1、年產(chǎn)20萬噸煤制甲醇合成工藝初步設(shè)計(jì)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(yīng)步驟5合成甲醇的化學(xué)反應(yīng)5甲醇合成反應(yīng)的化學(xué)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(yīng)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(shè)備的工藝計(jì)算及選型19TOCo1-5hz甲醇合成塔的設(shè)計(jì)19水冷器的工藝設(shè)計(jì)22循環(huán)壓縮機(jī)的選型25設(shè)計(jì)結(jié)果評(píng)價(jià)26參考文獻(xiàn)27致謝27附工程圖紙甲醇合成塔簡(jiǎn)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(xué)性質(zhì)較活潑能發(fā)生氧化酯化羰基化等化學(xué)反應(yīng)是重要有機(jī)化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工塑料醫(yī)藥林產(chǎn)品加工等領(lǐng)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(duì)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(jī)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(jī)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(xué)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(jià)燃燒充分利用率高環(huán)保的眾多優(yōu)點(diǎn)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(yíng)養(yǎng)價(jià)值高而成本低的優(yōu)點(diǎn)用作飼料添加劑有著廣闊的應(yīng)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(jì)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(yīng)用進(jìn)入60年代以來以重油為原料的甲醇裝置有所發(fā)展對(duì)于我國(guó)從資源背景看煤炭?jī)?chǔ)量遠(yuǎn)大于石油天然氣儲(chǔ)量隨著石油資源緊缺油價(jià)上漲因此在大力發(fā)展煤炭潔凈利用技術(shù)的背景下在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)煤是我國(guó)甲醇生產(chǎn)最重要的原料對(duì)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(jìn)行a擴(kuò)散氣體自氣相擴(kuò)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(jìn)行化學(xué)吸附其中CO在Cu2上吸附H2在Zn2上吸附并異裂c表面反應(yīng)化學(xué)吸附的反應(yīng)物在活性表面上進(jìn)行反應(yīng)生成產(chǎn)物d解析反應(yīng)產(chǎn)物脫附e擴(kuò)散反應(yīng)產(chǎn)物氣體自催化劑界面擴(kuò)散到氣相中去甲醇合成反應(yīng)的速率是上述五個(gè)過程中每一個(gè)過程進(jìn)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(shí)以上五個(gè)過程中ae擴(kuò)散進(jìn)行得最快b吸附d解析進(jìn)行的速度較快而過程c表面反應(yīng)分子在催化劑活性界面的反應(yīng)速度最慢因此整個(gè)反應(yīng)過程取決于表面反應(yīng)的進(jìn)行速率提高壓力升高溫度均可使甲醇合成反應(yīng)速率加快但從熱力學(xué)角度分析由于COCO卻H2合成甲

5、醇的反應(yīng)是強(qiáng)放熱的體積縮小反應(yīng)提高壓力降低溫度有利于化學(xué)平衡向生成甲醇的方向移動(dòng)同時(shí)也有利于抑制副反應(yīng)的進(jìn)行是甲醇合成反應(yīng)是多項(xiàng)銅基催化劑上進(jìn)行的復(fù)雜的可逆的化學(xué)反應(yīng)1主要的化學(xué)反應(yīng)2甲醇合成的副反應(yīng)213甲醇合成反應(yīng)的化學(xué)平衡一氧化碳和氫氣合成甲醇是一個(gè)氣相可逆反應(yīng)壓力對(duì)反應(yīng)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?xì)錃庖谎趸嫉钠胶夥謮悍磻?yīng)溫度也是影響平衡常數(shù)的一個(gè)重要因素不同溫度下的反應(yīng)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(jìn)行但是低溫反應(yīng)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(yīng)溫度控制在220280C表1-1不同溫度下甲醇反應(yīng)的平衡常數(shù)反應(yīng)溫度C平衡常數(shù)KpO66730反應(yīng)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(yīng)過程沒有催化劑的存在合成甲醇反應(yīng)幾乎不能進(jìn)行合成甲醇工業(yè)的進(jìn)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(jìn)在合成甲醇的生產(chǎn)中很多工藝指標(biāo)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(jìn)雖然實(shí)驗(yàn)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(yīng)過程沒有催化劑的存在合成甲醇應(yīng)幾乎不能進(jìn)行合成甲醇工業(yè)的進(jìn)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(jìn)在合成甲醇的生產(chǎn)中很多工藝指標(biāo)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(jìn)雖然實(shí)驗(yàn)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(guó)ICI51-360301078-118190270德國(guó)240美國(guó)C79-2-15-117220330丹麥LMK4010-98220270中國(guó)C302系列5132450-100210280中國(guó)XCN-985220850100

8、200290從表的對(duì)比可以看出國(guó)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(jī)械強(qiáng)度均達(dá)到國(guó)外同類催化劑的先進(jìn)水平并且價(jià)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(jìn)石墨成型還可以干法生產(chǎn)將氧化鋅與氧化鉻的細(xì)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(zhǎng)使用范圍寬耐熱性好抗毒能力好機(jī)械強(qiáng)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(dá)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(jì)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(xué)成分是CuOZnOAI2O3或CuOZnOCr2O3其活性組分是Cu和ZnO同時(shí)還要添加一些助催化劑促進(jìn)催化劑活性Cr2O3的添加可以提高銅在催化劑的分散度同時(shí)又能阻止分散的銅晶粒在受熱時(shí)被燒結(jié)長(zhǎng)大延長(zhǎng)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(jià)廉無毒用AI2O3代替Cr2O3的銅基催化劑更好2還原氧化

10、銅對(duì)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(duì)銅基催化劑進(jìn)行還原其反應(yīng)如下CuOH2CuH2OQCuOCOCuH2OQ氧化銅的還原反應(yīng)是強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)而且銅基催化劑對(duì)熱比較敏感因此要嚴(yán)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(shí)產(chǎn)生下列反應(yīng)H2O12O2CuOQ如果與大量的空氣接觸放出的反應(yīng)的熱將使催化劑超溫結(jié)燒因此停車卸出之前應(yīng)先通入少量氧氣逐步進(jìn)行氧化在催化劑的表面形成一層氧化銅保護(hù)膜這一過程稱為催化劑的鈍化銅基催化劑最大的特點(diǎn)是活性高反應(yīng)溫度低操作壓力低其缺點(diǎn)是對(duì)合成原料

11、氣雜質(zhì)要求嚴(yán)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(dāng)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(jìn)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(zhǎng)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(bǔ)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(diǎn)還只停留在研究階段而沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的應(yīng)用3銅基催化劑的中毒和壽命銅基催化劑對(duì)硫的中毒十分敏感一般認(rèn)為其原因是H2S和Cu形成CuS也可能生成Cu2S反應(yīng)如下CuH2&CuSH22CuH2SfCu2SH2因此原料氣中硫含量應(yīng)小于

12、Olppm與此類似的是氫鹵酸對(duì)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(guān)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(zhǎng)壽命的重要措施甲醇合成反應(yīng)為放熱體積縮小的可逆反應(yīng)溫度壓力及氣體組成對(duì)反應(yīng)進(jìn)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(duì)甲醇合成反應(yīng)的影響來討論工藝條件的選擇在甲醇合成反應(yīng)過程中溫度對(duì)于反應(yīng)混合物的平衡和速率都有很大影響對(duì)于化學(xué)反應(yīng)來說溫度升高會(huì)使分子的運(yùn)動(dòng)加快分子間的有效碰撞增多并使分子克服化合時(shí)的阻力的能力增大從而增加了分子有效結(jié)合的機(jī)會(huì)使甲醇合成反應(yīng)的速度加快但是由一氧化碳加氫生成甲醇的反應(yīng)和由二氧化碳加氫生成甲醇的反應(yīng)均為可逆的放熱

13、反應(yīng)對(duì)于可逆的放熱反應(yīng)來講溫度升高固然使反應(yīng)速率常數(shù)增大但平衡常數(shù)的數(shù)值將會(huì)降低因此選擇合適的操作溫度對(duì)甲醇合成至關(guān)重要所以必須兼顧上述兩個(gè)方面溫度過低達(dá)不到催化劑的活性溫度則反應(yīng)不能進(jìn)行溫度太高不僅增加了副反應(yīng)消耗了原料氣而且反應(yīng)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(yīng)溫度取決于催化劑的活性溫度不同催化劑其反應(yīng)溫度不同另外為了延長(zhǎng)催化劑壽命反應(yīng)初期宜采用較低溫度使用一段時(shí)間后再升溫至適宜溫度壓力甲醇合成反應(yīng)為分子數(shù)減少的反應(yīng)因此增加壓力有利于反應(yīng)向甲醇生成方向移動(dòng)使反應(yīng)速度提高增加裝置生產(chǎn)能力對(duì)甲醇合成反應(yīng)有利但壓力的提高對(duì)設(shè)備的材質(zhì)加工制造的要求也會(huì)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(huì)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(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(duì)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(duì)于超大型的甲醇裝置為了減少設(shè)備尺寸合成系統(tǒng)的操作壓力可以升至10Mpa左右設(shè)采用的是低壓法入塔壓強(qiáng)為514MPa合成甲醇所以工廠對(duì)壓力的選擇要在技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(shí)間的長(zhǎng)短在數(shù)值上空速與接觸時(shí)間互為倒數(shù)一

15、般來說催化劑活性愈高對(duì)同樣的生產(chǎn)負(fù)荷所需的接觸時(shí)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(yīng)的醇凈值合成塔的生產(chǎn)強(qiáng)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(yīng)熱的綜合利用當(dāng)甲醇合成反應(yīng)采用較低的空速時(shí)氣體接觸催化劑的時(shí)間長(zhǎng)反應(yīng)接近平衡反應(yīng)物的單程轉(zhuǎn)化率高由于單位時(shí)間通過的氣量小總的產(chǎn)量仍然是低的由于反應(yīng)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(dòng)力消耗小當(dāng)空速增大時(shí)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(yīng)速度也相應(yīng)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(qiáng)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(shí)際生產(chǎn)中也不能太大否則會(huì)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(gè)系統(tǒng)阻力增加使得壓縮機(jī)循環(huán)功耗增加甲醇合成是放熱反應(yīng)依靠反應(yīng)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(yīng)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(duì)催化劑活性的影響是比較復(fù)雜的問題現(xiàn)就以下幾種原料氣成分對(duì)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(jìn)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(yīng)進(jìn)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(dāng)轉(zhuǎn)化率過高而使合成塔出口溫度過高時(shí)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(dāng)?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(xué)反應(yīng)方程式來看合成甲醇時(shí)CO與H2的分子比為12CO2和H2的分子比是13這時(shí)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(shí)踐證明當(dāng)CO含量高時(shí)溫度不易控制且會(huì)導(dǎo)致羰基鐵聚集在催化劑上引起催化劑失活同時(shí)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(yīng)氣體中的氫含量要大于理論量以提高反應(yīng)速度氫氣過量同時(shí)還能抑制高級(jí)醇高級(jí)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(shí)又因氫的導(dǎo)熱性好可有利于防止局部過熱和降低整個(gè)催化層的溫度但氫氣過量會(huì)降低生產(chǎn)能力工業(yè)生產(chǎn)中用銅系催化劑進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)一般認(rèn)為在合成塔入口的VH2VCO5較為合適實(shí)際生產(chǎn)中我們的氫碳比按照以下關(guān)系確定H2-co2coco22052153C02勺影響C02對(duì)催化劑活性時(shí)空產(chǎn)率的影響比較復(fù)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(yùn)轉(zhuǎn)幾十小時(shí)后很快失活所以C02是活性中心的保護(hù)劑不能缺少在C02濃度

19、4以前C02寸時(shí)空產(chǎn)率的影響成正效應(yīng)促進(jìn)CO合成甲醇自身也會(huì)合成甲醇但如果C02含量過高就會(huì)因其強(qiáng)吸附性而占據(jù)催化劑的活性中心因此阻礙反應(yīng)的進(jìn)行會(huì)使時(shí)空產(chǎn)率下降同時(shí)也降低了C0和H2的濃度從而降低反應(yīng)速度影響反應(yīng)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(rèn)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(yīng)溫度360-400C壓力196-294Mpa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(zhǎng)期以來處于停頓狀態(tài)低壓法50-80Mpa是20世紀(jì)60年代后期發(fā)展起來的甲醇合成技術(shù)低壓法基于高活性的銅基催化劑其活性明顯高

20、于鋅鉻催化劑反應(yīng)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(yīng)改善了甲醇質(zhì)量降低了原料消耗此外由于壓力低動(dòng)力消耗降低很多工藝設(shè)備制造容易低壓法甲醇合成工藝流程158熱交換器29分離器34壓縮機(jī)器6甲醇合成塔7加熱爐10中間儲(chǔ)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(bǔ)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(shì)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性的銅基催化劑反應(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(shè)計(jì)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(yīng)式為CCH2fCH3CH經(jīng)過凈化的原料氣經(jīng)預(yù)熱加壓于5Mpa220C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(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(gè)流程是德國(guó)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(jī)內(nèi)加壓到52MPa以15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220C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(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)入過熱器加熱到50C帶動(dòng)透平壓縮機(jī)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(yīng)器實(shí)際是甲醇合成系統(tǒng)中最重要的設(shè)備從操作結(jié)構(gòu)材料及維修等方面考慮甲醇合成反應(yīng)器應(yīng)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(yīng)熱并能以較高位能回收反應(yīng)熱反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(qiáng)度大結(jié)構(gòu)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(gòu)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(fù)合型按催化劑筐內(nèi)反

24、應(yīng)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(guó)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(jìn)塔冷氣冷激來帶走反應(yīng)熱該塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shè)置足夠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(guó)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)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(yīng)熱縮小傳熱面積多裝催化劑同時(shí)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(tái)列管換熱器催化劑在管內(nèi)管間殼程是沸騰水將反應(yīng)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(jí)合成塔該塔是在列管內(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

26、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)量和能耗然而使合成塔的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜固定管板列管合成塔雖然可用于大型化但受管長(zhǎng)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)這種塔型是造價(jià)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(jìn)塔氣225E管外的沸騰水卻是248C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需用特種不銹鋼因而是造價(jià)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(duì)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(jiǎn)單造價(jià)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(yīng)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(guó)成達(dá)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(yīng)能在接近最佳溫度曲線條件下進(jìn)行床層阻力小需要消耗的動(dòng)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)易得裝置投資要底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設(shè)計(jì)選用固定管板列管合成塔這種塔內(nèi)甲醇合成反應(yīng)接近最佳溫度操作線反應(yīng)熱利用率高雖然設(shè)備復(fù)雜投資高但是由于這種塔在國(guó)內(nèi)外使用較多具有豐富的管

28、理和維修經(jīng)驗(yàn)技術(shù)也較容易得到外加考慮到設(shè)計(jì)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(huì)很大費(fèi)用也不會(huì)很高所以本設(shè)計(jì)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(jī)C7001壓縮至514MPa后經(jīng)過入塔氣預(yù)熱器E7001加熱到225C進(jìn)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(yīng)CO2H2CH3OHQCO23H2CH3OHH2OQ甲醇合成塔R7001為列管式等溫反應(yīng)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(yīng)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(yīng)趨于恒定且反應(yīng)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(yù)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(jìn)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(jìn)行合成反應(yīng)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(gè)循環(huán)回路惰性氣體恒定弛放氣減壓后去燃?xì)獍l(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(shè)備61甲醇合成塔的設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(shí)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(jì)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(jì)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(jì)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(xiàng)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(zhǎng)度0

33、0Cr18Ni5Mo3Si21742X10-60180X10632X25X90008338開槽脹接L10013MNiMoNbR1225X10-60186X106254300X73qp514X58135314X32X100030MPab溫差應(yīng)力導(dǎo)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(chǔ)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(gè)筒體內(nèi)徑mm4300間距mm150062水冷器的工藝設(shè)計(jì)22列

35、管數(shù)目8338壁厚mm73管長(zhǎng)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(jìn)出口溫度為熱608-40T冷3520C故傳熱推動(dòng)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(shè)計(jì)選用25X25的無縫鋼管材質(zhì)20號(hào)鋼管長(zhǎng)6m由公式A314dLnnA314dL260314X002X6690根其中安排拉桿需要減少4根實(shí)際管數(shù)為686管子的排列方式管間距的確定設(shè)計(jì)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(duì)角線上的管子數(shù)查有關(guān)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(jì)算殼體材料選用20R鋼計(jì)算壁后的公式為SPcDi2(Tt-Pc式中Pc計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)選用PN64MpaDN1000的長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭管子拉脫力的計(jì)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(xiàng)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(zhǎng)度20鋼118X10-6021X10625X25X6000690開槽脹接L5020R鋼118X10-6021X106700X20qp074X396314X25X500075MPab溫差應(yīng)力導(dǎo)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(shè)計(jì)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(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20mml厚的20R鋼板支座選用型號(hào)JB4712-92鞍座BI1000F筒體內(nèi)徑mm1000列管數(shù)目690壁厚mm28管長(zhǎng)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(shè)計(jì)匯總63循環(huán)壓縮機(jī)的選型設(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

40、萬m3h通過物料計(jì)算可以知道設(shè)計(jì)中壓縮機(jī)排氣量為34878582m3h排氣壓力為514MPa通過對(duì)壓縮機(jī)輸送介質(zhì)、排氣壓力和排氣量的考慮設(shè)計(jì)最終選用的是沈陽鼓風(fēng)機(jī)廠設(shè)計(jì)的BCL4562BCL407離心壓縮機(jī)該離心壓縮機(jī)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(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(jí)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(guó)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(rùn)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)