苏州科技学院天平学院本科生毕业设计（论文）
1.2 甲醇的用途
有机合成工业中，甲醇是仅次于乙烯、丙烯和芳烃的第四大基础原料，被广泛地应用于生产塑料、有机合成、农药、医药、染料和国防等工业[1]。
目前，甲醇主要被用于生产甲醛，其用量占总量的大约一半以上，用甲醇为原料，经羰化反应直接合成醋酸已工业化；甲醇与汽油混合可作为汽车燃料，用于合成的甲基叔丁基醚作为汽油添加剂；甲醇还可以作为较好的人工合成蛋白的原料，其蛋白转化率高，发酵的速度快，无毒，价格又便宜，所得到的人造蛋白是非常好的畜禽饲料
[3]
。目前，世界上年产10万吨的甲醇制造蛋白的工业装置已经在运转了，年产30万
吨的大型装置已经在设计中；甲醇化工已经成为了化学工业中一个十分重要的领域
[4]
。
甲醇的消费已经大大超过了它的传统的用途，甲醇潜在的消耗使用量已经大大的
超过了其化工的用途，渗透到了国名经济的各个部门，以后甲醇的发展速度会更加的迅速[4]。
1.3 甲醇生产方法
1.3.1 高压法
图 1-1 高压法合成甲醇工艺流程
采用高压法合成甲醇的工艺流程如图 1-1 所示
1923年，德国BASF(巴登苯胺烧碱公司)的Mittsach和Schneider发明了高压发
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合成甲醇的工艺，这是最初生产甲醇的方法，一般采用的是锌铬催化剂，反应压力为19.6-29.4Mpa，温度在360-400℃。考虑高压法有很多负面影响，所以其发展一直以来都处于停顿状态。 1.3.2 低压法
低压法：合成压力为4.0-5.0 Mpa，反应温度低为200-300℃，所用的铜基催化剂（含铜、铬、锌）比高压合成法所用的催化剂活性高，选择性好，所得粗甲醇中甲醇质量分数高，因而使甲醇收率提高，生产成本下降，适用于中小规模生产[5]。其中使用较多的低压合成法有I.C.I低压法和Lurgi（鲁奇）低压法。
图 1-2 低压法合成甲醇工艺流程
1.3.3 中压法
20世纪70年代初期，随着甲醇工业的大型化发展，在低压的基础上改进，获得中压法(9.8-12.0 Mpa)，中压法所用反应器与低压法相同，流程也与低压法类似，所用催化剂也和低压法一致，反应温度230-280℃，但动力消耗也随压力的提高而增加[5]。
生产甲醇方法还有：液化石油气氧化、甲烷氧化、一氧化碳和氢气合成[6]。 甲醇合成工序至关重要，比较合成甲醇的三种方法，考虑投入资金、生产成本、甲醇质量，设计最终采用低压法。
主反应式方程式：CO+ H2→CH3OH。
1.4 设计任务
1.4.1 设计的依据
设计依据详见附录1毕业设计论文任务书。
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1.4.2设计的内容
甲醇合成工段工艺设计
重点：甲醇合成的工艺流程设计，物料衡算和热量衡算，反应器的工艺计算，绘制煤制甲醇合成工段工艺流程图（物料流程图及带控制点的工艺流程图）、反应器结构图、设备平面图及设备立面图。 1.4.3 设计的条件
（1）生产能力：年产量为25万吨，年工作日为330天。
（2）工作制度：日工作时间24h，每日3班，每班8h，轮流替换，连续生产。 1.4.4 产品质量标准：
产品(精甲醇)执行国家标准，具体指标如下：
项目
指标
优等品 一等品 合格品
色度(铂－钴)，号 ≤ 密度，g/cm3 温度范围 ℃
沸程（包括64.6±0.1）℃
高锰酸钾试验，min ≥ 水溶性试验
水分含量，% ≤ 酸度(以HCOOH计)，% ≤ 或碱度(以NH3计) % ≤ 羰基化合物含量(以CH2O计)，% ≤ 蒸发残渣含量，% ≤
0.10 0.0015 0.0002 0.002 0.001 0.8 50
澄清
0.15 0.003 0.0008 0.005 0.003 5
0.791～0.792
10
0.791～0.793
64.0～65.5
1.0 30
1.5 20 0.005 0.0015 0.01 0.005
要求所生产的甲醇至少达到合格品要求。其他生产条件根据实际设计情况拟定。
第2章 工艺流程
2.1 催化剂
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目前，在国外，采用铜系催化剂的有托普索公司的MK-101低压甲醇催化剂和ICI公司的ICI51-7铜系催化剂等；国内主要有西南化工研究设计院（四川天一科技）生产的XNC-98型甲醇催化剂和南化集团研究院生产的C306、C307新型低压甲醇催化剂，其主要性能见下表[7]：
表2-1 目前甲醇合成常用的几种催化剂性能表 相对时空收率
催化剂型号
210℃ 230℃ 250℃ 270℃
XNC-98 ICI-51-7
1.00 0.86
1.00 0.96
1.00 0.98
1.00 1.00
压力/MPa 温度/℃ 5.0~10.0
-
190~290
-
12000 12000
操作条件
操作空速/h-1
MK-101 0.88 0.91 0.96 0.95 9.8 220~270 10000
ICI51-3 0.80 0.87 0.88 0.93 7.8~11.8 190~270 10000
C79-05-GL 0.70 0.76 0.85 0.94 1.5~11.7 220~330 -
实际上，整体而言，国内与国外相比，甲醇催化剂的使用成效差，反应压力高于国国外，国内生产的甲醇净收率也低于国外、国内的甲醇催化剂含的杂质多，使用寿命短（一般相当于国外的一半），但国外催化剂的使用价格太高，可能比国内高两倍不止，国内需要的企业无法接受。
上述两家国内的甲醇催化剂厂的催化剂差异小，性能差不多，存在不同程度的结蜡现像都是他们的致命弱点，给生产造成了某些麻烦，不过有一定的性价比。
从表中可以看出，XCN-98型催化剂各方面性能都比C型的好，其性价比较高。 （1） XCN-98型催化剂能更彻底地与合成气接触，催化剂的反应效率高。 （2） XCN-98型催化剂温度适用范围广（200-230℃），而C307型只有210-215℃所以，使用寿命比C307型长。
（3） XCN-98型催化剂耐热后活性由1.2上升到1.55，而C307型由1.3下降低到1.0，甲醇空时的产率比C307高百分之五十左右。
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表2-2 XNC-98型与C型催化剂的性能对比表
催化剂型号 C307 XCN-98
合成塔进口温度 初期 末期 210 200
225 230
生产能力kg/L·h 1.05 1
比表面积 m2/g 90~110 100~160
甲醇空时产率g/ml催化剂·h 初活性 耐热后活性
1.3 1.2
1.0 1.55
综上，设计采用国内的XCN-98型催化剂。
2.2 甲醇反应器
整个系统中，最重要的设备就是甲醇反应器，又称甲醇转化器或者甲醇合成塔，作用是使CO和H2在塔内的催化剂层中合成甲醇。
工艺对甲醇反应器的要求：
（1） 甲醇合成反应是放热的过程，因此，合成反应器的结构应能保证在反应过程当中及时将反应的热量移出，以保持反应温度经尽可能接近理想温度分布[8]。
（2）甲醇产量高[8]。
（3） 要充分利用反应器的体积，尽量多填装催化剂，提高设备的利用率[8]。 （4） 反应器的结构要求简单紧凑，坚固、气密性好，便于拆卸、检修等[8]。 甲醇反应器主要由三部分构成：外筒、内件和电加热器，其中，外筒是一个高压的容器，一般是由多层钢板卷焊而成的，有些则是用扁平绕带绕制而成的；而内件型式很多，置于外筒之外，内件是由催化剂筐和换热器两部分构成，其中催化剂筐为核心[4]。
下面介绍两种最常见的固定床气固催化反应器 （1） 冷激式
这种反应器是最先的低压甲醇反应器，结构比较简单,主要由催化剂入口、催化剂出口、反应物料进口、反应物料出口、气体喷头、塔体等组成，用进塔冷气冷激来带走反应热。但是，由于碳氧化物分压增大,甲醇的选择性下降，且碳的转化率低，催化剂的寿命比通常催化剂都短[9]。
（2） 列管式等温反应器
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