年产65万吨煤制甲醇合成工段工艺设计
分类号：TQ223.12
年产65万吨甲醇合成工段工艺设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
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注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：（签名）单位：（盖章）
年月日
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：（签名）单位：（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：□优□良□中□及格□不及格教研室主任（或答辩小组组长）：（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：（签名）
年月日
目录
摘要 (1)
设计任务 (2)
1.概述 (3)
1.1甲醇的性质与用途 (3)
1.2甲醇的发展现状 (3)
1.3合成甲醇的目的与意义 (4)
2.甲醇合成工段设计 (4)
2.1甲醇合成方法的选择 (4)
2.2甲醇合成反应工艺条件的确定 (8)
2.3工艺流程的确定 (12)
3.合成工段工艺计算 (13)
3.1甲醇合成工段物料衡算 (13)
3.2甲醇合成工段热量衡算 (21)
4.主要设备的工艺计算和设备选型 (27)
4.1甲醇合成塔的设计选型 (27)
4.2辅助设备的设计选型 (32)
5.甲醇合成工段安全技术与环境保护 (35)
5.1有毒物质的预防 (35)
5.2甲醇的贮存 (36)
6.设计结果汇总 (38)
6.1合成工段主要设备一览表 (38)
6.2符号说明一览表 (38)
结束语 (39)
参考文献 (39)
致谢 (40)
附录 (42)
年产65万吨甲醇合成工段工艺设计
李婧
（西安文理学院，化学工程学院，西安，710065）
摘要:本设计遵循“技术先进，工艺成熟，经济合理，安全环保”的原则，结合甲醇的性质特征，采用德国Lurgi公司开发的低压合成法，进行以煤为原料年产65万吨甲醇合成工艺设计。设计的主要内容是甲醇合成工段的工艺论证、物料衡算和热量衡算、工艺计算及设备设计选型，并绘制了合成反应器结构图，工艺流程图，设备平面布置图等。
关键词：甲醇；合成；工艺设计
The process design of methanol synthesis section with annual production of 650000 tons methanol
Li Jing
（School of Chemical Engineering, Xi'an University ,Xi'an, 710065）Abstract: The design is according to the principles of “advanced technology, technology mature, economical rationality, safety and environmental protection”. This design adopts low pressure synthesis technology of German Lurgi company combined with the characteristics of the methanol. The design with annual capacity of 650000 tons of methanol synthesis process is taking coal as raw material. The design main content are process demonstration, material balance calculations and heat balance calculations, process calculation and equipment selection and so on. And draw the synthesis reactor structure, process flow diagram, equipment layout, etc. Key words: methanol ; synthesis; process design
设计任务
设计题目：年产65万吨甲醇合成工段工艺设计
设计条件
项目
生产量
650000吨/ 年
操作条件操作温度
自选操作压力
氢碳比
压缩比
空速
催化剂
设备工作日300天/ 年，24h连续运行
设计内容和要求
序号设计内容要求
1 工艺设计选择合适的工艺流程、工艺条件
2 工艺计算物料衡算、热量衡算等
3 塔设备设计甲醇合成反应器工艺尺寸设计计算
4 换热器传热面积的计算、规格选型
5 水冷器传热面积的计算、规格选型
6 分离器传热面积的计算、规格选型
7. 汽包传热面积的计算、规格选型
8. 压缩机压缩机规格选型
9. 绘图绘制合成反应器结构图，合成工段工艺流程
图，设备平面布置图
10. 编写设计说明书目录、引言、设计内容、设备选型、设计结果一览表、结束语
11. 参考文献十篇以上相关的中文文献和两篇英文文献
1.概述
1.1甲醇的性质与用途
1.1.1 甲醇性质
甲醇俗称木醇、木精，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]。
1.1.2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。
1.2甲醇的发展现状
甲醇在我国的发展最早开始于1957年，经过几十年的发展，我国陕西榆林天然气公司、上海焦化有限公司等地拥有甲醇生产装置的生产能力达到20万t/a，除此之外，苏里格天然气化工股份有限公司还有用一套生产18万t/a的甲醇生产装置。随着甲醇生产技术的发展，我国甲醇生产技术越来越高，生产工艺逐步成熟，生产规模渐渐扩大，特别是现如今的甲醇柴油、汽油等的出现成为一种经济、技术的代用燃料[2]。
据统计，2010年全球甲醇生产能力约7726万t/a，产量约4915万t。预计到
2015年，全球甲醇产能将达12634万t/a，年均增长率为10.3%。近年我国新增产能逐步向煤炭产地集中，同时以焦炉气为原料的甲醇产能增长迅速。2011年，国内甲醇企业数逾300家，产能达4700万t/a，同比增长22.4%；产能为2200万t，同比增长25.6%；表观消费量约2760万t，同比增长21.6%。现如今，甲醇生产已经成为我国重点发展工业[3]。
1.3合成甲醇的目的与意义
由于我国石油资源的短缺，能源安全已经成为不可回避的现实问题，需求替代能源已成为我国经济发展的关键。合成甲醇技术是煤化工技术在能源转换的背景下研究开发的，其宗旨是以水煤气为原料，扩大炭资源的使用范围，缓和石油危机。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。
甲醇是一种重要的化工产品，有很多用途，它是生产塑料、合成橡胶、农药、医药和染料的原料。为了解决石油资源不足的问题，许多国家正研究充分利用煤和天然气资源，发展合成甲醇工业，以甲醇代替燃料或进一步合成汽油，也可以从甲醇出发合成乙醇，然后进行乙醇脱水生产乙烯，以替代石油生产乙烯的原料路线，或从甲醇直接制取乙烯、丙烯等低级烯烃[4]。近年来，我国甲醇需求增长平稳，一部分来自于传统应用领域，如甲醛生产等，而新应用领域如醋酸及MTBE 等则支撑着甲醇需求的增长。广义地说，甲醇应用可分为两大应用领域，即MTBE 和化工应用。工业合成甲醇常用的方法有甲烷部分氧化法制甲醇和一氧化碳、二氧化碳加压催化氢化制取甲醇的方法。后者在现今的工业上应用较广泛[5]。
2.甲醇合成工段设计
2.1甲醇合成方法的选择
2.1.1合成甲醇工艺的选择
甲醇合成的主反应是：CO+2H2 → CH3OH
在合成反应中，合成气制甲醇的工艺按压力分为高压、中压和低压法。目前甲醇生产技术主要采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[6]。
（1）高压法(25—35MPa)是最初生产甲醇的方法，采用锌铬催化剂，反应温度300～400℃，压力25—35MPa。高压法由于原料及动力消耗大，反应温度高，生成粗甲醇中有机杂质含量高，而且投资大，成本高，其发展长期以来处于停滞状态。
（2）中压法(15～25MPa)中压法采用高活性的铜系催化剂，反应温度与低压法相同，它具有与低压法相似的优点，但由于提高了压力，相应动力消耗略有增加。目前，世界上新建或扩建的甲醇装置几乎都采用低压法或中压法。
（3）低压法（5.0—10.0MPa)是20世纪60年代后期发展起来的甲醇合成技术，由英国ICI公司研究得出。低压法基于高活性的铜系催化剂。铜系催化剂的活性明显高于锌铬催化剂，反应温度低(230～270℃)，因此，在较低的压力下可获得较高的甲醇收率。而且选择性好，减少了副反应，改善了甲醇质量，降低了原料的消耗。此外，由于压力低，不仅动力消耗比高压法降低很多，而且工艺设备的制造也比高压法容易，投资得以降低。总之，低压法比高压法有显著的优越性。
表2.1 三种压力合成甲醇法的操作条件
Tab. 2.1 three kinds of pressure synthesis operating conditions
高压法中压法低压法
操作压力，MPa 25~35 15~25 5.0~10.0
操作温度，℃300~400 250~350 230~270 催化剂Zn-Cr Cu-Zn-Cr Cu-Zn-Al或Cu-Zn-Cr 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，本设计采用低压法合成甲醇。
2.1.2甲醇合成塔的选择
甲醇合成的主要设备是甲醇合成塔、水冷器、甲醇分离器等，甲醇合成塔是其核心设备，甲醇合成塔的形式基本决定了甲醇合成的系统装置。下面五种是大型低压甲醇装置常用的合成反应器[7]。
（1）Lurgi管壳式甲醇合成反应器
Lurgi甲醇合成反应器是德国Lurgi公司研制的一种管束型副产蒸汽合成塔。Lurgi合成塔既是反应器，又是废热锅炉，合成塔内部类似于一般的列管式换热器，列管内装催化剂，管外为沸腾水，反应气体流经反应管，反应放热，热量通过管壁传给沸腾水，使其汽化，转变成蒸汽，管中心与沸腾水相差仅10℃左右。 Lurgi管壳式甲醇合成反应器具有以下优点：
①合成甲醇反应器催化剂床层内温度较为均匀，大部分床层温度在250~255℃之间，温度变化小，催化剂使用寿命长，并允许原料气中含有较高的CO；
②能准确、灵敏地控制反应温度，催化剂床层的温度可以通过调节蒸汽压力控制；
③回收的反应热位能高，热量利用合理；
④反应器出口甲醇含量较高，催化剂利用率高；
⑤设备紧凑，开停车方便；合成反应过程中副反应少，故粗甲醇中杂质含量少，质量高。
其缺点是结构较为复杂，装卸催化剂不太方便。
（2）ICI多段冷激式甲醇反应器
ICI甲醇合成塔为多段冷激型反应器，段内绝热，段间原料气冷激。其主要优点有：单塔操作，生产能力大；温控方便；冷激采用菱形专利技术，催
化基层上下贯通，催化剂装卸方便。其缺点是反应器内有部分气体与未反应气体返混，催化剂时空产率不高，用量较大，仅能回收低品位热能。
（3）MHI/MGC 管壳-冷管复合型甲醇合成反应器
该反应器为Lurgi反应器的改进型，该反应器是在管壳反应器的催化管内加一根冷管，用于预热原料气。
其主要优点是：一次通过的转化率高；可以高位能回收热量；在反应器中预热原料气，可以省去一个换热器。
（4）Topsoe（托普索）径向流甲醇合成反应器
合成系统由三台绝热操作的径向流反应器组成，反应器之间设置外部换热器移走热量，气体在床层中向心流动，该反应器特点是：
①径向流动，压降较小，可增大空速，提高产量；
②可使用小粒径催化剂，提高粒内效率因子，提高宏观反应速度；
③可方便地增大生产规模，在直径不变的情况下，增加反应器高度，即可增大生产规模，单系列能力可达2000 吨/天以上。
（5）Linde（林德）等温型甲醇合成反应器
Linde 等温型甲醇合成反应器，其结构与高效螺旋盘管换热器相似，盘管内为沸水，盘管外放置催化剂，反应热通过盘管内沸水移走，其反应器特点是：基本上在等温下操作，可防止催化剂过热，控制蒸汽压力调节床层温度冷却盘管与气流间为错流，传热系数较大。
综上所述，Lurgi管壳式甲醇合成塔，反应温度均匀，转化率较高，反应副产物少，原料消耗低，副产物少，加上国外目前建设的大型/超大型甲醇装置多采用Lurgi工艺，大型装置工业化经验多，工艺成熟。因此本设计“年产65万吨甲醇项目”采用该塔。
2.1.3催化剂的选用
铜基催化剂和锌铬催化剂的比较如下表2.2
表2.2 铜基催化剂和锌铬催化剂的比较[8]
Tab. 2.2 comparison of copper based catalyst and zinc chromium catalyst
种类优点缺点适用的生产工艺铜基催化剂活性温度低耐热性差中、低压法
选择性高耐毒性差（220~270℃，5-15MPa）锌基催化剂耐热性高高压法
耐毒性高活性温度高（350~400℃，25-32MPa）通过以上比较，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，使用铜基催化剂已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。
国内外常用铜基催化剂的特性对比如下表2.3
表2.3 国内外常用铜基催化剂的特性对比[9]
Tab. 2.3 comparison of the characteristics of copper based catalysts at home and abroad
催化剂型号
组分/ %操作条件
CuO ZnO Al2O3压力/MPa 温度/℃
英国ICI 51-3 60 30 10 7.8-11.8 190~270
德国GL 104 51 32 4 4.9 210~240
美国C79-2 - - - 1.5-11.7 220~330
丹麦LMK 40 10 - 9.8 220~270
中国C302系列51 20 8 5.0-10.0 210~280
中国XCN-98 52 20 8 5.0-10.0 200~290 本次设计采用由西南化工研究设计院开发的XNC-98，该催化剂是纳米级特殊载体制成的负载型催化剂，具有密度小、孔容大、孔分布合理、机械强度好、抗烧结性强、活性高、稳定性和选择性好的特点。
XNC-98型低压甲醇合成催化剂的物性情况[10]如下：
外观：有色金属光泽的圆柱体
堆积密度： 1.3～1.5kg/L
外型尺寸：Φ5×(4.5～5)mm