基于甲醇低壓法的年產(chǎn)58萬噸甲醇合成方案設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\h\u105361緒論 4229271.1甲醇簡介 4143571.1.1甲醇 4256711.1.2物理性質(zhì) 49131.1.3化學(xué)性質(zhì) 421771.2甲醇的儲存方法 597191.3甲醇應(yīng)用領(lǐng)域 527341.3.1工業(yè)領(lǐng)域 680471.3.2生活領(lǐng)域 6271161.3.3汽車領(lǐng)域 6153371.4制作甲醇的主流方法 637211.4.1高壓法 6261261.4.2中壓法 7137571.4.3低壓法 7139941.4.4我國獨立研發(fā)的聯(lián)醇工藝 8194321.5衍變歷程 8195371.6甲醇市場狀況 9128291.7甲醇行業(yè)發(fā)展建議 954601.7.1裝備擴大化生產(chǎn) 1042981.7.2基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)任務(wù) 10179901.7.3投資影響 10104132甲醇工藝和催化劑選擇 11188342.1合成方法可取性 11236842.1.1工藝方法選取 1163972.1.2甲醇合成塔的選擇 11166562.2確定催化劑種類 12143492.3操作要求 13118792.3.1反應(yīng)溫度 13324112.3.2反應(yīng)壓力 13257712.3.3空速 1374632.4合成工藝流程的確定 13101412.4.2合成氣合成工段 14206503物料衡算 1540083.1合成甲醇反應(yīng)方程 15107323.2反應(yīng)塔物料衡算 1511083.3合成組分計算 17114433.4馳放氣和新鮮氣 18131213.5計算物料循環(huán)量 19279733.6出塔氣和入塔氣 2012319續(xù)表 21181913.7分離器出口組分流量 2233873.8貯罐氣 23239194熱量衡算 23311284.1合成塔熱量計算公式 23245704.1.1物料進塔熱量 2463204.1.2合成塔反應(yīng)熱 2555484.1.3出塔熱量 26105714.2塔總熱 2738174.3蒸汽換熱 27317624.4換熱器 2872254.4.1換熱器進口熱量 28327194.4.2物料帶出換熱器的熱量 29225584.5換熱器 2962534.5.1出塔氣進入換熱器的熱量 29175354.5.2出換熱器的出合成塔氣的熱量 29243744.6水冷器 30165054.6.1送入熱量 3076604.6.2水冷器送出的熱量 303974.6.3冷水量 3191284.7分離器熱量參數(shù)計算 3121393（1）帶入熱量 3118847（2）氣體帶出熱量 3115558（3）液體帶出熱量 31284905主設(shè)備計算 32204835.1催化劑 32124115.2合成塔 3212395.2.1計算換熱面積 32280045.2.2計算換熱管參數(shù) 33281705.2.3計算塔徑 33152675.2.4塔壁計算 34104775.2.5主體外殼液壓校核 34206765.2.6封頭計算 35297765.2.7塔高的計算 36148225.3換熱器 3651565.4水冷器的計算 39108886甲醇精餾工段的設(shè)計 40320666.1精餾塔計算 40115726.1.1基礎(chǔ)參數(shù)計算 40160376.1.2精餾段塔徑 42287976.1.3提餾段塔徑 43266866.1.4精餾段塔板 449156.1.5精餾段塔板負荷性計算 4610816.1.6提餾段負荷性能 49153306.1.7提餾段負荷性能 51摘要甲醇作為重要的有機化工原料和溶劑，目前全球市場供不應(yīng)求，而我國的煤炭資源相對豐富，用來制作甲醇可以緩解我國的能源緊缺的情況，對于能源的轉(zhuǎn)型和調(diào)整具有重要的意義。本設(shè)計結(jié)合甲醇的各項物理和化學(xué)特點，設(shè)計計算年產(chǎn)58萬噸的甲醇合成方案使用甲醇低壓法，該方法是由德國某公司研發(fā)設(shè)計出的。其中工作任務(wù)主要是煤料的前處理，工藝方法的實用性和合理性辯證，合成過程的主要衡算及主要設(shè)備的計算和選型，并且繪制完成物料流程圖和帶控制點的工藝流程圖。關(guān)鍵字：甲醇；合成；工藝；設(shè)備1緒論1.1甲醇簡介1.1.1甲醇又名羥基甲烷，因首次在木頭中發(fā)現(xiàn)，也叫做木醇或者木精。生活中較常見，也是結(jié)構(gòu)最簡單的飽和一元醇[1]?；瘜W(xué)式結(jié)構(gòu)簡式CH3OH;分子式CH4O；分子量32.04。人體中毒下限量為100mg/kg，誤食大約0.3g/kg便可使一個成年人死亡，甲醇成品由一氧化碳和氫氣混合制得。1.1.2物理性質(zhì)甲醇外觀表現(xiàn)為無色透明，其散發(fā)出濃烈的刺鼻氣味，與乙醇類似容易燃燒，容易揮發(fā)，微毒，略有酒精味[1]?？梢耘c水互溶，能和乙醇，乙醚，酮類物質(zhì)，苯類等有機物質(zhì)混合。序號性質(zhì)單位數(shù)值1沸點℃64.5-64.72熔點℃-97.83相對密度/1（空氣）；1.1（蒸汽密度）4閃點℃12（閉口）~16(開口)5自燃溫度℃4366爆炸極限%6（下限）~36.5（上限）7飽和蒸汽壓(20℃)kPa12.38臨界壓力MPa7.959臨界溫度℃24010燃燒熱（25℃液體）kJ/mol72311蒸發(fā)熱（64.7℃）kJ/mol35.3212粘度(25℃)mPa.s0.552513液體熱容（20~25℃）kJ/mol.℃2.51~2.5314氣體熱熔kJ/mol.℃1.6315偏心因子/0.56616臨界壓縮因子/0.233表1.1甲醇物理性質(zhì)1.1.3化學(xué)性質(zhì)甲醇由碳氫氧三種化學(xué)元素組成，且含有羥基架構(gòu)，因此，與乙醇性質(zhì)相似。與氧氣等氣體可以發(fā)生，在純氧環(huán)境下可發(fā)生劇烈燃燒反應(yīng)，放出水蒸汽和CO2。而且甲醇可以與氨氣在370℃~420℃發(fā)生氨化反應(yīng)[2]甲醇在空氣中燃燒：甲醇只含一個羥基，且是一元醇，所以有一些與其他醇不同的特性。如：與氯化鋇反應(yīng)生成結(jié)晶狀化合物CaCl2.4CH3OH，與氯化鋇形成BaO.2CH3OH的此分子化合物并且此物質(zhì)會溶解在甲醇溶液中[2]。甲醇與別的醇類也有不同，甲醇的-CH2OH基和氫氣作用，發(fā)生氧化的過程中會產(chǎn)生甲酸，其會繼續(xù)發(fā)生氧化產(chǎn)生二氧化碳[2]。甲醇不易于鹵素單質(zhì)反應(yīng)，但可以和其水溶液作用，初步生成二氯甲醚，最后和水反應(yīng)生成甲酮和鹽酸[2]。甲醇和堿類，碳酸鈣共同加熱，放出氫氣，產(chǎn)生甲酸鈉[2]。與鋅粉共同蒸餾，分解后放出CO和水蒸氣[2]。1.2甲醇的儲存方法甲醇成品應(yīng)儲存于陰涼，通風(fēng)狀況良好的專業(yè)庫房中，庫房應(yīng)遠離火源和熱源等高溫發(fā)熱的儀器設(shè)備，溫度不得超過37℃，儲存設(shè)備應(yīng)密封保存。與其其發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)應(yīng)分開隔離保存。最后儲存區(qū)域應(yīng)該有完整的消防應(yīng)急處理和收容的設(shè)備裝置。1.3甲醇應(yīng)用領(lǐng)域1.3.1工業(yè)領(lǐng)域甲醇是最基本合成的化學(xué)有機產(chǎn)品，下游產(chǎn)品有眾多，如甲烷，甲胺等；同時也能作為除蟲藥劑得原料。在醫(yī)藥領(lǐng)域也有眾多涉及，來制造一些藥物。甲醇的主要作用方向為生產(chǎn)制，作甲醛，甲醛在生活方面應(yīng)用廣泛，可制作家居所用的粘膠劑，再者可用于塑料，油漆涂料，輕工業(yè)紡織的加工方面。甲醇通過系列轉(zhuǎn)化合成甲胺，該產(chǎn)品涉及到很多有機合成反應(yīng)。甲醇也可以通過合成技術(shù)生產(chǎn)乙二醇，其是石油化工的中間產(chǎn)物之一，可用來生產(chǎn)聚酯和工業(yè)防凍液[3]。1.3.2生活領(lǐng)域在甲醇結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，用微生物的自身特點，使甲醇轉(zhuǎn)化變成蛋白質(zhì)，其比天然的蛋白質(zhì)有更高的營養(yǎng)價值，含有更多的氨基酸物質(zhì)，礦物質(zhì)和許多維生素等[4]。可以替代日常食用的大豆等高蛋白食物，甲醇也可做用于植物的生長劑，使農(nóng)作物有增大產(chǎn)量的作用，也可減少作物的灌溉，比較適用于西北地區(qū)干旱地的農(nóng)作物生長增產(chǎn)[5]。1.3.3汽車領(lǐng)域甲醇用來生產(chǎn)二甲醚，兩者通過一定比例混合得到的另一種溶液為新型液體燃料，名為醇醚燃料，其燃燒熱值比一般的燃料更加高，更加受人們歡迎。一般，甲醇比乙醇的互溶情況更好一些，所以在1980年以后，甲醇常用作汽車汽油的辛烷值添加劑的生產(chǎn)和研究，從而讓甲醇的市場發(fā)展和對其需求加快了腳步[6][7]。1.4制作甲醇的主流方法主反應(yīng)：傳統(tǒng)合成甲醇的方法有三種，分別為高、中、低壓法。如今科技水平大發(fā)展的高潮中，甲醇的合成工藝也不斷發(fā)展，逐漸由高壓合成法向中低壓合成方法轉(zhuǎn)移，并且對其當(dāng)前技術(shù)不斷地改善和優(yōu)化，取得了很多研究成果[8][9]。本論文采用低壓法合成甲醇。1.4.1高壓法此法為最開始的生產(chǎn)甲醇的方法，反應(yīng)壓力為19.6~29.4MPa，反應(yīng)溫度為360-400℃?？茖W(xué)生產(chǎn)技術(shù)逐步提高，對煤的脫硫技術(shù)也隨之提高。同時，此方法所用的催化劑也在逐步采用活性更高的銅系催化劑來提高和優(yōu)化合成條件。高壓法在合成甲醇的歷史長河中存在了70多年，但由于其法對原材料和能源消耗過大，反應(yīng)過程溫度過高，生產(chǎn)的產(chǎn)品含有的雜質(zhì)過多，所以這種方法的發(fā)展目前處于停滯階段[8][9]。圖1.1西德某高壓法生產(chǎn)甲醇工藝流程1.4.2中壓法這種方法的生產(chǎn)壓力為9.8MPa~19.6MPa，化工生產(chǎn)技術(shù)持續(xù)發(fā)展，所以大型化甲醇工生產(chǎn)規(guī)模在近幾年的建廠和發(fā)展中比較普遍。如果使用低壓法進行生產(chǎn)，必須使用更大規(guī)格的生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)運輸管道。所以在生產(chǎn)過程中適當(dāng)?shù)纳吆线m的壓力，即中壓法就由此發(fā)展產(chǎn)生。而這種方法生產(chǎn)時所用的催化劑仍是具有比較高的活性的銅系催化劑，同時使用的反應(yīng)溫度也與低壓法一樣。此法的優(yōu)勢也與低壓法如出一轍。但動能的消耗略微高于低壓法，壓力升高，相應(yīng)的能量損耗也就多一點。當(dāng)前的世界甲醇生產(chǎn)，廠家都在使用中壓法或低壓法較多，這些廠家使用中壓法的仍占超過半數(shù)以上。比如，新瀉工廠所屬日本，生產(chǎn)甲醇的方法即是中壓法[8][9]。圖1.2日本新瀉公司中壓法生產(chǎn)甲醇工藝流程1.4.3低壓法低壓法的生產(chǎn)壓力為5MPa~9.8MPa，生產(chǎn)溫度為240℃~270℃。這種生產(chǎn)甲醇的方法是在1960年以后由英國的lCl公司研究投入使用的。這種方法使用的是相對活性更高，操作壓力更低的銅基催化劑，其最后的收率也比其他的更多一點[8][9]。相對于上述兩種方法，優(yōu)點也較明確。比如過程選擇性更好，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了副反應(yīng)，原料成本的損失也有所降低。另外，降低了壓力，設(shè)計工藝也更加簡單，動能損耗也相比于高，中壓法減少了很多，所以總成本也會較低。由此可見，低壓法的優(yōu)點也很顯而易見。例如，采用低壓法合成甲醇的德國Lurgi公司。圖1.3德國某公司Lurgi低壓法生產(chǎn)甲醇工藝1.4.4我國獨立研發(fā)的聯(lián)醇工藝聯(lián)醇工藝是由中國獨立自主研究的甲醇合成工藝。聯(lián)醇工藝就是將原料與合成氨的工藝聯(lián)合共同生產(chǎn)甲醇的技術(shù)，既能滿足合成氨的工藝，也能滿足合成甲醇的生產(chǎn)工藝。這樣的工藝在生產(chǎn)時在壓縮機的第五段出口處與之后的銅洗階段的入口處之間添加一套合成甲醇的設(shè)備，其中含有合成塔等有關(guān)的設(shè)備。要求在此工藝中，合成甲醇后的氣體必須精制，要滿足合成氨的需求，必須要采取特殊的凈化措施，既要持續(xù)合成甲醇的CO，而且不能使H2S等氣體進入系統(tǒng)[10]。目前，據(jù)有限的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全球使用中壓法裝置生產(chǎn)合成甲醇的總能力達到80%以上。1.5衍變歷程該產(chǎn)品也是各種形形色色有機物的上游開發(fā)物料和藥品的基礎(chǔ)原料，在國防基礎(chǔ)等許多的工業(yè)領(lǐng)域也有都有涉及。如今，越來越大的甲醇生產(chǎn)基地在建設(shè)，規(guī)模也在逐漸擴大，甲醇在日常生活和工業(yè)領(lǐng)域的消費范圍逐步在增加。上世紀(jì)三十年代，甲醇的生產(chǎn)主要是從蒸餾木材中提取出來的，之后逐漸有煤炭代替。直到1950年以后，原料由煤炭轉(zhuǎn)變用天然氣來合成甲醇。1960年以后，原料又從天然氣改變?yōu)橐允椭蟹逐s出的重油為原料，這一時段以重油為原料的甲醇生產(chǎn)裝置得到了大力發(fā)展。但是，我國已探明的煤炭資源遠遠超過了現(xiàn)有的石油儲量資源和天然氣的儲量。在全球石油資源緊缺的時候，全球油價又提價的時代，我國應(yīng)加大力量，加快步伐研究煤炭的綠色發(fā)展技術(shù)，而且在之后的長期發(fā)展中煤炭將是我們國家生產(chǎn)甲醇的重要原料[11]。1.6甲醇市場狀況在2000年以后，我們國家對甲醇的用量需求逐漸增加且平穩(wěn)持續(xù)增長。這些平穩(wěn)的增長其一來自于傳統(tǒng)的化工生產(chǎn)領(lǐng)域，例如粘膠劑的中的甲醛；其二來自于新型產(chǎn)品范圍的消耗利用，比如有醋酸相關(guān)產(chǎn)品和甲基叔丁基醚的生產(chǎn)技術(shù)（是醚化技術(shù)，在酸催化劑的催化作用下，利用甲醇和異丁烯作為原料進行反應(yīng)，該反應(yīng)是可逆的放熱反應(yīng)），兩者共同帶動甲醇的需求快速增長，但近些年增長趨勢略有下滑。在傳統(tǒng)的化工方面，甲醇主要應(yīng)在制作甲醛的技術(shù)中，甲醛是粘合劑的主要成分，用在家具木材的粘合加工處理，再者就是對塑料，紡織物，紙張的處理過程。甲醇在這些領(lǐng)域的應(yīng)用占比達到80%以上。甲醇在醋酸生產(chǎn)消費中占有一席之地，除此之外甲醇還可以生產(chǎn)醋酸乙酯，醋酸纖維，醋酸脂等相關(guān)化學(xué)品，甲醇的作用在過程處理劑和粘合劑等相關(guān)產(chǎn)品中發(fā)揮著舉足輕重的地位。自2002年以來，我國甲醇的市場化價格在持續(xù)上漲，最高的價格上浮超過甲醇的當(dāng)時價格的一倍之多，可謂是前無古人，利潤是相當(dāng)?shù)目捎^，有些廠家的甲醇價格超過了每噸1000元人民幣，許多廠家開始對產(chǎn)能進行擴展和新建，導(dǎo)致我國的甲醇總產(chǎn)量直線飆升。當(dāng)前國內(nèi)已有的甲醇生產(chǎn)廠家有諸多，例如由中海石化集團投資建設(shè)的甲醇合成廠家，設(shè)計年產(chǎn)量為180萬噸；山西焦化集團投資建設(shè)的甲醇生產(chǎn)廠，設(shè)計年產(chǎn)為12萬噸生產(chǎn)基地，甘肅華亭煤業(yè)集團于2008年建設(shè)完成并投產(chǎn)的年產(chǎn)60萬噸的中煦煤化工有限責(zé)任公司；長壽化工園區(qū)建成將成為我國最大的甲醇生產(chǎn)基地。Ar-Razi由沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司和三菱瓦斯化學(xué)協(xié)會共同持股，此公司擁有四座甲醇生產(chǎn)廠區(qū)，總產(chǎn)能達到320萬噸/年，第五座廠區(qū)建成，總產(chǎn)能達到600萬噸/年。這個公司也是我國進口甲醇的主力軍公司之一。據(jù)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，諸多甲醇生產(chǎn)廠區(qū)的建成投產(chǎn)，新加入的甲醇產(chǎn)能和已經(jīng)運行投產(chǎn)的甲醇生產(chǎn)線的總產(chǎn)能將超過500萬噸/年。這些數(shù)據(jù)將直接影響到甲醇市場的發(fā)展趨勢1.7甲醇行業(yè)發(fā)展建議目前為止，甲醇的生產(chǎn)消費能力在全世界僅低于苯類，乙烯等有機物?？傮w來說，甲醇也是一種非常重要的化工原料，對一個國家的工業(yè)生產(chǎn)還是有一定的代表性。目前的甲醇市場總的生產(chǎn)能力是超過它的消費能力的，但是有專家表示，在未來的汽車能源領(lǐng)域，甲醇作為汽車能源的代替產(chǎn)品，將有無可替代的作用。再者，通過甲醇來制作合成的相關(guān)有機產(chǎn)物也有很多，也會促進甲醇相關(guān)工業(yè)技術(shù)的進步和優(yōu)化[12][13]。1.7.1裝備擴大化生產(chǎn)國外的甲醇生產(chǎn)原料多數(shù)以天然氣為主，其特點主要是產(chǎn)量高，效率高，生產(chǎn)設(shè)備大型化或超大型；而我國甲醇的生產(chǎn)主要原料絕大部分為煤炭，只有少數(shù)企業(yè)以天然氣或重油為原料進行小規(guī)模生產(chǎn)。煤炭相比于天然氣生產(chǎn)工藝更復(fù)雜，產(chǎn)生的廢料更多，對環(huán)境的污染更大。其次，我國多數(shù)甲醇生產(chǎn)基地都以小型化工，生產(chǎn)單一的產(chǎn)品為主；生產(chǎn)設(shè)備損耗高，合成工藝落后，運行成本高等不足之處；這種產(chǎn)品生產(chǎn)工藝較為落后，缺口產(chǎn)品量還需從外國買進來。截至今年，咱們國內(nèi)不斷通過本國相關(guān)研究所和高校自主研發(fā)和在國外企業(yè)學(xué)習(xí)最新的科學(xué)生產(chǎn)技術(shù)，研發(fā)和引進相關(guān)的生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)路線，使得國內(nèi)的有關(guān)企業(yè)和生產(chǎn)廠家普遍都使用了優(yōu)點較多的低壓法甲醇生產(chǎn)裝置；我國甲醇生產(chǎn)所用法的催化劑研究也處于世界領(lǐng)先水平，自主研制的生產(chǎn)工藝也有了相當(dāng)大的進步[12][13]。生產(chǎn)裝備是主要的技術(shù)問題，應(yīng)當(dāng)加緊實現(xiàn)裝備大型化是重中之重。1.7.2基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)任務(wù)上世紀(jì)二十年代到六十年代甲醇的合成工藝主要以高壓法為主，直到七八十年代以后，高壓法逐漸被低壓法生產(chǎn)工藝替代；如今，液體甲醇的優(yōu)勢慢慢體現(xiàn)出來，其擁技術(shù)開發(fā)和引領(lǐng)經(jīng)濟發(fā)展的兩座大山。在以后甲醇工業(yè)發(fā)展中，液體甲醇生產(chǎn)技術(shù)和氣體甲醇生產(chǎn)技術(shù)會發(fā)生類似于低壓法和高壓法一樣的碰撞，前者將會逐漸代替后者，成為主流技術(shù)。當(dāng)前任務(wù)一方面是重點擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的成熟的液相甲醇合成技術(shù)，另一方面是在自主研發(fā)的同時，關(guān)注全球甲醇合成技術(shù)的尖端技術(shù)[12][13]。相關(guān)催化劑也是必要的基礎(chǔ)研究。1.7.3投資影響截至目前為止，甲醇的利潤雖然由于近幾年的自然災(zāi)害的增多和下游新開發(fā)產(chǎn)品減少，使得利潤有所下滑，但總的來說，還是比較可觀的。近些年新建廠家也在不斷增多，自2006年有超過十余家新廠在規(guī)劃建設(shè)中。甲醇項目雖然很熱，但投資生產(chǎn)仍需要通過仔細調(diào)查市場，謹(jǐn)慎投資，不然甲醇市場一旦產(chǎn)能過剩，勢必導(dǎo)致有些生產(chǎn)廠家分崩離析[12]。因此，投資甲醇市場，仍需要認真考量。已探明的我國煤炭資源儲量大約有2.6萬億噸之多，總體質(zhì)量可以算是較好的，所以，煤制甲醇是我國可以大面積進行工業(yè)生產(chǎn)的有機化工產(chǎn)品之一。世界石油產(chǎn)量在不斷縮減，甲醇成為石油的初始代替品指日可待。甲醇還可以合成乙烯等重要有機原料。從當(dāng)前市場了解到，甲醇制取的相關(guān)烯烴產(chǎn)物的經(jīng)濟效果還是很可觀，與石油的分餾產(chǎn)物石腦油制成的烯烴產(chǎn)物的經(jīng)濟效益可以相媲美[13]。所以，從長遠的戰(zhàn)略角度來講，煤制甲醇的工業(yè)發(fā)展對國家未來的發(fā)展的具有重要的含義。2甲醇工藝和催化劑選擇2.1合成方法可取性2.1.1工藝方法選取產(chǎn)品核心原料的是CO和H2。在催化環(huán)境中，通過壓縮機送入合成塔，在塔中混合氣反應(yīng)生成粗的甲醇產(chǎn)品和少量副產(chǎn)物，再經(jīng)過一系列單元操作最終到甲醇的成品。在上一章的敘述中已經(jīng)闡述介紹了三種普遍常用的甲醇合成方法，通過一系列比較，的出低壓法相對于另外兩種方法，其優(yōu)點明顯，擁有較高的甲醇收率，生產(chǎn)成本，投資成本，設(shè)備的制造都比較低?？傮w來說，低壓法擁有顯著的優(yōu)越性。表2.1三種甲醇合成法的比較高壓法中壓法低壓法生產(chǎn)壓力生產(chǎn)溫度使用催化劑通過上表得出，甲醇的低壓生產(chǎn)工藝使用消耗低，成本，收率，操作剛需，使用的器械裝備等都有明顯的優(yōu)勢。因此本文用低壓生產(chǎn)工藝。2.1.2甲醇合成塔的選擇合成塔是甲醇生產(chǎn)的核心設(shè)備，也是合成氣的主來源設(shè)備。另外，換熱器，水冷器，分離器也是主要設(shè)備。合成塔的選型設(shè)計決定了一套甲醇的生產(chǎn)系統(tǒng)裝置。國際上通用的五大低壓生產(chǎn)甲醇的合成裝備有德國Lurgi公司研發(fā)生產(chǎn)的一套管屬型蒸汽合成塔，這種合成塔既能當(dāng)反應(yīng)設(shè)備使用，又可以作為能量生產(chǎn)設(shè)備。其內(nèi)部溫度均勻，可通過產(chǎn)生的蒸汽靈活控制其反應(yīng)溫度和壓力，設(shè)備的反應(yīng)熱量可高效利用，產(chǎn)出的粗甲醇含量較高，雜質(zhì)少等優(yōu)點；ICI多段冷激式甲醇反應(yīng)器

，這種反應(yīng)器的單塔生產(chǎn)能力比較大，適合大型甲醇化工生產(chǎn)，可控溫度，催化劑的裝填拆卸比較方便，但反應(yīng)率不高，而且只能攝取低勢能能量。第三種反應(yīng)器是第一種反應(yīng)器的改型設(shè)備，一次轉(zhuǎn)化率高，可回收高位熱能；Topsoe（托普索）合成反應(yīng)裝備由三臺徑向的擁有隔熱特性塔器組成，每個合成塔之間都裝備有一個換熱設(shè)備，送出熱量，可增大控訴來提高一定的產(chǎn)量，適合大規(guī)模的增產(chǎn)生產(chǎn)，單塔生產(chǎn)可達每天2000噸的量；林德等溫型甲醇合成反應(yīng)器類似于螺旋盤管換熱器，塔內(nèi)的熱通過與其內(nèi)部的換熱管道交換將其移出到外部，其優(yōu)點是操作溫度基本等溫，不存在催化劑過熱失效的可能，再者其傳熱系數(shù)較大。通過以上分析比較，Lurgi管殼式甲醇合成塔的特點適合于本次設(shè)計使用，再者現(xiàn)在的甲醇生產(chǎn)廠家應(yīng)用的技術(shù)都是Lurgi工藝，比較成熟。因此我設(shè)計所用的合成塔技術(shù)也是這種。2.2確定催化劑種類常用的催化劑種類相關(guān)特性如下所示表2.2銅基和鋅鉻催化劑異同點[14]選項優(yōu)勢不足銅基催化劑活性好不受熱產(chǎn)率高容易中毒鋅基催化劑高溫穩(wěn)定性好不易中毒反應(yīng)溫度高以上對比我們可以看出，銅基催化劑較好。而且相關(guān)技術(shù)工藝都已經(jīng)很成熟，銅基催化劑已經(jīng)得到了行業(yè)的肯定并且應(yīng)用到80%以上的廠家。由我國化工研究所研發(fā)的中國,這種催化劑屬于納米負載型催化劑，特點具有較小的密度，且孔容率比其他催化劑大，使用強度高，適用于多種環(huán)境下，穩(wěn)定性和選擇性好等優(yōu)點，符合本次設(shè)計要求，所以采用該催化劑。型低壓甲醇合成催化劑的物性情況[16]如下:表面：與金屬類似的光澤，形狀為圓柱體裝填密度：外形大?。撼惺苣芰Υ呋瘎┑挠嘘P(guān)狀態(tài)：℃左右時的收率為大約℃的收率應(yīng)在左右。如果在常規(guī)安全操作下，催化劑則可長年使用。2.3操作要求2.3.1反應(yīng)溫度塔內(nèi)的溫度環(huán)境對進入混合反應(yīng)氣的平衡常數(shù)和進程快慢有嚴(yán)重的干擾因素。合成甲醇的原料主要是CO和H2，該反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度越高，反應(yīng)的越快，但是其中的某些關(guān)鍵參數(shù)就會降低，例如混合氣的平衡常數(shù)。因此，該合成反應(yīng)的關(guān)鍵問題就是反應(yīng)溫度的確定。另外，所有選用催化劑參加的反應(yīng)，與原料的種類和操作條件相關(guān)聯(lián)，反應(yīng)溫度為。2.3.2反應(yīng)壓力 壓力是每個反應(yīng)中很重要的一個參數(shù)，它決定反應(yīng)的平衡是否向正確的方向進行。原料反應(yīng)壓力降低，應(yīng)該及時升高壓強；同時各個物料的分壓和催化劑強度也相對提高。和所選催化劑的壓力在，所以，本次設(shè)計的進塔壓力為。2.3.3空速影響空速的因素有很多，主要是內(nèi)部反應(yīng)的環(huán)境溫度及所使用催化劑的活性要求。催化劑的基本要求即在塔內(nèi)發(fā)生合成時其混合氣的空速必須達標(biāo)，國內(nèi)使用的自主研發(fā)的催化劑標(biāo)準(zhǔn)空速應(yīng)達到，空速過大或過小都對反應(yīng)有不同的影響；不同的催化劑都需要設(shè)定的空速來達到其使用要求，本設(shè)計采用的型催化劑要求的空速為，本次設(shè)計空速為。2.4合成工藝流程的確定本次設(shè)計將采用由上世紀(jì)70年代GDR研發(fā)并投入商用的GSP原煤氣化工藝。與其他類似技術(shù)比較，該技術(shù)工藝是在爐頂投料加進干粉原料，同時在爐內(nèi)的氣化室周圍都裝有冷卻系統(tǒng)，此投料工藝和冷卻方式更加先進和合理。這種氣化系統(tǒng)主要是由氣化設(shè)備，進料設(shè)備，洗滌設(shè)備構(gòu)成。經(jīng)篩選后的原煤被研磨碾壓為約的顆粒后，通過干燥后，通過輸送帶送給到氣化爐燒嘴處。被同時送到的還有純氧和水蒸汽，之后全部被投放到氣化室內(nèi)進行反應(yīng)，在嚴(yán)苛的溫度和壓力下，大部分都氣化為原料氣，只有極小部分隨著反應(yīng)后的廢料被投送出去。原料氣主要是由一氧化碳和氫氣組成的高溫粗煤氣，之后經(jīng)過冷卻室和外部分離器將主要成分和雜質(zhì)分離，分離的煤氣在進入凈化工段，然后將凈化后的煤氣送入合成塔進行之后的系列反應(yīng)。2.4.2合成氣合成工段經(jīng)過一系列凈化變換除硫操作后，干凈的原料氣通過離心泵的加壓，使氣體壓強增至，溫度達到,再次經(jīng)離心泵加壓至，與反應(yīng)器中出來的氣體換熱，是溫度達到，然后混合氣通過管程進入合成塔與催化劑混合，發(fā)生合成反應(yīng)。合成氣再進入殼程，溫度為，與的冷卻介質(zhì)水蒸氣進行換熱，是溫度降到。然后進入水冷器降溫至，冷卻后的粗甲醇進入分離器分離。小部分粗甲醇進入精餾裝置精制，其余大部分的分離氣經(jīng)壓縮后返回合成塔繼續(xù)反應(yīng)。另外，對于從合成塔分離出來的粗甲醇，本次設(shè)計采用的精餾方案選用收率相對較高的三塔聯(lián)合精餾工藝進行操作；精餾設(shè)備包括填料型精餾塔，篩板加壓精餾塔，篩板常壓精餾塔，以及若干換熱器，進料泵，冷卻器等設(shè)備。圖2.1甲醇生產(chǎn)工藝方框圖3物料衡算3.1合成甲醇反應(yīng)方程主反應(yīng)：副反應(yīng)：一氧化碳和氫氣是合成甲醇的主要組成物質(zhì)，而二氧化碳主要是通過逆反應(yīng)變換成CO，而且進入合成塔的的量在正常的開車生產(chǎn)狀態(tài)是低于以下的，所以不納入計算范圍。3.2反應(yīng)塔物料衡算通過任務(wù)書可知每年生產(chǎn)58萬噸產(chǎn)品，按一年上天班次算，一日安排三班倒工作制。根據(jù)計算可得，每小時精甲醇的產(chǎn)量為。因本設(shè)計采用的是三塔精餾工藝，精甲醇的純度為99.95%，已知三塔精餾工藝的精甲醇收率可達到97%。通過計算得入精餾塔的粗甲醇質(zhì)量流量為。表3.1精甲醇的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)組成甲醇()二甲醚異丁醇水含量%單位時間產(chǎn)量：工藝生產(chǎn)每噸粗甲醇可帶出（標(biāo)況），即為甲烷。則甲烷的每小時產(chǎn)量為：故實際生成的水的量為資料顯示，，成分溶解率示下表：表3.2每噸粗甲醇合成氣的溶解情況根據(jù)數(shù)據(jù)測試，時的液態(tài)甲醇中放出的等氣體中每立方有甲醇氣體。：3.3合成組分計算表3.3各弛放成分含量[17]表3.4原料消耗消耗反應(yīng)組分kmol/hCO2H2式12764.21-5528.42式37.24-14.48式430.08-90.24式51.24-2.48式6255.11255.11255.11表3.5生成物量產(chǎn)物CH4CH3OH(CH3)2OC4H9OHH2O式1式3式4式5式6表3.6余量3.4馳放氣和新鮮氣表3.7原料氣續(xù)表惰性氣體組分百分?jǐn)?shù)一般保持在0.41%左右，且在工藝的全過程中都維持原有狀態(tài)，即。則得出馳放氣G的量為,可算出新鮮氣的量為。表3.8馳放氣表3.9新鮮氣組成3.5計算物料循環(huán)量整理得：合成器出產(chǎn)品率則：表3.10組分循環(huán)量3.6出塔氣和入塔氣累加后總計為：表3.11入料組成出塔氣=入塔氣量-反應(yīng)消耗量+反應(yīng)生成量：出塔氣總量為：。表3.12出塔氣的組成續(xù)表ArCH4(CH3)2OC4H9OHH2O2.185.560.00680.000590.551152.722941.163.620.00059289.743.7分離器出口組分流量：即表3.13氣相成分則計算得：表3.14液體組成3.8貯罐氣儲罐氣組分如下：表3.15貯罐氣組成H2COCO2N2ArCH427.915.2550.733.751.5610.8017.183.2331.232.310.966.654熱量衡算4.1合成塔熱量計算公式全塔熱量平衡計算公式：其中:入塔氣熱量，主副反應(yīng)熱量，出塔氣熱量，損失熱，蒸汽換出熱量，入塔氣組分流量，入塔組分比熱容，入塔氣溫度，其中：出塔氣組分流量，出他組分熱熔，出塔氣溫度，其中各代表的是甲醇，甲烷，二甲醇，異丁醇，和水的生成熱，。4.1.1物料進塔熱量在，定壓狀態(tài)組分?jǐn)?shù)據(jù)為：表4.1氣體組分甲醇氫氣一氧化碳二氧化碳氮氣氬氣甲烷根據(jù)公式計算：表4.2入塔組分熱每小時入塔熱：入塔總熱：4.1.2合成塔反應(yīng)熱由公式計算：表4.3各組分生成熱甲醇二甲醚異丁醇甲烷一氧化碳續(xù)表每小時生成熱：4.1.3出塔熱量在下氣體熱容：表4.4氣體組分據(jù)算出塔氣熱量：表4.5出塔氣每小時出塔熱：則：4.2塔總熱熱損為5%則：4.3蒸汽換熱蒸汽換出熱：蒸汽初溫，末溫；由《化工工藝手冊》[19],得蒸氣熱容。由計算：表4.6熱量平衡4.4換熱器4.4.1換熱器進口熱量設(shè)備進口的初溫℃，由算得：表4.7換熱器數(shù)據(jù)結(jié)果如下：則4.4.2物料帶出換熱器的熱量前期計算得，出換熱器熱量與入合成塔熱量相當(dāng)。4.5換熱器4.5.1出塔氣進入換熱器的熱量假設(shè)管道無能量損失，即根據(jù)能量守恒，從合成塔出來的氣體攜帶的熱量就等于從換熱器入口進入的熱量：。4.5.2出換熱器的出合成塔氣的熱量依據(jù)能量守恒原則，出合成塔氣攜帶的熱量進入換熱器后會減少，而減少的那一部分用來加熱進入換熱器的合成氣，即出塔氣減少量為合成氣的增加量。即：可計算出換熱器的出口熱量：氣體溫度：設(shè)從合成塔出來的出塔氣體和在換熱器換熱完畢從出口出來的合成氣熱容相等，即：出口溫度：,末溫。4.6水冷器4.6.1送入熱量當(dāng)氣體離開塔體后，本身熱量還是與進入水冷器熱量一樣，即。4.6.2水冷器送出的熱量經(jīng)過換熱器加工操作后的出塔氣進入水冷器，進行熱量交換，氣體溫度從60.75℃變到40℃。而甲醇此刻以兩種狀態(tài)存在，一種為氣態(tài)，另一種為液體狀態(tài)；副產(chǎn)物包括甲醚液體，異丁醇液體，還有液態(tài)水；而其他成分皆是氣體。通過查閱資料得到的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在時的相關(guān)比熱容和熱量計算結(jié)果如下表所示：表4.8水冷器帶出熱量(汽)續(xù)表(液)(液)(液)(液)（1）出口氣體（2）出口液體4.6.3冷水量冷水初溫℃，末溫℃，則：需量：4.7分離器熱量參數(shù)計算（1）帶入熱量（2）氣體帶出熱量（3）液體帶出熱量5主設(shè)備計算5.1催化劑一小時的入塔氣總量為，即，假設(shè)氣體的空速為。則：5.2合成塔5.2.1計算換熱面積每小時傳熱量：傳熱系數(shù)：進塔氣初溫℃，末溫℃；蒸汽初溫℃，末溫℃，溫差：由得：5.2.2計算換熱管參數(shù)在《化工機械設(shè)備基礎(chǔ)》[20]這本資料中閱讀到換熱管的材料應(yīng)該使用00Cr18Ni5Mo3Si2這種材料做成的無縫鋼管，使用的長度大概是12000mm，按照三角擺布。則鋼管的數(shù)量為設(shè)備操作單另設(shè)置18根應(yīng)急操作桿，實際換熱管需15513根。5.2.3計算塔徑公式：其中：D→管徑,mm

a→兩管距離，mmb→對角線管數(shù)

L→管子中心距其中管道中心間距：塔徑：圓整：。5.2.4塔壁計算設(shè)計將用雙面焊的方法，優(yōu)勢是可以使塔體和封頭的連接姐更加精密結(jié)實，全塔探傷，。在℃時，飽和水蒸汽氣壓，即，。所以?。簞t：附加壁厚：名義厚度圓整后得。5.2.5主體外殼液壓校核在認定安全的運行狀態(tài)中，設(shè)備的許用應(yīng)力為。算得：則：材料屈服點：裝備壓應(yīng)力為：即因，可以使用。外殼最大應(yīng)力即設(shè)計合理。5.2.6封頭計算經(jīng)在所有封頭種類中篩選，此裝備所選擇的封頭是橢圓封頭，其中封頭直邊高度設(shè)計為，所以取值的形狀系數(shù)為，為建造設(shè)備而通過篩選所用的材料為，計算得到的封頭內(nèi)徑為。封頭壁厚：附加厚度：設(shè)計壁厚：圓整為100mm，設(shè)計封頭的最大壓力為：所以封頭規(guī)格為：5.2.7塔高的計算管殼式換熱器中最重要得部分之一就是管板。管板直徑：厚度：設(shè)計選擇的設(shè)備底座經(jīng)篩選確定為裙座，其厚度為45mm長度為2800mm。折流板間距為2200mm，數(shù)量為6塊。因此，計算得該合成塔塔高為：表5.1合成塔數(shù)據(jù)主體內(nèi)徑mm6700換熱管數(shù)目15531壁厚mm100長度mm12000半球封頭內(nèi)徑mm6700規(guī)格mm38×2.5厚度mm100折流板數(shù)量6操作桿直徑mm12長度mm2100數(shù)目18間距mm2000H=17434mm5.3換熱器（1）換熱器增加量：總傳熱系數(shù)：，能量交換過程采用相反流向換熱出塔氣→合成氣→平均溫差：由可得：換熱器制造材料和規(guī)格大小選擇的是大小的無焊接頭的連續(xù)無縫管料。長約，似正三角擺放。據(jù)已知數(shù)據(jù)算出：計算出對角線所用的管數(shù)：則：圓整得。設(shè)備的封頭和主體部分全部用雙面焊接的辦法連接起來。焊接系數(shù)：合成氣進入殼程，進入壓力為5.2MP，則，，℃時。則壁厚：附加厚度設(shè)計厚度圓整（4）兩邊封頭均采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，根據(jù)JB/T4746-2002標(biāo)準(zhǔn)[21]，封頭格為,曲高,直高。采用的材料為。（5）該設(shè)備采用弓形折流板，材料使用，折流板的最大高度。取間距為5025mm，則共要折流板20塊，拉桿數(shù)60，直徑為40mm。換熱器數(shù)據(jù)匯總?cè)缦拢罕?.2換熱器數(shù)據(jù)主體內(nèi)徑mm6700換熱管數(shù)目15231厚度mm100管長9000橢圓封頭內(nèi)徑mm6700尺寸mm38X25厚度mm100折流板數(shù)量20拉桿直徑mm40長度mm5025數(shù)量18間距mm50255.4水冷器的計算（1）水冷器能量互換，,傳熱系數(shù)：溫度變化：