1、年产 24 万吨甲醇合成工艺设计The Design of 240,000 t/a Methanol Synthesis Process目 录摘要 .Abstract.引言 .1第 1 章 甲醇的性质及其用途 .21.1 甲醇的性质 .21.1.1 甲醇的物理性质 .21.1.2 甲醇的化学性质 .21.2 甲醇的用途 .31.3 甲醇工业的现状及发展 .41.3.1 全球甲醇工业现状及发展趋势 .41.3.2 我国甲醇工业发展 .51.3.3 甲醇生产技术的发展 .6第 2 章 甲醇合成工艺原理及方法 .82.1 甲醇合成原理 .82.2 甲醇合成反应热力学 .82.3 甲醇的合成方法及流程
2、 .82.3.1 木材干馏法 .82.3.2 液相法制备甲醇 .82.3.3 气相合成甲醇法 .9第 3 章 设计衡算和主要设备设计 .133.1 物料衡算 .133.2 热量衡算 .203.3 主要设备选型及计算 .213.3.1 传热面积的确定 .223.3.2 传热管数的确定 .223.3.3 合成塔壳体内径的确定 .233.3.4 合成塔壳体厚度的确定 .233.3.5 合成塔封头的确定 .233.3.6 折流板的确定 .243.3.7 管板的确定 .243.3.8 定距管的确定 .243.3.9 支座的确定 .24结论 .25致谢 .26参考文献 .27年产 24 万吨甲醇合成工艺设
3、计摘要：甲醇是一种极重要的有机化工原料，也是一种燃料，是碳一化学的基础产品，在国民经济中占有十分重要的地位。近年来，随着甲醇下属产品的开发，特别是甲醇燃料的推广应用，甲醇的需求大幅度上升。为了满足经济发展对甲醇的需求，开展了此 24万 t/a 的甲醇项目。本设计介绍了甲醇生产方法中的木材干馏法，液相法和气相法中的高、中、低压法，从国内外现状考虑，本设计采用气相低压法。本设计采用德国 Lurgi 公司的甲醇合成工艺，合成塔选用该工艺中管壳式合成塔，对合成工段进行了工艺计算，包括物料衡算及能量衡算；设备计算包括对合成塔设备选型及指标计算。关键词：甲醇 合成 物料衡算 热量衡算 合成塔The Des
4、ign of 240,000 t/a Methanol Synthesis ProcessAbstract:Methanol is an extremely important organic chemical raw materials,is also a fuel, it plays a very important position in the national economy.In recent years,with the development of affiliated products of Methanol,especially the use of Methanol fu
5、el,the demand of Methanol is increasing quickly.In order to meet the needs of economic development for methanol,this project has been made.Lumber dry distillation,liquid phase method,gas phase method of methanol production have been introduced in this design.Considering from the situation at home an
6、d abroad, the gas phase low pressure method been has been used in this design.Methanol synthesis process of Germany lurgi company has been used in my design,the synthesis tower of tubular has been chosen in this design,I have take the process of synthesis section in calculation,including material ca
7、lculation and energy balance calculations;calculation of synthesis tower equipment including equipment selection and evaluationKey words:Methanol;Synthesis;Material balance calculate;Heat balance calculate;Synthetic tower引 言甲醇用途广泛，是基础的有机化工原料和优质燃料。主要应用于精细化工，塑料等领域，用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲酯等多种有机产品，也是农药、医药
8、的重要原料之一。甲醇在深加工后可作为一种新型清洁燃料，也加入汽油掺烧。甲醇和氨反应可以制造一甲胺。甲醇生产所用的原料有煤、石油、天然气等，生产工序主要包括造气、脱硫、脱碳、精制、压缩与合成等。我国采用的甲醇生产工艺主要有：ICI 低压甲醇合成工艺、Lurgi低压甲醇合成工艺、TEC 的新型反应器以及正趋向成熟的液相法甲醇合成工艺。合成工段是甲醇生产中的最为关键的一步，合成工段能有效安全运转是整个厂能正常运行的基础。因此，根据生产需要，必须选择合适的生产流程、控制一定的工艺条件，满足工艺生产要求。第 1 章 甲醇的性质及其用途1.1 甲醇的性质1.1.1 甲醇的物理性质 1甲醇是一种无色、透明、
9、易燃、易挥发的有毒液体，略有酒精气味。分子量 32.04，相对密度 0.792(20/4) ，熔点 -97.8，沸点 64.5 ，闪点 12.22，自燃点 463.89，蒸气密度 1.11，蒸气压 13.33KPa(100mmHg 21.2)，蒸气与空气混合物爆炸极限为 6.0%-36.5%(体积)。能与水、乙醇、乙醚、苯、酮、卤代烃和许多其他有机溶剂相混溶，遇热、明火或氧化剂易燃烧。甲醇燃烧时无烟，火焰呈蓝色。1.1.2 甲醇的化学性质 1甲醇含有一个甲基与一个羟基，是最简单的饱和脂肪醇，具有脂肪醇的化学性质，即可进行氧化、酯化、羰基化、胺化、脱水等反应。1.1.2.1 氧化反应如甲醇在电解
10、银催化剂上可被空气氧化成甲醛，是重要的工业制备甲醛的方法。CH3OH+0.5O2 HCHO+H 2O甲醛进一步氧化生成甲酸：HCHO+0.5O2 HCOOH 甲醇完全燃烧时氧化成 CO2 和 H2O，放出大量热：2CH3OH+3O2 2CO 2 + 4H2O1.1.2.2 酯化反应如甲醇可与多种无机酸和有机酸发生脂化反应。甲醇和硫酸发生酯化反应生成硫酸氢甲酯，硫酸氢甲酯经加热减压蒸馏生成重要的甲基化试剂硫酸二甲酯CH3OH+H2SO4 CH 3OSO2OH+H2O2CH3OSO2OH CH 3OSO2OCH3+H2SO4甲醇和硝酸作用生成硝酸甲酯：CH3OH+HNO3 CH 3NO3+H2O甲
11、醇和甲酸反应生成甲酸甲酯：CH3OH+HCOOH HCOOCH 3+H2O1.1.2.3 羰基化反应如甲醇和光气发生羰基化反应生成氯甲酸甲酯，进一步反应生成碳酸二甲酯：CH3OH+COCl2 CH 3OCOCL+HClCH3OCOCl+CH3OH （CH 3O） 2CO+HCl1.1.2.4 胺化反应如在压力 520 MPa，温度 370420 下，以活性氧化铝或分子筛作催化剂，甲醇和胺发生反应生成一甲胺、二甲胺和三甲胺的混合物，经精馏分离可得一甲胺、二甲胺和三甲胺产品。CH3OH+NH3 CH 3NH2+H2O2CH3OH+NH3 （CH 3） 2NH+2H2O3CH3OH+NH3 （CH
12、3） 3N+3H2O1.1.2.5 脱水反应如甲醇在高温和酸性催化剂如 ZSM-5，-Al 2O3 作用下分子间脱水生成二甲醚：2CH3OH （CH 3） 2O+H2O1.1.2.6 裂解反应如在酮催化剂上，甲醇可裂解成 CO 和 H2：CH3OH CO+2H 2 1.1.2.7 氯化反应如甲醇和氯化氢在 ZnO/ZrO 催化剂上发生氯化反应生成一氯甲烷：CH3OH+HCl CH 3Cl+H2O 1.2 甲醇的用途 33甲醇是重要的一碳化工基础产品和有机化工原料，而且是重要的溶剂，广泛用于有机合成、染料、医药、涂料和国防等工业。近年来，随着技术的发展和能源结构的改变，甲醇化工已成为洁净能源的重
13、要组成部分。此外，甲醇还开辟了许多新的用途。甲醇是较好的人工合成蛋白的原料，蛋白转化率较高，发酵速度快，无毒性，价格便宜；甲醇是容易运输的清洁燃料，可以单独或与汽油混合作为汽车燃料，用它作为汽油添加剂可起到节约芳烃，提高辛烷值的作用，汽车制造业将成为耗用甲醇的巨大部门；由甲醇转化为汽油方法的研究成果，间接开辟了由煤转换为汽车燃料的途径。甲醇是直接合成乙酸的原料，孟山都公司实现了在较低压力下甲醇和一氧化碳合成乙酸的工艺。甲醇可直接用于还原铁矿石，得到高质量的海绵铁。特别是近年来 C 化学工业的发展，甲醇制乙醇、乙烯、乙二醇、甲苯、乙酸乙烯、1乙酐、甲酸甲酯和氧分解性能好的甲醇树脂等产品，正在研究
14、开发和工业化中。甲醇化工已成为化学工业中一个重要的领域。甲醇的消费已超过其传统用途，潜在的耗用量远远超过其化工用途，渗透到国民经济的各个部门。今后甲醇的发展速度将更为迅速。1.3 甲醇工业的现状及发展1.3.1 全球甲醇工业现状及发展趋势 23 从 2000 年起，世界甲醇生产能力出现了甲醇史上最短时间内最大规模的增长。2000年，世界甲醇总产能达 3803 万吨，需求量为 2817 万吨/年，装臵开工率为 76.5%；2004年，世界甲醇总产能达到 4060 万吨/年，产量为 3300 万吨，装臵平均开工率为81.3%； 2006 年，世界甲醇总生产能力接近 4800 万吨，总需求达 368
15、0 万吨；2007 年以来，全球甲醇产能不断快速提高，至 2010 年底全球甲醇产能近 1 亿吨。同时，需求量与产量也在稳步提升。近年来全球甲醇需求年均增长率超过 4%，相当于新建一座世界规模甲醇厂的年产量。下图是全球甲醇规模和需求的条形折线图：图 1.1 全球甲醇规模和需求近几年全球甲醇供需基本平衡，但生产和消费格局已发生了重大变化。全球甲醇产能和产量的增长主要来自亚洲和中东等低成本地区，欧美等高成本地区不仅没有增长，有的还在减小。现在以中国等发展中国家为代表的亚太国家，作为甲醇新兴市场潜在应用不断开发。国际舆论普遍认为，5 年以后，这一地区可能成为决定世界甲醇市场发展方向的极具影响力的因素
16、，其正在成为一支不可忽视的中坚力量。近期世界甲醇价格的预测将取决于中国煤基甲醇生产的经济性。世界甲醇生产格局的变化带来了消费格局的重大变化，工业发达国家和地区如美国、西欧、日本等已由过去的甲醇自产自给转变为主要进口国，而拉丁美洲、东欧（俄罗斯） 、中东及非洲却成为甲醇主要出口国。未来国际甲醇市场的主要不利因素为国际上甲醇新建装置大量涌现，产能增长速度过快，今后 5 年中投产的甲醇产能将超过 1800 万吨，这些新增产能主要分布于南美、远东和澳大利亚。产能增长过快会对现有市场造成一定冲击，使市场价格产生波动。总的来看，未来甲醇的需求增长为每年 500 万吨，而未来新增的产能还不会在短期内造成供需
17、失衡的局面，加之甲醇生产成本不断提高，未来甲醇市场价格会保持稳步上升的局面。1.3.2 我国甲醇工业发展 32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%。2008 年，国内共有甲醇生产企业 180 多家，产能超过 2070万吨/ 年，产量为 1126.3 万吨，同比增长 6.4%。甲醇进口量为 143.4 万吨，同比增长
18、 69.7%；出口量 36.8 万吨，同比下降 34.6%；净进口量 106.6 万吨；表观消费量为 1232.9 万吨，同比上升 11.6%。2000 年至 2008 年的 8 年间，我国甲醇产能年均增长率达到 25%，表观消费量年均增长率也达到 18%。目前，我国甲醇消费主要集中在甲醛、醋酸、醇醚等领域。1.3.2.1 我国甲醇原料结构现状 24我国甲醇生产主要以煤为原料，其次是天然气和焦炉煤气。截至 2008 年底，国内煤制甲醇企业共有 140 多家，产能合计约 1270 万吨/年，占总产能的 61%；天然气制甲醇的企业为 23 家，产能合计 600 万吨/年，占 29%；焦炉煤气制甲醇的企业约有 13 家，产能合计为 200 万吨/年，占 10%。1.3.2.2 我国甲醇工业发展趋势预测 37我国“富煤少油缺气” ，原油和天然气均不同程度的依赖进口。因此，发展天然气化
