煤制乙二醇中深冷分離工段工藝設(shè)計-畢業(yè)論文

本科畢業(yè)設(shè)計題目：年產(chǎn)30萬噸煤制乙二醇中深冷分離工段工藝設(shè)計目錄前言 1第一章乙二醇制備簡介 21.1設(shè)計概述 21.1.1設(shè)計要求 21.1.2乙二醇（EG） 21.2煤制乙二醇合成技術(shù) 31.2.1直接合成法 31.2.2間接合成法 31.3煤制乙二醇合成原理 51.3.1CO氧化偶聯(lián)法制乙二醇 51.3.2乙二醇的生產(chǎn)流程 61.3.3乙二醇生產(chǎn)流程簡圖 7第二章深冷分離CO/H2 82.1深冷分離概述 82.2深冷分離工藝選擇及操作原理 82.2.1操作原理 82.2.2工藝特點 82.3CO/H2分離工藝流程 92.3.1CO/H2工藝流程簡述 92.3.2CO/H2分離工藝流程圖 10第三章物料衡算 113.1冷箱裝置的物料衡算 113.1.1計算依據(jù) 113.1.2基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 113.2物料衡算 11第四章熱量衡算 144.1換熱器E-3123的熱量衡算 144.1.1計算依據(jù) 144.1.2衡算條件 144.2衡算結(jié)果 15第五章設(shè)備選型 165.1換熱器E-3123的初選 165.2E-3123的選型 175.2.1計算總傳熱系數(shù) 175.2.2計算所需要的傳熱面積 18第六章總結(jié) 19參考文獻 21致謝 22年產(chǎn)30萬噸煤制乙二醇中深冷分離工段工藝設(shè)計摘要本設(shè)計為煤制乙二醇過程中深冷分離工段的工藝設(shè)計。其中概述了乙二醇的性質(zhì)及用途，介紹了四種煤制乙二醇的合成技術(shù)和工藝特點，并結(jié)合其中的CO經(jīng)偶聯(lián)合成草酸二甲酯（DMO），再用草酸二甲酯加氫合成乙二醇的路線進行簡單的工藝流程制作，對其中的冷箱系統(tǒng)的工藝流程進行闡述。要求以年產(chǎn)30萬噸煤制乙二醇為設(shè)計規(guī)模，對其中的深冷分離工段進行設(shè)計。通過查閱資料得到數(shù)據(jù)，并以進入冷箱的原料氣正常流量94000Nm3/h為計算基準，對冷箱內(nèi)各個分離塔進行物料衡算，進而對其中的一個換熱器進行熱量衡算，最后以熱量衡算為基礎(chǔ)進行換熱器的選型。關(guān)鍵詞：煤制乙二醇深冷分離物料衡算熱量衡算設(shè)備選型AbstractThisdesignistheprocessdesignofcryogenicseparationofcoaltoethyleneglycol.Wesummarizedthepropertiesandusesofethyleneglycol,andintroducedthesynthesistechnologyandprocesscharacteristicsoffourkindsofcoaltoethyleneglycol,andcombinedwithcoupledCOtoformdimethyloxalate(DMO),andthenwemadesimpleprocessofthehydrogenationofdimethyloxalatetoethyleneglycol.Wedescribed.Thetechnologicalprocessofthecoldboxsystem.Withanannualoutputof300,000tonsofcoaltoethyleneglycol,thecryogenicseparationCO/H2sectionwasdesigned.Thedatawereobtainedbyconsultingthedata,andthematerialbalanceofeachseparationtowerinthecoldboxwascalculatedonthebasisofthenormalflowofrawgasintothecoldboxof94000Nm3/h.Theheatbalanceofheatexchangeriscalculated,andtheheatexchangerselectionisbasedontheheatbalance.Keywords:ethyleneglycol;cryogenicseparation;materialbalance;heatbalance;deviceselection前言乙二醇（EG）在戰(zhàn)略物資中屬于非常重要的一種，作為化工用途中的基礎(chǔ)原料，它的用途也是極為廣泛的，在生活中生產(chǎn)聚合物、防凍劑、增塑劑、非離子表面活性劑等都是把乙二醇作為原料來生產(chǎn)制造的。傳統(tǒng)的乙二醇合成工業(yè)中運用最為成熟也最為普遍的方法是：以石油為基本原材料來合成乙二醇[1]。合成過程中所需要的原材料乙烯，是從石油中煉制提取而得，乙稀再通過氧化得到環(huán)氧乙烷，最后環(huán)氧乙烷通過水和反應(yīng)制得乙二醇。然而由于大量的開采石油，導(dǎo)致石油的短缺，石油價格上漲制約了工藝生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。根據(jù)我國資源的基本情況，以能源結(jié)構(gòu)“多煤、缺油、少氣”的特點，引入了以煤為原料來制取乙二醇。隨著煤化工工業(yè)的不斷更新與發(fā)展，直接合成法和間接合成法作為煤制乙二醇的兩個重要合成技術(shù)。其中煤直接合成乙二醇中必須用到的催化劑羰基鈷催化劑價格都非常昂貴，所需要的成本過高限制了此方法在大型企業(yè)的應(yīng)用。反而煤間接制乙二醇的方法受到了廣泛關(guān)注。煤間接制乙二醇是以合成氣為基礎(chǔ)的甲醇甲醛法以及CO偶聯(lián)等。以合成氣為基礎(chǔ)的方法主要有：①甲醛經(jīng)過縮合反應(yīng)后加入氫氣得到乙二醇的方法、②以甲醇為原料制取二甲醚后，二甲醚經(jīng)過氧化偶聯(lián)反應(yīng)得到乙二醇的方法、③用甲醛作為原材料在催化劑的作用下，并加入氫氣得到乙二醇的方法、④由合成氣氣為基礎(chǔ)原料制得中間產(chǎn)物草酸二甲酯，再由中間產(chǎn)物加氫得到乙二醇的方法等。其中，草酸酯法已經(jīng)在現(xiàn)在的煤化工工業(yè)中投入應(yīng)用。本文應(yīng)用草酸酯法（氧化偶聯(lián)法）路線制取乙二醇進行論述，要求為年產(chǎn)30萬噸煤制乙二醇，對其中煤制乙二醇過程中深冷分離工段工藝進行設(shè)計。CO作為合成DMO的主要原料氣，根據(jù)合成工藝條件的要求CO氣體必須是高純度的，然而從低溫甲醇洗過來的原料氣中含有CO、H2等微量雜質(zhì)，必須對原料氣進行分離提純。CO與N2的沸點相似，所以工業(yè)上引用深冷分離技術(shù)分離提純CO/H2，深冷分離技術(shù)能夠滿足系統(tǒng)對氣體純的要求。第一章乙二醇制備簡介1.1設(shè)計概述1.1.1設(shè)計要求設(shè)計規(guī)模：年產(chǎn)30萬噸煤制乙二醇，為滿足系統(tǒng)對氣體產(chǎn)品的純度要求，利用深冷分離法對CO/H2進行分離。其中CO純度≥99%，H2純度≥99.9%。1.1.2乙二醇（EG）（一）乙二醇的性質(zhì)和用途乙二醇簡稱EG，它是一種無色無臭并且?guī)е鹞兜囊后w。對動物有毒，對人有也一定的影響，如果人類誤食乙二醇或者接觸其劑量為1.6g/h將會導(dǎo)致死。若遇到明火、高溫過熱或者與氧化劑接觸，則會引起燃燒和爆炸的危險。乙二醇是一種極易溶于水的物質(zhì)，同時乙二醇作為一種簡單的二元醇，它的性質(zhì)與乙醇也極為相似都能夠溶解在低碳醇、甘油、丙酮、乙酸、吡啶、醛類等物質(zhì)中，當然乙二醇也能夠微微的溶解在醚物質(zhì)中。同樣的，乙二醇既有溶解于一種物質(zhì)也能在其他物質(zhì)中共存（即是不溶于一種物質(zhì)），乙二醇能夠在苯溶液、二硫化碳溶液、氯仿溶液，四氯化碳溶液中共存。它具有很強的吸水性和毒性，主要是用來生產(chǎn)聚酯纖維、防凍劑、非離子表面活性劑等，此外在染料、涂料、粘合劑、溶劑、潤滑劑、軟化劑、增塑劑和炸藥等方面應(yīng)用也非常廣泛[2]。表1-1乙二醇的物理性質(zhì)分子式C2H6O2分子量62.07物理性質(zhì)無色、有甜味、澄清的粘稠液體凝固點-11.5℃沸點197.6℃冰點-13.2℃相對密度1.1135(20℃)折光率1.43063(25℃)（二）乙二醇合成研究進展伴隨著全球聚酯產(chǎn)品在市場上的消費情況來看，聚酯產(chǎn)品呈急劇增長狀態(tài)，全球的乙二醇產(chǎn)能也緊跟著迅速增長。據(jù)統(tǒng)計2006年全球乙二醇的生產(chǎn)產(chǎn)能是1955.5萬噸，然而到了2016年全球乙二醇的產(chǎn)能便增長到了3747萬噸，十年時間全球乙二醇的生產(chǎn)產(chǎn)能就增長了1751.5萬噸，其中2016年全球乙二醇產(chǎn)能增長了175萬噸。我國就增長了120萬噸，占2016年全球乙二醇產(chǎn)能的68.57%，而國外僅增長了55萬噸，占全球乙二醇產(chǎn)能的31.43。預(yù)計2023年全球乙二醇產(chǎn)能達5000萬噸以上[3]。由于我國乙二醇產(chǎn)量的增長速度明顯低于消費的增長素的，因此近年來我國進口乙二醇逐年大幅度增加，從2002年的214.57萬噸大幅增加至2012年的794.03萬噸，而我國的自給率始終徘徊在25%左右，是世界上乙二醇的主要進口國[4]。因而乙二醇的生產(chǎn)與消費引起了各國重視，隨著科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展生產(chǎn)技術(shù)不斷得到改進，新工藝的研究開發(fā)方興未艾[5]。由于我國受到了石油供不應(yīng)求的影響，與國家需求量關(guān)系的矛盾。以合成氣為原料來合成乙二醇的路線受到人們廣泛的關(guān)注。合成氣的原料來源于天然氣、石油殘渣和煤。而煤在我國資源豐富，并且價格便宜。以煤為原料采用合成氣合成乙二醇在我國將有廣闊的發(fā)展前景[6]。1.2煤制乙二醇合成技術(shù)[7-10]到目前為止石油化工和非石油化工兩大合成路線成了全球合成乙二醇的重要技術(shù)，以環(huán)氧乙烷（EO）為基礎(chǔ)的直接水合、間接水合和碳酸乙烯酯法成為了石油化工工業(yè)中主要的合成手段；而非石油化工則是以原料氣為基礎(chǔ)進行合成。根據(jù)我國能源的基本結(jié)構(gòu)，煤制乙二醇合成技術(shù)在現(xiàn)代化工工業(yè)中不斷的興起，煤制乙二醇的直接合成法和間接合成法瞬間成為了化工行業(yè)的重要研究對象，其中間接合成乙二醇的技術(shù)在化工企業(yè)中運用比較廣泛。1.2.1直接合成法2CO+3H2=HOCH2CH2OH煤制乙二醇直接合成法主要是通過添加催化劑，并且在高溫高壓的條件下進行合成，從而得到乙二醇。其步驟可視為由兩個小步驟反應(yīng)完成：①以煤或煤渣為原材料在高溫和高壓的情況下，經(jīng)過氣化反應(yīng)生成合成氣，合成氣中包括CO和H2，②2CO+3H2=HOCH2CH2OH由于反應(yīng)過程都是在高溫高壓的條件下才能進行，反應(yīng)中涉及的催化劑很難達到，并且在熱力學(xué)上也很難實現(xiàn)，因此直接合成法無法在工業(yè)中大規(guī)模的使用。1.2.2間接合成法煤通過一系列化學(xué)反應(yīng)制得乙二醇的間接合成法主要有兩種路線：①合成氣制取中間產(chǎn)物草酸二甲酯，再由中間產(chǎn)物制取乙二醇的草酸酯法路線，②合成氣制取甲醇，再由甲醇制取乙二醇的甲醇甲醛路線。草酸酯法2CH3OH+N2O32CH3ONO+H2O2CO+2CH3ONO(COOCH3)2+2NO(COOCH3）2+4H2(CH22CH3OH+N2O32CH3ONO+H2O2CO+2CH3ONO(COOCH3)2+2NO(COOCH3）2+4H2(CH2OH)2+2CH3OH甲醇甲醛合成法甲醇脫氫二聚法2CH3OH=HOCH2CH2OH+H2甲醛脫氫二聚法主要由消除反應(yīng)和加聚反應(yīng)兩個反應(yīng)過程組成，它2CH3OH=HOCH2CH2OH+H2在兩個反應(yīng)過程所需要的條件太過于苛刻，因為甲醇中的碳氫鍵和烷基中的碳氫鍵都是屬于惰性鍵，必須通過共價鍵斷裂成自由基的反應(yīng)才能進行，因此并沒有取得滿意的結(jié)果。（2）二甲醚氧化偶聯(lián)法2CH3OCH3→CH3OCH2CH2OCH3→HOCH2CH3OCH3→CH3OCH2CH2OCH3→HOCH2CH2OH此反應(yīng)過程需要在高溫下制取反應(yīng)所需要的催化劑。此反應(yīng)過程中所需要完成的熱力學(xué)難度系數(shù)非常大，在如今的工業(yè)中還無法進行，仍然還需要研究。（3）羥基乙酸法羥基乙酸法是指用甲醛、CO和水作為原料，在200～225℃和2～4MPa的高溫高壓和濃硫酸或者氫氟酸催化劑的作用下，經(jīng)過縮合反應(yīng)生成羥基乙酸，再進行下一步的甲醇酯化法反應(yīng)生成羥基乙酸甲酯。最后羥基乙酸用過量氫以亞鉻酸銅作為催化劑反應(yīng)生成乙二醇的過程方法，甲醇在反應(yīng)過程中可以循環(huán)使用。反應(yīng)式如下:HCHO+CO+HHCHO+CO+H2O→HOCH2COOHHOCH2COOH+CH3OH→HOCH2COOCH3+H2OHOCH2COO(CH2)2OH+2H2→2HOCH3CH2OH此方法的主要缺點是反應(yīng)過程中運用的酸性催化劑具有很強的腐蝕性，對環(huán)境所造成的污染和腐蝕比較嚴重，因此不用于生產(chǎn)。（4）甲醛縮合法2HCHO+2H+2e→HOCH2CH2OH甲醛縮合法是指甲醛通過自身2HCHO+2H+2e→HOCH2CH2OH得乙二醇的方法。反應(yīng)如下:此方法的最大缺點是耗電量非常大,只得到濃度非常低的乙二醇產(chǎn)物,因此還需要進一步研究電解槽的結(jié)構(gòu)和條件的改進。（5）甲醛氫甲?；℉CHO+CO+H2→HOCH2CHOHOCH2CHO+HHCHO+CO+H2→HOCH2CHOHOCH2CHO+H2→HOCH2CH2OH由于此方法的反應(yīng)活性和選擇性都比較低,因此，還需對反應(yīng)過程的催化劑進行研究。1.3煤制乙二醇合成原理1.3.1CO氧化偶聯(lián)法制乙二醇草酸酯法也稱為CO氧化偶聯(lián)法，主要是指由草酸二甲酯（DMO）通過催化加氫制取乙二醇（EG）的方法。其生產(chǎn)原理主要可分成如下三步：（1）原料氣的制備2C+O2=2CO在低壓的情況下，煤經(jīng)過氣化制成CO：2C+O2=2CO（1-1）用間歇法制得半水煤氣，再由半水煤氣經(jīng)過高溫和低溫變換制得氫氣：C+H2O=CO+H2（1-2）C+H2O=CO+H2CO+H2O=CO2+H2（1-3）CO+H2O=CO2+H2（2）草酸二甲酯的合成2CO+2CH3ONO=(COOCH3)2+2NO煤經(jīng)由氣化反應(yīng)所得到的CO在催化劑的作用下，與亞硝酸甲酯（CH3ONO）發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)生成一摩爾草酸二甲酯（DMO）和兩摩爾NO，這個反應(yīng)過程稱為偶聯(lián)反應(yīng)：2CO+2CH3ONO=(COOCH3)2+2NO(1-4)2NO+2CH3OH+?O2=2CH3ONO+H2O草酸二甲酯合成過程中發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)的同時也伴隨著再生反應(yīng)過程，再生反應(yīng)過程是指經(jīng)過偶聯(lián)反應(yīng)所得的產(chǎn)物NO與甲醇和O2反應(yīng)生成亞硝酸甲酯的過程，再生反應(yīng)過程的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：2NO+2CH3OH+?O2=2CH3ONO+H2O（1-5）2CO+?O2+2CH3OH=(COOCH3)2+H2O2CO+?O2+2CH3OH=(COOCH3)2+H2O（1-6）在反應(yīng)過程中，為減少成本避免浪費所得到的亞硝酸甲酯產(chǎn)物會被運輸?shù)脚悸?lián)反應(yīng)過程中循環(huán)使用。（3）乙二醇的制取上一工序反應(yīng)生成的草酸二甲酯DMO經(jīng)一系列的化學(xué)變化得到乙二醇，此過程經(jīng)過的化學(xué)變化為串聯(lián)反應(yīng)過程。串聯(lián)反應(yīng)過程是指先把草酸二甲酯DMO通過加氫生成中間產(chǎn)物乙醇酸甲酯（MG），其次再由中間產(chǎn)物加氫生成乙二醇的過程稱為串聯(lián)反應(yīng)過程。(COOCH3）2+4H2=(CH2OH)2+2CH3OH(COOCH3）2+4H2=(CH2OH)2+2CH3OH1.3.2乙二醇的生產(chǎn)流程空氣通過分離得到氧氣，氧氣一部分被送到鍋爐與原料煤發(fā)生氣化反應(yīng)，另一部分則被送到再生塔中與亞硝酸甲酯發(fā)生再生反應(yīng)。反應(yīng)得到的工藝氣經(jīng)過耐硫變換被送往下一工序，間歇法制得半水煤氣，在高溫變換和低溫變換的情況下進行酸性氣體脫除并凈化從而制得氫氣。在上一工序中反應(yīng)生成的一氧化碳和氫氣進入冷箱中進行CO/H2深冷分離，分離得到的富氫氣和一氧化碳。富氫氣被送往變壓吸附器中進行提純，一氧化碳則被運輸?shù)綁嚎s機進行壓縮。被提純的富氫氣一部分用作乙二醇的合成，一部分會進行解吸壓縮得到解吸氣，解吸氣進入冷箱中循環(huán)使用。經(jīng)過壓縮后的一氧化碳進入合成器中與亞硝酸甲酯進行反應(yīng)生成草酸二甲酯。草酸二甲酯反應(yīng)的尾氣將會導(dǎo)入再生塔中循環(huán)使用，草酸二甲酯則進入精制工段進行草酸二甲酯精制，精制后的草酸二甲酯與氫氣在合成器中反應(yīng)生成乙二醇。合成的乙二醇為粗產(chǎn)物，粗產(chǎn)物中含有氫氣、草酸二甲酯、乙二醇和中間產(chǎn)物乙醇酸甲酯。所以要對乙二醇粗產(chǎn)物進行分離提純，最后得到乙二醇產(chǎn)品。1.3.3乙二醇生產(chǎn)流程簡圖冷凍空氣分離煤氣化耐硫交換酸性氣體脫出CO/H2冷凍空氣分離煤氣化耐硫交換酸性氣體脫出CO/H2深冷分離富氫氣變壓吸附提純一氧化碳壓縮解吸氣解吸氣壓縮一氧化碳亞酯再生草酸二甲酯合成草酸二甲酯精制乙二醇合成氫氣乙二醇分離乙二醇產(chǎn)品氧氣圖SEQ圖\*ARABIC1-1乙二醇的生產(chǎn)方框流程示意圖第二章深冷分離CO/H22.1深冷分離概述深冷分離法于1902年由林德教授所發(fā)明的，深冷分離技術(shù)在1925年由德國林德公司開發(fā)[11]。深冷分離技術(shù)是一種高壓低溫技術(shù)，主要是利用各組分之間沸點的不同，將混合氣體經(jīng)過深冷液化并對其進行分離，在-210℃~-105℃的范圍內(nèi)對混合氣體進行多層次的深冷分離[12]。深冷分離CO是物理分離方法，它的基本原理是焦耳-湯姆遜的節(jié)流效應(yīng)[13]。2.2深冷分離工藝選擇及操作原理2.2.1操作原理深冷分離裝置設(shè)置是為了滿足系統(tǒng)對產(chǎn)品氣體的純度要求，氣體分離原理是利用不同氣體的凝固點不同，所需要的冷凝溫度不同的原理來進行精餾分離，從而達到不同氣體的提純，深冷分離過程主要是對一氧化碳和富氫氣進行提純，系統(tǒng)要求一氧化碳的純度要≥99%，富氫氣進入變壓吸附器（PSA）進行提純，其純度要求要達到99.9%以上。冷箱單元主要包括前端吸附單元、冷箱以及排污系統(tǒng)組成。精脫硫裝置出口凈化氣組分大部分由氫氣和一氧化碳組成，也包含微量的水，二氧化碳和甲醇，在氣體進入冷箱之前需要一個凈化系統(tǒng)即前端吸附單元將其中的水和二氧化碳、甲醇脫除，因為它們會凍結(jié)在冷箱內(nèi)的換熱器上，從而造成的沉積會導(dǎo)致系統(tǒng)停止運行。因此，凈化氣在進入冷箱前需流經(jīng)干燥吸附。根據(jù)凈化氣里氣體組分和后系統(tǒng)對氫氣、一氧化碳氣體的純度要求，冷箱工藝主要選擇的是部分冷凝法工藝，冷箱里的設(shè)備主要包括主換熱器、氣液分離罐、甲烷/粗一氧化碳分離塔、氮氣/一氧化碳分離塔、包括一套排液系統(tǒng)組成。2.2.2工藝特點此深冷分離裝置采用的工藝是凈化氣部分冷凝工藝，即在冷箱中的不同塔里進行氣體分離提純，來自冷箱的閃蒸汽和PSA裝置的解吸氣經(jīng)過PSA尾氣循環(huán)壓縮回到冷箱以此來提高H2、CO氣體的回收率。2.3CO/H2分離工藝流程2.3.1CO/H2工藝流程簡述經(jīng)精脫硫處理后的常溫氣體送至前端凈化單元吸附罐進行氣體吸附凈化，吸附凈化原料氣里的CO2和CH3OH等微量雜質(zhì)，避免原料氣中的微量雜質(zhì)進入冷箱中受到低溫的影響而發(fā)生結(jié)冰的現(xiàn)象，堵塞設(shè)備管道，從而導(dǎo)致深冷單元無法滿足系統(tǒng)對產(chǎn)品純度的要求，還有可能會影響到下一工序的正常運行。前端凈化單元由兩個吸附罐組成。吸附操作需要通過程序控制系統(tǒng)才能完成。有兩個相同數(shù)量吸附劑的吸附罐填充并同時進行工作：當其中一個吸附罐在吸附的時候，另外一個吸附罐再生。吸附罐的吸附量達到其最大吸附能力時，用氮氣再生。氣體離開前端凈化單元后需要經(jīng)過換熱器E-3123進行降溫處理后再進入到冷箱里提純。原料氣在冷箱裝置中提純需要進行兩次換熱處理，在換熱器E-3101進行第一次冷卻，再進入E-3102里進行第二次冷卻，經(jīng)冷卻后的原料氣送到氣液分離器V-3103中閃蒸分離，頂部氣體稱為富氫氣，在深冷單元換熱器E-3102/E-3103/E-3101里復(fù)熱至常溫(32℃)后離開冷箱，被送至變壓吸附（PSA）裝置進行H2提純。V-3103液體通過閥門膨脹后送到閃蒸塔C-3102，其中大量的氫氣被閃蒸出來，閃蒸塔C-3102底部液體通過閃蒸塔再沸器E-3106加熱后溶解在液相中的氫氣分離出來，C-3102塔頂閃蒸氣在換熱器E-3103和E-3101里加熱至常溫（32℃），在中等壓力（0.91Mpa）下送至PSA尾氣循環(huán)壓縮機的中間段升壓。來自CO壓縮機的高壓氣體經(jīng)過E-3101冷卻后進入閃蒸塔再沸器E-3106提供熱量，通過E-3103冷卻后去CO/CH4容器V-3112與E-3112換熱，一氧化碳被加熱后氣液相在此分離,頂部氣相去E-3102/E-3101換熱后去CO壓縮機K-3101入口，CO/CH4容器V-3112液相部分去E-3103，另一部分去熱虹吸罐V-3102，V-3102液相經(jīng)過E-3102復(fù)熱后返回V-3102，V-3102氣相與V-3109和V-3112來的CO氣體混合后進入E-3102復(fù)熱后，與E-3103復(fù)熱的一氧化碳一同去E-3101復(fù)熱至32℃進入CO循環(huán)壓縮機K-3101低壓缸入口增壓。閃蒸塔C-3102塔釜的液體經(jīng)過E-3102換熱后送到CO/CH4分離塔C-3103,來自E-3101的部分合成氣進入CO/CH4分離塔中的再沸器E-3107給CO/CH4分離塔C-3103提供熱量后，與原合成氣一起去E-3102換熱，CO/CH4分離塔C-3103底部含一氧化碳的甲烷液體在CO/CH4分離塔再沸器E-3107中加熱，一氧化碳和氮氣分離出來，塔底部的液態(tài)甲烷在E-3102/E-3101復(fù)熱到常溫(20℃)被送至燃料管網(wǎng)。從C-3103塔頂出來的粗一氧化碳進入CO/N2分離塔C-3104中部，與進入CO/N2分離塔C-3104下部的中壓一氧化碳進行熱質(zhì)交換，氮氣被分離出來，底部得到高純度的液態(tài)一氧化碳，經(jīng)過閥門后送至V-3109中與再沸器E-3109換熱，V-3109頂部氣相與頂部氣相混合換熱后去CO壓縮機K-3101低壓缸入口。C-3104頂部氣相通過E-3109換熱后液體返回C-3104，氣相通過E-3103/E-3101換熱至常溫（20℃）去放空管網(wǎng)。高純度一氧化碳氣體經(jīng)過壓縮機升壓后，得到中、高壓CO氣體，中壓一氧化碳氣體部分作為產(chǎn)品氣去DMO合成工段，部分中壓一氧化碳氣體和高壓一氧化碳氣體分別去冷箱循環(huán)運行，提供冷箱所需能量。裝置冷量的平衡由空分裝置提供的液氮來維持。事故工況下，冷箱內(nèi)液體被排放到地下槽中，被蒸汽加熱氣化后，送往火炬燃燒。2.3.2CO/H2分離工藝流程圖第三章物料衡算3.1冷箱裝置的物料衡算3.1.1計算依據(jù)輸入系統(tǒng)的物料量=輸出系統(tǒng)的物料量+系統(tǒng)內(nèi)積累的物料量進行物料衡算的依據(jù)是質(zhì)量守恒定律。質(zhì)量守恒定律是指在一個孤立的物系中，無論物質(zhì)發(fā)生任何變化，它的質(zhì)量始終不變[14]。得到物料衡算式為：輸入系統(tǒng)的物料量=輸出系統(tǒng)的物料量+系統(tǒng)內(nèi)積累的物料量由于本設(shè)計的工藝過程為連續(xù)操作過程，所以系統(tǒng)內(nèi)沒有累積物料，即：累積的物料量為0，則有:輸入系統(tǒng)的物料量=輸出系統(tǒng)的物料量輸入系統(tǒng)的物料量=輸出系統(tǒng)的物料量ΣFΣF0=ΣD式中，F(xiàn)0——輸入體系中物料的質(zhì)量D——離開系統(tǒng)中物料的質(zhì)量3.1.2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)CO/CH4分離塔閃蒸塔煤制乙二醇年產(chǎn)量為30萬噸，年生產(chǎn)時間為330天（d），每天24小時（h），總的時間為7920小時（h）。深冷分離流程示意圖如下：CO/CH4分離塔閃蒸塔CO/N2分離塔主換熱器氣液分離塔CO壓縮機PSA循環(huán)壓縮圖3-1深冷分離流程示意圖CO/N2分離塔主換熱器氣液分離塔CO壓縮機PSA循環(huán)壓縮3.2物料衡算原料氣流量為94000Nm3/h，T1=0℃=273K,P1=101KPa,V1=94000Nm3/h，T2=32℃=305K，P2=3MPa=3000KPa，根據(jù)公式：，=（101×94000×305）/(3000×273)=3535.62m3/h即：94000Nm3/h=3535.62m3/h80865Nm3/h，T1=0℃=273K,P1=101KPa,V1=80865Nm3/h，T2=32℃=305K，P2=3MPa=3000KPa，根據(jù)公式：，=（101×80865×305）/(3000×273)=3041.57m3/h即：80865Nm3/h=3041.57m3/h同理求得：2669Nm3/h=100.39m3/h，500Nm3/h=18.81m3/h203Nm3/h=7.64m3/h，9971Nm3/h=375.04m3/h，288Nm3/h=10.83m3/h14400Nm3/h=541.63m3/h，22746Nm3/h=855.54m3/h質(zhì)量流量=體積流量×密度由，質(zhì)量流量=體積流量×密度其中混合氣體的密度=組分1的密度×組分1的摩爾分數(shù)+……+組分i的密度×組分i的摩爾分數(shù)。混合氣體的密度=組分1的密度×組分1的摩爾分數(shù)+……+組分i的密度×組分i的摩爾分數(shù)。氣體的密度如下表:表3-2氣體密度組分COH2CO2CH4N2Ar密度kg/m31.250.091.980.721.251.78原料氣的密度=1.25×34.25%+0.09×65.06%+1.98×(2×10-5)%+0.72×0.22%+1.25×0.50%+1.78×0.03%=0.495kg/m3原料氣的質(zhì)量流量=3535.62m3/h×0.495kg/m3=1750.13kg/h富氫氣的質(zhì)量流量=3041.57×（13.1%×1.25+86.5%×0.09+0.3%×1.25）=746.25kg/h閃蒸汽的質(zhì)量流量=100.39×（22.3%×1.25+77.1×0.09%+0.5%×1.25）=35.58kg/hCH4的質(zhì)量流量=18.81×（58.5%×1.25+40.9%×0.72+0.4%×1.25+0.2%×1.78）=19.45kg/h放空尾氣的質(zhì)量流量=7.64×（22.3%×1.25+0.03%×0.09+77.4%×1.25+0.22%×1.78）=9.55kg/h高壓CO的質(zhì)量流量=375.04×（99%×1.25+0.9%×1.25+1.78×0.1%）=469kg/h中壓CO的質(zhì)量流量=541.63×（99%×1.25+0.9%×1.25+1.78×0.1%）=677.32kg/h循環(huán)壓縮機的質(zhì)量流量=855.54×（49.54%×1.25+0.09%×49.24+0.04%×0.72+1.14%×1.25+1.78×0.04%）=781.83kg/h損失CO的質(zhì)量流量=10.83×（99%×1.25+0.09×0.05%+0.05%×0.72）=13.52kg/h計算結(jié)果如下表氣體組分COH2CO2CH4N2Ar體積流量Nm3/h質(zhì)量流量kg/h摩爾百分比/%原料氣34.2565.062×10-50.220.500.03940001750.13出富氫氣13.186.5000.30080865746.25出閃蒸汽22.377.1000.50266935.58出CH458.50040.90.40.250019.45放空尾氣22.30.030077.40.222039.55進高壓CO99.00000.90.19971469進中壓CO99.00000.90.114400677.32循環(huán)壓縮機進冷箱49.5449.2400.041.140.0422746781.83損失CO99.90.0500.050028813.52主換熱器的物料衡算，由于此過程不發(fā)生化學(xué)變化的物理換熱過程，即：進料量=出料量。進料量=進高壓CO+進中壓CO+循環(huán)壓縮機+原料氣=1750.13+781.83+469+677.32=3678.28kg/h出料量=進料量=3678.28kg/h由于整個深冷分離系統(tǒng)無化學(xué)變化，則有：氣液分離塔進料量=3678.28，出料量=3678.28-746.25=2932.03kg/h閃蒸塔進料量=2932.03kg/h，出料量=2932.03-35.58=2896.45kg/hCO/CH4進料量=2896.45kg/h，出料量=2896.45-19.45=2877kg/h同理可得衡算結(jié)果如下表：主換熱器氣液分離塔閃蒸塔CO/CH4CO/N2CO壓縮機輸入kg/h3678.283678.282932.032896.4528772867.45輸出kg/h3678.282932.032896.4528772867.451707.61第四章熱量衡算4.1換熱器E-3123的熱量衡算4.1.1計算依據(jù)計算依據(jù)是根據(jù)熱力學(xué)第二定律，凡是存在溫度差就必然導(dǎo)致熱量自發(fā)地從高溫處向低溫處傳遞，這一過程稱為熱量傳遞過程，簡稱為傳熱過程[14]。換熱器屬于穩(wěn)態(tài)傳熱系統(tǒng)，在穩(wěn)態(tài)傳熱系統(tǒng)中，熱量衡算為：4.1.2衡算條件對原料氣出前端吸附單元，進入冷箱裝置前的換熱器E-3123進行熱量衡算。將流量為1750.13kg/h的原料氣從65℃冷卻至常溫32℃，冷卻水進出口溫度分別為30℃和40℃。一定的溫度下流體的物性參數(shù)可由《化工工藝設(shè)計手冊》查得，具體數(shù)據(jù)如下表表3-3物性參數(shù)表原料氣組分比熱容kJ/(kg·℃）黏度（）/Pa·s密度kg/m3熱導(dǎo)率W/（m·℃）CO0.7541.661.2500.0226H210.130.8420.08990.163CO20.6531.371.9760.0137CH41.701.030.7170.0300N20.7451.701.2510.0228Ar0.3222.091.78200.0173水4.1877.279940.626原料氣的比熱容服從迭加規(guī)律：式中：M——摩爾百分比，n——分子量，Cpi——各組分的比熱容原料氣總比熱容為：cp=0.754×28×34.25%+10.13×2×65.06%+0.653×44×(2×10-5)%+1.70×16×0.22%+0.745×28×0.5%+0.322×40×0.03%=20.58kJ/(kg·℃）原料氣的黏度計算公式為：==1.39×10-4Pa·s式中：Mi——各個組分摩爾百分比，yi——各個組分的分子量，——各個組分的黏度原料氣的熱導(dǎo)率計算公式：==0.084W/（m·℃）式中：Mi——各個組分摩爾百分比，yi——各個組分的分子量，——各個組分的熱導(dǎo)率其中原料氣的密度為0.495kg/m3。4.2衡算結(jié)果換熱器中兩種流體在傳熱過程中都不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和相的變化，由于水的對流傳熱系數(shù)相對于其他液體來說比較大，并且容易易結(jié)垢，為了方便清洗，故選擇冷卻水走換熱器的管程，原料氣走殼程。換熱器熱負荷和冷卻水流量：=3678.28×20.58×103×(65-32)/3600=693907.52W==59662.46kg/h即換熱器的熱負荷為693907.52W，冷卻水流量為59662.46kg/h。第五章設(shè)備選型5.1換熱器E-3123的初選計算兩種流體的平均溫差，假設(shè)換熱器為單殼程，偶管程。則逆流時的平均溫差為：==19.3℃==0.29=3.3利用對數(shù)平均溫差校正系數(shù)，采用外推法查得。所以：=0.96×19.3=18.53℃根據(jù)兩流體的情況，假設(shè)K估=500W/（m2·℃），管程體積流量=。選的換熱管，取管程流速為1.2m/s，則單殼程換熱管總根數(shù)和單殼程管長為：選換熱管長度為6m，則管程數(shù)為，取管程數(shù)為4,。換熱管總根數(shù)為=4×44=176。由于℃(＜50℃)，因此本設(shè)計采用固定管板式換熱器，根據(jù)估算結(jié)果和換熱器系列標準中可選定E-3123的設(shè)備選型為：AEL600-4.0-102.8-6/25-4型換熱器，有關(guān)參數(shù)如下：AEL600-4.0-102.8-6/25-4殼經(jīng)/mm600管子規(guī)格/mm管長/m6公稱壓力/MPa4.0計算換熱面積/m2102.8管子總數(shù)222管程流通面積/m20.0174管子排列方式正方形斜轉(zhuǎn)45°5.2E-3123的選型5.2.1計算總傳熱系數(shù)（1）計算管程對流傳熱系數(shù)m/s（2）計算殼程對流傳熱系數(shù)選擇換熱器列管的中心距t=32mm，折流板間距h=200mm，則流體通過管間最大截面積為：m2=0.027m殼程中原料氣被冷卻，取=0.95所以：=564.63（3）污垢熱阻參考《化工原理》中列管式換熱器總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗值，可得管內(nèi)和管外的污垢熱阻分別?。篟s1=0.00017Rs2=0.00018（4）總傳熱系數(shù)假設(shè)管壁熱阻可忽略時，換熱器E-3123的總傳熱系數(shù)K計為：==433.945.2.2計算所需要的傳熱面積A/A計=102.8/86.30=1.191m2A/A計=102.8/86.30=1.191m2根據(jù)計算結(jié)果可知：所選擇換熱器的傳熱面積具有足夠的裕量，所以該換熱器合適。即：換熱器E-3123的選型為AEL600-4.0-102.8-6/25-4。第六章總結(jié)轉(zhuǎn)眼大學(xué)四年的生活就要結(jié)束了，走在校園里看著熟悉的教學(xué)樓、宿舍樓、操場、圖書館，沒有多久就要離開這個熟悉的環(huán)境，此時的我心潮澎湃、熱血沸騰、浮想聯(lián)翩。畢業(yè)，在我看來：是一種解脫，但同時更是一種折磨。這是一種二律背反，難以條分縷析，即便是費盡唇舌，也難以一語中的給出一個令自身滿意的畢業(yè)時的心情結(jié)論。但有一點是毋庸置疑的，只有身處其中的人才能領(lǐng)會其中的酸甜苦辣，沒有親身經(jīng)歷的人很難有感同身受的體會。經(jīng)過幾個多月的努力我的畢業(yè)設(shè)計終于完成了，但是現(xiàn)在回想起來做畢業(yè)設(shè)計的整個過程，我頗有心得，其中有苦也有甜，艱辛同時又充滿樂趣，通過本次畢業(yè)設(shè)計，沒有接受任務(wù)以前覺得畢業(yè)設(shè)計只是對這四年來所學(xué)知識的單純總結(jié)，但是通過這次做畢業(yè)設(shè)計后才發(fā)現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。下面我對整個畢業(yè)設(shè)計的過程做一下簡單的總結(jié)。第一，接到任務(wù)以后進行選題。選題是畢業(yè)設(shè)計的開端。第二，題目確定后就是找資料了。查資料是做畢業(yè)設(shè)計的前期準備工作，到圖書館、網(wǎng)上找各種論文、查閱大量的文獻，并做好筆記。第三，通過上面的過程,已經(jīng)積累了不少資料，對所選的題目也大概有了一些了解，這一步就是在這樣一個基礎(chǔ)上，綜合已有的資料來更透徹的分析題目。第四，有了研究方向,就要動手實現(xiàn)。編寫源代碼的時候最好是編寫一個小模塊就進行調(diào)試，這樣可以避免設(shè)計的最后出現(xiàn)太多的錯誤而亂成一團糟。一步步地做下去之后，你會發(fā)現(xiàn)要做出來并不難，只不過每每做一會兒會發(fā)現(xiàn)一處錯誤要修改,就這樣在不斷的修改調(diào)試，再修改再調(diào)試。第五，寫論文能提升以下幾個方面的能力：1、文字表述：論文里的語言非常講究，這方面需要繼續(xù)加強。2、交流、討論：文章的大致內(nèi)容寫完后，一定要和老師、其他同學(xué)多交流，讓他們多提點建議。3、細心：模型公式編輯、標點符號、文章各段格式等，都需要