年產(chǎn)30萬噸甲醇工藝設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

年產(chǎn)30萬噸甲醇工藝設(shè)計(jì)摘要 Ⅱ 21.1甲醇的概述 2 2 2 31.2由CO和H?合成甲醇 31.2.1高壓法 3 3 51.3甲醇生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢 5 6 62.1.1反應(yīng)方程式 62.1.2合成法反應(yīng)機(jī)理 62.1.3甲醇合成塔的選擇 82.1.4催化劑的選用 2.1.5合成工序工藝操作條件的論證與確定 2.1.6低壓Lurgi甲醇合成工藝 3.1甲醇生產(chǎn)的物料平衡計(jì)算 3.2甲醇生產(chǎn)的能量平衡計(jì)算 3.2.1合成工段能量衡算 3.2.2冷凝器能量計(jì)算 4.1合成系統(tǒng)主要設(shè)備的計(jì)算及選型 4.1.1甲醇合成塔的設(shè)計(jì) 4.1.2水冷器的工藝設(shè)計(jì) 4.1.4循環(huán)壓縮機(jī)的選型 4.2控制儀表的選擇 年產(chǎn)30萬噸甲醇合成工段工藝設(shè)計(jì)摘要：甲醇是一種極重要的有機(jī)化工原料，也是一種燃料，是碳化學(xué)的基礎(chǔ)產(chǎn)品，在國民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位。近年來，隨著甲醇下游產(chǎn)品的開發(fā)，特別是甲醇燃料的推廣應(yīng)用，甲醇的需求大幅度上升。因此開展了此年產(chǎn)30萬噸的甲醇項(xiàng)目。對目前現(xiàn)有的各種生產(chǎn)工藝進(jìn)行對比分析，確定選用低壓Lurgi工藝獲得粗甲醇。根據(jù)所掌握的知識對甲醇合成工段進(jìn)行了物料衡算、能量衡算、主要設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算及相關(guān)附屬設(shè)備的選型及計(jì)算，合成甲醇所選的反應(yīng)器是列管式的甲醇合成塔，并做出了帶控制點(diǎn)的工藝流Abstract:Methanolisarawmaterialwhichemistryanditisveryimportantinnatmethanol,especiallytheapplicationandpopularizationofthemethanouttheannualoutputof300000tonsofmethanolproject.Thecomparativeanalysisoftheexistingproductionpromethanol.Accordingtotheknowledgeofmethanolsynthesissectionofmateribalanceandequipmentrelatedcalculation.ProcessforlectedsyntheticmefKeywords:methanol機(jī)化工原料之一，是碳化學(xué)、有機(jī)及精細(xì)化工的基礎(chǔ)原料，又是優(yōu)質(zhì)的能源載體。長期以來，甲醇除少量直接用于溶劑外，人們一直把甲醇作為農(nóng)藥、染料、醫(yī)藥等工業(yè)的原料。盡管國內(nèi)甲醇的傳統(tǒng)消費(fèi)領(lǐng)域如甲醛、醋酸等行業(yè)受房地產(chǎn)調(diào)控政策等因素影響，產(chǎn)量增速有所放緩，但新興應(yīng)用領(lǐng)域如甲醇燃料、甲醇制烯烴等行業(yè)在石油供近十年來，我國的甲醇工業(yè)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在原料路線、生產(chǎn)規(guī)模、節(jié)能降耗、過程控制與優(yōu)化、產(chǎn)品市場與其他化工產(chǎn)品聯(lián)合生產(chǎn)等方面都有了新的突破與進(jìn)展。尤其我國是煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國，除了用煤直接氣化生產(chǎn)甲醇外，由于煉焦工業(yè)采用潔據(jù)了解，目前國內(nèi)已投產(chǎn)的甲醇制烯烴企業(yè)共四家，包括神華包頭60萬噸烯烴裝置、神華寧煤50萬噸烯烴裝置、大唐46萬噸烯烴裝置以及中原石化60萬噸烯烴裝置。2012年上半年數(shù)據(jù)顯示，甲醇制烯烴產(chǎn)量約60萬噸，應(yīng)用甲醇167.7萬噸，僅2012年上半年神華包頭煤制烯烴項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)銷售收入31億元、利潤6億元，取得較好的效益[1。而甲醇燃料的推廣應(yīng)用，更會使甲醇的需求市場進(jìn)一步擴(kuò)張。2009年5月，《車用燃料甲醇》及甲醇汽油的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。因此，甲醇在化學(xué)工業(yè)中甲醇是一種無色、透明、易燃、易揮發(fā)的有毒液體，常溫下對金屬無腐蝕性(鉛、鋁除外),略有酒精氣味。分子量32.04,相對密度0.792(20/4℃),熔點(diǎn)-97.8℃,沸點(diǎn)64.5℃,燃燒熱725.76kJ/mol,閃點(diǎn)12.22℃,自燃點(diǎn)463.89℃,蒸氣密度1.11,蒸氣壓13.33kPa(100mmHg21.2℃),蒸氣與空氣混合物爆炸極限6～36.5%(體積比),能與水、乙醇、乙醚、苯、酮、鹵代烴和許多其他有機(jī)溶劑相混溶，但是不與石油醚混溶，遇熱、1661年英國波義耳(Boyle)首先在木材干餾的液體產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)了甲醇，木材干餾成為工業(yè)上制取甲醇最古老的方法。1834年，杜馬(Dumas)和彼利哥(Peligot)制得了甲醇純品。1857年法國伯特格(Berthelot)用一氯甲烷水解制得甲醇。合成甲醇的工業(yè)生產(chǎn)始于1923年。德國巴登苯胺純堿(BASF)公司首先建成以一氧化碳和氫為原料、年產(chǎn)300t甲醇的高壓合成法裝置，從20世紀(jì)20年代至60年代中期，所有甲醇生產(chǎn)裝置均采用高壓法，即操作壓力為30～35MPa,采用鋅鉻催化劑。1966年，英國帝國化學(xué)工業(yè)(ICI)公司研制成功銅基催化劑，并開發(fā)了低壓合成甲醇工藝，即ICl合成甲醇可以固體(如煤、焦炭)液體(如原油、重油、輕油)或氣體(如天然氣及其他可燃性氣體)為原料，經(jīng)造氣凈化(脫硫)變換，除去二氧化碳，配制成一定的合成氣(一氧化碳和氫)。在不同的催化劑存在下，選用不同的工藝條件。單產(chǎn)甲醇(分高壓法低壓和中壓法),或與合成氨聯(lián)產(chǎn)甲醇(聯(lián)醇法)。將合成后的粗甲醇，經(jīng)預(yù)精餾脫除甲醚，精餾而得成品甲醇。高壓法為BASF最先實(shí)現(xiàn)工業(yè)合成的方法，但因其能耗大，加工復(fù)雜，材質(zhì)要求苛刻，產(chǎn)品中副產(chǎn)物多，今后將由ICI低壓和中壓法及甲醇用途廣泛，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[5]。甲醇合成反應(yīng)是可逆的強(qiáng)放熱反應(yīng)，受熱力學(xué)及動力學(xué)控制，通常在單程反應(yīng)器中，CO和CO?的單程轉(zhuǎn)化率比較低，需要把未反應(yīng)的CO、CO?和H?與甲醇分離，然后通過循環(huán)壓縮機(jī)再壓縮到反應(yīng)器中進(jìn)一步反應(yīng)。為確保反應(yīng)器出口氣體中有較高的甲醇含量，一般采用較高的反應(yīng)壓力。根據(jù)合成過程所采用壓力的不同，可分為高壓法、中壓法和低壓法。CO和H?在高溫(340～420℃)高壓(30.0～50.0MPa)下，用鋅—鉻氧化物作催化劑合成甲醇。高壓法是最早的甲醇合成工藝流程，此法的特點(diǎn)是技術(shù)成熟，但投資及生產(chǎn)成本較以CO和H?為原料在低壓(5.0MPa)和相對較低溫度(275℃左右)下，采用銅基催化劑合成甲醇。目前，低壓法甲醇合成技術(shù)主要是英國IC.I低壓法和德國Lurgi低壓法。此外，還有美國電動研究所的三相甲醇合成技術(shù)，三相甲醇合成技術(shù)雖已研究成功，但尚未進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。(1)I.C.I低壓法1966年，英國1.C.I公司在成功地開發(fā)了銅基低壓甲醇合成催化劑之后，建立了世界上第一個(gè)低壓法甲醇合成工廠，即英國Teesside地區(qū)Billingham工廠。該廠以石腦油為原料，日產(chǎn)甲醇300t。到1970年，最多日產(chǎn)量能達(dá)到700t。催化劑使用壽命可達(dá)4年以上。由于低壓法合成的粗甲醇雜質(zhì)含量比高壓法得到的粗甲醇雜質(zhì)含量低得多，凈化比較容易，利用雙塔精餾系統(tǒng)便可以得到純度為99.85%的精制產(chǎn)品甲煤炭氣化煤氣合成甲醇與以石腦油、天然氣、重油為原料合成甲醇的合成工藝是相(2)Lurgi低壓法20世紀(jì)60年代末，德國Lurgi公司在UnionKraftstoffWesseling工廠建立了一套年產(chǎn)4000t的低壓法甲醇合成示范裝置。在取得必要的數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)后，于1979年底，Lurgi公司建立了3套總產(chǎn)量超過30萬噸每年的工業(yè)裝置。Lurgi低壓法甲醇合成工藝與LC.I低壓工藝的主要區(qū)別在于合成塔的設(shè)計(jì)，該工藝采用管殼型①采用管殼式合成塔。這種合成塔溫度容易控制，同時(shí)，由于換熱方式好，催化劑允許含CO高的新鮮氣進(jìn)入合成系統(tǒng)，因而單程氣體轉(zhuǎn)化率高，出口反應(yīng)氣體含甲醇7%②無需專設(shè)開工加熱爐，開車方便，開工時(shí)直接將蒸汽送入甲醇合成塔將催化劑加④Lurgi低壓法合成甲醇投資和操作費(fèi)用低，操作簡便，不足之處是合成塔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，合成壓力/MP355合成反應(yīng)溫度/℃催化劑成分空時(shí)產(chǎn)率/[t/m3·h出塔氣中CH?OH含量/%循環(huán)氣：新鮮氣合成反應(yīng)熱的利用不副產(chǎn)中壓蒸汽副產(chǎn)中壓蒸汽合成塔形式冷激型管束型設(shè)備尺寸設(shè)備較大設(shè)備緊湊合成開工設(shè)備要設(shè)加熱爐不設(shè)加熱爐綜上所述，本設(shè)計(jì)將采用Lurgi低壓法合成甲醇。為彌補(bǔ)低壓法產(chǎn)量低體積大的情況，出現(xiàn)了中壓法合成甲醇的工藝流程，它是在低壓法基礎(chǔ)上開發(fā)的在10MPa左右壓力下合成甲醇的方法。1.3甲醇生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(1)原料路線多樣化。(2)生產(chǎn)規(guī)模大型化。(3)合成壓力從高壓轉(zhuǎn)為低壓。(4)多采用銅基催化劑。(5)節(jié)能降耗，充分利用余熱，降低能耗。(6)過程控制自動化。(7)聯(lián)合生產(chǎn)普遍化4]。第二章工藝流程設(shè)計(jì)2.1甲醇合成甲醇合成的典型工藝主要是：低壓工藝(I.C.I工藝、Lurgi工藝)、中壓工藝、高壓工藝。甲醇合成工藝中最重要的工序是甲醇的合成，關(guān)鍵技術(shù)是催化劑和反應(yīng)器，本設(shè)計(jì)采用的是低壓Lurgi合成工藝。合成工段，5MPa下發(fā)生一系列反應(yīng)2.1.2合成法反應(yīng)機(jī)理(1)反應(yīng)機(jī)理本反應(yīng)采用銅基催化劑，5MPa、250℃左右反應(yīng)，清華大學(xué)高森泉、朱起明等認(rèn)為其機(jī)理為吸附理論，反應(yīng)模式為：反應(yīng)為(2-6)(2-7)控制，即吸附控制。該反應(yīng)在不同溫度下的反應(yīng)焓列為下表圖2.1反應(yīng)熱與壓力的關(guān)系當(dāng)反應(yīng)低于200℃時(shí)，反應(yīng)熱隨壓力變化的幅度大于反應(yīng)溫度高時(shí)，低于300℃的等溫線斜率比大于等于300℃的等溫線斜率大。所以在低于300℃條件下的操作比在高溫條件下(2)平衡常數(shù)K?=fcn.au/(feof·n?2)表2.3甲醇合成反應(yīng)的平衡常數(shù)表溫度℃K地降低。但是實(shí)際上還要考慮催化劑的活性催化劑的活性溫度及耐熱程度。甲醇合成系統(tǒng)中最重要的設(shè)備是甲醇合成反應(yīng)器。從操作結(jié)構(gòu)、材料及維修等方面(1)冷激式合成塔(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(shè)置足夠大換熱面積的冷氣管，用進(jìn)塔冷管來移走反應(yīng)熱。冷管的結(jié)構(gòu)有逆流式、并流式和U型管式。由于逆流式與合成反應(yīng)的放熱不相適應(yīng)，即床層出口處溫差最大，但這時(shí)反應(yīng)放熱最小，而在床層上部反應(yīng)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型冷管。如1984年I.C.I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(dá)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)0.4MPa的低壓蒸汽。目前(3)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(yīng)熱，縮小傳熱面積，多裝催化劑，同時(shí)可副產(chǎn)2.5Mpa—4.0M(4)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)，管間是沸騰水，將反應(yīng)熱用于副產(chǎn)3.0MPa～4.0MPa的中壓蒸汽。代表成塔，三菱公司的套管超級合成塔是在列管內(nèi)再增加一小管，小管內(nèi)走進(jìn)塔的冷氣。進(jìn)一步強(qiáng)化傳熱，即反應(yīng)熱通過列管傳給殼程沸騰水，而同時(shí)又通過列管中心的冷氣管傳給進(jìn)塔的冷氣。這樣就大大提高轉(zhuǎn)化率，降低循環(huán)量和能耗。固定管板列管合成塔雖然可用于大型化，但受管長、設(shè)備直徑、管板制造所限。在日產(chǎn)超過2000t時(shí)，往往需要并聯(lián)兩個(gè)。管板處的催化劑屬于絕熱段，管板下面還有一段逆?zhèn)鳠岫?，也就是進(jìn)塔氣225℃,管外的沸騰水卻是248℃,不是將反應(yīng)熱移走而是水給反應(yīng)氣加熱。這種合成塔由于列管(5)多床內(nèi)換熱式合成塔換熱式合成塔。針對甲醇合成的特點(diǎn)采用四床(或五床)內(nèi)換熱式合成塔。各床層是絕熱反應(yīng)，在各床出口將熱量移走。這種塔型結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，不需特種合金鋼，轉(zhuǎn)化率合成塔選用一般原則：反應(yīng)能在接近最佳溫度曲線條件下進(jìn)行，床層阻力小，消耗的動力低，合成反應(yīng)的反應(yīng)熱利用率高，操作控制方便，技術(shù)易得，裝置投資低等。綜上所述和借鑒大型甲醇合成企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，(大型裝置不宜選用激冷式和冷管式),本設(shè)計(jì)選用固定管板列管合成塔(Lurgi公司)。這種塔內(nèi)甲醇合成反應(yīng)接近最佳溫度操作線，反應(yīng)熱利用率高，雖設(shè)備較復(fù)雜、投資較高，但由于這種塔在國內(nèi)外使用較多，具有豐富的管理及維修經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)也容易得到，外加考慮到設(shè)計(jì)的是年產(chǎn)30萬噸的甲醇合成塔(日產(chǎn)量為938噸左右),塔的塔徑和管板的厚度不會很大，費(fèi)用也不會很高，所以(1)甲醇合成催化劑經(jīng)過長時(shí)間的研究開發(fā)和工業(yè)實(shí)踐，廣泛使用的甲醇合成催化劑主要有兩大類型：硫技術(shù)的發(fā)展，使用銅基催化劑已成為甲醇合成的主要方向，鋅基催化劑已于80年代中表2.4國內(nèi)外常用銅基催化劑特性對比催化劑型號組分%操作條件溫度℃英國ICI51-3德國LG1044美國C79-2中國C302系列4中國XNC-988從表2.4的對比可以看出，國產(chǎn)催化劑的銅含量已在50%以上。制備工藝合理，催化劑活性、選擇性、使用壽命及機(jī)械強(qiáng)度均達(dá)到國外同類催化劑的先進(jìn)水平，并且價(jià)格XNC-98型催化劑是四川天一科技股份有限公司研制開發(fā)的新產(chǎn)品。目前已經(jīng)在國內(nèi)20多套大、中、小型工業(yè)甲醇裝置上使用，運(yùn)行情況良好。它是一種高活性、高選擇性的新型催化劑。用于低溫、低壓下由碳氧化物與氫合成甲醇，具有低溫活性高、熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。常用操作溫度為200～290℃,操作壓力5.0～10.0Mpal0。外觀：有色金屬光澤的圓柱體外形尺寸：5×(4.5～5)mm230℃時(shí)，催化劑的空時(shí)收率≥1.2kg/(L.h)250℃時(shí)，催化劑的空時(shí)收率≥1.55kg/(L.h)在正常情況下，使用壽命在2年以上。表2.5XNC-98型與C型催化劑的性能對比號加入量甲烷單耗甲醇收率%甲醇產(chǎn)量初期末期C②低溫活性好，日產(chǎn)量高。75%負(fù)荷下的甲醇產(chǎn)量(4.1th)接近裝置滿負(fù)荷設(shè)計(jì)甲醇產(chǎn)量(4.17t/h)。③適用溫區(qū)寬，使用壽命長。合成塔進(jìn)口溫度可調(diào)溫區(qū)，C型催化劑為14℃,而XNC-98型則為30℃。隨著可調(diào)溫區(qū)的增加，催化劑的使用壽命也相應(yīng)延長。④選擇性好。75%負(fù)荷下合成系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)結(jié)蠟，粗甲醇質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。⑤可適用于含高濃度CO?的合成氣。50%負(fù)荷下，C型催化劑CO?加入量最高不超過670kg/h,而XNC-98型催化劑則最高可達(dá)900kg/h。75%負(fù)荷時(shí)，使用XNC-98型催化劑，當(dāng)入塔氣中CO?組分體積分?jǐn)?shù)高達(dá)5%時(shí)，生產(chǎn)運(yùn)行情況仍良好，收率和物耗均較低，催化劑仍能保持較高活性，產(chǎn)品質(zhì)量符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求[7]。綜上所述，XNC-98型催化劑的活性、選擇性及使用壽命等主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均優(yōu)于進(jìn)口催化劑及國產(chǎn)C型催化劑，所以本設(shè)計(jì)選用四川天一科技股份有限公司研制的XNC-98型催化劑。2.1.5合成工序工藝操作條件的論證與確定(1)操作溫度甲醇合成催化床層的操作溫度主要是由催化劑的活性溫區(qū)決定的。操作溫度的控制也是一個(gè)操作費(fèi)用的控制問題，在設(shè)計(jì)中，需要延長催化劑的使用壽命，防止催化劑的迅速老化和活性衰減。一般而言，在催化劑的使用初期，反應(yīng)溫度維持較低水平，隨著使用時(shí)間的增加，逐步提高反應(yīng)溫度。本設(shè)計(jì)采用Lurgi公司固定管板列管合成塔，管間走沸騰水，副產(chǎn)中壓蒸汽，床層內(nèi)溫差很小，接近最佳溫度操作曲線；采用的甲醇合成催化劑為國產(chǎn)XNC-98型，由它的性質(zhì)可知，適用的溫度范圍為200～290℃。(2)操作壓力壓力是甲醇合成反應(yīng)的一項(xiàng)重要工藝條件。甲醇合成反應(yīng)時(shí)分子數(shù)變少，因此增加壓力對反應(yīng)有利，由于壓力高，組分的分壓提高，因而催化劑的生產(chǎn)強(qiáng)度也提高。操作壓力的選用與催化劑的活性有關(guān)。早期的高壓法甲醇合成工藝采用鋅基催化劑，由于活性差，需要在高溫高壓下操作，操作壓力為25～35MPa,操作溫度為350～420℃。在較高的壓力和溫度下，…氧化碳和氫氣生成甲烷、異丁醇等副產(chǎn)物，這些副反應(yīng)的反應(yīng)熱高于甲醇合成反應(yīng)，使床層溫度提高，副反應(yīng)加速，如果不及時(shí)控制，會造成溫度急劇升高而破壞催化劑。近年來普遍使用的銅基催化劑，其活性溫度范圍在200～300℃,有較高的活性。本設(shè)計(jì)采用的是低壓法(入塔壓強(qiáng)為5.14MPa)合成甲醇[7]。(3)氣體的組成于2,合成塔中氫氣過量，對減少副反應(yīng)是有利的。甲醇合成過程中，需要一定的二氧化碳存在以保持催化劑的高活性，但一般不超過循環(huán)循環(huán)機(jī)甲醇分離器水冷器合成塔(4)空速空速不僅是一個(gè)與合成回路氣體循環(huán)量相關(guān)聯(lián)的工藝參數(shù)，也是一個(gè)影響綜合經(jīng)濟(jì)效益的變量。甲醇合成過程中，首先甲醇合成塔內(nèi)的氣體空速必須滿足催化劑的使用要求，空速過低，結(jié)炭等副反應(yīng)加劇；空速過高，系統(tǒng)阻力加大，能耗增加，催化劑的更換周期縮短，合成系統(tǒng)投資加大?？账俚倪x擇需要根據(jù)每一種催化劑的特性，在一個(gè)相對較小的范圍內(nèi)變化。XNC-98的空速要求為6000～15000m3h-1,本設(shè)計(jì)空速設(shè)定為(1)其合成工序?yàn)椋厚Y放氣粗甲醇圖2.2合成工序凈化后的原料氣，經(jīng)預(yù)熱加壓，在5.14MPa、220℃下，從上而下進(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250℃左右，甲醇7%左右，因此，原料氣必①甲醇的合成甲醇的合成是可逆放熱反應(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4MPa的沸騰水。②甲醇的分離甲醇在高壓下容易冷凝，基于這個(gè)原理，甲醇的分離采用冷凝分離法，高壓下與液表2.65MPa下不同溫度氣相甲醇的飽和含量0由上表可知，通過水冷可以使氣相甲醇含量下降到0.99%(5MPa),補(bǔ)充新鮮氣后可以使這一值下降到0.5%一下，故分離甲醇只需水冷已經(jīng)足夠，不需要氨冷，水冷后設(shè)分④新鮮氣的補(bǔ)充與惰性氣的排放應(yīng)的惰性氣體累積在系統(tǒng)中，需要進(jìn)行排放，該氣體一般在壓縮機(jī)前，甲醇分離器后排(2)低壓Lurgi法甲醇合成工藝流程這個(gè)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(yīng)器，催化劑裝在管內(nèi)，反應(yīng)熱由管間沸騰水帶走，并副產(chǎn)中壓蒸汽，甲醇合成原料在透平循環(huán)壓縮機(jī)內(nèi)加壓到5.2MPa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，出塔氣溫度約在250℃,含甲醇7%左右，經(jīng)過換熱冷卻到40℃,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，大部分氣體在進(jìn)入透平壓縮機(jī)加壓后返回合成塔，合成塔副產(chǎn)的蒸汽及外部補(bǔ)充的高壓蒸汽一起進(jìn)入過熱器加熱到50℃,帶動透平壓縮機(jī)，透平后的低壓蒸汽作為甲醇精餾工段所第三章生產(chǎn)工藝計(jì)算已知：年產(chǎn)300000噸粗甲醇，每年以320個(gè)工作日計(jì)算，原料氣組成如表組分未知物總計(jì)組成mol%儲罐氣粗甲醇貯罐圖3.1合成物料流程圖甲醇：93.89%輕組分[以二甲醚(CH?)?O計(jì)]:0.188%重組分[以異丁醇C?H?OH計(jì)]:0.026%水：5.896%生產(chǎn)中，測得每生產(chǎn)1噸粗甲醇生成甲烷7.56Nm3,即0.34kmol,故CH?每小時(shí)生成量為：7.56×39.0625=295.3125Nm3,即1忽略原料氣帶入量，根據(jù)(3-2)(3-3)(3-4)得反應(yīng)(3-5)生成的水的量為：127.95-1.597-13.184-3×0.137=112.758kmol/h,即在CO逆變換中生成的H?O為組分溶m3/t甲醇0解0度據(jù)測定：35℃時(shí)液態(tài)甲醇中釋放CO、CO?、H?等混根據(jù)以上計(jì)算，則粗甲醇生產(chǎn)消耗量及生產(chǎn)量及組成見附表1。為避免惰性氣體積累，必須將部分循環(huán)氣從反應(yīng)系統(tǒng)排出作為馳放氣，以使反應(yīng)系統(tǒng)中惰性氣體含量保持在一定濃度范圍。設(shè)新鮮氣量為G新鮮氣，馳放氣為新鮮氣的9%,組分表3.3甲醇合成新鮮氣組成組分其他總計(jì)組成=391686.02-28578.22-0.09表3.4甲醇生產(chǎn)循環(huán)氣量及組成組分流量m2h-1總計(jì)由表3.3及表3.4得到表3.5。組分流量m3/h總計(jì)組分入塔m3/h消耗m3/h生成m3/h出塔m3/h總計(jì)損失0合計(jì)表3.8甲醇馳放氣流量及組成組分流量m3/h組成%(v)合計(jì)組分合計(jì)流量m3/h0組成%(v)0表3.10甲醇生產(chǎn)物料平衡匯總表組分新鮮氣入塔氣循環(huán)氣出塔氣醇后氣流量組成流量組成流量組成流量組成流量組成合計(jì)3.2甲醇生產(chǎn)的能量平衡計(jì)算已知：合成塔入塔氣為220℃,出塔氣為250℃,熱損失以5%計(jì)，殼程走4MPa的沸查《化工工藝設(shè)計(jì)手冊》得4MPa下水的汽化潛熱為1714.99KJ/Kg,密度為799.0kgm3,水蒸氣密度為19.18kg/m3溫度為250℃。入塔氣熱容見下表。表3.155MPa,220℃下入塔氣(除甲醇)熱容組分流量m3/h比熱KJ/(kmol·℃)熱量KJ/℃合計(jì)查得220℃時(shí)甲醇的焓值為42248.4kJ/kmol,流量為2166.10m2/h。出塔氣熱容(除甲醇外)見下表。組分流量m3/h比熱KJ/(kmol·℃熱量KJ/℃合計(jì)查得250℃時(shí)甲醇的焓值為46883.2KJ/kmol,流量為19775.82m3/hQ=Qx+Qm-Q=136045005.8+113688711.9-184388439.7-12486685.89查手冊得，粗甲醇中各組分的物理常數(shù)如表3.17表3.17粗甲醇中各組分的物理常數(shù)組分液體比熱容假設(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)。(1)氣體冷凝放熱根據(jù)3.7數(shù)據(jù)計(jì)算得出塔各組分及冷凝放熱量如表3.18表3.18出塔氣在冷凝器冷凝放熱量組分合計(jì)冷凝量Nm3/h表3.19冷凝器出口氣體組分的顯熱組分合計(jì)比熱容氣量Nm3/h根據(jù)表3.17和表3.18,計(jì)算冷凝液體帶走熱量，列下表表3.20冷凝器出口液體熱量組分合計(jì)液體比熱容流量Kg/h熱量因冷凝器液體出口溫度為40℃,故液體帶走熱量：于是，冷卻水帶走熱量：Q水=163493765.8+49777101.7—(144049493.6+2821162.8)則冷凝器熱平衡如下表熱量氣體顯熱液體帶熱冷卻水帶熱合計(jì)帶入熱量KJ/h帶出熱量KJ/h(5)冷凝器用水量已知條件：進(jìn)冷凝器的冷卻水溫度20℃,出冷凝器的冷卻水溫度為35℃則：冷凝器需冷卻水量為流程中用一個(gè)水冷器，吸收的熱量為66400211.1KJ/h,即18444503.08W甲醇合成反應(yīng)器是甲醇合成生產(chǎn)的核心設(shè)備，由于合成反應(yīng)為可逆放熱反應(yīng)，故要求反應(yīng)器設(shè)計(jì)能迅速移走反應(yīng)熱。日前世界上應(yīng)氣流經(jīng)反應(yīng)管，放出的熱量通過管壁傳給沸騰水，使其汽化，轉(zhuǎn)變?yōu)橥瑴囟日羝?1)傳熱面積的確定傳熱溫差為10℃,傳熱量為52858592.11kJ/h,合成塔內(nèi)的總傳熱系數(shù)取為由公式Q=kA△Tm(2)催化劑用量的確定入塔氣空速12000h1,入塔氣量444092.14m3/h,所以，催化劑體積為444092.14/12000=37m3。(3)傳熱管數(shù)的確定傳熱管選用φ32×2.5,長度9000mm的鋼管，材質(zhì)為00Cr18Ni5Mo3Si2鋼。由公式A=3.14×d×L×n其中因要安排拉桿需要減少12根，實(shí)際管數(shù)為6629根。(4)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a=40mm,殼體直徑：b=1.1×n?5=1.1×66290.5=89(5)合成塔殼體厚度的確定殼體材料選用13MnNiMoNbR鋼，計(jì)算壁后的公式為：[o]'=190Mpa(取殼體溫度為50℃)S=3800×5.14/(2×190×(6)合成塔封頭的確定上下封頭均采用半球形封頭，材質(zhì)選用和筒體相同。封頭內(nèi)徑為3800mm由封頭厚度計(jì)算公式：[o]'=190MPa(取殼體溫度為50℃)查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》[18]書可知：取C?=1mm;C?=0.25mm,圓整后取S=32mm,考慮到與筒體的更好結(jié)合以及設(shè)備的耐用性取S=65mm,所以封頭為(7)管子拉脫力的計(jì)算①在操作壓力下，每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力表4.1計(jì)算管子拉脫力的相關(guān)參數(shù)管子殼體材質(zhì)尺寸管子數(shù)管殼壁溫差/℃管子與管壁連接方式開槽脹接脹接長度As=3.14×D×Sn=3.14×3800×65=79已知T>T,P>PTt、Ts分別為管壁溫度和殼壁溫度；p?為管程壓力4.9Mpa;ps為殼程壓力0.74(8)折流板的確定折流板為弓形h=3/4Di=3/4×3800=2850mm,折流板數(shù)為4,間距取1518mm折流板最小厚度為50mm,材料為Q235-A鋼。拉桿φ12,共12根，材料Q235-AF鋼；(9)管板的確定管板直徑3800,厚度160mm,管板通過焊接在筒體和封頭之間。(10)支座的確定支座采用裙座，裙座座體厚度為50mm,基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)徑3490mm,外徑3890mm,基地腳螺栓公稱直徑M30,數(shù)量為6個(gè)。塔件尺寸筒體內(nèi)徑(mm)壁厚(mm)封頭內(nèi)徑(mm)壁厚(mm)拉桿尺寸(mm)中32列管管長折流板尺寸(mm)高度(mm)間距(mm)44.1.2水冷器的工藝設(shè)計(jì)(1)傳熱面積的確定兩股流體的進(jìn)出口溫度為：熱60.8→40℃故傳熱推動力：(2)管子數(shù)n的確定設(shè)計(jì)選用φ25×2.5的無縫鋼管，材質(zhì)20號鋼，管長6m,由公式A=3.14dLn,n=A/(3.14dl)=090.17/(3.14×0.02×6)=2413根，其中安排拉桿需要減少4根，實(shí)際管數(shù)為2409根。(3)管子的排列方式，管間距的確定設(shè)計(jì)采用正三角形排列，取管間距為a=32mm。(4)殼體直徑的確定b—正六角形對角線上的管子數(shù)查有關(guān)表取為29;L—最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離，取L=2d?;(5)殼體厚度的計(jì)算殼體材料選用20R鋼，計(jì)算壁后的公式為：[o]1=132Mpa(取殼體溫度為50℃)取C?=1mm,C?=1mm,(6)換熱器封頭的確定上下封頭均采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，封頭為DN1000×28。材料選用20R鋼。(7)容器法蘭的選擇材料選用16MnR鋼，跟據(jù)JB4703-2000標(biāo)準(zhǔn)，選用PN6.4Mpa,DN1000mm的長頸對焊法蘭。(8)管子拉脫力的計(jì)算管子殼體材質(zhì)20R鋼尺寸管子數(shù)管殼壁溫差/℃管子與管壁連接方式開槽脹接脹接長度q,=0.74×396/(3.14×25×5式中：σ?=aE(,-t,)/(1+A/A,)As=3.14×D×Sn=3.14×1000×20=6Tt、Ts分別為管壁溫度和殼壁溫度；p?為管程壓力4.9MPa;p?為殼程壓力0.74許用范圍內(nèi)。(9)折流板的設(shè)計(jì)折流板為弓形，h=3/4×1000=750mm,折流板間距取400mm;最小厚度為10mm。材料為Q235-A鋼；拉桿選用φ12,共四根，材料為Q235-AF鋼。(10)開空補(bǔ)強(qiáng)換熱器封頭和殼體上的接管都需要補(bǔ)強(qiáng)，在開空外面焊接上一塊與容器壁材料和厚度都相同的，即20mm厚的20R鋼板。(11)支座選用型號JB/4712-92鞍座BI1000F。表4.4水冷器設(shè)計(jì)匯總筒體內(nèi)徑(mm)壁厚(mm)封頭半徑(mm)壁厚(mm)拉桿尺寸(mm)4列管管長尺寸(mm)折流板高度(mm)間距(mm)5甲醇分離器的作用是分離經(jīng)過水冷凝器以后循環(huán)氣中冷凝的液體甲醇，它由外筒和內(nèi)件兩大部分組成，還有附屬液位計(jì)。本設(shè)計(jì)采用安徽臨泉化工股份有限公司的甲醇分設(shè)計(jì)中選用的循環(huán)氣壓縮機(jī)為離心壓縮機(jī)，離心壓縮機(jī)具有以下的特點(diǎn)：流量大而均勻，體積小，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，容易調(diào)節(jié)，維護(hù)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(jī)，其壓強(qiáng)可達(dá)幾十萬MPa,流量可達(dá)幾十萬m3/h。通過物料計(jì)算可以知道設(shè)計(jì)中壓縮機(jī)排氣量為355098.36m3/h;排氣壓力為5.14廠設(shè)計(jì)的BCL456+2BCL407離心壓縮機(jī)。該離心壓縮機(jī)組已經(jīng)成功的運(yùn)用于青海石油管理局格爾木煉油廠的年產(chǎn)10萬噸甲醇裝置中。該離心壓縮機(jī)是在引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用自行開發(fā)的多項(xiàng)科研成果研制完成的。壓縮機(jī)由二缸三段十三級葉輪組成，壓縮機(jī)缸體為垂直部分結(jié)構(gòu)，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(jī)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(yán)格防止其氣體外漏。機(jī)組為獨(dú)立的氣路系統(tǒng)，潤滑油系統(tǒng)采用強(qiáng)制供油，并配有先進(jìn)的獨(dú)立的自控和保安裝置，確保機(jī)組的安全運(yùn)行。通過實(shí)際運(yùn)行證明，該機(jī)組主要技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)4.2控制儀表的選擇原料氣進(jìn)熱交換器為保證其壓力的穩(wěn)定性采用了壓力控制儀表，進(jìn)合成塔的原料氣