利用二氧化碳年产1万吨甲醇的工厂设计毕业作品.docx
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利用二氧化碳年产1万吨甲醇的工厂设计毕业作品
毕-设
业-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
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
Abstract:
Inthispaper,aprocessforthesynthesisofmethanolwhichisanannualoutputof10000toverallwiththematerialofcarbondioxideandhydrogencatalyticwasdesigned.Andthemaindesignelementsincludes:
projectfeasibilityreport,siteselection,theoverallplantlayoutdesign,processsynthesisofmethanolforthedesign,layoutdesignofworkshopequipment,constantmaterialbalanceandsoon.,simultaneouslyusedAutoCADsoftwaretocompletetheoverallplantgraphicdesignlayout,processflowdiagramforproductionequipmentandworkshoplayoutmapping,Abasicallychemicalfactorywhichproducemethanolwasestablished.
Keywords:
Methanol;Plantlayout;Materialbalance;Technologyprocess
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。
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/cm³
0.791~0.792
0.791~0.793
温度范围(0℃,101325Pa),℃
64.0~65.5
沸程(包括64.4±0.1℃),℃≤
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,%≤
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
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。
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6~12%,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+O2→2CH3OH
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20.0~30.0MPa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。
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
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)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:
①市场调查和分析预测②项目的拟建规模③原料路线的选择④工艺技术路线的选择⑤项目的财务规划⑥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Aspenplus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。
(6)主要设备计算设计
利用Aspenplus软件模拟设备和反应器的物料衡算。
2可行性分析及工厂设计
2.1可行性分析
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。
10000t/a甲醇化工厂可行性研究需考虑以下几个方面。
2.1.1市场调查和分析预测
甲醇,英文名,Methanol或Methylalcohol。
别名:
木醇:
木精。
是无色透明易燃易挥发的极性液体。
分子式为CH3OH,相对分子质量为32.042(按2001年国际相对原子质量)。
纯品略带乙醇气味,粗品刺鼻难闻。
比重0.791(20℃),熔点-97.8℃,沸点64.7℃,能与水、乙醇、乙醚、苯、酮类和大多数其他有机溶剂混溶。
蒸汽与空气形成爆炸性混合物,爆炸极限6.0%~36.5%(体积)。
[2]
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。
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。
中国经济的快速发展,为甲醇汽油提供了巨大市场需求。
专家预测,到2020年中国的石油产量在1.7~2.0亿吨,相当于2.09~2.28亿吨甲醇,而且还不包括甲醇作为四大基本有机原料的消耗[6]。
2020年甲醇的市场销量可能在3亿吨左右,尽快出台甲醇发展产业政策,促进甲醇工业发展,形成国家支柱产业是我国当务之急。
而且中国是世界石油消费大国,但石油储备刚刚启动,一旦遇到紧急情况,这点储备只能是杯水车薪。
将资金用于大力发展甲醇燃料,从根本上解决中国能源问题,既是最好的石油战略储备,也能创造更多的社会效益。
2.1.2项目的泥建规模
化工装置的投资费用和生产能力之间存在着下式所示的函数关系:
I1=I2C1/C2)n
式中C1,C2——分别表示其他条件相同而尺寸不同的两台设备或两套装置的生产能力;
I1,I2——分别为其对应的投资;
n——能力指数,一般在0.6左右。
根据经验公式,一台日产量100t产品的设备,其设备投资不是日产量50t产品的设备投资的2倍,而是1.516倍。
所以单台设备或单条生产线的生产能力越大,分摊到单位产品的投资费用就越低,单位产品分摊的固定资产折旧和维修费用也越低,操作人员也不必按倍数增加[8]。
目前我国市场上使用的甲醇汽油主要有M5、M15、M50、M85以及M100等。
据了解,国内甲醇汽油生产企业目前普遍采用“两步法”生产工艺,即先将添加剂与甲醇调和,制成变性甲醇,再与汽油调和制成甲醇汽油。
这种工艺的最大弊端是手工操作多、敞开环节多,生产的连续性差,不同批次的产品质量波动大。
又由于变性甲醇长期放置后会变质,影响产品质量。
因此,该方法还受到变性甲醇的制约,无法实现大批量、规模化生产。
故此次设计的拟建规模为年产10000t甲醇的中型化工厂。
2.1.3原料和工艺技术路线的选择
研究拟建项目采用适宜的原料和工艺技术路线才能保证建设投产后技术上的先进性。
甲醇的生产方程为
CO+2H2→CH30H+90.64KJ/mol
C02+3H2→CH30H+H20+48.021J/mol[9]
工艺流程说明:
二氧化碳与天然气混合,进入抽汽凝汽式合成气压缩机,压缩后的合成气再进入换热器与合成塔顶部出来的混合气体进行换热,换热后的合成器进入合成塔后,在压力为5MPa下进行低压甲醇合成,,反应后的气体经过换热器和冷凝后,进入了闪蒸塔粗蒸,由闪蒸塔顶部出来的气体经过分流器后,一部分返回压缩机作为合成气循环使用,一部分作为驰放气直接排出,有闪蒸塔底部出来的粗甲醇进入精馏塔进行精蒸,由精馏塔出来的气体经过一个分流器,一部分返回压缩机进行循环,一部分作为驰放气排出,底部出来的即为产品。
2.1.4项目的财务规划
(1)项目建设总投资
项目建设总投资指拟建一个生产甲醇的化工厂投入生产并连续运行所需的全部资金,主要有固定资产投资、建设期借款利息和流动资金三部分组成。
固定资产投资指建成一个生产甲醇的化工厂所需费用,包括在生产运转中直接使用的机器设备,工程设计费用,厂址平整费用,建筑物、贮存装置、公用和服务设施、职工福利设施(如食堂、娱乐场所等)等所需费用。
此外,还包括开工费。
流动资金指建设甲醇项目生产经营活动正常进行二预先支付应周转使用的资金,它主要包括储备用于购买原材料二氧化碳、天然气等,燃料动力,备品备件,支付职工工资和其他费用,以及垫支在制品、半成品和制成品甲醇所占用的周转资金。
流动资金的价值最终全部转移到甲醇产品中,并通过销售产品实现回收,不断周转。
(2)生产甲醇产品成本的估算
产品成本指拟建的化工厂生产和销售甲醇产品所需的生产资料费用、工资费用和其他费用的总和。
成本的构成:
如图2-1所示。
原料及辅助材料人工直公用工程车车车
1.主要原料接操作1.冷却水间间间
2.辅助材料工的工2.工艺水维折管
3.包装材料资及附3.电修旧理
加工资4.蒸汽费费
车间成本工厂折旧企业管理费
工厂成本
经营成本
工厂成本-车间及销售成本
工厂折旧+销售费工厂成本+销售费
图2-1成本的构成
从图2-1中可知:
甲醇产品总成本费用=原材料费用+燃料及动力费+工资及福利费+维修费用+折旧费用+摊销费用+利息支出+其他费用-副产品收入
2.1.5项目风险与不确定分析。
在对工程项目进行经济评价时,由于经济计算采用的数据大部分来自预测和估计,其中必然包含某些不确定因素和风险。
生产甲醇的化工厂项目的建设要耗费大量资金、人力、物力。
项目一旦建成,就难于更改。
因此,投资项目的风险防范和控制很重要。
化工项目的风险因素很多,如汇率风险、市场和价格风险、原材料供应风险、通货膨胀风险等。
所以应从不同的角度,分析各种风险因素发生的可能性及其对投资效益的影响程度,且应多着眼于发生概率大的敏感性因素及其可能带来的不利结果。
2.2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。
在选择化工厂厂址时,应该考虑下述各项因素。
[10]
(1)原料和市场
生产甲醇的厂址应靠近各种原料二氧化碳、天然气的产地和产品甲醇市场,这样可以大大减少原料的运输及贮存费用,以及缩短产品运输所需时间及销售费用。
(2)能源
生产甲醇化工厂需要大量的动力和蒸汽,而动力和蒸汽通常由燃料提供,因此,选择的厂址最好靠近热电站以获得大量蒸汽和电力,提高经济效益。
(3)气候
气候条件也会影响拟建化工厂的经济效益,位于寒冷地带的化工厂,需要把工艺设备安放在保护性的装置中,会增加基建投资;如果温度高,则可能需要特殊的凉水塔或空调设备,增加日常操作费用和基建投资。
因此,选择厂址时应把气候条件这一因素考虑在内。
可以把生产甲醇的化工厂拟建在温带地区。
(4)运输条件
水路、铁路和公路是大多数企业常用的运输途径,生产甲醇的化工厂也不例外。
工厂应当注意当地的运费高低及现有的铁路线路。
应该尽量考虑靠近铁路枢纽以及利用河流运河、湖泊、或海洋进行运输的可能性。
公路运输可用作铁路运输和水运的补充。
另外,供职工使用的交通设施也需考虑。
(5)供水和排水
化工厂需使用大量的水,用于产生蒸汽、冷却、洗涤,有时还用作原料。
因此,厂址必须靠近水量充足和水质良好的水源。
同时,为了节约水源以及减少水处理的费用,可以循环使用冷却水。
靠近大的河流或湖泊最好水温一般要求在25~32℃。
靠近淮河、长江的地区水资源供应相对好一些,但排水口的选择往往颇费周折。
这些地区人口稠密,城市往往通过江河取水,沿江两岸城镇相临,排污口原则上不得位于城市的上游,但一个城市的下游又是下游城市的上游,两个城市间的混合扩散段通常不会太长。
化工厂生产污水中有大量的酸、碱、盐和各种有害物质,要经过净化达到国家规定的排放标准才能排入河道,否则将严重影响下游用水户。
因此,甲醇化工项目在考虑靠近港口以及原料的同时.需要修建几十公里长的排污管道。
(6)厂址与城市规划区的距离
中型甲醇化工项目对城镇区的影响主要表现在项目产生的废气、粉尘对居住区的大气环境影响,此外还有发生爆炸事故时对居民生命和财产的影响等。
虽然先进的设备装置的废气、粉尘产生量少,但由于其高压操作,瞬时流量大。
爆炸危险性和影响程度高,因此新建的中型甲醇化工项目位于城市规划区内也是不合适的,并且应尽可能地选择远离城市规划区的区域建设。
(7)对环境的影响
选厂址时注意当地的自然环境条件,厂址应在居民区的下风口和江河下游,但又不受其他企业的烟气的影响的地方建厂。
在全年主导风向不明时,应以夏季风为主。
厂址应不受洪水淹没,地下水位最好在4m以下或低于地下建筑物的深度。
(8)劳动力的来源
必须调查厂址附近能够得到的生产甲醇劳动力的种类和数量以及工资水平等。
(9)预防灾害及其他
化工厂的厂址选择应避免布置在:
地震断层地区和基本烈度9度以上的地震区;厚度较大的Ⅲ级自重湿陷性黄土地区;易遭受洪水、泥石流、滑坡等危害地区;有开采价值的矿藏地区;国家规定的历史文物、生物保护和风景游览地区;对机场、电台等使用有影响的地区。
图2-2
综合所述如图2-2生产甲醇的化工厂的厂址应着重考虑厂外运输条件、地形地质条件、厂外公用设施条件、环境条件、职工来源和生活条件等因素。
厂址可以考虑拟建在长江中下游地区,充足的水源,靠近原料氢气、天然气供应区,厂址的上方有充足的水源,附近的产品运输条件较为方便。
[11]
因此选择嘉兴的乍浦港工业园区作为厂址:
(1)便利的交通
嘉兴港区位于平湖乍浦处于中国最具经济活力的长江三角洲和沿海经济带的中心位置,东北距上海市90公里,西南距杭州市90公里,北距苏州70公里,东南距宁波40公里。
主要干道有沪杭高速、沪杭01省道、乍嘉湖高速、杭州湾跨海大桥。
嘉兴位于沪杭铁路和乍嘉湖铁路嘉交线处。
周边城市有四个大型国际机场,上海虹桥国际机场、上海浦东机场、杭州国际机场、宁波栎社国际机场。
嘉兴港全港拥有万吨级以上深水泊位12个,千吨级泊位7个,综合吞吐能力1600多万吨/年。
年输油能力2000万吨的宁波-上海输油管线穿过园区。
(2)适宜的气候
嘉兴位于东经120°18´~121°18´、北纬30°15´~31°,地处北亚热带南缘,属东亚季风区。
气候温和、四季分明、阳光充足、雨水充沛、土地肥沃,年平均气温15.7℃。
无霜期230天左右,年日照2000小时以上,年降雨量1199毫米,地势平坦,平原占总面积的88.1%,水面占10.7%,丘陵占1.2%,平均海拔3.7米。
海岸线长121公里,可建港口岸线长40余公里。
(3)较好的基础设施及政策
嘉兴港区乍浦经济开发区是省政府批准设立的,通过几年的建设,乍浦26平方公里的城市道路框架初步形成,乍浦镇区面积从2.4平方公里扩大到了6平方公里。
开发区道路、供水、供电、供热、供气、排污等配套日趋完善。
基础设施建设自身投入超过25亿元,承载临港产业发展的大平台已初步形成。
2.3工厂整体布局
工厂整体布局即总图布置,是要考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,亦即工厂的总体布局。
化工厂的总体布局主要应该满足三个方面的要求。
[10]
一生产要求总体布局首先要求保证径直和短捷的生产作业线,尽可能避免交叉和迂回,使各种物料的运送距离最小。
同时将水、电、汽好量大的车间尽量集中,形成负荷中心,并使其与供应来源靠近,使水、电、汽输送距离为最小。
二安全要求拟建的化工厂具有易燃、易爆、有毒的特点,厂区应充分考虑安全布局,严格遵守防火、卫生等安全规范和标准的有关规定,重点是防止火灾和爆炸的发生。
三发展要求厂区布置要求有较大的弹性,对于工厂的发展变化有较大的适应性。
如图2-3所示为总平面布置图
图2-3厂区平面布置图
上图是根据化工厂整体布局所拟建的生产甲醇化工厂的总平面布置图。
图中所示地区全年以东南风为主导,因此,将生活区布置在东面
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