甲醇合成工段工藝設(shè)計(jì)

1、濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）（冶金化工系）目年產(chǎn)十萬噸甲醇合成工段工藝設(shè)計(jì)專 業(yè)應(yīng)用化工技術(shù)班 級(jí)化工1001班姓 名學(xué) 號(hào)指導(dǎo)教師李曉樂完成日期2012年6月15日二如2年9月30日摘要錯(cuò)誤!未定義書簽。第一章綜述錯(cuò)誤！未定義書簽。甲醇在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位與作用錯(cuò)誤!未定義書簽。甲醇生產(chǎn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展錯(cuò)誤!未定義書簽。甲醇合成生產(chǎn)方法的綜述及選擇錯(cuò)誤!未定義書簽。高壓法錯(cuò)誤！未定義書簽。低壓法錯(cuò)誤！未定義書簽。中壓法錯(cuò)誤！未定義書簽。合成方法的選擇錯(cuò)誤!未定義書簽。第二章甲醇合成工段設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。甲醇的性質(zhì)錯(cuò)誤！未定義書簽。甲醇的物理性質(zhì)錯(cuò)誤!未定義書簽。甲醇的化學(xué)性質(zhì)錯(cuò)誤！未定義

2、書簽。甲醇合成工段設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。甲醇合成反應(yīng)的主要原理及特點(diǎn)錯(cuò)誤!未定義書簽。甲醇合成工藝條件的選擇錯(cuò)誤!未定義書簽。工藝流程的確定錯(cuò)誤!未定義書簽。第三章 工藝計(jì)算 錯(cuò)誤!未定義書簽。甲醇生產(chǎn)的物料平衡計(jì)算錯(cuò)誤!未定義書簽。合成塔物料平衡計(jì)算錯(cuò)誤!未定義書簽。熱量衡算錯(cuò)誤！未定義書簽。甲醇合成塔的熱平衡計(jì)算錯(cuò)誤!未定義書簽。水冷器熱量衡算錯(cuò)誤!未定義書簽。第四章設(shè)備的選型錯(cuò)誤!未定義書簽。合成塔錯(cuò)誤！未定義書簽。輔助設(shè)備錯(cuò)誤！未定義書簽。熱交換器錯(cuò)誤！未定義書簽。其它設(shè)備錯(cuò)誤！未定義書簽。致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。參考文獻(xiàn) 錯(cuò)誤!未定義書簽。錯(cuò)誤!未定義書簽。錯(cuò)誤!未定義書簽。附錄一甲醇

3、合成流程圖 附錄二合成塔 摘要甲醇是一種重要的有機(jī)化工原料，應(yīng)用廣泛，可以用來生產(chǎn)甲醛，合成橡膠、甲 胺、對(duì)苯二甲酸二甲酯、甲基苯烯酸甲酯、氯甲烷、醋酸、甲基叔丁基瞇等一系列有 機(jī)化工產(chǎn)品，而且還可以加入汽油摻擾或代替汽油作為動(dòng)力燃料以及由用來合成甲醇 蛋白。隨著當(dāng)今世界石油資源的日益減少和甲醇單位成本的降低，用甲醇作為新的石 化原料來源已經(jīng)成為一種趨勢。此外甲醇還可以用來生產(chǎn)能較好解決能源和污染之間矛盾的“21世紀(jì)的綠色燃 料”二甲瞇(DME)。本文依據(jù)年產(chǎn)10萬噸甲醇的工藝，設(shè)計(jì)年產(chǎn)10萬噸甲醇的合成工段工藝。關(guān)鍵詞：原料氣甲醇合成塔合成第一章綜述甲醇在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位與作用甲醇生產(chǎn)過程比

4、較簡單，原料來源多樣，煤、石腦油和天然氣均可制甲醇。甲醇 用途廣泛，它的下游產(chǎn)品多達(dá)幾百種。近年來由于世界各國環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，特別是美 國國會(huì)于1990年11月15日通過清潔空氣法修正案以后，甲醇的身價(jià)備增，全球甲醇 的需求增長加快。甲醇用途廣泛，是基礎(chǔ)的有機(jī)化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料。主要應(yīng)用于精細(xì)化工，塑料 等領(lǐng)域，用來制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲酯等多種有機(jī)產(chǎn)品，也是農(nóng) 藥、醫(yī)藥的重要原料之一。甲醇在深加工后可作為一種新型清潔燃料，也加入汽油摻 燒。甲醇和氨反應(yīng)可以制造一甲胺。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的改變，甲醇又開辟了許多新的用途。甲醇 是較好的人工合成蛋白的原料，蛋白轉(zhuǎn)化率

5、較高，發(fā)酵速度快，無毒性，價(jià)格便宜； 目前，世界上已有年產(chǎn)10萬噸甲醇制蛋白的工業(yè)裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)，年產(chǎn)30萬噸的大型裝 置已經(jīng)設(shè)計(jì)。甲醇是容易輸送的清潔燃料，可以單獨(dú)或與汽油混合作為汽車燃料，用 它作為汽油添加劑可起節(jié)約芳燒、提高辛烷值的作用，汽車制造業(yè)將成為耗用甲醇的 巨大部門；由甲醇轉(zhuǎn)化為汽油方法的研究成果，從而開辟了由煤轉(zhuǎn)換為汽車燃料的途 徑。甲醇是直接合成醋酸的原料。甲醇可直接用于還原鐵礦（甲醇可以預(yù)先分解為 CO、出，也可以不作預(yù)分解），得到髙質(zhì)量的海綿鐵。特別是近年來碳一化學(xué)工業(yè)的 發(fā)展，甲醇制乙醇、乙烯、乙二醇、甲苯、二甲苯、醋酸乙烯、醋酸肝、甲酸甲酯和 氧分解性能好的甲醇樹脂等產(chǎn)品

6、，正在研究開發(fā)和工業(yè)化中。甲醇化工已成為化學(xué)工 業(yè)中一個(gè)重要的領(lǐng)域。甲醇生產(chǎn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展（1）二次轉(zhuǎn)化和自轉(zhuǎn)化工藝合成氣發(fā)生占甲醇裝置總投資的50%60%,所以許多工程公司將其視為技術(shù)改 進(jìn)重點(diǎn)。已經(jīng)形成的新工藝主要是Synetix（前ICI）的先進(jìn)天然氣加熱爐轉(zhuǎn)化工藝 （AGHR）、Lurgi的組合轉(zhuǎn)化工藝（CR）和Topse的自熱轉(zhuǎn)化工藝（ATR） 0（2）新甲醇反應(yīng)器和合成技術(shù)大型甲醇生產(chǎn)裝置必須具備與其規(guī)模相適應(yīng)的甲醇反應(yīng)器和反應(yīng)技術(shù)。傳統(tǒng)甲醇 合成反應(yīng)器有ICI的冷激型反.應(yīng)器、Lungi的管殼式反應(yīng)器、Topsdpe的徑向流動(dòng)反 應(yīng)黠等近期出現(xiàn)的新合成甲醇反應(yīng)器有日本東洋工程(T

7、EC)的MRF-Z反應(yīng)器等，而 反應(yīng)技術(shù)方面則出現(xiàn)了 Lurgi推出的水冷一氣冷相結(jié)合的新流程。(3) 引進(jìn)膜分離技術(shù)的反應(yīng)技術(shù)通常的甲醇合成工藝中，未反應(yīng)氣體需循環(huán)返回反應(yīng)器，而KPT則提出將未反應(yīng) 氣體送往膜分離器，并將氣體分為富含氫氣的氣體，前者作燃料用，后者返回反應(yīng)器。(4) 液相合成工藝傳統(tǒng)甲醇合成采用氣相工藝，不足之處是原料單程轉(zhuǎn)化率低、合成氣凈化成本髙、 能耗髙。相比之下，液相合成由于使用了比熱容髙、導(dǎo)熱系數(shù)大的長鏈烷姪化合物作 反應(yīng)介質(zhì)，可使甲醇合成在等溫條件下進(jìn)行。甲醇合成生產(chǎn)方法的綜述及選擇高壓法高壓法(一)：是最初生產(chǎn)甲醇的方法，采用鋅鎔催化劑，反應(yīng)溫度360 40(rc

8、, 壓力一。高壓法由于原料和動(dòng)力消耗大，反應(yīng)溫度高，生成粗甲醇中有機(jī)雜質(zhì)含量高, 而且投資大，其發(fā)展長期以來處于停頓狀態(tài)。低壓法低壓法(一)：是20世紀(jì)60年代后期發(fā)展起來的甲醇合成技術(shù)。低壓法基于髙 活性的銅系催化劑，其活性明顯高于鋅貉催化劑，反應(yīng)溫度低(240-270°C)o在較低 壓力下可獲得較高的甲醇收率，且選擇性好，減少了副反應(yīng)，改善了甲醇質(zhì)量，降低 了原料的消耗。此外，由于壓力低，動(dòng)力消耗降低很多，工藝設(shè)備制造容易。中壓法中壓法(一)：隨著甲醇工業(yè)的大型化，如采用低壓法勢必導(dǎo)致工藝管道和設(shè)備 較大，因此在低壓法的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高合成壓力，即發(fā)展成為中壓法。中壓法仍采用 高活

9、性的銅系催化劑，反應(yīng)溫度與低壓法相同，但由于提高了壓力，相應(yīng)的動(dòng)力消耗 略有增加。合成方法的選擇本設(shè)計(jì)所采用的合成方法：比較以上三者的優(yōu)缺點(diǎn)，以投資成本，生產(chǎn)成本，產(chǎn) 品收率為依據(jù)，選擇低壓法為生產(chǎn)甲醇的工藝，用co和也在加熱壓力下，在催化劑 作用下合成甲醇，其主要反應(yīng)式為：C0+H2-CH:)0Ho第二章甲醇合成工段設(shè)計(jì)甲醇的性質(zhì)甲醇的物理性質(zhì)無色、透明、髙度揮發(fā)、易燃液體。略有酒精氣味。分子式CHQH、分子量、相 對(duì)密度(20/4°C).熔點(diǎn)。C、沸點(diǎn)。C、閃點(diǎn) J 自燃點(diǎn)工、蒸氣密度、蒸氣壓 (lOOmmHg °C)o蒸氣與空氣混合物爆炸下限6。能與水、乙醇、乙瞇、苯

10、、酮、 鹵代姪和許多其他有機(jī)溶劑相混溶。遇熱、明火或氧化劑易著火。遇明火會(huì)爆炸，在 空氣中甲醇蒸汽的爆炸極限 (體積)。甲醇是最常用的有機(jī)溶劑之一。與水互溶 且體積縮小，能與乙醇、乙酸等多種有機(jī)溶劑互溶，甲醇為有毒化工產(chǎn)品。有顯著的 麻醉作用，對(duì)視神經(jīng)危害最為嚴(yán)重，吸入濃的甲醇蒸汽時(shí)會(huì)出沉醉、頭痛、惡心、嘔 吐、流淚、視力模糊和眼痛等，需要數(shù)日才能恢復(fù)，空氣中允許濃度為1,極限允許 濃度在空氣中為2000ppm。甲醇的一般性質(zhì)列于表2-1表2-1甲醇的一般性質(zhì)性質(zhì)數(shù)據(jù)性質(zhì)數(shù)據(jù)密度 g/ml (0°C)臨界壓力PaX105沸點(diǎn)°C蒸汽壓Pa (20°C)X101熔點(diǎn)

11、°C黏度Pas (20°C)X10 *自燃點(diǎn)(空氣中473膨脹系數(shù)(20。0臨界溫度°C240爆炸性(空氣中) (Vol)蒸發(fā)潛熱kJ/mol(°C)腐蝕性除鉛、鋁外，常溫下無腐蝕性甲醇的化學(xué)性質(zhì)甲醇具有脂肪醇的化學(xué)性質(zhì)，即可進(jìn)行氧化、酯化、潑基化，氨化、脫水等反應(yīng)。 甲醇裂解產(chǎn)生CO和出，是制備CO和出的重要化學(xué)方法。(1) 氧化反應(yīng) 甲醇在電解銀催化劑上可被空氣氧化成甲醛，是重要的工業(yè)制備甲醛的方法。CHQH+ HCHO + H20 甲醇完全燃燒時(shí)氧化成CO和HO,放出大量的熱：CHQH +02-CIV 出0 + kJ/mol（2）酯化反應(yīng)甲醇和硝酸

12、作用生成硝酸甲酯CH.OH +HN0.L CHNV 乩0（3）撥基化反應(yīng)甲醇和光氣發(fā)生炭基化反應(yīng)生成氯甲酸甲酯，進(jìn)一步反應(yīng)生 成碳酸二甲酯：CH：.OH + COCI2-CH3OCOCI + HC1CH；OCOC1 + CH30H-> （CH：Q） 2CO（4）胺化反應(yīng)在壓力520Mpa,溫度370420£下，以活化氧化鋁或分子篩 催化劑，甲醇和氨發(fā)生反應(yīng)生成一甲胺，二甲胺和三甲胺的混合物，經(jīng)精館分離可得 一甲胺，二甲胺和三甲胺一甲胺，二甲胺和三甲胺產(chǎn)品。CHQH + NH3CH；iNH2 + H202CH：QH + NHf （CH：J 2NH + 2H203CH30H + N

13、H3-*（CH3） 3+ 3H20（5）脫水反應(yīng) 甲醇在高溫和酸性催化劑如ZSM-5, r-AlA作用下分子間脫 水生成二甲瞇：2CH；$0H-（CH；t） 20+H20（6）裂解反應(yīng) 在銅催化劑上，甲醇可裂解成C0和乩：CHsOHfCO+H（7 ）氯化反應(yīng) 甲醇和氯化氫在Zn/ZrO催化劑上發(fā)生氯化反應(yīng)生成一氯甲 烷：ch3oh+hci->ch3ci+h2o氯甲烷和氯化氫在CH：tCl2 / ZiA催化劑作用下進(jìn)一步發(fā)生氧氯化反應(yīng)生成二氯 甲烷和三氯甲烷。CH；5C12+HC1+2CHC1；1+H2OCH3OH+HCI+ 2 CH2CI 2 +H2O（8）其他反應(yīng) 甲醇和苯在，3503

14、809反應(yīng)條件下，在催化劑的作用下可生 成甲苯:CH;j0H+C6H6->C6H5CH3+H2022（TC, 20MPa 7,甲醇在姑催化劑的作用下發(fā)生同系化發(fā)反應(yīng)生成乙醇:CH30H+C0+H2CH3CH0H+H20甲醇合成工段設(shè)計(jì)甲醇合成反應(yīng)的主要原理及特點(diǎn)造氣工段：使用二步法造氣CH,+H2O（氣）-C0+ kJ/molCHt+Of CO2+2H2+ kJ/molCH4+丄 02->C0+2H2+ kJ/mol2CHi+202f CO2+2H2O+ kJ/mol合成工段：5IPa下銅基催化劑作用下發(fā)生一系列反應(yīng)主反應(yīng)：C0+2H?f CH：QH+ kJ/kmol副反應(yīng)： 2C

15、0+4H?f （CH：Q） +比0+ kJ/kmo 1C0+3H2-CH,+ 比0+ kJ/kmo 14C0+8H?f GH9OH+3H2O+ kJ/kmo 1（A）CO+H2-CO + kJ/kmo 1除（A）外，副反應(yīng)的發(fā)生，都增大了 CO的消耗量，降低了產(chǎn)率，故應(yīng)盡量減少 副反應(yīng)。甲醇合成工藝條件的選擇1.反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度影響反應(yīng)速度和選擇性。由合成氣合成甲醇的反應(yīng)為可逆放熱反應(yīng)，其 總速度是正、逆反應(yīng)速度之差。隨著反應(yīng)溫度的增加，正、逆反應(yīng)的速度都要增加， 但是吸熱方向（逆反應(yīng)）反應(yīng)速度增加的更多。因此，可逆放熱反應(yīng)的總速度的變化 有一個(gè)最大值，此最大值對(duì)應(yīng)的溫度即為“最適宜溫度”，它

16、可以從反應(yīng)速度方程式 計(jì)算出來。實(shí)際生產(chǎn)中的操作溫度取決于一系列因素，如催化劑、壓力、原料氣組成、空間 速度和設(shè)備使用情況等，尤其取決于催化劑。高壓法鋅鉆催化劑上合成甲醇的操作溫 度是低于最適宜溫度的。在催化劑使用初期為380390°C,后期提高到39042CTC。 溫度太高，催化劑活性和機(jī)械強(qiáng)度很快下降，而且副反應(yīng)嚴(yán)重。低、中壓合成時(shí)，銅 催化劑特別不耐熱，溫度不能超過300£,而200°C以下反應(yīng)速度又很低，所以最適 宜溫度確定為2402709。反應(yīng)初期，催化劑活性高，控制在240°C,后期逐漸升溫 到 2709。合成甲醇反應(yīng)屬放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱必須及

17、時(shí)移出，以避免催化劑升溫過高產(chǎn)生燒 結(jié)現(xiàn)象，使催化劑活性下降，同時(shí)避免副反應(yīng)增加。因此在低壓法合成甲醇時(shí)，必須 嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度，及時(shí)有效地移走反應(yīng)熱。2. 反應(yīng)壓力一氧化碳加氫合成甲醇的主反應(yīng)與副反應(yīng)相比，是分子數(shù)減少最多而平衡常熟最 小的反應(yīng)，故壓力增加，對(duì)加快反應(yīng)速度和增加平衡濃度都十分有利。合成反應(yīng)所需壓力與催化劑類型，反應(yīng)溫度等都有較密切的關(guān)系。當(dāng)使用 ZnO-CrA作催化劑時(shí)，由于活性低，反應(yīng)溫度較高，則相應(yīng)的反應(yīng)壓力也需較高（約 為30MPa）,以增加反應(yīng)溫度。當(dāng)使用CuO-ZnO-AlA為催化劑時(shí)，由于活性較高， 相應(yīng)的反應(yīng)溫度較低，則反應(yīng)壓力也需較低（約為5MPa） o3.

18、原料氣組成原料氣中氫氣和一氧化碳的比例對(duì)一氧化碳生成甲醇的轉(zhuǎn)化率也有較大影響，生 產(chǎn)一般采用氫過量。氫過量可以抑制高級(jí)醇、高級(jí)坯和還原性物質(zhì)的生成，提髙粗甲 醇的濃度和純度。同時(shí)，過量的氫可以起到稀釋作用，且因氫的導(dǎo)熱性能好，有利于 防止局部過熱和控制整個(gè)催化劑床層的溫度。但是，氫過量太多會(huì)降低反應(yīng)設(shè)備的生 產(chǎn)能力。工業(yè)生產(chǎn)上采用銅基催化劑的低壓法甲醇合成，一般控制氫氣與一氧化碳的 摩爾比為（） : 1。原料氣中有一定含量的二氧化碳時(shí)，可以降低反應(yīng)峰值溫度。對(duì)于低壓法合成甲 醇，二氧化碳含量體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)甲醇收率最好。此外，二氧化碳的存在也可抑制 二甲瞇的生成。原料氣中有氮及甲烷等惰性物存在

19、時(shí)，使氫氣及一氧化碳的分壓降低，導(dǎo)致反應(yīng) 轉(zhuǎn)化率下降。反應(yīng)系統(tǒng)中的惰性氣體含量保持在一定濃度范圍。工業(yè)生產(chǎn)上一般控制 循環(huán)氣量為新鮮原料氣量的6倍。4. 空速合成甲醇的空速大小，影響反應(yīng)的選擇性和轉(zhuǎn)換率。合適的空速與催化劑的活性 和反應(yīng)溫度有關(guān)。一般來說，空速低，物料接觸時(shí)間較長，不僅會(huì)加速副反應(yīng)的發(fā)生, 生成高級(jí)醇，另一方面也會(huì)使催化劑生產(chǎn)能力下降?？账俑?，可提高催化劑生產(chǎn)能力， 減少副反應(yīng)，提髙甲醇產(chǎn)品濃度。但空速太高，單程轉(zhuǎn)換率降低甲醇濃度降低，分離 難度加大。一氧化碳加氫合成甲醇用銅基催化劑的低壓法，適宜的空速10000h-l左右 Nnu/ （nh催化劑 h）。工藝流程的確定甲醇的合成

20、是可逆放熱反應(yīng)，為使反應(yīng)達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率，應(yīng)迅速移走反應(yīng)熱， 本設(shè)計(jì)采用Lurgi管殼式反應(yīng)器，管程走反應(yīng)氣，殼程走4IPa的沸騰水。經(jīng)過凈化的原料氣，經(jīng)預(yù)熱加壓，于5Mpa、220工下，從上到下進(jìn)入Lurgi反應(yīng) 器，在銅基催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)，出口溫度為250 °C左右，甲醇7%左右，因此， 原料氣必須循環(huán)，則合成工序配置原則為圖2-1。合成 塔水冷 器4醇離 甲分塔循環(huán) 器A粗甲醇馳放氣圖2-1合成合序配置原則甲醇合成的工藝流程：這個(gè)流程是德國Lu先i公司開發(fā)的甲醇合成工藝，流程采用管殼式反應(yīng)器，催化 劑裝在管內(nèi)，反應(yīng)熱由管間沸騰水放走，并副產(chǎn)髙壓蒸汽，甲醇合成原料在離心式透

21、 平壓縮機(jī)內(nèi)加壓到MPa （以1： 5的比例混合）循環(huán)，混合氣體在進(jìn)反應(yīng)器前先與反應(yīng) 后氣體換熱，升溫到22（TC左右，然后進(jìn)入管殼式反應(yīng)器反應(yīng)，反應(yīng)熱傳給殼程中的 水，產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入汽包，出塔氣溫度約為25（TC,含甲醇7%左右，經(jīng)過換熱冷卻到 4（TC,冷凝的粗甲醇經(jīng)分離器分離。分離粗甲醇后的氣體適當(dāng)放空，控制系統(tǒng)中的惰 性氣體含量。這部分空氣作為燃料，大部分氣體進(jìn)入透平壓縮機(jī)加壓返回合成塔，合 成塔副產(chǎn)的蒸汽及外部補(bǔ)充的高壓蒸汽一起進(jìn)入預(yù)熱器加熱到5CTC,帶動(dòng)透平壓縮 機(jī)，透平后的低壓蒸汽作為甲醇精館工段所需熱源。圖2-2 Lurgi低壓法甲醇合成工藝流程1.透平壓縮機(jī)2.熱交換器3.

22、鍋爐水預(yù)熱器4.水冷卻器5.甲醇合成塔6泡氣包7.甲醇分離器 &粗甲醇貯槽第三章工藝計(jì)算工藝計(jì)算作為化工工藝設(shè)計(jì)，工藝管道，設(shè)備的選擇及生產(chǎn)管理，工藝條件選擇的主要依據(jù)，對(duì)平衡原料，產(chǎn)品質(zhì)量，選擇最佳工藝條件，確定操作控制指標(biāo)，合理利用生產(chǎn)的廢料，廢氣，廢熱都有重要作用。甲醇生產(chǎn)的物料平衡計(jì)算合成塔物料平衡計(jì)算本次設(shè)計(jì)中甲醇的生產(chǎn)能力為年產(chǎn)十萬噸粗甲醇，精甲醇的成分見表3-1表3-1粗甲醇組成物料名稱甲醇二甲瞇正丁醇水組成(wt%)甲醇合成的主副反應(yīng)：主反應(yīng)：C0+2H?f CHsOH+mol副反應(yīng)：2C0+4H<f (CH J 20+HQ+mo 1C0+3氏CH】+比0+mol

23、4C0+8H?f CHJWH+IW +molCO2+H2 f CO+H-Omol合成塔出塔氣中含CH3()H： %進(jìn)合成塔氣體壓力30X106貯罐氣壓力X10溫度T25°C本次設(shè)計(jì)中的工作制度為年工作日300天，三班制生產(chǎn)。本次設(shè)計(jì)中粗甲醇每小時(shí)產(chǎn)量：100000/300 X 24 = hk 一噸粗甲醇為例進(jìn)行物料衡算表3-2新鮮氣體的組成見表物料名稱co2coILCH,n2組成(V%)%水冷器后循環(huán)氣組成見表3-3表3-3水冷器后循環(huán)氣組成物料名稱co?co11.CH,n2組成(V%)%以循環(huán)氣組成為根據(jù)由固氮工藝計(jì)算法P295圖X、XI、XII查得混合氣在粗 甲醇的溶解量見表3-

24、4。表3-4混合氣在粗甲醇的溶解量組分VXm,/TNnh/hKmol/tKmol/hKg/tKg/hwtC02coh2CH,總計(jì)以也求解過程為例：循環(huán)氣中也的含量為,由固氮工藝計(jì)算法幾95圖XI查得每噸粗甲醇中溶解 量也量為。因此Y%=X100%=%換算為質(zhì)量：X2=t所以Wt%=X 100%=%每小時(shí)溶解氣量x=hx=h2=h一噸粗甲醇中各組分含量計(jì)算：以甲醇含量計(jì)算為例：1000X%=t 粗(4-32) X=t 粗根據(jù)甲醇合成的主副反應(yīng)：C0+2H2 - CH.OH(1-1)2C0+4H? - (CHJ2O+H2O(1-2)C0+3H2一 CH,+H20(1-3)2C0+4H2 - CHH

25、9OH+H2O(1-4)CO2+H2-CO+H2O(1-5)根據(jù)上述反應(yīng)方程式可寫出下列物料平衡方程式：I VFKF = VkKk +Kp +KuII VFmF + m = VKmK + mpIII W = A + m + 31 + KuIV VFnF = VKnK + NpV VFCF + Ku = VKCK +Cp+L+2A+m+4IVI VFhF = VKhK + Hp + 2L + 4A + 3m + 81 + Ku 式中：VF新鮮氣容積，Nnh/T粗；KF新鮮氣體中CO?的百分含量，V%；Vk放空氣容積，Nnu/T粗；Kk放空氣中CO?的百分含量，V%；Kp產(chǎn)物中C0?的量，Nm/T

26、粗；KuC02 的量，Nnk/T 粗；VF新鮮氣中甲烷的百分含量，V%;M式(1-3)中生成的C比量,Nnu/T粗;mK放空氣中CHi的百分含量，V%；mp產(chǎn)物中CH4的量，Nm/T粗；W生成水的量，Nm/T粗；A(CH3)20 的量，IWT 粗;ICtH90H 的量,Nm/T 粗；nF新鮮氣中N?的百分含量，V% ；nK循環(huán)氣中的百分含量，V%；Np產(chǎn)物中N?的量，Nm/T 粗;CF新鮮氣中CO的百分含量，V%；CK循環(huán)氣中CO的百分含量，Y%;Cp產(chǎn)物中CO的量，Nnh/T粗；LCFLOH 的量，Nma/T 粗；hF新鮮氣中出的百分含量，V%；hK循環(huán)氣中乩的百分含量,V%；Hp產(chǎn)物中也的

27、量,Nnu/T 粗。根據(jù)惰性組分的組成平衡可設(shè)：i = nK + mK1-i 二 CK + hK + KK由以上6個(gè)方程式引入輔助變量B、D,可解得：1) nK二nFX (1 +3i KK)B (I-KK)D4- (CF+hF+4mF+4nF)B- (nF+mF- KF) D2) mK二 inK3) VK=D 十nK (CF+hF+4mF+4nF)三 nF ( 1 + 3 i Ku)4) VF=VKnK/nF+Np/nF5) m=VKmK+mp-VFmF6) Ku=W-(A+m+3I)7) CF=CKVK- (Ku-Cp-L-2A-m-4I) 4-VF其中：D二Cp+Hp+3L+6A+12I+

28、4mPHp(CF+hF+4mF)三nFB=mP+A+3l+NP(KF-mF) 4-nF-Kp-W將已知數(shù)據(jù)代入進(jìn)行物料衡算得：B二+3X + X一=-t 粗D二+3X+6X+12X+4X X+4X =Nm；$/t 粗分離后氣體中N?含量：nk=%X 1 + 3X%+%) -% X (%-X4-%+%+4X%) X (%+%-%) X=%循環(huán)氣中CH】的含量：mK=i-nK=%+%-%=%放空氣的量N9：V6=VK=4- %X%+%+4X%+4X%) 4-%- (1+3X =Nm；$/1 粗新鮮氣體的量N1 :Nl=VF=X%+4-%=Nm；$/t 粗反應(yīng)生成CM的量：m=VKmK+mp-VFm

29、F=x%+-x%=Nnu/1 粗參加反應(yīng)的C0的量：Ku=W-(A+m+3I)=- + +3X=t 粗新鮮氣體中CO的量：CF= CKVK - (Ku-CP-L-2A-m-4I) 4-VF= %X2X4X4-=%新鮮氣中也的百分含量：hF=X%-F + +8X+3X+4X+2X4-=%循環(huán)氣系統(tǒng)中不同點(diǎn)氣體容積的確定。合成塔后氣體的容積：Y3二甲醇蒸汽的體積/合成塔出口氣體混合物中甲醇的百分含量=4-%= Nm;$/T 粗甲醇分離器后氣體的體積：N8=N3-N6-N7=1WT 粗循環(huán)氣體積：N10二N8N9二 Nm3/T 粗入塔氣體積：N2=Nl+N10=+= Nnu/T 粗放空氣體積：N9=

30、VK= Nnia/T 粗反應(yīng)中消耗的乩的量：NH?反應(yīng)=2L+4A+3M+8I + Ku=2X+4X+3X+8X +=IWT 粗反應(yīng)過程中消耗=L+2A+M+4I + Ku=+2X+4X =1WT 粗由上述計(jì)算結(jié)果入塔氣為h,出塔氣為h。（出一入 |）/AX100%=- X100%=%在允許的誤差范圍內(nèi)，可以認(rèn)為物料平衡。從甲醇分離器出來的粗甲醇中溶有一定量氣體，當(dāng)進(jìn)入低壓設(shè)備粗甲醇貯罐時(shí), 壓力太大，降低會(huì)有一定量氣體從粗甲醇中馳放出來，稱馳放氣，遺留在粗甲醇中另 一部分氣體隨粗甲醇進(jìn)入精館工程。弛放量N7二一二h各組分含量見表3-5,以也計(jì)算為例：表3-5馳放氣各組分含量組分VNma/TN

31、nh/hKmol/TKmol/hKg/TKg/hwtco?coh2CHi總計(jì)X%=h4-2=hX =hCO的量熱量衡算甲醇合成塔的熱平衡計(jì)算1、全塔熱平衡式EQ 入 +EQr=LQ 出+ EQf式中：EQ入一入塔氣熱量，KJ/h；EQ出一出塔氣熱量，KJ/h；LQr 合成塔反應(yīng)熱，KJ/h；EQf 合成塔熱損失，KJ/hoEQ入二工（G入 Cm入 Tm入）EQ出=E（G出Cm£Tm出）式中：G入G出一進(jìn)出合成塔物料量，Kmol/h；Cm入Cm出一進(jìn)出合成塔各組分熱容，KJ/Kmol°C；Tm入Tm出一進(jìn)出合成塔氣體溫度，°C;Qri 一各組分生成量，Kmol/h；

32、 H反應(yīng)熱,KJ/Kmol；EQr=Qri+Qr2+Qn+Qri+Qr52、比熱的計(jì)算出塔氣中各組分的熱容由固氮工藝計(jì)算法P304表V2查得.在p=300atm時(shí)氣 體混合物組分的熱量見表3-6： Kcal/Kmol°C。表3-6氣體混合物熱容組分co2coHCHin20 °C45 °C50 °C出塔氣個(gè)組分熱容見表3-7表3-7出塔氣各組分熱容組分C02coh2n2CH；(goCH3OHc4h9oh1000C1300C2000CCP2=CP2C02V2-C02+CP2COV 廠 CO+CP2H2V2-H2+CP2CH,V2-CH,+CP2N2V2-N2

33、+CP2 (CH J 2OV2 -(CH：J 2O+CP2CH：i0H V-CH：tOH+Cp2C .HOH V2-C (H90H+Cp2H2O V2-H20=x%+x%+x%+x%+x%+xo%+x%+x%+x%=kmol °C=kmol °C3、入塔熱量設(shè)入塔平均氣溫T入=45£,以C0?為例計(jì)算入塔熱二入塔量X熱量= X=h °C二 h °C對(duì)甲醇合成塔各組分熱容和熱量見表3-8表3-8氣體混合物熱容組分CO?co11.CH,n20 °C45 °C50 °C入塔總熱量二X 45=. 9KJ/h4、塔內(nèi)反應(yīng)熱以

34、甲醇反應(yīng)為例：CO + 2乩-CH：$OH + mol反應(yīng)熱：Qr二生成熱X生成量= X10；$X=.50KJ/h各組分反應(yīng)熱見表3-9表3-9各組分反應(yīng)熱組分CHi(CH J 2OCH3OHCHQHCO總計(jì)KJ/molKmol/hKJ/h.50.95、合成塔出口總熱量出塔熱二出塔量X熱容設(shè)出口溫度T薩13(TC,以CO?為例計(jì)算：出塔熱二X=Kcal/h °C=KJ/h °C合成塔出口熱量見表3-10表3-10出口熱量組分co2COh2n2CH(ch3) 2oCH3OHCtH9OHKcal/Kmol°CKmol/hKJ/h °C84133452.322

35、686.2343509.0311103.776、全塔熱損失已知： EQ,= (EQA+EQr)X5% 二(.9 + .9) X5%=h7、按全塔熱平衡方程：EQ 入 + EQ r=LQEQr12Q 岀=EQ 入 + EQr EQf=.9 + . 9=h由 EQ=G2XCp2Xt2則 t2=EQ d；/G2 Cp2=.61 一(35X=°C相對(duì)誤差=(13O-X100%/=%<20%誤差在允許范圍內(nèi)，所以認(rèn)為合成塔熱量平衡。水冷器熱量衡算k熱平衡方程式Q入口、+Q冷曠Q出小+Q施+Q冷"式中：Q入口代、Q ad冷凝器進(jìn)出口氣體顯熱，KJ/h；Q“一出口溫度下氣體冷凝放熱

36、，KJ/h；Q栽一出冷凝器液體帶熱，KJ/h；Q神水一冷卻水帶走的熱量，KJ/ho2、熱平衡計(jì)算查聯(lián)醇生產(chǎn)得粗甲醇中各組分物理常數(shù)見表3-11表3-11粗甲醇中各組分物理常數(shù)組分CH3OH(CHQ 20CHX)HH20KJ/kgKJ/kg °C假設(shè)有相變物質(zhì)在低于沸點(diǎn)時(shí)全部冷凝，擴(kuò)散于氣相中的組分忽略不計(jì)。3、氣體冷凝放熱Q玲二G Hr式中：G由物料衡算得出的合成塔氣量； Hr氣化熱，KJ/kgo以甲醇為例進(jìn)行計(jì)算：Q 冷二Gr A Hr=6250X冷凝放熱表見表3-12表3-12冷凝放熱組分CH3OH(CHs) 2OC乩OHHQ總計(jì)Kg/hKJ/kgKJ/h4、進(jìn)冷凝器氣體熱量Q入

37、冷二Q出塔二52 (G' f Cj>) T岀塔=.61KJ/h式中：Qf進(jìn)冷凝器各組分摩爾流量，kmol/h；C一各氣體組分摩爾流量，J/mol°C。5、冷凝器出口氣體顯熱Q'出尸E GCp) XT出式中：G f冷凝器出口各氣體組分摩爾流量；Kmol/h；Cp出口氣體各組分熱容，KJ/mol °C；T岀一冷凝器出口溫度，°C。以CO為例計(jì)算：冷凝器出口溫度為521,則出口氣體顯熱為：Q'出尸XX52=h各組分氣體顯熱見表313表3-13出口各氣體組分顯熱組分C02coh2KJ/kmol°CKmol/hKJ/h組分N2CH,總

38、計(jì)KJ/kmoTCKmol/hKJ/h.75Q'出冷總=.75KJ/h6、冷凝器出口液體帶走熱量T"薩52 °CQ"出尸：E (G" f Cp) XT"岀以CH：QH為例計(jì)算：Q "出尸 X X 52=h冷凝器出口氣體帶走熱量見表3-14表3-14冷凝器出口液體帶走熱量組分CH30H(CH：Q 20GH“0HFLO總計(jì)KJ/KgoCKJ/KgKJ/hQ"出冷滬h7、冷卻水帶走熱量Q心水二Q入口氣+Q冷越Q出口代Q s=61 + -.75- =.26KJ/h冷凝器熱平衡見表3-15表3-15冷凝器熱平衡組分CH3OHK

39、J/Kg°CKJ/KgKJ/h8、冷卻水用量已知冷卻水溫度T=26°C,回水溫度T =39°C,則冷卻水用量為:D=. 26X10 7 X (39-26)=467 kg第四章設(shè)備的選型合成塔合成塔工藝要求(1) 甲醇合成是放熱反應(yīng)，因此，合成反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)應(yīng)能保證在反應(yīng)過程中及時(shí)將反應(yīng)放出的熱量移出，以保持反映溫度盡量接近理想溫度分布。（2）甲醇合成是在催化劑作用下進(jìn)行，生產(chǎn)能力與催化劑的裝填量成正比例關(guān) 系，所以要充分利用合成塔的容積，盡量多裝催化劑，以提高設(shè)備的生產(chǎn)能力。（3）高空速能獲得高產(chǎn)率，但氣體通過催化劑床層的壓力降必然會(huì)增加，因此 應(yīng)使合成塔的流體阻力

40、盡可能小，避免局部阻力過大的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，要求合成反應(yīng)器 結(jié)構(gòu)必須簡單，緊湊，堅(jiān)固，氣密性好，便于拆卸，檢修。（4）盡量組織熱量交換，充分利用反應(yīng)余熱，降低能耗。（5）合成反應(yīng)器應(yīng)能防止氫，一氧化碳，甲醇，有機(jī)酸及炭基物高溫下對(duì)設(shè)備 的腐蝕。（6）便于操作控制和工藝參數(shù)調(diào)節(jié)。合成反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與材質(zhì)甲醇合成反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式較多，根據(jù)反應(yīng)熱移出方式不同，可分為絕熱式和等 溫式兩大類；按照冷卻方式不同，可分為直接冷卻的冷激式和間接冷卻的列管式兩大 類。以下介紹低壓法合成甲醇所采用的冷激式和列管式兩種反應(yīng)器。1、冷激式絕熱反應(yīng)器這類反應(yīng)器把反應(yīng)床層分為若干絕熱段，段問直接加入冷的原料氣使反應(yīng)氣冷 卻，故

41、稱之為冷激式絕熱反應(yīng)器。該類型甲醇合成反應(yīng)器的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在各段催 化劑床層之間設(shè)一冷激分布器，通過冷激分布器使冷氣體與熱氣體在其內(nèi)直接混合， 達(dá)到降低反應(yīng)氣溫度的目的。由于其移熱方式為冷熱氣體直接混合式移熱，因此具有 傳熱系數(shù)髙、換熱效果好，且結(jié)構(gòu)簡單、維修工作量少、控制手段靈活、操作穩(wěn)定可 靠，特別適于大型化裝置等優(yōu)點(diǎn)。該類型的甲醇合成反應(yīng)器的主要技術(shù)關(guān)鍵是：冷激 分布器的設(shè)計(jì)。冷激分布黠的工作原理是利用其混合空間的低阻力將熱氣體引入混合空間，利用 噴嘴調(diào)節(jié)冷氣體的噴出速度與角度，以達(dá)到在混合空間內(nèi)冷熱氣體得以充分的混合與 傳熱。由于冷熱氣體為直接混合式傳熱，因此傳熱效率髙，效果好；另一

42、方面，由于 該類型塔的塔內(nèi)移熱是通過加入的冷激氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)的，因此它的適應(yīng)性特別強(qiáng)，可 以根據(jù)塔內(nèi)各段催化劑床層的反應(yīng)情況來決定加入冷激氣的多少，操控手段較為靈 活，操作穩(wěn)定可靠。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）埋于相鄰兩段催化劑床層之間，但并不使二者截然分開，催化劑可以自由流動(dòng)，便于裝卸;（2）該冷激分布器結(jié)構(gòu)簡單，裝卸及維修方便。該類型塔的主要缺點(diǎn)：冷激氣 的加入不可避免地“沖稀” 了反應(yīng)氣中生成物的濃度，且因催化劑床層為全軸向床 層，因此塔阻力較大。2、列管式等溫反應(yīng)器列管式等溫反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是溫度易于控制，單程轉(zhuǎn)化率高，循環(huán)氣量小，能量利 用較經(jīng)濟(jì)，反應(yīng)器生產(chǎn)能力大，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊。該類型甲醇合成反應(yīng)器

43、的主要結(jié)構(gòu)形式類似于列管式換熱器，通常有管內(nèi)裝催化 劑、管外為鍋爐水，以及管外裝催化劑、管內(nèi)走水兩種結(jié)構(gòu)形式，另外還有一種使用 雙套管的甲醇合成反應(yīng)器（該塔為日本三菱重工業(yè)公司和三菱瓦斯化學(xué)公司共同開發(fā) 的超轉(zhuǎn)化率合成塔），催化劑裝填于內(nèi)外管間的環(huán)形空間中，鍋爐水在管間循環(huán)，內(nèi) 管走冷氣。列管式甲醇合成反應(yīng)器的移熱方式是冷卻介質(zhì)通過列管與反應(yīng)氣之間進(jìn)行 間接換熱，其冷卻介質(zhì)為未反應(yīng)氣或鍋爐水。該類型反應(yīng)器的主要優(yōu)點(diǎn)：單位體積催化劑床層的傳熱面積較大，床層溫差變化 小，操作平穩(wěn)，熱能利用合理。主要缺點(diǎn)：設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，對(duì)材料及制造要求較高，設(shè)備投資大；催 化劑裝卸較困難；高壓空間的利用率

44、低，催化劑裝填系數(shù)?。▋H35%）,單塔生產(chǎn) 能力小，大型化難度大；除MRF塔為徑向塔外，其余塔型均為全軸向塔，塔阻力較大。 本設(shè)計(jì)采用的是列管等溫反應(yīng)器（如附圖2）3、反應(yīng)器材料由于合成氣中含有氫和一氧化碳，氫氣在高溫下會(huì)和鋼材發(fā)生脫碳反應(yīng)，會(huì)大大 降低鋼材的性能。一氧化碳在高溫、髙壓下易和鐵發(fā)生作用生成五碳基鐵，引起設(shè)備 的腐蝕，對(duì)催化劑也有一定的破壞作用。因此，反應(yīng)器的材質(zhì)要求有抗氫蝕和抗一氧 化碳腐蝕的能力。為防止反應(yīng)器被腐蝕，保護(hù)反應(yīng)器機(jī)械強(qiáng)度，一般采用在反應(yīng)器內(nèi) 襯銅，銅中還含有貳2%猛，但襯銅的缺點(diǎn)是在加壓膨脹時(shí)會(huì)產(chǎn)生裂縫。當(dāng)一氧化碳分 壓超過時(shí)，必須采用耐腐蝕的特種不銹鋼加工制造

45、。輔助設(shè)備熱交換器列管式換熱器是一種通用的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備。它主要由殼體、管板、換熱管、封 頭、折流擋板等組成。由于金屬材料的熱導(dǎo)率大，所需材質(zhì)，可分別采用普通碳鋼、 紫銅、或不銹鋼制作。它是通過管子壁面進(jìn)行傳熱的。列管式換熱器由殼體、管束、管板、折流擋板和封頭組成。一種流體在管內(nèi)流動(dòng), 其行程稱為管程；另一種流體在管外流動(dòng)，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。 列管式換熱器的特點(diǎn)是殼體和管板直接焊接，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。在同樣的殼體直徑內(nèi)， 排管較多。管式換熱器具有易于制造、成本較低、處理能力達(dá)、換熱表面清洗比較方 便、可供選用的結(jié)構(gòu)材料廣闊、適應(yīng)性強(qiáng)、可用于調(diào)溫調(diào)壓場合等優(yōu)點(diǎn)，由于兩管板 之間有管子相互持撐，管板得到加強(qiáng)，故在各種列管換熱器中他的管板最薄，其造價(jià) 比較低，因此得到了廣泛應(yīng)用。列管式換熱器主要由殼體、管束、管板和頂蓋等部件組成。管束安裝在殼體內(nèi)， 兩端固定在管板上，管板分別焊在外殼的兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體上 裝有流體進(jìn)、出口接管，沿著管長的方向，常常裝有一系于列垂直于管束的檔板，進(jìn) 行換熱時(shí)，一種流體由頂蓋的進(jìn)口管進(jìn)入。通過平行管束的管內(nèi)，從另一端頂蓋出口 接管流出，稱管程另一端流體則有売體的接管進(jìn)入。在売體與管束間的空隙流過，而 由另一接管流出，成為殼程。管束的表面積既為傳熱面