年產(chǎn)30萬(wàn)噸煤制甲醇合成工段工藝的設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、. . . . 年產(chǎn)30萬(wàn)噸煤制甲醇合成工段工藝計(jì)29 / 35110243105王二強(qiáng)應(yīng)用化工技術(shù)學(xué)生學(xué)號(hào): 學(xué)生: 專業(yè)班級(jí): 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(wàn)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(wàn)噸/年煤制甲醇合成工段設(shè)計(jì)，廠址為省市，年工作日以330天計(jì)。二、化工課程設(shè)計(jì)要求與原始數(shù)據(jù)（資料）.原始數(shù)據(jù)（資料）：年產(chǎn)30萬(wàn)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C4H9OH: 0.03%水：5.91%甲醇收率97%新鮮氣中各組分百分

2、比組成：CH4 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)算與選型（包括設(shè)備一覽表）五、原材料、動(dòng)力消耗定額與消耗量六、參考文獻(xiàn)七、致八、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(shuō)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(shuō)明書一本生產(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

3、我國(guó)國(guó)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(zhǎng)。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(guó)充分認(rèn)識(shí)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)面臨著石油與天 然氣這一寶貴的化石能源在不斷的枯竭，根據(jù)我國(guó)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， 我國(guó)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)中煤的用量， 則同樣是難以為繼的，同時(shí)對(duì)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

4、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(duì)我國(guó)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(duì)保護(hù)國(guó)家能 源安全具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。近年來(lái)，我國(guó)甲醇市場(chǎng)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(duì)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(guó)對(duì)甲醇裝置 的投資熱。我國(guó)甲醇生產(chǎn)以煤為主要原料，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(guò)多，原料路線和工藝技術(shù)五花八門。由于對(duì)醇醚燃料需求的高度期待，我

5、國(guó)甲醇發(fā)展過(guò)熱，幾乎遍地開花”。據(jù)報(bào)導(dǎo)，20002007年我國(guó)甲醇產(chǎn)能年均增長(zhǎng) 率為24.8%, 2007年我國(guó)共有甲醇生產(chǎn)企業(yè)177家，總規(guī)模已突破每年1600萬(wàn)噸, 2010年總產(chǎn)能達(dá)到每年3000萬(wàn)噸。我國(guó)規(guī)劃中的甲醇產(chǎn)能已超過(guò)同期世界其他各 國(guó)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(lái)消 化過(guò)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(jìng)爭(zhēng)力的可選清潔燃 料，具有非常好的發(fā)展前景。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(guó)國(guó)情的替代 能源之一，不僅符

6、合國(guó)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(guó)石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備。與此同時(shí)，推廣甲醇汽油，一方面 可以釋放我國(guó)每年2000多萬(wàn)噸的甲醇產(chǎn)能，改變我國(guó)甲醇產(chǎn)能嚴(yán)重過(guò)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(guó)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、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(guó)己經(jīng)有一定規(guī)模的生產(chǎn)，另外甲醇 的投資成本低，無(wú)論甲

7、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(shì)，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(duì) 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(guó)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(guó)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(guó)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(guó) 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

8、天然氣價(jià)格的迅速 上漲，煤制甲醇更加具有優(yōu)勢(shì)。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)保”的原則；結(jié)合甲醇的性質(zhì)特征設(shè)計(jì)一座年產(chǎn)15萬(wàn)噸甲醇的生產(chǎn)車間。通過(guò)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，樹立良好的學(xué)術(shù)思想和工作作風(fēng)。通過(guò)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(guó)外甲醇工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀；以與 甲醇工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。1.4設(shè)計(jì)的依據(jù)1.4.1年產(chǎn)30萬(wàn)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

9、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(guó)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(shí)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)的圍、裝置組成與建設(shè)規(guī)模1.6.1設(shè)計(jì)的圍(1) 年產(chǎn)30萬(wàn)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(shuō)

10、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(wàn)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(zhǎng)期以來(lái)處于停頓狀態(tài)。低壓法：（5.0-8.0 Mpa)是20世

11、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(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基催化劑，反應(yīng)溫度與低壓法一樣，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

12、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+H2C4H9OH。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)，材料與維 修等方面考慮，甲醇合成反應(yīng)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)器部結(jié)構(gòu)合理，能保證氣體均勻通過(guò)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

13、利用率；高壓容器與件 間無(wú)滲漏；催化劑裝御方便；制造安裝與維修容易。甲醇合成塔主要由外筒、件和電加熱器三部分組成。件事由催化劑筐和換 熱器兩部分組成。根據(jù)件的催化劑筐和換熱器的結(jié)構(gòu)形式不同，甲醇件份為若 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。按催化劑筐反應(yīng)惹得移出方式可分為冷管型連續(xù)換熱式和冷激型多段換熱式兩大 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(guó)外的大型甲醇合成塔塔型較多，歸納起來(lái)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(lái)帶走反應(yīng)熱。該塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 也適于大型化。但碳的轉(zhuǎn)化率低，出塔的甲醇濃度低，循

14、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，在催化劑設(shè)置足夠換熱面積的冷氣管，用進(jìn)塔冷 管來(lái)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與1993年提出的并流冷管TCC型合成 塔和國(guó)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的傳熱管由管

15、走冷氣改為走沸騰水。這樣可較提高傳熱系數(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(tái)列管換熱器，催化劑在管，管間（殼程)是沸騰水，將反 應(yīng)熱用于副產(chǎn)3.0MPa4.0MPa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(jí)合成塔，該塔是在列管再增加一小管，小管走進(jìn)塔的冷氣。進(jìn)一 步強(qiáng)化傳熱，即反應(yīng)熱通過(guò)列管傳給殼程沸騰水，而同時(shí)又通過(guò)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

16、型化，但受管長(zhǎng)、設(shè)備直徑、管板制 造所限。在日產(chǎn)超過(guò)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;管板下面還有一段逆?zhèn)鳠岫危簿褪沁M(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) 多床換熱式合成塔這種合成塔由大型氨合成塔發(fā)展而來(lái)。日前各工程公司的氨合成塔均采用二床 (四床)換熱式合成塔。針對(duì)甲醇合成的特點(diǎn)釆用四床（或五床)換熱式合成塔。 各床層是絕熱

17、反應(yīng)，在各床出口將熱量移走。這種塔型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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的四床臥式換熱合成塔和中國(guó)成達(dá)公司的四床換熱式 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(guó)外使用較多，具 有豐

18、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(wàn)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(guò)長(zhǎng)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(duì)毒物敏感性小，操作的適宜溫度為350400°C, 壓力為2532MPa(壽命為23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(duì)硫、

19、氯與其化合物敏感，易中毒。操 作的適宜溫度為220270°C,壓力為515MPa(般壽命為23年)。通過(guò)操作條 件的對(duì)比分析，可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。表2-1國(guó)外常用銅基催化劑特性對(duì)比催化劑型號(hào)CuO組分/% ZnOAkCb操作條件 壓力/MPa 溫度TC英國(guó)ICI51-36030107.8 11.8190270德國(guó)LG104513244.9210240丹麥LMK4010-9.8220270中國(guó)C302系列513245.010.0210280中國(guó)XC

20、N-98522085.010.0200290從表的對(duì)比可以看出，國(guó)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(guó)外同類催化劑的先進(jìn)水平, 并且價(jià)格較低。2.3.2 XNC-98甲醇合成催化劑簡(jiǎn)介XNC-98型催化劑是天一科技股份研制和開發(fā)的新產(chǎn)品。目前己 在國(guó)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，具有低溫活性 高、熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。常用操作溫度200290°C，操作壓力5.010.0 MPa。 催化劑主要物化性質(zhì)：催化劑由銅、鋅和鋁等含氧

21、化合物組成。外觀：有色金屬光澤的圓柱體 堆積密度：1.31.5kg/L 外型尺寸：5x(4.55)mm 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(cè)條件下，其活性為：表2-2XNC-98型與C型催化劑的性能對(duì)比催化劑型號(hào)合成塔進(jìn)末期口溫度初加入量/(kg.li-1)甲烷單耗/(tf1)甲純收率%甲純產(chǎn)率/甲純產(chǎn)量(Uf1)C210 2246700.482100.4590.72XCN-98200 2309000.432290.4998.93通過(guò)對(duì)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。

22、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)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(zhǎng)。合成塔進(jìn)口溫度可調(diào)溫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(zhǎng)。（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CO2的合成氣。50%負(fù)荷下，C型催化劑CO2加入量最高 不超過(guò)670kg/h，而XCN_98型催化劑則最高可達(dá)900

23、kg/ho75%負(fù)荷時(shí),使用XCN-98 型催化劑，當(dāng)入塔氣中CO2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、選擇性和使用壽命等主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均優(yōu)于進(jìn)口 催化劑與國(guó)產(chǎn)C型催化劑，所以本設(shè)計(jì)選用天一科技股份研制的 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(zhǎng)催化劑的使用壽命， 防止催化劑的迅速老化和活性衰減速度加快。一般而言，在催化劑的使

24、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(guó)產(chǎn)銅系催化劑，使用前期，可控制床層零點(diǎn)溫度230240°C,熱點(diǎn)溫度260°C左右；后期，可控制床層零點(diǎn)溫度260270°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(guó)產(chǎn)的銅系XCN-98，由它的性質(zhì)可知：適合使用的溫度圍為200290°C。(2) 操作壓力壓力是甲醇合成反應(yīng)過(guò)程的重要工藝條件之一。甲醇合成反應(yīng)時(shí)分子數(shù)

25、變少， 因此增加壓力對(duì)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2535Mpa, 操作溫度350420°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， 如果不與時(shí)控制，回造成溫度猛升而損壞催化劑。近年來(lái)普遍使用的銅基甲醇合成 催化劑，其活性溫度圍在200300°C,有較高的活性，對(duì)于規(guī)模小于30萬(wàn)噸/a 的工廠，操作壓力一般可降為5Mpa左右

26、；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(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) /(C0+C02)=2.102.15，并保持一定的C02。由于新鮮氣中（H2-CO2) /(COCO2)略 大于2,而反應(yīng)過(guò)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)/(C(HCO2)遠(yuǎn)大于2。合成塔中氫氣過(guò)量，對(duì)減少副反應(yīng)是有 利的。甲醇合成過(guò)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)

27、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(guò)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(guò)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(guò)程中，首先甲醇合成塔的氣體空速必須滿足催 化劑的使用要求，國(guó)產(chǎn)銅基催化劑，一般要求氣體空速在8000ZOOOOh-1之間?？?速過(guò)低，結(jié)炭等副反應(yīng)加劇，空速過(guò)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)較小的圍變化。XCN

28、-98的空速要求為60001500011-1，本設(shè)計(jì)空速定為12000 h_1。第三章工藝流程來(lái)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(guò)入塔氣預(yù)熱器（E7001)加熱到225°C,進(jìn)入甲 醇合成塔（R7001)，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 + 3H2 = CH3OH + H2O + Q 甲醇合成塔(R7001)為列管式等溫反應(yīng)器，管裝有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(guò)列管管壁傳給鍋爐水，產(chǎn)生大量中壓蒸汽

29、（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反應(yīng)趨于恒定， 且反應(yīng)溫度也可通過(guò)副產(chǎn)蒸汽的壓力來(lái)調(diào)節(jié)。R7001 E7002A.B P8002 V7003圖3-1甲醇工藝流程 甲醇合成塔(R7001)出來(lái)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(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

30、離器（V7002)出來(lái)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(lái)自變換裝置；循環(huán)冷卻水來(lái)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)條件與參數(shù)已知：年產(chǎn)30萬(wàn)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)量組分COCO2H2 CH4N2CH3OH(CH3)2O C4H9OHH2O摩爾質(zhì)量2844 2 16 28 3246 7418精甲醇中甲醇含量：99.9%表4-2粗

31、甲醇組成組分甲醇二甲醚重組分水百分含S93.86% 0.20%0.03%5.91%時(shí)產(chǎn)精甲醇: 時(shí)產(chǎn)粗甲醇:30x104=37.88t/h330x2437.88x99.9% = 40.32t/h93.86%合成甲醇的化學(xué)反應(yīng)為:主反應(yīng)CO+2H2=CH3OH式（I)副反應(yīng)2CO+4H2= (CH3)2CHH2O式（2)CO+3H2 =CH4H2O式（3 )4CO+8H2= C4H90H+3H20式（4)CO2+H2 = CO+H2O式（5 )4.1.2 合成工段物料衡算(I )根據(jù)粗甲醇組分，算得各組分的生成量為：甲醇=37919.44kg/h即1184.98kmol/h26543.55m3/

32、h二甲醚=40.32x0.0020x1000=80.8kg/h即1.76kmol/h39.424m3/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/h12971.36m3/h工業(yè)生產(chǎn)中，測(cè)得低壓時(shí)每生產(chǎn)一噸粗甲醇生成甲烷1.52Nm3,故每小時(shí)生成 量為：40.23x1.52=61.29 m3,即2.74kmol/h, 43.78kg/h。表4-3 1噸粗甲醇中合成氣溶解情況表氣體H2COCO2N2ArCH4m3/t4.3640.81

33、57.7800.3650.2431.680溶解量m3/h(粗甲醇）58.7010.96104.604.913.2722.60kmol/h2.620.494.670.220.151.01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H2O 為127.06kmol/h,即2859.8m3/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(cè)定：40°C時(shí)，液體甲醇中釋放的CO、C02、H2等混合氣中，每立方米含

34、有 37.14g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 為：(58.70+10.96+104.64+4.91+3.27+22.60)x（37.14/1000）=7.62 kg/h即0.238kmol/h, 5.33m3/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)中消耗原料情況表消耗方式單位CO消耗物料量H2 CO2N2等合計(jì)消耗反應(yīng)kmol/hm3/h1184.9826543.652369.9653081.179630.65反應(yīng)kmol/hm3/h3.5278.8487.04157.696236.544反應(yīng)kmol/hm3/h2.7461.3768.

35、22184.128245.504反應(yīng)kmol/hm3/h0.65614.691.31229.3944.08反應(yīng)kmol/hm3/h(127.67)(2859.8)127.672859.8127.672859.88579.4氣體溶解m3/h10.9658.70104.6430.78205.08合計(jì)m3/h29659.2256376.812964.4430.7888941.25消耗組成% (V)33.2563.393.330.03100注：括號(hào)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量表4-6馳放氣組成表氣體CH3OHH2COCO2N2ArCH4組成0.61%81.20%9.16

36、%3.11%3.21%0.82%1.89%表4-5合成反應(yīng)中生成物料情況表生成方式單位 生成物料量CH4CH3OHC4H9OH (CH3)2O H2OCH3OH生成物料量 C4H9OH(CH3)2OH2O生成合計(jì)反應(yīng)kmol/hm3/h1184.9826543.5526543.55反應(yīng)kmol/hm3/h1.7639.4241.7639.42478.848反應(yīng)kmol/hm3/h2.7461.292.7461.29122.58反應(yīng)kmol/hm3/h0.1643.67360.49211.020814.69反應(yīng)kmol/hm3/h127.672859.82859.8擴(kuò)散損失m3/h(5.33)合

37、計(jì)m3/h26543.553.673639.4242971.5329619.47Kg/h37919.3612.13680.962387.8440444.056生成組成% (kg)出塔93.860.030.205.91100(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 各氣體流量，如下表：表4-7新鮮氣組成表組分氣量（m3/h)新鮮氣(m3/h)CO29569.22+9.77%GCO22964.44+3.11%GH2563

38、76.81+82.42%G88941.25+1.0183GN24.91+3.21%GAr3.27+0.82%GCH422.6+1.89%G新鮮氣中惰性氣體（N2+Ar)百分比保持在0.42%,反應(yīng)過(guò)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10137.11m3/h,由G可得到新鮮氣的量 99263.87 m3/h。由弛放氣的組成可得出下表：表4-8馳放氣組成氣體CH3OHH2CO CO2N2ArCH4組成0.61%81.20%9.16% 3.

39、11%3.21%0.82%1.89%氣量m3/h61.848231.33928.56315.26325.4083.124191.591表4-9新鮮氣組成表氣體H2COCO2N2ArCH4組成 氣 m3/h68.82%68313.4026.82%26622.573.78%3752.170.31%307.7180.09%89.3370.18%178.675(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+50766.68氣體CH3OHH2COCO2N2ArCH4組成0.61%81.20%9.16

40、%3.11%3.21%0.82%1.89%氣量m3/h2782.82370435.0341787.9914187.8414644.043740.858622.19測(cè)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)塔氣流量與組成組分COCO2H2N2 CH4ArCH3OH合計(jì)組成12

41、.16(V)%3.2279.102.72 1.600.690.51100流量 67544.5Nm3/h17885.96439372.515108.6 8887.433832.712832.87555464.64又由 G出塔=G入塔-G消耗+G生成得：表4-12出塔氣組成表氣體H2COCO2N2ArCH3OH組成76.318.652.923.010.775.95氣量m3/h386866.8643852.6814803.4515259.723903.4530146.56氣體CH4(CH3)2OC4H9OHH2O合計(jì)組成1.770.016.83x104-0.60100氣量m3/h8973.3250.

42、703.463042.8506920.8(6)甲醇分離器出口氣體組成確定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甲分離器出口氣體組成表 組分CH3OH H2COCON2ArCH4出氣2844.66 378666.36 42716.55 14503.1 14969.44 3823.79 8813.78組成(V)% 0.61 81.209.163.113.210.821.89表4-14甲分離器出口液體組成氣體CH3OH(CH3)2OC4H9OHH2O合計(jì)氣體m3/h27320.550.703.

43、463041.830366.46質(zhì)量kg/h39029.29104.1211.432444.3041589.14組成%93.730.260.025.99100分離器出口液體組分=出塔氣氣體組分_出口氣氣體組分。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：Q1 + Qr = 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=（G1×Cm1×Tm1） 式中： G1入塔氣各組

44、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=（G2×Cm2×Tm2） 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 、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=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.

45、入塔熱量計(jì)算通過(guò)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 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 2832.8 439372.5 67544.5 17885.9 15108.6 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

46、塔熱量合計(jì)為16935089.3kJ/（h.k） 所以 Q1=16935089.3×498.15=843621473.5 kJ/h3塔反應(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甲醇合成塔反應(yīng)熱氣體 CH3OH ( CH3 )2OC4H9OH CH4 CO生成熱kJ/mol 102.37 49.62 200.39 115.69 42.92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)

47、=116504620.9 kJ/h 4全塔熱量損失的確定全塔熱損失為4%，即Q3=(Q1 + Qr)×4%=(8436214735+116504620)×4%=342108774.2 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 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 2382.87 439372.53 67544.5 17885.96 15108.64 38

48、32.7 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

49、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=843621473.5514534291.1=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 =342108774.2329087182.4=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塔時(shí)一樣，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

50、/h，合成塔的總傳熱系數(shù)取為289.78W/（m2.）。由公式Q = kATm 得 A = Q/（KTm）=86207240.7/（3.6×289.78×10）=8263.7 5.1.2催化劑用量的確定入塔氣空速12000h-1，入塔氣量555464.64m3/h，所以，催化劑體積為555464.64/12000=46.29m3。 5.1.3傳熱管數(shù)的確定 傳熱管選用32×2.5 ，長(zhǎng)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）

51、=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×n0.5 = 1.1×108300.5 = 114.47 L = 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： Pc5.14Mpa ； Di=4800mm；=0.85 t =19