年產(chǎn)萬噸甲醇工藝設(shè)計(jì)

1、摘 要隨著石油資源緊缺，油價(jià)提高，以煤為原料生產(chǎn)甲醇的比例將上升。特別是在國內(nèi)大力發(fā)展煤炭資源利用的背景下，煤炭家成為甲醇生產(chǎn)中最主要的原料。甲醇是一種極重要的有機(jī)化工原料，也是一種燃料，是碳一化學(xué)的基礎(chǔ)產(chǎn)品，在國民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位。近年來，隨著甲醇下屬產(chǎn)品的開發(fā)，特別是甲醇燃料的推廣應(yīng)用，甲醇的需求大幅度上升。為了滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)甲醇的需求，開展了此30萬t/a的甲醇項(xiàng)目。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是進(jìn)行工藝論證，物料衡算和熱量衡算等。本設(shè)計(jì)本著符合國情、技術(shù)先進(jìn)和易得、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的原則，采用煤炭為原料；利用GSP氣化工藝造氣；NHD凈化工藝凈化合成氣體；低壓下利用列管均溫合成塔合成甲醇；三塔精餾

2、工藝精制甲醇；此外嚴(yán)格控制三廢的排放，充分利用廢熱，降低能耗，保證人員安全與衛(wèi)生。關(guān)鍵詞：甲醇，工藝，合成，精餾，計(jì)算，除廢一、總論（一）概述 1甲醇性質(zhì)甲醇俗稱木醇、木精，分子式CH3OH。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32.04，相對(duì)密度0.7914(d420)，蒸氣相對(duì)密度1.11（空氣=1)，熔點(diǎn)-97.8，沸點(diǎn)64.7，閃點(diǎn)（開杯）16，自燃點(diǎn)473，折射率(20)1.3287，表面張力（25）45.05mN/m，蒸氣壓（20）12.265kPa，粘度（20）0.5945mPas。能與水、乙醇、乙醚、苯、酮類和大多數(shù)其他有機(jī)溶劑混溶。蒸汽與空氣形成爆炸

3、性混合物，爆炸極限6.036.5（體積比）。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)。2甲醇用途甲醇是重要有機(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。甲醇主要用于生產(chǎn)甲醛，消耗量要占到甲醇總產(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；甲醇羰基化可生產(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。甲醇也是一種重要的有機(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

4、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。甲醇還是一種很有前景的清潔能源，甲醇燃料以其安全、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；另外燃料級(jí)甲醇用于供熱和發(fā)電，也可達(dá)到環(huán)保要求。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。3甲醇生產(chǎn)工藝的發(fā)展1661年英國化學(xué)家R.波義耳首先在木材干餾后的液體產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)甲醇，故甲醇俗稱木精、木醇。在自然界只有某些樹葉或果實(shí)中含有少量的游離態(tài)甲醇，絕大多數(shù)以酯或醚的形式存在。1857年法國的M貝特洛在實(shí)驗(yàn)室用一氯甲烷在堿性溶液中水解也制得

5、了甲醇。1923年德國BASF公司首先用合成氣在高壓下實(shí)現(xiàn)了甲醇的工業(yè)化生產(chǎn)，直到1965年，這種高壓法工藝是合成甲醇的唯一方法。1966年英國ICI公司開發(fā)了低壓法工藝，接著又開發(fā)了中壓法工藝。1971年德國的Lurgi公司相繼開發(fā)了適用于天然氣渣油為原料的低壓法工藝。從70年代中期起，國外新建裝置大多采用低壓法工藝。世界上典型的甲醇合成工藝主要有ICI工藝、Lurgi工藝和三菱瓦斯化學(xué)公司(MCC)工藝1 。目前，國外的液相甲醇合成新工藝2具有投資省、熱效率高、生產(chǎn)成本低的顯著優(yōu)點(diǎn)，尤其是LPMEOHTM工藝，采用漿態(tài)反應(yīng)器，特別適用于用現(xiàn)代氣流床煤氣化爐生產(chǎn)低的原料氣，在價(jià)格上能夠與天然

6、氣原料相競爭。我國的甲醇生產(chǎn)始于1957年，50年代在吉林、蘭州和太原等地建成了以煤或焦炭為原料來生產(chǎn)甲醇的裝置。60年代建成了一批中小型裝置，并在合成氨工業(yè)的基礎(chǔ)上開發(fā)了聯(lián)產(chǎn)法生產(chǎn)甲醇的工藝。70年代四川維尼綸廠引進(jìn)了一套以乙炔尾氣為原料的95 kt/a低壓法裝置，采用英國ICI技術(shù)。1995年12月，由化工部第八設(shè)計(jì)院和上?；ぴO(shè)計(jì)院聯(lián)合設(shè)計(jì)的200 kt/a甲醇生產(chǎn)裝置在上海太平洋化工公司順利投產(chǎn)，標(biāo)志著我國甲醇生產(chǎn)技術(shù)向大型化和國產(chǎn)化邁出了新的一步。2000年，杭州林達(dá)公司開發(fā)了擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的JW低壓均溫甲醇合成塔技術(shù)3，打破長期來被ICI、Lurgi等國外少數(shù)公司所壟斷擁的局

7、面，并在2004年獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。2005年，該技術(shù)成功應(yīng)用于國內(nèi)首家焦?fàn)t氣制甲醇裝置上。國內(nèi)主要的研究單位有南華集團(tuán)研究院、西南化工研究院、齊魯石化公司研究院等。對(duì)于我國，從資源背景看，煤炭儲(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，在很長一段時(shí)間內(nèi)煤是我國甲醇生產(chǎn)最重要的原料4。4甲醇生產(chǎn)方法工業(yè)上生產(chǎn)甲醇曾今有許多方法，早期用木材或木質(zhì)干餾法制甲醇，此法需要大量木材，而且產(chǎn)量很低，現(xiàn)早已淘汰。氯乙烷水解法也可以制甲醇，但因水解法價(jià)格昂貴，在工業(yè)上沒有得到應(yīng)用。甲烷部分氧化法可以生產(chǎn)甲醇，而且價(jià)格便宜，工藝流程簡單，但因生產(chǎn)技術(shù)比

8、較復(fù)雜，副反應(yīng)多，產(chǎn)品分離難，原料利用率低，工業(yè)尚未采用。目前合成甲醇的工業(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，可分為高壓法、低壓法和中壓法。在本設(shè)計(jì)中采用低壓法制甲醇的工藝流程5設(shè)計(jì)的目的和意義由于我國石油資源短缺，能源安全已經(jīng)成為不可回避的現(xiàn)實(shí)問題，尋求替代能源已成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵。甲醇作為石油的補(bǔ)充已成為現(xiàn)實(shí)，發(fā)展甲醇工業(yè)對(duì)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。煤在世界化石能源儲(chǔ)量中占有很大比重（我國情況更是如此），而

9、且煤制甲醇5的合成技術(shù)很成熟。隨著石油和天然氣價(jià)格的迅速上漲，煤制甲醇更加具有優(yōu)勢。本設(shè)計(jì)遵循“工藝先進(jìn)、技術(shù)可靠、配置科學(xué)、安全環(huán)?！钡脑瓌t。通過設(shè)計(jì)可以鞏固、深化和擴(kuò)大所學(xué)基本知識(shí)，培養(yǎng)分析解決問題的能力；還可以培養(yǎng)創(chuàng)新精神，通過完成設(shè)計(jì)，可以知道甲醇的用途；基本掌握煤制甲醇的生產(chǎn)工藝；了解國內(nèi)外甲醇工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀；以及甲醇工業(yè)的發(fā)展趨勢。 二、工藝流程的選擇（一）工藝流程設(shè)計(jì)圖1 低壓法制甲醇工藝流程 1加熱爐；2轉(zhuǎn)化爐；3廢熱鍋爐；4加熱器；5脫硫器；6，12，17，21，24水冷器；7氣液分離器；8合成氣壓縮機(jī)；9循環(huán)氣壓縮機(jī)；10甲醇合成塔；11，15熱交換器 13甲醇分離器； 1

10、4粗甲醇中間槽；16脫輕組分塔； 18分離塔； 19，22再沸塔； 20甲醇精餾塔；23CO2吸收塔首先是采用GSP氣化工藝將原料煤氣化為合成氣；然后通過變換和NHD6脫硫脫碳工藝將合成氣轉(zhuǎn)化為滿足甲醇合成條件的原料氣；第三步就是甲醇的合成，將原料氣加壓到5.14Mpa，加溫到225后輸入列管式等溫反應(yīng)器，在XNC-98型催化劑的作用下合成甲醇，生成的粗甲醇送入精餾塔精餾，得到精甲醇。然后利用三塔精餾工藝將粗甲醇精制得到精甲醇。1 工藝條件的確定 （1）溫度 變換反應(yīng)是一個(gè)可逆放熱反應(yīng)，對(duì)應(yīng)于一定的組成和一個(gè)最佳溫度。為了讓反應(yīng)沿著最佳溫度曲線進(jìn)行，必須移走反應(yīng)熱以降低反應(yīng)溫度。設(shè)計(jì)中的變換爐

11、（R2002）內(nèi)裝兩段耐硫變換觸媒，兩段間配有煤氣激冷管線，采用連續(xù)換熱式來降低溫度，控制溫度在393左右。預(yù)變換爐溫度控制在240左右。 （2）壓力 設(shè)計(jì)中是將氣體壓縮到3.8Mpa后送入變換爐的。壓力對(duì)反應(yīng)的化學(xué)平衡沒有影響，但對(duì)反應(yīng)速率影響顯著，在0.10.3Mpa范圍內(nèi)反應(yīng)速率大約與壓力的0.5次方而成正比，故加壓操作可提高設(shè)備生產(chǎn)能力。現(xiàn)代甲醇裝置采用加壓變換可以節(jié)約壓縮合成氣的能量，并可充分利用變換氣中過剩蒸汽的能量。 （3）最終變換率 最終變換率由合成甲醇的原料氣中氫碳比及一氧化碳和二氧化碳的比例決定的。當(dāng)全氣量通過變換工序時(shí)，此時(shí)要求最終變換率不太高，必須保證足量的CO作為合成

12、甲醇的原料；設(shè)計(jì)中采用的是部分氣量變換，其余氣量不經(jīng)過變換而直接去合成，這部分氣體可以調(diào)節(jié)變換后甲醇合成原料氣中CO的含量，所以通過的氣體變換率達(dá)90%以上。（4）催化劑粒度 為了提高催化劑的粒內(nèi)有效因子，可以減少催化劑粒度，但相應(yīng)地氣體通過催化劑床的阻力就將增加，變換催化劑的適宜直徑為610mm，工業(yè)上一般壓制成圓柱狀，粒度55或99mm。設(shè)計(jì)中采用催化劑粒度為99mm。2合成工序工藝操作條件的確定與論證7，8 （1）操作溫度甲醇合成催化床層的操作溫度主要是由催化劑的活性溫度區(qū)決定的。操作溫度的控制同樣是一個(gè)操作費(fèi)用的控制問題，在設(shè)計(jì)中，需要延長催化劑的使用壽命，防止催化劑的迅速老化和活性衰

13、減速度加快。一般而言，在催化劑的使用初期，反應(yīng)溫度維持較底的數(shù)值，隨著使用時(shí)間的增加，逐步提高反應(yīng)溫度。例如副產(chǎn)蒸汽型等溫甲醇合成塔采用國產(chǎn)銅系催化劑，使用前期，可控制床層零點(diǎn)溫度230240，熱點(diǎn)溫度260左右；后期，可控制床層零點(diǎn)溫度260270，熱點(diǎn)溫度290。設(shè)計(jì)采用的甲醇合成塔為列管式等溫反應(yīng)器，管間走的是沸騰水，可以副產(chǎn)蒸汽，床層內(nèi)溫差很小，接近最佳溫度操作曲線。設(shè)計(jì)中采用的甲醇合成催化劑為國產(chǎn)的銅系XCN-985，由它的性質(zhì)可知：適合使用的溫度范圍為200290。（2）操作壓力壓力是甲醇合成反應(yīng)過程的重要工藝條件之一。甲醇合成反應(yīng)時(shí)分子數(shù)變少，因此增加壓力對(duì)反應(yīng)有利，由于壓力高，

14、組分的分壓提高，因而催化劑的 生產(chǎn)強(qiáng)度也提高。操作壓力的選用與催化劑的活性有關(guān)。早期的高壓法合成甲醇工藝采用的是鋅基催化劑，由于活性差，需要在高溫高壓下操作，其操作壓力為2535Mpa，操作溫度350420。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，會(huì)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200300，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

15、。設(shè)采用的是低壓法（入塔壓強(qiáng)為5.14MPa）合成甲醇。（3）氣體組成:對(duì)于甲醇合成原料氣，即合成工序的新鮮氣，應(yīng)維持f=（H2-CO2）/(CO+CO2)=2.102.15，并保持一定的CO2。由于新鮮氣中（H2-CO2）/(CO+CO2)略大于2，而反應(yīng)過程中氫與一氧化碳、二氧化碳的化學(xué)計(jì)量比分別為2:1和3:1，因此循環(huán)氣中（H2-CO2）/(CO+CO2)遠(yuǎn)大于2。合成塔中氫氣過量，對(duì)減少副反應(yīng)是有利的。甲醇合成過程中，需要一定的二氧化碳存在以保持催化劑的高活性。二氧化碳的存在可以降低反應(yīng)系統(tǒng)的熱效應(yīng)，這對(duì)維持床層溫度也是有利的。但是過高的二氧化碳含量會(huì)降低合成系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，粗甲醇含

16、水增加，增加精餾系統(tǒng)的負(fù)荷和能耗。所以二氧化碳的含量應(yīng)該盡可能低一些，一般不超過5%。（4）空速：空速不僅是一個(gè)和合成回路氣體循環(huán)量相關(guān)聯(lián)的工藝控制參數(shù)，也是一個(gè)影響綜合經(jīng)濟(jì)效益的變量。甲醇合成過程中，首先甲醇合成塔內(nèi)的氣體空速必須滿足催化劑的使用要求，國產(chǎn)銅基催化劑，一般要求氣體空速在800020000h-1之間?？账龠^低，結(jié)炭等副反應(yīng)加劇，空速過高，系統(tǒng)阻力加大或合成系統(tǒng)投資加大，能耗增加，催化劑的更換周期縮短?？账俚倪x擇需要根據(jù)每一種催化劑的特性，在一個(gè)相對(duì)較小的范圍內(nèi)變化。XCN-98的空速要求為600015000h-1，本設(shè)計(jì)空速定為12000 h-1。三、粗甲醇的精餾9在甲醇合成時(shí)

17、，因合成條件如壓力、溫度、合成氣組成及催化劑性能等因素的影響，在產(chǎn)生甲醇反應(yīng)的同時(shí)，還伴隨著一系列的副反應(yīng)。所得產(chǎn)品除甲醇為，還有水、醚、醛、酮、酯、烷烴、有機(jī)酸等幾十種有機(jī)雜質(zhì)。由于甲醇作為有機(jī)化工的基礎(chǔ)原料，用它加工的鏟平種類很多，因此對(duì)甲醇的純度均有一定的要求。甲醇的純度直接影響下游產(chǎn)品的質(zhì)量、消耗、安全生產(chǎn)及生產(chǎn)過程中所用的催化劑的壽命。所以粗甲醇，必須提純。（一）精餾工藝和精餾塔的選擇10甲醇精餾按工藝主要分為三種：雙塔精餾工藝技術(shù)、帶有高錳酸鉀反應(yīng)的精餾工藝技術(shù)和三塔精餾工藝技術(shù)。雙塔精餾工藝技術(shù)由于具有投資少、建設(shè)周期短、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，被我國眾多中、小甲醇生產(chǎn)企業(yè)所采用。其在聯(lián)

18、醇裝置中得到了迅速推廣。帶有高錳酸鉀反應(yīng)的精餾工藝技術(shù)僅在單醇生產(chǎn)中用鋅鉻為催化劑的產(chǎn)品中有應(yīng)用。近年來.隨著甲醇合成銅基催化劑的廣泛應(yīng)用和氣體凈化水平的提高。粗甲醇生產(chǎn)中的副反應(yīng)減少和雜質(zhì)的降低，此工藝流程己經(jīng)很少采用。三塔精餾工藝技術(shù)是為減少甲醇在精餾中的損耗和提高熱利用率，而開發(fā)的一種先進(jìn)、高效和能耗較低的工藝流程。近年來在大、中型企業(yè)中得到了推廣和應(yīng)用。1三塔精餾工藝11近年來，許多企業(yè)原有甲醇雙塔精餾裝置己不能滿足企業(yè)的需要。隨著生產(chǎn)的強(qiáng)化，不僅消耗大幅度上升，而且殘液中的甲醇含量也大大超過了工藝指標(biāo)。對(duì)企業(yè)的達(dá)標(biāo)排放構(gòu)成了較大的威脅。甲醇三塔精餾工藝技術(shù)是為了減少甲醇在精餾過程中的

19、損耗，提高甲醇的收率和產(chǎn)品質(zhì)量而設(shè)計(jì)的。預(yù)精餾塔后的冷凝器采用一級(jí)冷凝，用以脫除二甲醚等低沸點(diǎn)的雜質(zhì)，控制冷凝器氣體出口溫度在一定范圍內(nèi)。在該溫度下，幾乎所有的低沸點(diǎn)餾分都為氣相，不造成冷凝回流。脫除低沸點(diǎn)組分后，采用加壓精餾的方法，提高甲醇?xì)怏w分壓與沸點(diǎn)，減少甲醇的氣相揮發(fā)，從而提高了甲醇的收率。作為一般要求的精甲醇經(jīng)加壓精餾塔后就可以達(dá)到合格的質(zhì)量。如作為特殊需要，則再經(jīng)過常壓精餾塔的進(jìn)一步提純。生產(chǎn)中加壓塔和常壓塔同時(shí)采出精甲醇，常壓塔的再沸器熱量由加壓塔的塔頂氣提供，不需要外加熱源。粗甲醇預(yù)熱器的熱量由精甲醇提供，也不需要外供熱量。因此，該工藝技術(shù)生產(chǎn)能力大，節(jié)能效果顯著，特別適合較大

20、規(guī)模的精甲醇生產(chǎn)。圖3 三塔工藝流程1 預(yù)精餾塔 2加壓精餾塔 3 常壓精餾塔4. 雙塔與三塔精餾技術(shù)比較12（1）工藝流程：三塔精餾與雙塔精餾在流程上的區(qū)別在于三塔精餾采用了2臺(tái)主精餾塔(其中1臺(tái)是加壓塔)和1臺(tái)常壓塔，較雙塔流程多1臺(tái)加壓塔。這樣，在同等的生產(chǎn)條件下，降低了主精餾塔的負(fù)荷，并目常壓塔利用加壓塔塔頂?shù)恼羝淠裏嶙鳛榧訜嵩?，所以三塔精餾既節(jié)約蒸汽，又節(jié)省冷卻水。（2）蒸汽消耗：在消耗方面，由于常壓塔加壓塔的蒸汽冷凝熱作為加熱源，所以三塔精餾的蒸汽消耗相比雙塔精餾要低。（3）產(chǎn)品質(zhì)量：三塔精餾與雙塔精餾在產(chǎn)品質(zhì)量上最大的不同是三塔精餾制取的精甲醇中乙醇含量低，一般小于5010-6

21、，而雙塔精餾制取的精甲醇中乙醇含量為40010-650010-6，三塔精餾制取的精甲醇純度可達(dá)99.99%，含有的有機(jī)雜質(zhì)相對(duì)較少。（4）設(shè)備投資：三塔精餾的流程較雙塔精餾流程要復(fù)雜，所以在投資方面，同等規(guī)模三塔精的設(shè)備投資要比雙塔精餾高出20%30%。（5）操作方面：由于雙塔精餾具有流程簡單，運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，所以在操作上較三塔精餾要方便簡單。表1 雙塔精餾與三塔精餾的投資與操作費(fèi)用比較表13雙塔精餾三塔精餾生產(chǎn)規(guī)模t/a052.5052.5投 資010010013123129操作費(fèi)用0100100466771能 耗001001006060.461.2注：投資、操作費(fèi)用、能耗為相對(duì)數(shù)通過上述比

22、較可知，雖然三塔精餾技術(shù)的一次性投入要比雙塔精餾高出20%30%，但是從能源消耗、精甲醇質(zhì)量上都要優(yōu)于雙塔精餾，特別是能耗低的優(yōu)點(diǎn)十分突出。隨著三塔精餾生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，能耗還有進(jìn)一步下降的空間。而雙塔精餾技術(shù)僅在生產(chǎn)規(guī)模低于5萬t/ a時(shí)具有一定得優(yōu)勢。本設(shè)計(jì)中甲醇產(chǎn)量為30萬t/a，遠(yuǎn)大于5萬t/a，綜合考慮各項(xiàng)因素，所以設(shè)計(jì)采用三塔精餾工藝。 四、生產(chǎn)工藝參數(shù)預(yù)塔：入塔溫度65，塔頂放空溫度40，預(yù)精餾后甲醇比重維持在0.87，預(yù)精餾后甲醇pH值宜控制在8 ；加壓塔：塔底釜液壓強(qiáng)0.6Mpa，溫度125，塔頂氣體壓強(qiáng)0.6Mpa ，溫度122，常壓塔：塔頂氣體壓強(qiáng)0.13Mpa，溫度67。

23、五、合成工藝流程的選擇及計(jì)算（一）甲醇合成工藝流程來自脫碳裝置的新鮮氣（40，3.4MPa）與循環(huán)氣一起經(jīng)甲醇合成氣壓縮機(jī)（C7001）壓縮至5.14MPa后，經(jīng)過入塔氣預(yù)熱器（E7001）加熱到225，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)：CO + 2H2 = CH3OH + QCO2 + 3H2 = CH3OH + H2O + Q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（3.9MPa飽和蒸汽），減壓后送至蒸汽管網(wǎng)。副產(chǎn)蒸汽確保了甲醇合成塔內(nèi)反

24、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（255，4.9MPa），經(jīng)入塔氣預(yù)熱器（E7001），甲醇水冷器（E7002A，B），進(jìn)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0.4MPa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

25、鍋爐給水來自變換裝置；循環(huán)冷卻水來自界區(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4 合成工藝流程六、物料衡算（一）合成塔中發(fā)生的反應(yīng):主反應(yīng)： CO+2H2=CH3OH CO2+3H2=CH3OH +H2O 副反應(yīng)： 2CO+4H2=（CH3O）2+H2O CO+3H2=CH4+H2O 4CO+8H2=C4H9OH+3H2O 8CO+17H2=C18H18+8H2O CO2+H2=CO+H2O 工業(yè)生產(chǎn)中測得低壓時(shí)，每生產(chǎn)一噸粗甲醇就會(huì)產(chǎn)生1.52 m3（標(biāo)態(tài)）的甲烷，即設(shè)計(jì)中每小時(shí)甲烷產(chǎn)量為1.90 kmol/h ，42.38m3/h。由于甲醇入塔氣中水

26、含量很少，忽略入塔氣帶入的水。由反應(yīng)、 、 、 得出反應(yīng) 、生成的水分為： 86.721.902.540.9830.788 =73.06 kmol/h 由于合成反應(yīng)中甲醇主要由一氧化碳合成，二氧化碳主要發(fā)生逆變反應(yīng)生成一氧化碳，且入塔氣中二氧化碳的含量一般不超過5%，所以計(jì)算中忽略反應(yīng)。則反應(yīng)中二氧化碳生成了73.06 kmol/h，即1636.54 m3/h的水和一氧化碳。1粗甲醇中的溶解氣體量粗甲醇中氣體溶解量查表5Mpa、40時(shí)，每一噸粗甲醇中溶解其他組成如下表：表2 1噸粗甲醇中合成氣溶解情況氣體H2COCO2N2ArCH4溶解量（m3/t粗甲醇）4.3640.8157.7800.36

27、50.2431.680則粗甲醇中的溶解氣體量為： H2 = 28.874.364 = 121.64 m3/h 即5.44 kmol/h CO = 28.874.364 = 22.72m3/h 即1.02kmol/hCO2 = 28.874.364 = 216.84m3/h 即9.68kmol/hN2 = 28.874.364 = 10.18m3/h 即0.46kmol/Ar = 28.874.364 = 6.78m3/h 即0.30 kmol/hCH4 = 28.874.364 = 46.82 m3/h 即2.10kmol/h（二）粗甲醇中甲醇擴(kuò)散損失 40時(shí)，液體甲醇中釋放的溶解氣中，每立方

28、米含有37014g的甲醇，假設(shè)減壓后液相中除二甲醚外，其他氣體全部釋放出，則甲醇擴(kuò)散損失 G =（121.64+22.72+216.84+10.18+6.78+46.82）0.03714=15.80kg/h =0.50 kmol/h =11.04 m3/h（三）新鮮氣和弛放氣氣量的確定CO的各項(xiàng)消耗總和 = 新鮮氣中CO的量即：16585.86+114.00+42.38+87.74+140.20-1636.54+22.72+11.04+0.61%G+9.16%G=15367.40+9.77%G同理 原料氣中其他各氣體的量=該氣體的各項(xiàng)消耗總和，由此可得新鮮氣體中各氣體流量，如下表：表3 新鮮氣

29、組成組分單位 CO CO2 H2 N2 Ar CH4氣量m3/h 15367.4 + 9.7G 1853.3 + 3.11%G35780.54 +82.42%G10.18 +3.21%G 6.78 + 0.82%G4.44 +1.89%G新鮮氣m3/h53022.72+1.0183G 新鮮氣中惰性氣體（N2 + Ar）百分比保持在0.42%，反應(yīng)過程中惰性氣體的量保持不變，（N2 + Ar）=16.96+4.03%G，則 53022.72+1.0183G=（16.96+4.03%G）/0.42%解得 G=5711.20m3/h，即弛放氣的量為5711.20m3/h，由G可得到新鮮氣的量5883

30、8.44 m3/h 由弛放氣的組成可得出下表表4 弛放氣組成氣體CH3OHH2COCO2N2ArCH4組成0.61%81.82%9.16%3.11%3.21%0.82%1.89%氣量m3/h34.844637.48523.14177.64183.3246.86107.92表5 新鮮氣組成氣體CH4H2COCO2N2Ar組成0.19%68.81%27.0%3.45%0.33%0.09%氣量m3/h112.640487.7159252031.02193.553.62（四）循環(huán)氣氣量的確定G1 =G 3+G4+G5+G6G7G8式中：G1 為出塔氣氣量 ； G 3 新鮮氣氣量 ； G4 循環(huán)氣氣量

31、； G5 主反應(yīng)生成氣量； G6 副反應(yīng)生成氣量； G7 主反應(yīng)消耗氣量； G8 副反應(yīng)消耗氣量； G5= 16585.86+11.04+0.61%5711.20=16631.74 m3/h G6= 57.00+57.00+42.38+42.38+21.94+65.80+17.52+140.20+1636.54+1636.54 =3717.30 m3/h G7=16585.86+3317.72+11.04+22.08+0.61%5711.203=49895.22 m3/h G8=114.00+228.00+42.38+127.14+87.74+175.48+140.20+297.94+1636

32、.54+1636.54 =4485.96 m3/h已知出塔氣中甲醇含量為5.84%，則由 （G40.61%+5711.200.61%+16585.86+11.04）/ G1=0.0584 解得 G4=289947.38m3/h表6 循環(huán)氣組成氣體 CH3OH H 2 CO CO2 N2 Ar CH4組成 0.61% 81.82% 9.16% 3.11% 3.21% 0.82% 1.89%氣量m3/h 1768.68 235437.28 26559.18 9017.36 9037.32 2377.58 5480.0七、能量衡算 （一）合成塔的熱平衡計(jì)算1計(jì)算公式全塔熱平衡方程式為：Q1 + Qr

33、 = Q2 + Q3+ Q 式中： Q1入塔氣各氣體組分焓，kJ/h； Qr 合成反應(yīng)和副反應(yīng)的反應(yīng)熱，kJ/h； Q2 出塔氣各氣體組分焓，kJ/h； Q3 合成塔熱損失，kJ/h； Q沸騰水吸收熱量，kJ/h。 Q1=（G1Cm1Tm1） 式中： G1入塔氣各組分流量，m3/h； Cm1入塔各組分的比熱容，kJ/（m3.k）； Tm1入塔氣體溫度，k； Q2=（G2Cm2Tm2） 式中：G2出塔氣各組分流量m3/h； Cm2 出塔各組分的熱容，kJ/（m3.k）；Tm2 出塔氣體溫度，k； Qr= Qr1 +Qr2 +Qr3+ Qr4+ Qr5 +Qr6+ Qr7 式中： Qr1、Qr2

34、、Qr3、 Qr4、 Qr5 、Qr6、分別為甲醇、二甲醚、異丁醇、甲烷、辛烷的生成熱，kJ/h； Qr7二氧化碳逆變反應(yīng)的反應(yīng)熱，kJ/h Qr=GrH 式中： Gr各組分生成量，kmol/h； H生成反應(yīng)的熱量變化，kJ/mol2入塔熱量計(jì)算通過計(jì)算可以得到5.14Mpa，225時(shí)各入塔氣氣體的熱容，根據(jù)入塔氣各氣體組分量，算的甲醇合成塔入塔熱量如下表：表7 甲醇合成塔入塔熱量氣體 CH3OH H 2 CO CO2 N2 Ar CH4熱容kJ/（kmol.k） 67.04 29.54 29.88 44.18 29.47 25.16 46.82氣量kmol /h 8.88 12318.08

35、1896.64 493.24 424.14 108.54 249.66入塔熱量kJ/（h.k） 595.3 363876.0 56673.9 21791.3 12499.40 2731.8 11689.08入塔熱量合計(jì)為479856.00 kJ/（h.k） 所以 Q1=479856.00498.15=234058766.40 kJ/h3塔內(nèi)反應(yīng)熱的計(jì)算忽略甲醇合成塔中的反應(yīng)生成的熱量，按反應(yīng) ， ， ， ，生成的熱量如下表：表8 甲醇合成塔內(nèi)反應(yīng)熱氣體 CH3OH ( CH3 )2O C4H9OH C8H18 CH4 CO生成熱kJ/mol 102.37 49.62 200.39 957.98

36、 115.69 42.92生成量kmol /h 813.50 2.54 0.98 0.76 86.72 73.04反應(yīng)熱kJ/h 83277995.00 126034.80 196382.20 747224.40 10032636.80 3135735.20反應(yīng)熱合計(jì)=91244538.00 kJ/h 4全塔熱量損失的確定全塔熱損失為4%，即Q3=(Q1 + Qr)4%=(234058766.40+91244538.00)4%=13012132.18 kJ/h 5入塔氣換熱器的熱量計(jì)算 （1）入換熱器的被加熱氣體熱量的確定表9 入換熱器被加熱氣體各組分熱容和顯熱 氣體 CH3OH H 2 CO

37、 CO2 N2 Ar CH4熱容kJ/（kmol.k）95.87 29.25 29.44 38.47 29.47 25.18 39.66氣量kmol /h 8.88 12318.08 1896.64 493.24 424.14 108.54 249.66熱量kJ/（h.k） 851.32 360303.84 55837.08 18874.94 12499.40 2730.86 9901.52 合計(jì)：入換熱器的被加熱氣體熱量為461098.96kJ/（h.k），入口溫度為40， 461098.96313.15=144393139.32 kJ/h（2）出換熱器的被加熱氣體熱量的確定出換熱器的被加熱

38、氣體顯熱=入合成塔氣體的顯熱，即234058766.40 kJ/h（3）入換熱器的熱氣體熱量的確定入換熱器的加熱氣體顯熱=出合成塔氣體的顯熱，即243855997.28kJ/h（4）出換熱器的熱氣體熱量的確定被加熱氣體吸收的熱量=出換熱器的被加熱氣體顯熱入換熱器的被加熱氣體顯熱=234058766.40144393139.32=89665627.08kJ/h 所以：出換熱器的加熱氣體顯熱量=入換熱器的加熱氣體顯熱被加熱氣體吸收的熱量 =243855997.2889665627.08=154190370.20 kJ/h（5） 出換熱器的加熱氣體的溫度的確定 假設(shè)出換熱器的加熱氣體各組分熱容與出塔

39、時(shí)相同，則出口溫度為 154190370.20/461717.32=333.95k 即 60.8 八、設(shè)備的選型和計(jì)算 （一）主要設(shè)備甲醇合成塔的設(shè)計(jì)計(jì)算和選型14 1傳熱面積的確定 傳熱溫差為10，傳熱量為68435174.94kJ/h，合成塔內(nèi)的總傳熱系數(shù)取為289.78W/（m2.）。由公式Q = kATm 得 A = Q/（KTm）=68435174.94/（3.6289.7810）=6362 2催化劑用量的確定入塔氣空速12000h-1，入塔氣量3486585.82m3/h，所以，催化劑體積為3486585.82/12000=290.55m3。 3傳熱管數(shù)的確定 傳熱管選用322.5

40、 ，長度9000mm的鋼管，材質(zhì)為00Cr18Ni5Mo3Si2鋼。由公式A =3.14dLn 得 n = A/（3.14dL）=6362/（3.1490.027）=8338其中因要安排拉桿需要減少12根，實(shí)際管數(shù)為8326根。4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a=40mm，殼體直徑： Di=a（b-1）+2L式中： a = 40 b = 1.1n0.5 = 1.183380.5 = 100.44 L = 125mm所以 Di=40（100.44-1）+2125=4227.80 圓整后取為4300 mm5合成塔殼體厚度的確定殼體材料選用13MNiMoNbR鋼，計(jì)算壁

41、后的公式為：S=PcDi/（2 t-Pc）式中： Pc5.14Mpa ； Di=4300mm； =0.85 t =190Mpa（取殼體溫度為50） S=43005.14/（21900.85-5.14）=69.53mm 取C2=1mm ；C1=1mm，原整后取S=73mm6折流板的確定折流板為弓形 h=3/4Di=3/44300=3225mm，折流板數(shù)量為5，間距取1500mm折流板最小厚度為22mm，材料為Q235-A鋼。拉桿12，共12根，材料Q235-AF鋼；定距管252.57管板的確定管板直徑4300，厚度100mm，管板通過焊接在筒體和封頭之間。支座采用裙座，裙座座體厚度為50mm，基

42、礎(chǔ)環(huán)內(nèi)徑4000mm，外徑4500mm，基地腳螺栓公稱直徑M30，數(shù)量為6個(gè)九、三廢處理（一）甲醇生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的污染1廢氣（1）甲醇膨脹槽出來的膨脹氣，其中含有較多的一氧化碳和有機(jī)毒物。（2）精餾時(shí)預(yù)塔頂排放出的不凝氣體。（3）其他如精餾塔頂還有少量含醇不凝性氣體等。（4）鍋爐排放煙氣，煙氣中含粉。（5）備煤系統(tǒng)中的煤的輸送、破碎、篩分、干燥等過程中產(chǎn)生的粉塵。2廢水（1）甲醇分離器排放的油水，各輸送泵填料的漏液。（2）甲醇生產(chǎn)中對(duì)水源污染最嚴(yán)重的是精餾塔底排放的殘液。（3）氣化工段氣液分離出來的含煤水。3廢渣廢渣主要來自氣化爐爐底排渣及鍋爐排渣，氣化爐二旋排灰。4廢氣處理甲醇精餾系統(tǒng)各塔排放的

43、不凝性氣體送去燃料氣系統(tǒng)作燃料；甲醇膨脹槽排放的膨脹氣也送去燃料氣系統(tǒng)；氣提塔（T2001）排放的解析氣送去氣化系統(tǒng)火炬燃燒；脫硫工段的酸性氣體去硫回收系統(tǒng)；鍋爐煙道氣經(jīng)高效旋風(fēng)分離除去煙塵85，后送至備煤系統(tǒng)回轉(zhuǎn)干燥機(jī)，利用鍋爐煙道氣余熱加熱原料回收余熱后濕式除塵器二次除塵后，引風(fēng)機(jī)送至煙囪排入大氣；原料煤破碎、篩分產(chǎn)生的粉塵，經(jīng)布袋除塵后排入大氣。5廢水處理以有機(jī)物為主要污染物的廢水15，只要毒性沒達(dá)到嚴(yán)重抑制作用，一般都可以用生物法處理，一般認(rèn)為生物方法是去除廢水中有機(jī)物最經(jīng)濟(jì)最有效的方法，特別對(duì)于BOD濃度高的有機(jī)廢水更適宜。本設(shè)計(jì)選用A/O生物處理法，即厭氧與好氧聯(lián)合生物處理法，此法是近年來開發(fā)成功的、以深度處理高濃度有機(jī)污水的生化水處理工藝，其典型的工藝流程如下圖所示：甲醇污水上升式厭氧污泥過濾反應(yīng)器混凝沉淀池生物接觸氧化塔二次沉淀池外排或回用圖5 A/O生化法處理甲醇工藝A/O法處理甲醇廢水的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：該法既發(fā)揮了厭氧生化能處理高濃度有機(jī)污水的優(yōu)點(diǎn)，又避免了生物接觸氧化法抗負(fù)荷沖擊力弱的缺點(diǎn)，能夠較為徹底地消解廢水中的主要污染物甲醇，基本上不需要更深程度的處理措施。6廢渣處理氣化爐爐渣及鍋爐渣，經(jīng)過高溫煅燒，含殘?zhí)亢苌伲糜诨ɑ靥?、鋪路是很好的材料。十、設(shè)計(jì)結(jié)果評(píng)