年產(chǎn)20萬噸煤制甲醇合成工藝初步設計

1、年產(chǎn)20萬噸煤制甲醇合成工藝初步設計總論4甲醇性質(zhì)4甲醇用途4醇生產(chǎn)原料4甲醇的合成521甲醇合成的基本原理5甲醇合成反應步驟5合成甲醇的化學反應5甲醇合成反應的化學平衡6甲醇合成的催化劑631工業(yè)用甲醇合成催化劑7甲醇合成的工藝條件9反應溫度9壓力10空速10氣體組成11甲醇合成的工藝流程12甲醇合成的方法12甲醇合成塔的選擇15甲醇合成的工藝流程18主要設備的工藝計算及選型19TOCo1-5hz甲醇合成塔的設計19水冷器的工藝設計22循環(huán)壓縮機的選型25設計結(jié)果評價26參考文獻27致謝27附工程圖紙甲醇合成塔簡圖甲醇合成工藝流程圖1總論11甲醇性質(zhì)甲醇俗稱木醇木精英文名為methanol分

2、子式CH3O是一種無色透明易燃有毒易揮發(fā)的液體略帶酒精味分子量3204化學性質(zhì)較活潑能發(fā)生氧化酯化羰基化等化學反應是重要有機化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料廣泛應用于精細化工塑料醫(yī)藥林產(chǎn)品加工等領域主要用于生產(chǎn)甲醛消耗量要占到總產(chǎn)量的一半甲醛則是生產(chǎn)各種合成樹脂不可少的原料用甲醇作甲基化試劑可生產(chǎn)丙烯酸甲酯對苯二甲酸二甲酯甲胺甲基苯胺甲烷氯化物等羰基化可生產(chǎn)醋酸醋酐甲酸甲酯等重要有機合成中間體它們是制造各種染料藥品農(nóng)藥炸藥香料噴漆的原料目前用甲醇合成乙二醇乙醛乙醇也日益受到重視甲醇是一種重要的有機溶劑其溶解性能優(yōu)于乙醇可用于調(diào)制油漆作為一種良好的萃取劑甲醇在分析化學中可用于一些物質(zhì)的分離甲醇是一種能源甲醇燃

3、料以其安全廉價燃燒充分利用率高環(huán)保的眾多優(yōu)點替代汽油已經(jīng)成為車用燃料的發(fā)展方向之一甲醇還可經(jīng)生物發(fā)酵生成甲醇蛋白富含維生素和蛋白質(zhì)具有營養(yǎng)價值高而成本低的優(yōu)點用作飼料添加劑有著廣闊的應用前景醇原料自1923年開始工業(yè)化生產(chǎn)以來甲醇合成的原料路線經(jīng)歷了很大變化20世紀50年代以前多以煤和焦碳為原料50年代以后以天然氣為原料的甲醇生產(chǎn)流程被廣泛應用進入60年代以來以重油為原料的甲醇裝置有所發(fā)展對于我國從資源背景看煤炭儲量遠大于石油天然氣儲量隨著石油資源緊缺油價上漲因此在大力發(fā)展煤炭潔凈利用技術的背景下在很長一段時間內(nèi)煤是我國甲醇生產(chǎn)最重要的原料對甲醇合成而言無論是鋅鉻催化劑還是銅基催化劑其多相非勻

4、相催化過程按下列過程進行a擴散氣體自氣相擴散到催化劑的界面b吸附各種氣體在催化劑的活性表面進行化學吸附其中CO在Cu2上吸附H2在Zn2上吸附并異裂c表面反應化學吸附的反應物在活性表面上進行反應生成產(chǎn)物d解析反應產(chǎn)物脫附e擴散反應產(chǎn)物氣體自催化劑界面擴散到氣相中去甲醇合成反應的速率是上述五個過程中每一個過程進行速率的總和但全過程的速率取決于最慢步驟的完成速率研究證實以上五個過程中ae擴散進行得最快b吸附d解析進行的速度較快而過程c表面反應分子在催化劑活性界面的反應速度最慢因此整個反應過程取決于表面反應的進行速率提高壓力升高溫度均可使甲醇合成反應速率加快但從熱力學角度分析由于COCO卻H2合成甲

5、醇的反應是強放熱的體積縮小反應提高壓力降低溫度有利于化學平衡向生成甲醇的方向移動同時也有利于抑制副反應的進行是甲醇合成反應是多項銅基催化劑上進行的復雜的可逆的化學反應1主要的化學反應2甲醇合成的副反應213甲醇合成反應的化學平衡一氧化碳和氫氣合成甲醇是一個氣相可逆反應壓力對反應起著重要作用用氣體分壓來表示的平衡常數(shù)可用下面公式表示Kp式中Kp甲醇的平衡常數(shù)PCH3OHPH2PCO分別表示甲醇氫氣一氧化碳的平衡分壓反應溫度也是影響平衡常數(shù)的一個重要因素不同溫度下的反應平衡常數(shù)見表1-1其平衡常數(shù)隨著溫度的上升而很快減小因此甲醇合成不能在高溫下進行但是低溫反應速率太慢所以甲醇生產(chǎn)選用高活性的銅基催

6、化劑使反應溫度控制在220280C表1-1不同溫度下甲醇反應的平衡常數(shù)反應溫度C平衡常數(shù)KpO66730反應溫度C平衡常數(shù)KpO6673010012922001909X10-21909X10-2300242X10-44001079X10-5甲醇合成的催化劑甲醇合成是是典型的氣固相催化反應過程沒有催化劑的存在合成甲醇反應幾乎不能進行合成甲醇工業(yè)的進展很大程度上取決于催化劑的研制成功以及質(zhì)量的改進在合成甲醇的生產(chǎn)中很多工藝指標和操作條件都由所用催化劑的性質(zhì)決定一氧化碳加氫合成甲醇工業(yè)化以來合成催化劑合成工藝不斷研究改進雖然實驗室研究出了多種甲醇合成催化劑但工業(yè)上使用的催化劑只有鋅鉻和銅基催化劑甲醇

7、合成是是典型的氣固相催化反應過程沒有催化劑的存在合成甲醇應幾乎不能進行合成甲醇工業(yè)的進展很大程度上取決于催化劑的研制成功以及質(zhì)量的改進在合成甲醇的生產(chǎn)中很多工藝指標和操作條件都由所用催化劑的性質(zhì)決定自一氧化碳加氫合成甲醇工業(yè)化以來合成催化劑合成工藝不斷研究改進雖然實驗室研究出了多種甲醇合成催化劑但工業(yè)上使用的催化劑只有鋅鉻和銅基催化劑CuOZnOAI2O3壓力MPa溫度C英國ICI51-360301078-118190270德國240美國C79-2-15-117220330丹麥LMK4010-98220270中國C302系列5132450-100210280中國XCN-985220850100

8、200290從表的對比可以看出國產(chǎn)催化劑的銅含量已提50以上制備工藝合理使該催化劑的活性選擇性使用壽命和機械強度均達到國外同類催化劑的先進水平并且價格較低1鋅鉻催化劑ZnOCr2O3鋅鉻催化劑是最早用于工業(yè)合成甲醇的1966年以前的甲醇合成幾乎都用鋅鉻催化劑鋅鉻催化劑一般采用共沉淀法制造將鋅與鉻的硝酸鹽溶液用堿沉淀經(jīng)洗滌干燥后成型制的催化劑也可以用氧化鉻溶液加到氧化鋅懸浮液中充分混合然后分離水分烘干摻進石墨成型還可以干法生產(chǎn)將氧化鋅與氧化鉻的細分混合均勻添加到少量氧化鉻溶液和石墨壓片然后烘干壓片制的成品鋅鉻催化劑使用壽命長使用范圍寬耐熱性好抗毒能力好機械強度好但是鋅鉻催化劑活性溫度高操作溫度在

9、320-400C之間為了獲得較高的轉(zhuǎn)化率必須在高壓下操作操作壓力可達25-35Mpa目前逐步被淘汰2銅基催化劑CuOZnOCr2O3或CuOZnOAI2O3銅基催化劑是20世紀60年代開發(fā)的產(chǎn)品它具有良好的低溫活性較高的選擇性通常用于低中壓流程1組成銅基催化劑的主要化學成分是CuOZnOAI2O3或CuOZnOCr2O3其活性組分是Cu和ZnO同時還要添加一些助催化劑促進催化劑活性Cr2O3的添加可以提高銅在催化劑的分散度同時又能阻止分散的銅晶粒在受熱時被燒結(jié)長大延長催化劑的使用壽命添加AI2O3助催化劑使催化劑活性更高而且AI2O3價廉無毒用AI2O3代替Cr2O3的銅基催化劑更好2還原氧化

10、銅對甲醇合成無催化活性投入使用之前需將氧化銅還原成單質(zhì)銅工業(yè)上采用氫氣一氧化碳作為還原劑對銅基催化劑進行還原其反應如下CuOH2CuH2OQCuOCOCuH2OQ氧化銅的還原反應是強烈的放熱反應而且銅基催化劑對熱比較敏感因此要嚴格控制氫及一氧化碳濃度和溫度還原升溫要緩慢出水均勻以防溫度猛升和出水過快影響催化劑的活性壽命還原后的催化劑與空氣接觸時產(chǎn)生下列反應H2O12O2CuOQ如果與大量的空氣接觸放出的反應的熱將使催化劑超溫結(jié)燒因此停車卸出之前應先通入少量氧氣逐步進行氧化在催化劑的表面形成一層氧化銅保護膜這一過程稱為催化劑的鈍化銅基催化劑最大的特點是活性高反應溫度低操作壓力低其缺點是對合成原料

11、氣雜質(zhì)要求嚴格特別是原料氣中的SAs必須精脫除3其他類型的催化劑銅鋅鋁銅鋅鉻催化劑是當前甲醇合成工業(yè)的主要催化劑但近年來新型催化劑的研制一刻也沒停歇過新型催化劑研制方向在于進一步提高催化劑的活性改善催化劑的熱穩(wěn)定性以及延長催化劑的使用壽命如鈀系催化劑鉬系催化劑和低溫液相催化劑這些催化劑雖然在某些方面彌補了銅鋅鋁銅鋅鉻催化劑的不足但因其活性不理想或?qū)状嫉倪x擇性差等自身缺點還只停留在研究階段而沒有實現(xiàn)工業(yè)化的應用3銅基催化劑的中毒和壽命銅基催化劑對硫的中毒十分敏感一般認為其原因是H2S和Cu形成CuS也可能生成Cu2S反應如下CuH2&CuSH22CuH2SfCu2SH2因此原料氣中硫含量應小于

12、Olppm與此類似的是氫鹵酸對催化劑的毒性催化劑使用的壽命與合成甲醇的操作條件有關銅基催化劑比鋅鉻催化劑的耐熱性差得多因此防止超溫是延長壽命的重要措施甲醇合成反應為放熱體積縮小的可逆反應溫度壓力及氣體組成對反應進行的程度及速度有一定的影響下面圍繞溫度壓力氣體的組成及空間速度對甲醇合成反應的影響來討論工藝條件的選擇在甲醇合成反應過程中溫度對于反應混合物的平衡和速率都有很大影響對于化學反應來說溫度升高會使分子的運動加快分子間的有效碰撞增多并使分子克服化合時的阻力的能力增大從而增加了分子有效結(jié)合的機會使甲醇合成反應的速度加快但是由一氧化碳加氫生成甲醇的反應和由二氧化碳加氫生成甲醇的反應均為可逆的放熱

13、反應對于可逆的放熱反應來講溫度升高固然使反應速率常數(shù)增大但平衡常數(shù)的數(shù)值將會降低因此選擇合適的操作溫度對甲醇合成至關重要所以必須兼顧上述兩個方面溫度過低達不到催化劑的活性溫度則反應不能進行溫度太高不僅增加了副反應消耗了原料氣而且反應過快溫度難以控制容易使催化劑衰老失活一般工業(yè)生產(chǎn)中反應溫度取決于催化劑的活性溫度不同催化劑其反應溫度不同另外為了延長催化劑壽命反應初期宜采用較低溫度使用一段時間后再升溫至適宜溫度壓力甲醇合成反應為分子數(shù)減少的反應因此增加壓力有利于反應向甲醇生成方向移動使反應速度提高增加裝置生產(chǎn)能力對甲醇合成反應有利但壓力的提高對設備的材質(zhì)加工制造的要求也會提高原料氣壓縮功耗也要增加

14、以及由于副產(chǎn)物的增加還會引起產(chǎn)品質(zhì)量的變差pa操作溫度350420C至較高的壓力和溫度下一氧化碳和氫生成甲烷異丁醇等副產(chǎn)物這些副反應的反應熱高于甲醇合成反應使床層溫度提高副反應加速如果不及時控制回造成溫度猛升而損壞催化劑近年來普遍使用的銅基甲醇合成催化劑其活性溫度范圍在200300C有較高的活性對于規(guī)模小于30萬噸a的工廠操作壓力一般可降為5Mpa左右對于超大型的甲醇裝置為了減少設備尺寸合成系統(tǒng)的操作壓力可以升至10Mpa左右設采用的是低壓法入塔壓強為514MPa合成甲醇所以工廠對壓力的選擇要在技術經(jīng)濟等方面綜合考慮空速空速的大小意味著氣體與催化劑接觸時間的長短在數(shù)值上空速與接觸時間互為倒數(shù)一

15、般來說催化劑活性愈高對同樣的生產(chǎn)負荷所需的接觸時間就愈短空速愈大甲醇合成所選用的空速的大小既涉及合成反應的醇凈值合成塔的生產(chǎn)強度循環(huán)氣量的大小和系統(tǒng)壓力降的大小又涉及到反應熱的綜合利用當甲醇合成反應采用較低的空速時氣體接觸催化劑的時間長反應接近平衡反應物的單程轉(zhuǎn)化率高由于單位時間通過的氣量小總的產(chǎn)量仍然是低的由于反應物的轉(zhuǎn)化率高單位甲醇合成所需要的循環(huán)量較少所以氣體循環(huán)的動力消耗小當空速增大時將使出口氣體中醇含量降低即醇凈值降低催化劑床層中既定部位的醇含量與平衡醇濃度增大反應速度也相應增大由于醇凈值降低的程度比空速增大的倍數(shù)要小從而合成塔的生產(chǎn)強度在增加空速的情況下有所提高因此可以增大空速以增

16、加產(chǎn)量但實際生產(chǎn)中也不能太大否則會帶來一系列的問題1提高空速意味著循環(huán)氣量的增加整個系統(tǒng)阻力增加使得壓縮機循環(huán)功耗增加甲醇合成是放熱反應依靠反應熱來維持床層溫度那么若空速增大單位體積氣體產(chǎn)生的反應熱隨醇凈值的下降而減少空速過大催化劑溫度就難以維持合成塔不能維持自熱則可能在不啟用加熱爐的情況下使床層溫度跨掉氣體組成原料氣組成對催化劑活性的影響是比較復雜的問題現(xiàn)就以下幾種原料氣成分對催化劑活性的影響作一下討論1惰性氣體CH4N2A的影響合成系統(tǒng)中惰性氣體含量的高低影響到合成氣中有效氣體成分的高低惰性氣體的存在引起COCO2H分壓的下降合成系統(tǒng)中惰性氣體含量取決于進入合成系統(tǒng)中新鮮氣中惰性氣體的多少

17、和從合成系統(tǒng)排放的氣量的多少排放量過多增加新鮮氣的消耗量損失原料氣的有效成分排放量過少則影響合成反應進行調(diào)節(jié)惰性氣體的含量可以改變觸媒床層的溫度分布和系統(tǒng)總體壓力當轉(zhuǎn)化率過高而使合成塔出口溫度過高時提高惰氣含量可以解決溫度過高的問題此外在給定系統(tǒng)壓力操作下為了維持一定的產(chǎn)量必須確定適當?shù)亩铓夂繌亩x擇馳放氣合適的排放量2CO和H2比例的影響從化學反應方程式來看合成甲醇時CO與H2的分子比為12CO2和H2的分子比是13這時可以得到甲醇最大的平衡濃度而且在其他條件一定的情況下可使甲醇合成的瞬間速度最大但由生產(chǎn)實踐證明當CO含量高時溫度不易控制且會導致羰基鐵聚集在催化劑上引起催化劑失活同時由于c

18、o在催化劑的活性中心的吸附速率比H2要快得多所以要求反應氣體中的氫含量要大于理論量以提高反應速度氫氣過量同時還能抑制高級醇高級烴和還原物質(zhì)的生成減少H2S中毒提高粗甲醇的濃度和純度同時又因氫的導熱性好可有利于防止局部過熱和降低整個催化層的溫度但氫氣過量會降低生產(chǎn)能力工業(yè)生產(chǎn)中用銅系催化劑進行生產(chǎn)時一般認為在合成塔入口的VH2VCO5較為合適實際生產(chǎn)中我們的氫碳比按照以下關系確定H2-co2coco22052153C02勺影響C02對催化劑活性時空產(chǎn)率的影響比較復雜而且存在極值完全沒有C02勺合成氣催化劑活性處于不穩(wěn)定區(qū)催化劑運轉(zhuǎn)幾十小時后很快失活所以C02是活性中心的保護劑不能缺少在C02濃度

19、4以前C02寸時空產(chǎn)率的影響成正效應促進CO合成甲醇自身也會合成甲醇但如果C02含量過高就會因其強吸附性而占據(jù)催化劑的活性中心因此阻礙反應的進行會使時空產(chǎn)率下降同時也降低了C0和H2的濃度從而降低反應速度影響反應平衡而且由于存在大量的C02使粗甲醇中的水含量增加在精餾過程中增加能耗一般認為C02在35左右為宜pa是最初生產(chǎn)甲醇的方法采用鋅鉻催化劑反應溫度360-400C壓力196-294Mpa高壓法由于原料和動力消耗大反應溫度高生成粗甲醇中有機雜質(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50-80Mpa是20世紀60年代后期發(fā)展起來的甲醇合成技術低壓法基于高活性的銅基催化劑其活性明顯高

20、于鋅鉻催化劑反應溫度低240-270C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改善了甲醇質(zhì)量降低了原料消耗此外由于壓力低動力消耗降低很多工藝設備制造容易低壓法甲醇合成工藝流程158熱交換器29分離器34壓縮機器6甲醇合成塔7加熱爐10中間儲罐11閃蒸塔12輕餾分塔13精餾塔ICI低壓合成基本工藝過程天然氣脫硫蒸汽轉(zhuǎn)化補碳及合成氣壓縮甲醇合成甲醇精制中壓法98-120Mpa隨著甲醇工業(yè)的大型化如采用低壓法勢必導致工藝管道和設備較大因此在低壓法的基礎上適當提高合成壓力即發(fā)展成為中壓法中壓法仍采用高活性的銅基催化劑反應溫度與低壓法相同但由于提高了壓力相應的動力消耗略有增加目前甲醇的生產(chǎn)

21、方法還主要有甲烷直接氧化法2CH4CQ2CH3O由一氧化碳和氫氣合成甲醇液化石油氣氧化法2本設計的合成工藝以投資成本生產(chǎn)成本產(chǎn)品收率為依據(jù)選擇中壓法為生產(chǎn)甲醇的工藝用CC和H2在加熱壓力下在催化劑作用下合成甲醇其主要反應式為CCH2fCH3CH經(jīng)過凈化的原料氣經(jīng)預熱加壓于5Mpa220C下從上到下進入Lurgi反應器在銅基催化劑的作用下發(fā)生反應出口溫度為250C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2-2甲醇的合成是可逆放熱反應為使反應達到較高的轉(zhuǎn)化率應迅速移走反應熱本設計采用Lurgi管殼式反應器管程走反應氣殼程走4MPa的沸騰水粗甲醇馳放氣圖1-1合成合序配置原則甲醇合成的

22、工藝流程圖這個流程是德國Lurgi公司開發(fā)的甲醇合成工藝流程采用管殼式反應器催化劑裝在管內(nèi)反應熱由管間沸騰水放走并副產(chǎn)高壓蒸汽甲醇合成原料在離心式透平壓縮機內(nèi)加壓到52MPa以15的比例混合循環(huán)混合氣體在進反應器前先與反應后氣體換熱升溫到220C左右然后進入管殼式反應器反應反應熱傳給殼程中的水產(chǎn)生的蒸汽進入汽包出塔氣溫度約為250C含甲醇7左右經(jīng)過換熱冷卻到40C冷凝的粗甲醇經(jīng)分離器分離分離粗甲醇后的氣體適當放空控制系統(tǒng)中的惰性氣體含量這部分空氣作為燃料大部分氣體進入透平壓縮機加壓返回合成塔合成塔副產(chǎn)的蒸汽及外部補充的高壓蒸汽一起進入過熱器加熱到50C帶動透平壓縮機透平后的低壓蒸汽作為甲醇精餾

23、工段所需熱源52甲醇合成塔的選擇甲醇合成反應器實際是甲醇合成系統(tǒng)中最重要的設備從操作結(jié)構材料及維修等方面考慮甲醇合成反應器應具有以下要求催化劑床層溫度易于控制調(diào)節(jié)靈活能有效移走反應熱并能以較高位能回收反應熱反應器內(nèi)部結(jié)構合理能保證氣體均勻通過催化劑床層阻力小氣體處理量大合成轉(zhuǎn)化率高催化劑生產(chǎn)強度大結(jié)構緊湊盡可能多填裝催化劑提高高壓空間利用率高壓容器及內(nèi)件間無滲漏催化劑裝御方便制造安裝及維修容易甲醇合成塔主要由外筒內(nèi)件和電加熱器三部分組成內(nèi)件事由催化劑筐和換熱器兩部分組成根據(jù)內(nèi)件的催化劑筐和換熱器的結(jié)構形式不同甲醇內(nèi)件份為若干類型按氣體在催化劑床的流向可分為軸向式徑向式和軸徑復合型按催化劑筐內(nèi)反

24、應惹得移出方式可分為冷管型連續(xù)換熱式和冷激型多段換熱式兩大類按換熱器的形式分為列管式螺旋板式波紋板式等多種形式目前國內(nèi)外的大型甲醇合成塔塔型較多歸納起來可分為五種冷激式合成塔這是最早的低壓甲醇合成塔是用進塔冷氣冷激來帶走反應熱該塔結(jié)構簡單也適于大型化但碳的轉(zhuǎn)化率低出塔的甲醇濃度低循環(huán)量大能耗高又不能副產(chǎn)蒸汽現(xiàn)已經(jīng)基本被淘汰2冷管式合成塔這種合成塔源于氨合成塔在催化劑內(nèi)設置足夠換熱面積的冷氣管用進塔冷管來移走反應熱冷管的結(jié)構有逆流式并流式和U型管式由于逆流式與合成反應的放熱不相適應即床層出口處溫差最大但這時反應放熱最小而在床層上部反應最快放熱最多但溫差卻又最小為克服這種不足冷管改為并流或U形冷管

25、如1984年ICI公司提出的逆流式冷管型及1993年提出的并流冷管TCC型合成塔和國內(nèi)林達公司的U形冷管型這種塔型碳轉(zhuǎn)化率較高但僅能在出塔氣中副產(chǎn)04MPa的低壓蒸汽日前大型裝置很少使用水管式合成塔將床層內(nèi)的傳熱管由管內(nèi)走冷氣改為走沸騰水這樣可較大地提高傳熱系數(shù)更好地移走反應熱縮小傳熱面積多裝催化劑同時可副產(chǎn)25Mpa40MPa勺中壓蒸汽是大型化較理想的塔型固定管板列管合成塔這種合成塔就是一臺列管換熱器催化劑在管內(nèi)管間殼程是沸騰水將反應熱用于副產(chǎn)30MPa-40MPa勺中壓蒸汽代表塔型有Lurgi公司的合成塔和三菱公司套管超級合成塔該塔是在列管內(nèi)再增加一小管小管內(nèi)走進塔的冷氣進一步強化傳熱即反

26、應熱通過列管傳給殼程沸騰水而同時又通過列管中心的冷氣管傳給進塔的冷氣這樣就大大提高轉(zhuǎn)化率降低循環(huán)量和能耗然而使合成塔的結(jié)構更復雜固定管板列管合成塔雖然可用于大型化但受管長設備直徑管板制造所限在日產(chǎn)超過2000t時往往需要并聯(lián)兩個這種塔型是造價最高的一種也是裝卸催化劑較難的一種隨著合成壓力增高塔徑加大管板的厚度也增加管板處的催化劑屬于絕熱段管板下面還有一段逆?zhèn)鳠岫我簿褪沁M塔氣225E管外的沸騰水卻是248C不是將反應熱移走而是水給反應氣加熱這種合成塔由于列管需用特種不銹鋼因而是造價非常高的一種多床內(nèi)換熱式合成塔這種合成塔由大型氨合成塔發(fā)展而來日前各工程公司的氨合成塔均采用二床四床內(nèi)換熱式合成塔針

27、對甲醇合成的特點采用四床或五床內(nèi)換熱式合成塔各床層是絕熱反應在各床出口將熱量移走這種塔型結(jié)構簡單造價低不需特種合金鋼轉(zhuǎn)化率高適合于大型或超大型裝置但反應熱不能全部直接副產(chǎn)中壓蒸汽典型塔型有Casale的四床臥式內(nèi)換熱合成塔和中國成達公司的四床內(nèi)換熱式合成塔合成塔的選用原則一般為反應能在接近最佳溫度曲線條件下進行床層阻力小需要消耗的動力低合成反應的反應熱利用率高操作控制方便技術易得裝置投資要底等綜上所述和借鑒大型甲醇合成企業(yè)的經(jīng)驗大型裝置不宜選用激冷式和冷管式設計選用固定管板列管合成塔這種塔內(nèi)甲醇合成反應接近最佳溫度操作線反應熱利用率高雖然設備復雜投資高但是由于這種塔在國內(nèi)外使用較多具有豐富的管

28、理和維修經(jīng)驗技術也較容易得到外加考慮到設計的是年產(chǎn)20萬噸的甲醇合成塔日產(chǎn)量為650噸左右塔的塔徑和管板的厚度不會很大費用也不會很高所以本設計采用了固定管板列管合成塔53甲醇合成工藝流程來自脫碳裝置的新鮮氣40C34MPa與循環(huán)氣一起經(jīng)甲醇合成氣壓縮機C7001壓縮至514MPa后經(jīng)過入塔氣預熱器E7001加熱到225C進入甲醇合成塔R7001內(nèi)甲醇合成氣在催化劑作用下發(fā)生如下反應CO2H2CH3OHQCO23H2CH3OHH2OQ甲醇合成塔R7001為列管式等溫反應器管內(nèi)裝有XNC-98型甲醇合成催化劑管外為沸騰鍋爐水反應放出大量的熱通過列管管壁傳給鍋爐水產(chǎn)生大量中壓蒸汽39MPa飽和蒸汽減

29、壓后送至蒸汽管網(wǎng)副產(chǎn)蒸汽確保了甲醇合成塔內(nèi)反應趨于恒定且反應溫度也可通過副產(chǎn)蒸汽的壓力來調(diào)節(jié)甲醇合成塔R7001出來的合成氣255C49MPa經(jīng)入塔氣預熱器E7001甲醇水冷器E7002AB4入甲醇分離器V7002粗甲醇在此被分離分離出的粗甲醇進入甲醇膨脹槽V7003被減壓至04MPa后送至精餾裝置甲醇分離器V7002分離出的混合氣與新鮮氣按一定比例混合后升壓送至甲醇合成塔R7001繼續(xù)進行合成反應從甲醇分離器V7002出來的循環(huán)氣在加壓前排放一部分弛放氣以保持整個循環(huán)回路惰性氣體恒定弛放氣減壓后去燃氣發(fā)電系統(tǒng)甲醇膨脹槽V7003頂部排出的膨脹氣去燃料氣系統(tǒng)合格的鍋爐給水來自變換裝置循環(huán)冷卻水

30、來自界區(qū)外部汽包V7001排污經(jīng)排污膨脹槽V7006膨脹減壓后就地排放圖8合成工藝流程甲醇合成主要設備61甲醇合成塔的設計傳熱面積的確定傳熱溫差為10C傳熱量為6843517494kJh合成塔內(nèi)的總傳熱系數(shù)取為28978Wm2由公式QkATm得AQKTm684351749436X28978X106362m2催化劑用量的確定入塔氣空速12000h-1入塔氣量348658582m3h所以催化劑體積為3486585821200029055m3傳熱管數(shù)的確定傳熱管選用32X25長度9000mm勺鋼管材質(zhì)為00Cr18Ni5Mo3Si2鋼由公式A314XdXLXn得nA314XdXL6362314X9X

31、00278338其中因要安排拉桿需要減少12根實際管數(shù)為8326根合成塔殼體直徑的確定合成塔內(nèi)管子分布采用正三角形排列管間距a40mm殼體直徑Diab-12L式中a40b11Xn0511X83380510044L125mm所以Di40X10044-12X125422780圓整后取為4300mm合成塔殼體厚度的確定殼體材料選用13MNiMoNb鋼計算壁后的公式為SPcDi2(Tt-Pc式中Pc514MpaDi4300mm085(Tt190Mpa取殼體溫度為50T4300X5142X190m取C21mmC11m源整后取S73mm合成塔封頭的確定上下封頭均采用半球形封頭材質(zhì)

32、選用和筒體相同封頭內(nèi)徑為43002X734446原整后取4500由封頭厚度計算公式SPcDi2(Tt-05Pc式中Pc514MpaDi4500mm085(Tt190Mpa取殼體溫度為50TS4500X5142X190X085-05X5147218mm取C21mmC11mr原整后取S76mm所以封頭為DN450X76管子拉脫力的計算a在操作壓力下每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力qppf314XdoXL式中f0866a2-3144Xdo20866X402-3144X32258135P514MPaL100mm5表33項目管子殼體材質(zhì)a仁CEMPa尺寸管子數(shù)管間距mm管殼壁溫差C管子與管壁連接方式脹接長度0

33、0Cr18Ni5Mo3Si21742X10-60180X10632X25X90008338開槽脹接L10013MNiMoNbR1225X10-60186X106254300X73qp514X58135314X32X100030MPab溫差應力導致的每平方米脹接周邊上的拉脫力qtqt(Ttd02-di24XdOXL式中(TtaEtt-ts1AtAsAt3144Xdo2-di2n3144X322-272X8338193087235mm2As314XDXSn314X4300X7398564600mm2(Tt1742X106X0180X106Xqt1060X322-2724X32X100024已知Tt

34、TsptpsTtTs分別為管壁溫度和殼壁溫度pt為管程壓力49Mpaps為殼程壓力074Mpa所以可知qt與qp的作用力同向則合拉力q054vq因此拉脫力在許用范圍內(nèi)折流板的確定折流板為弓形h34Di34X43003225mm折流板數(shù)量為5間距取1500mm折流板最小厚度為22mn材料為Q235-A鋼拉桿12共12根材料Q235-AF鋼定距管25X25管板的確定管板直徑4300厚度100mn管板通過焊接在筒體和封頭之間支座的確定支座采用裙座裙座座體厚度為50mm基礎環(huán)內(nèi)徑4000mn外徑4500mn基地腳螺栓公稱直徑M30數(shù)量為6個筒體內(nèi)徑mm4300間距mm150062水冷器的工藝設計22列

35、管數(shù)目8338壁厚mm73管長9000封頭半球型半徑mm4500尺寸mm32X25壁厚mm76折流板數(shù)目5拉桿尺寸mm32高度mm3225數(shù)目121傳熱面積的確定兩股流體的進出口溫度為熱608-40T冷3520C故傳熱推動力Tm60835-40-20In608-3540-202278C總傳熱系數(shù)為K89057Wm2：由公式QAKTm可得AQKATm5274663122278X89057260m2管子數(shù)n的確定設計選用25X25的無縫鋼管材質(zhì)20號鋼管長6m由公式A314dLnnA314dL260314X002X6690根其中安排拉桿需要減少4根實際管數(shù)為686管子的排列方式管間距的確定設計采用

36、正三角形排列取管間距為a32mm殼體直徑的確定殼體直徑Diab-12L式中Di換熱器內(nèi)徑mmb正六角形對角線上的管子數(shù)查有關表取為29L最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離取L2do所以Di32x29-12x2X25996mm取Di1000mm殼體厚度的計算殼體材料選用20R鋼計算壁后的公式為SPcDi2(Tt-Pc式中Pc計算壓力取Pc為49x11539MpaDi1000mm085(Tt132Mpa取殼體溫度為50E1000 x5392x132m取C21mmC11mm原整后取S28mm換熱器封頭的確定上下封頭均采用標準橢圓形封頭封頭為DN100X28材料選用20R鋼容器

37、法蘭的選擇材料選用16MnF鋼跟據(jù)JB4703-2000標準選用PN64MpaDN1000的長頸對焊法蘭管子拉脫力的計算a在操作壓力下每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力qppf314XdoXL式中f0866a2-3144Xd020866X322-3144X252396P074L50表35項目管子殼體材質(zhì)a仁CEMPa尺寸管子數(shù)管間距mm管殼壁溫差C管子與管壁連接方式脹接長度20鋼118X10-6021X10625X25X6000690開槽脹接L5020R鋼118X10-6021X106700X20qp074X396314X25X500075MPab溫差應力導致的每平方米脹接周邊上的拉脫力qtqt(Tt

38、do2-di24XdoXL式中(TtaEtt-ts1AtAsAt3144Xdo2-di2n3144X252-202X69012187125mm2As314XDXSn314X1000X2062800mm2(Tt118X10-6X021X106Xqt1517X252-2024X25X50068已知TtTsptpsTtTs分別為管壁溫度和殼壁溫度pt為管程壓力49Mpaps為殼程壓力074Mpa所以可知qt與qp的作用力同向則合拉力q0755vq40Mpa因此拉脫力在許用范圍內(nèi)折流板的設計折流板為弓形h34X1000750mn折流板間距取400mn最小厚度為10mm材料為Q235-A鋼拉桿選用12共

39、四根材料為Q235-AF鋼10開空補強換熱器封頭和殼體上的接管都需要補強在開空外面焊接上一塊與容器壁材料和厚度都相同的即20mml厚的20R鋼板支座選用型號JB4712-92鞍座BI1000F筒體內(nèi)徑mm1000列管數(shù)目690壁厚mm28管長6000封頭橢球型半徑mm1000尺寸mm25X25厚度mm28拉桿尺寸mm25折流板間距mm1500數(shù)目5數(shù)目4高度mm750表36水冷器設計匯總63循環(huán)壓縮機的選型設計中選用的循環(huán)氣壓縮機為離心壓縮機離心壓縮機具有以下的特點流量大而均勻體積小運轉(zhuǎn)平穩(wěn)容易調(diào)節(jié)維護方便在現(xiàn)代化大型合成氨工業(yè)和石油化工企業(yè)中多采用離心壓縮機其壓強可達幾十萬MPa流量可達幾十

40、萬m3h通過物料計算可以知道設計中壓縮機排氣量為34878582m3h排氣壓力為514MPa通過對壓縮機輸送介質(zhì)、排氣壓力和排氣量的考慮設計最終選用的是沈陽鼓風機廠設計的BCL4562BCL407離心壓縮機該離心壓縮機組青海石油管理局格爾木煉油廠年產(chǎn)10萬噸甲醇裝置是在引進技術的基礎上采用自行開發(fā)的多項科研成果研制完成的壓縮機由二缸三段十三級葉輪組成壓縮機缸體為垂直部分結(jié)構其內(nèi)部與氣體接觸處均為不銹鋼支撐軸承采用可傾式軸承上推軸承采用金斯伯雷軸承來提高機組的抗振性能及穩(wěn)定性能軸端密封采用德國西太平洋公司研制的干氣密封嚴格防止其氣體外漏機組為獨立的氣路系統(tǒng)潤滑油系統(tǒng)采用強制供油并配有先進的獨立的自控和保安裝置確保機組的安全運行通過實際運行證明該機組主要技術性能指標達