年产20万吨甲醇精馏工艺设计

化工设计课程小设计年产20万吨甲醇精馏工艺设计专 业： 应用化工技术 组 名： 化工设计第四组 指导时 间：2012-12-6 . .化工设计课程小设计任务分配第四组姓名任务描述签字组织协调各人员的分工,确定设计思想和原则,确定厂址选择、环境保护、安全技术与劳动保护等,汇总编制设计说明书,编制分析仪器说明,协助绘制PID图,绘制电子版工程图负责绘制PFD、PID、主要设备总装图, 检测、控制点仪表,绘制车间规划及设备的平立面布置、绘制平立面布置图负责甲醇合成系统的设计计算,工艺流程的物料衡算及能量衡算,编制合成系统的物流表,确定原料消耗及消耗量计算,投资估算及技术经济,负责论文确定厂址选择、环境保护、安全技术与劳动保护等,汇总编制设计说明书,编制分析仪器说明,协助绘制PID图负责绘制PFD、PID、,确定原料消耗及消耗量计算,投资估算及技术经济,协助分析确定环境保护的工作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、精馏。目录第一章甲醇合成的基本概念4第一节：概述4一.甲醇性质4二.甲醇用途4三.甲醇生产工艺的发展4第二节：甲醇合成方法6第三节：甲醇的合成路线6第四节：甲醇合成的目的7第五节：设计的依据7第六节：设计的指导思想8第七节：设计的范围,装置组成及建设规模8第八节：原料气的规格9第九节：产品质量标准9第二章: 甲醇合成工艺设计10第一节甲醇合成生产方法选择工艺操作条件的确定与论证110一操作温度10二操作压力10三气体组成11四空速11五甲醇的精馏11六甲醇合成塔的选择916七.催化剂的选用19第二节:工艺计算26一物料衡算26二热量衡算34三主要设备的计算和选型2137第三章:T址的选择及平面面图设计46第四章:车间布置2446一厂房的整体布置设计46二.合成车间设备布置的设计46第五章:管道的布置47第六章:公用工程及三废处理48第一节:公用工程48第二节:三废处理49设计结果评价50致谢51参考文献52附表附图：厂区布置图车间布置图管道布置图带控制点工艺流程图合成氨工艺流程图第一章 甲醇合成的基本概念第一节：概述一.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,蒸气相对密度1.11,熔点-97.8,沸点64.7,闪点开杯16,自燃点473,折射率1.3287,表面张力2545.05mN/m,蒸气压2012.265kPa,粘度200.5945mPas。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6.036.5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。二.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。三.甲醇生产工艺的发展甲醇是醇类中最简单的一元醇。1661年英国化学家R.波义耳首先在木材干馏后的液体产物中发现甲醇,故甲醇俗称木精、木醇。在自然界只有某些树叶或果实中含有少量的游离态甲醇,绝大多数以酯或醚的形式存在。1857年法国的M贝特洛在实验室用一氯甲烷在碱性溶液中水解也制得了甲醇。1923年德国BASF公司首先用合成气在高压下实现了甲醇的工业化生产,直到1965年,这种高压法工艺是合成甲醇的唯一方法。1966年英国ICI公司开发了低压法工艺,接着又开发了中压法工艺。1971年德国的Lurgi公司相继开发了适用于天然气渣油为原料的低压法工艺。由于低压法比高压法在能耗、装置建设和单系列反应器生产能力方面具有明显的优越性,所以从70年代中期起,国外新建装置大多采用低压法工艺。世界上典型的甲醇合成工艺主要有ICI工艺、Lurgi工艺和三菱瓦斯化学公司工艺1。目前,国外的液相甲醇合成新工艺2具有投资省、热效率高、生产成本低的显著优点,尤其是LPMEOHTM工艺,采用浆态反应器,特别适用于用现代气流床煤气化炉生产的低H2比的原料气,在价格上能够与天然气原料竞争。我国的甲醇生产始于1957年,50年代在XX、XX和XX等地建成了以煤或焦炭为原料来生产甲醇的装置。60年代建成了一批中小型装置,并在合成氨工业的基础上开发了联产法生产甲醇的工艺。70年代XX维尼纶厂引进了一套以乙炔尾气为原料的95 kt/a低压法装置,采用英国ICI技术。1995年12月,由化工部第八设计院和上海化工设计院联合设计的200 kt/a甲醇生产装置在上海太平洋化工公司顺利投产,标志着我国甲醇生产技术向大型化和国产化迈出了新的一步。20XX,XX林达公司开发了拥有完全自主知识产权的JW低压均温甲醇合成塔技术3,打破长期来被ICI、Lurgi等国外少数公司所垄断拥的局面,并在20XX获得国家技术发明二等奖。20XX,该技术成功应用于国内首家焦炉气制甲醇装置上。四.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。第二节：甲醇合成方法目前世界上合成甲醇的工业生产方法有美国卜内门公司的低压和中压法,德国鲁奇公司的低压和中压法,日本三菱瓦斯化学公司MGC低压法,丹麦托普索公司节能型低压法以及德国巴斯夫公司的高压法等。我国小规模装置主要采用高压法,引进装置则采用低压法。其中川维引进ICI法,齐鲁引进鲁奇法。与高压法比较低压法的优点是：能量消耗少,操作费用低,产品纯度高,设备费用低,故新建厂大多采用低压法。国内低压法已经投入生产,并对催化剂进行了研究,已取得了好的进展。德国巴斯夫公司的高压法这是最先实现工业化的甲醇生产工艺,由于其操作条件苛刻,能耗大,成本高,所以已逐步被中、低压法工艺所取代。ICI低压法这是目前工业上广泛采用的合成甲醇的方法。其工艺过程为：脱硫、转化、压缩、合成、精馏。特点：在采用不同原料时开车简单,操作可靠,并且不同生产能力的工厂均能使用离心式压缩机,产品纯度高,能充分利用反应热。鲁奇渣油联醇法,我国XX齐鲁石化公司引进此方法。特点：热利用率高,在能量利用方面经济效果大。目前低压法合成甲醇工艺中,鲁奇法和ICI法在技术上比较成熟。中压法公司、丹麦托普索公司、日本三菱瓦斯化学公司都有成功的方法,中压法与低压法相比,工艺过程相同,但在投资和综合指标上都要略高一点。第三节：甲醇的合成路线甲醇合成合成气净化煤制合成气甲醇精馏图1 合成甲醇的简单工艺流程首先是采用GSP气化工艺将原料煤气化为合成气；然后通过变换和NHD脱硫脱碳工艺将合成气转化为满足甲醇合成条件的原料气；第三步就是甲醇的合成,将原料气加压到5.14Mpa,加温到225后输入列管式等温反应器,在XNC-98型催化剂的作用下合成甲醇,生成的粗甲醇送入精馏塔精馏,得到精甲醇。然后利用三塔精馏工艺将粗甲醇精制得到精甲醇。第四节：甲醇合成的目的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,寻求替代能源已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20万吨煤制甲醇的生产车间。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。第五节：设计的依据1.大学材料与化工学院2008届毕业设计选题年产20万吨甲醇生产工艺初步设计任务书,见附件。2.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4.9 MPa,副产蒸汽压力3.9 MPa,入塔温度225,出塔温度255。第六节：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。第七节：设计的范围,装置组成及建设规模1.设计的范围1) 年产20万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) 环保措施5) 编写设计说明书6) 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2.装置组成1设生产车间3个压缩车间：压缩甲醇。合成车间：甲醇合成。精馏车间：甲醇精馏和甲醇贮罐区。2） 设辅助车间3个控制室,配电室,维修室。3.建设规模生产能力：年产20万吨甲醇,年开工日为300天。工作制度：合成车间日工作小时为24小时,每日3班轮流替换,每班8小时连续生产,共4个班。厂址选择该厂建设在某煤矿附近,计划占地约140亩；厂房基建部分由某工程设计院设计。第八节：原料气的规格原料气的组成：一氧化碳14%；二氧化碳13%；氢气69%；氮气1%；甲烷3%。第九节：产品质量标准本产品精甲醇执行国家GB33892标准,具体指标见下表表1 甲醇GB33892项 目指标优等品一等品合格品色度铂钴,号 510密度200C,g/cm30.7910.7920.7910.793温度范围,沸程包括64.60.10C,0.81.01.5高锰酸钾试验,min 503020水溶性试验澄清水分含量,% 0.100.15酸度以HCOOH计,% 或碱度以NH3计,% 0.00150.0030.0050.00020.00080.0015羰基化合物含量以CH2O计,% 0.0020.0050.01蒸发残渣含量,% 0.0010.0030.005第二章: 甲醇合成工艺设计第一节甲醇合成生产方法选择工艺操作条件的确定与论证1一操作温度甲醇合成催化床层的操作温度主要是由催化剂的活性温度区决定的。操作温度的控制同样是一个操作费用的控制问题,在设计中,需要延长催化剂的使用寿命,防止催化剂的迅速老化和活性衰减速度加快。一般而言,在催化剂的使用初期,反应温度维持较底的数值,随着使用时间的增加,逐步提高反应温度。例如副产蒸汽型等温甲醇合成塔采用国产铜系催化剂,使用前期,可控制床层零点温度230240,热点温度260左右；后期,可控制床层零点温度260270,热点温度290。设计采用的甲醇合成塔为列管式等温反应器,管间走的是沸腾水,可以副产蒸汽,床层内温差很小,接近最佳温度操作曲线。设计中采用的甲醇合成催化剂为国产的铜系XCN-98,由它的性质可知：适合使用的温度范围为200290。二操作压力压力是甲醇合成反应过程的重要工艺条件之一。甲醇合成反应时分子数变少,因此增加压力对反应有利,由于压力高,组分的分压提高,因而催化剂的 生产强度也提高。操作压力的选用与催化剂的活性有关。早期的高压法合成甲醇工艺采用的是锌基催化剂,由于活性差,需要在高温高压下操作,其操作压力为2535Mpa,操作温度350420。至较高的压力和温度下,一氧化碳和氢生成甲烷、异丁醇等副产物,这些副反应的反应热高于甲醇合成反应,使床层温度提高,副反应加速,如果不及时控制,回造成温度猛升而损坏催化剂。近年来普遍使用的铜基甲醇合成催化剂,其活性温度范围在200300,有较高的活性,对于规模小于30万吨/a的工厂,操作压力一般可降为5Mpa左右；对于超大型的甲醇装置,为了减少设备尺寸,合成系统的操作压力可以升至10Mpa左右。设采用的是低压法入塔压强为5.14MPa合成甲醇。三气体组成对于甲醇合成原料气,即合成工序的新鲜气,应维持f=H2-CO2/=2.102.15,并保持一定的CO2。由于新鲜气中H2-CO2/略大于2,而反应过程中氢与一氧化碳、二氧化碳的化学计量比分别为2:1和3:1,因此循环气中H2-CO2/远大于2。合成塔中氢气过量,对减少副反应是有利的。甲醇合成过程中,需要一定的二氧化碳存在以保持催化剂的高活性。二氧化碳的存在可以降低反应系统的热效应,这对维持床层温度也是有利的。但是过高的二氧化碳含量会降低合成系统的生产能力,粗甲醇含水增加,增加精馏系统的负荷和能耗。所以二氧化碳的含量应该尽可能低一些,一般不超过5%。四空速空速不仅是一个和合成回路气体循环量相关联的工艺控制参数,也是一个影响综合经济效益的变量。甲醇合成过程中,首先甲醇合成塔内的气体空速必须满足催化剂的使用要求,国产铜基催化剂,一般要求气体空速在800020000h-1之间。空速过低,结炭等副反应加剧,空速过高,系统阻力加大或合成系统投资加大,能耗增加,催化剂的更换周期缩短。空速的选择需要根据每一种催化剂的特性,在一个相对较小的范围内变化。XCN-98的空速要求为600015000h-1,本设计空速定为12000 h-1。五甲醇的精馏在甲醇合成时,因合成条件如压力、温度、合成气组成及催化剂性能等因素的影响,在产生甲醇反应的同时,还伴随着一系列的副反应。所得产品除甲醇为,还有水、醚、醛、酮、酯、烷烃、有机酸等几十种有机杂质。由于甲醇作为有机化工的基础原料,用它加工的铲平种类很多,因此对甲醇的纯度均有一定的要求。甲醇的纯度直接影响下游产品的质量、消耗、安全生产及生产过程中所用的催化剂的寿命。所以粗甲醇必须提纯。1. 精馏的原理精馏是将沸点不同的组分所组成的混合液,在精馏塔中,同时多次部分气化和多次部分冷凝,使其分离成纯态组分的过程。其分离的原理如下：对于由沸点不同的组分组成的混合液,加热到一定温度,使其部分气化,并将气相与液相分离。因低沸点组分易于气化,则所得气相中低沸点组分含量高于液相中的含量,而液相中高沸点组分含量,较气相中高。若将气相混合蒸汽再部分冷凝下来,将冷凝液再加热到一定温度,使其部分气化,并将气相与液相分离,则所得气相冷凝液中的低沸点组分又高于原气相冷凝液。如此反复,低沸点组分不断提高。到最后制的近纯态的低沸点组分。2.精馏工艺和精馏塔的选择甲醇精馏按工艺主要分为三种：双塔精馏工艺技术、带有高锰酸钾反应的精馏工艺技术和三塔精馏工艺技术。双塔精馏工艺技术由于具有投资少、建设周期短、操作简单等优点,被我国众多中、小甲醇生产企业所采用。其在联醇装置中得到了迅速推广。带有高锰酸钾反应的精馏工艺技术仅在单醇生产中用锌铬为催化剂的产品中有应用。近年来.随着甲醇合成铜基催化剂的广泛应用和气体净化水平的提高。粗甲醇生产中的副反应减少和杂质的降低,此工艺流程己经很少采用。三塔精馏工艺技术是为减少甲醇在精馏中的损耗和提高热利用率,而开发的一种先进、高效和能耗较低的工艺流程。近年来在大、中型企业中得到了推广和应用。1 双塔精馏工艺国内中、小甲醇厂大部分都选用双塔精馏工艺传统的主、预精馏塔几乎都选用板式结构。双塔精馏工艺流程见下图。来自合成工段含醇90%的粗甲醇,经减压进入粗甲醇贮槽。经粗甲醇预热器加热到45后进入预精馏塔。甲醇的精馏分2个阶段：先在预塔中脱除轻馏分.主要是二甲醚；后进入主精馏塔,进一步把高沸点的重馏分杂质脱除,主要是水、异丁基油等。从塔顶或侧线采出.经精馏甲醇冷却器冷却至常温后,就可得到纯度在99.9%以上的符合国家指标的精甲醇产品。该工艺具有流程简单,运行稳定,操作方便,一次投资少的特点。该工艺适合于原料粗甲醇中二甲醚等轻组分、还原性杂质量较低的粗甲醇加工。1预精馏塔； 2主精馏塔图2 甲醇双塔工艺流程2 三塔精馏工艺近年来,许多企业原有甲醇双塔精馏装置己不能满足企业的需要。随着生产的强化,不仅消耗大幅度上升,而且残液中的甲醇含量也大大超过了工艺指标。对企业的达标排放构成了较大的威胁。 甲醇三塔精馏工艺技术是为了减少甲醇在精馏过程中的损耗,提高甲醇的收率和产品质量而设计的。预精馏塔后的冷凝器采用一级冷凝,用以脱除二甲醚等低沸点的杂质,控制冷凝器气体出口温度在一定范围内。在该温度下,几乎所有的低沸点馏分都为气相,不造成冷凝回流。脱除低沸点组分后,采用加压精馏的方法,提高甲醇气体分压与沸点,减少甲醇的气相挥发,从而提高了甲醇的收率。作为一般要求的精甲醇经加压精馏塔后就可以达到合格的质量。如作为特殊需要,则再经过常压精馏塔的进一步提纯。生产中加压塔和常压塔同时采出精甲醇,常压塔的再沸器热量由加压塔的塔顶气提供,不需要外加热源。粗甲醇预热器的热量由精甲醇提供,也不需要外供热量。因此.该工艺技术生产能力大,节能效果显著,特别适合较大规模的精甲醇生产。图3 三塔工艺流程1 预精馏塔 2加压精馏塔 3 常压精馏塔3双塔与三塔精馏技术比较17i. 工艺流程。三塔精馏与双塔精馏在流程上的区别在于三塔精馏采用了2台主精馏塔和1台常压塔,较双塔流程多1台加压塔。这样,在同等的生产条件下,降低了主精馏塔的负荷,并目常压塔利用加压塔塔顶的蒸汽冷凝热作为加热源,所以三塔精馏既节约蒸汽,又节省冷却水。ii. 蒸汽消耗。在消耗方面,由于常压塔加压塔的蒸汽冷凝热作为加热源,所以三塔精馏的蒸汽消耗相比双塔精馏要低。iii. 产品质量。三塔精馏与双塔精馏在产品质量上最大的不同是三塔精馏制取的精甲醇中乙醇含量低,一般小于5010-6,而双塔精馏制取的精甲醇中乙醇含量为40010-650010-6,三塔精馏制取的精甲醇纯度可达99.99%,含有的有机杂质相对较少。iv. 设备投资。三塔精馏的流程较双塔精馏流程要复杂,所以在投资方面,同等规模三塔精的设备投资要比双塔精馏高出20%30%。v. 操作方面。由于双塔精馏具有流程简单,运行稳定的特点,所以在操作上较三塔精馏要方便简单。表5 双塔精馏与三塔精馏的投资与操作费用比较表18项目双塔精馏三塔精馏生产规模t/a1052.51052.5投资100100100113122.3129操作费用1001001006466.771能耗1001001006060.461.2注：投资、操作费用、能耗为相对数 通过上述比较可知,虽然三塔精馏技术的一次性投入要比双塔精馏高出20%30%,但是从能源消耗、精甲醇质量上都要优于双塔精馏,特别是能耗低的优点十分突出。随着三塔精馏生产规模的扩大,能耗还有进一步下降的空间。而双塔精馏技术仅在生产规模低于5万t/ a时具有一定得优势。本设计中甲醇产量为20万t/a,远大于5万t/a,综合考虑各项因素,所以设计采用三塔精馏工艺。3. 精馏塔的选择精馏塔市粗甲醇精馏工序的关键设备,它直接制约着生产装置的产品质量、消耗、生产能力及对环境的影响。所以要根据企业的实际条件选择合适的高效精馏塔。目前常用的精馏塔主要有四种塔型：泡罩塔,浮阀塔,填料塔和新型垂直筛板塔。其各自结构及特点如下19：i. 泡罩塔 泡罩塔十多层板式塔,每层塔板上装有一个活多个炮罩。该类型塔塔板效率高,操作弹性大,塔阻力小,但单位面积的生产能力低,设备体积大,结构复杂,投资较大。该塔已经逐渐被其他塔代替。ii. 浮阀塔 浮阀塔的塔板结构与泡罩相似,致使浮阀代替了泡罩及其伸气管。该类型塔板效率高,操作弹性大,操作适应性强,单位面积生产能力大,造价较低。但浮阀易损坏,维修费用高,安装要求高。目前该塔仍被广泛使用,但有使用逐渐减少的趋势。iii. 填料塔 填料塔是在塔内装填新型高效填料,如不锈钢网波纹填料,每米填料相当5块以上的理论板。塔总高一般为浮阀塔的一半。该塔生产能力大,压降小,分离效果好,结果简单,维修量极小,相对投资较小,是目前使用较多的塔型之一。iv. 新型垂直筛板 新型垂直筛板的传质单元,是由塔板开有升气孔及罩于其上的帽罩组成。该塔传质效率高,传质空间利用率好,处理能力大,操作弹性大,结构简单可靠,投资小,板液面梯度小,液面横向混合好无流动传质死区。综合比较上面四种塔,可以知道填料塔和新型垂直筛板性质更加优越,同时考虑到新型垂直筛板是一种新型塔,目前使用很少,技术难得,而填料塔使用较普遍,技术非常成熟,所以设计选用了填料塔。e 生产工艺参数 预塔：入塔温度65,塔顶放空温度40,预精馏后甲醇比重维持在0.87,预精馏后甲醇pH值宜控制在8 ；加压塔：塔底釜液压强0.6Mpa,温度125,塔顶气体压强0.6Mpa ,温度122,常压塔：塔顶气体压强0.13Mpa,温度67。六甲醇合成塔的选择9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：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；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；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： 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,现已经基本被淘汰。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。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2.5Mpa4.0MPa的中压蒸汽,是大型化较理想的塔型。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3.0MPa4.0MPa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,塔径加大,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,管外的沸腾水却是248,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。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内换热式合成塔。针对甲醇合成的特点采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20万吨的甲醇合成塔日产量为650吨左右,塔的塔径和管板的厚度不会很大,费用也不会很高,所以本设计采用了固定管板列管合成塔。七.催化剂的选用甲醇合成催化剂经过长时间的研究开发和工业实践,广泛使用的合成甲醇催化剂主要有两大系列：一种是以氧化铜为主体的铜基催化剂,一种是以氧化锌为主体的锌基催化剂。锌基催化剂机械强度好.耐热性好,对毒物敏感性小,操作的适宜温度为350400,压力为2532MPa；铜基催化剂具有良好的低温活性,较高的选择性,通常用于低、中压流程。耐热性较差,对硫、氯及其化合物敏感,易中毒。操作的适宜温度为220270,压力为515MPa。通过操作条件的对比分析,可知使用铜基催化剂可大幅度节省投资费用和操作费用,降低成本。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ICI 51-3603010190270德国LG104513244.9210240美国C79-2-220330丹麦LMK4010-9.8220270中国C302系列51324 210280中国XCN-985220 85.010.0 200290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。XNC-98甲醇合成催化剂简介XNC-98型催化剂是XX天一科技股份研制和开发的新产品。目前已在国内20多套大、中、小型工业甲醇装置上使用,运行情况良好。它是一种高活性、高选择性的新催化剂。用于低温、低压下由碳氧化物与氢合成甲醇,具有低温活性高、热稳定性好的特点。常用操作温度200290,操作压力5.010.0 MPa。催化剂主要物化性质：催化剂由铜、锌和铝等含氧化合物组成。外观：有色金属光泽的圆柱体堆积密度：1.31.5kg/L外型尺寸：5mm径向抗压强度：200N/cm催化剂活性和寿命：在该催化剂质量检验规定的活性检测条件下,其活性为：230时：催化剂的时空收率1.20 kg/250时：催化剂的时空收率1.55 kg/在正常情况下,使用寿命为2年以上。表4 XNC-98型与C型催化剂的性能对比11催化剂型号合成塔进口温度加入量/kg.h-1甲烷单耗/甲纯收率/甲纯产率/甲纯产量/初期末期C2102246700.482100.4590.72XCN-982002309000.432290.4998.93通过对比,并结合生产实际可见,XCN-98型催化剂具有以下性能优点：a易还原。b低温活性好,日产量高。75%负荷下的甲醇产量接近装置满负荷设计甲醇量。c适用温区宽,使用寿命长。合成塔进口温度可调温C型催化剂为14,而XCN-98型则为30。随着可调温区的增加,催化剂的使用寿命也相应延长。d选择性好。75%负荷下合成系统未发现结蜡,粗甲醇质量符合设计要求。e可适用于含高浓度CO2的合成气。50%负荷下,C型催化剂CO2加入量最高不超过670kg/h,而XCN-98型催化剂则最高可达900kg/h。75%负荷时,使用XCN-98型催化剂,当入塔气中CO2组分体积分数高达5%时,生产运行情况仍良好,收率和物耗都较低,催化剂仍能保持较高的活性,产品质量符合质量标准的要求。综上所述,催化剂的活性、选择性和使用寿命等主要技术经济指标均优于进口催化剂及国产C型催化剂,所以本设计选用XX天一科技股份研制的XNC-98型催化剂。2.甲醇合成工艺流程来自脱碳装置的新鲜气40,3.4MPa与循环气一起经甲醇合成气压缩机C7001压缩至5.14MPa后,经过入塔气预热器E7001加热到225,进入甲醇合成塔R7001内,甲醇合成气在催化剂作用下发生如下反应：CO + 2H2 = CH3OH + QCO2 + 3H2 = CH3OH + H2O + Q甲醇合成塔R7001为列管式等温反应器,管内装有XNC-98型甲醇合成催化剂,管外为沸腾锅炉水。反应放出大量的热,通过列管管壁传给锅炉水,产生大量中压蒸汽3.9MPa饱和蒸汽,减压后送至蒸汽管网。副产蒸汽确保了甲醇合成塔内反应趋于恒定,且反应温度也可通过副产蒸汽的压力来调节。甲醇合成塔R7001出来的合成气255,4.9MPa,经入塔气预热器E7001,甲醇水冷器E7002A,B,进入甲醇分离器V7002,粗甲醇在此被分离。分离出的粗甲醇进入甲醇膨胀槽V7003,被减压至0.4MPa后送至精馏装置。甲醇分离器V7002分离出的混合气与新鲜气按一定比例混合后升压送至甲醇合成塔R7001继续进行合成反应。从甲醇分离器V7002出来的循环气在加压前排放一部分弛放气,以保持整个循环回路惰性气体恒定。弛放气减压后去燃气发电系统；甲醇膨胀槽V7003顶部排出的膨胀气去燃料气系统。合格的锅炉给水来自变换装置；循环冷却水来自界区外部。汽包V7001排污,经排污膨胀槽V7006膨胀减压后就地排放。甲醇合成工艺流程图详图见附图一图8 合成工艺流程带控制点工艺流程图详图见附图二6. 甲醇精馏工艺流程来自甲醇合成装置的粗甲醇40,0.4MPa,通过预塔进料泵P8002A,B,经粗甲醇预热器加热至65,进入预精馏塔T8001,预塔再沸器E8004用0.4MPa的低压蒸汽加热,低沸点的杂质如二甲醚等从塔顶排出,冷却分离出水后作为燃料；回收的甲醇液通过预塔回流泵P8003A,B作为该塔回流液。预精馏塔T8001底部粗甲醇液经加压塔进料泵P8004A,B进入加压精馏塔T8002,加压塔再沸器E8005以1.3MPa低压蒸汽作为热源,加压塔塔顶馏出甲醇气体0.6MPa,122经常压塔再沸器E8007A,B后,甲醇气被冷凝,精甲醇回到加压塔回流槽V8004,一部分精甲醇经加压塔回流泵P8005A,B,回到加压精馏塔T8002作为回流液,另一部分经加压塔甲醇冷却器E8006冷却后进入精甲醇计量槽V8007A,B中。加压精馏塔T8002塔底釜液0.6MPa,125进入常压精馏塔T8003,进一步精馏。常压塔再沸器E8007A,B以加压精馏塔T8002塔顶出来的甲醇气作为热源。常压精馏塔T8003顶部排出精甲醇气0.13MPa,67,经常压塔冷凝冷却器E8008冷凝冷却后一部分回流到常压精馏塔T8003,另一部分打到精甲醇计量槽V8007A,B内贮存。产品精甲醇由精甲醇泵P8008A,B从精甲醇计量槽V8007A,B送至甲醇罐区装置。为防止粗甲醇中含有的甲酸、二氧化碳腐蚀设备,在预塔进料泵P8002A,B后的粗甲醇溶液中配入适量的烧碱溶液,用来调节粗甲醇溶液的PH值。甲醇精馏系统各塔排出的不凝气去燃料气系统。由常压精馏塔T8003底部排出的精馏残液经废水冷却器E8009冷却至40后,由废水泵P8007A,B送到生化处理装置。由甲醇精馏来的精甲醇贮存到精甲醇贮槽V9101A,B中。精甲醇贮槽为两台10000m3的固定顶贮罐,贮存量按15天产量计。当甲醇外运时,启动精甲醇泵P9101A,B,将甲醇输送到甲醇装卸栈台,通过火车鹤管进入火车槽车,通过汽车鹤管进入汽车槽车。甲醇装卸栈台共设有12台火车鹤管和6台汽车鹤管,根据精甲醇泵P9101A,B的能力,至少有三台槽车同时装料。 精馏工艺流程4. 氨吸收制冷流程由净化装置NHD脱硫脱碳工段及醋酸装置来的气氨-15,0.22MPaA,进入本装置,经过冷器E2503与出工段的液氨换热,升到23.8进入吸收器R2501AB、R2502AB,被由溶液热交换器E2502A,B来的稀氨水47吸收为浓氨水37。其吸收反应热由冷却水带出。浓氨水由氨水泵P2501A、B加压,经溶液热换热器,与来自精馏塔塔釜稀氨水140换热,升到114,进入精馏塔T2501A、B中部进行精馏。蒸出的气氨经塔顶回流冷凝器,进入氨冷凝器E2504AD,冷凝为液氨,进入液氨贮槽,然后液氨经过冷器换热,过冷到16.9送到用户。来自NHD脱硫工段的变换气182,进入本工段再沸器E2501A,B后,再经冷凝液分离器V2504A,B后返回到变换甲烷工段,为精馏氨水提供热源。由精馏塔出来的氨水,经立式膜式再沸器,蒸出气氨及稀氨水混合液,返回到精馏塔。稀氨水由塔底出来进入溶液热交换器。整个装置形成气氨吸收,浓氨水精馏,冷凝液氨的循环系统,为用户提供冷量。来自合成、净化的循环水装置的循环冷却水,分别进入吸收器,冷凝器,塔顶回流冷却器,分别移出氨的反应热和冷凝热。第二节:工艺计算一物料衡算工厂设计为年产精甲醇20万吨,每年300个工作日,粗甲醇中甲醇含量99.95%,粗甲醇组成：甲醇：93.89%；轻组分以二甲醚计：0.188%,重组分以异丁醇计：0.026%,水：5.896%。时产精甲醇：200000*1000/300*24=27777.78/h时产粗甲醇：27777.78*99.95%/93.89%=29570.66/h粗甲醇32:27777.78/h 27777.78/32=868.06kmol/h 868.06*22.4=19444.45Nm3/h二甲醚46：29570.66*0.188%=55.59/h 29570.66*0.188%/46=1.21kmol/h 1.21*22.4=27.07Nm3/h异丁醇74：29570.66*0.026%=7.69/h29570.66*0.026%/74=0.104kmol/h 0.104*22.4=2.33Nm3/h水18：29570.66*5.896%=1743.49/h 29570.66*5.896%/18=96.86kmol/h 96.86*22.4=2169.67Nm3/h合成甲醇反应式主反应 CO+2H2=CH3OH 副反应 2CO+4H2=CH3O2+H2O CO+3H2=CH4+H2O 4CO+8H2=C4H9OH+3H2O CO2+H2=CO+H2O 设生产中,生产一吨粗甲醇生成甲烷7.56Nm3/h,7.56/22.4=0.34kmol,故甲烷每小时生产量：29570.66/h*0.34/1000=10.054 kmol/h 10.054*22.4=225.2101 Nm3/h消耗方式单位消耗物料量生成物料量合计COH 2CO2N2CH4CH3OHC4H9OH2O消耗生成式kmol/h868.061736.12 /868.06/2604.18868.06/h24305.683472.24/27777.92/27777.9227777.92Nm3/h19444.54438889.088/19444.544/58333.63219444.544式kmol/h2.424.84/1.217.261.21/h67.769.68/55.6677.4455.66Nm3/h54.208108.416/27.104162.62427.104式kmol/h10.05430.162/10.054/40.21610.054/h281.51260.324/160.864/341.836160.864Nm3/h225.21675.63/225.23/900.84225.23式kmol/h0.4160.832/0.104/1.2480.104/h11.6481.664/7.696/13.3127.696Nm3/h9.318418.6368/2.3296/27.95522.3296式kmol/h/85.28485.284/h/170.5683752.496/Nm3/h/1910.36161910.3616/合计kmol/h880.951857.23885.284/10.054868.060.1041.212823.472879.428/h24666.67276.4043752.496/160.86427777.927.69655.6632133.57228002.14Nm3/h19733.280441602.13241910.3616/225.2319444.5442.329627.10463245.77419699.2083.循环气1.新鲜气分离器2.入塔气甲醇合成塔6.驰放气储罐粗甲醇5.醇后气不计4.出塔气冷凝设：新鲜气量为G新鲜气,驰放气为新鲜气的9%,即G驰放气=0.09G新鲜气 G新鲜气=G消耗气+G驰放气 G新鲜气= G消耗气+0.09 G新鲜气 查表：G消耗气=63245.7744 Nm3/h G消耗气=0.91 G新鲜气G新鲜气=69500.851 Nm3/h表1.新鲜气组分H 2COCO2N2CH4总计mol/%0.690.140.130.010.031.00kmol/h2140.874434.380403.35331.02793.08153102.716Nm3/h47955.5879730.1199035.111695.0092085.02669500.852/h4281.74812162.64017747.532868.7561489.30436549.98设：甲醇合成塔出气中含甲醇7.12% G甲醇/G出塔气=7.12%查表：生成甲醇19444.544 Nm3/hG出塔气=273097.53 Nm3/hG出塔气= G新鲜气+G循环气G消耗气+ G生成气G出塔气=273097.5369500.851+63245.774419699.2076 =247143.246 Nm3/h表2.循环气物料量及组成组分COCO2H 2N2CH4CH3OHH2O合计%v6.293.5079.315.494.790.610.01100Nm3/h15545.3108650.014196009.30813568.160411838.1611507.57424.714247143.245kmol/h693.987386.1618750.416605.722528.48967.3021.10311033.18/h19431.63816991.09817500.83116960.2168455.8302153.67719.86081513.15表3.甲醇生产入塔气流量组成Nm3/h组成COCO2H 2N2CH4CH3OHH2O合计%v7.985.5977.054.504.400.480.0078100Nm3/h25275.42217685.121243964.65014263.17813923.1881507.57424.715316643.848kmol/h1128.367789.51410891.279636.749621.57167.3021.10314135.885/h31594.27634738.61621782.55817828.9729945.1362153.66419.854118063.076表4.驰放气组成COCO2H