1、 - 1 - 年产 20 万吨煤制甲醇精馏工艺设计 摘 要 我国的甲醇工业经过十几年的发展，生产能力得到了很大提高。 1991 年，我国的生产能力仅为 70 万吨，截止 2004 年底，我国甲醇产能已达 740 万吨， 117 家生产企业共生产甲醇 440.65 万吨， 2005 年甲醇产量达到 500 万吨，比 2004 年增长 22.2%，进口量99.1 万吨，因此下降 3.1%。 于上世纪末相比，现在新建甲醇规模超过百万吨的已不再少数。在 2004 2008年新建的 14 套甲醇装置中平均规模为 134 万 t/a，其中卡塔尔二期工程项目高达 230万 t/a。最小规模的是智利甲醇项目，
2、产能也达 84 万 t/a，一些上世纪末还称得上经济规模的 60 万 t/a 装置因失去竞争力而纷纷关闭。 大型甲醇生产装置必须具备与其规模相适应的甲醇反应器和反应技术。传统甲醇合成反应器有 ICI 的冷激型反应器， Lungi 的管壳式反应器， Topsdpe 的径向流动反应器等，近期出现的新合成甲醇反应器有日本东洋工程的 MRF-Z 反应器等，而反应技术方面则出现了 Lurgi 推出的水冷一气冷相结合的新流程。 通常的甲醇合成工艺中，未反应气体需循环返回反应器，而 KPT 则提出将未 反应气体送往膜分离器，并将气体分为富含氢气的气体，前者作燃料用，后者返回反应器。 传统甲醇合成采用气相工艺
3、，不足之处是原料单程转化率低，合成气净化成本高，能耗高。相比之下，液相合成由于使用了比热容高，导热系数大的长链烷烃化合物作反应介质，可使甲醇合成在等温条件下进行。 关键词 ：甲醇，合成，精馏 - 2 - 目 录 1 甲醇合成的基本概念 3 1.1 常用的方法 3 1.2 甲醇的合成路线 4 1.3 合成甲醇的目的和意义 7 1.4 本设计的主要方法及原理 8 2 生产工艺及主要设备计算 9 2.1 甲醇生产的物料平衡计算 9 2.1.1 合成塔物料平衡计算 10 2.2 甲醇生产的能量平衡计算 20 2.2.1 合成塔能量计算 20 2.2.2 常压精馏塔能量衡算 24 2.3 主要设备计算及
4、选型 26 2.3.1 常压精馏塔计算 26 2.3.2 初估塔径 28 2.3.3 理论板数的计算 30 2.3.4 塔内件设计 33 2.3.5 塔板流体力学验算 36 2.3.6 塔板负荷性能 39 2.3.7 常压塔主要尺寸确定 41 2.3.8 辅助设备 43 参考文献 45 致谢 46 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 - 3 -页 - 3 - 第 1 章 甲醇合成的基本概念 1.1 甲醇的合成方法 1.1.1 常用的合成方法 当今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。 高压法： (19.6-29.4M
5、pa)是最初生产甲醇的方法，采用锌铬催化剂，反应温度360-400，压力 19.6-29.4Mpa。高压法由于原料和动力消耗大，反应温度高，生成粗甲醇中有机杂质含量高，而且投资大，其发展长期以来处于停顿状态。 低压法： (5.0-8.0 Mpa)是 20 世纪 60 年代后期发展起来的甲醇合成技术，低压法基于高活性的铜基催化剂，其活性明显高于锌铬催化剂，反应温度低 (240-270 )。在较低压力下可获得较高的甲醇收率，且选择性好，减少了副反应，改善了甲醇质量，降低了原料消耗。此外，由于压力低，动力消耗降低很多，工艺设备制 造容易。 中压法： (9.8-12.0 Mpa)随着甲醇工业的大型化，
6、如采用低压法势必导致工艺管道和设备较大，因此在低压法的基础上适当提高合成压力，即发展成为中压法。中压法仍采用高活性的铜基催化剂，反应温度与低压法相同，但由于提高了压力，相应的动力消耗略有增加。 目前，甲醇的生产方法还主要有甲烷直接氧化法： 2CH4+O2 2CH3OH.由一氧化碳和氢气合成甲醇，液化石油气氧化法 1.1.2 本设计所采用的合成方法 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，选择中压法为生产甲醇的工艺， 用 CO 和 H2在加热压力下，在催化剂作用下合成甲醇，其主要反应式为： CO+ H2 CH3OH - 4 - 1.2 甲醇的合成路线 1.2.1 常用的合成工
7、艺 虽然开发了高活性的铜基催化剂，合成甲醇从高压法转向低压法，完成了合成甲醇技术的一次重大飞跃，但仍存在许多问题：反应器结构复杂；单程转化率低，气体压缩和循环的耗能大；反应温度不易控制，反应器热稳定性差。所有这些问题向人们揭示，在合成甲醇技术方面仍有很大的潜力，更新更高的技术等待我们去开发。 (1) 气液固三项合成甲醇工艺 首先由美国化学系统公司提出，采用 三相流化床，液相是惰性介质，催化剂是 ICI 的 Cu-Zn改进型催化剂。对液相介质的要求：在甲醇合成条件下有很好的热稳定性和化学稳定性。既是催化剂的硫化介质，又是反应热吸收介质，甲醇在液相介质中的溶解度越小越好，产物甲醇以气相的形式离开反
8、应器。这类液相介质有如三甲苯，液体石蜡和正十六烷等。后来 Berty 等人提出了相反的观点，采用的液相介质除了热稳定性及化学稳定性外，要求甲醇在其溶液中的溶解度越大越好，产物甲醇不是以气相形式离开反应器，而是以液相形式离开反应器，在反应器外进行分离。经试验发现四甘醇二甲醚是极理想的 液相介质。 CO 和 H2 在该液相中的气液平衡常数很大，采用 Cu-Zn-Al 催化剂，其单程转化率大于相同条件下气相的平衡转化率。 气液固三相工艺的优点是：反应器结构简单，投资少；由于介质的存在改善了反应器的传热性能，温度易于控制，提高了反应器的热稳定性；催化剂的颗粒小，内扩散影响易于消除；合成甲醇的单程转化率
9、高，可达 15%-20%，循环比大为减小；能量回收利用率高；催化剂磨损少。缺点是三相反应器压降较大，液相内的扩散系数比气相小的多。 (2) 液相法合成甲醇工艺 液相合成甲醇工艺的特点是采用活性更高的过度金属络合 催化剂。催化剂均匀分布在液相介质中，不存在催化剂表面不均一性和内扩散影响问题，反应温度低，一般不超过 200， 20 世纪 80年代中期，美国 Brookhaven 国家实验室开发了活性很高的复合型催化剂，其结构为 NaOH-RONa-M(OAc)2,其中 M 代表过渡西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 - 5 -页 - 5 - 合成塔 水冷器 甲醇分离塔 循环器 金属 Ni,Pd
10、或 Co,R 为低碳烷基，当 M为 Ni， R 为叔戊烷基时催化剂性能最好，液相介质为四氢呋喃，反应温度为 80-120，压力为 2MPa 左右，合成气单程转化率高于 80%，甲醇选择性高达 96%。 该法的缺点是由于反应温度低，反应热不易回收利用； CO2和 H2O 容易使复合催化剂中毒，因此对合成气体的要求很苛刻，不能还有 CO2和 H2O，还需进一步研究。 (3) 新型 GSSTFR和 RSIPR反应器系统 该系统采用反应 ,吸附和产物交换交替进行的一种新型反应装置。 GSSTFR 是指气 -液 -固滴流流动反应系统， CO 和 H2 在催化剂的作用下，在此系统内进行反应合成甲醇，该甲醇
11、马上被固态粉状吸附剂所吸附，并滴流带出反应系统。 。这样合成甲醇反应不断向右进行， CO 的单程转化率可达 100%，气相反应物不循环。这项新工艺仍处在研究之中，尚未投入工业生产，还有许多 技术问题需要解决和完善。 1.2.2 本设计的合成工艺 经过净化的原料气，经预热加压，于 5 Mpa、 220 下，从上到下进入 Lurgi反应器，在铜基催化剂的作用下发生反应，出口温度为 250 左右，甲醇 7%左右，因此，原料气必须循环，则合成工序配置原则为图 2-2。 甲醇的合成是可逆放热反应，为使反应达到较高的转化率，应迅速移走反应热，本设计采用 Lurgi管壳式反应器，管程走反应气，壳程走 4MP
12、a 的沸腾水 粗甲醇 驰放气 图 1-1 合成合 序配置原则 - 6 - 甲醇合成的工艺流程（ 图 ） 这个流程是德国 Lurgi 公司开发的甲醇合成工艺，流程采用管壳式反应器，催化剂装在管内，反应热由管间沸腾水放走，并副产高压蒸汽，甲醇合成原料在离心式透平压缩机内加压到 5.2 MPa (以 1： 5 的比例混合 ) 循环，混合气体在进反应器前先与反应后气体换热，升温到 220 左右，然后进入管壳式反应器反应，反应热传给壳程中的水，产生的蒸汽进入汽包，出塔气温度约为 250 ，含甲醇 7%左右，经过换热冷却到 40 ，冷凝的粗甲醇经分离器分离。分离粗甲醇后的气体适当放空，控制系统中的惰性气体
13、含量。这部分空气作为燃料，大部分气体进入透平压缩机加压返回合成塔，合成塔副产的蒸汽及外部补充的高压蒸汽一起进入过热器加热到 50 ，带动透平压缩机，透平后的低压蒸汽作为甲醇精馏工段所需热源。 1.3 合成甲醇的目的和意义 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 - 7 -页 - 7 - 甲醇是极为重要的有机化工原料，在化工、医药、轻工、纺织及运输等行业都有广泛的应用，其衍生物产品发展前景广阔。目前甲醇的深加工产品已达 120 多种，我国以甲醇为原料的一次 加工产品已有近 30 种。在化工生产中，甲醇可用于制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲胺、甲基叔丁基醚（ MTBE）、聚乙烯醇（ PVA）、硫酸二甲酯、
14、对苯二甲酸二甲酯（ DMT）、二甲醚、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲醇等。 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 C1 化工发展的重要方向。比如神华集团发展以甲醇为中间体的煤基化学品深加工，利用先进成熟技术，发展“甲醇醋酸及其衍生物”；利用国外开发成功的 MTO 或 MTP 先进技术，发展“甲醇烯烃及衍生物”的 2 作为替代燃料：近几年，汽车工业在我国 获得了飞速发展，随之带来能源供应问题。石油作为及其重要的能源储量是有限的，而甲醇燃料以其安全、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。我国政府已充分认识到发展车用替代燃料的重要
15、性，并开展了这方面的工作。 随着 C1 化工的发展，由甲醇为原料合成乙二醇、乙醛和乙醇等工艺正日益受到重视。甲醇作为重要原料在敌百虫、甲基对硫磷和多菌灵等农药生产中，在医药、染料、塑料和合成纤维等工业中都有着重要的地位。甲醇还可经生物发酵生成甲醇蛋白，用作饲料添加剂，有着广阔的应用前景。 1.4 本设计的主要方法及原理 造气工段：使用二步法造气 CH4+H2O(气 ) CO+3H2-205.85 kJ/mol CH4+O2 CO2+2H2+109.45 kJ/mol CH4+21 O2 CO+2H2+35.6 kJ/mol CH4+2O2 CO2+2H2O+802.3 kJ/mol 合成工段：
16、 5MPa 下铜基催化剂作用下发生一系列反应 - 8 - 主反应 ： CO+2H2 CH3OH+102.37 kJ/kmol 副反应： 2CO+4H2 (CH3O)2+H2O+200.3 kJ/kmol CO+3H2 CH4+ H2O+115.69 kJ/kmol 4CO+8H2 C4H9OH+3H2O+49.62 kJ/kmol-(A) CO+H2 CO +H2O-42.92 kJ/kmol 除（ A）外，副反应的发生，都增大了 CO 的消耗量，降低了产率，故应尽量减少副反应。 反应热力学 一氧化碳加氢合 成甲醇的反应式为 CO+2H2 CH3OH(g) 这是一个可逆放热反应，热效应 m o
17、 lKJKH /8.902 9 8 。 当合成气中有 CO2时，也可合成甲醇。 CO2 + 3H2 CH3OH(g) + H2O 这也是一个可逆 放热反应，热效应 m o lKJKH /6.582 9 8 合成法反应机理 本反应采用铜基催化剂， 5 MPa， 250 左右反应，清华大学高森泉，朱起明等认为其机理为吸附理论，反应模式为： H2+2 2H - CO+H HCO - HCO +H H2CO H2CO +2H CH3OH+3 CH3OH CH3OH+ 反应为， 控制。即吸附控制。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 - 9 -页 - 9 - 第 2 章生产工艺及主要设备计算 工艺计算
18、作为化工工艺设计，工艺管道，设备的选择及生产管理，工艺条件选择的主要依据，对平衡原料，产品质量，选择最佳工艺条件，确定操作控制指标，合理利用生产的废料，废气，废热都有重要作用。 2.1 甲醇生产的物料平衡计算 2.1.1 合成塔物料平衡计算 已知：年产 200000 吨精甲醇，每年以 330 个工作日计。 精甲醇中甲醇含量 (wt)： 99.95% 粗甲醇组成 (wt)： Lurgi低压合成工艺 甲醇： 93.40% 以二甲醚： 0.42% 高级醇 以异丁醇 C4H9OH 计 ： 0.26% 高级烷烃 以辛烷计 ： 0.32% 水： 5.6% 所以：时产精甲醇： 53.2 5 2 5 2243
19、 3 0 1 0 0 02 0 0 0 0 0 Kg/h 时产粗甲醇： 45.2 7 0 2 3%4.93 %95.9953.2 5 2 5 2 Kg/h 根据粗甲醇组分，算得各组分的生成量为： 甲醇 (32)： 25239.90Kg/h 788.75kmol/h 二甲醚 (46)： 113.50Kg/h 2.47 k mol/h 异丁醇 (74)： 70.26Kg/h 0.95 k mol/h 辛烷 (100)： 86.48Kg/h 0.86k mol/h 水 (18)： 1513.31Kg/h 84.07 k mol/h - 10 - 合成甲醇的化学反应为： 主反应： CO+2H2 CH3
20、OH+102.37 KJ/mol 副反应： 2CO+4H2 (CH3)2O+H2O+200.39 KJ/mol CO+3H2 CH4+H2O+115.69 KJ/mol 4CO+8H2 C4H9OH+3H2O+49.62 KJ/mol CO2+H2 CO+ H2O-42.92 KJ/mol 生产中，测得每生产 1 吨粗甲醇生成甲烷 0.34 k mol，故 CH4每小时生成量为：0.3427.02345=9.187 k mol/h， 147.008Kg/h。忽略原料气带入份，根据、得反应生成的水的量为： 84.07-0.86-0.953-2.47=77.89 k mol/h，即在 CO 逆变换
21、中生成的 H2O 为 77.89kmol/h。 粗甲醇中气体溶解量查表 5Mpa、 40时，每一吨粗甲醇中溶解其他组成如下表 20 气体 H2 CO CO2 N2 Ar CH4 溶解量（ m3/t粗甲醇） 4.364 0.815 7.780 0.365 0.243 1.680 CO= 27.02 0.815 = 22.72m3/h 即 1.02kmol/h CO2 = 27.02 7.78= 216.84m3/h 即 9.68kmol/h N2 = 27.02 0.365 = 10.18m3/h 即 0.46kmol/ Ar = 27.02 0.243 = 6.78m3/h 即 0.30 k mol/h CH4 = 27.02 1.680 = 46.82 m3/h 即 2.10kmol/h 2.1.2 粗甲醇中甲醇扩散损失 40时 ,液体甲醇中释放的溶解气中 ,每立方米含有 37014g的甲醇 ,假设减压后液相则 粗甲醇中的溶解气体量为： H2 = 27.02 4.364 = 121.64 m3/h 即 5.44 k mol/h
