煤制甲醇合成工段工藝設(shè)計

1、年產(chǎn)25萬噸煤制甲醇合成工段工藝設(shè)計摘要在有機合成工業(yè)中，甲醇是第四大基礎(chǔ)原料，被廣泛應(yīng)用于人們的生活中，近 幾年，甲醇需求量高速增長。在工業(yè)生產(chǎn)中，甲醇合成工段在生產(chǎn)甲醇中占據(jù)重要 的部分，因此，本設(shè)計是在低壓下利用列管式等溫反應(yīng)器合成甲醇，對煤制甲醇過 程中甲醇合成工段進(jìn)行設(shè)計，并對甲醇合成工段進(jìn)行物料衡算、熱量衡算和合成工 段所需的反應(yīng)器與附屬設(shè)備進(jìn)行設(shè)計，確定甲醇反應(yīng)器的類型、殼體直徑、封頭等 結(jié)構(gòu)與尺寸，編制設(shè)計說明書，繪制煤制甲醇合成工段工藝流程圖、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖、 設(shè)備平面布置圖和設(shè)備立面布置圖。關(guān)鍵詞 甲醇；合成工段；工藝設(shè)計；反應(yīng)器With an annual output o

2、f 250000tons of methanolsynthesis process designAbstractIn organic synthesis industry, methanol is the fourth big basic raw materials, widely used in peoples life, in recent years, methanol demand rapid growth. In industrial production, methanol synthesis section occupy an important part in the prod

3、uction of methanol, as a result,The main content of this design is in the process of coal methanol synthesis methanol synthesis process of design, and the methanol synthesis process of material balance, heat balance and reactor and ancillary equipment needed for the section design, determine the typ

4、e of methanol reactor, shell diameter, sealing the top structure and size, preparation of design specifications, process flow diagram and drawing coal methanol synthesis section process flow diagram, reactor structure, equipment layout and elevation layout.Keyword Methanol, synthesis section, proces

5、s desig,reactor目錄 TOC o 1-5 h z 第1章緒論1 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 甲醇的性質(zhì)1 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 甲醇的用途2甲醇的生產(chǎn)方法2高壓法2 HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 低壓法3 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 1.3.2中壓法3 HYPERLINK l bookmark65 o Current Document 設(shè)計任務(wù)4設(shè)計的依據(jù)

6、4設(shè)計的內(nèi)容4設(shè)計的條件4產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)4第2章工藝流程5催化劑5 HYPERLINK l bookmark77 o Current Document 甲醇反應(yīng)器6 HYPERLINK l bookmark89 o Current Document 甲醇合成工藝流程8操作條件8工藝流程8 HYPERLINK l bookmark97 o Current Document 第3章物料衡算與熱量衡算9 HYPERLINK l bookmark100 o Current Document 甲醇合成工段的物料衡算9設(shè)計的條件和參數(shù)9化學(xué)反應(yīng)9物料衡算10 HYPERLINK l bookmark172

7、o Current Document 熱量衡算17 HYPERLINK l bookmark224 o Current Document 反應(yīng)器熱量計算17反應(yīng)物料預(yù)熱器熱量計算20 HYPERLINK l bookmark265 o Current Document 水冷器熱量計算22 HYPERLINK l bookmark286 o Current Document 第4章反應(yīng)器的工藝計算25 HYPERLINK l bookmark312 o Current Document 第5章附屬設(shè)備設(shè)計與計算29 HYPERLINK l bookmark315 o Current Docume

8、nt 循環(huán)壓縮機的選型29 HYPERLINK l bookmark321 o Current Document 水冷器的計算29 HYPERLINK l bookmark384 o Current Document 分離器的選型34 HYPERLINK l bookmark387 o Current Document 貯槽的選型34甲醇合成工段主要設(shè)備一覽表34 HYPERLINK l bookmark393 o Current Document 結(jié)論35 HYPERLINK l bookmark396 o Current Document 致謝36參考文獻(xiàn)37附錄A譯文38譯文標(biāo)題38附錄

9、B 外文原文46第1章緒論1.1甲醇的性質(zhì)甲醇是飽和脂肪醇中最簡單的一元醇，因為它最先是由木材中干餾獲得的，所以 俗名又稱為“木醇”或“木精”。在常溫下，純甲醇是易流動、易揮發(fā)、可燃、并具有與 酒精相似氣味的有毒的無色透明液體，熔點為 175.6K，沸點為337.8K，閃點為 285.22K，自燃點為743K，相對密度為0.7915（20度/4度），甲醇蒸汽與空氣可以形成 爆炸性的混合物，爆炸的極限下限為6.0%，上限為36.5%，甲醇能與水、苯、乙醚、 丙酮以與大多數(shù)有機溶劑按任意的比例混溶，但與水不可形成共沸物，所以可以用分 餾的方法分離甲醇和水；甲醇是一種良好的溶劑，能溶解多種樹脂，但脂

10、肪在甲醇中 不能溶解1。甲醇的化學(xué)性質(zhì)較活潑，能進(jìn)行氧化、酯化、羰基化、胺化、脫水、裂解、氯化 等一些反應(yīng)2。（1）氧化CH3OH+1/2O2 Ag HCHO+H2O（2）酯化ch3oh+hno3 ch3no3+h2o（3）胺化CH3OH+NH3 5-20初瓦643-693瓦活性氧化鋁 CH3NH2+H2O（4）脫水2CH3OH 高溫，酸性催化劑 CH3）2O+H2O（5）裂解CH3OH 銅CO+2H2（6）氯化CH3OH+HCl ZnO/ Zr CH3Cl+H2O1.2甲醇的用途有機合成工業(yè)中，甲醇是僅次于乙烯、丙烯和芳烴的第四大基礎(chǔ)原料，被廣泛地 應(yīng)用于生產(chǎn)塑料、有機合成、農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料

11、和國防等工業(yè)1。目前，甲醇主要被用于生產(chǎn)甲醛，其用量占總量的大約一半以上，用甲醇為原料， 經(jīng)羰化反應(yīng)直接合成醋酸己工業(yè)化；甲醇與汽油混合可作為汽車燃料，用于合成的甲 基叔丁基醚作為汽油添加劑；甲醇還可以作為較好的人工合成蛋白的原料，其蛋白轉(zhuǎn) 化率高，發(fā)酵的速度快，無毒，價格又便宜，所得到的人造蛋白是非常好的畜禽飼料3。目前，世界上年產(chǎn)10萬噸的甲醇制造蛋白的工業(yè)裝置已經(jīng)在運轉(zhuǎn)了，年產(chǎn)30萬 噸的大型裝置已經(jīng)在設(shè)計中；甲醇化工已經(jīng)成為了化學(xué)工業(yè)中一個十分重要的領(lǐng)域4。甲醇的消費已經(jīng)大大超過了它的傳統(tǒng)的用途，甲醇潛在的消耗使用量已經(jīng)大大的 超過了其化工的用途，滲透到了國名經(jīng)濟(jì)的各個部門，以后甲醇的

12、發(fā)展速度會更加的 迅速4。1.3甲醇生產(chǎn)方法高壓法圖1-1高壓法合成甲醇工藝流程采用高壓法合成甲醇的工藝流程如圖1-1所示1923年，德國BASF（巴登苯胺燒堿公司）的Mittsach和Schneider發(fā)明了高壓發(fā) 合成甲醇的工藝，這是最初生產(chǎn)甲醇的方法，一般采用的是鋅銘催化劑，反應(yīng)壓力為 ,溫度在360-400C。考慮高壓法有很多負(fù)面影響，所以其發(fā)展一直以 來都處于停頓狀態(tài)。低壓法低壓法：合成壓力為4.0-5.0 Mpa，反應(yīng)溫度低為200-300C，所用的銅基催化劑 （含銅、銘、鋅）比高壓合成法所用的催化劑活性高，選擇性好，所得粗甲醇中甲醇 質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，因而使甲醇收率提高，生產(chǎn)成本下降，

13、適用于中小規(guī)模生產(chǎn)5。其中使 用較多的低壓合成法有I.C.I低壓法和Lurgi （魯奇）低壓法。她放氣 粗甲聰圖1-2低壓法合成甲醇工藝流程中壓法20世紀(jì)70年代初期，隨著甲醇工業(yè)的大型化發(fā)展，在低壓的基礎(chǔ)上改進(jìn)，獲得 中壓法（9.8-12.0 Mpa），中壓法所用反應(yīng)器與低壓法相同，流程也與低壓法類似，所用 催化劑也和低壓法一致，反應(yīng)溫度230-280C，但動力消耗也隨壓力的提高而增加5。生產(chǎn)甲醇方法還有：液化石油氣氧化、甲烷氧化、一氧化碳和氫氣合成6。甲醇合成工序至關(guān)重要，比較合成甲醇的三種方法，考慮投入資金、生產(chǎn)成本、 甲醇質(zhì)量，設(shè)計最終采用低壓法。主反應(yīng)式方程式：CO+ h2ch 3o

14、h。1.4設(shè)計任務(wù)設(shè)計的依據(jù)設(shè)計依據(jù)詳見附錄1畢業(yè)設(shè)計論文任務(wù)書。設(shè)計的內(nèi)容甲醇合成工段工藝設(shè)計重點：甲醇合成的工藝流程設(shè)計，物料衡算和熱量衡算，反應(yīng)器的工藝計算，繪 制煤制甲醇合成工段工藝流程圖（物料流程圖與帶控制點的工藝流程圖）、反應(yīng)器結(jié) 構(gòu)圖、設(shè)備平面圖與設(shè)備立面圖。設(shè)計的條件（1）生產(chǎn)能力：年產(chǎn)量為25萬噸，年工作日為330天。（2）工作制度：日工作時間24h，每日3班，每班8h，輪流替換，連續(xù)生產(chǎn)。產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：產(chǎn)品（精甲醇）執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)，具體指標(biāo)如下:項目指標(biāo)優(yōu)等品一等品合格品色度（鉑一鉆），號503020水溶性試驗澄清水分含量，%0.100.15酸度（以HCOOH計），%0.00

15、150.0030.005或堿度（以nh3計）%0.00020.00080.0015羰基化合物含量（以CH2O計），%0.0020.0050.01蒸發(fā)殘渣含量，%Ts, ptpsTt：管壁溫度，Ts：殼壁溫度，管程壓力：pt=4.9 Mpa,殼程壓力：ps=0.74 Mpa,所以，得q與q是方向相同的力，則q = q + q = 0.54q。 t pt p所以，管子拉脫力合適。折流板折流板常用的型式有弓形和圓盤二圓環(huán)形兩種，弓形的性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)簡單，在實際中最常用，所以設(shè)計選用弓形。取弓形折流板圓缺高度作為殼體內(nèi)徑的25%，則切去圓切高度為h=0.25x4400=1100mm。折流板間距 B=0

16、.3x4400=1320mm，可取 B 為 1500mm。折流板的最小厚度為22mm。折流板數(shù)Nb=9000/1500=6，材料為Q235-A鋼。共12根拉桿，選用管徑32，定距管25x2.5，材料Q235-AF鋼；。管板直徑：4.4m，厚度：100 mm，焊接方式：封頭與筒體間。支座支座：裙座，座體厚度50mm，基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)徑3m，外徑3.6m，基地腳螺栓公稱直徑M30，數(shù)量為6個。表4-1反應(yīng)器設(shè)計結(jié)果形式列管式臺數(shù)1設(shè)殼體內(nèi)徑/mm4400設(shè)封頭內(nèi)徑/mm4600備管 長/mm9000備管子排列方式正三角形結(jié)管 徑/mm32x2.5結(jié)管間距/mm40構(gòu)列管數(shù)目/根8898構(gòu)折流板個數(shù)/個6參

17、傳熱面積/m26789參折流板間距/mm1500數(shù)數(shù)第5章附屬設(shè)備設(shè)計與計算5.1循環(huán)壓縮機的選型壓縮機按工作原理可分為兩大類：容積式壓縮機和速度式壓縮機，容積式壓縮機 分為往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式；速度式壓縮機分為軸流式、離心式、混流式mi。壓縮機的任務(wù)是把來自脫碳裝置的合成氣送入甲醇合成塔，根據(jù)甲醇合成的特 點，對壓縮機有以下幾點要求：由于甲醇的生產(chǎn)選擇在壓縮機的五段出口，壓力比較大，所以必須選擇適 合這種壓力等級的循環(huán)壓縮機；選用的壓縮機體積要小、占用的空間小，易安裝，檢修方便；能量利用率要高，結(jié)構(gòu)要合理，使用安全可靠，運轉(zhuǎn)周期要長；綜上，本設(shè)計選用離心式壓縮機。5.2水冷器的計算傳熱面積冷 35

18、 20 C兩股流體的進(jìn)出口溫度為：熱60.28一40C(60.28 - 35) - (40 - 20)。/=22 54 CI 60.28-35Cln故傳熱推動力： Tm40-20K=890.57W/ (m2.C)由公式Q KA T m可得 A =Q/(K T )=6946833.85/ ()=346.07m2管子數(shù)選用管長為6000mm，管徑為25x2.5的無縫鋼管，材質(zhì)為20號鋼。由公式A=3.14dLn可得：n=3.14 x d x L=346.07? ()=919 根，其中安排拉桿4根。管子排列方式傳熱管在管板上的排列有：正三角形、正四邊形與同心圓三種基本的排列形式， 一般情況下，正三角

19、形排列可以在相同管板的面積上排較多的管子，而且，管子的外 表面?zhèn)鳠岬南禂?shù)比較大；正四邊形最少12。所以設(shè)計最終采用正三角形排列，取管間距為t=32mm。采用正三角形排列，則管子的排列面積就是一個正六邊形，正六邊形的對角線上 的管子數(shù)為：b=2a+1(a為正六邊形的數(shù)目)殼體內(nèi)徑計算計算公式：如a(b-D +2L式中：Dj殼體內(nèi)徑，mm；b查表12取 b=35；L最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離，取L=2doDW2x(35-D +2x2x25=1188mm圓整后取殼體內(nèi)徑為D.=1200mm殼體厚度的計算殼體材料選用低合金結(jié)構(gòu)的16MnR鋼板，計算壁厚：c _ PcDiS2b t -Pc式中：P

20、c合成壓力，取Pc為4.9x1.1=5.39Mpa；Di殼體內(nèi)徑，mm； 焊縫系數(shù)，取0.85；殼體溫度為250C時，ot =132MpaS =1200X5.392 x 132 x 0.85 -5.39=29.53mmC2腐蝕裕度取1mm ,則設(shè)計的厚度 Sd=S+C2=31.99+1=31.53mm,C1=1mm，圓整后取33mm。（6）封頭形狀：選擇標(biāo)準(zhǔn)橢圓形，內(nèi)徑=1200+2x32=1264,圓整后取1300，材料20R鋼。計算公式：_PcDiS ；2b t - 0.5Pc式中：Pc5.14Mpa ；D=1300mm；i = 0.85殼體的溫度為250度時，ot=132Mpa仁1300

21、 x 5.39S=2 x 132 x 0.85-0.5 x 5.39=34.03mm取 C2=1mm ； C1=1mm，圓整后取 37mm。（7）容器法蘭跟據(jù)JB4703-2000標(biāo)準(zhǔn)，選用PN6.4Mpa，DN1300mm的長頸對焊法蘭，材料16MnR鋼。（8）管子拉脫力a在操作壓力下，每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力qp=品項3 14式中：f=0.886a2-x d4,3.14= 0.886 x 32 2 x 252 4396P=0.74L=50396q = 0.74 x = 0.075MP a p 3.14 x 25 x 50b、溫差應(yīng)力導(dǎo)致的每平方米脹接周邊上的拉脫力qtd 2-d2qt=t

22、x4X0rL0aE(tt - ts)式中：。t At1 +也As314、，、At =號x(do2-di2)n=3.14/4x(252-202)x919=162318.38mm2As = 3.14 x D x Sn = 3.14 x103 x 20 = 62800mm2ot=11.8 x 10-6 x 0.21 x 106 x 18162318.3862800=12.44qt二12.44 x (252-202)4 x 25 x 50)=0.56已知 TtTs，RPsTt：管壁溫度；Ts：殼壁溫度；管程壓力：pt=4.9 Mpa；殼程壓力：ps=0.74 Mpa；所以可知qt與qp為相同方向力，則

23、q=0.56+0.0075=0.635Vq。所以，拉脫力合適。(9)折流板折流板常用的型式有弓形和圓盤=圓環(huán)形兩種，弓形的結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)良，在 實際中最常用，所以設(shè)計選用弓形。取弓形折流板圓缺高度作為殼體內(nèi)徑的25%。則切去圓切高度為h=0.25x1300=325mm。折流板間距B=0.3x1300=390mm，可取B為400mm。折流板的最小厚度為10mm。折流板數(shù)為：Nb=6000/400=15，材料：Q235-A鋼。拉桿共四根，選用12，材料：Q235-AF鋼。開孔補強開孔補強采用的是等面積補強法，考慮實際情況選用20R鋼板。支座臥式，固定F型和滑動S型鞍式支座各一個，一般靠近管箱側(cè)為

24、固定鞍座。表5-1 水冷器工藝設(shè)計結(jié)果形式列管式臺數(shù)1設(shè)殼體內(nèi)徑/mm1300設(shè)封頭內(nèi)徑/mm1400備管 長/mm6000備管子排列方式正三角形結(jié)管 徑/mm25x2.5結(jié)管間距/mm40構(gòu)列管數(shù)目/根919構(gòu)折流板個數(shù)/個15參傳熱面積/m2346.07 參折流板間距/mm400數(shù)數(shù)5.3分離器的選型甲醇分離器由外筒和內(nèi)體兩大部分組成，其作用是將經(jīng)過水冷器冷凝下來的液體 甲醇和沒有反應(yīng)的氣體進(jìn)行氣液分離，分離出來的甲醇從分離器的底部在液面控制下 減壓后送入粗甲醇貯槽9。甲醇分離器的分離效率不但影響到成品收率，而且影響甲醇合成塔的操作過程和 產(chǎn)量，在分離的過程中需要不斷地放出被分離出來的液體

25、，避免分離出來的液體積累 太多，這樣會破壞甲醇分離器的正常工作，所以，在甲醇分離器一側(cè)必須要有液位指 示，底部要有可控制的液體排出口。本設(shè)計選用的甲醇分離器的材質(zhì)為0Cr18Ni10Ti。5.4貯槽的選型貯罐有立式貯罐、臥式貯罐、立式圓筒形固定頂貯罐系列、立式圓筒形內(nèi)浮頂貯 罐系列、球罐系列、低壓濕式氣柜系列等13。根據(jù)物料衡算和熱量衡算的結(jié)果，本設(shè)計選用臥式貯罐,材質(zhì)：16MnR。BCL456 2BCL407表5-2甲醇合成工段主要設(shè)備一覽表序號流程號名稱型號規(guī)格數(shù)量材料備注1C1001壓縮機BLC456+2BCL4072一臺備用2R1001甲醇反應(yīng)器0 4400mm113MNiMoNbR3

26、E1001入塔氣預(yù)熱器F=3600 m2113MNiMoNbR4E1002(3)水冷器0 1000mm220R5S1001甲醇分離器0 2000mm10Cr18Ni10Ti6V1001粗甲醇槽罐V=20000m3116MnR結(jié)論本文設(shè)計了甲醇的合成工段工藝，介紹了甲醇的一些性質(zhì)、用途與發(fā)展現(xiàn)狀，介 紹了幾種常用的甲醇合成方法，本設(shè)計中采用的低壓法(5. 08. 0 MPa)是20世紀(jì)60 年代后期發(fā)展起來的一種甲醇合成技術(shù)，其工藝先進(jìn)、技術(shù)可靠、節(jié)能環(huán)保、安全可 行。設(shè)計選用的XNC-98催化劑與其他催化劑相比，具有優(yōu)越的綜合性能，是一種高 活性、高選擇性，穩(wěn)定性好的催化劑。在設(shè)計的編寫過程中，我對此次設(shè)計說明書進(jìn)行了多次的修改，但由于設(shè)計者能 力有限，難免存在一些紙漏和不足，希望各位老師能夠給我指出