合成甲醇的化工工藝與系統(tǒng)分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u31402合成甲醇的化工工藝與系統(tǒng)分析案例 1189511.1項目背景 1175261.2合成工藝的選擇 1326401.2.1合成方法的初步選擇 2254851.2.2低壓法中具體方法的選擇 2315761.2.4合成方案比較及選擇 376351.3催化劑的選擇 360791.4工藝路線介紹 4268951.5Aspen模型選擇 4200541.6物料衡算 539791.6.4系統(tǒng)物料衡算 5170871.7能量衡算 599481.7.4系統(tǒng)能量衡算 76861附錄1物料衡算表 720942附錄2能量衡算表 922847附錄3設備一覽表 101.1項目背景合成甲醇的工業(yè)生產(chǎn)是以固體（如煤、焦炭）、液體（如原油、重油、輕油）或氣體（如天然氣及其它可燃性氣體）為原料，經(jīng)造氣、凈化（脫硫）變換，除二氧化碳，配制成一定配比的合成氣。在不同的催化劑存在下，選用不同的工藝條件可單產(chǎn)甲醇（分高、中、低壓法），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)預精鎦脫除甲醚，再精鎦而得成品甲醇。1.2合成工藝的選擇本設計是以內(nèi)蒙古榮信煤化工有限公司總廠產(chǎn)生的合成氣為原料制取甲醇的生產(chǎn)過程。1.2.1合成方法的初步選擇現(xiàn)今，國內(nèi)外大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)甲醇的方法主要有高壓法、中壓法和低壓法。各個方法的溫度、壓力、催化劑各不相同。1.2.1.1高壓法高壓法，一開始用Zn-Gr氧化物，后來用活性較高的銅系催化劑。但是，原料消耗量大，且能耗過大，操作條件苛刻、生成的甲醇品質(zhì)不高，故逐漸退出市場，并被低壓法、中壓法所替代。1.2.1.2中壓法中壓法，催化劑為銅基催化劑。這種方法完美融合了低壓法和高壓法。操作條件上與低壓法相似，但中壓法在經(jīng)濟投入上要高于低壓法。1.2.1.3低壓法低壓法，反應壓力為4～8MPa，反應溫度為240～270℃，是目前甲醇生產(chǎn)主要采用活性較高的銅基催化劑，反應完成度高，產(chǎn)品純度比較高，能耗低；相對高壓法而言，設備更加簡單便捷，前期投入少。綜合對比分析得到：高壓法原料和動力消耗大、對操作條件有比較高的要求、生成的粗甲醇中含有比較高含量的有機雜質(zhì)；低壓法投資更少，生產(chǎn)操作比較簡潔可靠。故本次設計選擇低壓法。1.2.2低壓法中具體方法的選擇典型的低壓甲醇合成工藝主要有Casale工藝、Topse工藝、Lurgi工藝、Davy工藝以及華東理工甲醇合成工藝。1.2.2.1Casale甲醇合成工藝Casale工藝采用的是IMC板間換熱式甲醇合成反應器。1.2.2.2Topse甲醇合成工藝Topse甲醇合成工藝采用的是等溫反應器，。1.2.2.3Lurgi甲醇合成工藝Lurgi甲醇合成工藝采用的是管殼式甲醇合成反應器。1.2.2.4Davy甲醇合成工藝Davy甲醇合成工藝采用徑向流蒸汽上升式合成反應器。與Lurgi工藝反應器相似，但是Davy工藝換熱管內(nèi)走鍋爐水，殼程裝填催化劑，原料氣從中心管進入。1.2.2.5華東理工甲醇合成工藝華東理工大學甲醇合成工藝采用的是絕熱-管殼外冷復合式甲醇合成反應器，催化劑床層包括管殼外冷催化層和上管板上部催化層。1.2.4合成方案比較及選擇Casale合成工藝內(nèi)件換熱面積大、催化劑裝填系數(shù)高、空間利用率高，但催化劑裝填較困難，設備材質(zhì)要求較高。Lurgi合成塔易于控制催化劑床層溫度，但催化劑裝填難度較大，設備體積相對龐大，。Topse合成工藝選擇性好、系統(tǒng)壓降小，但所需反應設備多，前期設備投資高。華東理工大學甲醇合成工藝采用的是低壓甲醇合成反應器，該工藝操作適應性和催化劑適應性強，可使用多種催化劑，副反應少，粗甲醇產(chǎn)品質(zhì)量好，催化劑裝卸和還原方便，有60萬t/a的甲醇裝置投入了商業(yè)化運行。對比研究以上幾種甲醇合成工藝，最終我選擇了華東理工大學的甲醇合成工藝。1.3催化劑的選擇選用C307型銅基催化劑。催化劑參數(shù)在表3-1。表3-1催化劑參數(shù)催化劑型號外形尺寸堆密度GHSV活性壽命C307型5*（4～５）ｍｍ1.4～1.6kg/L4000～20000h-1≥1.3g/（ml·h）2年1.4工藝路線介紹圖3-1工藝模擬流程圖從母廠來的原料氣與循環(huán)氣混合后經(jīng)壓縮機升壓，然后進入進出口換熱器預熱，再進入平推流反應器進行合成。反應后的氣體經(jīng)進出口換熱器進行初步冷卻，再使用水冷器冷卻至甲醇液化，通過氣液分離器分離出不同相態(tài)的兩股物流。其中氣態(tài)流股作為循環(huán)氣去壓縮機，部分氣體作為馳放氣匯入燃料管道；液態(tài)流股經(jīng)過閃蒸進一步分離出其中的輕烴組分，氣態(tài)為不凝氣去燃料管道，液態(tài)為產(chǎn)品粗甲醇。1.5Aspen模型選擇因此選擇RK-SOAVE模型。反應類型采用LHHW（Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson），其動力學依據(jù)水轉化反應式各反應的LHHW動力學結構式為換熱器E-0101A、E-0101B、E-0102為Heater模型；壓縮機C0101為Compr模型；汽液分離器F-0101、閃蒸罐F-0102選擇Flash2模型；反應器模型采用RPlug模塊。1.6物料衡算系統(tǒng)中的積累=輸入-輸出+生成-消耗在穩(wěn)定狀態(tài)下有:輸入=輸出-生成+消耗當系統(tǒng)沒有化學反應時，則可簡化為:輸入=輸出1.6.4系統(tǒng)物料衡算詳見附錄一，物料衡算一覽表。1.7能量衡算由能量守恒定律可得，任何均相體系在t時間內(nèi)的能量平衡關系，表述如下:熱量衡算基于熱力學第一定律。能量守恒表達式如下:Q入=Q出+Q損輸入=輸出+損失式中::輸入設備熱量的總和；:輸出設備熱量的總和；Q損:損失熱量的總和。對于連續(xù)系統(tǒng)QWHout-Hin式中:Q:設備的熱負荷;W:輸入系統(tǒng)的機械能;∑Hout:離開設備的各物料焓之和;∑Hin:進入設備的各物料焓之和。1.7.4系統(tǒng)能量衡算詳見附錄二，能量衡算一覽表。附錄1物料衡算表附表1-1合成工段物料衡算表單位FEEDOUT-1OUT-2OUT-3描述從FSPLIT-2FLASH-2FLASH-2至B1流股類型CONVENCONVENCONVENCONVENMIXED子流股相態(tài)汽相汽相汽相液相溫度℃40404040壓力bar50.547.544質(zhì)量密度gm/cc0.0200840.0158210.0037140.5939焓流量cal/sec-2.5E+07-2846348-147491-4.4E+07平均分子量10.637998.8844424.0469531.39971摩爾流量kmol/hr91001285.18312.962282709.639H2kmol/hr6216.21971.62824.7193060.203461COkmol/hr2594.41191.46931.8288080.164329CO2kmol/hr227.548.410734.5284727.35019H2Okmol/hr00.442630.045751146.7355CH4kmol/hr11.8311.269370.3997830.185077N2kmol/hr50.0549.730620.4261290.034334CH3OHkmol/hr010.231781.0140342534.966質(zhì)量流量kg/hr96805.6911418.13311.703385081.89體積流量l/min80331.9912028.71398.8592387.66

附錄2能量衡算表附表2-1進出流股焓值表項目FEEDOUT-1OUT-2OUT-3溫度℃40404040壓力bar50.547.544質(zhì)量流量kg/hr96805.6911418.13311.7085081.89焓值cal/sec-2.5E+07-2.8E+06-147491-4.4E+07∑Hcal/sec-7.2E+07附表2-2能量平衡表∑HinGcal/hr∑QGcal/hr∑WGcal/hr∑HoutGcal/hr誤差-89.1894-51.1074131.0449-169.12690.001

附錄3設備一覽表附表3-1反應器設備一覽表設備位號設備名稱封頭形式類型尺寸/mm設計溫度/℃設計壓力/MPa材料保溫層R-0101A甲醇合成反應器EHA絕熱-管殼外冷復合式固定床反應器375012130管：280殼：270管：6.0殼：4.6管：S31608殼：13MnNiMoR需要保溫R-0101B附表