1、 本科 毕业设计 （ 20 届） 利用二氧化碳年产 1万吨甲醇的工厂设计 所在学院 专业班级 化学工程与工艺 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 : 本文采用二氧化碳、氢气催化合成，连续化工工艺流程生产甲醇，实现 年产 10000t甲醇化工厂整体初步设计。 主要完成了项目可 行性报告，厂址的选择，工厂的整体平面布局设计，甲醇连续化合成工艺流程设计，车间设备布置设计，物料恒算等内容的设计，并用AutoCAD软件完成了工厂整体布局平面设计图、连续化生产工艺流程图和车间设备布置图的绘制，基本建立了一个比较完整的生产甲醇的化工厂。 关键词 : 甲醇；厂区布局；物料衡算；工艺流程
2、 II Abstract: In this paper, a process for the synthesis of methanol which is an annual output of 10000t overall with the material of carbon dioxide and hydrogen catalytic was designed. And the main design elements includes: project feasibility report, site selection, the overall plant layout design
3、, process synthesis of methanol for the design, layout design of workshop equipment, cons tant material balance and so on., simultaneously used AutoCAD software to complete the overall plant graphic design layout, process flow diagram for production equipment and workshop layou t mapping, A basicall
4、y chemical factory which produce methanol was established. Keywords: Methanol; Plant layout; Material balance; Technology process 目 录 摘要 I Abstract: II 1. 绪 论 1 1.1 设计背景、意义 . 1 1.1.1 设计的背景 . 1 1.1.2 设计意义 . 2 1.2 相关研究的最新成果及动态 . 2 1.2.1 国内外研究二氧化碳生产甲醇的工艺研究 . 2 1.2.2 本设计选用的甲醇合成方法 . 3 1.3 设计内容方法 . 3 1.3.
5、1 设计项目及要求 . 4 1.3.2 设计内容及方法 . 4 2 可行性分析及工厂设计 6 2.1 可行性分析 . 6 2.1.1 市场调查和 分析预测 . 6 2.1.2 项目的泥建规模 . 6 2.1.3 原料和工艺技术路线的选择 . 7 2.1.4 项目的财务规划 . 7 2.1.5 项目风险与不确定分析。 . 8 2.2 厂址的选择 . 9 2.3 工厂整体布局 . 12 2.4 工艺流程图 . 13 2.5 车间设备布置 . 15 2.5.1 能够或适宜露天布置的设备尽量布置在室外 . 15 2.5.2 生产工艺方面的要求 . 15 2.5.3 要有合适的设备间距 . 16 2.5
6、.4 设备的安装、检修方面的要求 . 16 2.5.5 设备布置与管线布置要密切配合 . 16 2.5.6 安全和防腐方面要求 . 16 3 物料衡算 19 3.1 反应釜 T201 的物料衡算表 . 19 3.2 换热器 E201 的物料衡算表 . 20 3.3 甲醇合成塔的选型 . 21 3.3.1 设计条件 . 21 3.3.2 催化剂 . 21 3.3.3 列管设计 . 21 3.3.4 塔体设计 . 22 4 结论与展望 23 参考文献 24 致 谢 错误 !未定义书签。 1 1. 绪 论 1.1 设计背景、意义 1.1.1 设计的背景 甲醇俗称木醇，它最早是由木材或木质素干馏制得。
7、自 1923年德国 BASF公司首先 【 1】开发出由合成气 (CO H2)催化合成甲醇工艺，并实现了工业化生产后，目前甲醇已是世界上除乙烯、丙烯以外，生产量最大的基本有机化工原料产品。其年产量已达到叁仟多万吨。它广泛应用于有机合成、染料、医药、农药、涂料和重要溶剂，这是大家所熟知的。同时甲醇又是十分重要的能源载体和汽车清洁燃料，作为新型清洁能源有着广泛的应用前景。 甲醇可以煤、焦碳、天然气、轻油或重油等为原料合成，主要用于化学工业、医药工业、农药工业，也可作为燃料使用 。 2 甲醇的传统下游产品包括甲醛、甲基叔丁基醚、醋酸、对苯二甲酸二甲酯、甲基丙烯酸甲酯、甲胺、农药等。作为能源替代品，甲醇
8、可用作溶剂、防冻剂以及汽油的替代燃料或者添加剂。另外，正在开发新的潜在用途是用于燃料电池和烯烃原料。 根据中华人民共和国国家标准 GB338-2004（工业甲醇），甲醇的性质见表 1-1。 表 1-1 甲醇指标 执行标准 *： GB338-2004工业用甲醇 项目 指标 优等品 一等品 合格品 色度（铂 -钴），号 5 10 密度（ 20 ）， g/cm 0.7910.792 0.7910.793 温度范围（ 0 ， 101325Pa）， 64.065.5 沸程（包括 64.40.1 ）， 0.8 1.0 1.5 高锰酸钾试验， min 50 30 20 水溶性试验 澄清 - 水分含量， %
9、0.01 0.15 - 酸度（以 HCOOH计）， % 0.0015 0.0030 0.0050 或碱度（以 NH3计）， % 0.0002 0.0008 0.00015 羟基化合物含量（以 CH4O计）， % 0.002 0.005 0.010 蒸发残渣含量， % 0.001 0.003 0.005 2 随着节约能源和保护环境上升为基本国策，以及节能减排工作的进一步深入，可持续发展日益重要，甲醇将再次被研究人员重视，以至于有关甲醇的下游产品及技术发展的更加透彻，从而甲醇的市场会变的更大。 1.1.2 设计意义 二氧化碳的排放造成全球气候变暖，是近几年来世界各国所重视的课题。除了提高资源使用效
10、率（低碳经济）外，二氧化碳的捕集、封存及再利用（ CCS）技术受到广泛关注。该技术不仅可以减少大气中二氧化碳的浓度，降低温室气体的排放和减少环境污染，而且可以得到高纯度二氧化碳并成为制 造化学品的含碳原料，变废为宝，增加经济效益。该技术是控制温室气体排放，实现含碳资源循环利用的应用途径之一。 【 3】 随着经济的快速发展，石油、煤炭等化石燃烧排放出的 CO2的量在急剧增加。 CO2是主要的温室气体，对红外光有强烈的吸收作用，它在大气长的浓度会直接影响地球的热平衡。大量的温室气体的排放形成了温室效应，导致全球气候变暖。在避免不了 CO2产生的情况下，合理的捕集，利用 CO2成为当今世界讨论的热点
11、。找到大量的文献，通过合理的方式利用 CO2生产甲醇，合理的建造甲醇厂。 1.2 相关研究的最新成果及动态 1.2.1 国内外研究二氧化碳生产甲醇的工艺研究 （ 1） 合成气（ CO+H2）生产甲醇的方法 【 4】 以一氧化碳和氢气为原料合成甲醇工艺过程有多种。其发展的历程与新 催化剂 的应用，以及净化技术的进展是分不开的。甲醇合成是可逆的强放热反应 ,受热力学和动力学控制，通常在单程反应器中， CO和 CO2的单程转化率达不到 100，反应器出口 气体 中，甲醇含量 仅为 612，未反应的 CO、 CO2和 H2需与甲醇分离，然后被压缩到反应器中进入一步合成。为了保证反应器出口气体中有较高的
12、甲醇含量，一般采用较高的反应 压力 。 （ 2） 联醇法 【 4】 我国结合中小型氮肥厂的特殊情况，自行开发成功了在 合成氨 生产流程中同时生产甲醇的工艺。这是一种合成气的净 化工 艺，是为了替代我国不少合成氨生产厂用铜氨液脱除微量碳氧化物而开发的一种新工艺。采用铜基催化剂，合成压力在 10.0 13.0MPa，合成温度在 235 315 。原来大部分以前要在铜洗工序除去的一氧化碳和二氧化碳在甲醇合成塔内与氢气反应生成甲醇，联产甲醇后进入铜洗工序的气体一氧化碳含量明显降低，减轻了铜洗负荷；同时变换工序的一氧化碳指标可适量放宽，降低了变换的蒸汽消耗，而且压缩机前几段汽缸输送的一氧化 碳成为有效气
13、体，压缩机电耗降低。在联醇工艺中，铜基催3 化剂易中毒，要求合成甲醇的原料气中含硫总量应小于 1ml/m3。该法不但流程简单，而且投资省，建设快，可以大中小同时并举，对我国合成甲醇工业的发展具有重要意义。 （ 3） 甲烷氧化生成甲醇 【 5】 反应进行如下： 2CH4+O22CH 3OH 这是将便宜的原料甲烷变成贵重的甲醇最简单的方法。在通常情况下，容易发生甲烷深度氧化生成二氧化碳和水。为了解决这个问题，反应是在铜金属催化剂存在下，于 20.030.0MPa和 350 470 的 条件 下进行的。但因甲醇工业的大型化 ，甲醇成本大幅度降低，用一种清洁能源生产另一种清洁能源的意义不是很大，特别是
14、在我国天燃气紧缺的情况下，用天燃气生产甲醇不会受到普遍的重视。 （ 4）二氧化碳催化加氢法 【 4】 CO2本身呈现极大的化学惰性，要在较温和的条件下实现 CO2加氢的高效转化，关键在于开发高活性的催化剂。国外已经开发出了成熟的 CO2加氢合成甲醇的催化剂，国内还处于研究阶段。 CO2加氢合成甲醇过程中 H2的来源是一个大问题，如果通过化石资源生产氢气必定副产大量的 CO2达不到本质利用 CO2目的。如果工厂有多余的氢气和 CO2可以采用该合成方法合成 甲醇。由于受到热力学的限制， CO2加氢合成甲醇反应的转化率很低，生产工艺中必须考虑原料气循环利用的问题。采用 CO2和 H2合成甲醇的流程包
15、括原料精制、甲醇合成、甲醇精馏这 3个主要的步骤。由于 CO2和 H2合成甲醇反应生产的水量较大，所以甲醇的精馏过程能耗会偏高。 1.2.2 本设计选用的甲醇合成方法 目前研究 CO2加氢合成甲醇工艺的单位较多，均处于对催化荆和反应条件的研究。该工艺 CO2的转化率较低甲醇的产率低，限制了其工业化生产装置的建设。今后应加强提高 C02的括性、增大甲醇的选择性、新型催化剂及装置工业化 等关键技术的研究。超细负载型催化剂园具有比表面积大、分散度高和热稳定性好的特点，将成为一种发展苊势，是今后研究的方向。 CO2 加氢制甲醇的工艺流程和设备与传统甲醇合成工艺相比差别不大，投资、成本较低。国内仅有一家
16、以 CO2为原料生产甲醇的厂家，但不是直接加氧，国外已有多家二氧化碳催化加氢直接转化为甲醇工业化的实倒。 CO2制甲醇既可缓解温室效应，又可节约能源，无论从经济、环境还是社会角度，都具有十分美好的前景，因此，国内更应该加强这方面的研究工作。 6 1.3 设计内容方法 4 1.3.1 设计项目及要求 设 计项目：利用二氧化碳年产 1万吨甲醇的工厂设计。 产品名称：甲醇。 产品规格：纯度 93%。 年生产能力：折算为 100%甲醇 10000t/a。 综上所述选择以 CO2、 H2为原料， 并以连续法作为合成工艺流程，进行 10000t/a甲醇化工厂整体设计。 1.3.2 设计内容及方法 （ 1）
17、可行性研究 可行性研究是建设前期工作的重要步骤，是编制建设项目设计任务书的依据。可行性研究需考虑： 市场调查和分析预测 项目的拟建规模 原料 路线的选择 工艺技术路线的选择 项目的财务规划 项目风险与不确定分析。 （ 2）甲醇厂址的选择 厂址的选择是一个复杂的过程，必须根据拟建项目（生产甲醇的化工厂）的技术经济要求，结合建厂地区的自然地理特征，运输条件、水源和动力供应条件、建筑施工条件以及工人住宅区布置条件等进行多方案的技术进行多方案的技术经济比较，选择一个能最大限度满足建设和生产经营要求的、建厂费用和经营费用最省的建厂位置。 （ 3）甲醇化工厂整体布局 用 AutoCAD 画出厂区平面图，考
18、虑全厂所有的建筑物和构筑物在平面和竖向上的布置，运输网和地上、 地下工程技术管网的布置、行政管理、福利及美化设 施的布置等问题。满足生产要求，防火、卫生要求，发展要求。 （ 4）甲醇工艺流程图 用 AutoCAD 和 Aspen plus 画出甲醇工艺流程图，此图应考虑到能 确定整个流程的组成；每个过程或工序的组成；操作条件；控制方案的确定；合理利用原料及能量；制定三废的治理方法；制定安全生产措施。 （ 5）甲醇车间设备布置 车间设备布置设计就是确定各个设备在车间平面与立体上的位置，确定场地与建筑物、构筑物的尺寸、确定工艺管道，电气仪表管线及采暖通风管道的走向和位置。 用 AutoCAD画 出 。 5 （ 6）主要设备计算设计 利用 Aspen plus软件模拟设备和反应器的物料衡算。
