年产40万吨甲醇合成工艺设计.doc

1、内门古化工职业学院毕业设计(论文)第 1 页 设计任务书设计（论文）题目：年产 40 万吨甲醇合成工艺设学院： 内门古化工职业学院 专业：应用化工技术 班级：应化 09-4 班 学生：张琦 指导教师： 杨志杰 李秀清 内门古化工职业学院毕业设计(论文)第 2 页 1设计（论文）的主要任务及目标(1) 结合专业知识和工厂实习、分析选定合适的工艺参数。(2) 进行工艺计算和设备选型能力的训练。(3) 进行工程图纸设计、绘制能力的训练。2设计（论文）的基本要求和内容(1) 本车间产品特点及工艺流程。(2) 主要设备物料、热量衡算、结构尺寸计算及辅助设备的选型计算。(3) 参考资料3主要参考文献1 谢

2、克昌、李忠.甲醇及其衍生物.北京.化学工业出版社.2002.572 冯元琦.联醇生产.北京.化学工业出版社.1989.257268.3 柴诚敬、张国亮。化工流体流动与传热。北京。化学工业出版社。2000.525-5304进度安排设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期 1 收集有关资料 20111-01-282010-02-11 2 熟悉资料，确定方案 2010-02-122010-02-26 3 论文写作 2010-02-272010-03-19 4 绘制设计图纸 2010-03-202010-04-03 5 准备答辩 2010-4-10 目录摘要.1第 1 章 甲醇精馏的工艺原理 2第 1.

3、1 节 基本概念 2第 1.2 节 甲醇精馏工艺 3 1.2.1 甲醇精馏工艺原理 31.2.2 主要设备和泵参数 31.2.3 膨胀节材料的选用 6第 2 章 甲醇生产的工艺计算 7第 2.1 节 甲醇生产的物料平衡计算 7第 2.2 节 生产甲醇所需原料气量 92.2.1 生产甲醇所需原料气量 9第 2.3 节 联醇生产的热量平衡计算 152.3.1 甲醇合成塔的热平衡计算 152.3.2 甲醇水冷器的热量平衡计算 18第 2.4 节 粗甲醇精馏物料及热量计算 212.4.1 预塔和主塔的物料平衡计算 212.4.2 预塔和主塔的热平衡计算 25内门古化工职业学院毕业设计(论文)第 3 页

4、 第 3 章 精馏塔的设计计算 33第 3.1 节 精馏塔设计的依据及任务 333.1.1 设计的依据及来源 333.1.2 设计任务及要求 33第 3.2 节 计算过程 343.2.1 塔型选择 343.2.2 操作条件的确定 343.2.2.1 操作压力 343.2.2.2 进料状态 353.2.2.3 加热方式 353.2.2.4 热能利用 35第 3.3 节 有关的工艺计算 363.3.1 最小回流比及操作回流比的确定 363.3.2 塔顶产品产量、釜残液量及加热蒸汽量的计算 373.3.3 全凝器冷凝介质的消耗量 373.3.4 热能利用 383.3.5 理论塔板层数的确定 383.

5、3.6 全塔效率的估算 393.3.7 实际塔板数 40第 3.4 节 精馏塔主题尺寸的计算 403.4.1 精馏段与提馏段的体积流量 403.4.1.1 精馏段 403.4.1.2 提馏段 42第 3.5 节塔径的计算 43第 3.6 节 塔高的计算 45第 3.7 节 塔板结构尺寸的确定 463.7.1 塔板尺寸 463.7.2 弓形降液管 473.7.2.1 堰高 473.7.2.2 降液管底隙高度 h0 473.7.3 进口堰高和受液盘 473.7.4 浮阀数目及排列 473.7.4.1 浮阀数目 483.7.4.2 排列 483.7.4.3 校核 49第 3.8 节 流体力学验算 4

6、93.8.1 气体通过浮阀塔板的压力降(单板压降) 493.8.1.1 干板阻力 493.8.1.2 板上充气液层阻力 493.8.1.3 由表面张力引起的阻力 50第 3.9 节 漏液验算 50内门古化工职业学院毕业设计(论文)第 4 页 第 3.10 节 液泛验算 50第 3.11 节 雾沫夹带验算 51第 3.12 节 操作性能负荷图 513.12.1 雾沫夹带上限线 513.12.2 液泛线 523.12.3 液体负荷上限线 523.12.4 漏液线 523.12.5 液相负荷下限线 52第 3.13 节 操作性能负荷图 53第 3.14 节 各接管尺寸的确定 543.14.1 进料管

7、 543.14.2 釜残液出料管 55第 3.15 节 回流液管 55第 3.16 节 塔顶上升蒸汽管 55第 3.17 节 水蒸汽进口管 56第 4 章 辅助设备的计算及选型 57第 4.1 节 水冷排设计计算 58第 4.2 节 水冷排的设计选型 59第 4.3 节 预塔进料泵的选型 60参考文献 62附录 63致 谢 64 年产 40 万吨甲醇合成工艺设计摘要目前，我国的甲醇市场随着国际市场的原油价格在变化，总体的趋势是走高。随着原油价格的进一步提升，作为有机化工基础原料甲醇的价格还会稳步提高。国内又有一批甲醇项目在筹建。这样，选择最好的工艺利设备，同时选用最合适的操作方法就成为投资者关

8、注的重点。通过查阅资料最后采用中压法在 265合成 400kt/a 的粗甲醇，并应用三塔精馏来对其进行精制。本设计说明书首先概述了甲醇的性质和发展历史，并介绍了我国甲醇工业的发展；对合成和精馏工段进行了物料和热量的工艺计算；对甲醇精馏塔做了详细的设计计算，最后对水冷排和预塔进料泵做了设计计算。在上述工作的基础之上，参考相关的资料和标准对合成工段的设备和管道进行了合理布局；并编制了甲醇合成设备一览表，物料流程图，工艺管道及仪表流程图，设备平面布置图及管道布置图。关键词：设计；工艺；合成；内门古化工职业学院毕业设计(论文)第 5 页 第一章 甲醇精馏的工艺原理第 1.1 节 基本概念精馏是利用不同

9、物质的挥发度不同，将液体混合物进行多次部分气化，同时又把产生的蒸汽多次部分冷凝，使混合物分离到所要求组分的操作过程。精馏过程在精馏塔中进行，料液由塔的进料口连续加入塔内，塔顶设有冷凝器，将塔顶蒸汽冷凝为液体，冷凝液的一部分回流入塔顶，成为回流液，其余作为馏出液（塔顶产品）连续采出。自加料位置以上部分，上升蒸汽和回流液体之间进行着逆流接触和物质传递。塔底部装有再沸器（蒸馏釜）以加热液体产生蒸汽，蒸气沿塔上升，与下降的液体逆流接触并进行物质传递，塔底连续排出部分液体作为塔底产品。在塔的加料位置以上，上升蒸汽中所含的重组份向液相传递，而回流液中的轻组分向气相传递。如此物质交换的结果，上升蒸汽中轻组份

10、的浓度逐渐提高，只要有足够的相间接触表面和足够的液体回流量，到达塔顶的蒸汽将成为高纯度的轻组分，塔的上半部完成了上升蒸气的精制（除去其中的重组份），因而成为精馏段。在塔的加料口位置以下下降液体中的轻组份被蒸出，重组份被提浓，故称之为提馏段。精馏塔的操作应当掌握三个平衡。1.1.1 物料平衡塔的总进料量（F）塔顶馏出物量（D）塔底排出物量（W）；某一组分(x)的总进料量（Fxfi）塔顶采出量（Dxdi）+塔底排出量（Wwi）物料平衡的建立，是衡量精馏塔内操作的稳定程度，它表现在他的能力大小和产品质量的好坏，一般应当根据入料量（F）而适当采取馏出物量（D），保持塔内物料平衡，才能保证精馏塔内操作条

11、件稳定，当塔的物料平衡被破坏时，精馏塔的温度、压力降都会发生大幅度波动，严重时引起液泛、雾沫夹带、传质效率降低等问题，系统不能正常运行。在粗甲醇精馏操作中，维持物料平衡的操作是最频繁的调节手段，操作时还必须同时考虑塔内的热量平衡。1.1.2 汽液平衡汽液平衡影响到甲醇产品的质量和精馏损失等，主要是通过调节精馏塔的操作条件（温度、压力、负荷），来调整塔盘上面气液接触的情况以及塔板间各组分气相分压平衡等来达到经济的效果。汽液平衡是通过在每块板上气液互相接触进行传质和传热而实现的。汽液平衡和物料及热量平衡密切相关，塔内温度、压力、物料量的变化都将直接影响汽液平衡。1.1.3 热量平衡内门古化工职业学

12、院毕业设计(论文)第 6 页 热量平衡是塔设计和操作的重要依据，当精馏塔在正常运行时，塔内的温度和压力是稳定的，加入塔的热量和出塔的热量也是平衡的。入塔热量包括进料及回流的流量与温度、再沸器蒸汽流量，而出塔热量则包括塔顶、塔底出料的温度、流量、汽化热以及热损失等。正常操作中，多用塔顶回流量、再沸器的蒸汽量来调整塔的热量平衡。总之，精馏系统的操作就是要掌握好精馏塔的物料平衡和热量平衡，并由此稳定好塔盘的汽液平衡，来达到产品质量合格，同时排放废液中甲醇含量低、甲醇收率高的目的。第 1.2 节 甲醇精馏工艺1.2.1 甲醇精馏工艺来自甲醇合成工序的粗甲醇经粗甲醇预热器加热至 70，然后进入预蒸馏塔精

13、馏。塔顶出来的蒸汽温度为 74.2，对应的压力为 0.13MPa(A)，先经过预塔冷凝器 A 在 65左右将其中的大部分甲醇冷凝下来，冷凝下来的甲醇进预塔回流槽，未冷凝的气体则进入预塔冷凝器 B 冷却至 40后部分冷凝，冷凝液流入萃取槽，萃取后也进入预塔回流槽，预塔回流槽的液体由预塔回流泵加压后作预蒸馏塔回流液，由预塔冷凝器 B 出来的气体去排放槽，不凝气洗涤后经不凝气预热器加热至 150后去气柜。向萃取槽中补入除盐水作预蒸馏塔萃取剂。排放槽出来的甲醇液由排放槽泵加压后送回收塔。由除盐水和固体氢氧化钠在碱液槽中制备 5%10%的 NaOH 溶液。碱液由碱液泵加压后补入粗甲醇，以中和粗甲醇中的有

14、机酸，控制预蒸馏塔塔底甲醇溶液的 PH 值在 8 左右。预蒸馏塔塔底排出液由加压塔进料泵加压后送往加压精馏塔精馏，加压精馏塔操作压力约 0.8MPa。塔顶甲醇蒸汽温度约 128，至冷凝器/再沸器作热源，冷凝液流入加压塔回流槽，一部分送往加压精馏塔作回流液，另一部分经精甲醇冷却器冷却后送精甲醇计量槽。加压精馏塔塔底排出液送往常压精馏塔。常压塔顶甲醇蒸汽温度约 66，经常压塔冷凝器冷却至 40后进常压塔回流槽，由常压塔回流泵加压后一部分作常压精馏塔回流液，另一部分送精甲醇计量槽。常压塔再沸器热源为加压精馏塔塔顶甲醇蒸汽。常压精馏塔塔底排出的含少量甲醇的废水由回收塔进料泵加压后送甲醇回收塔回收塔塔顶

15、蒸汽经回收塔冷凝器冷却至 40后进回收塔回流槽，由回收塔回流泵加压后一部分作回收塔回流液，另一部分送杂醇油贮罐。回收塔塔底含少量甲醇的废水一部分由废水泵加压后送部分氧化装置，另一部分送入排放槽作洗涤水。各精馏塔再沸器热源为 0.7MPa 低压蒸汽，蒸汽冷凝液去粗甲醇预热器作热源，然后去除盐水站。本工序的含醇排净液由封闭系统收集于地下槽中，再由地下槽泵送至粗甲醇贮槽。这样可避免设备、管道在检修时排出的含醇放净液对环境造成污染。在生产过程中，常压塔顶会出现不凝气的积累而影响塔的操作，这可从常压塔顶的温度、压力的对应关系判断。这部分不凝气的排放是通过常压塔冷凝器上的放空阀来实现的，排放气送放空总管高

16、点放空。预蒸馏塔和甲醇回收塔压力由 PV-15501A 和 PV-15501B 分程调节。阀后不凝气通过放空总管高点放空。内门古化工职业学院毕业设计(论文)第 7 页 ? ?加压精馏塔压力由调节阀 PV15521 控制。? 常压精馏塔压力由 PV-15530A 和 PV-15530B 分程调节。压力低于-0.02MPaG时补氮气，压力高于 0.015MPag 阀门 PV-15530B 开启放空。再沸器蒸汽量由蒸汽冷凝液管线上的流量调节阀调节。塔底液位由塔底出口管线上的液位调节阀调节。1.2.2 主要设备和泵参数主要设备参数和主要泵参数分别见表 1-1.表 1-2.表 1-1 主要设备参数表?设

17、备名称 规格 设计参数 设计压力/MPa 设计温度/ 脱醚塔 DN1400x23635 0.2 90 加压精馏塔 DN150006567 0.8 150 常压精馏塔 DN1800x35917 0.2 110 脱醚塔再沸器 DN900x3503 管程:0.2;壳程:0.8 管程:100;壳程:170 加压塔再沸器 DN1300x4444 管程:1.0;壳程:1.0 管程:150;壳程:180 常压塔再沸器 DN1600x4781 管程:0.2;壳程:0.8 管程:120;壳程:125 脱醚塔冷凝器 DN800x4357 管程:0.5;壳程:0.2 管程:40;壳程:80 常压塔冷凝器 DN100

18、0x5136 管程:0.57;壳程:0.2 管程:50;壳程:100 杂醇油冷却器 DN250x2447 管程:0.5;壳程:0.18 管程:50;壳程:100 ?表 1-2 主要泵参数表?泵名称 流量/(m3/h) 扬程/m 人口压力/Mpa 使用温度/ 粗醇泵 30 50 常压 40 脱醚塔回流泵 30 50 0.12 80 加压塔进料泵 30 100 常压 78 加压塔回流泵 30 60 0.7 122 常压塔回流泵 30 64 0.13 62 残液泵 10 50 0.15 109 1.2.3 膨胀节材料的选用加压塔再沸器和常压塔再沸器的气体出口管均是高温甲醇蒸气，加压塔再沸器出口管道甲

19、醇气体温度为 1500C，压力为 0.7MPa，常压塔再沸器出口管道甲醇气体温度为 1150C，压力为 0.16 MPa，两根管道需要加膨胀节来克服管道的热胀冷缩。但在膨胀节材料选用时，许多厂家认为只要是不锈钢材料即可，其实，最佳的材料选用应当用 316L 不锈钢材料。因为 304 不锈钢对甲醇气的耐腐蚀性能要差些，而 316L 不锈钢对甲醇气的耐腐蚀性能要好一些。 内门古化工职业学院毕业设计(论文)第 8 页 第 2 章 甲醇生产的工艺计算化工生产的工艺计算主要有物料平衡和热量平衡计算。化工工艺计算是作为化工工艺过程的设计、工艺管路的选择及生产管理、工艺条件选择的主要依据；对于平衡原料、产品

20、产量，选择最佳工艺条件，确定操作控制指标，合理利用手产中的废料，废气，废热都有重要作用。第 2.1 节 甲醇生产的物料平衡计算甲醇生产中，原料气的量与组成在一定范围内是根据物料平衡计算和生产实际进行调节整，如原料气中氢、一氧化碳、氮的比例等。在生产过程中，也会产生不需要的或者有害的组分，如硫化物、二氧化碳、甲烷、氩气等，这些组分有些可通过计算得外，有的还必须在生产过程中测定。为了最终求得合成甲醇和合成氨所需要的总原料气量，保持反应及平衡的组分比例，联醇工艺从原料气制造开始，经脱衡、变换、脱碳、合成甲醇、铜洗耳恭听至合成氨，使原料气制造到最后合成氨的全过程达到平衡。计算年产 400kt，醇氨比

21、40%。在合成塔后排放 CH4,Ar 分别占合成气的 0.6%和 0.4%，年工作日按 300d。原料液甲醇含量：84%(质量分数) ，原料液温度：45设计要求：塔顶的甲醇含量不小于 99%(质量分数)塔底的甲醇含量不大于 0.5%(质量分数)产品粗甲醇的组成（质量为）：甲醇（CH3OH） 84%二甲醚（CH3）2O） 0.36%高级醇（C4H9OH） 0.30%高级烷烃（C8H18） 0.24%水（H2O） 5%产量分配为：合成氨 60kt/a,181.8 t/d 7.60t/h粗甲醇 400000t/a,121.2 t/d 5.05t/h计算实现合成氨产量计划所需要原料气（醇后气）的量：（

22、1 ）参加反应理论耗气量根据反应方程式：1 H2 N2=NH3 则耗氢气为：1 =55764kmol/h=1247.424Nm3/h =185.kmol/h=4157.216 Nm3/h（2）原料气中惰性气含量为（1247。4244157.216）=167.966Nm3/h其中 CH4 为 100.78Nm3/h, Ar 为 67.19Nm3/h（3）在压力为 30106Pa,温度为 30。C。液氨中氢氮气溶解损失：查物性手册表7，在上述状况下液氨中氢氮气溶解量分别为：H2 34.3Nm3/t；N2，32Nm3/t。则每小时在液氮中氢氮氯溶解损失分别为：26.07 Nm3/h 和 24.32

23、Nm3/h。（4）液氨在贮罐气中的扩散损失查物性手册表，在 1.6106Pa、2.5。C 时，氢氨混合气中氨的平衡浓度为内门古化工职业学院毕业设计(论文)第 9 页 41.83%，则贮罐气中氨损失（G 氨损）为= Nm3/hG 氨损=36。24 Nm3/h（5）醇后气中尚有 CO1.4%；CO21.9%；CH3OH 0.05%则每小时需要 G 醇后气为=17505.95 Nm3/h其中：CO2 2415.08 Nm3/h CO 332.61 Nm3/h CH3OH 8.75 Nm3/h于是，生产合成氨所需醇后气量如表 2-1 表示第 2.2 节 生产甲醇所需原料气量 表 2-1 合成氨生成耗用

24、醇后气量及其组成耗用量 气体组成，Nm3/h H2 N2 CO CO2 CH4 Ar CH3OH 小计 合成氨反应 12471.424 4157.26 16628.64 精炼损耗 332.61 245.08 8.75 586.44 液氨中溶解损耗 26.07 24.32 50.39 续表 2-1 合成氨生成耗用醇后气量及其组成耗用量 气体组成，Nm3/h H2 N2 CO CO2 CH4 Ar CH3OH 小计 氨扩散损耗 54.37 18.12 72.49 惰性气 100.78 67.19 167.966 合计醇后气组成，% 12551.86471.7 4199.6623.99 332.61

25、1.9 245.081.4 100.780.57 67.190.38 8.750.05 17505.93100 2.2.1 生产甲醇所需原料气量（1）合成甲醇的化学反应主反应：CO+2H2=CH3OH+102.37KJ/mol (2-2)副反应：2CO+3H2=(CH3)2O+H2O+200.39 KJ/mol (2-3)CO+3H2=CH4+H2O+115.69 KJ/mol (2-4)4CO+8H2=C4H9OH+3H2O=49.62 KJ/mol (2-5)8CO+17H2=C8H18+H2O+957.98 KJ/mol (2-6)内门古化工职业学院毕业设计(论文)第 10 页 （2）粗

26、甲醇组分，算得组分的生成量甲醇（CH3OH） 5938.972Kg/h 即 185.59 Kmol/h，4157.216 Nm3/h二甲醚（CH3）2O） 20.823 Kg/h 即 0.453 Kmol/h，10.147 Nm3/h高级醇（C4H9OH） 20.192 Kg/h 即 0.273 Kmol/h，6.115 Nm3/h高级烷烃（C8H18） 14.513 Kg/h 即 0.127 Kmol/h，2.843 Nm3/h水（H2O） 315.5 Kg/h 即 17.528 Kmol/h，392.6 Nm3/h（3）生产测提，按反应式（2-4）每生产 1t 粗甲醇的同时，CH4 生成量

27、为 7.56 Nm3/h；即 0.34 KmolCH4/t 粗甲醇，所以 CH4 小时生生成量为 3.86Nm3/h,即0.1717Kmol/t。（4）忽略由原料气带走的水分，根据反应式（2-3）、（2-4）、（2-5）、（2-7），求得反应（2-6）生成的反应水为：17.5280.4530.17170.27330.1278=15.07 kmol/h即在逆变换反应中生成 15.07 kmol/h 的 CO 和 H2O（5）当压力为 10106Pa，在 30时，每 1t 粗甲醇中溶解反应气组成如表 2-2 所示。表 2-2 混合气在粗甲醇中的溶解量组分 CO CO2 H2 N2 CH4 （CH3

28、）2O 小计 溶解量 Nm3/t 9.81 6.58 25.92 3.26 0.76 1.92 48.25 Nm3/h 4.954 3.32 13.09 1.646 0.384 0.97 24.364 组成， % 20.32 13.63 53.73 6.76 1.58 3.98 100 （6）粗甲醇弛放气中甲醇的扩散损失根据测定，在 35。C 时液态甲醇中释放的 CO、CO2、H2 等混合气中，每含37.14g 甲醇。假设经减压生液相中溶解的气体除二甲醚外全部释放出来，则甲醇扩散损失 G 醇扩散为：（4.954+3.32+13.09+1.646+0.384+9.177）0.03717=1.20

29、9Kg/h即 0.0378Kmol/h，0.847Nm3/h式中 0.06 为二甲醚减压后的释放量。因为反应式（2-2）生成的二甲醚有10.147 Nm3/h,其中有 0.97 Nm3/h 溶入粗早醇被送往精馏，只有 0.06 Nm3/h 扩散进入气相（7）醇后气中有 0.05 甲醇随气体带入铜洗，合成氨产量为 6.31t/h 时，带入甲醇为 17505.930.05%=8.75 Nm3/h（8）综合表 2-1 和 2-2，即得进入甲醇合成塔之新鲜气量 G 新鲜气所组成，列表 2-3。表 2-3 进早醇合成塔新鲜气组成组分 CO CO2 H2 N2 CH4 Ar 小计 合成甲醇消耗，Nm3/h 3905.247 340.888 8823.516 1.646 -3.644 13071.297合成氨消耗，Nm3/h 332.61 245.08 12375.38 4199.656 100.78 67.19 17497.18 新鲜气消耗，