年产20万吨甲醇合成工艺设计-化工专业毕业设计-课程设计

年产20万吨甲醇合成工艺设计(一)概述甲醇作为及其重要的有机化工原料，是碳一化学工业的基础产品，在国民经济中占有重要地位。长期以来，甲醇都是被作为农药，医药，染料等行业的工业原料，但随着科技的进步与发展，甲醇将被应用于越来越多的领域。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：(19.6-29.4Mpa)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：(5.0-8.0Mpa)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：(9.8-12.0Mpa)随着甲醇工业的大型化，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①甲烷直接氧化法：2CH4+O2→2CH3OH.②由一氧化碳和氢气合成甲醇，③液化石油气氧化法（二）原料选取本设计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主要反应式为：CO+H2→CH3OH因此原料主要是:CO,H2催化剂:Cu。（三）工艺过程设计经过净化的原料气，经预热加压，于5Mpa、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2-3。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4MPa的沸腾水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5.2MPa(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。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+3H2-205.85kJ/molCH4+O2→CO2+2H2+109.45kJ/molCH4+21O2→CO+2H2+35.6kJ/molCH4+2O2→CO2+2H2O+802.3kJ/mol合成工段5MPa下铜基催化剂作用下发生一系列反应主反应：CO+2H2→CH3OH+102.37kJ/kmol副反应：2CO+4H2→(CH3O)2+H2O+200.3kJ/kmolCO+3H2→CH4+H2O+115.69kJ/kmol4CO+8H2→C4H9OH+3H2O+49.62kJ/kmol------------(A)CO+H2→CO+H2O-42.92kJ/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。（四）主要设备（精馏塔）装配图及设计计算说明书常压精馏塔计算条件：⑴.精甲醇质量：精甲醇含醇：99.95%(wt)残液含醇：1%(wt)⑵.操作条件：塔顶压力：0.01106Pa塔底压力：0.13106Pa塔顶温度：67℃塔底温度：105℃回流液温度：40℃进料温度：124℃1.精馏段平均温度：21(124+67)=95.5℃平均压力：21[(0.13106-0.01106)7519750.01106]=99.6KPa表2-22精馏段物料流率物料质量流量：kg/h分子量：kg/kmol摩尔流量：kmol/h内回流40229.47321257.17标准状况下的体积：V0=1257.1722.4=28160.63Nm3/h操作状况下的体积：V1=28160.632735.9527363610101.0106.9910101.0=19122.47m3/h气体负荷：Vn=360047.19122=5.312m3/s气体密度：n=47.1912247.40229=2.104kg/m3查《化工工艺设计手册》，95.5℃时甲醇的密度n=721kg/m3液体负荷：Ln=721360047.40229=0.0155m3/h2.提馏段平均温度：21(105+124)=114.5℃入料压力：(0.13106-0.01106)751975=89.6kPa平均压力：21(89.6103+0.13106)=109.8kPa表2-23提馏段内回流量物料质量流量：kg/h分子量：kg/kmol摩尔流量：kmol/h内回流48743.32321523.23标准状况下的体积：1V=1523.2322.4=34120.32Nm3/h操作状态下的体积：1V=34120.322735.11427363610101.0108.10910101.0=23292.9Nm3/h所以：气体负荷：Vm=36009.23292=6.47m3/s气体密度：m=9.2329232.48743=2.093kg/m3查得进料状态甲醇溶液温度124℃，含甲醇55.7%，密度为0.83t/m3。塔底含醇1%，可近似为纯水，105℃，0.13Mpa下水的密度为939.41kg/m3。所以：液体平均密度=20.84741.939=893.21kg/m3则液体负荷Lm=360021.89332.48743=0.01516m3/s初估塔径本设计采用F1重阀浮阀塔，设全塔选用标准结构，板间距HT=0.35m，溢流堰高hc=0.05m。1.精馏段⑴.求操作负荷系数C精馏段功能参数：nnVL(vl)21=312.50155.0(104.2721)21=0.054塔板间有效高度H0=HT-HC=0.35-0.05=0.30m查斯密斯图《甲醇工学》化工工学出版社。得负荷系数：G=0.0515。又查得95.5℃时，甲醇的表面张力为：15.8710-5N/cm水的表面张力为：68.8710-5N/cm精馏段甲醇水溶液的平均组成为：甲醇：21(0.9995+0.579)=0.7893wt则含水为：1-0.7893=0.2107wt所以表面张力：σ=0.789315.8710-5+0.210768.8710-5=27.0410-5N/cm所以：C=2.051020G=2.05510201004.270515.0=0.0485⑵.最大流速UmaxUmax=1.3Cvvl=1.30.0485104.2104.2721=1.69m/sU适=0.7Umax=1.690.7=1.183m/s⑶．求塔径DD=适UVn785.0=183.1785.0312.5=2.39m2.提馏段⑴．求操作负荷系数C提馏段功能参数：mmVL（vl）21=47.601516.0(093.221.893)21=0.0484查斯密斯图得G=0.0524又得114.5℃时，甲醇表面张力为：14.1310-5N/cm水的表面张力为：57.0610-5N/cm提馏段甲醇水混合平均组成：甲醇：21(0.01+0.579)=0.295水：1-0.295=0.705平均表面张力：=0.29514.1310-5+0.70557.0610-5=44.4010-5N/cm所以：C=2.051020G=2.05510201040.440524.0=0.0447⑵.求提馏段U’maxUmax=1.3Cvvl=1.30.0447093.2093.221.893=1.199m/sU适=0.7Umax=0.71.199=0.839m/s⑶.求塔径DD=适UVm785.0=839.0785.047.6=2.93m对全塔，取塔径D=3000mm理论板数的计算1.各点的甲醇摩尔分数，设加压塔后甲醇的甲醇摩尔人率为Xf。Xf=02.1831.673032914.925932914.9259=0.437精甲醇中甲醇的摩尔分率Xd。Xd=02.1805.03295.993295.99=0.999残液中甲醇的摩尔分率Xw。Xw=02.1899321321=0.00572.处理能力F=OHOHffMXMXG22=02.18)437.01(32437.0534.2483=102.93kmol/h精馏段物料量：D精=FwdwfXXXX=102.930057.0999.00057.0437.0=44.697kmol/h提馏段物料量：D提=FwdfdXXXX=102.930057.0999.0437.0999.0=55.185kmol/h3.平均挥发度：查得124℃时，甲醇的饱和蒸汽压P*CH3OH=705.38Kpa水的饱和蒸汽压P*H2O=229.47Kpa105℃时，甲醇的饱和蒸汽压P*CH3OH=439.08Kpa水的饱和蒸汽压P*H2O=123.18Kpa由=OHOHCHpP23**得：124℃时，124℃=47.22938.705=3.074105℃时，105℃=18.12308.439=3.565平均挥发度：=105124=565.3074.3=3.3104.求最小理论塔板数Nm：因为：Xd=0.999，Xw=0.0057；Xd1=0.001Xw1=0.9943；根椐芬斯克公式：Nm=lglg11wwddXXXX=310.3lg0057.09943.0001.0999.0lg=10.06块5.求最小回流比各组分参数列表组分进料组成Xi,F釜液组成Xi,Di水0.5630.99433.565甲醇0.4370.00573.074用恩德伍德公式计算：imDiiX,=Rm+1iFiiX,=1-q因为：为露点进料所以：q=1iFiiX,=0=565.3563.0565.3+074.3437.0074.3用试差法求出：=3.254，代入：imDiiX,=Rm+1=254.3565.39943.0565.3+254.3074.30057.0074.3故：Rm=10.32操作回流比R=1.5Rm=1.510.30=15.45则1RRRm=145.1530.1045.15=0.3566.求实际理论板数查吉利兰图得：1NNNm=0.356则：108.10NN=0.356所以：N16.17块7.计算板效率⑴.求平均相对挥发度与平均粘度的积(、)塔顶塔底平均温度为：21(105+67)=86℃86℃时：OH2=0.32510-3PaSOHCH3=0.335410-3PaS则：=OHCH3Xf+OH2(1-Xf)=0.32510-30.437+0.335410-3(1-0.437)=0.330910-3PaS所以：=0.330910-33.310=1.097310-3PaS⑵.查板效率与