《化工原理》课程教学资源（设计报告）年产20万吨甲醇合成工艺设计（河南城建学院）.doc_大学文库

年产20万吨甲醇合成工艺设计制造甲醛的甲醇用量随年份成增长趋势，而MTBE的需求量则逐年降低。亚洲需求量增长比较迅速，与此相反，北美地区需求则在减少。2）我国甲醇工业发展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%。2.生产技术的发展1）装置大型化于上世纪末未相比，现在新建甲醇规模超过百万吨的已不再少数。在2004一一2008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，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。2）二次转化和自转化工艺合成气发生占甲醇装置总投资的50%一60%，所以许多工程公司将其视为技术改进重点。已经形成的新工艺在主要是Syenetix（前ICI）的先进天然气加热炉转化工艺（AGHR），Lurgi的组合转化工艺（CR）和Topse的自热转化工艺（ATR）3）新甲醇反应器的合成技术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。4）引入膜分离技术的反应技术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。5）液相合成工艺传统甲醇合成采用气相工艺，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2

年产 20 万吨甲醇合成工艺设计 2 制造甲醛的甲醇用量随年份成增长趋势，而 MTBE 的需求量则逐年降低。亚洲需求量增长比较迅速，与此相反，北美地区需求则在减少。 2）我国甲醇工业发展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%。 2.生产技术的发展 1）装置大型化于上世纪末相比，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，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。 2）二次转化和自转化工艺合成气发生占甲醇装置总投资的 50%—60%，所以许多工程公司将其视为技术改进重点。已经形成的新工艺在主要是 Syenetix(前 ICI)的先进天然气加热炉转化工艺(AGHR),Lurgi 的组合转化工艺(CR)和 Tops e 的自热转化工艺(ATR) 3）新甲醇反应器的合成技术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。 4）引入膜分离技术的反应技术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。 5）液相合成工艺传统甲醇合成采用气相工艺，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

河南城建学院毕业设计（论文）烷烃化合物作反应介质，可使甲醇合成在等温条件下进行。1.2甲醇的合成方法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：（19.6-29.4Mpa）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：2CH,+02→2CH:0H.②由一氧化碳和氢气合成甲醇，③液化石油气氧化法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+H,→CHOH1.3甲醇的合成路线1．常用的合成工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3

河南城建学院毕业设计（论文） 3 烷烃化合物作反应介质，可使甲醇合成在等温条件下进行。 1.2 甲醇的合成方法 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：(19.6-29.4Mpa)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：(5.0-8.0 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，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 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 1.3 甲醇的合成路线 1．常用的合成工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

年产20万吨甲醇合成工艺设计些问题向人们揭示，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。下面介绍20世纪80年代以来所取得的新成果（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，液相是情性介质，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-AI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代表过渡金属Ni,Pd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%。当该催化剂与第VI族金属的羰基络合物混合使用时，能得到更好的效果，他能激活CO，并有较好的耐硫性，当合成气中还有1670×10-6的H2S时，其甲醇产率仍达33%。Mahajan等人研制了由过渡金属络合物与醇盐组成的符合催化剂，如四羰基镍和甲醇钾，以四氢呋喃为液相介质，反应温度为125℃，C0转化率大于90%选择性达99%。4

年产 20 万吨甲醇合成工艺设计 4 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。下面介绍 20 世纪 80 年代以来所取得的新成果。 (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 代表过渡金属 Ni,Pd 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%。当该催化剂与第Ⅵ族金属的羰基络合物混合使用时，能得到更好的效果，他能激活 CO，并有较好的耐硫性，当合成气中还有 1670×10-6 的 H2S 时，其甲醇产率仍达 33%。 Mahajan 等人研制了由过渡金属络合物与醇盐组成的符合催化剂，如四羰基镍和甲醇钾，以四氢呋喃为液相介质，反应温度为 125℃，CO 转化率大于 90%，选择性达 99%