年產(chǎn)30萬噸煤制甲醇合成工段工藝的設(shè)計(jì)

1、110243105王二強(qiáng)應(yīng)用化工技術(shù)年 產(chǎn) 30萬 噸 煤 制 甲 醇 合 成 工 段 工 藝 計(jì)學(xué) 生 學(xué) 號 : 學(xué) 生姓名 : 專 業(yè) 班級 :指導(dǎo)教師 :起 止 日期 :化工設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、化工課程設(shè)計(jì)題目:年產(chǎn) 30萬噸甲醇合成工段工藝的初步設(shè)計(jì)擬設(shè)計(jì)一年產(chǎn)量 30萬噸 /年煤制甲醇合成工段設(shè)計(jì), 廠址為陜西省咸 陽市,年工作日以 330天計(jì)。二、化工課程設(shè)計(jì)要求及原始數(shù)據(jù)(資料 . 原始數(shù)據(jù)(資料:年產(chǎn) 30萬噸精甲醇, 每年 330個(gè)工作日, 連續(xù)生產(chǎn) 精甲醇中甲醇含量 99.9%,粗甲醇組成 (wt:甲醇:93.86%二甲醚 (CH3 2O: 0.2%異丁醇 C4H 9O

2、H: 0.03%水:5.91%甲醇收率 97%新鮮氣中各組分百分比組成:CH 4 0.69% H2 68.85% CO 26.26% CO2 3.78% N2 0.33% Ar 0.09%化工課程設(shè)計(jì)主要內(nèi)容:一、緒論二、甲醇生產(chǎn)流程或方法的確定三、甲醇合成工段物料衡算和熱量衡算四、甲醇合成塔主要工藝設(shè)備的計(jì)算及選型(包括設(shè)備一覽表五、原材料、動(dòng)力消耗定額及消耗量六、參考文獻(xiàn)七、致謝八、附圖(工藝流程圖和關(guān)鍵設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖時(shí)間安排:共設(shè)計(jì)四周,前 2周收集資料,進(jìn)行工藝流程的設(shè)計(jì)、物料和熱量衡算,后 兩周進(jìn)行 設(shè)計(jì)說明書的撰寫、工藝流程圖和設(shè)備圖的繪制。學(xué)生應(yīng)交出的設(shè)計(jì)文件:課程設(shè)計(jì)說明書一本生

3、產(chǎn)工藝流程圖一套主要設(shè)備結(jié)構(gòu)圖一套第一章緒論1. 1甲醇工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀隨著我國國民經(jīng)濟(jì)不斷穩(wěn)定的發(fā)展,不管是能源生產(chǎn)總量還是需求總量都在不 斷增長。 70年代兩次石油危機(jī)和石油價(jià)格的不斷上漲,讓世界各國充分認(rèn)識到當(dāng)今 社會(huì)將是能源結(jié) 構(gòu)逐步向多元化結(jié)構(gòu)發(fā)展的時(shí)代。目前,人類己經(jīng)面臨著石油及天 然氣這一寶貴的化石能源 在不斷的枯竭, 根據(jù)我國提出的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略, 需要合理有效地利用資源。 “缺油、 少氣、富煤的客觀現(xiàn)實(shí),意味著今后 30年內(nèi), 我國一次能源消費(fèi)以煤為主的格局不會(huì)改 變。 但是我們?nèi)绻€是沿用落后技術(shù),把 煤直接燃燒用于發(fā)電和其它工業(yè)目的,不斷擴(kuò)大低 效、 高污染應(yīng)用技術(shù)中煤

4、的用量, 則同樣是難以為繼的, 同時(shí)對環(huán)境的污染將是難以估量的。 因此,充分利用豐富的 煤炭資源,大力發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)和新一代煤化工技術(shù)是非常必要的, 既對我國合理 利用資源、有效利用能源和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí),又對保護(hù)國 家能 源安全具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。近年來,我國甲醇市場非常紅火,甲醇價(jià)格持續(xù)上漲,甲醇生產(chǎn)裝置開工率不 斷提高, 各地甲醇新建項(xiàng)目陸續(xù)開工。出現(xiàn)這種局面的原因,一是甲醇傳統(tǒng)消費(fèi)領(lǐng) 域,如甲醛、醋酸 等產(chǎn)品的產(chǎn)量穩(wěn)步提升,對甲醇的需求量逐步增加;二是新的消 費(fèi)領(lǐng)域,如醇醚燃料、甲醇 制烯烴等由于發(fā)展前景廣闊, 也引發(fā)了國內(nèi)對甲醇裝置 的投資熱。我國甲醇生產(chǎn)以煤為主要原

5、料,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不盡合理,裝置規(guī)模偏小,企 業(yè)數(shù)目過多,原料路線和工藝技術(shù)五花八門。 由于對醇醚燃料需求的高度期待,我 國甲醇發(fā)展過熱,幾乎遍地開花”。據(jù)報(bào)導(dǎo), 2000 2007年我國甲醇產(chǎn)能年均增長 率為 24.8%, 2007年我國共有甲醇生產(chǎn)企業(yè) 177家,總規(guī) 模已突破每年 1600萬噸 , 2010年總產(chǎn)能達(dá)到每年 3000萬噸。我國規(guī)劃中的甲醇產(chǎn)能已超過 同期世界其他各 國的總產(chǎn)能。 煤基甲醇是資源消耗型產(chǎn)品, 是低附加值產(chǎn)品,而依靠大量出 口來消 化過剩的產(chǎn)能是不合理的。1. 2甲醇的發(fā)展前景甲醇作為最有希望代替汽油的并且將成為二十一世紀(jì)有競爭力的可選清潔燃 料,具有非常好 的發(fā)展

6、前景。所以專家認(rèn)為,必須開拓甲醇作為車用燃料的用途, 即發(fā)展甲醇汽車才能使甲醇取 得較好的經(jīng)濟(jì)效益。甲醇汽油是符合我國國情的替代 能源之一,不僅符合國家節(jié)能減排政策的要 求, 而且因甲醇汽油可部分替代石油, 在一定程度上相當(dāng)于擴(kuò)大了我國石油戰(zhàn)略儲備。 與此同時(shí), 推廣甲醇汽油,一方面 可以釋放我國每年 2000多萬噸的甲醇產(chǎn)能,改變我國甲醇產(chǎn)能嚴(yán)重過剩 的局面,提 高甲醇生產(chǎn)企業(yè)的開工率。另一方面,甲醇汽油的生產(chǎn)成本低,甲醇汽油價(jià)格更為 優(yōu) 惠,更適用于老百姓的需求,更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。我國現(xiàn)在提出了四個(gè)石油替代路徑 :天然氣替代、電 動(dòng)力替代、生物燃料替代和煤基燃料替代,煤基燃料替代包括煤制 天然氣

7、、甲醇、二甲醚、合成 油等。煤基醇醚燃料更具有大規(guī)模、基地化推廣的現(xiàn) 實(shí)性,是最實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的選擇。由于甲醇在 我國己經(jīng)有一定規(guī)模的生產(chǎn),另外甲醇 的投資成本低,無論甲醇汽油生產(chǎn)技術(shù)還是甲醇車輛生產(chǎn) 技術(shù)都己經(jīng)非常成熟了。 如果甲醇汽油作為車用燃料相比于其他能源具有一定的優(yōu)勢,甲醇汽油 也是一種液 體燃料,好多特性和汽油雷同,但比汽油更安全、更節(jié)能、更環(huán)保。此外,甲醇汽 油 可直接利用現(xiàn)在所有中石油和中石化的輸配系統(tǒng)進(jìn)行快速推廣,推廣渠道會(huì)相對 便捷一些,推廣成本也非常小。1. 3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 源己成為我國 經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵。

8、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 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量中占有很大比重(我國 情況更是如此,而且煤制甲醇的合成技 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;結(jié)合甲醇的性質(zhì)特征設(shè)計(jì)一座年產(chǎn) 15萬噸甲醇的生 產(chǎn)車間。通過設(shè)計(jì)可以鞏固、深化和擴(kuò)大所學(xué)基本知識,培養(yǎng)分析解決問題的能力;還 可以培養(yǎng)創(chuàng)新 精神,樹立良好的學(xué)術(shù)思想和工作作風(fēng)。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。1.

9、4設(shè)計(jì)的依據(jù)1.4.1年產(chǎn) 30萬噸甲醇合成工段工藝初步設(shè)計(jì)任務(wù)書。1.4.2設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料(1工藝 流 程資 料參閱某化學(xué)工程公司的甲醇合成廠的工藝流程資料和參考由房鼎業(yè)主編的甲 醇工學(xué)。 (2合成工段的工藝參數(shù)參閱某化學(xué)工程公司的甲醇合成廠的工藝參數(shù)資料。 具體數(shù)據(jù)為入塔壓力 5.14MPa, 出塔壓力 4.9 MPa,副產(chǎn)蒸汽壓力 3.9 MPa,入塔溫度 225°C, 出塔溫 度 255。1. 5設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想以設(shè)計(jì)任務(wù)書為基礎(chǔ),適應(yīng)我國甲醇工業(yè)發(fā)展的需要。加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際, 擴(kuò) 大知識面;培 養(yǎng)獨(dú)立思考、獨(dú)立工作的能力。整個(gè)設(shè)計(jì)應(yīng)貫徹節(jié)省基建投資,充分 重視技術(shù)進(jìn)步,降低工

10、程造 價(jià),節(jié)能環(huán)保等思想,設(shè)計(jì)生產(chǎn)高質(zhì)量甲醇產(chǎn)品。1. 6設(shè)計(jì)的范圍、裝置組成及建設(shè)規(guī)模1.6.1設(shè)計(jì)的范圍(1年產(chǎn) 30萬噸甲醇生產(chǎn)工藝流程的設(shè)計(jì)(2物料衡算、熱量衡算(3主要生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算與選型(4編寫設(shè)計(jì)說明書(5繪制設(shè)計(jì)圖紙 設(shè)計(jì)重點(diǎn):工藝流程的設(shè)計(jì),工藝計(jì)算,合成塔設(shè)計(jì)計(jì)算與選型1.6.2建設(shè)規(guī)模生產(chǎn)能力:年產(chǎn) 30萬噸甲醇,年開工日為 330天。第二章工藝選擇2. 1合成甲醇工藝的選擇目前甲醇生產(chǎn)技術(shù)主要釆用中壓法和低壓法兩種工藝,并且以低壓法為主,這 兩種方法生 產(chǎn)的甲醇約占世界甲醇產(chǎn)量的 80%以上。高壓法:(19.6-29.4Mpa 是最初生產(chǎn)甲醇的方法,采用鋅鉻催化劑,反

11、應(yīng)溫度 360-4000C, 壓力 19.6«29.4Mpa。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)展長期以來處于停頓狀態(tài)。低壓法:(5.0-8.0 Mpa是 20世紀(jì) 60年代后期發(fā)展起來的甲醇合成技術(shù),低壓法 基于高 活性的銅基催化劑,其活性明顯高于鋅格催化劑,反應(yīng)溫度低 (240-270°C 。 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。中壓法:(9.8-12.0 Mpa 隨著甲醇工業(yè)的大型化,如采用低壓法勢必

12、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 銅基催化劑,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。甲醇的生產(chǎn)方法還主要有:甲烷直接氧化法、由一氧化碳和氫氣合成甲醇、液 化石油氣氧 化法。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),選擇低壓 法為生產(chǎn)甲醇的工藝,用 CO 和 H 2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+H2 C 4H 9OH 。 2. 2甲醇合成塔的選擇甲醇合成反應(yīng)器實(shí)際是甲醇合成系統(tǒng)中最重要的設(shè)備。 從操作結(jié)構(gòu), 材料及維 修等方面考慮, 甲醇合成反應(yīng)

13、器應(yīng)具有以下要求:(1催化劑床層溫度易于控制,調(diào)節(jié)靈活,能有效移走反應(yīng)熱,并能以較高位 能回收反應(yīng)熱;(2反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)合理,能保證氣體均勻通過催化劑床層,阻力小,氣體處 理量大,合成 轉(zhuǎn)化率高,催化劑生產(chǎn)強(qiáng)度大;(3結(jié)構(gòu)緊湊,盡可能多填裝催化劑,提高高壓空間利用率;高壓容器及內(nèi)件 間無滲漏;催 化劑裝御方便;制造安裝及維修容易。甲醇合成塔主要由外筒、內(nèi)件和電加熱器三部分組成。內(nèi)件事由催化劑筐和換 熱器兩部分組 成。根據(jù)內(nèi)件的催化劑筐和換熱器的結(jié)構(gòu)形式不同,甲醇內(nèi)件份為若 干類型。按氣體在催化劑床的流向可分為:軸向式、徑向式和軸徑復(fù)合型。按催化劑筐內(nèi)反應(yīng)惹得移出方式可分為冷管型連續(xù)換熱式和冷激

14、型多段換熱式兩大 類。按換熱器的形式分為列管式、螺旋板式、波紋板式等多種形式。目前,國內(nèi)外的大型甲醇合成塔塔型較多,歸納起來可分為五種:(1冷激式合成塔這是最早的低壓甲醇合成塔,是用進(jìn)塔冷氣冷激來帶走反應(yīng)熱。該塔結(jié)構(gòu)簡單 , 也適于大型 化。但碳的轉(zhuǎn)化率低,出塔的甲醇濃度低,循環(huán)量大,能耗高 , 又不能 副產(chǎn)蒸汽,現(xiàn)己經(jīng)基本被 淘汰。(2冷管式合成塔這種合成塔源于氨合成塔,在催化劑內(nèi)設(shè)置足夠換熱面積的冷氣管,用進(jìn)塔冷 管來移走反應(yīng) 熱。冷管的結(jié)構(gòu)有逆流式、并流式和 U 型管式。由于逆流式與合成反 應(yīng)的放熱不相適應(yīng),即床層 出口處溫差最大,但這時(shí)反應(yīng)放熱最小,而在床層上部 反應(yīng)最快、放熱最多,但

15、溫差卻又最小, 為克服這種不足,冷管改為并流或 U 形冷 管。如 1984年 ICI 公司提出的逆流式冷管型及 1993年 提出的并流冷管 TCC 型合成 塔和國內(nèi)林達(dá)公司的 U 形冷管型。這種塔型碳轉(zhuǎn)化率較高但僅能在出 塔氣中副產(chǎn) 0.4MPa的低壓蒸汽。日前大型裝置很少使用。(3水管式合成塔將床層內(nèi)的傳熱管由管內(nèi)走冷氣改為走沸騰水。這樣可較大地提高傳熱系數(shù), 更好地移走反 應(yīng)熱,縮小傳熱面積,多裝催化劑,同時(shí)可副產(chǎn) 2.5Mpa4.0MPa的 中壓蒸汽,是大型化較理想的 塔型。(4固定管板列管合成塔這種合成塔就是一臺列管換熱器,催化劑在管內(nèi),管間(殼程 是沸騰水,將反 應(yīng)熱用于副 產(chǎn) 3.

16、0MPa 4.0MPa 的中壓蒸汽。代表塔型有 Lurgi 公司的合成塔和三菱 公司套管超級合成塔, 該塔是在列管內(nèi)再增加一小管,小管內(nèi)走進(jìn)塔的冷氣。進(jìn)一 步強(qiáng)化傳熱,即反應(yīng)熱通過列管傳給 殼程沸騰水,而同時(shí)又通過列管中心的冷氣管 傳給進(jìn)塔的冷氣。這樣就大大提高轉(zhuǎn)化率,降低循 環(huán)量和能耗,然而使合成塔的結(jié) 構(gòu)更復(fù)雜。固定管板列管合成塔雖然可用于大型化,但受管長、 設(shè)備直徑、管板制 造所限。在日產(chǎn)超過 2000t 時(shí),往往需要并聯(lián)兩個(gè)。這種塔型是造價(jià)最高的一 種, 也是裝卸催化劑較難的一種。隨著合成壓力增高,±荅徑加大,管板的厚度也增加。 管板 處的催化劑屬于絕熱段 ; 管板下面還有一

17、段逆?zhèn)鳠岫?也就是進(jìn)塔氣 225°C,管 外的沸騰水卻是 248°C,不是將反應(yīng)熱移走而是水給反應(yīng)氣加熱。這種合成塔由于 列管需用特種不銹鋼,因而是 造價(jià)非常高的一種。(5多床內(nèi)換熱式合成塔這種合成塔由大型氨合成塔發(fā)展而來。 日前各工程公司的氨合成塔均采用二床 (四床 內(nèi)換熱 式合成塔。針對甲醇合成的特點(diǎn)釆用四床(或五床 內(nèi)換熱式合成塔。 各床層是絕熱反應(yīng),在各 床出口將熱量移走。這種塔型結(jié)構(gòu)簡單,造價(jià)低,不需特 種合金鋼,轉(zhuǎn)化率高,適合于大型或超 大型裝置,但反應(yīng)熱不能全部直接副產(chǎn)中壓 蒸汽。典型塔型有 Casale 的四床臥式內(nèi)換熱合成塔 和中國成達(dá)公司的四床內(nèi)換熱式

18、合成塔。合成塔的選用原則一般為:反應(yīng)能在接近最佳溫度曲線條件下進(jìn)行,床層阻力 小,需要消耗 的動(dòng)力低,合成反應(yīng)的反應(yīng)熱利用率高,操作控制方便,技術(shù)易得, 裝置投資要底等。綜上所述和借鑒大型甲醇合成企業(yè)的經(jīng)驗(yàn), (大型裝置不宜選用激冷式和冷管 式 , 設(shè) 計(jì)選用固定管板列管合成塔。這種塔內(nèi)甲醇合成反應(yīng)接近最佳溫度操作線 , 反應(yīng)熱利用率高, 雖然設(shè)備復(fù)雜、投資高,但是由于這種塔在國內(nèi)外使用較多,具 有豐富的管理和維修經(jīng)驗(yàn), 技術(shù)也較容易得到; 外加考慮到設(shè)計(jì)的是年產(chǎn) 30萬噸的 甲醇合成塔 (日產(chǎn)量為 1300噸左右 , 塔的塔徑和管板的厚度不會(huì)很大, 費(fèi)用也不 會(huì)很高, 所以本設(shè)計(jì)釆用了固定管

19、板列管合成塔。2. 3催化劑的選用2.3.1甲醇合成催化劑經(jīng)過長時(shí)間的研究開發(fā)和工業(yè)實(shí)踐, 廣泛使用的合成甲醇催化劑主要有兩大系 列:一種 是以氧化銅為主體的銅基催化劑,一種是以氧化鋅為主體的鋅基催化劑。 鋅基催化劑機(jī)械強(qiáng) 度好 . 耐熱性好 , 對毒物敏感性小,操作的適宜溫度為 350 400°C, 壓力為 25 32MPa(壽命 為 2 3年 ;銅基催化劑具有良好的低溫活性,較高的選擇 性,通常用于低、中壓流程。耐 熱性較差,對硫、氯及其化合物敏感,易中毒。操 作的適宜溫度為 220 270°C,壓力為 5 15MPa(般壽命為 2 3年 。通過操作條 件的對比分析,可

20、知使用銅基催化劑可大幅度節(jié)省 投資費(fèi)用和操作費(fèi)用,降低成本。 隨著脫硫技術(shù)的發(fā)展,使用銅基催化劑己成為甲醇合成工 業(yè)的主要方向,鋅基催化 劑己于 80年代中期淘汰。 從表的對比可以看出,國產(chǎn)催化劑的銅含量己提 50%以上。制備工藝合理,使 該催化劑的活 性、選擇性、使用壽命和機(jī)械強(qiáng)度均達(dá)到國外同類催化劑的先進(jìn)水平 , 并且價(jià)格較低。2.3.2XNC-98甲醇合成催化劑簡介XNC-98型催化劑是四川天一科技股份有限公司研制和開發(fā)的新產(chǎn)品。目前己 在國 內(nèi) 20多套大、中、小型工業(yè)甲醇裝置上使用,運(yùn)行情況良好。它是一種高活性、 高選擇性的新催化劑。用于低溫、低壓下由碳氧化物與氫合成甲醇,具有低溫活

21、性 高、 熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。常用操作溫度 200 290°C,操作壓力 5.0 10.0 MPa。 催化劑主要物化性質(zhì):催化劑由銅、鋅和鋁等含氧化合物組成。外 觀:有色金屬光澤的圓柱體 堆積密度: 1.3 1.5kg/L 外型尺寸: 5x(4.5 5mm 徑向抗壓強(qiáng)度 :>200N/cm 催化劑活性和壽命:在該催化劑質(zhì)量檢驗(yàn)規(guī)定的活性檢測條件下,其活性為: 230°C時(shí):催化劑的時(shí)空收率 1.20 kg/(L.h 250°C時(shí):催化劑的時(shí)空收率 21.55 kg/(L.h 在正常情況下,使用壽命為 2年以上。(3適用溫區(qū)寬,使用壽命長。合成塔進(jìn)口溫度可調(diào)溫

22、C 型催化劑為 14°C, 而 XCN-98型則為 3(TC。隨著可調(diào)溫區(qū)的增加,催化劑的使用壽命也相應(yīng)延長。(4選擇性好。 75%負(fù)荷下合成系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)結(jié)蠟,粗甲醇質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。(5 可適用于含高濃度 CO 2的合成氣。 50%負(fù)荷下, C 型催化劑 CO 2加入量最高 不超過 670kg/h, 而 XCN_98型催化劑則最高可達(dá) 900kg/ho75%負(fù)荷時(shí) , 使用 XCN-98 型催化劑,當(dāng)入塔氣中 CO 2組分 體積分?jǐn)?shù)高達(dá) 5%時(shí),生產(chǎn)運(yùn)行情況仍良好,收率 和物耗都較低, 催化劑仍能保持較高的活性, 產(chǎn) 品質(zhì)量符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。綜上所述,催化劑的活性、選擇性和使用壽命

23、等主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均優(yōu)于進(jìn)口 催化劑及國產(chǎn) C 型催化劑,所以本設(shè)計(jì)選用四川天一科技股份有限公司研制的 XNC-98型催化劑。 2.3.3合成工序工藝操作條件的確定與論證 (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表 2-2XNC-98型 與 C 型催化劑的性能對比通過對比,并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際可見, XCN-98型催化劑具有以下性能優(yōu)點(diǎn): (1 易還原。(2 低溫活性好,日產(chǎn)量高。 75%負(fù)荷下的甲醇產(chǎn)量 (4.17t/h接近裝置滿負(fù)荷設(shè)計(jì)性衰減速度加快

24、。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 型等溫甲醇合成塔釆用國產(chǎn)銅系催化劑,使用前期,可 控制床層零點(diǎn)溫度 230 240°C,熱點(diǎn)溫度 260°C左右; 后期, 可控制床層零點(diǎn)溫度 260 270°C, 熱點(diǎn) 溫 度 290°C。 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-98,由它的性質(zhì)可知:適合使用的溫度范圍為 200 290°C。(2操作 壓

25、 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 對反應(yīng)有利,由于壓力高,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 25 35Mpa, 操作溫度 350 420°C。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,回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 200 300

26、°C,有較高的活性,對于規(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 IOMpa 左右。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:對于 甲 醇合 成 原料 氣 , 即 合 成工 序 的新 鮮 氣, 應(yīng)維 持 f (H2-CO 2 /(C0+C02=2.10 2.15, 并保持一定的 C02。由于新鮮氣中(H 2-CO 2 /(COCO2 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 (H 2-CO

27、2/(C(HCO2 遠(yuǎn)大于 2。 合成塔中氫氣過 量,對減少副反應(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 8000 ZOOOOh-1之

28、間。空 速過低,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) 相對較小的范圍內(nèi)變化。 XCN-98的空速要求為 6000 1500011-1,本 設(shè)計(jì)空速定為12000 h_1。第三章工藝流程來自脫碳裝置的新鮮氣(40°C, 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°C,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+ Q CO2 + 3

29、H2 = 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)。畐浐蒸汽確保了甲醇合成塔內(nèi)反應(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)。圖 3-1甲醇工藝流程甲醇合成塔 (R7001出來的合成氣(255°C, 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 R7001

30、E7002A.B P8002 V7003(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。第四章工藝計(jì)算4. 1合成工段物料衡算4.1.1設(shè)計(jì)條件及參數(shù)已知:年產(chǎn) 3

31、0萬噸精甲醇,每年以(330 個(gè)工作日計(jì)。表 4-1各物質(zhì)的摩爾質(zhì)量 甲醇 =37919.44kg/h 即 1184.98kmol/h 26543.55m3/h二甲醚 =40.32x0.0020x1000=80.8kg/h 即 1.76kmol/h 39.424m3/h異丁醇 =40.23x0.0003x1000=12.12 kg/h 即 0.164kmol/h 3.67m3/h水 = 40.23x 0.0591x1000=2387.64kg/h 即 66.192kmol/h 12971.36m3/h工業(yè)生產(chǎn)中,測得低壓時(shí)每生產(chǎn)一噸粗甲醇生成甲烷 1.52Nm 3, 故 每 小 時(shí) 生 成 量

32、為: 40.23x1.52=61.29 m3, 即 2.74kmol/h, 43.78kg/h。忽略原料氣帶入份,根據(jù)反應(yīng)(2 、( 3 、 (4得反應(yīng)(5 生 成 的 水 的量為: 132.65-0.164x3-1.76-2.74=127.67kmol/h,即在 CO 逆變換 中 生 成 的 H 2O 為 127.06kmol/h,即 2859.8m 3/h。粗 甲 醇 中 氣 體 溶 解 量 5Mpa 、40°C時(shí),每一噸粗甲醇中溶解其他組成如下表:據(jù)測定 :40°C時(shí), 液體甲醇中釋放的 CO 、 C02、 H 2等混合氣中, 每立方米含有 37.14g 的甲醇, 假

33、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 為 :(58.70+10.96+104.64+4.91+3.27+22.60X (37.14/1000 =7.62 kg/h即 0.238kmol/h,5.33m 3/h(2合成反應(yīng)中氣體的消耗和生成情況表 4-4合成反應(yīng)中消耗原料情況表 注:括號內(nèi)的為生成量;反應(yīng)項(xiàng)不包括擴(kuò)散甲醇和弛放氣中甲醇消耗的原料氣 (3 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 :29569.22+0.16%G+9.16%G=29569.22+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

34、 各氣體 流量,如下表: 表 4-7新鮮氣組成表 新鮮氣中惰性氣體(N 2+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 =8.18+4.03%G,則88941.25+1.0183G= (8.18+4.03%G /0.42%解得 G=10137.11m3/h,即弛放氣的量為 10137.11m 3/h,由 G 可得到新鮮氣的量 99263.87m 3/h。由弛放氣的組成可得出下表:(4循環(huán)氣氣量的確定G 出 塔 =G新鮮氣 +G循環(huán) 氣 +G生成 -G 消 耗即:G 出塔 =G循 環(huán)氣 +99263.87+40444.056-88941.25= G循 環(huán)氣 +

35、50766.68 測得:己知出塔氣中甲醇含量為 5.84%,有:(G循環(huán) 氣 x0.61%+61.84+26543.55+5.33 / G 出塔 =0.0584 表 4-10循環(huán)氣組成表解得:G 循環(huán)氣 =46200.77; G出塔 =506967.45(5入塔氣和出塔氣組成的確定G 入 塔 =G循環(huán)氣 +G新 鮮氣=456200.77+99263.87=555464.64 m3/h表 4-11組成甲醇生產(chǎn)塔氣流量及組成 分離器出口氣體組分 =循環(huán)氣氣體組分 +弛放氣氣體組分;則分離器出口氣體中 CO 氣量 =循 環(huán)氣中 CO+弛放氣中 CO; 由此可算的其他氣體的氣量:表 4-13甲分離器出

36、口氣體組成表組分 CH3OH H2CO CO N2Ar CH 4出氣 2844.66 378666.36 42716.55 14503.1 14969.44 3823.79 8813.78組成 (V% 0.61 81.20 9.16 3.11 3.21 0.82 1.89 表 4-14甲分離器出口液體組成 4.2甲醇合成主要設(shè)備熱量衡算4.2.1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: Q 1 + Qr = Q 2 + Q 3+ 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

37、/h;Q沸騰水吸收熱量, kJ/h。 Q 1=(G 1×Cm 1×Tm 1 式中: G1入塔氣各組分流量, m 3/h;Cm1入塔各組分的比熱容, kJ/(m 3.k ;Tm1入塔氣體溫度, k ; Q 2=(G 2×Cm 2×Tm 2 式中:G 2出塔氣各組分流量 m 3/h;Cm 2出塔各組分的熱容, kJ/(m 3.k ;Tm 2 出塔氣體溫度, k ; Qr= Qr1 +Qr2 +Qr3+ Qr4+ Qr5 +Qr6+ Qr7 式中: Qr1、 Qr 2、 Qr 3、 Qr4、 Qr5、 Qr 6、分別為甲醇、二甲醚、異丁醇、甲烷、 辛烷的生成熱

38、, kJ/h;Qr7二氧化碳逆變反應(yīng)的反應(yīng)熱, kJ/hQr=Gr× H 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 4-15甲醇合成塔入塔熱量氣體 CH3OH H 2 CO CO2 N 2 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 2832.8 439372.5 67544.5 17885.9 15108.6

39、 2832.7 8887.4 入塔熱量kJ/(h.k 189915.6 12979064.5 2018214.7 790159.3 445232.8 96413.1 41689.1入塔熱量合計(jì)為 16935089.3kJ/(h.k 所以 Q 1=16935089.3×498.15=843621473.5 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 4-16甲醇合成塔內(nèi)反應(yīng)熱氣體 CH3OH ( CH3 2O C 4H 9OH CH 4 CO生成熱 kJ/mol 102.37 49.62 200.39 115.69 -42.

40、92生成量 kmol /h 1184.98 0.164 1.76 2.74 127.67反應(yīng)熱 kJ/h 121306402.6 8137.68 352686.4 316990.6 -5479596反應(yīng)熱合計(jì) =116504620.9 kJ/h4.全塔熱量損失的確定全塔熱損失為 4%,即 Q 3=( Q 1 + Qr ×4%=(8436214735+116504620×4%=342108774.2 kJ/h5.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 4-17入換熱器被加熱氣體各組分熱容和顯熱氣體 CH3OH H 2 CO CO2 N 2 Ar CH4熱容

41、 kJ/(kmol.k 95.87 29.25 29.44 38.47 29.47 25.18 39.66 氣量 kmol /h 2382.87 439372.53 67544.5 17885.96 15108.64 3832.7 8887.4 熱量 kJ/h.k 16628.9 12851645.6 1988510.1 688027.9 445251.6 96507.6 352475.5合計(jì):入換熱器的被加熱氣體熱量為 16439092.1kJ/(h.k ,入口溫度為 40,16439092.1×313.15=514534291.1 kJ/h(2出換熱器的被加熱氣體熱量的確定出換熱

42、器的被加熱氣體顯熱 =入合成塔氣體的顯熱,即 843621473.5 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 342108774.2kJ/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=843621473.5-514534291.1=329087182.4kJ/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=342108774.2-329087182.4=13021591.8kJ/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

43、塔時(shí)相同,則出口溫度為13021591.8/461717.32=334.0k 即 60.85第五章 設(shè)備的選型和計(jì)算5.1主要設(shè)備甲醇合成塔的設(shè)計(jì)計(jì)算和選型5.1.1傳熱面積的確定傳熱溫差為 20,傳熱量為 86207240.7kJ/h,合成塔內(nèi)的總傳熱系數(shù)取為 289.78W/ (m 2. 。由公式 Q = kA Tm得 A = Q/(K Tm =86207240.7/(3.6×289.78×10 =8263.75.1.2催化劑用量的確定入塔氣空速 12000h -1,入塔氣量 555464.64m 3/h,所以,催化劑體積為 555464.64/12000=46.29m

44、3。5.1.3傳熱管數(shù)的確定傳熱管選用 32×2.5 ,長度 9000mm 的鋼管,材質(zhì)為 00Cr18Ni5Mo3Si2鋼。由公式 A =3.14×d ×L ×n得 n = A/(3.14×d ×L =8263.7/(3.14×9×0.027 =10830其中因要安排拉桿需要減少 12根,實(shí)際管數(shù)為 10818根。5.1.4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 = 40b = 1.1×n 0.5 = 1.1×

45、108300.5 = 114.47L = 125mm所以 Di =40×(114.47-1 +2×125=4788.8 圓整后取為 4800 mm5.1.5合成塔殼體厚度的確定殼體材料選用 13MNiMoNbR 鋼,計(jì)算壁后的公式為:S=PcDi /(2 t-Pc 式中: Pc 5.14Mpa ;Di =4800mm;=0.85t =190Mpa(取殼體溫度為 50S=4800×5.14/(2×190×0.85-5.14 =77.62mm取 C 2=1mm ; C 1=1mm,原整后取 S=80mm5.1.6合成塔封頭上下封頭均采用半球形封頭,

46、材質(zhì)選用和筒體相同。封頭內(nèi)徑 4800mm 。 由封頭厚度計(jì)算公式:S=PcDi / (2G 0-0.5? C 式中:Pc5.0 MPa ;Di=4800mm;=0.85M t =OMPa (取殼體溫度 為 250°CS=4800x5/ (2x190x0.85-0.5x5.14 =74.9mm取 C2=2mm ; C1=Imm,原 整后 取 S=80mm,所 以 封頭 為 DN4800x80。5.1.7折流板的確定折流板為弓形 h=3/4Di=3/4×4800=3600mm,折流板數(shù)量為 5,間距取 1500mm 折流板最小厚度為 25mm ,材料為 Q235-A 鋼。拉桿

47、 12, 共 12根,材料 Q235-AF 鋼; 定 距管 25×2.55.1.8管板的確定管板直徑 4800,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 ,基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)徑 4500mm ,外徑 5000mm ,基地腳 螺栓公稱直徑 M30,數(shù)量為 6個(gè)。5.2合成塔設(shè)計(jì)匯總 第六章、三廢處理 甲醇生產(chǎn)對環(huán)境的污染6.1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)

48、生的粉塵。6.2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。6.3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。6.4廢氣處理甲醇精餾系統(tǒng)各塔排放的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

49、袋除塵后排入大氣。 6.5 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 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?材料。 第七章、設(shè)計(jì)結(jié)果