合成氨廠中聯(lián)產(chǎn)甲醇生產(chǎn)的工藝設計摘要本設計采用的是在合成氨廠中甲醇生產(chǎn)的工藝設計。甲醇是基本有機原料之一?？梢猿蔀檗r(nóng)藥、醫(yī)藥的原料，可以用作重要的溶劑，在生活中的各個部門都能發(fā)揮著作用，促進了甲醇生產(chǎn)的發(fā)展和市場的需求，甲醇是我國不可或缺的有機原料。在合成氨的生產(chǎn)過程中，聯(lián)產(chǎn)甲醇是在20世紀70年代，我國的工作技術人員結合國情自主研發(fā)的工藝技術，這個技術把合成氨的生產(chǎn)和甲醇的生產(chǎn)結合在了一起，充分的利用合成氨的產(chǎn)業(yè)發(fā)展合成甲醇，在中小合成氨廠的到了廣泛的應用。從原先的以合成氨工藝副產(chǎn)為目的，發(fā)展到了現(xiàn)在以聯(lián)醇生產(chǎn)作為合成氨進化手段的雙甲凈化工藝的階段，再而發(fā)展到以甲醇為主導產(chǎn)品的廣義聯(lián)醇，為聯(lián)醇生產(chǎn)技術增添了新活力。本設計秉承節(jié)能與經(jīng)濟一體，工藝簡單容易操作，質量也得以保證作為前提，依據(jù)合成甲醇塔的工藝情況，結合其設計要求，對甲醇的性質用途出發(fā)，在合成氨廠中對聯(lián)醇的工藝條件，催化劑的選擇以及設備相關論證：從給定的任務出發(fā)，對整個生產(chǎn)過程進行物料衡算和熱量衡算以及對部分設備的選型計算；運用CAD繪制甲醇的帶控制點的工藝流程圖以及設備布置圖。關鍵字：聯(lián)醇；合成氨；甲醇目錄TOC\o"1-3"\h\u10467摘要 412066第一章總論 8185681.1緒論 8315701.2甲醇的物理化學性質 8126551.2.1甲醇的物理性質 83411.2.2甲醇的化學性質 11250531.3工業(yè)甲醇生產(chǎn)方法 1368591.4甲醇的用途 14160991.5國內(nèi)外甲醇生產(chǎn)技術的進展 1527251.5.1我國甲醇生產(chǎn)工藝的進展 1520781第二章合成氨廠中聯(lián)醇生產(chǎn)的工藝設計 16190382.1聯(lián)醇生產(chǎn)工藝過程簡介概述 16230052.2.聯(lián)醇法生產(chǎn)的特點 17219752.3聯(lián)醇生產(chǎn)工藝的要求 17203422.3.1甲醇生產(chǎn)的一般要求 1749002.3.2聯(lián)醇生產(chǎn)的特殊要求 1827932.4聯(lián)醇工藝的局限性 1876412.5聯(lián)醇中甲醇合成的基本原理 19282262.6甲醇合成工藝條件 19147322.6.1合成反應溫度的選擇 19229222.6.2H2/CO比例 2035042.6.3空間速度的選擇 20101912.6.4操作壓力的選擇 2174082.6.5造氣組分的控制與調節(jié) 21321272.7聯(lián)醇催化劑的特點 21155372.8聯(lián)醇系統(tǒng)的主要的設備 22149582.8.1甲醇合成塔 2213676第三章設計計算 23136363.1物料衡算 23150923.1.1設計參數(shù) 23212893.1.2甲醇的生產(chǎn)總量 2391993.1.3進凈醇塔氣體流量及組分摩爾分率 25260763.1.4出塔氣與循環(huán)氣 26169023.1.5新鮮氣組成及計算 27193683.1.6混合氣的各組分流量 2821943.1.7物料衡算總表 29265743.2熱量衡算 32240303.2.1甲醇合成塔 32325983.2.2廢熱鍋爐的熱量衡算Kg/h 3549053.2.3預熱器的熱量衡算 3795823.2.4水冷汽的熱量衡算Kg/h 4087223.3主要設備計算 42316793.3.1廢熱鍋爐的計算及選型 425363.3.2預熱器的計算和選型 43282533.3.3水冷器的計算和選型 44162033.3.4甲醇中間槽 444156第四章生產(chǎn)安全及防護 458734.1三廢處理 4592994.2甲醇生產(chǎn)防爆措施 4533194.3甲醇生產(chǎn)中的防火措施 462114.4甲醇蒸餾殘液的回收處理 46112914.5廢甲醇催化劑的回收 479500參考文獻 48第一章總論1.1緒論當今社會，甲醇已成為最重要、應用十分廣泛的化學基本有機化工原料之一，甲醇目前的深加工產(chǎn)品已達120種，我國以甲醇為原料的一次加工產(chǎn)品已有近30種，其中醋酸、甲醛、甲烷氯化物、二甲醚、甲胺、聚乙烯醇、甲酸甲酯、對苯二甲酸二甲酯、甲基叔丁基醚、碳酸二甲酯、二甲基甲酰胺、甲醇燃料等都是甲醇的主要深加工產(chǎn)品。近年來，我國甲醇工業(yè)的發(fā)展有了突飛猛進的趨勢，在原料的路線、生產(chǎn)的規(guī)模、節(jié)能降低耗能、過程的控制與優(yōu)化、產(chǎn)品市場與其他化工產(chǎn)品的聯(lián)合生產(chǎn)等方面都有了新的突破與進展，我們國家是煤炭生產(chǎn)和消費巨大的國家，除了用煤直接氣化生產(chǎn)甲醇外，還有煉焦工業(yè)采用潔凈工藝和綜合利用，更加深度的開發(fā)甲醇，在將來焦爐煤氣將成為我國甲醇生產(chǎn)的新原料。目前，甲醇的消費已在其傳統(tǒng)用途中排在前端，其化工用途低于其潛在的耗用量，滲透到了國民經(jīng)濟的各個部門和各個鄰域之中。特別是隨著改變能源的結構，甲醇成為未來主要燃料的候補燃料之一，甲醇需用量十分的巨大。毋庸置疑今后甲醇的發(fā)展速度將變得更加的迅速。1.2甲醇的物理化學性質1.2.1甲醇的物理性質甲醇分子式為CH3OH，相對分子質量為32.04。它是最簡單的飽和脂肪醇。通常在常溫常壓下，甲醇是容易揮發(fā)和易燃的無色液體，它具有類似于酒精的氣味。甲醇蒸氣和空氣可以形成爆炸混合物，爆炸極限的為(6.0%~36.5%)

(體積分數(shù))。甲醇不與水形成共沸物，但能和水以任意比例互溶，因此可用精餾法來分離甲醇和水。甲醇具有很強的毒性，誤飲能讓人眼睛失明，嚴重的甚至會導致人的死亡。甲醇氣體也可以通過呼吸道進入和與皮膚的直接接觸等途徑，導致人體中毒，甲醇氣體在空氣中的蒸氣程度最高允許濃度為0.05mg/L。甲醇的物理常數(shù)見表1，熱力學常數(shù)見表2，甲醇在不同壓力下的沸點見表3，甲醇的蒸氣壓見表4。表1甲醇的物理常數(shù)性質數(shù)據(jù)性質數(shù)據(jù)沸點（101.3kPa）/℃64.5~64.7蒸汽壓（20℃）/Pa12879熔點（℃）-97.8黏度（mPa.s，20℃）0.5945閃點（℃）8熱導率/[J/（cm.S.K)]0.0209閉杯12表面張力(20℃)/(N/cm)0.000226開杯16折射率（20℃）1.3287相對密度（20℃）0.79體膨脹系數(shù)（K,20℃）0.00119自燃溫度（℃）436腐蝕性常溫無，鉛，鋁除外461爆炸上限（％）36.5性質數(shù)據(jù)性質數(shù)據(jù)臨界壓力（MPa）7.70燃燒熱(kJ/mol)臨界溫度（℃）24025℃液體727.038液體比熱容(20~25℃)/[J(g·℃)]2.51~2.5325℃氣體742.738氣體比熱容(77℃)/[J(g·℃)]1.63生成熱(kJ/mol)蒸發(fā)潛熱(64.7℃)/(kJ/mol)35.29525℃液體238.798熔融熱/(kJ/mol)3.16925℃氣體201.385表2甲醇熱力學常數(shù)表3甲醇在不同壓力下的沸點壓力/mmHg溫度/℃壓力/mmHg溫度/℃壓力/mmHg溫度/℃壓力/mmHg溫度/℃1-4410021.228430186.510-16.220034.85112.540203.520-6.040049.910138.050214.0405.076064.720167.860224.0注:1mmHg=133.322Pa溫度/℃蒸汽壓/mmHg溫度/℃蒸汽壓/mmHg010203040506064.770809029.654.796.0160260.54066257609271341189710011012013014015016018020022024026213561475462428071103361302720089297874257359660表4甲醇的蒸汽壓甲醇是一種強極性有機化合物，因為甲醇具有很強的溶解能力，所以能和多種有機溶液進行互溶，從而形成共沸物，其共沸物的生成，可以影響甲醇中有機雜質的消除，和以甲醇為原料的其他下游產(chǎn)品的合成精制。甲醇對氣體(如CO2）的溶解力也很強，但需要注意的是甲醇不能與脂肪烴類化合物互溶。表5為甲醇和部分有機化合物形成共沸物的組成和共沸物的沸點。表5甲醇和部分有機化合物形成共沸物的組成和共沸物的沸點化合物沸點/℃共沸混合物沸點/℃甲醇含量/%丙酮乙酸乙酯甲酸乙酯甲酸丙酯二甲醚雙甲氧基甲烷56.457.054.180.938.942.355.754.050.961.938.841.812.019.016.050.210.08.21.2.2甲醇的化學性質甲醇的化學性質較活潑，既具有醇類的典型反應，又能進行甲基化反應。甲醇分子由一個甲基與一個羥基組成，因為甲醇可以與很多物質發(fā)生反應，所以甲醇在工業(yè)上的應用有十的分廣泛。以下具體介紹甲醇反應的類型有:氧化反應甲醇在以電解銀為催化劑，在600~650°C的條件下可被空氣氧化成甲醛。其反應是工業(yè)制備甲醛的重要方法。反應方程式為：CH3OH+0.5O2→

HCHO+

H2O；甲醛氧化為甲酸:：HCHO+0.5O2→

HCOOH

甲醇在Cu-ZnAl2O3催化劑發(fā)生部分氧化:CH3OH+0.5O2→

2H2

+CO2

甲醇完全氧化成CO2和H2O,并放出大量熱:CH3OH+1.5O2→

CO2+2H2O氨化反應在370~420℃，5~20MPa壓力下，將甲醇與氨以一定比例混合，催化劑為活性氧化鋁進行反應，可得到甲胺(一甲胺、二甲胺、三甲胺混合物)。

CH3OH+NH3→

CH3NH2

+H2O

2CH3OH+NH3→

(CH3)2NH+

2H2O

3CH3OH+NH3→

(CH3)3N+3H2O酯化反應甲醇與多種有機酸和無機酸發(fā)生酯化反應。甲醇和硫酸發(fā)生酯化反應生成硫酸氫甲酯，再由硫酸氫甲酯經(jīng)減壓蒸餾生成甲基化試劑硫酸二甲酯:

CH3OH+H2SO4→

CH3OSO3H+

H2O

2CH3OSO3H→

(CH3)2SO4+

H2SO4甲醇和甲酸反應生成甲酸甲酯:HCOOH

+CH3OH→

HCOOCH3+

H2O羰基化反應

在壓力65MPa，溫度250℃的條件下，以碘化鈷作催化劑，甲醇和CO發(fā)生羰基化反應生成醋酸或醋酐:2CH3OH+2CO→(CH4CO)2O+H2O

CH3OH+CO→

CH3COOH在壓力3MPa溫度130℃作催化劑的條件下，甲醇和CO、

O2發(fā)生氧化羧基化反應生成碳酸二甲酯:2CH3OH+C0+0.502→(CH3O)2CO+H2O在堿催化利作用下，甲醇和co2發(fā)生羰基化反應生成碳酸二甲酯:2CH3OH+CO2→(CH3O)2CO+

H2O脫水反應

甲醇在高溫和酸性催化劑作用下，分子間脫水生成甲醚:

2CH3OH→CH3OCH3+

H2O裂解反應

在銅催化劑上，甲醇可裂解為CO和H2:

CH3OH→CO+2H2氯化反應

甲醇和氯化氫在ZnO/ZrO催化劑上發(fā)生氯化反應生成一氯甲烷:

CH3OH+

HCI→CH3Cl+

H2O其他反應

甲醇和異丁烯在酸性離子交換樹脂的催化作用下生成甲基叔丁基醚(MTBE):

CH3OH+CH2→

C(CH3)2→CH3OC(CH3)3

在220℃，20MPa的條件下，甲醇在鈷催化劑的作用下，發(fā)生同系化反應，生成乙醇:

CH3OH+CO+2H2→CH3CH2OH+

H2O

在240~

300°C，1.8MPa

的條件下，甲醇和乙醇在Cu/Zn/Al/Zr催化作用下生成醋酸甲酯:

CH3OH+C2H5OH→CH3COOCH3+

H2

在750℃下，甲醇在Ag/ZSM-5催化劑作用下生成芳烴:

6CH3OH→C6H6

+

6H2O+3H2

甲醇和CS2在α-Al2O3催化劑作用下生成二甲基硫醚，進一步氧化成二甲基亞砜:

4CH3OH+CS2

→2(CH3)2S+CO2

+2H2O

3(CH3)2S+

2HNO3→3(CH3)2SO+2NO+

H2O1.3工業(yè)甲醇生產(chǎn)方法生產(chǎn)甲醇的方法有多種，用木材或木質素干餾法制甲醇的方法、氯甲烷水解生成甲醇法和因為其自身的條件缺陷都沒有在工業(yè)上得到的應用。但是甲烷部分氧化法這種制甲醇的方法的優(yōu)點也很顯著，工藝流程相對比較簡單，建設投資也很節(jié)省，國外在甲烷部分氧化法制甲醇的方法這方面的研究一直沒有中斷，應該是一個很有工業(yè)前途的制取甲醇的方法。

目前工業(yè)上幾乎都是采用一氧化碳、二氧化碳加壓催化氫化法合成甲醇。典型的流程包括原料氣制造、原料氣凈化、甲醇合成、粗甲醇精餾等工序。

天然氣、石腦油、重油、煤及其加工產(chǎn)品(焦炭、焦爐煤氣)、乙炔尾氣等均可作為生產(chǎn)甲醇合成氣的原料。天然氣與石腦油的蒸氣轉化需在結構復雜造價很高的轉化爐中進行。轉化爐設置有輻射室與對流室，在高溫，催化劑存在下進行烴類蒸氣轉化反應。重油部分氧化需在高溫氣化爐中進行。以固體燃料為原料時，可用間歇氣化或連續(xù)氣化制水煤氣。間歇氣化法以空氣、蒸汽為氣化劑，將吹風、制氣階段分開進行:連續(xù)氣化以氧氣、蒸汽為氣化劑，過程連續(xù)進行。甲醇生產(chǎn)中所使用的多種催化劑，如天然氣與石腦油蒸氣轉化催化劑、甲醇合成催化劑都易受硫化物毒害而失去活性，必須將硫化物除凈。氣體脫硫方法可分為兩類，一類是干法脫硫，

一類是濕法脫硫。干法脫硫設備簡單，但由于反應速率較慢，設備比較龐大。濕法脫硫可分為物理吸收法、化學吸收法與直接氧化法三類。1.4甲醇的用途目前，甲醇的消費已高于其傳統(tǒng)的用途，化工用途也被潛在的耗用量遠遠超過，各個角度滲透影響著整個國民經(jīng)濟。特別是隨著能源結構的改變，人民群眾的思想觀念的改變，綠色生態(tài)和節(jié)能減耗的思想觀念下，甲醇作為清潔能源或汽油的添加劑等，需用量十分巨大。目前生產(chǎn)醋酸的最具競爭力的方法是采用羰基化法生產(chǎn)醋酸。其中是以甲醇作為原料。再加上是醋酸消費約占全球甲醇需求的7%，所以其需求量很大。涂料、膠黏劑和紡織品等方面的需求是醋酸纖維、醋酸乙烯和醋酐等，而醋酸恰好可用來生產(chǎn)醋酸纖維、醋酸乙烯和醋酐等兩者有著密切的關系。主要用來生產(chǎn)丙烯酸板材、表面涂料和模塑樹脂等的甲基丙烯酸甲酯。其需求占全球甲醇需求的2%

~3%?？芍^需求量大。甲醇也是是生產(chǎn)甲基丙烯酸甲酯、硫酸二甲酯、甲胺、甲醛、1,4-丁二醇等的原料。甲醛的用途是可用來生產(chǎn)膠黏劑，其主要是用于木材加工業(yè)的使用，用作木材加工的膠黏劑約占其消耗總量的80%。膠黏劑是有酚醛樹脂膠黏劑、脲醛樹脂膠黏劑等。其次是用作模涂料、塑料、紡織物及紙張等的處理劑。為了滿足人們?nèi)找嬖黾拥纳钜螅Ｗo生態(tài)，開更加節(jié)能的新能源是非常重要的。其中甲醇可作為新一代的燃料。甲基叔丁基醚是高辛烷值無鉛汽油添加劑，甲醇與異丁烯反應得到甲基叔丁基醚。:甲醇還可以被摻燒在汽油中(如MI5)或者直接被用作汽車燃料，甲醇是新一代的能源替代品。甲醉是高分子化工與精細化工的主要原料，甲醇作為基礎原料可以制得的聚甲醛塑料。聚甲醛塑料是一種性能優(yōu)良的工程塑料，它可替代金屬使用，聚甲醛塑料在汽車工業(yè)及電器工業(yè)中有泛的應用。甲醇可以生產(chǎn)單細胞蛋白(甲醇蛋白)。由于我國飼養(yǎng)業(yè)對于蛋白質的需求量很大，甲醇在飼養(yǎng)業(yè)生產(chǎn)單細胞蛋白很有前途。轉化率較高、發(fā)酵的速度很快、沒有毒性、價格也便宜、而且它的生產(chǎn)不受地理位置的影響和氣候條件的限制。以上種種為是甲醇蛋白的優(yōu)點。其優(yōu)勢使得甲醇蛋白非常有發(fā)展的前途。1.5國內(nèi)外甲醇生產(chǎn)技術的進展1.5.1我國甲醇生產(chǎn)工藝的進展我國甲醇合成工藝的進展的主要體現(xiàn)方面在于其多樣性和先進性。多樣性意味著在這工藝過程中，有單產(chǎn)、聯(lián)產(chǎn)，原料路線，從天然氣、石油產(chǎn)品向煤層氣、煤炭、焦爐煤氣等方向拓展；先進性是指更加合理的在工藝上、更加先進的催化劑、規(guī)模向著大型化趨向、計算機控制操作的實現(xiàn)、大幅下降生產(chǎn)成本和能源消耗。工藝發(fā)展過程的主要有高壓合成工藝，中壓“聯(lián)醇”工藝，引進低壓合成工藝，鋅鉻催化劑改用銅系催化劑，國產(chǎn)化低壓工藝，大型化裝置快速發(fā)展。高壓合成工藝。在1957年，我國甲醇生產(chǎn)裝置大體上都是采用了傳統(tǒng)的高壓法合成工藝。傳統(tǒng)高壓法合成工藝是在30~32MPa壓力條件下，使用鋅鉻催化劑合成甲醇。其反應器出口氣的甲醇含量在3%左右。之后我國開始了自主開發(fā)，我國自主研發(fā)的高壓法合成工藝在25~27MPa壓力條件下，使用銅系合成甲醇催化劑的技術，其反應的溫度為230~

290°C，反應器出口氣甲醇含量4%左右。中壓“聯(lián)醇”工藝。20世紀60年代末，我國自主開發(fā)了合成氨聯(lián)產(chǎn)甲醇新工藝。合成氨聯(lián)產(chǎn)甲醇工藝充分的利用了氨生產(chǎn)中需脫除的CO和CO2,借用合成系統(tǒng)的壓力設備，在11~15MPa的條件下聯(lián)產(chǎn)甲醇。這是我國自主開發(fā)創(chuàng)新的甲醇生產(chǎn)工藝。引進低壓合成工藝。20世紀70年代末期，四川維尼綸廠引進美國1CI公司低壓合成甲醇裝置，于1997年年底投產(chǎn)，規(guī)模為9.5萬噸，用天然氣乙炔尾氣制合成氣生產(chǎn)甲醇，采用多段冷激式反應器。國產(chǎn)化低壓工藝。20世紀80年代，南化集團研究院開發(fā)成功C301型銅系低壓合成甲醇催化劑，西南化工研究設計院開發(fā)成功C302型銅系低壓合成甲醇催化劑，西南化工研究設上計院還同時開發(fā)成功絕熱等溫混合型管殼式低壓合成甲醇反應器及合成工藝，推動了我國大型化低壓甲醇裝置國產(chǎn)化的發(fā)展。大型化裝置快速發(fā)展。進入21世紀，我國甲醇工業(yè)進人快速發(fā)展時期，以天然氣為原料的甲醇裝置建設跨人大型化時期。鋅鉻催化劑改用銅系催化劑。1980年，上海吳涇化工廠為了提高甲醇產(chǎn)量和甲醇質量，降低能耗，率先將“聯(lián)醇”銅系催化劑用于高壓法甲醇裝置(8萬噸/年，石腦油造氣）。

1.5.2國外甲醇生產(chǎn)工藝的進展國外在一氧化碳加氫合成甲醉的放熱特性研究方面得到了很大的研究成果。這些成果主要體現(xiàn)在了不斷完善甲醇合成反應器，隨著生產(chǎn)規(guī)模的大型化，能源消耗低，CO,CO2單程的轉化率較高、碳綜合轉化率較高、熱利用率較高、塔壓的降小、催化劑的溫差小、穩(wěn)定可靠的操作、催化劑裝卸也很方便、結構也簡單等方向發(fā)展，沿著最佳熱力學曲線和動力學進行反應，從而降低了甲醇生產(chǎn)的成本。甲醇的液相合成方法是Sherwin和Blum于1975年首先提出的?；瘜W反應工程中典型的氣液固三相反應。是由甲醇液相合成是把碳氫化合物的惰性油介質加人到反應器中，使催化劑分散在液相介質中，合成氣要溶解并分散在惰性油介質中然后再開始反應，才可以達到催化劑表面，反應后的產(chǎn)物也要經(jīng)歷類似的過程才能移走。由于使用了熱導率大的并且熱熔高的石蠟類長鏈烴類化合物液相合成，在等溫條件下使可以進行甲醇的合成反應。同時，催化劑的比表面積非常大均勻的分散在液相介質中，導致加速了反應過程，所以反應溫度和壓力也下降許多。因為目前的一氧化碳加氫合成甲醇工藝能耗較高，單程轉化率也低。所以由甲烷直接氧化合成甲醇為理想的制甲醇方法，其技術非常具有潛力和產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的趨勢。該工藝的關鍵是在于催化劑的選擇性。報道說明，國外開發(fā)過甲醇收率為60%的甲烷選擇氧化合成甲醇的方法，在2MPa和140℃左右的條件下，以環(huán)辛烷做溶劑，用銥做催化劑，甲烷氧化反應得到甲醇。選擇性高的催化劑和相適合的反應器開發(fā)成功，甲烷直接氧化合成甲醇工藝將獲得突破與發(fā)展。第二章合成氨廠中聯(lián)醇生產(chǎn)的工藝設計2.1聯(lián)醇生產(chǎn)工藝過程簡介概述合成氨生產(chǎn)裝置之中串聯(lián)進了甲醇的合成裝置，用合成氨的原料氣中的CO、CO2和H2合成甲醇，目的是為了達到減輕精煉負荷。這種方法稱為聯(lián)醇生產(chǎn)技術法，它是我國自主開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權的合成氨生產(chǎn)工藝,是新型的配套工藝，體現(xiàn)裝置的通用性和其靈活性，即滿足市場對化工廠品的需求，又能順應市場變化的規(guī)律。對于單純的生產(chǎn)合成氨來說實現(xiàn)了節(jié)能降耗，提高其經(jīng)濟效益。2.2.聯(lián)醇法生產(chǎn)的特點甲醇生產(chǎn)需要串聯(lián)在合成氨裝置上，所以裝置的條件既要考慮到甲醇的合成也要注意氨合成。甲醇的合成和氨合成相互影響，相互關系。有著辯證統(tǒng)一的關系。要及時的調整，保證兩個裝置的有序進行。甲醇后的氣體，還要經(jīng)過合成氨反應，合成甲醇不是最后的步驟，所以甲醇合成氣采用了部分循環(huán)進行的。降低脫碳和銅洗負荷。改變變化氣中CO的含量，經(jīng)過甲醇合成后的部分合成氣進入合成氨的銅洗工段CO含量降低了，減輕負荷，降低了合成氨的操作費用。整體壓縮功單耗降低，聯(lián)醇比單氨成本降低。聯(lián)醇催化劑和單醇催化劑相比，聯(lián)醇催化劑更能接受毒物。聯(lián)醇生產(chǎn)工藝采用的是銅基催化劑，銅基催化劑的抗毒性能低，所以就要采用一定的處理措施。2.3聯(lián)醇生產(chǎn)工藝的要求聯(lián)醇工藝與傳統(tǒng)的單醇合成工藝有著差別，所以有除了一般甲醇生成的工藝要求以外，還有其特殊的要求。2.3.1甲醇生產(chǎn)的一般要求原料氣進入反應器之前要做到吧主要的成分按照一定比例配比，還要清除對催化劑有害的物質，其中要注意設備，管道中的鐵、鎳所生成的羰基鐵Fe（CO）5與羰基鎳Ni（CO）4，以及溶解性的鐵、鎳化合物，防止堿性氧化物與堿金屬隨氣體帶人催化劑床。因為微量鐵、鎳化合物的帶入會使CO和H2生成烷烴的反應增加、堿金屬的帶人會引起高級醇生成量增加，使合成的粗甲醇中雜質含量增加，有效氣體消耗上升。入塔氣體需要經(jīng)過預熱，是為了使整個整個催化劑床層可以均勻達到活化的溫度。與此同時為了防止高溫的情況下碳鋼設備發(fā)生氫腐蝕的現(xiàn)象，所以要要求出塔的氣體要經(jīng)過冷卻。采用塔內(nèi)換熱的方法，即提高了入塔氣體的溫度，也減低了出塔的氣體溫度。經(jīng)合成反應生成的甲醇與未反應的H2、N2、CO、CO2等氣體必須得到及時的分離，降低反應生成物的濃度，以利提高合成反應的速度。2.3.2聯(lián)醇生產(chǎn)的特殊要求為提高催化劑利用效率，一部分氣體經(jīng)合成、分離，去銅洗進行精制，除去殘存的CO、CO2后作為合成氨的原料氣，而大部分氣體用循環(huán)機進行循環(huán)，繼續(xù)合成甲醇。由于聯(lián)醇工藝是與合成氨生產(chǎn)串聯(lián)，所以生產(chǎn)能力是以合成氨產(chǎn)量與甲醇產(chǎn)量之和即所謂“總氨”產(chǎn)量來代表。在“總氨”生產(chǎn)能力不變的情況下，甲醇生產(chǎn)能力用醇氨比（甲醇產(chǎn)量/總氨產(chǎn)量）來表示，醇氨比可以在一定范圍內(nèi)調整。一般說來，聯(lián)醇生產(chǎn)中經(jīng)常用改變CO在變換反應中的轉化率，或在變換爐進、出口之間設置一條近路，來調節(jié)原料氣中CO的含量，對醇氨比在一定范圍內(nèi)進行調節(jié)。聯(lián)醇生產(chǎn)作為合成氨流程中一個環(huán)節(jié)，甲醇生產(chǎn)會影響合成氨及整個系統(tǒng)的生產(chǎn)，如催化劑的活性減退、甲醇合成塔的開停及操作條件變化等原因，造成銅洗氣中CO+CO2的含量變化，使銅洗負荷產(chǎn)生波動，其至影響氨合成塔的正常生產(chǎn)；甲醇合成塔后的氣液分離狀況，會影響銅液組成；在甲醇生產(chǎn)不正?；蚴鹿薁顟B(tài)下，要維持合成氨的生產(chǎn)等。2.4聯(lián)醇工藝的局限性在聯(lián)醇工藝中，甲醇合成過程是從屬于合成氨工藝流程的，是服務于合成氨整體工藝的一種技術措施，因而甲醇合成過程的工藝條件是基于合成氨工藝流程考慮確定的，并非是甲醇合成過程的最佳工藝條件。例如為了適應合成氨整整體工藝，在聯(lián)醇工藝中甲醇合成壓力一般定在13~

15MPa，目前大甲醇工藝中的甲醉合威為采用低壓法，即理想的拽操作壓力為5~

8MPa。而高操作壓力意味著高能耗。聯(lián)醇工藝的優(yōu)勢是建立在中、小合成氨裝置這一特殊系統(tǒng)之基礎上的，如采用相同工藝流程將其與大型合成氨系統(tǒng)聯(lián)合。則這些優(yōu)勢將不復存在，甚至在技術上存在某些劣勢。傳統(tǒng)的中、小合成氨技術與聯(lián)醇工藝是相輔相成的匹配技術，兩者的有機結合可以彌補各自的技術缺陷。然而聯(lián)醇工藝與先進的大氮肥和大甲醇工藝相比，無論如何，前者只能屬于在無奈之中采取的工藝優(yōu)化措施之舉，在工藝技術上還遠談不上具備先進性和整體競爭力。

另外，聯(lián)醇工藝中甲醇合成裝置合適的進料組成CO濃度為3%~5%，即使甲醇合成有效成分CO完全轉化成甲醇產(chǎn)品，在最終產(chǎn)品分布中，甲醇所占的比例也只有10%~20%。生產(chǎn)實踐表明，如果醇氨比超出以上范圍，通常會對合成氨生產(chǎn)過程帶來不利影響。由此可見，聯(lián)醇工藝在解決中、小合成氨企業(yè)的產(chǎn)品結構調整問題方面存在明顯的局限性，如欲從根本上解決產(chǎn)品結構調整問題，清華大學王金福教授提出了聯(lián)氨工藝的新理念。2.5聯(lián)醇中甲醇合成的基本原理原理方程CO+2H2→CH3OH+QCO2+3H2→CH3OH+H2O+Q由于反應條件和所用催化劑不同，可能發(fā)生如下副反應：CO+3H2→CH4+H2O+Q2CO+4H2→CH3OCH3+H2O+QCO2+H2→CO+H2O+Q4CO+8H2→C4H9OH+3H2O+QnCO+2nH2→（CH2）n+nH2O+Q2.6甲醇合成工藝條件2.6.1合成反應溫度的選擇溫度的選擇要兼顧熱力學的化學平衡和動力學的化學反應速率兩者的統(tǒng)一。甲醇合成反應是放熱反應，溫度降低，熱力學上是有利于提高化學平衡轉化率，動力學角度來看，溫度降低，卻導致反應速率下降。催化劑的活性溫度。過低或過高的反應溫度對甲醇合成都是不適宜的。同一反應在不同的催化劑上反應物的分子所需的活化能不同。當溫度太小達不到催化劑的活性溫度，反應就不能發(fā)生;溫度過高容易增加了副反應的概率，并且還消耗了原料氣，再加上反應過于激烈，溫度難以控制，很容易造成催化劑的燒結、熔化，進而失活。

（3）操作溫度的高低還取決于合成的壓力、氣體的組成、空間速度、催化劑性能以及設備結構特性等多種因素。

目前聯(lián)醇法生產(chǎn)甲醇大體上選用的是銅基催化劑，比原來使用的的鋅鉻基催化劑活性高。反應溫度顯著降低，即使到催化劑使用后期也不超過300°C，催化劑床層熱點溫度在245~315°C。在這樣的溫度條件下操作，副產(chǎn)物較少。因此，在粗醇中甲酸、高級醇、高級烴、二甲醚、醛、酮等不純物可以降到最低限度。2.6.2H2/CO比例由甲醇合成的反應方程式可以看出，氫和一氧化碳摩爾比H2:CO=2:

1，但是在實際生產(chǎn)過程中，如果按其化學計量比2:

1的比例投料，合成甲醇時的轉化率是相當?shù)偷?。?jīng)實驗證實，過量的H2對甲醇合成是有利的，這主要是由于CO的吸附速率比H2要快得多。為了使吸附相中的H2:CO比例達到化學計算量，在銅基催化劑上H2

:

CO比率應達到10:1。聯(lián)醇生產(chǎn)甲醇的H2

:

CO比值的控制，既要從甲醇的合成來考慮，又要從合成氨的角度來考慮。合成是串聯(lián)在合成氨之前，不同的醇氨比所消耗的氫、一氧化碳的量不同，造氣的氣體組成要適應不同的醇氨比的要求，因此，造氣的組分要根據(jù)不同的醇氨比作相應的調整，例如醇氨比由0逐漸提高到0.8時，造氣的氣體組分(CO+H2)/N2由3.2相應地提高到5.5，其中氮含量由22%降低到14%才能滿足要求。所以在聯(lián)醇工藝中，保持氫氣過量的情況下，稍微改變CO的配比就能保證合成甲醇時CO的轉化率，這是聯(lián)醇工藝的優(yōu)勢所在。2.6.3空間速度的選擇在一定范圍內(nèi)的甲醇產(chǎn)量與空間速度成正比。在一定的范圍內(nèi)適當?shù)奶岣呖臻g速度對CO的轉化是有利的，采用高的空間速度有利于甲醇的合成反應。在聯(lián)醇的生產(chǎn)中，空間速度的大小還與熱量平衡有關。只有當移熱和放熱的速率相平衡時，才能維持反應的溫度?？臻g速度太大，帶走的熱量多，若大于放熱速率則反應溫度就會降低，反應溫度就無法維持。反之，空間速度太小，帶走的熱量小于放熱速率就會導致反應溫度的上升，使反應也無法進行?？臻g速度太大的時候，通過水冷凝器、甲醇分離器流速過高，氣體中的甲醇不能得到很好的冷凝和分離?？臻g速度太大的時候，通過催化床的阻力增加，導致對催化劑的壓力也相應增大，可能就會出現(xiàn)催化劑破碎，造成塔內(nèi)堵塞。2.6.4操作壓力的選擇增加操作壓力對甲醇合成反應的化學平衡有好處，也可以提高反應速度，提高單位時間內(nèi)甲醇的產(chǎn)量。操作壓力的選擇與選用的催化劑，溫度，空間速度，碳氫比，能量消耗等因素有關。聯(lián)醇生產(chǎn)中甲醇合成是串聯(lián)在合氨工藝中的，甲醇合成壓力必須與整個合氨工藝的壓力是相互匹配的。甲醇合成壓力高于脫碳，與銅洗相同，但是少于甲烷化或氰化，合成氨壓力。2.6.5造氣組分的控制與調節(jié)在聯(lián)醇生產(chǎn)甲醇中催化劑采用的是銅基催化劑，串聯(lián)在合成氨工藝中,操作的壓力為10~13MPa。原料氣中有效氣體的含量不僅要滿足合成甲醇的工藝需求，同時要滿足合成氨的工藝要求。單合成氨時，氫、氮的理論配比為3

:

1，而實際控制在(CO+

H2)

/N2=3.2~3.4,其中N2含量為21%~23%，(CO+

H2)含量為68%~70%。2.7聯(lián)醇催化劑的特點聯(lián)醇銅基催化劑的催化活性差別變化很大，在催化制使用的早期階段，其合成反應活躍，催化活性很好，釋放大量的反應熱。在催化劑使用中后期，催化活性會下降，CO轉化速度會下降，醇氨比下降，合成反應會處于一種抑制的狀態(tài)，導致反應熱難以維持催化劑的熱量平衡，有的甚至還要開啟電加熱器來維持催化床溫度的穩(wěn)定。甲醇合成塔設計中聯(lián)醇催化劑還原是其一個特殊要求。除了催化劑還原在工藝上要設計一套完整的方案外，而且在合成塔設計上要使催化床軸向和徑向各部位都能得到充分還原。聯(lián)醇銅基催化劑是以銅、鋅、鋁的氧化物粉末壓制而成，金屬氧化物的導熱和強度較差。聯(lián)醇催化劑收縮率一般是8%左右，所以催化劑需要盡可能的裝填均勻密實，尤其是上部帶絕熱層的內(nèi)件，更加的需要裝填密實，不然的話絕熱層就不能充分發(fā)揮作用，導致熱量平衡不能實現(xiàn)，過早帶電爐生產(chǎn)。在低壓單醇工藝中，甲醇有效氣體在合成器中含量相當高，通常規(guī)模都較大，氣體凈化嚴格，選用活性溫度低的高銅催化劑。2.8聯(lián)醇系統(tǒng)的主要的設備甲醇合成主要的設備有甲醇合成塔，水冷凝器，甲醇分離器，濾油器，循環(huán)壓縮機，粗甲醇槽等。聯(lián)醇的裝置是以合成氨工藝為基礎，利用合成氨的設備進行的技術改造，所以其結構形式就與合成氨的同類設別比較相似。2.8.1甲醇合成塔甲醇合成反應是放熱反應，是可逆的。反應產(chǎn)生的反應熱效應大，為了保持反應的速度在一個較高的范圍，需要移走這些反應產(chǎn)生的熱量。所以甲醇合成塔的選擇至關重要。甲醇合成塔有所謂心臟之稱。在較高的壓力，溫度再加上有催化劑的條件下，合成塔內(nèi)CO，CO2與H2合成甲醇。甲醇合成塔的類型很多，按照冷卻介質種類分類，可分為自熱式和外冷式的甲醇合成塔；按照操作方式可分為連續(xù)換熱式和多段換熱式兩大類；按照反應氣流動方式可分為軸向式徑向式和軸徑向式。甲醇合成塔基本結構主要由外筒，內(nèi)件構成。外筒是一高壓容器，基本上是由多層鋼板卷焊而成，還有的是用扁平繞帶繞制而成。合成塔內(nèi)件主要是催化劑筐，有的還包括換熱器。內(nèi)件的核心是催化劑筐，催化劑框是催化劑合成反應條件的組合件。它直接影響合成塔的產(chǎn)量和消耗定額。催化劑筐里面還安裝了冷管，目的是為了移出甲醇合成時候產(chǎn)生的熱量。這種換熱方式稱之為冷管型連續(xù)換熱裝置。冷管的結構一般是有并流雙套管、并流三套管、單管并流、單管折流等。換熱器一般在塔的下部。但是大直徑的合成塔為了便利，會把換熱器放在合成塔的外部或者上部。換熱器的作用是回收合成氣反應的熱量和提高冷原料氣的溫度。塔內(nèi)換熱器的類型有列管式，螺旋版式，波紋版式等多種形式。設計計算3.1物料衡算圖1甲醇流程圖3.1.1設計參數(shù)年產(chǎn)10萬噸甲醇。一年按照330天的操作計算。產(chǎn)品粗甲醇的質量組成：CH3OH：（96.9%）；H2O：（3.1%）（其它雜質忽略不計）。出凈醇塔烯醇水為1234.2kg/h，其質量組成為甲醇19%，水81%。醇后氣流量：47224Nm3/h，摩爾分率：CH3OH：0.02%，H2：71.27%N2：23.8%，CO：3.82%CO2：0.34%，CH4：0.75%。甲醇合成塔出塔氣中含甲醇體積比為4.42%，生產(chǎn)測得CH4的生產(chǎn)在計算中忽略不計。甲醇中間槽氣體溶解損失及馳放氣中甲醇擴散損失忽略不計。其它數(shù)據(jù)以工廠實際收集為準。3.1.2甲醇的生產(chǎn)總量根據(jù)粗甲醇的質量組成（CH3OH：96.9%；H2O：3.1%.），算得甲醇中間槽的各組分含量（一年按330計算），年產(chǎn)粗甲醇為10萬噸。甲醇年產(chǎn)量：100000噸/年×96.9%=96900噸/年=12234.84kg/h=382.33kmol/h=8565.76Nm3/h水：100000噸/年×3.1%=3100噸/年=391.41kg/h=21.75kmol/h=487.2Nm3/h表6甲醇合成塔產(chǎn)品組成組分甲醇水合計質量分率%96.13.9100摩爾產(chǎn)量kmol/h382.3321.75404.08流量Nm3/h8565.76487.29052.96根據(jù)醇后氣的流量及各組分的摩爾分率求各組分的流量。CH3OH醇后氣=47224Nm3/h×0.02%=9.44Nm3/hH2醇后氣=47224Nm3/h×71.27%=33656.54Nm3/hN2醇后氣=47224Nm3/h×23.8%=11239.31Nm3/hCO醇后氣=47224Nm3/h×3.82%=1803.97Nm3/hCO2醇后氣=47224Nm3/h×0.34%=160.56Nm3/hCH4醇后氣=47224Nm3/×0.75%=354.18Nm3/h表7醇后氣組成組分名稱CH3OHH2N2COCO2CH4合計流量（Nm3/h）9.4433656.5411239.311803.97160.56354.182472224摩爾產(chǎn)量kmol/h0.42150.52501.7580.37.1715.81756.2摩爾比率%0.0271.2723.83.820.340.75100根據(jù)稀醇水的質量流量以及各組分的質量組成求各組分的流量已知出凈醇塔稀醇水為1234.2kg/h。其質量組成：甲醇：19%，水：81%。求得CH3OH稀醇水=1234.2×19%=234.5kg/h=7.33koml/h=164.19Nm3/h水=1234.2×81%=999.7kg/h=55.54kmol/h=1244.07Nm3/h求粗甲醇總產(chǎn)量=8565.76+9.44+164.19=8739.39Nm3/h3.1.3進凈醇塔氣體流量及組分摩爾分率圖凈醇塔氣體流向圖CH3OH凈醇塔=CH3OH醇后氣+CH3OH稀醇水=9.44+164.19=173.63Nm3/hH2凈醇塔=33656.54Nm3/h;N2凈醇塔=11239.31Nm3/h;CO凈醇塔=1803.97Nm3/h;CO2凈醇塔=160.56Nm3/hCH4凈醇塔=354.18Nm3/h表8凈醇塔的出塔氣量及組成組分名稱CH3OHH2N2COCO2CH4合計流量（Nm3/h）173.6333656.5411239.311803.961803.96354.1847388.18摩爾比率%（%）0.3771.0223.723.810.340.741003.1.4出塔氣與循環(huán)氣圖甲醇分離器氣體流向圖循環(huán)中甲醇含量＝（醇后氣甲醇含量+烯醇水中甲醇含量）/（醇后氣量+烯醇水中甲醇含量）＝（9.4+164.15）/（47224+164.15）＝0.37%設出塔氣量為XNm3/h,循環(huán)氣量為YNm3/h，則4.42%X=47224+164.19+8565.76+Y解 X=210294.59（Nm3/h）Y=154340.64（Nm3/h）求得循環(huán)氣中各組分流量：CH3OH循環(huán)氣=154340.64×0.0037=571.06Nm3/hH2循環(huán)氣=154340.64×0.7102=109612.72Nm3/hN2循環(huán)氣=154340.64×0.2372=36609.60Nm3/hCO循環(huán)氣=154340.64×0.0381=5880.38Nm3/hCO2循環(huán)氣=154340.64×0.0034=524.76Nm3/hCH4循環(huán)氣=154340.64-571.06-109612.72-36609.60-5880.38-524.76=1142.12Nm3/h表9循環(huán)氣各組分流量及摩爾分率表組分名稱CH3OHH2N2COCO2CH4合計流量（Nm3/h）571.06109612.7236609.605880.38524.761142.12154340.64摩爾比率%0.3771.0223.723.810.340.74100求得出塔氣各組分流量：CH3OH出塔氣=8565.76+164.19+571.06+9.44=9310.45Nm3/hH2出塔氣=109612.72+33656.54=143269.22 Nm3/hN2出塔氣=36609.60+11239.31=47848.91Nm3/hCO出塔氣=5880.38+1803.97=7684.35Nm3/hCO2出塔氣=524.76+160.56=685.32Nm3/hCH4出塔氣=1142.12+354.18=1496.3Nm3/h表10出塔氣各組分流量及摩爾分率表組分名稱CH3OHH2N2COCO2CH4H2O合計流量（Nm3/h）9310.45143269.2247848.917684.35685.321496.3487.2210781.75摩爾比率%（%）4.4267.9722.703.650.320.710.231003.1.5新鮮氣組成及計算1）新鮮氣各組分的摩爾比率CH3OH：0.02%，H2：71.27%N2：23.8%，CO：3.82%CO2：0.34%，CH4：0.75%。CH4忽略不計。醇后氣流量47224Nm3/h。CO+2H2→CH3OH+102.5KJ/mol在反應中，已知出塔氣中甲醇的生成量為9310.45Nm3/h，則CO的消耗量為9310.45Nm3/h，H2的消耗量=18620.9Nm3/h。CO2+H2→CO+H20-42.9kJ/mol已知甲醇中間槽中H2O的流量為487.2Nm3/h，則CO的生成量為487.2Nm3/h，CO2的消耗量為487.2Nm3/h，H2的消耗量為487.2Nm3/h。反應所消耗與生成氣體量如下表所示：表11反應所消耗及生成氣體中流量表反應消耗量（Nm3/h）反應生成量（Nm3/h）COCO2H2CH3OHCO主反應9310.45\18620.99310.45\副反應\487.2487.2\487.2合計9310.45487.219108.19310.45487.2H2=33656.54+19108.1=52764.64Nm3/h，N2=11239.31Nm3/h，CO=1803.96+9310.45-487.2=10627.21Nm3/h，CO2=160.56+487.2=647.76Nm3/h，CH4=Nm3/h組分名稱H2N2COCO2CH4合計流量（Nm3/h）52764.6411239.3110627.21647.76354.1875633.1摩爾比率（%）69.7614.8614.050.860.47100表12新鮮氣各組分流量及摩爾分率表3.1.6混合氣的各組分流量混合氣=新鮮氣+循環(huán)氣CH3OH混合氣=571.06Nm3/h，H2混合氣52764.64+109612.72=162377.36Nm3/h，N2混合氣=11239.31+36609.60=47848.91Nm3/h，CO混合氣=10627.21+5880.38=16507.59Nm3/h，CO2混合氣=647.76+524.76=1172.52Nm3/h，CH4混合氣=1142.12=1496.3Nm3/h，表13混合氣各組分流量及摩爾分率表組分名稱CH3OHH2N2COCO2CH4合計流量（Nm3/h）571.06162377.3647848.9116507.591172.521496.3229973.74摩爾比率（%）0.2370.6120.817.180.520.651003.1.7物料衡算總表表1410萬噸/年粗甲醇的物料衡算總表CH3OHH2N2COCO2CH4H2O合計新鮮氣流量（Nm3/h）\52764.6411239.3110627.21647.76354.18\75633.1摩爾比率(%)\69.7614.8614.050.860.47\100循環(huán)氣流量（Nm3/h）571.06109612.7236609.605880.38524.761142.12\154340.64摩爾比率%）0.3771.0223.723.810.340.74\100進濾油器混合氣體流量（Nm3/h）571.06162377.3647848.9116507.591172.521496.3\229973.74摩爾比率（%）0.2370.6120.827.180.520.65\100進合成塔氣體流量（Nm3/h）571.06162377.3647848.9116507.591172.521496.3\229973.74摩爾比率（%）0.2370.6120.817.180.520.65\100出合成塔氣體流量（Nm3/h）9310.45143269.2247848.917684.35685.321496.3487.2210781.75摩爾比率（%）4.4267.9722.703.650.320.710.23100進廢熱鍋爐氣體流量（Nm3/h）9310.45143269.2247848.917684.35685.321496.3487.2210781.75摩爾比率（%）4.4267.9722.703.650.320.710.23100CH3OHH2N2COCO2CH4H2O合計進預熱器氣體流量（Nm3/h）9310.45143269.2247848.917684.35685.321496.3487.2210781.75摩爾比率(%)4.4267.9722.703.650.320.710.23100進水冷器物料流量（Nm3/h）9310.45143269.2247848.917684.35685.321496.3487.2210781.75摩爾比率（%）4.4267.9722.703.650.320.710.23100進分離器物料流量（Nm3/h）9310.45143269.2247848.917684.35685.321496.3487.2210781.75摩爾比率（%）4.4267.9722.703.650.320.710.23100進甲醇中間槽物料流量（Nm3/h）8565.76\\\\\487.29052.96摩爾比率（%）94.62\\\\\5.38100進凈醇塔氣體流量（Nm3/h）173.6333656.5411239.311803.961803.96354.18\47388.18摩爾比率%）0.3771.0223.723.810.340.74\100稀醇水物料流量（Nm3/h）164.19/////1244.07140.26摩爾比率（%）11.66/////88.34100續(xù)表1續(xù)表2CH3OHH2N2COCO2CH4H2O合計醇后氣流量（Nm3/h）9.4433656.5411239.311803.96160.56354.18\47224摩爾比率（%）0.0271.2723.83.820.340.75\3.2熱量衡算3.2.1甲醇合成塔圖3甲醇合成塔熱量圖工藝條件：進塔的溫度：T1=95℃；出塔的溫度T2=190℃；塔壓力P1=9.4MPa；出塔壓力P2=9.0MPa。計算公式：ΣQ入塔氣+ΣQr=ΣQ出塔氣+ΣQ熱損失Q入塔氣—入塔各氣體組分熱量；KJ/hQr—合成反應和副反應的反應熱；KJ/hQ出塔氣—出塔各氣體組分分熱量；KJ/hQ熱損失—合成塔熱損失；KJ/h1.全塔入塔氣的計算：計算常壓下,368.2K理想氣體多項方程式:Ceq\o(\s\up12(id),\s\do4(pm))=a+bT+cT2+dT3查<<華工工藝過程計算>>及<<物理化學>>物性數(shù)據(jù)表,各組分的比熱容如下表所示表15入塔各組分比熱容組分項目CH3OHH2N2COCO2CH4合計比熱容KJ/kmol﹒kkJ/(kmol·K)52.176.9429.4529.2140.3839.45218.426入塔氣量409.0688403.88278255470.041856.501199.72124597.02kmol/hh18.263946.401242.19244.2082.88586.745526.16摩爾比率%（％）0.0470.9522.334.391.490.47100PC(MPa)7.951.33.43.57.384.64\TC(K)513.233.3126132.9304.2190.7\Ceq\o(\s\up6(o),\s\do2(pm))=52.17×0.0004+6.94×0.7095+29.45×0.2233+29.21×0.0439+40.38×0.0149+39.45×0.0047=13.59KJ/Kmol·KPcm=7.95×0.0004+1.3×0.7095+3.4×0.2233+3.5×0.0439+7.38×0.0149+4.64×0.0047=1.97MPaTcm=513.2×0.0004+33.3×0.7095+126×0.2233+132.9×0.0439+304.2×0.0149+190.7×0.0047=63.23K當P=9.4mPa,T=368.2K時Pr=P/Pcm=9.4/1.97=4.7Tr=T/Tcm=368.2/63.23=5.8查<<化工工藝過程計算>>圖4-2得ΔCpm=0.07J/Kmol·K混合氣體Cpm=Ceq\o(\s\up12(o),\s\do4(pm))+ΔCpm=13.59+0.07=13.66J/Kmol·KΣQ入塔氣=nCpmT入=5562.16×13.66×368.2=27975506.68KJ/h2.塔內(nèi)反應熱表16甲醇合成塔內(nèi)反應熱項目╲組分CH3OHCH4CO合計生成熱KJ/mol﹒k102.3749.62-42.92/反應熱KJ/h150893388931.6-509460.414588809.2生成熱量Nm3/h3301.74.0265.83571.5Kmol/h147.40.1811.87159.453.塔出口溫度的計算合成塔出塔各組分的比熱容(常壓下,463.2K)甲醇:Ceq\o(\s\up6(id),\s\do2(pm))=18.40+101.56×10-3×463.2-26.68×10-6×(463.2)2=59.72KJ/Kmol·K水:Ceq\o(\s\up6(id),\s\do2(pm))=29.16+14.49×10-3×463.2-2.022×10-6463.22=35.44KJ/Kmol·K甲烷:Ceq\o(\s\up6(id),\s\do2(pm))=14.32+74.66×10-3×463.2-17.43×10-6×463.22=41.16KJ/Kmol·K氮氣:Ceq\o(\s\up6(id),\s\do2(pm))=27.32+6.226×10-3×463.2-0.9502×10-6×463.22=30.0KJ/Kmol·K一氧化碳:Ceq\o(\s\up6(id),\s\do2(pm))=26.537+7.6831×10-3×463.2-1.172×10-6×463.22=29.85KJ/Kmol·K二氧化碳:Ceq\o(\s\up6(id),\s\do2(pm))=26.75+42.258×10-3×463.2-14.25×10-6×463.22=43.26KJ/Kmol·K氫氣:Ceq\o(\s\up6(id),\s\do2(pm))=6.953-0.046×10-3×463.2+0.096×10-6×463.22-0.21×10-9×463.23=6.93KJ/Kmol·K表17出塔氣比熱容表組分項目CH3OHH2N2COCO2CH4H2O合計比熱容kJ/(kmol·K)59.726.9330.029.8543.2641.1635.44\出塔氣量Nm3/h35522.5480952.7278252158.71590.7624.94351.9149026.48kmol/h332.493613.961242.296.471.027.915.715399.66摩爾比率（％）3.168.923.81.971.420.510.3100PC(MPa)5.271.33.43.57.384.6422.12\Tc(K)55033.3126132.9304.2190.7647.4\Pcm=0.031×5.27+0.689×1.3+0.238×3.4+0.0197×3.5+0.0142×7.38+0.0051×4.64+0.003×22.12=2.13MPaTcm=0.031×550+0.689×33.3+0.238×126+0.0197×132.9+0.0142×304.2+0.0051×190.7+0.003×647.4=79.83KCeq\o(\s\up6(o),\s\do2(pm))=0.031×59.72+0.689×6.93+0.238×30+0.0197×29.85+0.0142×43.26+0.0051×41.16+0.003×35.44=15.28KJ/Kmol·K當P=9.4mPa,T=463.2K時;Pr=P/Pcm=9.4/2.13=4.41;Tr=T/Tcm=463.2/79.83=5.80查<<化工工藝過程計算>>得:ΔCpm=0.062J/mol·K混合氣體Cpm=Ceq\o(\s\up6(o),\s\do2(pm))+ΔCpm=15.28+0.062=15.34KJ/Kmol·KΣQ出塔氣=nCpmT出=5399.66×15.34×463.2=38367219.33KJ/h44.合成塔熱損失計算按全塔熱平衡方程式:ΣQ入塔氣+ΣQr=ΣQ出塔氣+ΣQ熱損失27975506.68+14588809.2=38367219.33+ΣQ熱損失ΣQ熱損失=X%(ΣQ入塔氣+ΣQr)=X%(27975506.68+14588809.2)=4197096.55KJ/h∴X=9.8表18甲醇合成塔全塔熱平衡表熱量氣體熱反應熱熱損失合計入熱KJ/h27975506.6814588809.2\42564315.88出熱KJ/h38367219.33\4197096.5542564315.883.2.2廢熱鍋爐的熱量衡算Kg/h圖4廢熱鍋爐熱量圖工藝條件：1.入廢熱鍋爐的氣體溫度T1=190℃；出口溫度T2=163℃2.壓力P1=9.0MPa；P2=9.0MPa；氣流量3770.1Kmol/h3.廢熱鍋爐水的溫度t1=100℃；出口飽和水蒸汽的溫度t2=151.7℃1.計算公式∑Q放=∑Q吸熱損失忽略不計式中:Q吸——物質在廢熱鍋爐中所吸收的熱量，kJ/h；Q放——物質在廢熱鍋爐中所釋放的熱量，kJ/h;進廢熱鍋爐氣體熱量計算Q進廢熱鍋爐=Q出塔氣=38367219.33kJh3.出廢熱鍋爐氣體的熱量衡算經(jīng)氣體摩爾定壓熱容與溫度的關系式計算得P=0.1MPa，T1=110+273.15=383.15K時各組分的比熱容如下表所示表19常壓下出廢熱鍋爐氣體各組分比熱容表組分項目CH3OHH2N2COCO2CH4H2O合計比 熱 容kJ/(kmol·K)58.2728.7529.929.7242.7244.0734.42\出氣量Nm3/h3723.757262.919115.73066.6269.6623.4389.6784451.57kmol/h166.22556.4853.4136.912.027.817.403770.1摩爾比率（％）4.4269.3622.293.240.220.340.13100PC(MPa)7.951.33.43.57.384.6422.12\TC(K)513.233.3126133304.2190.7647.4\Pcm=0.0442×7.95+0.6936×1.3+0.2229×3.4+0.0324×3.5+0.0022×7.38+0.0034×4.64+0.0013×22.12=2.19MPaTcm=0.0442×513.2+0.6936×33.3+0.2229×126+0.0324×133+0.0022×304.2+0.0034×190.7+0.0013×647.4=80.33KCeq\o(\s\up6(o),\s\do2(pm))=58.27×0.0442+28.75×0.6936+29.9×0.2229+29.72×0.0324+42.72×0.0022+44.07×0.0034+34.42×0.0013=30.43kJ/Kmol·K當P=9.0+8.9/2＝8.9MPa，T=444.65K時Pr=P/PCM=9.0/2.19=4.11Tr=T/TCM=444.65/80.33＝5.54查《化工工藝過程計算》得△CPM=0.14KJ/Kmol·K混合氣體CPM＝CP0M+△CPM＝30.43+0.14＝30.57kJ/Kmol·KQ放＝∑n入CPM（t進-t出）=3770.1×30.57×（190-163）＝4264322.41KJ/h廢熱鍋爐的蒸汽量查水和水蒸氣表，在P＝0.5MPa下，100℃時的焓h1＝418.68KJ/Kg，在P＝0.5MPa下，151.7℃時飽和水蒸氣的焓h2＝2752.8KJ/Kg根據(jù)Q吸＝Q放G蒸汽（h2-h1）＝4264322.41KJ/hG蒸汽＝4264322.41/（2752.8-418.68）=1826.95Kg/h3.2.3預熱器的熱量衡算圖5預熱器熱量圖工藝條件：進預熱器氣體溫度T1=153℃；出預熱器的氣體溫度T2=79℃；壓力P1=8.9MPa；P2=8.8MPa；主線進預熱器溫度t1=30℃出預熱器溫度t2=140℃忽略熱損失。1.計算公式Q放=Q放式中：Q吸——物質在預熱器中所吸收的熱量，kJ/h；Q放——物質在預熱器中所釋放的熱量，kJ/h;1、常壓下389.15K時，出廢熱鍋爐的各組分的比熱容甲醇：CEQ\o(\s\up5(id),\s\do2(pm))=18.40+101.56×10-3×389.15-26.68×10-6×389.152=53.88kJ/Kmol·K水：CEQ\o(\s\up5(id),\s\do2(pm))=29.16+14.49×10-3×389.15-2.022×10-6×389.152=34.22kJ/Kmol·K甲烷：CEQ\o(\s\up5(id),\s\do2(pm))=14.15+75.496×10-3×389.15-17.99×10-6×389.152=40.74kJ/Kmol·K氮氣：CEQ\o(\s\up5(id),\s\do2(pm))=27.32+6.226×10-3×389.15-0.9502×10-6×389.152=29.60J/Kmol·K一氧化碳：CEQ\o(\s\up5(id),\s\do2(pm))=26.537+7.683×10-3×389.15-1.172×106×389.152=29.27kJ/Kmol·K二氧化碳：CEQ\o(\s\up5(id),\s\do2(pm))=26.75+42.258×10-3×389.15-14.25×10-6×389.152=41.04kJ/Kmol·K氫氣：CEQ\o(\s\up5(id),\s\do2(pm))=26.88+4.347×10-3×389.15-0.3265×10-6×389.152=28.52kJ/Kmol·K表20常壓下預熱器氣體各組分比熱容表組分項目CH3OHH2N2COCO2CH4合計比 熱 容kJ/(kmol·K)53.8828.5229.6029.2741.0440.74\氣體流量Nm3/h3723.757262.919115.73066.6269.6623.484061.9kmol/h166.22556.4853.4136.912.027.83752.7摩爾比率（％）4.4268.1322.753.650.330.72100PC(MPa)7.951.33.43.57.384.59\TC(K)513.233.2126133304.4190.6\Pcm=7.95×0.0442+1.3×0.6813+3.4×0.2275+3.5×0.0365+7.38×0.0033+4.59×0.0072=2.19MPaTcm=513.2×0.0442+33.2×0.6813+126×0.2275+133×0.0365+304.4×0.0033+190.6×0.0072=81.19kCeq\o(\s\up6(o),\s\do2(pm))=53.88×0.0442+28.52×0.6813+29.6×0.2275+29.27×0.0365+41.04×0.0033+40.74×0.0072=30.04kJ/Kmol·K當P=9.0+8.9/2＝8.85MPa，T=389.15K時Pr=P/PCM=8.85/2.19=4.04Tr=T/TCM=389.15/81.19＝4.79查《化工工藝過程計算》得△CPM=0.3KJ/Kmol·K混合氣體CPM＝CP0M+△CPM＝30.04+0.3＝30.34kJ/Kmol·KQ吸＝∑n入CPM（T進-T出）=3752.7×30.34×（153-79）＝8425411.93KJ/h預熱器主線的氣體流量經(jīng)氣體摩爾定壓熱容與溫度的關系式計算得P=0.1MPa，T1=（30+75）/2+273.15=325.65K時各組分的比熱容如下表所示表21常壓下預熱器主線氣體各組分比熱容表組分項目CH3OHH2N2COCO2CH4合計比 熱 容kJ/(kmol·K)51.3528.4429.4329.1440.0638.82\氣體流量Nm3/h72.739520.311639.04018.6284.5369.655904.7kmol/h3.21764.3519.6179.412.716.52495.7摩爾比率（％）4.4268.1322.753.650.330.72100PC(MPa)7.951.33.43.57.384.59\TC(K)513.233.2126133304.4190.6\Pcm=7.95×0.0442+1.3×0.6813+3.4×0.2275+3.5×0.0365+7.38×0.0033+4.59×0.0072=2.19MPaTcm=513.2×0.0442+33.2×0.6813+126×0.2275+133×0.0365+304.4×0.0033+190.6×0.0072=81.19kCeq\o(\s\up6(o),\s\do2(pm))=51.35×0.0442+28.44×0.6813+29.43×0.2275+29.14×0.0365+40.06×0.0033+38.82×0.0072=29.82kJ/Kmol·K當P=9.0+8.9/2＝8.85MPa，T=358.15K時Pr=P/PCM=8.85/2.19=4.04Tr=T/TCM=358.15/82.19＝4.79查《化工工藝過程計算》得△CPM=0.38KJ/Kmol·K混合氣體CPM＝CP0M+△CPM＝29.82+0.38＝30.2kJ/Kmol·KQ放＝∑n主CPM（t出-t進）=∑n主×3020×（140-30）又因為Q放＝Q吸,所以∑n主＝8425411.93/30.2×110＝2536.25Kmol/h主線氣量摩爾分率＝主線氣量/總進氣量＝2536.25/3752.7＝67.58％表22預熱器平衡表帶入熱量KJ/h帶出熱量KJ/h8425411.938425411.933.2.4水冷汽的熱量衡算Kg/h圖6水冷器熱量圖工藝條件：1進水冷器氣體溫度T1=79℃；出水冷器的氣體溫度T2=38℃；2進出口壓力P1=8.8MpaP2=8.7Mpa3冷卻水進口溫度t1=30℃出口溫度t2=45℃4水冷器氣量168891.71Nm3/h計算公式∑Q入口量+∑Q冷凝器=∑Q出口氣+∑Q液體+∑Q冷卻水式中∑Q入口量—入口熱入熱量；KJ/h∑Q冷凝器—在出口溫度下氣體冷凝放熱；KJ/h∑Q出口氣—出口帶走熱量；KJ/h∑Q液體—出口液體帶走熱量；KJ/h∑Q冷卻水—冷卻水帶走的熱量；KJ/h表23常壓下水冷器氣體各組分比熱容表組分項目CH3OHH2N2COCO2CH4合計比熱容kJ/(kmol·K)50.8628.3729.3929.1039.8638.45\氣體流量Nm3/h3723.757262.919115.73066.6269.6623.484061.9kmol/h166.22556.4853.4136.912.027.83752.7摩爾比率（％）4.4267.9622.753.650.330.72100PC(MPa)7.951.33.43.57.384.59\TC(K)513.233.2126133304.4190.6\Pcm=7.95×0.0442+1.3×0.6813+3.4×0.2275+3.5×0.0365+7.38×0.0033+4.59×0.0072=2.19MPaTcm=513.2×0.0442+33.2×0.6813+126×0.2275+133×0.0365+304.4×0.0033+190.6×0.0072=81.19kCeq\o(\s\up6(o),\s\do2(pm))=51.86×0.0442+28.37×0.6813+29.39×0.2275+29.1×0.0365+39.86×0.0033+38.45×0.0072=29.77kJ/Kmol·K當P=8.8Mpa，T=352.15K時Pr=P/PCM=8.8/2.19=4.04Tr=T/TCM=352.15/82.61=4.79查《化工工藝過程計算》得△CPM=0.5KJ/Kmol·K混合氣體Cpm=CP0M+△CPM=29.77+0.5=30.27KJ/KmolK∑Q入口氣=∑nCPMT進口=2960.6×30.27×352.15=31558754.03KJ/h3.3主要設備計算3.3.1廢熱鍋爐的計算及選型工藝條件：（管程）氣體進口溫度T1＝190℃出口溫度T2＝153℃（殼程）進鍋爐給水溫度t1＝100℃出廢熱鍋爐水蒸氣的溫度t2＝151.7℃熱負荷Q=4264322.41KJ/hG水＝1826.95KJ/h初步確定換熱面積兩流體間的均勻傳熱溫度差：△tm，＝φ△tm×△tm逆流：熱氣體T190