1、 年产 50 万吨煤制甲醇生产的工艺设计北京理工大学珠海学院本科生毕业设计诚信承诺书本人郑重承诺：我所呈交的课程设计年产 50 万吨煤制甲醇生产的工艺设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，论文使用的数据真实可靠。承诺人签名： 日期： 年 月 日北京理工大学珠海学院 2013 届本科生毕业设计I年产 50 万吨煤制甲醇生产的工艺设计摘 要煤制甲醇生产工艺是一种以煤为原料进行甲醇生产的工艺流程。在国际原油价格不断攀升的环境下，甲醇作为多种有机产品的基本原料和重要溶剂，受到众多投资者的关注。通过查阅资料及分析，采用德国 Lurgi
2、公司开发的低压合成法，以煤作为原料，进行年产 50 万吨的甲醇生产的工艺设计，包括原料气的制备、合成工艺设计以及粗产品的精制工艺设计。同时，参考相关的资料和标准对合成工段和精馏工段的设备和管道进行了合理布局，并编制了设备一览表，物料流程图，工艺管道及仪表流程图，设备平面布置图。关键词：甲醇；低压法；合成工艺；精制工艺北京理工大学珠海学院本科生毕业设计IIAn annual output of 500,000 tons of coal to methanol Production process designAbstractMethanol production process is a coa
3、l as feedstock for methanol production process.Methanol as the basic raw material of a variety of organic products and an important solvent in the environment of rising international crude oil price, subject to the attention of many investors. Through access to information and analysis, using German
4、 Lurgi company has developed a low-pressure synthesis, using coal as raw material, and an annual output of 500,000 tons of methanol production process design, inducing the preparation of the feed gas,the synthesis process design, and the crude product was purified process design. The same time, refe
5、rence information and standard rational distribution of the synthesis section and distillation equipment and piping section, and to prepare a list of equipment, material flow chart, process piping and instrumentation diagrams, equipment layout plan.Keywords: Methanol ; Low-pressure method ; Synthesi
6、s process ; Refining process北京理工大学珠海学院本科生毕业设计III目 录1 前言 .11.1 合成甲醇的发展历程 .11.2 合成甲醇的重要性 .11.3 国内外甲醇的生产和供需概况 .21.3.1 国外甲醇的生产和供需概况 .21.3.2 国内甲醇的生产和供需概况 .31.4 甲醇的生产方法 .41.5 甲醇的生产规模 .61.6 粗甲醇的精制原理 .61.6.1 粗甲醇的组成 .61.6.2 粗甲醇中杂质的分类 .71.6.3 精甲醇的质量标准 .81.7 几种典型的甲醇精制工艺流程 .92 甲醇合成催化剂及合成工艺选择 .122.1 催化剂选择 .122.2
7、 反应温度 .122.3 反应压力 .132.4 气体组成 .132.5 空速 .133 原料气的制取工艺 .153.1 煤的选用 .153.2 气化工艺 .153.3 原料气的变换 .173.4 脱硫脱碳工艺 .183.5 合成工艺流程 .203.6 精馏方案选择 .214 物料衡算 .224.1 合成过程的反应方程 .22北京理工大学珠海学院本科生毕业设计IV4.2 合成塔物料衡算 .224.3 合成反应中各气体消耗和生产量 .234.4 新鲜气和驰放气量的确定 .244.5 循环气气量的确定 .254.6 入塔气和出塔气组成 .264.7 甲醇分离器出口气体组成 .284.8 贮罐气组成
8、 .295 热量衡算 .315.1 合成塔热量衡算相关计算式 .315.1.1 合成塔入塔热量计算 .315.1.2 合成塔的反应热 .325.1.3 合成塔出塔热量计算 .325.2 合成塔热量损失 .335.3 蒸汽吸收的热量 .335.4 合成气换热器的热量衡算 .345.4.1 合成气入换热器的热量 .345.4.2 合成气出换热器的热量 .345.5 换热器的热量衡算 .345.5.1 入换热器的出合成塔气热量 .345.5.2 出换热器的出合成塔气热量 .355.6 水冷器的热量衡算 .355.6.1 入水冷器的热量 .355.6.2 出水冷器的热量 .355.6.3 冷却水的用量
9、 .365.7 甲醇分离器的热量衡算 .366 合成工段的设备选型 .376.1 催化剂的使用量 .376.2 合成塔的设计 .376.2.1 换热面积的确定 .376.2.2 换热管数的确定 .376.2.3 合成塔直径 .386.2.4 合成塔的壁厚设计 .386.2.5 壳体设计液压强度校核 .386.2.6 合成塔封头设计 .39北京理工大学珠海学院本科生毕业设计V6.2.7 折流板和管板的选择及设计 .396.2.8 支座 .396.3 合成气进塔换热器的选型 .396.4 水冷器的选型 .436.5 汽包的选型 .446.6 加热器的选型 .446.7 分离器的设计 .456.8
10、合成气压缩机选型 .456.9 出塔气离心泵 .456.10 冷却水离心泵 .466.11 粗产品泵 .467 甲醇精馏工段的设计 .477.1 预精馏塔的设计 .477.1.1 进料组成 .477.1.2 加碱量的计算 .477.1.3 清晰分割法取出二甲醚 .487.1.4 预精馏塔塔釜温度计算 .497.1.5 理论板数的计算 .497.2 加压精馏塔设计 .507.2.1 清晰分割法分离物系 .507.2.2 塔顶、进料、塔釜温度计算 .517.2.3 回流比及理论板数计算 .527.3 加压精馏塔工艺尺寸设计 .537.3.1 平均摩尔质量、密度、表面张力计算 .537.3.2 精馏
11、段塔径设计 .557.3.3 提馏段塔径设计 .557.3.4 塔板工艺尺寸计算 .567.3.5 热量衡算 .597.4 常压精馏塔设计 .617.4.1 清晰分割法分离物系 .617.4.2 塔顶、进料、塔釜温度计算 .627.4.3 回流比及理论板数计算 .637.5 常压精馏塔工艺尺寸设计 .647.5.1 平均摩尔质量、密度、表面张力计算 .64北京理工大学珠海学院本科生毕业设计VI7.5.2 精馏段塔径设计 .657.5.3 提馏段塔径设计 .667.5.4 精馏段塔板工艺尺寸计算 .677.5.5 精馏段塔板负荷性能图 .697.5.6 提馏段塔板工艺尺寸计算 .717.5.7
12、提馏段塔板负荷性能图 .747.6 热量衡算 .768 安全技术与环境保护 .798.1 有毒物质的预防 .798.1.1 甲醇中毒的应急处理 .798.1.2 二甲醚中毒的应急处理 .798.1.3 一氧化碳中毒的应急处理 .798.1.4 硫化氢中毒的应急处理 .798.2 甲醇的贮藏 .809 总结 .81参考文献 .82符号说明 .83谢辞 .86附 录 .87北京理工大学珠海学院 2013 届本科生毕业设计11 前言甲醇，是一种有酒精气味的易挥发的无色液体，有毒，燃烧时无烟，有蓝色火焰，能与水、乙醇、乙醚等有机溶剂互溶，能与多种化合物形成共沸混合物，能与多种化合物形成溶剂混溶。因为它
13、最早是由木材和木质素干馏制得，所以又称“木醇”或“木精”,分子式 CH3OH,是饱和醇中最简单的一元醇 1。自 然 界 中 游 离 态 甲 醇 很 少 见 ，但 在 许 多 植 物 油 脂 ， 天 然 染 料 ， 生 物 碱 中 却 有 它 的 衍 生 物 。 在 不 同 的 催 化 剂 存 在 下 ，选 用 不 同 的 工 艺 条 件 ， 生 产 甲 醇 可 以 采 用 单 产 甲 醇 （ 分 高 压 法 、 低 压 和 中 压 ） 或 与合 成 氨 联 产 甲 醇 （ 联 醇 法 2） 。1.1 合成甲醇的发展历程甲醇作为多种有机产品的基本原料和重要溶剂，广泛用于有机合成、染料、医药、涂料
14、和国防等工业,生产规模日益增大，消费范围也不断扩大。20 世纪 30 年代，甲醇几乎全部由木材蒸馏制得，世界甲醇产量约 4.5 万吨。1923 年，德国巴登苯胺-纯碱公司试验用 CO 和 H2，在 300-400和 30-50MPa 的条件下，通过锌铬催化剂的作用下合成甲醇，并于当年首先实现甲醇合成的工业化，简称年产 300t 甲醇的高压合成法装置，至 20 世纪 60 年代，此法一直被引用。1966 年英国帝国化学工业公司（I.C.I）研制成功铜基催化剂，并开发了低压合成工艺，及 I.C.I 工艺。1971 年，德国鲁奇公司开发另一种低压合成甲醇的工艺，简称 Lurgi 工艺。20 世纪 7
15、0 年代中期以后，世界上新建和扩建的甲醇装置几乎都采用低压合成工艺。50 多年来，低压法合成甲醇的工艺几乎成为工业生产甲醇的唯一方法，生产工艺也不断改善。随着技术的不断完善以及新工艺的不断革新，合成甲醇的原料也逐渐拓宽。根据原料的不同，合成甲醇的方法有多种，早期的木材或木质素干馏法制甲醇的方法，今天在工业上已经被淘汰。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，国外对前者的研究一直没有间断 3，是一个很有工业前途的制取甲醇的方法。甲醇工业的迅速发展，在有机合成工业中，是仅次于烯烃和芳烃的重要基础有机原料。1.2 合成
16、甲醇的重要性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。甲醇大量用于生产甲醛和对苯二甲酸二甲酯；以甲醇为原料经羰化反应直接合成醋酸也已经工业化， 。ICI公司生产的甲醇蛋白商品名为“Pruteen” 。“Pruteen”产品中含有72的粗蛋白，蛋氨酸和赖氨酸含量与鱼粉非常相近，作为富北京理工大学珠海学院本科生毕业设计2含热量、维生素、矿物质及高蛋白的饲料在市场上销售 4，5，6 。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
17、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 7，8，9 。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。以甲醇为中间体的煤基化学品深加工产业；从甲醇出发生产煤基化学品是未来碳一化工发展的重要方向。1.3 国内外甲醇的生产和供需概况1.3.1 国外甲醇的生产和供需概况上世纪二十年代甲醇汽油开始用作车用燃料；在二次世界大战期间，甲醇汽油广泛应用于德国；上世纪七十年代受二次石油危机的影响，美国、日本、德国和瑞典等国先后投入人力、物力进行甲醇燃料及
18、甲醇汽车配套技术的研究开发。日本汽车研究所 1993 年用大型公共汽车、载货车使用 M85、M100 燃料，进行了 6 万千米的道路试验，以检验发动机的耐久性、可靠性。1994 年，日本奥托甲醇型汽车，用 7 年时间进行道路试验。 1996 年，日本本田技研工业株式会社，试用汽油、甲醇自由混合双燃料车，已完成确保与汽油大致相同耐久、可靠的灵活燃料车，得出的结论是，成本降低，有利于批量生产。在欧洲，瑞典 1975 年首先提出甲醇可以成为汽车代用燃料，并随即成立国家级的瑞典甲醇开发公司(SMAB)。前德意志联邦共和国在上世纪七十年代开始研制甲醇发动机，1979 年制定了“用于公路交通运输的醇类燃料
19、”的研究规划，将 M15 汽油用于汽车，其间组织过由 6 家汽车厂生产的一千多辆燃醇汽车投入试运行，并在全国主要大、中城市建立 M15 汽车加油站，形成全国供应甲醇汽油的网络。在上世纪七八十年代，德国大众汽车公司还在中国建立了 M100 甲醇汽车示范车队。可以说，德国是至今世界上发展甲醇汽车最有成效的国家。资料表明：使用甲醇汽油用于汽车是完全可行的。据统计，目前，瑞典、新西兰已推广使用 M15 汽油，意大利计划用含甲醇 80%的混合醇代替汽油。综合世界其他国家研究和实用结果，可以得出在现有汽车发动机上，不致发生运行障碍的酒精混合率以乙醇 20%或甲醇 15%为最合适的界限。如今已大量推广使用甲醇汽油的有德国，其加甲醇 3%5%；瑞典，其加甲醇 15%，而大多数国家计划加甲醇 15%，并正在进一步的推广或成批使用中。我国国内优势化工企业尚处于国外同行发展的第一和第二阶段的早期阶段。目前世界上最大的甲醇供应厂商是 Methanex 公司，总部设在美国，在加拿大、新西兰、智利、特立尼达和多巴哥以及美国都有生产装置，其生产能力占全球总能力的21，占全球供应量的 4050。其次是沙特阿拉伯的基础工业公司(SABIC),约占全
