煤制甲醇合成工艺毕业设计

年产20万吨煤制甲醇生产工艺初步设计1毕业设计题目：年产20万吨煤制甲醇生产工艺初步设计学号：姓名：年级：09煤化工学院：系别：煤化工系专业：煤化工指导教师：完成日期：2012年5月14日年产20万吨煤制甲醇生产工艺初步设计1摘要甲醇是一种极重要的有机化工原料，也是一种燃料，是碳一化学的基础产品，在国民经济中占有十分重要的地位。近年来，随着甲醇下属产品的开发，特别是甲醇燃料的推广应用，甲醇的需求大幅度上升。为了满足经济发展对甲醇的需求，开展了此20万t/a的甲醇项目。设计的主要内容是进行工艺论证，物料衡算和热量衡算等。本设计本着符合国情、技术先进和易得、经济、环保的原则，采用煤炭为原料；利用GSP气化工艺造气；NHD净化工艺净化合成气体；低压下利用列管均温合成塔合成甲醇；三塔精馏工艺精制甲醇；此外严格控制三废的排放，充分利用废热，降低能耗，保证人员安全与卫生。关键词：甲醇、合成。年产20万吨煤制甲醇生产工艺初步设计2目录1总论……………………………………………………………………………41.1甲醇性质……………………………………………………………………41.2甲醇用途……………………………………………………………………41.3醇生产原料…………………………………………………………………42甲醇的合成…………………………………………………………………52.1甲醇合成的基本原理……………………………………………………52.1.1甲醇合成反应步骤……………………………………………………52.1.2合成甲醇的化学反应…………………………………………………52.1.3甲醇合成反应的化学平衡…………………………………………………63甲醇合成的催化剂………………………………………………………63.1工业用甲醇合成催化剂……………………………………………………74甲醇合成的工艺条件………………………………………………………94.1反应温度………………………………………………………………94.2压力…………………………………………………………………………104.3空速…………………………………………………………………………104.4气体组成……………………………………………………………………115甲醇合成的工艺流程……………………………………………………125.1甲醇合成的方法………………………………………………………125.2甲醇合成塔的选择…………………………………………………………155.3甲醇合成的工艺流程…………………………………………………………186主要设备的工艺计算及选型…………………………………………………196.1甲醇合成塔的设计………………………………………………………196.2水冷器的工艺设计………………………………………………………226.3循环压缩机的选型………………………………………………………257设计结果评价……………………………………………………………268参考文献………………………………………………………………27致谢…………………………………………………………………………27年产20万吨煤制甲醇生产工艺初步设计3附工程图纸1、甲醇合成塔简图2、甲醇合成工艺流程图年产20万吨煤制甲醇生产工艺初步设计41总论1.1甲醇性质甲醇俗称木醇、木精，英文名为methanol，分子式CH3OH。是一种无色、透明、易燃、有毒、易挥发的液体，略带酒精味；分子量32.04，相对密度0.7914(d420)，蒸气相对密度1.11(空气=1)，熔点-97.8℃，沸点64.7℃，闪点（开杯）16℃，自燃点473℃，折射率(20℃)1.3287，表面张力（25℃）45.05mN/m，蒸气压（20℃）12.265kPa，粘度（20℃）0.5945mPa•s。能与水、乙醇、乙醚、苯、酮类和大多数其他有机溶剂混溶。蒸气与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限6.0％～36.5﹪（体积比）。化学性质较活泼，能发生氧化、酯化、羰基化等化学反应。1.2甲醇用途甲醇是重要有机化工原料和优质燃料，广泛应用于精细化工，塑料，医药，林产品加工等领域。甲醇主要用于生产甲醛，消耗量要占到甲醇总产量的一半，甲醛则是生产各种合成树脂不可少的原料。用甲醇作甲基化试剂可生产丙烯酸甲酯、对苯二甲酸二甲酯、甲胺、甲基苯胺、甲烷氯化物等；甲醇羰基化可生产醋酸、醋酐、甲酸甲酯等重要有机合成中间体，它们是制造各种染料、药品、农药、炸药、香料、喷漆的原料，目前用甲醇合成乙二醇、乙醛、乙醇也日益受到重视。甲醇也是一种重要的有机溶剂，其溶解性能优于乙醇，可用于调制油漆。作为一种良好的萃取剂，甲醇在分析化学中可用于一些物质的分离。甲醇还是一种很有前景的清洁能源，甲醇燃料以其安全、廉价、燃烧充分，利用率高、环保的众多优点，替代汽油已经成为车用燃料的发展方向之一；另外燃料级甲醇用于供热和发电，也可达到环保要求。甲醇还可经生物发酵生成甲醇蛋白，富含维生素和蛋白质，具有营养价值高而成本低的优点，用作饲料添加剂，有着广阔的应用前景。1.3甲醇生产原料合成甲醇的工业生产是以固体（如煤、焦炭）、液体（如原油、重油、轻油）或气体（如天然气及其它可燃性气体）为原料，经造气、净化（脱硫）变换，除二氧化碳，配制成一定配比的合成气。在不同的催化剂存在下，选用不同的工艺条件可单产年产20万吨煤制甲醇生产工艺初步设计5甲醇（分高、中、低压法），或与合成氨联产甲醇（联醇法）。将合成后的粗甲醇经预精镏脱除甲醚，再精镏而得成品甲醇。自1923年开始工业化生产以来，甲醇合成的原料路线经历了很大变化。20世纪50年代以前多以煤和焦碳为原料；50年代以后，以天然气为原料的甲醇生产流程被广泛应用；进入60年代以来，以重油为原料的甲醇装置有所发展。对于我国，从资源背景看，煤炭储量远大于石油、天然气储量，随着石油资源紧缺、油价上涨，因此在大力发展煤炭洁净利用技术的背景下，在很长一段时间内煤是我国甲醇生产最重要的原料［4］。2甲醇的合成2.1甲醇合成的基本原理2.1.1甲醇合成反应步骤对甲醇合成而言，无论是锌铬催化剂还是铜基催化剂，其多相（非匀相）催化过程按下列过程进行：a）扩散——气体自气相扩散到催化剂的界面；b）吸附——各种气体在催化剂的活性表面进行化学吸附，其中CO在Cu2+上吸附，H2在Zn2+上吸附并异裂；c）表面反应——化学吸附的反应物在活性表面上进行反应，生成产物；d）解析——反应产物脱附；e）扩散——反应产物气体自催化剂界面扩散到气相中去；甲醇合成反应的速率。是上述五个过程中每一个过程进行速率的总和，但全过程的速率取决于最慢步骤的完成速率。研究证实，以上五个过程中a、e（扩散）进行得最快，b（吸附）、d（解析）进行的速度较快，而过程c（表面反应）分子在催化剂活性界面的反应速度最慢，因此，整个反应过程取决于表面反应的进行速率。提高压力、升高温度均可使甲醇合成反应速率加快，但从热力学角度分析，由于CO、CO2和H2合成甲醇的反应是强放热的体积缩小反应，提高压力、降低温度有利于化学平衡向生成甲醇的方向移动，同时也有利于抑制副反应的进行。年产20万吨煤制甲醇生产工艺初步设计62.1.2合成甲醇的化学反应甲醇是甲醇合成反应是多项铜基催化剂上进行的复杂的、可逆的化学反应。（1）、主要的化学反应（2）、甲醇合成的副反应2.1.3甲醇合成反应的化学平衡一氧化碳和氢气合成甲醇是一个气相可逆反应，压力对反应起着重要作用，用气体分压来表示的平衡常数可用下面公式表示：Kp=式中Kp----甲醇的平衡常数；PCH3OH，PH2，PCO-----分别表示甲醇、氢气、一氧化碳的平衡分压。反应温度也是影响平衡常数的一个重要因素，不同温度下的反应平衡常数见表1-1。其平衡常数随着温度的上升而很快减小，因此，甲醇合成不能在高温下进行。但是低温反应速率太慢，所以甲醇生产选用高活性的铜基催化剂，使反应温度控制在220～280℃.表1-1不同温度下甲醇反应的平衡常数反应温度/℃平衡常数/Kp0667.3010012.922001.909×10-23002.42×10-44001.079×10-5232COHCHOH22323COHCHOHHO233224COHCHOCHHO2423COHCHHO2492483COHCHOHHO222COHCOHO年产20万吨煤制甲醇生产工艺初步设计73甲醇合成的催化剂甲醇合成是是典型的气—固相催化反应过程。没有催化剂的存在，合成甲醇反应几乎不能进行。合成甲醇工业的进展，很大程度上取决于催化剂的研制成功以及质量的改进。在合成甲醇的生产中，很多工艺指标和操作条件都由所用催化剂的性质决定。一氧化碳加氢合成甲醇工业化以来，合成催化剂合成工艺不断研究改进。虽然实验室研究出了多种甲醇合成催化剂，但工业上使用的催化剂只有锌铬和铜基催化剂。3.1工业用甲醇合成催化剂甲醇合成是是典型的气—固相催化反应过程。没有催化剂的存在，合成甲醇反应几乎不能进行。合成甲醇工业的进展，很大程度上取决于催化剂的研制成功以及质量的改进。在合成甲醇的生产中，很多工艺指标和操作条件都由所用催化剂的性质决定。自一氧化碳加氢合成甲醇工业化以来，合成催化剂合成工艺不断研究改进。虽然实验室研究出了多种甲醇合成催化剂，但工业上使用的催化剂只有锌铬和铜基催化剂。随着脱硫技术的发展，使用铜基催化剂己成为甲醇合成工业的主要方向，锌基催化剂已于80年代中期淘汰。表3国内外常用铜基催化剂特性对比［10］催化剂型号组分/％操作条件CuOZnOAl2O3压力/MPa温度/℃英国ICI51-36030107.8-11.8190～270德国LG104513244.9210～240美国C79-2---1.5-11.7220～330丹麦LMK4010-9.8220～270中国C302系列513245.0-10.0210～280中国XCN-98522085.0~10.0200～290从表的对比可以看出，国产催化剂的铜含量已提50%以上。制备工艺合理，使该催化剂的活性、选择性、使用寿命和机械强度均达到国外同类催化剂的先进水平，并且价格较低。1.锌铬催化剂（ZnO/Cr2O3）锌铬催化剂是最早用于工业合成甲醇的，1966年以前的甲醇合成几乎都用锌铬催化剂。锌铬催化剂一般采用共沉淀法制造。将锌与铬的硝酸盐溶液用碱沉淀，经洗涤年产20万吨煤制甲醇生产工艺初步设计8干燥后成型制的催化剂；也可以用氧化铬溶液加到氧化锌悬浮液中，充分混合，然后分离水分、烘干，掺进石墨成型；还可以干法生产，将氧化锌与氧化铬的细分混合均匀，添加到少量氧化铬溶液，和石墨压片，然后烘干压片制的成品。锌铬催化剂使用寿命长，使用范围宽，耐热性好，抗毒能力好，机械强度好。但是锌铬催化剂活性温度高，操作温度在320--400℃之间，为了获得较高的转化率，必须在高压下操作，操作压力可达25--35Mpa，目前逐步被淘汰。2.铜基催化剂（CuO/ZnO/Cr2O3或CuO/ZnO/Al2O3）铜基催化剂是20世纪60年代开发的产品，它具有良好的低温活性，较高的选择性，通常用于低、中压流程。（1）组成铜基催化剂的主要化学成分是CuO/ZnO/Al2O3或CuO/ZnO/Cr2O3，其活性组分是Cu和ZnO，同时还要添加一些助催化剂，促进催化剂活性。Cr2O3的添加可以提高铜在催化剂的分散度，同时又能阻止分散的铜晶粒在受热时被烧结、长大，延长催化剂的使用寿命。添加Al2O3助催化剂使催化剂活性更高，而且Al2O3价廉、无毒，用Al2O3代替Cr2O3的铜基催化剂更好。（2）还原氧化铜对甲醇合成无催化活性，投入使用之前需将氧化铜还原成单质铜，工业上采用氢气、一氧化碳作为还原剂，对铜基催化剂进行还原。其反应如下：CuO+H2→Cu+H2O+QCuO+CO→Cu+H2O+Q氧化铜的还原反应是强烈的放热反应，而且铜基催化剂对热比较敏感，因此要严格控制氢及一氧化碳浓度和温度，还原升温要缓慢，出水均匀，以防温度猛升和出水