甲醇合成工段工藝設(shè)計(jì)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）

1、內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）題 目 年產(chǎn)十萬(wàn)噸甲醇合成工段工藝設(shè)計(jì) 專(zhuān) 業(yè) 應(yīng)用化工技術(shù) 班 級(jí) 化工11-6班 姓 名 田慧 學(xué) 號(hào) 111016060 指導(dǎo)教師 張曉蕾 目 錄摘 要1第一章 綜述21.1 甲醇在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位與作用21.2 甲醇生產(chǎn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展21.3 甲醇合成生產(chǎn)方法的綜述及選擇31.3.1 高壓法31.3.2 低壓法31.3.3 中壓法31.3.4 合成方法的選擇3第二章 甲醇合成工段設(shè)計(jì)42.1 甲醇的性質(zhì)42.1.1 甲醇的物理性質(zhì)42.1.2 甲醇的化學(xué)性質(zhì)42.2甲醇合成工段設(shè)計(jì)62.2.1 甲醇合成反應(yīng)的主要原理及特點(diǎn)62.2.2 甲醇合成

2、工藝條件的選擇62.2.3 工藝流程的確定8第三章 工藝計(jì)算103.1甲醇生產(chǎn)的物料平衡計(jì)算103.1.1合成塔物料平衡計(jì)算103.2 熱量衡算163.2.1 甲醇合成塔的熱平衡計(jì)算163.2.2水冷器熱量衡算19第四章 設(shè)備的選型234.1 合成塔234.2輔助設(shè)備254.2.1 熱交換器254.2.2其它設(shè)備25致 謝27參考文獻(xiàn)28附錄一 甲醇合成流程圖29附錄二 合成塔30摘 要甲醇是一種重要的有機(jī)化工原料，應(yīng)用廣泛，可以用來(lái)生產(chǎn)甲醛，合成橡膠、甲胺、對(duì)苯二甲酸二甲酯、甲基苯烯酸甲酯、氯甲烷、醋酸、甲基叔丁基醚等一系列有機(jī)化工產(chǎn)品，而且還可以加入汽油摻擾或代替汽油作為動(dòng)力燃料以及由用來(lái)

3、合成甲醇蛋白。隨著當(dāng)今世界石油資源的日益減少和甲醇單位成本的降低，用甲醇作為新的石化原料來(lái)源已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。此外甲醇還可以用來(lái)生產(chǎn)能較好解決能源和污染之間矛盾的“21世紀(jì)的綠色燃料”二甲醚（dme）。本文依據(jù)年產(chǎn)10萬(wàn)噸甲醇的工藝，設(shè)計(jì)年產(chǎn)10萬(wàn)噸甲醇的合成工段工藝。關(guān)鍵詞：原料氣 甲醇 合成塔 合成 第一章 綜述1.1 甲醇在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位與作用甲醇生產(chǎn)過(guò)程比較簡(jiǎn)單，原料來(lái)源多樣,煤、石腦油和天然氣均可制甲醇。甲醇用途廣泛,它的下游產(chǎn)品多達(dá)幾百種。近年來(lái)由于世界各國(guó)環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng),特別是美國(guó)國(guó)會(huì)于1990年11月15日通過(guò)清潔空氣法修正案以后,甲醇的身價(jià)備增,全球甲醇的需求增長(zhǎng)加快。甲醇

4、用途廣泛，是基礎(chǔ)的有機(jī)化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料。主要應(yīng)用于精細(xì)化工，塑料等領(lǐng)域，用來(lái)制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲酯等多種有機(jī)產(chǎn)品，也是農(nóng)藥、醫(yī)藥的重要原料之一。甲醇在深加工后可作為一種新型清潔燃料，也加入汽油摻燒。甲醇和氨反應(yīng)可以制造一甲胺。近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的改變，甲醇又開(kāi)辟了許多新的用途。甲醇是較好的人工合成蛋白的原料，蛋白轉(zhuǎn)化率較高，發(fā)酵速度快，無(wú)毒性，價(jià)格便宜；目前，世界上已有年產(chǎn)10萬(wàn)噸甲醇制蛋白的工業(yè)裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)，年產(chǎn)30萬(wàn)噸的大型裝置已經(jīng)設(shè)計(jì)。甲醇是容易輸送的清潔燃料，可以單獨(dú)或與汽油混合作為汽車(chē)燃料，用它作為汽油添加劑可起節(jié)約芳烴、提高辛烷值的作用，汽車(chē)制造業(yè)將

5、成為耗用甲醇的巨大部門(mén)；由甲醇轉(zhuǎn)化為汽油方法的研究成果，從而開(kāi)辟了由煤轉(zhuǎn)換為汽車(chē)燃料的途徑。甲醇是直接合成醋酸的原料。甲醇可直接用于還原鐵礦（甲醇可以預(yù)先分解為co、h2，也可以不作預(yù)分解），得到高質(zhì)量的海綿鐵。特別是近年來(lái)碳一化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，甲醇制乙醇、乙烯、乙二醇、甲苯、二甲苯、醋酸乙烯、醋酸酐、甲酸甲酯和氧分解性能好的甲醇樹(shù)脂等產(chǎn)品，正在研究開(kāi)發(fā)和工業(yè)化中。甲醇化工已成為化學(xué)工業(yè)中一個(gè)重要的領(lǐng)域。1.2 甲醇生產(chǎn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展（1）二次轉(zhuǎn)化和自轉(zhuǎn)化工藝合成氣發(fā)生占甲醇裝置總投資的5060，所以許多工程公司將其視為技術(shù)改進(jìn)重點(diǎn)。已經(jīng)形成的新工藝主要是synetix(前ici)的先進(jìn)天然氣加

6、熱爐轉(zhuǎn)化工藝(aghr)、lurgi的組合轉(zhuǎn)化工藝(cr)和topse的自熱轉(zhuǎn)化工藝(atr)。（2）新甲醇反應(yīng)器和合成技術(shù)大型甲醇生產(chǎn)裝置必須具備與其規(guī)模相適應(yīng)的甲醇反應(yīng)器和反應(yīng)技術(shù)。傳統(tǒng)甲醇合成反應(yīng)器有ici的冷激型反應(yīng)器、lungi的管殼式反應(yīng)器、topsdpe的徑向流動(dòng)反應(yīng)器等 近期出現(xiàn)的新合成甲醇反應(yīng)器有日本東洋工程(tec)的mrfz反應(yīng)器等，而反應(yīng)技術(shù)方面則出現(xiàn)了lurgi推出的水冷一氣冷相結(jié)合的新流程。（3）引進(jìn)膜分離技術(shù)的反應(yīng)技術(shù)通常的甲醇合成工藝中，未反應(yīng)氣體需循環(huán)返回反應(yīng)器，而kpt則提出將未反應(yīng)氣體送往膜分離器，并將氣體分為富含氫氣的氣體，前者作燃料用，后者返回反應(yīng)器。

7、 （4）液相合成工藝傳統(tǒng)甲醇合成采用氣相工藝，不足之處是原料單程轉(zhuǎn)化率低、合成氣凈化成本高、能耗高。相比之下，液相合成由于使用了比熱容高、導(dǎo)熱系數(shù)大的長(zhǎng)鏈烷烴化合物作反應(yīng)介質(zhì)，可使甲醇合成在等溫條件下進(jìn)行。1.3 甲醇合成生產(chǎn)方法的綜述及選擇 1.3.1 高壓法 高壓法（19.629.4mpa）：是最初生產(chǎn)甲醇的方法，采用鋅鉻催化劑，反應(yīng)溫度360400，壓力19.629.4mpa。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(lái)處于停頓狀態(tài)。1.3.2 低壓法低壓法（5.08.0mpa）：是20世紀(jì)60年代后期發(fā)展起來(lái)的甲醇合成技術(shù)。低壓法基于高

8、活性的銅系催化劑，其活性明顯高于鋅鉻催化劑，反應(yīng)溫度低（240-270）。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，降低了原料的消耗。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。1.3.3 中壓法中壓法（9.812.0mpa）：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系催化劑，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。1.3.4 合成方法的選擇本設(shè)計(jì)所采用的合成方法：比較以上三者的優(yōu)缺點(diǎn)，以投資成本，生產(chǎn)成本，產(chǎn)品收率為依據(jù)，選擇

9、低壓法為生產(chǎn)甲醇的工藝，用co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：co+h2ch3oh。第二章 甲醇合成工段設(shè)計(jì)2.1 甲醇的性質(zhì) 2.1.1 甲醇的物理性質(zhì)無(wú)色、透明、高度揮發(fā)、易燃液體。略有酒精氣味。分子式 ch3oh、分子量32.04、相對(duì)密度0.792(20/4)、熔點(diǎn)-97.8、沸點(diǎn)64.5、閃點(diǎn) 12.22、自燃點(diǎn)463.89、蒸氣密度 1.11、蒸氣壓 13.33kpa(100mmhg 21.2)。蒸氣與空氣混合物爆炸下限 636.5% 。能與水、乙醇、乙醚、苯、酮、鹵代烴和許多其他有機(jī)溶劑相混溶。遇熱、明火或氧化劑易著火。遇明火會(huì)爆炸，在空氣中甲醇蒸汽的

10、爆炸極限6.036.5%（體積）。甲醇是最常用的有機(jī)溶劑之一。與水互溶且體積縮小，能與乙醇、乙酸等多種有機(jī)溶劑互溶，甲醇為有毒化工產(chǎn)品。有顯著的麻醉作用，對(duì)視神經(jīng)危害最為嚴(yán)重，吸入濃的甲醇蒸汽時(shí)會(huì)出沉醉、頭痛、惡心、嘔吐、流淚、視力模糊和眼痛等，需要數(shù)日才能恢復(fù)，空氣中允許濃度為0.05mg/l,極限允許濃度在空氣中為2000ppm。甲醇的一般性質(zhì)列于表2-1表2-1 甲醇的一般性質(zhì)性 質(zhì)數(shù) 據(jù)性 質(zhì)數(shù) 據(jù)密度 g/ml（0)0.8100臨界壓力 pa79.54105沸點(diǎn) 64.564.7蒸汽壓 pa（20)1.2879104熔點(diǎn) -97.8黏度 pas（20)5.94510-4自燃點(diǎn)（空氣中

11、)473膨脹系數(shù)（20)0.00119臨界溫度 240爆炸性（空氣中）6.036.5%（vol）蒸發(fā)潛熱 kj/mol（64.7）35.295腐蝕性除鉛、鋁外，常溫下無(wú)腐蝕性 2.1.2 甲醇的化學(xué)性質(zhì)甲醇具有脂肪醇的化學(xué)性質(zhì)，即可進(jìn)行氧化、酯化、羰基化，氨化、脫水等反應(yīng)。甲醇裂解產(chǎn)生co和h2，是制備co和h2的重要化學(xué)方法。（1）氧化反應(yīng) 甲醇在電解銀催化劑上可被空氣氧化成甲醛，是重要的工業(yè)制備甲醛的方法。 ch3oh+ 0.5ho2hcho + h2o 甲醇完全燃燒時(shí)氧化成co和ho，放出大量的熱： ch3oh +o2co2+ h2o + 726.55 kj/mol （2）酯化反應(yīng) 甲醇

12、和硝酸作用生成硝酸甲酯 ch3oh +hno3ch3no3+ h2o（3） 羰基化反應(yīng) 甲醇和光氣發(fā)生羰基化反應(yīng)生成氯甲酸甲酯，進(jìn)一步反應(yīng)生成碳酸二甲酯：ch3oh + cocl2ch3ococl + hclch3ococl + ch3oh（ch3o）2co（4） 胺化反應(yīng) 在壓力520mpa,溫度370420下，以活化氧化鋁或分子篩催化劑，甲醇和氨發(fā)生反應(yīng)生成一甲胺，二甲胺和三甲胺的混合物，經(jīng)精餾分離可得一甲胺，二甲胺和三甲胺一甲胺，二甲胺和三甲胺產(chǎn)品。ch3oh + nh3ch3nh2 + h2o2ch3oh + nh3(ch3）2nh + 2h2o3ch3oh + nh3(ch3）3+

13、3h2o（5）脫水反應(yīng) 甲醇在高溫和酸性催化劑如zsm-5，r-al2o3 作用下分子間脫水生成二甲醚：2ch3oh(ch3）2o+h2o（6）裂解反應(yīng) 在銅催化劑上，甲醇可裂解成co和h2： ch3ohco+h2 (7 ) 氯化反應(yīng) 甲醇和氯化氫在zn/zro催化劑上發(fā)生氯化反應(yīng)生成一氯甲烷：ch3oh+hclch3cl+h2o氯甲烷和氯化氫在ch3cl2 / zro2催化劑作用下進(jìn)一步發(fā)生氧氯化反應(yīng)生成二氯甲烷和三氯甲烷。ch3cl2+hcl+0.5o 2chcl3 +h2och3oh+hcl+0.5o 2ch2cl 2 +h2o(8 ) 其他反應(yīng) 甲醇和苯在3.5mpa，350380反應(yīng)

14、條件下，在催化劑的作用下可生成甲苯：ch3oh+c6h6c6h5ch3+h2o220，20mpa下，甲醇在鈷催化劑的作用下發(fā)生同系化發(fā)反應(yīng)生成乙醇：ch3oh+co+h2ch3choh+h2o2.2甲醇合成工段設(shè)計(jì)2.2.1 甲醇合成反應(yīng)的主要原理及特點(diǎn) 造氣工段：使用二步法造氣 ch4+h2o(氣)co+3h2-205.85 kj/mol ch4+o2co2+2h2+109.45 kj/mol ch4+o2co+2h2+35.6 kj/mol ch4+2o2co2+2h2o+802.3 kj/mol 合成工段：5mpa下銅基催化劑作用下發(fā)生一系列反應(yīng) 主反應(yīng) ： co+2h2ch3oh+10

15、2.37 kj/kmol副反應(yīng)： 2co+4h2(ch3o)2+h2o+200.3 kj/kmol co+3h2ch4+ h2o+115.69 kj/kmol 4co+8h2c4h9oh+3h2o+49.62 kj/kmol-(a) co+h2co +h2o-42.92 kj/kmol除（a）外，副反應(yīng)的發(fā)生，都增大了co的消耗量，降低了產(chǎn)率，故應(yīng)盡量減少副反應(yīng)。2.2.2 甲醇合成工藝條件的選擇 1反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度影響反應(yīng)速度和選擇性。由合成氣合成甲醇的反應(yīng)為可逆放熱反應(yīng)，其總速度是正、逆反應(yīng)速度之差。隨著反應(yīng)溫度的增加，正、逆反應(yīng)的速度都要增加，但是吸熱方向（逆反應(yīng)）反應(yīng)速度增加的更多。因

16、此，可逆放熱反應(yīng)的總速度的變化有一個(gè)最大值，此最大值對(duì)應(yīng)的溫度即為“最適宜溫度”，它可以從反應(yīng)速度方程式計(jì)算出來(lái)。實(shí)際生產(chǎn)中的操作溫度取決于一系列因素，如催化劑、壓力、原料氣組成、空間速度和設(shè)備使用情況等，尤其取決于催化劑。高壓法鋅鉻催化劑上合成甲醇的操作溫度是低于最適宜溫度的。在催化劑使用初期為380390，后期提高到390420。溫度太高，催化劑活性和機(jī)械強(qiáng)度很快下降，而且副反應(yīng)嚴(yán)重。低、中壓合成時(shí)，銅催化劑特別不耐熱，溫度不能超過(guò)300，而200以下反應(yīng)速度又很低，所以最適宜溫度確定為240270。反應(yīng)初期，催化劑活性高，控制在240，后期逐漸升溫到270。合成甲醇反應(yīng)屬放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱

17、必須及時(shí)移出，以避免催化劑升溫過(guò)高產(chǎn)生燒結(jié)現(xiàn)象，使催化劑活性下降，同時(shí)避免副反應(yīng)增加。因此在低壓法合成甲醇時(shí)，必須嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度，及時(shí)有效地移走反應(yīng)熱。2.反應(yīng)壓力一氧化碳加氫合成甲醇的主反應(yīng)與副反應(yīng)相比，是分子數(shù)減少最多而平衡常熟最小的反應(yīng)，故壓力增加，對(duì)加快反應(yīng)速度和增加平衡濃度都十分有利。合成反應(yīng)所需壓力與催化劑類(lèi)型，反應(yīng)溫度等都有較密切的關(guān)系。當(dāng)使用zno-cr2o3作催化劑時(shí)，由于活性低，反應(yīng)溫度較高，則相應(yīng)的反應(yīng)壓力也需較高（約為30mpa），以增加反應(yīng)溫度。當(dāng)使用cuo-zno-al2o3為催化劑時(shí)，由于活性較高，相應(yīng)的反應(yīng)溫度較低，則反應(yīng)壓力也需較低（約為5mpa）。3原料氣

18、組成原料氣中氫氣和一氧化碳的比例對(duì)一氧化碳生成甲醇的轉(zhuǎn)化率也有較大影響，生產(chǎn)一般采用氫過(guò)量。氫過(guò)量可以抑制高級(jí)醇、高級(jí)烴和還原性物質(zhì)的生成，提高粗甲醇的濃度和純度。同時(shí)，過(guò)量的氫可以起到稀釋作用，且因氫的導(dǎo)熱性能好，有利于防止局部過(guò)熱和控制整個(gè)催化劑床層的溫度。但是，氫過(guò)量太多會(huì)降低反應(yīng)設(shè)備的生產(chǎn)能力。工業(yè)生產(chǎn)上采用銅基催化劑的低壓法甲醇合成，一般控制氫氣與一氧化碳的摩爾比為（2.23.0）：1。原料氣中有一定含量的二氧化碳時(shí)，可以降低反應(yīng)峰值溫度。對(duì)于低壓法合成甲醇，二氧化碳含量體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)甲醇收率最好。此外，二氧化碳的存在也可抑制二甲醚的生成。原料氣中有氮及甲烷等惰性物存在時(shí)，使氫氣及

19、一氧化碳的分壓降低，導(dǎo)致反應(yīng)轉(zhuǎn)化率下降。反應(yīng)系統(tǒng)中的惰性氣體含量保持在一定濃度范圍。工業(yè)生產(chǎn)上一般控制循環(huán)氣量為新鮮原料氣量的3.56倍。4.空速合成甲醇的空速大小，影響反應(yīng)的選擇性和轉(zhuǎn)換率。合適的空速與催化劑的活性和反應(yīng)溫度有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，空速低，物料接觸時(shí)間較長(zhǎng)，不僅會(huì)加速副反應(yīng)的發(fā)生，生成高級(jí)醇，另一方面也會(huì)使催化劑生產(chǎn)能力下降。空速高，可提高催化劑生產(chǎn)能力，減少副反應(yīng)，提高甲醇產(chǎn)品濃度。但空速太高，單程轉(zhuǎn)換率降低甲醇濃度降低，分離難度加大。一氧化碳加氫合成甲醇用銅基催化劑的低壓法，適宜的空速10000h-1左右nm3/ （m3催化劑h）。2.2.3 工藝流程的確定甲醇的合成是可逆放熱反

20、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。合成塔水冷器甲醇分離塔循環(huán)器經(jīng)過(guò)凈化的原料氣，經(jīng)預(yù)熱加壓，于5 mpa、220 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250 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2-1。 粗甲醇 馳放氣 圖2-1合成合序配置原則甲醇合成的工藝流程：這個(gè)流程是德國(guó)lurgi公司開(kāi)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5.2 mpa (以

21、1：5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220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250，含甲醇7%左右，經(jīng)過(guò)換熱冷卻到40，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)入預(yù)熱器加熱到50，帶動(dòng)透平壓縮機(jī)，透平后的低壓蒸汽作為甲醇精餾工段所需熱源。圖2-2 lurgi低壓法甲醇合成工藝流程1.透平壓縮機(jī) 2.熱交換器 3.鍋爐水預(yù)熱器 4.水冷卻器5.甲醇合成塔 6.泡氣包

22、7.甲醇分離器 8.粗甲醇貯槽第三章 工藝計(jì)算 工藝計(jì)算作為化工工藝設(shè)計(jì)，工藝管道，設(shè)備的選擇及生產(chǎn)管理，工藝條件選擇的主要依據(jù)，對(duì)平衡原料，產(chǎn)品質(zhì)量，選擇最佳工藝條件，確定操作控制指標(biāo)，合理利用生產(chǎn)的廢料，廢氣，廢熱都有重要作用。3.1甲醇生產(chǎn)的物料平衡計(jì)算3.1.1合成塔物料平衡計(jì)算本次設(shè)計(jì)中甲醇的生產(chǎn)能力為年產(chǎn)十萬(wàn)噸粗甲醇，精甲醇的成分見(jiàn)表3-1表3-1粗甲醇組成物料名稱甲醇二甲醚正丁醇水組成(wt%)90.000.011.458.55甲醇合成的主副反應(yīng):主反應(yīng)： co+2h2ch3oh+102.37kj/mol副反應(yīng)： 2co+4h2(ch3)2o+h2o+200.39kj/molco

23、+3h2ch4+h2o+115.69kj/mol4co+8h2ch4h9oh+h2o +49.62kj/molco2+h2co+h2o42.92kj/mol合成塔出塔氣中含 ch3oh：2.88%進(jìn)合成塔氣體壓力 30106貯罐氣壓力 1.610溫度t 25本次設(shè)計(jì)中的工作制度為年工作日300天，三班制生產(chǎn)。本次設(shè)計(jì)中粗甲醇每小時(shí)產(chǎn)量：100000/300248000.00kg/h1、一噸粗甲醇為例進(jìn)行物料衡算表3-2新鮮氣體的組成見(jiàn)表物料名稱co2coh2ch4n2組成(v%)2.83%28.20%65.8%1.40%1.77%水冷器后循環(huán)氣組成見(jiàn)表3-3表3-3水冷器后循環(huán)氣組成物料名稱c

24、o2coh2ch4n2組成(v%)1.50%8.93%68.57%10.80%10.20%以循環(huán)氣組成為根據(jù)由固氮工藝計(jì)算法p295圖x、xi、xii查得混合氣在粗甲醇的溶解量見(jiàn)表3-4。表3-4混合氣在粗甲醇的溶解量組分vnm3/tnm3/hkmol/tkmol/hkg/tkg/hwtco20.14715.8240.420.261.8111.4379.380.4092co0.10614.2029.170.191.305.2536.460.1879h20.491519.45135.070.876.051.7412.090.0622ch40.14665.8040.280.261.804.1428

25、.750.1483n20.10874.3029.860.191.345.3837.360.1924總計(jì)1.000039.57274.801.7712.3027.94194.041.0000以h2求解過(guò)程為例：循環(huán)氣中h2的含量為68.56%，由固氮工藝計(jì)算法p295圖xi查得每噸粗甲醇中溶解量h2量為19.50。因此 v%=19.45/39.57100%=49.15%換算為質(zhì)量： 19.45/22.42=1.74kg/t所以 wt%=1.74/27.94100%=6.22%每小時(shí)溶解氣量19.456.944=135.07nm3/h1.746.944=12.09kg/h12.09/2=6.045

26、kmol/h一噸粗甲醇中各組分含量計(jì)算：以甲醇含量計(jì)算為例：100090.00%=900.00kg/t粗（900.0032）22.4=630.00nm3/t粗根據(jù)甲醇合成的主副反應(yīng)：co+2h2 ch3oh (1-1)2co+4h2 (ch3)2o+h2o (1-2)co+3h2 ch4+h2o (1-3)2co+4h2 ch4h9oh+h2o (1-4)co2+h2 co+h2o (1-5)根據(jù)上述反應(yīng)方程式可寫(xiě)出下列物料平衡方程式：i vfkf = vkkk +kp +kuii vfmf + m = vkmk + mpiii w = a + m + 3i + kuiv vfnf = vkn

27、k + npv vfcf + ku = vkck + cp + l + 2a + m + 4ivi vfhf = vkhk + hp + 2l + 4a + 3m + 8i + ku式中： vf新鮮氣容積，nm3/t粗；kf新鮮氣體中co2的百分含量，v%；vk放空氣容積，nm3/t粗；kk放空氣中co2的百分含量，v%；kp產(chǎn)物中co2的量，nm3/t粗；kuco2的量，nm3/t粗 ；vf新鮮氣中甲烷的百分含量，v%；m式（1-3）中生成的ch4量，nm3/t粗；mk放空氣中ch4的百分含量，v%；mp產(chǎn)物中ch4的量，nm3/t粗；w生成水的量，nm3/t粗；a(ch3)2o的量，nm3

28、/t粗；ic4h9oh的量，nm3/t粗；nf新鮮氣中n2的百分含量， v% ； nk循環(huán)氣中n2的百分含量，v%；np產(chǎn)物中n2的量，nm3/t粗； cf新鮮氣中co的百分含量， v%； ck循環(huán)氣中co的百分含量，v%；cp產(chǎn)物中co的量，nm3/t粗；lch3oh的量，nm3/t粗；hf 新鮮氣中h2的百分含量，v%；hk循環(huán)氣中h2的百分含量，v%；hp產(chǎn)物中h2的量，nm3/t粗。根據(jù)惰性組分的組成平衡可設(shè)：i = nk + mk1i = ck + hk + kk由以上6個(gè)方程式引入輔助變量b、d，可解得：1) nk=nf(13ikk)b(ikk)d(cfhf4mf4nf)b(nfm

29、fkf)d2) mk=ink 3) vk=dnk(cfhf4mf4nf)nf(13iku)4) vf=vknk/nfnp/nf5) m=vkmkmpvfmf6) ku=w(am3i)7) cf=ckvk(kucpl2am4i)vf其中：d=cphp3l6a12i4mphp(cfhf4mf)nfb=mpa3inp(kf-mf)nfkpw將已知數(shù)據(jù)代入進(jìn)行物料衡算得：b=5.800.09734.3294.30(2.831.40)1.775.82106.40=89.862nm3/t粗d=4.2019.453630.0060.097124.32945.804.30(28.2065.8041.40)1.

30、57=1716.59 nm3/t粗分離后氣體中n2含量：nk=1.77%13(10.80%10.20%)28.30% (89.862)(21.00%1.51716.59)(28.20%65.80%41.77%)(89.862)(1.77%1.40%2.83%) 1716.59=8.345%循環(huán)氣中ch4的含量：mk=ink=10.20%10.80%8.345%=12.655%放空氣的量n9：v6=vk=1716.598.345%(28.20%65.80%41.40%41.77%)1.77%(130.210.015)=502.716 nm3/t粗新鮮氣體的量n1 ：n1=vf=(502.7168

31、.345%4.30)1.77%=2613.09 nm3/t粗反應(yīng)生成ch4的量：m=vkmkmpvfmf = 502.71612.655%5.802613.091.40%= 32.84 nm3/t粗參加反應(yīng)的co2的量：ku=w(am3i)=106.40(0.09732.8434.329=60.48nm3/t粗新鮮氣體中co的量：cf=ckvk (kucpl2am4i)vf=8.93%502.716(60.4764.20630.0020.09732.4244.329)2613.09=25.58%新鮮氣中h2的百分含量：hf=(502.71668.57%19.4560.47684.329332.

32、4240.0972630.00)2613.09=69.53%循環(huán)氣系統(tǒng)中不同點(diǎn)氣體容積的確定。合成塔后氣體的容積：v3=甲醇蒸汽的體積/合成塔出口氣體混合物中甲醇的百分含量=630.002.88%=21875.00 nm3/t粗甲醇分離器后氣體的體積:n8=n3n6n7=21875.00740.8339.57=21094.60 nm3/t粗循環(huán)氣體積：n10=n8n9=21094.60-502.72=20591.88 nm3/t粗入塔氣體積：n2=n1n10=2613.0920591.88=23204.97 nm3/t粗放空氣體積：n9=vk=502.716 nm3/t粗反應(yīng)中消耗的h2的量：

33、nh2反應(yīng)=2l4a3m8iku=2630.0040.097332.4284.32960.476=1452.756 nm3/t粗反應(yīng)過(guò)程中消耗=l2am4iku=630.0020.09732.4244.32960.476=619.454 nm3/t粗由上述計(jì)算結(jié)果入塔氣為67248.69kg/h，出塔氣為66717.49kg/h。(|出入|)/入100%=(67248.6966717.49)66717.49100%=0.796%在允許的誤差范圍內(nèi)，可以認(rèn)為物料平衡。從甲醇分離器出來(lái)的粗甲醇中溶有一定量氣體，當(dāng)進(jìn)入低壓設(shè)備粗甲醇貯罐時(shí)，壓力太大，降低會(huì)有一定量氣體從粗甲醇中馳放出來(lái)，稱馳放氣，遺

34、留在粗甲醇中另一部分氣體隨粗甲醇進(jìn)入精餾工程。弛放量n7=194.0330.08=163.95kg/h各組分含量見(jiàn)表3-5，以h2計(jì)算為例:表3-5馳放氣各組分含量組分vnm3/tnm3/hkmol/tkmol/hkg/tkg/hwtco20.14704.8333.540.221.089.4865.840.4092co0.10613.4824.170.161.114.3530.210.1879h20.491716.14112.090.725.001.4410.000.0622ch40.14654.8133.410.211.463.4423.890.1483n20.10863.5724.790.

35、161.114.4630.970.1924總計(jì)1.000032.83228.001.479.7623.17160.911.0000163.596.22%=10.20kg/h10.202=5.1kmol/h5.122.4=114.24nm3/hco的量3.2 熱量衡算3.2.1 甲醇合成塔的熱平衡計(jì)算1、全塔熱平衡式q入qr=q出qf式中：q入入塔氣熱量，kj/h；q出出塔氣熱量，kj/h；qr 合成塔反應(yīng)熱，kj/h；qf 合成塔熱損失，kj/h。q入=(g入cm入tm入)q出=(g出cm出tm出)式中：g入g出進(jìn)出合成塔物料量，kmol/h；cm入cm出進(jìn)出合成塔各組分熱容，kj/kmol；

36、tm入tm出進(jìn)出合成塔氣體溫度，； qri 各組分生成量，kmol/h；h反應(yīng)熱，kj/kmol； qr=qr1qr2qr3qr4qr52、比熱的計(jì)算出塔氣中各組分的熱容由固氮工藝計(jì)算法p304表v2查得.在p=300atm時(shí)氣體混合物組分的熱量見(jiàn)表3-6：kcal/kmol。表3-6氣體混合物熱容組分co2coh2ch4n20 9.007.327.1413.407.4645 9.328.467.1313.208.7750 9.358.597.1313.208.69出塔氣個(gè)組分熱容見(jiàn)表3-7表3-7出塔氣各組分熱容組分co2coh2n2ch4(ch3)2och3ohc4h9oh1000c9.6

37、98.827.128.771300c9.898.557.118.1214.7013.3013.5114.752000c10.347.917.087.77cp2=cp2co2v2-co2cp2cov2-cocp2h2v2-h2cp2ch4v2-ch4cp2n2v2-n2cp2(ch3)2ov2-(ch3)2ocp2ch3ohv2-ch3ohcp2c4h9ohv2-c4h9ohcp2h2ov2-h2o =9.891.47%8.558.63%7.1166.21%14.710.44%8.129.85%13.510%13.302.88%14.750.02%11.210.49%=8.37kcal/kmol

38、=35.00kj/kmol3、入塔熱量設(shè)入塔平均氣溫t入=45，以co2為例計(jì)算入塔熱=入塔量熱量=118.699.32=1106.19kcal/h= 4623.87kj/h 對(duì)甲醇合成塔各組分熱容和熱量見(jiàn)表3-8表3-8氣體混合物熱容組分co2coh2ch4n20 9.007.327.1413.407.4645 9.328.467.1313.208.7750 9.358.597.1313.208.69入塔總熱量=242275.6245=10902402.9kj/h4、塔內(nèi)反應(yīng)熱以甲醇反應(yīng)為例： co + 2h2 ch3oh + 102.37kj/mol反應(yīng)熱：qr=生成熱生成量=102.37

39、103195.35=19997979.50kj/h各組分反應(yīng)熱見(jiàn)表3-9表3-9各組分反應(yīng)熱組分ch4(ch3)2och3ohc4h9ohco總計(jì)kj/mol115.69200.39102.3749.62-49.92kmol/h9.210.03195.351.3217.33223.24kj/h1065504.96011.719997979.5065498.4-865113.620269880.95、合成塔出口總熱量出塔熱=出塔量熱容設(shè)出口溫度t出=130，以co2為例計(jì)算：出塔熱=99.99.89=988.01 kcal/h=4129.88 kj/h合成塔出口熱量見(jiàn)表3-10表3-10出口熱量

40、組分co2coh2n2ch4(ch3)2och3ohc4h9ohkcal/kmol9.898.557.118.1214.7013.3013.5114.75kmol/h99.9585.34490.35668.39708.090.03195.351.32kj/h4129.8820918.04133452.322686.2343509.03 1.67 11103.7781.386、全塔熱損失已知： qf=(q入q r)5% =(10902402.920269880.9)5%=1558614.19kj/h7、按全塔熱平衡方程：q入q r=q出qfq出=q入q rqf=10902402.92026988

41、0.91558614.19=29613669.61kj/h由 q出=g2cp2t2 則 t2=q出/g2cp2= 29613669.61(356781.72)=124.76相對(duì)誤差=(130124.76)100%/124.76=4.2%20%誤差在允許范圍內(nèi)，所以認(rèn)為合成塔熱量平衡。3.2.2水冷器熱量衡算1、熱平衡方程式q入口氣q冷凝=q出口氣q液q冷卻水式中：q入口氣、q出口氣冷凝器進(jìn)出口氣體顯熱，kj/h；q冷凝出口溫度下氣體冷凝放熱，kj/h；q液 出冷凝器液體帶熱，kj/h；q冷卻水 冷卻水帶走的熱量，kj/h。2、熱平衡計(jì)算查聯(lián)醇生產(chǎn)8得粗甲醇中各組分物理常數(shù)見(jiàn)表3-11表3-11

42、粗甲醇中各組分物理常數(shù)組分ch3oh（ch3）2oc4h9ohh2okj/kg1117.93531.75577.812260.98kj/kg2.722.6382.5964.187假設(shè)有相變物質(zhì)在低于沸點(diǎn)時(shí)全部冷凝，擴(kuò)散于氣相中的組分忽略不計(jì)。3、氣體冷凝放熱q冷=ghr式中： g由物料衡算得出的合成塔氣量；hr氣化熱，kj/kg。以甲醇為例進(jìn)行計(jì)算：q冷=grhr=62501117.93=6987062.5kg/h冷凝放熱表見(jiàn)表3-12表3-12冷凝放熱組分ch3oh（ch3）2oc4h9ohh2o總計(jì)kg/h6250.001.3999.31593.756944.45kj/kg1117.935

43、31.75577.812260.984488.47kj/h6987062.5739.13457382.31111342456.8758387640.824、進(jìn)冷凝器氣體熱量q入冷=q出塔=(gfcp) t出塔= 29613669.61kj/h式中： qf進(jìn)冷凝器各組分摩爾流量，kmol/h；cp各氣體組分摩爾流量，j/mol。5、冷凝器出口氣體顯熱q出冷=(gfcp)t出式中： gf 冷凝器出口各氣體組分摩爾流量；kmol/h；cp出口氣體各組分熱容，kj/mol；t出冷凝器出口溫度，。以co為例計(jì)算：冷凝器出口溫度為52，則出口氣體顯熱為：q出冷=585.3035.9152=1092942.

44、40kj/h各組分氣體顯熱見(jiàn)表3-13表3-13出口各氣體組分顯熱組分co2coh2kj/kmoloc39.0835.9129.80kmol/h99.9585.304490.35kj/h203012.781092942.406958246.36組分n2ch4總計(jì)kj/kmoloc36.3255.18kmol/h668.39708.096552.03kj/h1262348.092031765.1211548314.75q出冷總=11548314.75kj/h6、冷凝器出口液體帶走熱量t出=52 q出冷=(gfcp)t出以ch3oh為例計(jì)算：q出冷=2.556250.0052=828750.00k

45、j/h冷凝器出口氣體帶走熱量見(jiàn)表3-14表3-14冷凝器出口液體帶走熱量組分ch3oh（ch3）2oc4h9ohh2o總計(jì)kj/kgoc9090.911.3999.31593.756944.45kj/kg2.552.432.414.19kj/h828750.00175.6412445.53129366.25970737.42q出冷總=970737.42kj/h7、冷卻水帶走熱量q冷卻水=q入口氣q冷凝q出口氣q液=29613669.618387640.8211548314.75970737.42=25482258.26kj/h冷凝器熱平衡見(jiàn)表3-15表3-15冷凝器熱平衡組分ch3ohkj/k

46、goc9090.911.3999.31593.75kj/kg2.552.432.414.19kj/h828750.008、冷卻水用量已知冷卻水溫度t=26，回水溫度t=39,則冷卻水用量為：d=25482258.2610-3/4.197(39-26)=467 第四章 設(shè)備的選型4.1 合成塔4.1.1合成塔工藝要求（1）甲醇合成是放熱反應(yīng)，因此，合成反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)應(yīng)能保證在反應(yīng)過(guò)程中及時(shí)將反應(yīng)放出的熱量移出，以保持反映溫度盡量接近理想溫度分布。 （2）甲醇合成是在催化劑作用下進(jìn)行，生產(chǎn)能力與催化劑的裝填量成正比例關(guān) 系，所以要充分利用合成塔的容積，盡量多裝催化劑，以提高設(shè)備的生產(chǎn)能力。（3）高空

47、速能獲得高產(chǎn)率，但氣體通過(guò)催化劑床層的壓力降必然會(huì)增加，因此應(yīng)使合成塔的流體阻力盡可能小，避免局部阻力過(guò)大的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，要求合成反應(yīng)器結(jié)構(gòu)必須簡(jiǎn)單，緊湊，堅(jiān)固，氣密性好，便于拆卸，檢修。 （4）盡量組織熱量交換，充分利用反應(yīng)余熱，降低能耗。 （5）合成反應(yīng)器應(yīng)能防止氫，一氧化碳，甲醇，有機(jī)酸及羰基物高溫下對(duì)設(shè)備的腐蝕。（6）便于操作控制和工藝參數(shù)調(diào)節(jié)。4.1.2合成反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與材質(zhì)甲醇合成反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式較多，根據(jù)反應(yīng)熱移出方式不同，可分為絕熱式和等溫式兩大類(lèi)；按照冷卻方式不同，可分為直接冷卻的冷激式和間接冷卻的列管式兩大類(lèi)。以下介紹低壓法合成甲醇所采用的冷激式和列管式兩種反應(yīng)器。1冷激式絕

48、熱反應(yīng)器 這類(lèi)反應(yīng)器把反應(yīng)床層分為若干絕熱段，段間直接加入冷的原料氣使反應(yīng)氣冷卻，故稱之為冷激式絕熱反應(yīng)器。該類(lèi)型甲醇合成反應(yīng)器的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在各段催化劑床層之間設(shè)一冷激分布器，通過(guò)冷激分布器使冷氣體與熱氣體在其內(nèi)直接混合，達(dá)到降低反應(yīng)氣溫度的目的。由于其移熱方式為冷熱氣體直接混合式移熱，因此具有傳熱系數(shù)高、換熱效果好，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修工作量少、控制手段靈活、操作穩(wěn)定可靠，特別適于大型化裝置等優(yōu)點(diǎn)。該類(lèi)型的甲醇合成反應(yīng)器的主要技術(shù)關(guān)鍵是：冷激分布器的設(shè)計(jì)。冷激分布器的工作原理是利用其混合空間的低阻力將熱氣體引入混合空間，利用噴嘴調(diào)節(jié)冷氣體的噴出速度與角度，以達(dá)到在混合空間內(nèi)冷熱氣體得以充分的

49、混合與傳熱。由于冷熱氣體為直接混合式傳熱，因此傳熱效率高，效果好；另一方面，由于該類(lèi)型塔的塔內(nèi)移熱是通過(guò)加入的冷激氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)的，因此它的適應(yīng)性特別強(qiáng)， 可以根據(jù)塔內(nèi)各段催化劑床層的反應(yīng)情況來(lái)決定加入冷激氣的多少，操控手段較為靈活，操作穩(wěn)定可靠。 其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： （1）埋于相鄰兩段催化劑床層之間，但并不使二者截然分開(kāi)，催化劑可以自由流動(dòng)，便于裝卸； （2）該冷激分布器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸及維修方便。該類(lèi)型塔的主要缺點(diǎn)：冷激氣的加入不可避免地“沖稀”了反應(yīng)氣中生成物的濃度，且因催化劑床層為全軸向床層，因此塔阻力較大。 2、列管式等溫反應(yīng)器 列管式等溫反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是溫度易于控制，單程轉(zhuǎn)化率高，循環(huán)氣量小，

50、能量利用較經(jīng)濟(jì)，反應(yīng)器生產(chǎn)能力大，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊。 該類(lèi)型甲醇合成反應(yīng)器的主要結(jié)構(gòu)形式類(lèi)似于列管式換熱器，通常有管內(nèi)裝催化劑、管外為鍋爐水，以及管外裝催化劑、管內(nèi)走水兩種結(jié)構(gòu)形式，另外還有一種使用雙套管的甲醇合成反應(yīng)器（該塔為日本三菱重工業(yè)公司和三菱瓦斯化學(xué)公司共同開(kāi)發(fā)的超轉(zhuǎn)化率合成塔），催化劑裝填于內(nèi)外管間的環(huán)形空間中，鍋爐水在管間循環(huán)，內(nèi)管走冷氣。列管式甲醇合成反應(yīng)器的移熱方式是冷卻介質(zhì)通過(guò)列管與反應(yīng)氣之間進(jìn)行間接換熱，其冷卻介質(zhì)為未反應(yīng)氣或鍋爐水。 該類(lèi)型反應(yīng)器的主要優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)挝惑w積催化劑床層的傳熱面積較大，床層溫差變化小，操作平穩(wěn)，熱能利用合理。 主要缺點(diǎn)：設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，對(duì)材料及制造要求較高，設(shè)備投資大；催化劑裝卸較困難；高壓空間的利用率低，催化劑裝填系數(shù)?。▋H35）