1、毕业论文 开题报告 化学工程与工艺 利用二氧化碳年产 1万吨甲醇的工厂设计 一、选题的背景、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。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
2、、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。 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
3、.0 1.5 高锰酸钾试验， min 50 30 20 水溶性试验 澄清 - 水分含量， % 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 表 1-1 甲醇指标 执行标准 *： GB338-2004工业用甲醇。 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
4、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
5、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。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。 二、相关研究的最新成果及动态 目前，解决 CO2的排放有以下几种途径： 1. 地质储存法，即将 CO2加压后储存于石油、煤层、地下含水层和海洋中，这是CO2减排技术发展趋势。 2. 生物储存法，即植物和微生物等通过光合作用吸收和固定游离的 CO2，并在一定条件下实现向有机碳转化。 3. 化学转化法，即通过催化转化将 CO2转化为小分子产品（如甲醇，二甲醚，甲酸，低
6、碳烃等）和其他高附加值、更有市场潜力的产品 随着精细化工的发展，甲 醇的消费量将不断增加和扩大，特别是精甲醇的需求必将会有较大的增长。 国内已开发的甲醇下游产品主要有：甲醇氧化制甲醛、甲醇氨化制甲胺、甲醇羰基化制醋酸、甲醇氯化制一、二、三氯甲烷、甲醇脱水制二甲醚、甲醇脱氢制甲酸甲酯，然后再制甲酰胺和二甲基甲酰胺等，甲醇制甲基叔丁基醚 (MTBE)等。 2.1.1 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 ,
7、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
8、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体，压缩机电耗降低。在联醇工艺中，铜基催化剂易中毒，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
9、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 20.0 30.0MPa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
10、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。 2.1.2 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
11、型催化剂及装置工业化等关键技术的研究。 8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 三、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、难点及预期达到的目标 本课题设计一个以二氧化碳为原料合成甲醇的化工厂
12、，具体包括厂址选择、厂区平面设计、工艺流程、车间布置及其他辅助设计等。 主要内容： 7 1.选择以二氧化碳为原料生产甲醇的工艺进行设计。 2.对该工艺流程 进行简单模拟。 3.完成化工厂整体设计，包括厂址选择、厂区平面设计、工艺流程、车间布置及其他辅助设计。 4.绘制工艺流程图、厂区平面布置图、车间布置图。 本课题中，工艺流程设计的合理性，直接决定了厂的设计，车间的分布。因此，首先得先确定合理的工艺流程。 最终达到完成设计目标为年产 20万吨甲醇的工厂。四、论文详细工作进度和安排 (1) 2010.11-2010.12 查阅资料，完成文献综述及外文翻译 (2) 2011.01-2011.03
13、完成开题报告，开题报告答辩 (3) 2011.03-2011.05 完成主要的设计工作 (4) 2011.05-2011.06 撰写毕业论文及毕业论文答辩 五、主要参考文献 1 E.V.Pisarenko,V.N.Pisarenko.Analysis and Modeling of Synthesis Gas Conversion to Methanol:New Trends toward Increasing Methanol Production Profitability. Theoretical Foundations Of Chemical Engineering.2007.41(2
14、):105-115 2 H.TAKAHASHI.L.H.LIU.Y.YASHIRO.K.IOKU.G.BIGNALL.N.YAMASAKI.C02 reductionusing hydrothermal method for the selective formation of organic compounds.J MATER SCI. 2006.41:15851589 3 温丽丹 ,李金来 .二氧化碳加氢合成甲醇催化剂研究进展 J.化学工业与工程技术 .2008,29(6):33-37 4 王晓刚，李立清，唐琳，郭三霞，高招 . C02资源化利用的现状及前景 .J.化工环保 .2006.26(3):198-203 5 沈师孔 .天然气转化利用技术的研究进展 .J.石油化工 .2006.35(9):799-809 6 徐显明 . C02加 H2制甲醇技术研究进展 J.化工科技市场 .2008.31(12):33-34.43 7 周家贤化工设计， 2004， 14(4) 8 黄树鹏 .二氧化碳加氢合成甲醇反应的研究 .D.大连理工大学 .2009
