年產20萬噸Lurgi低壓甲醇合成設計

年產20萬噸合成甲醇分廠設計年產20萬噸合成甲醇分廠設計低壓、Lurgi式班級：化工1306設計組成員： 張昭欽李春曉于明誠于坤祥蒲飛2016年12月目錄摘要 3第一章概述 51.1項目概述 51.1.1項目名稱 51.1.2項目簡介 51.2設計依據(jù)及原則 51.2.1設計依據(jù) 51.2.2設計原則 61.3工藝特點 61.4產品方案 61.5主要物料規(guī)格及消耗 71.6排污要求 71.7公用工程 71.8廠址概況 7第二章文獻綜述 82.1研究背景及意義 82.2甲醇的性質 82.3甲醇的用途 92.4甲醇的合成方法 92.4.1甲醇合成化學反應 92.4.2甲醇合成工藝 102.5甲醇發(fā)展現(xiàn)狀 112.5.1目前甲醇發(fā)展狀況 112.5.2目前甲醇下游產品發(fā)展狀況 122.6甲醇發(fā)展未來展望 132.6.1甲醇制烯烴/甲醇制丙烯(MTO/MTP) 132.6.2甲醇燃料 142.6.3甲醇其他運用方向 142.7課題開展意義與內容 14第三章生產方法的選擇 163.1現(xiàn)今合成氣制甲醇工藝簡介 163.2甲醇合成影響因素 163.2.1反應溫度與壓力 173.2.2空速 173.2.3氣體組成 173.3工藝流程模擬 183.3.1預處理合成工段 183.3.2冷凝分離工段 183.3.3精餾工段 19第四章物料衡算和熱量衡算 204.1概述 204.2物料衡算的意義 204.3物料衡算遵循的原則 204.4物料衡算結果 214.4.1全段工藝的物料衡算 214.5熱量衡算 284.5.1熱量衡算原則 284.5.2熱量衡算 28第五章設備設計及選型 315.1概述 315.2甲醇合成反應器的選擇 315.2.1列管式反應器內部結構及空速的計算 315.2.2反應器塔高的計算 325.3壓縮機的選擇 325.3.1選型原則 325.3.2選型介紹 32第六章安全技術與環(huán)境保護 336.1環(huán)境保護治理措施 336.2毒物質的預防 336.2.1甲醇中毒的應急處理 336.2.2二甲醚中毒的應急處理 336.2.3一氧化碳中毒的應急處理 346.2.4硫化氫中毒的應急處理 346.3甲醇的貯藏 346.4三廢處理 34參考文獻 36摘要甲醇是一種極重要的有機化工原料，也是一種燃料，是碳一化學的基礎產品，在國民經濟中占有十分重要的地位。近年來，隨著甲醇下屬產品的開發(fā)，特別是甲醇燃料的推廣應用，甲醇的需求量大幅上升。為了滿足經濟發(fā)展對甲醇的需求，開展了此200000t/a的甲醇項目。本設計采用lurgi工藝合成甲醇，對全段的物料和能量進行了衡算，設計計算了主體設備和甲醇合成塔。分析了以合成氣為原料合成甲醇的可行性和經濟性，對合成甲醇工藝流程選擇、整個工段的經濟核算、廠房布置、環(huán)境安全方面進行了闡述。關鍵詞：甲醇、合成工藝、工藝計算ABSTRACTMethanolisakindofextrelyimportantorganicindustrialchemicalsandakindoffueltoo,itisthebasicproductsofthechemistryofcarbonone.Itisveryimportantinnationaleconomy.Itrecentyears,withthedevelopmentoftheproductsthataremadefrommethanol,expeciallythepopularizationandapplicationofthefuelofmethanol,thedemandforthemethanolrisesbyalargemargin.Inordertosatisfyeconomicdevelopment’demandformethanol,havelaughedthemethanolprojectofthis60000t/a.Inallusiontothelurgiofmethanolsynthesisusedinthispaper,notonlythematerialbalanceandtheenergybalanceofthewholesynthesissectionandcalculated,butalsothemainfurnaceequipment-threetubereactorofmethanolsynthesisarecalculated.Thispaperanalyzedthefeasibilityandeconomicsignificance,themethanolsynthesizingprocessrouteisthroughgasificationofcoal,ofwhichthemianrawmaterialissyngas.Besides,thechoiceoftechnicalprocessandeconomicaccountingforallthesynthesissectionlayoutsafetyofenvironmentandsomeotherprojectsaredicussed.Keywords:Methanol;synthesisprocess;Processcalculasion第一章概述1.1項目概述1.1.1項目名稱年產20萬噸合成甲醇分廠設計1.1.2項目簡介本項目以總廠造氣分廠的凈化合成氣作為原料，充分合理利用原料氣組分的現(xiàn)有資源及成熟的生產工藝，設計一座合成甲醇的分廠，對分廠的科學發(fā)展進行規(guī)劃，擴大經濟效益的同時，減少烴原料化工對石油資源的過度依賴，對優(yōu)化資源利用有重要意義。1.2設計依據(jù)及原則1.2.1設計依據(jù)（1）課程設計項目設計任務書（2）根據(jù)甲醇合成的相關資料，包括發(fā)展規(guī)劃、自然條件、交通條件、政府政策等。（3）《中華人民共和國環(huán)境保護法》和《中華人民共和國勞動安全法》等相關的國家法律、法規(guī)。1.2.2設計原則(1)項目建設遵守國家的各項政策、法規(guī)和法令，符合國家的產業(yè)政策、投資方向及行業(yè)和地區(qū)的規(guī)劃，貫徹有關部門的頒發(fā)標準和規(guī)范合理安排建設周期，嚴格控制工程建設項目的生產規(guī)模和投資；(2)采用成熟而先進可靠的工藝生產技術，確保操作運行穩(wěn)定、盡可能節(jié)能降耗、三廢排放少、產品質量好；(3)堅持體現(xiàn)“社會經濟效益、環(huán)保效益和企業(yè)經濟效益并重”的原則，按照國民經濟和社會發(fā)展的長遠規(guī)劃，行業(yè)、地區(qū)的發(fā)展規(guī)劃，在項目調查、選擇中對項目進行詳細全面的論證。(4)重視環(huán)境保護、安全和工業(yè)衛(wèi)生，設計中選用清潔生產工藝，三廢治理、消防、安全、勞動保護措施必須與主體裝置同時設計、同時建設、同時投運，污染物的排放必須達到規(guī)定的指標，并保證工廠安全運行和操作人員的健康不受損害；(5)產品生產和質量指標符合國家及地方頒發(fā)的各項相關標準；(6)在保證工藝生產安全、可靠的前提下，盡可能利用國產化的設備、材料，并控制投資在合理范圍內；1.3工藝特點德國Lurgi公司開發(fā)的甲醇合成工藝，該流程采用管殼型反應器，催化劑裝在管內，反應熱由管間沸騰水帶走，并副產中壓蒸汽。生產過程中可通過控制所產中壓蒸汽壓力來調節(jié)催化床層溫度，反應溫度易控制、徑向溫度5℃左右。由于反應溫度平穩(wěn)，催化劑的作用得到很好發(fā)揮，原料氣的單程轉化率得以提高，副反應少，粗甲醇質量較好。1.4產品方案本項目通過Lurgi低壓甲醇合成工藝，利用凈化合成氣生產甲醇，其產品規(guī)格為達到國家標準（GB388-85）一級品質量標準，生產控制指標為下表：表1.1產品規(guī)格組分CH3OH醛、酮總量水分摩爾分率＞0.999＜0.00005＜0.00071.5主要物料規(guī)格及消耗本項目的主要原料為凈化合成氣，整個項目所需的主要原料規(guī)格見下表：表1.2原料規(guī)格來自總廠造氣分廠的凈化合成氣，壓強3.5Mpa，溫度313.15K，組成為：組分COCO2H2N2CH4摩爾分率28.23.267.80.50.31.6排污要求含醇氣體用管道送至總廠鍋爐房焚燒處理；工藝廢水含有機物總量＜0.002，用專用管路送至總廠水處理分廠。1.7公用工程供電、供水、供惰性氣、供汽、機修等公用工程由總廠統(tǒng)一安排、配套提供。1.8廠址概況一側靠河、另一側靠廠內公路的狹長平地，寬度60m，長度無限制。

第二章文獻綜述2.1研究背景及意義近10年來，隨著我國鋼鐵工業(yè)的飛速發(fā)展，國內的焦炭產能也迅速擴張，截止到2011年底，總量已達4億噸以上[1]。僅靠國內的煉焦煤資源早已不能滿足生產需要，每年還需從澳大利亞、蒙古、俄羅斯、美國、加拿大等國進口大量的優(yōu)質煉焦煤。在生產實際中，國內的很多焦化廠都存在“只焦不化”的現(xiàn)狀，重視焦炭的生產及質量，對煉焦化工產品的回收利用與加工重視不足，特別是煉焦時產生的大量副產品焦爐煤氣，除部分用于城市燃氣和自發(fā)電外，大部分都點火燒掉或直接排放，不僅嚴重污染空氣，還導致了巨大的能源浪費。初步估計，我國每年沒有利用而白白排放的焦爐煤氣已達(250～300)億m3[2-3]。與此同時，我國每年還需要進口大量甲醇，其中僅2010年就進口甲醇529萬t，約占當年總需求的25%[4]。因此，利用剩余焦爐煤氣合成甲醇不僅具有巨大的經濟效益，而且是保護環(huán)境、節(jié)能減排的有利措施之一。2.2甲醇的性質中文名：甲醇別名：羥基甲烷、木醇、木精英文名：methylalcohol化學式：CH3OHCAS號：67-56-1SMILES：COPTECS：PC1400000摩爾質量：32.04g/mol外觀：無色液體密度：0.7981g/cm3熔點-97oC沸點：64.7oC溶解度（水）：與水完全互溶黏度：0.59mPas，20℃警示術語：R：11-39/23/24/25安全術語：S：1/2-7-16-36/37-45主要危害：飲用含有甲醇的酒可引致失明、肝病、甚至死亡2.3甲醇的用途碳、二氧化硫、氮氧化物等污染物要比汽油少得多，可直接與汽油摻燒作為車用清潔燃料，目前已有包括M85、M15等多個牌號的車用甲醇汽油完成了上路試驗和國家標準制定[5-6]。甲醇還是液態(tài)甲醇燃料電池的基本能量來源[7]，將在未來的能源體系當中具有極為重要的作用。此外，以甲醇為中間體，還可以繼續(xù)合成二甲醚、羰基化制醋酸、酯類、甲醛、聚甲醛、高辛烷值汽油添加劑、催化轉化制汽油等多種化學燃料和化工產品;以甲醇為原料合成乙烯和丙烯的MTO和MTP技術也于2010年前后，先后有神華包頭、大唐多倫、神華寧煤等多套大規(guī)模裝置投產試車，并被評選為2010年中國十大科技進展[8-12]。目前，在世界基礎有機化工原料中，甲醇消費量僅次于乙烯、丙烯、苯，居第四位[13]，而且未來仍有巨大2.4甲醇的合成方法2.4.1甲醇合成化學反應甲醇合成過程中的主要化學反應如下:主反應:CO+2H2=CH3OH(汽)－90.84kJ/mol反應可逆CO2反應:CO2+3H2=CH3OH(汽)+H2O－49.57kJ/mol其他副反應:2CO+4H2=(CH3)2O+H2OCO+3H2=CH4+H2O4CO+8H2=C4H9OH+3H2OCO2+4H2=CH4+2H2OCO=CO2+CCO+H2O=CO2+H22.4.2甲醇合成工藝甲醇合成工藝主要有高壓法、低壓法和中壓法三種。高壓法以BASF技術為代表，使用ZnO－Cr2O3催化劑，在380～400℃，30MPa壓力下合成;低壓法以ICI、Lurgi、MCC技術為代表，以CuO-ZnO-Cr2O3為催化劑，在230～270℃，5～10Pa壓力下合成;中壓法是為適應甲醇工業(yè)生產的規(guī)模大型化需要，仍使用銅系高效催化劑，將合成壓力提高到9～13MPa。從甲醇合成的主要反應方程式看，加壓有利于反應平衡向產物方向移動，但壓力過高會對生產設備、生產控制、生產安全等提出較高的要求，且能耗較高，因此低壓法是目前甲醇合成的主流工藝。但低壓法的催化劑對硫化物極為敏感，易被鐵、氯化物、硫化物毒化，要求合成氣中的硫含量降低至0.1ppm以下[14-15]。甲醇合成反應器有固定床軸向反應器、固定床徑向反應器、漿態(tài)床反應器、超臨界反應器、膜反應器等多種。目前投入大規(guī)模工業(yè)生產應用的主要是固定床軸向反應器。其它反應器都處在實驗和研究階段，目前已有較大進展。甲醇合成反應器的發(fā)展重點是如何提高單程反應收率并及時移走反應熱量，保護催化劑[16]。適宜的氫碳比是甲醇合成的另一關鍵要素。理想的甲醇合成氣氫碳比為:f=［n(H2)-n(CO2)］/［n(CO)+n(CO2)］=2.10～2.15[17]，H2含量高，合成單程轉化率低，合成氣循環(huán)能耗高;CO含量高，催化劑容易積碳失活，不僅影響合成效率，還不利于合成塔的長周期穩(wěn)定生產。甲醇合成氣的適宜成分組成見表1[18]。由于CO2的比熱高，加氫反應放熱低，合成氣中含有適量CO2對保證合成氣的合理氫碳比并提高催化劑反應活性有利，還能穩(wěn)定反應器的合成放熱負荷。表1.合成氣各組分含量概表COH2CO2CH4N2+ArO226.5672.01.23.00.32.5甲醇發(fā)展現(xiàn)狀2.5.1目前甲醇發(fā)展狀況近10年來，中國甲醇產能發(fā)展迅速。2005—2010年產能和表觀消費量年均增幅分別高達51.2%和42.8%，成為全球最大的甲醇生產和消費大國[19]。2010年后，甲醛、二甲醚、MTBE(甲基叔丁基醚)等傳統(tǒng)消費領域甲醇需求增速放緩，隨著甲醇制烯烴/芳烴/汽油等新型下游產業(yè)的興起，甲醇產能及消費增速雖有下降但仍發(fā)展強勁，2014年甲醇產能及表觀消費量分別達6860.5萬t、4099.0萬t，增幅仍高居22.7%、24.7%。2015年由于全球經濟放緩，甲醇產能增幅僅1.68%，為歷年最低水平。但隨著批項目的建成投產，2016年將新增甲醇產能約785萬噸。甲醇開工率呈逐年提高態(tài)勢，2015年達到57.9%，較2010年提高了16.0個百分點。甲醇產業(yè)雖面臨階段性供過于求的局面，但需求強勁的下游新興市場對其起著巨大的支撐和推動作用。2015年我國煤、焦爐煤氣、天然氣制甲醇的產能占比分別為70.2%、16.5%、13.1%。國內40萬t/a(含)和百萬噸以上裝置占比分別由2012年的58.7%、22.7%提高到67.2%、33.1%。近年來我國甲醇需求現(xiàn)狀（104t）2.5.2目前甲醇下游產品發(fā)展狀況原料甲醇充足、廉價，我國自主研發(fā)的二甲醚、甲醛、醋酸生產技術國際領先，近年來，其產能及產量均呈現(xiàn)快速增長趨勢，但由于宏觀上缺乏正確的引導和統(tǒng)一規(guī)劃，下游產品需求領域拓展速度遠遠低于產能的擴張速度，均面臨不同程度的產能過剩、負荷低位、產品單一、需求不旺的局面?！兑夯蜌舛酌鸦旌先細鈽藴省泛汀兑夯蜌舛酌鸦旌先細怃撈繕藴省啡笔?，國家現(xiàn)行政策下，明確規(guī)定二甲醚只能純燒。自2009年起，行業(yè)整體開工率在三四成間徘徊。國內醋酸進出口趨勢從2010年開始出現(xiàn)大幅逆轉，醋酸基本滿足自用，且有大量出口。今后幾年，仍有多套醋酸及醋酸乙烯、聚酯裝置建成投產，預計到2018年，我國醋酸產能及下游需求量將分別達到1200萬t/a和580萬t/a，產需失衡將更加明顯。房地產行業(yè)持續(xù)低迷，甲醛最主要下游產品三醛樹脂膠在建材領域的需求增速明顯回落，甲醛類產品受環(huán)保安全因素制約在紡織行業(yè)的市場份額逐步萎縮，盡管1，4－丁二醇、戊二醇產能密集投放，但對甲醛需求量有限。近年來我國甲醇下游產品需求現(xiàn)狀（104t）2.6甲醇發(fā)展未來展望2.6.1甲醇制烯烴/甲醇制丙烯(MTO/MTP)乙烯、丙烯是重要的平臺化合物，最大的用途是生產聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)，其次為環(huán)氧乙烷、乙二醇、環(huán)氧丙烷、丙烯腈等產品。近年來因下游市場需求旺盛，烯烴供需關系日益緊張。2009—2015年，(乙烯+丙烯)/(PP+PE)產量由2429.9萬/1599.1萬t/a增加4000.4萬/2911.7萬t/a，年均增長率為10.8%/13.7%，其消費量由2682.1萬/2745.6萬t/a增長到4429.1萬/4238.0萬t/a，新增產能遠填補不了巨大的新增市場缺口，(乙烯+丙烯)/(PP+PE)自給率一直維持在90.1%/64.5%左右，年均凈進口量仍以11.6%/1.7%的速。MTO/MTP技術的進步、巨大的原料成本優(yōu)勢及市場前景，使MTO/MTP異軍突起。截至2016年5月，全國共有神華包頭、神華寧煤、大唐多倫、中原石化等23套裝置投產，合計產能963.5萬t/a，下游終端產品多以PP、PE為主，部分涉及乙二醇、環(huán)氧乙烷等精細化工品，局部以直接銷售烯烴單體為主。按照3∶1的消耗關系，將消耗其甲醇產能的39.4%，除部分一體化設計配套的1900萬t/a甲醇產能外，還需外購甲醇1297萬t/a。2.6.2甲醇燃料甲醇燃料是利用工業(yè)甲醇或燃料甲醇，加入變性醇添加劑，與國標汽/柴油成品油按照一定比例混合，經調配制成的新型清潔燃料。由于環(huán)保性好、性價比高、技術成熟等優(yōu)越性能，甲醇燃料已成為首選車用替代燃料。按照甲醇加入比例，甲醇汽油有M5甲醇含量為15%的汽油)、M10、M15、M20、M30、M50、M85及M100多種規(guī)格，甲醇柴油有M15、M20及M25等規(guī)格。2.6.3甲醇其他運用方向甲醇現(xiàn)今研究方向還有很多，如甲醇汽油，甲醇制聚甲氧基二甲醚，甲醇制芳烴等。2.7課題開展意義與內容大力發(fā)展焦爐煤氣制甲醇項目，一方面將有力推動煤炭深加工的發(fā)展，帶來可觀的經濟效益和環(huán)境效益;另一方面有助于解決石油資源貧乏不能滿足我國國民經濟發(fā)展需要的問題，對保障國家能源安全具有十分重要的意義。本課題將開展以合成氣為原料，使用Lurgi式合成塔，在低壓環(huán)境下使用銅系高效催化劑設計年產20萬噸甲醇合成工藝。合成氣原料各組分含量：COH2CO2CH4N228.267.83.20.30.5最終產品質量要求：組分甲醇醛酮總含量水分摩爾分率＞0.999＜0.00005＜0.0007

第三章生產方法的選擇3.1現(xiàn)今合成氣制甲醇工藝簡介合成甲醇不論采用石油、天然氣還是煤為原料，都必須先制成合成氣，然后合成甲醇。3.1.1甲醇合成氣的生產甲醇合成氣的生產是要通過天然氣、煤、焦爐氣等產生的。在國外甲醇生產中，以天然氣為原料的約占80%，煤僅占2%；在我國，已建和在建的甲醇裝置中以天然氣為原料的約占三分之一左右。天然氣制甲醇工藝總體上可分為蒸汽轉化，自熱轉化，部分氧化三類。甲醇合成氣世界上成熟方法有德士古水煤漿加壓氣化法、Lurgi固定層加壓氣化法、UGI常壓氣化法及道化學水煤漿加壓氣化法，氣化爐的形式來分可以分為四類[19]。3.1.2合成氣制甲醇工藝選擇1923年，德國BASF公司在合成氨工業(yè)化的基礎上，首先用鋅鋁催化劑在高溫高壓下實現(xiàn)了由一氧化碳和氫合成甲醇的工業(yè)化生產，開創(chuàng)了工業(yè)合成甲醇的先河。工業(yè)合成甲醇成本低，產量大，促使了甲醇工業(yè)的迅猛發(fā)展。甲醇消費市場的擴大，又促使甲醇生產工藝不斷改進，生產成本不斷下降，生產規(guī)模日益增大。1966年，英國ICI公司成功地實現(xiàn)了銅基催化劑的低壓法甲醇合成工藝，隨后又實現(xiàn)了更為經濟的中壓法甲醇合成工藝。同時德國魯奇(Lurgi)公司也成功地開發(fā)了中低壓甲醇合成工藝。從甲醇合成的主要反應方程式看，加壓有利于反應平衡向產物方向移動，但壓力過高會對生產設備、生產控制、生產安全等提出較高的要求，且能耗較高，因此低壓法是目前甲醇合成的主流工藝。3.2甲醇合成影響因素為了降低能耗，提高甲醇質量，將對甲醇合成工藝進行優(yōu)化。3.2.1反應溫度與壓力反應溫度影響反應速度和選擇性。因此確定最適宜的反應溫度非常重要。甲醇合成催化床層的操作溫度主要是由催化劑的活性溫度區(qū)決定的。一般而言，為防止催化劑的迅速老化和活性衰減速度加快，在催化劑的使用初期，反應溫度維持較低的數(shù)值，過一定時間后再升至適宜溫度。另外，及時移走反應熱也是非常重要的，否則易使催化劑溫升過高，致使生成高級醇的副反應增加，甚至催化劑因發(fā)生熔結現(xiàn)象而導致活性下降。一般將溫度控制在220-270℃范圍壓力是甲醇合成反應過程的重要工藝條件之一。增加壓力可以加快反應速度，但是壓力過高，組分的分壓提高，因而催化劑的生產強度也提高。甲醇的收率雖得到提高，而甲烷和二甲醚等副產品也隨之增加，壓縮費用也急劇增加。3.2.2空速空速不僅是一個和合成回路氣體循環(huán)量相關聯(lián)的工藝控制參數(shù)，也是一個影響綜合經濟效益的變量。合成甲醇空速的大小影響選擇性、轉化率、催化劑的生產能力和單位時間的放熱量?？账龠^低，結炭等副反應加劇，空速過高，系統(tǒng)阻力加大或合成系統(tǒng)投資加大，能耗增加，催化劑的更換周期縮短?？账俚倪x擇需要根據(jù)每一種催化劑的特性，在一個相對較小的范圍內變化。3.2.3氣體組成對于甲醇合成原料氣，應維持f=（H2-CO2）/(CO+CO2)=2.10～2.15，并保持一定的CO2。由于原料氣中（H2-CO2）/(CO+CO2)略大于2，而反應過程中氫與一氧化碳、二氧化碳的化學計量比分別為2:1和3:1，因此循環(huán)氣中（H2-CO2）/(CO+CO2)遠大于2。原料氣中CO含量高，反應溫度不易控制，并且能引起羥基鐵化催化劑上積聚，使催化劑失去活性。因此一般采用H2過量，H2過量可提高反應速度，抑制生成甲烷及酯的副反應，改善甲醇質量，并有利于導出反應熱。甲醇合成過程中，一定的二氧化碳存在可以保持催化劑的高活性，降低峰值溫度。對于低壓合成甲醇，CO2體積分數(shù)為5%時甲醇產率最高。此外，含有CO2可抑制二甲醚的生成。3.3工藝流程模擬工藝流程模擬如下：3.3.1預處理合成工段由分廠來的凈化合成氣壓力為3.5MPa，溫度為40℃，其CO的摩爾分數(shù)含量為0.282，經原料氣壓縮機升壓至7.75MPa，溫度預熱到64.5℃，然后合成氣與循環(huán)氣相混合進入混合器，然后再經對流段的合成氣和循環(huán)氣經過換熱器加熱到230℃。加熱后的合成氣與循環(huán)氣進入合成塔，在此，合成氣進行甲醇合成反應，放出的熱量用于產生蒸汽。反應后的氣體出塔溫度為260℃，甲醇出口濃度為55%左右。3.3.2冷凝分離工段出合成塔的高溫氣體熱量用于加熱入塔合成氣，然后經水冷至40℃左右，經氣液分離器冷凝分離出粗甲醇。3.3.3精餾工段精餾塔操作壓力0.2MPa，粗甲醇送入精餾塔前須加熱到沸點65.0℃，然后在塔內分離成塔頂氣和塔底液，塔頂氣主要是含甲醇的輕餾分，塔底再沸器用合成氣加熱保持塔底液在沸騰狀態(tài)。廢液經塔底流出，此時，塔頂甲醇氣可達99.9%，塔底甲醇含量小于0.008，從而實現(xiàn)甲醇的精餾。

第四章物料衡算和熱量衡算4.1概述化工過程的物料衡算和熱量衡算，都是利用物理與化學的基本定律來計算的。物料衡算的依據(jù)是質量守恒定律，熱量衡算的依據(jù)是熱力學第一定律。對于任何一個體系或任何一個化工過程，不論是物理加工過程還是化學加工過程，也不論是總過程還是單元過程，都采用質量守恒定律、熱力學第一定律來進行物料和能量的衡算。通過計算，從中找出主副產品的生成量，確定原材料的消耗定額，確定各物流的流量、組成和狀態(tài)，確定每一設備內物質轉換與能量傳遞的速度。從而為確定最佳操作條件、設備選型以及設備尺寸的確定、管路設施與公用工程的設計提供依據(jù)。4.2物料衡算的意義在化學工程中，設計或改造工藝流程和設備、了解和控制生產操作過程、核算生產過程的經濟效益，確定原材料消耗定額，確定生產過程的損耗量，對現(xiàn)有的工藝過程進行分析，選擇最有效的工藝路線，對設備進行最佳設計以及確定最佳操作條件等都要進行物料衡算。而且，化學工程的開發(fā)與放大都以物料衡算為基礎的。物料衡算是質量守恒定律的一種表現(xiàn)形式，凡引入某一設備的物料成分、質量等于操作后所得產物的成分、質量加上損失的物料。4.3物料衡算遵循的原則對一般的體系而言，物料分布均可表示為：∑(物料的累積量)=∑(物料進入量)-∑(物料流出量)+∑(反應生成量)-∑(反應消耗量) 特別地，當系統(tǒng)沒有化學反應時，則可簡化為：∑(物料的累積量)=∑(物料進入量)-∑(物料流出量)在穩(wěn)定狀態(tài)下有：∑(物料進入量)=∑(物料流出量)4.4物料衡算結果4.4.1全段工藝的物料衡算流程圖如下圖圖4-1總流程圖甲醇反應器圖4-2甲醇反應器物料流股圖項目進料出料TemperatureC218.2260.0Pressurebar77.50077.500VaporFrac1.0001.000MoleFlowkmol/hr3682.4921750.951MassFlowkg/hr40000.00040000.000VolumeFlowcum/hr2051.422960.187EnthalpyGcal/hr-33.530-56.048MassFlowkg/hrCO1038.46384.476CO2117.840106.056H22496.730543.020N218.41218.412CH411.04721.432CH4O0934.617H2O035.149C2H60-0105.192C4H10O-0102.596表4-1甲醇反應器物料流股衡算表(2)分離器的物料衡算圖4-3分離器物料流股圖項目進料塔頂出料塔底出料TemperatureC40.04040Pressurebar77.5077.577.5VaporFrac0.4381.0000.000MoleFlowkmol/hr1750.950773.397977.554MassFlowkg/hr40000.0008988.00231011.998VolumeFlowcum/hr308.818270.98639.776EnthalpyGcal/hr-69.096-12.514-56.620MassFlowkg/hrCO84.47684.4760CO2106.056106.0560H2543.020543.0200N218.41218.4120CH421.43221.4320CH4O934.6170934.617H2O35.149035.149C2H60-015.19205.192C4H10O-012.59602.596表4-2分離器物料流股衡算表(3)精餾塔的物料衡算圖4-4精餾塔物料流股圖項目進料塔頂出料塔底出料TemperatureC65.046.579.9Pressurebar77.5001.3001.320VaporFrac0.0000.0000.000MoleFlowkmol/hr997.554912.12265.433MassFlowkg/hr31011.99829294.2581717.740VolumeFlowcum/hr41.16738.2772.086EnthalpyGcal/hr-55.820-52.2714.125MassFlowkg/hrCO000CO2000H2000N2000CH4000CH4O934.617906.57828.038H2O35.1490.35134.798C2H60-015.1925.192TRACEC4H10O-012.596<0.0012.596表4-3第一精餾塔物料流股衡算表（4）換熱器的物料衡算圖4-5換熱器B13物料流股圖項目換熱器進料換熱器出料冷凝劑進料冷凝劑出料TemperatureC40120.0174.6155.7Pressurebar35.00035.00010.00010.000VaporFrac1.0001.0001.0000.000MoleFlowkmol/hr3682.492582.492222.034222.034MassFlowkg/hr40000.00040000.0004000.0004000.000VolumeFlowcum/hr2821.6063533.537782.2984.696EnthalpyGcal/hr-38.292-36.196-12.590-14.686MassFlowkg/hrCO1038.4631038.4630CO2117.840117.8400H22496.7302496.7300N218.41218.4120CH411.04711.0470CH4O000H2O00222.034222.034C2H60-01000C4H10O-01000表4-4換熱器B13物料流股衡算表圖4-6換熱器B14物料流股圖項目換熱器進料換熱器出料冷凝劑進料冷凝劑出料TemperatureC40.065.0174.6148.5Pressurebar77.577.50010.00010.000VaporFrac0.0000.0001.0000.000MoleFlowkmol/hr977.554997.55483.26383.263MassFlowkg/hr3101.99831011.9981500.0001500.000VolumeFlowcum/hr39.77641.167293.3621.746EnthalpyGcal/hr-56.620-55.820-4.721-5.521MassFlowkg/hrCO000CO2000H2000N2000CH4000CH4O934.617934.6170H2O35.14935.14983.26383.263C2H60-015.1925.1920C4H10O-012.5962.5960表4-5換熱器B14物料流股衡算表（5）壓縮機的物料衡算圖4-7壓縮機物料流股圖項目進料出料TemperatureC120.0218.2Pressurebar35.00077.500VaporFrac1.0001.000MoleFlowkmol/hr582.4923682.492MassFlowkg/hr40000.00040000.000VolumeFlowcum/hr3533.5372051.422EnthalpyGcal/hr-36.196-33.530MassFlowkg/hrCO1038.4631038.463CO2117.840117.840H22496.7302496.730N218.41218.412CH411.04711.047CH4O00H2O00C2H60-0100C4H10O-0100表4-6壓縮機物料流股衡算表（6）冷凝器的物料衡算圖4-8冷凝器物料流股圖項目進料出料TemperatureC260.040.0Pressurebar77.50077.50VaporFrac1.0000.438MoleFlowkmol/hr1750.9511750.950MassFlowkg/hr40000.00040000.000VolumeFlowcum/hr960.187308.818EnthalpyGcal/hr-56.048-69.096MassFlowkg/hrCO84.47684.476CO2106.056106.056H2543.020543.020N218.41218.412CH421.43221.432CH4O934.617934.617H2O35.14935.149C2H60-015.1925.192C4H10O-012.5962.596表4-7冷凝器物料流股衡算表4.5熱量衡算4.5.1熱量衡算原則為了使生成保持在適宜的工藝條件下進行，必須掌握物料帶入或帶出體系的熱量，控制熱量的供給速率和放熱速率，并且熱量衡算可為提高熱量利用率，降低能耗提供依據(jù)。工程依據(jù)化工設計中關于熱量衡算的基本思想和要求，遵循基本規(guī)范與實際工藝相結合的原則，進行熱量衡算。它的能量平衡方程為：其中，——表示輸入設備熱量的總和；——表示輸出設備熱量的總和；——表示損失熱量的總和。其中，Q——設備的熱負荷；W——輸入系統(tǒng)的機械能；——離開設備的各物料焓之和；——進入設備的各物料焓之和。在進行全廠的能量衡算時，是以單元設備為基本單位，考慮由機械能轉換、化學反應釋放和單純的物理變化帶來的熱量變化。最終對全廠工藝進行系統(tǒng)級的熱量平衡計算，進而用于指導節(jié)能降耗設計工作。4.5.2熱量衡算（1）甲醇反應器的熱量衡算圖4-9甲醇反應器模擬負荷圖（2）分離器的熱量衡算圖4-10分離器模擬負荷圖（3）精餾塔的熱量衡算圖4-11第一精餾塔冷凝器模擬負荷圖

第五章設備設計及選型5.1概述化工設備的工藝設計與選型是在物料衡算和熱量衡算的基礎上進行的。其目的是決定工藝設備的類型、規(guī)格、主要尺寸和臺數(shù)，為車間布置、施工圖設計及公共工程提供足夠的設計數(shù)據(jù)。甲醇合成反應主要采用的是魯奇的工藝，一般采用的是固定床列管式反應器和絕熱床反應器。此次設計用到的主要設備有：甲醇合成反應器、精餾塔、合成氣壓縮機、泵、換熱器、儲罐等。5.2甲醇合成反應器的選擇甲醇合成反應主要采用的是魯奇的工藝，一般采用的是固定床列管式反應器和絕熱床反應器。當反應熱效應不大，管徑較細，管外用傳熱良好的恒溫流體進行控溫時，反應管內各處可近似地視作等溫。由于反應過程中的熱效應不大，不需要強化的傳熱方式。5.2.1列管式反應器內部結構及空速的計算a.催化劑的用量為：b.反應器的空速:c.管數(shù)N的計算：d.床層壓降的計算:5.2.2反應器塔高的計算其塔高為：5.3壓縮機的選擇在這里我們選用離心式壓縮機，離心式壓縮機相比往復式壓縮機有很多優(yōu)點：離心式壓縮機體積小；離心式壓縮機流量大，供氣均勻，調節(jié)方便；離心式壓縮機內易損部件少，可連續(xù)運轉且安全可靠；離心式壓縮機因無潤滑油污染氣體，有利于保護催化劑，并可以取消往復式催化劑所需要的油過濾器，簡化了工藝流程。5.3.1選型原則（1）適當選擇冷卻介質。（2）對于腐蝕性氣體，選擇抗腐蝕材料。（3）對于易燃易爆的介質需對密封性具有高可靠性。（4）由工藝要求選擇，確定進出口壓力，計算總壓力比，得到壓縮機的級數(shù)。5.3.2選型介紹根據(jù)相應的數(shù)據(jù)選擇合適的壓縮機，根據(jù)排氣壓力、排氣流量以及介質的性質，本項目選擇了三星系列空氣、天然氣、氮氫氣聯(lián)合壓縮機，型號為SM2000，其規(guī)格如下：容量4109m3/h，排氣壓力15—80bar，功率13-1297kw，冷卻介質選擇水冷。尺寸（L×W×H）為10.0x6.5x5.0（m），重量30000kg。第六章安全技術與環(huán)境保護6.1環(huán)境保護治理措施化工設計必須在全面規(guī)劃、合理布局、綜合利用、保護環(huán)境、防止污染方面全面考慮。根據(jù)國務院環(huán)境保護委員會、國家計劃委員會、國家經濟委員會頒發(fā)的《建設項目環(huán)境保護管理辦法》規(guī)定，從事對環(huán)境有影響的項目都必須執(zhí)行環(huán)境影響報告書的審批制度，執(zhí)行防治污染及其他公害的設施與主體工程同時設計、同時施工、同時投產使用的“三同時”制度，目的是杜絕新建項目造成環(huán)境污染。6.2毒物質的預防甲醇生產過程主要產品是甲醇，主要副產品為二甲醚，以及原料氣中的一氧化碳和硫化物，屬于易燃易爆及有毒的氣體。在生產過程中容易發(fā)生中毒、火災、爆炸事故等職業(yè)危害。對上述物質中毒現(xiàn)象應進行救治與預防[19]。6.2.1甲醇中毒的應急處理甲醇在常溫下為無色透明液體，為神經性毒物，可經過呼吸道、腸胃和皮膚吸收，具有明顯的麻痹作用。誤飲5~10ml即可至嚴重中毒，10ml以上即有眼睛失明的危險，30ml以上能使人致死，空氣中允許濃度為0.05mg/L。若皮膚接觸甲醇，應立即出去被污染的衣服，用肥皂水和清水徹底清洗皮膚；若眼睛接觸，應提起眼瞼，用流動的清水或生理鹽水沖洗并就醫(yī)；當吸入甲醇氣體時，應迅速脫離現(xiàn)場至空氣新鮮處，保持呼吸道通暢，危急時立即進行人工呼吸或輸氧，就醫(yī)；誤食的情況下先飲足量溫水，催吐，用清水或1%硫代硫酸鈉溶液洗胃并就醫(yī)。6.2.2二甲醚中毒的應急處理二甲醚為弱麻醉劑，對呼吸道由輕微的刺激作用，長期接觸會是皮膚發(fā)紅、水腫、生皰。在二甲醚濃度較高的場合工作，需防止有明火與靜電產生，工作者必須戴隔離式防毒面具，。發(fā)現(xiàn)中毒時，應立即將中毒者脫離現(xiàn)場，到空氣新鮮的地方。6.2.3一氧化碳中毒的應急處理一氧化碳為無色氣體，極易被人體吸入而發(fā)生中毒事件。一氧化碳與血液中的血紅蛋白結合導致全身缺氧或窒息。中毒者應被抬至空曠的地方，呼吸衰竭者應進行人工呼吸或吸氧；呼吸困難者應進行強制輸氧。緊急處理后立即就醫(yī)。6.2.4硫化氫中毒的應急處理硫化氫是一種強烈的神經毒物，與人體細胞色素氧化鎂中的鐵作用，引起組織缺氧而造成呼吸困難。大量吸入會引起肺氣腫，對人體粘膜有刺激作用，引起角膜炎和結膜炎。硫化氫中毒時表現(xiàn)為咳嗽、結膜刺痛、肺氣腫、輕度肺炎?？?/p>