设备的结构图）时间安排：共设计四周，前2周收集资料，进行工艺流程的设计、物料和热量衡算，后两周进行设计说明书的撰写、工艺流程图和设备图的绘制。学生应交出的设计文件：课程设计说明书一本生产工艺流程图一套主要设备结构图一套第一章绪论1.1甲醇工业发展现状随着我国国民经济不断稳定的发展，不管是能源生产总量还是需求总量都在不断增长。70年代两次石油危机和石油价格的不断上涨，让世界各国充分认识到当今社会将是能源结构逐步向多元化结构发展的时代。目前，人类己经面临着石油及天然气这一宝贵的化石能源在不断的枯竭，根据我国提出的经济可持续发展的战略，需要合理有效地利用资源。“缺油、少气、富煤’的客观现实，意味着今后30年内，我国一次能源消费以煤为主的格局不会改变。但是我们如果还是沿用落后技术，把煤直接燃烧用于发电和其它工业目的，不断扩大低效、高污染应用技术中煤的用量，则同样是难以为继的，同时对环境的污染将是难以估量的。因此，充分利用丰富的煤炭资源，大力发展洁净煤技术和新一代煤化工技术是非常必要的，既对我国合理利用资源、有效利用能源和促进经济可持续发展具有重要的现实，又对保护国家能源安全具有深远的战略意义。近年来，我国甲醇市场非常红火，甲醇价格持续上涨，甲醇生产装置开工率不断提高，各地甲醇新建项目陆续开工。出现这种局面的原因，一是甲醇传统消费领域，如甲醛、醋酸等产品的产量稳步提升，对甲醇的需求量逐步增加；二是新的消费领域，如醇醚燃料、甲醇制烯烃等由于发展前景广阔，也引发了国内对甲醇装置的投资热。我国甲醇生产以煤为主要原料，产业结构不尽合理，装置规模偏小，企业数目过多，原料路线和工艺技术五花八门。由于对醇醚燃料需求的高度期待，我国甲醇发展过热，几乎‘遍地开花”。据报导，2000〜2007年我国甲醇产能年均增长率为24.8%,2007年我国共有甲醇生产企业177家，总规模已突破每年1600万吨,2010年总产能达到每年3000万吨。我国规划中的甲醇产能已超过同期世界其他各国的总产能。煤基甲醇是资源消耗型产品，是低附加值产品，而依靠大量出口来消化过剩的产能是不合理的。1.2甲醇的发展前景甲醇作为最有希望代替汽油的并且将成为二十一世纪有竞争力的可选清洁燃料，具有非常好的发展前景。所以专家认为，必须开拓甲醇作为车用燃料的用途，即发展甲醇汽车才能使甲醇取得较好的经济效益。甲醇汽油是符合我国国情的替代能源之一，不仅符合国家节能减排政策的要求，而且因甲醇汽油可部分替代石油，在一定程度上相当于扩大了我国石油战略储备。与此同时，推广甲醇汽油，一方面可以释放我国每年2000多万吨的甲醇产能，改变我国甲醇产能严重过剩的局面，提高甲醇生产企业的开工率。另一方面，甲醇汽油的生产成本低，甲醇汽油价格更为优惠，更适用于老百姓的需求，更经济实惠。我国现在提出了四个石油替代路径：天然气替代、电动力替代、生物燃料替代和煤基燃料替代，煤基燃料替代包括煤制天然气、甲醇、二甲醚、合成油等。煤基醇醚燃料更具有大规模、基地化推广的现实性，是最实用、经济的选择。由于甲醇在我国己经有一定规模的生产，另外甲醇的投资成本低，无论甲醇汽油生产技术还是甲醇车辆生产技术都己经非常成熟了。如果甲醇汽油作为车用燃料相比于其他能源具有一定的优势，甲醇汽油也是一种液体燃料，好多特性和汽油雷同，但比汽油更安全、更节能、更环保。此外，甲醇汽油可直接利用现在所有中石油和中石化的输配系统进行快速推广，推广渠道会相对便捷一些，推广成本也非常小。1.3设计的目的和意义由于我国石油资源短缺，能源安全已经成为不可回避的现实问题，寻求替代能源己成为我国经济发展的关键。甲醇作为石油的补充已成为现实，发展甲醇工业对我国经济发展具有重要的战略意义。煤在世界化石能源储量中占有很大比重（我国情况更是如此），而且煤制甲醇的合成技术很成熟。随着石油和天然气价格的迅速上涨，煤制甲醇更加具有优势。本设计遵循“工艺先进、技术可靠、配置科学、安全环保”的原则；结合甲醇的性质特征设计一座年产15万吨甲醇的生产车间。通过设计可以巩固、深化和扩大所学基本知识，培养分析解决问题的能力；还可以培养创新精神，树立良好的学术思想和工作作风。通过完成设计，可以知道甲醇的用途；基本掌握煤制甲醇的生产工艺；了解国内外甲醇工业的发展现状；以及甲醇工业的发展趋势。1.4设计的依据1.4.1《年产30万吨甲醇合成工段工艺初步设计》任务书。1.4.2设计的基础资料(1)工艺流程资料参阅某化学工程公司的甲醇合成厂的工艺流程资料和参考由房鼎业主编的《甲醇工学》。(2)合成工段的工艺参数参阅某化学工程公司的甲醇合成厂的工艺参数资料。具体数据为入塔压力5.14MPa,出塔压力4.9MPa,副产蒸汽压力3.9MPa，入塔温度225°C,出塔温度255。1.5设计的指导思想以设计任务书为基础，适应我国甲醇工业发展的需要。加强理论联系实际，扩大知识面；培养独立思考、独立工作的能力。整个设计应贯彻节省基建投资，充分重视技术进步，降低工程造价，节能环保等思想，设计生产高质量甲醇产品。1.6设计的范围、装置组成及建设规模1.6.1设计的范围(1)年产30万吨甲醇生产工艺流程的设计(2)物料衡算、热量衡算(3)主要生产设备设计计算与选型(4)编写设计说明书(5)绘制设计图纸设计重点：工艺流程的设计，工艺计算，合成塔设计计算与选型1.6.2建设规模生产能力：年产30万吨甲醇，年开工日为330天。第二章工艺选择2.1合成甲醇工艺的选择目前甲醇生产技术主要釆用中压法和低压法两种工艺，并且以低压法为主，这两种方法生产的甲醇约占世界甲醇产量的80%以上。高压法：（19.6-29.4Mpa)是最初生产甲醇的方法，采用锌铬催化剂，反应温度360-4000C,压力19.6«29.4Mpa。高压法由于原料和动力消耗大，反应温度高，生成粗甲醇中有机杂质含量高，而且投资大，其发展长期以来处于停顿状态。低压法：（5.0-8.0Mpa)是20世纪60年代后期发展起来的甲醇合成技术，低压法基于高活性的铜基催化剂，其活性明显高于锌格催化剂，反应温度低(240-270°C)。在较低压力下可获得较高的甲醇收率，且选择性好，减少了副反应，改善了甲醇质量，降低了原料消耗。此外，由于压力低，动力消耗降低很多，工艺设备制造容易。中压法：（9.8-12.0Mpa)随着甲醇工业的大型化，如采用低压法势必导致工艺管道和设备较大，因此在低压法的基础上适当提高合成压力，即发展成为中压法。中压法仍采用高活性的铜基催化剂，反应温度与低压法相同，但由于提高了压力，相应的动力消耗略有增加。甲醇的生产方法还主要有：甲烷直接氧化法、由一氧化碳和氢气合成甲醇、液化石油气氧化法。比较以上三者的优缺点，以投资成本，生产成本，产品收率为依据，选择低压法为生产甲醇的工艺，用CO和H2在加热压力下，在催化剂作用下合成甲醇，其主要反应式为：CO+H2—C4H9OH。2.2甲醇合成塔的选择甲醇合成反应器实际是甲醇合成系统中最重要的设备。从操作结构，材料及维修等方面考虑，甲醇合成反应器应具有以下要求：(1)催化剂床层温度易于控制，调节灵活，能有效移走反应热，并能以较高位能回收反应热；(2)反应器内部结构合理，能保证气体均匀通过催化剂床层，阻力小，气体处理量大，合成转化率高，催化剂生产强度大；(3)结构紧凑，尽可能多填装催化剂，提高高压空间利用率；高压容器及内件间无渗漏；催化剂装御方便；制造安装及维修容易。甲醇合成塔主要由外筒、内件和电加热器三部分组成。内件事由催化剂筐和换热器两部分组成。根据内件的催化剂筐和换热器的结构形式不同，甲醇内件份为若干类型。按气体在催化剂床的流向可分为：轴向式、径向式和轴径复合型。按催化剂筐内反应惹得移出方式可分为冷管型连续换热式和冷激型多段换热式两大类。按换热器的形式分为列管式、螺旋板式、波纹板式等多种形式。目前，国内外的大型甲醇合成塔塔型较多，归纳起来可分为五种：(1)冷激式合成塔这是最早的低压甲醇合成塔，是用进塔冷气冷激来带走反应热。该塔结构简单,也适于大型化。但碳的转化率低，出塔的甲醇浓度低，循环量大，能耗高，又不能副产蒸汽，现己经基本被淘汰。(2)冷管式合成塔这种合成塔源于氨合成塔，在催化剂内设置足够换热面积的冷气管，用进塔冷管来移走反应热。冷管的结构有逆流式、并流式和U型管式。由于逆流式与合成反应的放热不相适应，即床层出口处温差最大，但这时反应放热最小，而在床层上部反应最快、放热最多，但温差却又最小，为克服这种不足，冷管改为并流或U形冷管。如1984年ICI公司提出的逆流式冷管型及1993年提出的并流冷管TCC型合成塔和国内林达公司的U形冷管型。这种塔型碳转化率较高但仅能在出塔气中副产0.4MPa的低压蒸汽。日前大型装置很少使用。(3)水管式合成塔将床层内的传热管由管内走冷气改为走沸腾水。这样可较大地提高传热系数，更好地移走反应热，缩小传热面积，多装催化剂，同时可副产2.5Mpa~4.0MPa的中压蒸汽，是大型化较理想的塔型。(4)固定管板列管合成塔这种合成塔就是一台列管换热器，催化剂在管内，管间（壳程)是沸腾水，将反应热用于副产3.0MPa〜4.0MPa的中压蒸汽。代表塔型有Lurgi公司的合成塔和三菱公司套管超级合成塔，该塔是在列管内再增加一小管，小管内走进塔的冷气。进一步强化传热，即反应热通过列管传给壳程沸腾水，而同时又通过列管中心的冷气管传给进塔的冷气。这样就大大提高转化率，降低循环量和能耗，然而使合成塔的结构更复杂。固定管板列管合成塔虽然可用于大型化，但受管长、设备直径、管板制造所限。在日产超过2000t时，往往需要并联两个。这种塔型是造价最高的一种，也是装卸催化剂较难的一种。随着合成压力增高，±荅径加大，管板的厚度也增加。管板处的催化剂属于绝热段;管板下面还有一段逆传热段，也就是进塔气225°C，管外的沸腾水却是248°C,不是将反应热移走而是水给反应气加热。这种合成塔由于列管需用特种不锈钢，因而是造价非常高的一种。(5)多床内换热式合成塔这种合成塔由大型氨合成塔发展而来。日前各工程公司的氨合成塔均采用二床(四床)内换热式合成塔。针对甲醇合成的特点釆用四床（或五床)内换热式合成塔。各床层是绝热反应，在各床出口将热量移走。这种塔型结构简单，造价低，不需特种合金钢，转化率高，适合于大型或超大型装置，但反应热不能全部直接副产中压蒸汽。典型塔型有Casale的四床卧式内换热合成塔和中国成达公司的四床内换热式合成塔。合成塔的选用原则一般为：反应能在接近最佳温度曲线条件下进行，床层阻力小，需要消耗的动力低，合成反应的反应热利用率高，操作控制方便，技术易得，装置投资要底等。综上所述和借鉴大型甲醇合成企业的经验，（大型装置不宜选用激冷式和冷管式），设计选用固定管板列管合成塔。这种塔内甲醇合成反应接近最佳温度操作线,反应热利用率高，虽然设备复杂、投资高，但是由于这种塔在国内外使用较多，具有丰富的管理和维修经验，技术也较容易得到；外加考虑到设计的是年产30