年產(chǎn)30萬噸合成甲醇項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)說明書

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第一章概述 41.1項(xiàng)目概述 41.1.1項(xiàng)目名稱 41.1.2項(xiàng)目簡介 41.2設(shè)計(jì)依據(jù)及原則 41.2.1設(shè)計(jì)依據(jù) 41.2.2設(shè)計(jì)原則 41.3工藝特點(diǎn) 51.4產(chǎn)品方案 51.5主要物料規(guī)格及消耗 61.6排污要求 61.7公用工程 61.8廠址概況 61.9產(chǎn)品文獻(xiàn)綜述 61.9.1產(chǎn)品甲醇簡介 71.10項(xiàng)目建設(shè)的目的及意義 8第二章工藝方案的確定及流程模擬 92.1概述 92.2甲醇合成的反應(yīng)及動力學(xué)分析 92.2.1甲醇合成的反應(yīng) 92.2.2反應(yīng)動力學(xué)分析 102.3合成工藝 112.3.1甲醇生產(chǎn)工藝 112.3.2工藝流程的確定 142.3.3合成工序工藝操作條件的確定 162.3.4催化劑 172.4工藝流程模擬 182.4.1 182.4.2合成 192.4.3分離工段 20第三章物料衡算和熱量衡算 213.1概述 213.2物料衡算的意義 213.3物料衡算遵循的原則 213.4物料衡算結(jié)果 223.4.1全段工藝的物料衡算 223.5熱量衡算 333.5.1熱量衡算原則 333.5.2熱量衡算 34第四章設(shè)備設(shè)計(jì)及選型 404.1概述 404.2甲醇合成反應(yīng)器的選擇 404.2.1列管式反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及空速的計(jì)算 404.2.2反應(yīng)器內(nèi)徑、壁厚、外徑的計(jì)算 414.2.3反應(yīng)器塔高的計(jì)算 414.3壓縮機(jī)的選擇 414.3.1選型原則 414.3.2選型介紹 414.4閃蒸罐設(shè)計(jì) 424.5精餾塔的選擇 424.5.1精餾段塔徑的計(jì)算 424.5.2提餾段塔徑的計(jì)算 444.5.3塔高的確定： 454.6泵的選擇 454.7換熱器的選擇 464.8回流罐，儲罐的選擇 474.9設(shè)備選型一覽表 48第五章總圖及車間布置 515.1總圖設(shè)計(jì) 515.1．1布置原則 515.1．2參照要求及標(biāo)準(zhǔn) 515.1.3布局情況介紹 515.1.4反應(yīng)車間 555.1.5輔助車間和公用工程 555.1.6發(fā)展用地及綠化 565.1.7其它布局說明 565.2車間布置 575.2.1車間布置依據(jù) 575.2.2車間布置原則 575.2.3車間整體布置 575.2.4合成工段車間布置 58第六章自動控制及儀表 606.1全廠自控水平和主要控制方案 606.1.1概述 606.1.2自控水平 606.1.3主要控制方案 606.1.4通訊網(wǎng)絡(luò) 616.2儀表選型的確定 616.2.1選型原則 616.2.2控制室監(jiān)控系統(tǒng) 626.3動力供應(yīng) 626.3.1儀表電源 626.3.2儀表氣源 626.4典型設(shè)備控制方案 626.4.1精餾塔的控制 626.4.2離心泵控制方案—直接節(jié)流法調(diào)節(jié) 636.4.3壓縮機(jī)的控制 646.4.4換熱器的控制 646.4.5儲罐的控制 64第七章環(huán)境保護(hù)及評價(jià) 667.1概述 667.1.1環(huán)保目的 667.1.2環(huán)境保護(hù)遵守依據(jù) 667.1.3控制及保護(hù)目標(biāo) 667.2廢氣中主要污染物的特征和危害 677.2.1對人體的健康危害 677.2.2對植物的危害 677.3環(huán)境保護(hù)治理措施 687.3.1廢氣 687.3.2廢水 687.3.3廢渣 697.4總結(jié) 69第一章概述1.1項(xiàng)目概述1.1.1項(xiàng)目名稱年產(chǎn)30萬噸合成甲醇分廠設(shè)計(jì)1.1.2項(xiàng)目簡介本項(xiàng)目以總廠造氣分廠的凈化合成氣作為原料，充分合理利用原料氣組分的現(xiàn)有資源及成熟的生產(chǎn)工藝，設(shè)計(jì)一座合成甲醇的分廠，對分廠的科學(xué)發(fā)展進(jìn)行規(guī)劃，擴(kuò)大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，減少烴原料化工對石油資源的過度依賴，對優(yōu)化資源利用有重要意義。1.2設(shè)計(jì)依據(jù)及原則1.2.1設(shè)計(jì)依據(jù)（1）課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)書（2）“十二五”國家政策。（3）根據(jù)甲醇合成的相關(guān)資料，包括發(fā)展規(guī)劃、自然條件、交通條件、政府政策等。（4）《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》和《中華人民共和國勞動安全法》等相關(guān)的國家法律、法規(guī)。1.2.2設(shè)計(jì)原則(1)項(xiàng)目建設(shè)遵守國家的各項(xiàng)政策、法規(guī)和法令，符合國家的產(chǎn)業(yè)政策、投資方向及行業(yè)和地區(qū)的規(guī)劃，貫徹有關(guān)部門的頒發(fā)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范合理安排建設(shè)周期，嚴(yán)格控制工程建設(shè)項(xiàng)目的生產(chǎn)規(guī)模和投資；(2)采用成熟而先進(jìn)可靠的工藝生產(chǎn)技術(shù)，確保操作運(yùn)行穩(wěn)定、盡可能節(jié)能降耗、三廢排放少、產(chǎn)品質(zhì)量好；(3)堅(jiān)持體現(xiàn)“社會經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益并重”的原則，按照國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的長遠(yuǎn)規(guī)劃，行業(yè)、地區(qū)的發(fā)展規(guī)劃，在項(xiàng)目調(diào)查、選擇中對項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)全面的論證。(4)重視環(huán)境保護(hù)、安全和工業(yè)衛(wèi)生，設(shè)計(jì)中選用清潔生產(chǎn)工藝，三廢治理、消防、安全、勞動保護(hù)措施必須與主體裝置同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)建設(shè)、同時(shí)投運(yùn)，污染物的排放必須達(dá)到規(guī)定的指標(biāo)，并保證工廠安全運(yùn)行和操作人員的健康不受損害；(5)產(chǎn)品生產(chǎn)和質(zhì)量指標(biāo)符合國家及地方頒發(fā)的各項(xiàng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；(6)在保證工藝生產(chǎn)安全、可靠的前提下，盡可能利用國產(chǎn)化的設(shè)備、材料，并控制投資在合理范圍內(nèi)；1.3工藝特點(diǎn)德國Lurgi公司開發(fā)的甲醇合成工藝，該流程采用管殼型反應(yīng)器，催化劑裝在管內(nèi)，反應(yīng)熱由管間沸騰水帶走，并副產(chǎn)中壓蒸汽。生產(chǎn)過程中可通過控制所產(chǎn)中壓蒸汽壓力來調(diào)節(jié)催化床層溫度，反應(yīng)溫度易控制、徑向溫度5℃左右。由于反應(yīng)溫度平穩(wěn)，催化劑的作用得到很好發(fā)揮，原料氣的單程轉(zhuǎn)化率得以提高，副反應(yīng)少，粗甲醇質(zhì)量較好。1.4產(chǎn)品方案本項(xiàng)目通過Lurgi低壓甲醇合成工藝，利用凈化合成氣生產(chǎn)甲醇，其產(chǎn)品規(guī)格為達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)（GB388-85）一級品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)控制指標(biāo)為下表：表1.1產(chǎn)品規(guī)格組分CH3OH醛、酮總量水分摩爾分率＞0.999＜0.00005＜0.00071.5主要物料規(guī)格及消耗本項(xiàng)目的主要原料為凈化合成氣，整個(gè)項(xiàng)目所需的主要原料規(guī)格見下表：表1.2原料規(guī)格來自總廠造氣分廠的凈化合成氣，壓強(qiáng)3.5Mpa，溫度313.15K，組成為：組分COCO2H2N2摩爾分率28.23.2排污要求含醇?xì)怏w用管道送至總廠鍋爐房焚燒處理；工藝廢水含有機(jī)物總量＜0.002，用專用管路送至總廠水處理分廠。1.7公用工程供電、供水、供惰性氣、供汽、機(jī)修等公用工程由總廠統(tǒng)一安排、配套提供。1.8廠址概況一側(cè)靠河、另一側(cè)靠廠內(nèi)公路的狹長平地，寬度60m，長度無限制。1.9產(chǎn)品文獻(xiàn)綜述甲醇作為化工原料，主要用于制備甲醛、對苯二甲酸二甲酯、鹵甲烷、炸藥、醫(yī)藥、染料、農(nóng)藥及其他有機(jī)化工產(chǎn)品。隨著世界能源的消耗日益增加，天然氣和石油資源日益緊張，在甲醇的應(yīng)用方面開發(fā)了許多新的領(lǐng)域，如甲醇作為非石油基燃料迅速進(jìn)入燃料市場，成為汽油的代用燃料與汽油滲燒得到迅速發(fā)展；甲醇直接合成汽油；甲醇也可合成甲基叔丁基醚（MTBE）作為無鉛汽油的優(yōu)質(zhì)添加劑，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益；此外甲醇還可作為合成蛋白質(zhì)的碳來源，也具有廣闊的前途。合成甲醇的工業(yè)化始于1923年，用高壓合成（溫度300~400℃，壓力30MPa），一直沿用至20世紀(jì)60年代中期。1966年，英國開發(fā)了ICI低壓法（溫度230~270℃，壓力5~10MPa）。1971年，德國開發(fā)了魯奇低壓法；1973年，意大利開發(fā)成功氨-甲醇聯(lián)合生產(chǎn)方法（聯(lián)醇法）。自20世紀(jì)70年代中期以后，世界上新建和擴(kuò)建的甲醇均為低壓法。甲醇合成的原料氣為CO和H2,可可由煤、天然氣、輕油、重油、裂解氣及焦?fàn)t氣來制取。今年的發(fā)展可以看出，從天然氣出發(fā)生產(chǎn)甲醇的原料路線備受重視，其投資費(fèi)用和消耗指標(biāo)都低于煤和石油，而天然氣儲量較石油豐富。目前世界上以天然氣作原料合成甲醇的能力占總能力的80%以上。1.9.1產(chǎn)品甲醇簡介（1）物理性質(zhì)：外觀與性狀：無色澄清液體，有刺激性氣味。微有乙醇樣氣味，易揮發(fā)，易流動，燃燒時(shí)無煙有藍(lán)色火焰，能與乙醇、乙醚等有機(jī)溶劑和水互溶，能與多種化合物形成共沸混合物，能與多種化合物形成溶劑混溶，溶解性能優(yōu)于乙醇，能溶解多種無機(jī)鹽，如碘化鈉、氯化鈣、硝酸銨、硫酸銅、硝酸銀、氯化銨和氯化鈉等。易燃，與空氣混合的爆炸極限為6.0%-36.5%（體積）。有毒，一般誤飲5～10ml可致眼睛失明，大量飲用會導(dǎo)致死亡。（2）化學(xué)性質(zhì)：甲醇對金屬特別是黃銅有輕微的腐蝕性。易燃，燃燒時(shí)有無光的淡藍(lán)色火焰。蒸氣能與空氣形成爆炸混合物．爆炸極限6.0%-36.5%(vol)。純品略帶乙醇味，粗品刺鼻難聞。有毒可直接侵害人的肢體細(xì)胞組織．特別是侵害視覺神經(jīng)網(wǎng)膜，致使失明。正常人一次飲用4-10g純甲醇可產(chǎn)生嚴(yán)重中毒。飲用7-8g可導(dǎo)致失明，飲用30-100g就會死亡。（3）作用與用途：甲醇是最簡單的飽和醇，也是重要的化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料和清潔液體燃料，它廣泛用于有機(jī)合成、醫(yī)藥、農(nóng)藥、涂料、染料、汽車和國防等工業(yè)中。用于制造甲醛和農(nóng)藥（殺蟲劑、殺蟲螨）、醫(yī)藥（磺胺類、合霉素類）等的原料、合成對苯二甲酸二甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯的原料之一、醋酸、氯甲烷、甲胺和硫酸二甲酯等多種有機(jī)產(chǎn)品等，并用作有機(jī)物的萃取劑和酒精的變性劑等?；咀饔檬?，用作有機(jī)原料、溶劑及防凍劑。主要用于制甲醛、香精、染料、醫(yī)藥、火藥、防凍劑等。是基礎(chǔ)的有機(jī)化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料。主要應(yīng)用于精細(xì)化工，塑料等領(lǐng)域，用來制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲脂等多種有機(jī)產(chǎn)品，也是農(nóng)藥、醫(yī)藥的重要原料之一，經(jīng)常作為氣相色譜和液相色譜分析的溶劑。甲醇在深加工后可作為一種新型清潔燃料，也加入汽油摻燒。1.10項(xiàng)目建設(shè)的目的及意義能源和環(huán)境是世界經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展面臨的兩大主題。如何有效地解決由于全球經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展帶來的能源危機(jī)和環(huán)境污染不但是全世界關(guān)注的焦點(diǎn)，也是我國實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的主要屏障。為了解決能源問題我國在石油替代燃料方面做了大量工作。從我國“缺油、富煤”的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)看甲醇的發(fā)展前景廣闊。甲醇甲醇原料來源廣泛、生產(chǎn)工藝成熟，主要來自煤化工和天然氣合成可以利用煤炭、天然氣、煤層氣、生物質(zhì)等制成。本設(shè)計(jì)遵循“工藝技術(shù)可靠科學(xué)、優(yōu)化生產(chǎn)安全環(huán)?！钡脑瓌t。通過設(shè)計(jì)可以加深對甲醇生產(chǎn)知識的掌握，將課本知識實(shí)地應(yīng)用于具體的設(shè)計(jì)中，使理論與實(shí)踐得到一定的結(jié)合。對國內(nèi)外的甲醇生產(chǎn)工藝有了進(jìn)一步的了解，對所學(xué)專業(yè)的使命感有了更深的認(rèn)識。第二章工藝方案的確定及流程模擬2.1概述隨著甲醇作為重要化工原料用途的日益拓寬和替代日趨緊張的汽油而用作潔凈燃料，甲醇在許多國家得以開發(fā)、推廣和應(yīng)用．工業(yè)合成甲醇的工藝技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，并日趨成熟，特別是20世紀(jì)6O年代中期以后，為了降低甲醇生產(chǎn)的投資、降低生產(chǎn)過程中的動力消耗、實(shí)現(xiàn)較溫和的生產(chǎn)操作條件、改善粗甲醇的質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本，人們成功研制了低壓合成甲醇的銅基催化劑，實(shí)現(xiàn)了高壓合成法向低壓合成法的轉(zhuǎn)變，并使低壓合成工藝得到迅速發(fā)展。低壓法臺成甲醇生產(chǎn)工藝始于1966年，由英國帝國化學(xué)工業(yè)(ICI)公司開發(fā)，簡稱ICI低壓甲醇臺成工藝；隨后當(dāng)時(shí)的西德魯奇（Lurgi)公司于1971年開發(fā)了另一種低壓法合成甲醇工藝，簡旅Iurgi低壓甲醇合成工藝。這兩種低壓法臺成甲醇工藝便成了以后低壓合成甲醇的主要工藝。我國從2O世紀(jì)7O年代以來所建的甲醇裝置主要采用這兩種工藝，如四J1I維尼綸廠和哈爾濱氣化廠建的ICI低壓甲醇合成裝置；在齊魯二化、濮陽和安陽等地相繼建成了Lurg[低壓甲醇合成裝置。隨著這兩種工藝在我國近幾十年的推廣應(yīng)用，它們在技術(shù)方面的差異也日漸顯露出來，從前認(rèn)為ICI反應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)單臺大規(guī)模生產(chǎn)，Iurgi反應(yīng)器由于制造困難而難于放大?，F(xiàn)在由于機(jī)械制造技術(shù)的不斷改進(jìn)，國內(nèi)Iurg[反應(yīng)器單臺能力已達(dá)2O萬t／a。本文將著重從這兩種工藝的流程情況、床層溫度分布狀況、催化劑的使用效果及動力消耗等方面進(jìn)行分析比較和初步探討。2.2甲醇合成的反應(yīng)及動力學(xué)分析2.2.1甲醇合成的反應(yīng)甲醇合成反應(yīng)體系主要發(fā)生以下反應(yīng)：CO+2H2=CH3OH(1)CO2+3H2=CH3OH+H2O(2)CO2+H2=CO+H2O(3)由于其中只有兩個(gè)為獨(dú)立反應(yīng),在進(jìn)行化學(xué)平衡計(jì)算時(shí)只需考慮其中兩個(gè)反應(yīng)。2.2.2反應(yīng)動力學(xué)分析根據(jù)《甲醇工學(xué)》所提供的數(shù)據(jù)以及AspenPlus所提供的物性計(jì)算方法和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方法，可以采用以下簡化方法進(jìn)行甲醇合成系統(tǒng)的化學(xué)動力學(xué)計(jì)算：物性計(jì)算方法：BWR-LS化學(xué)反應(yīng)方程：反應(yīng)速率方程：在SI制下，速率方程式中各系數(shù)可表為：速率常數(shù)：平衡常數(shù)：P=5MPa吸附系數(shù)：反應(yīng)動力學(xué)，它主要研究作用于物體的力與物體運(yùn)動的關(guān)系。動力學(xué)的研究對象是運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于光速的宏觀物體。動力學(xué)是物理學(xué)和天文學(xué)的基礎(chǔ)，也是許多工程學(xué)科的基礎(chǔ)。2.3合成工藝2.3.1甲醇生產(chǎn)工藝（1）甲醇生產(chǎn)工藝國內(nèi)國外的發(fā)展情況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。目前，國外的液相甲醇合成新工藝具有投資省、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95kt/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200kt/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產(chǎn)權(quán)的JW低壓均溫甲醇合成塔技術(shù)，打破長期來被ICI、Lurgi等國外少數(shù)公司所壟斷擁的局面，并在2004年獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎。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。對于我國，從資源背景看，煤炭儲量遠(yuǎn)大于石油、天然氣儲量，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。近年來,甲醇技術(shù)發(fā)展很快,主要趨向?yàn)?生產(chǎn)的原料轉(zhuǎn)向天然氣、烴類加工尾氣。從甲醇生產(chǎn)的實(shí)際情況核算,采用天然氣為原料比用固體為原料的投資可降低50%;采用乙炔尾氣則經(jīng)濟(jì)效果更為顯著。目前國際上,生產(chǎn)甲醇的原料以天然氣為主約占90%,以煤為原料只占2%。國內(nèi)近年來以煤為原料生產(chǎn)甲醇的比例在逐步上升,這與中國的能源結(jié)構(gòu)有關(guān)。生產(chǎn)規(guī)模大型化,單系列最大規(guī)模達(dá)225萬噸/年,即單系列日產(chǎn)7500公斤。規(guī)模擴(kuò)大后,可降低單位產(chǎn)品的投資和成本。充分回收系統(tǒng)的熱量。產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)壓力的蒸汽,以驅(qū)動壓縮機(jī)及鍋爐給水泵、循環(huán)水泵的透平,實(shí)現(xiàn)熱能的綜合利用。采用新型副產(chǎn)中壓蒸汽的甲醇合成塔,降低能耗。采用節(jié)能技術(shù),如氫回收技術(shù)、預(yù)轉(zhuǎn)化、工藝?yán)淠猴柡图夹g(shù)、燃燒空氣預(yù)熱技術(shù)等,降低甲醇消耗。（2）甲醇的工藝流程目前工業(yè)上幾乎都是采用一氧化碳、二氧化碳加壓催化氫化法合成甲醇.典型的流程包括原料氣制造、原料氣凈化、甲醇合成、粗甲醇精餾等工序。天然氣、石腦油、重油、煤及其加工產(chǎn)品(焦炭、焦?fàn)t煤氣)、乙炔尾氣等均可作為生產(chǎn)甲醇合成氣的原料.天然氣與石腦油的蒸氣轉(zhuǎn)化需在結(jié)構(gòu)復(fù)雜造價(jià)很高的轉(zhuǎn)化爐中進(jìn)行.轉(zhuǎn)化爐設(shè)置有輻射室與對流室,在高溫,催化劑存在下進(jìn)行烴類蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)。重油部分氧化需在高溫氣化爐中進(jìn)行，以固體燃料為原料時(shí),可用間歇?dú)饣蜻B續(xù)氣化制水煤氣，間歇?dú)饣ㄒ钥諝?、蒸汽為氣化?將吹風(fēng)、制氣階段分開進(jìn)行,連續(xù)氣化以氧氣、蒸汽為氣化劑,過程連續(xù)進(jìn)行。甲醇生產(chǎn)中所使用的多種催化劑,如天然氣與石腦油蒸氣轉(zhuǎn)化催化劑、甲醇合成催化劑都易受硫化物毒害而失去活性,必須將硫化物除凈。氣體脫硫方法可分為兩類,一類是干法脫硫,一類是濕法脫硫。干法脫硫設(shè)備簡單,但由于反應(yīng)速率較慢,設(shè)備比較龐大，濕法脫硫可分為物理吸收法、化學(xué)吸收法與直接氧化法三類。甲醇的合成是在高溫、高壓、催化劑存在下進(jìn)行的,是典型的復(fù)合氣-固相催化反應(yīng)過程。隨著甲醇合成催化劑技術(shù)的不斷發(fā)展,目前總的趨勢是由高壓向低、中壓發(fā)展。粗甲醇中存在水分、高級醇、醚、酮等雜質(zhì),需要精制。精制過程包括精餾與化學(xué)處理?；瘜W(xué)處理主要用堿破壞在精餾過程中難以分離的雜質(zhì),并調(diào)節(jié)PH。精餾主要是除去易揮發(fā)組分,如二甲醚、以及難以揮發(fā)的組分,如乙醇高級醇、水等。甲醇生產(chǎn)的總流程長,工藝復(fù)雜,根據(jù)不同原料與不同的凈化方法可以演變?yōu)槎喾N生產(chǎn)流程。下面簡述高壓法、中壓法、低壓法三種方法及區(qū)別（1）高壓法高壓工藝流程一般指的是使用鋅鉻催化劑,在300—400℃,30MPa高溫高壓下合成甲醇的過程。自從1923年第一次用這種方法合成甲醇成功后,差不多有50年的時(shí)間,世界上合成甲醇生產(chǎn)都沿用這種方法,僅在設(shè)計(jì)上有某些細(xì)節(jié)不同,例如甲醇合成塔內(nèi)移熱的方法有冷管型連續(xù)換熱式和冷激型多段換熱式兩大類,反應(yīng)氣體流動的方式有軸向和徑向或者二者兼有的混合型式,有副產(chǎn)蒸汽和不副產(chǎn)蒸汽的流程等。近幾年來,我國開發(fā)了25-27MPa壓力下在銅基催化劑上合成甲醇的技術(shù),出口氣體中甲醇含量4%左右,反應(yīng)溫度230-290℃。（2）中壓法中壓法是在低壓法研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展起來的,由于低壓法操作壓力低,導(dǎo)致設(shè)備體積相當(dāng)龐大,不利于甲醇生產(chǎn)的大型化。因此發(fā)展了壓力為10MPa左右的甲醇合成中壓法。它能更有效地降低建廠費(fèi)用和甲醇生產(chǎn)成本。例如ICI公司研究成功了51-2型銅基催化劑,其化學(xué)組成和活性與低壓合成催化劑51-1型差不多,只是催化劑的晶體結(jié)構(gòu)不相同,制造成本比51-1型高貴。由于這種催化劑在較高壓力下也能維持較長的壽命,從而使ICI公司有可能將原有的5MPa的合成壓力提高到l0MPa,所用合成塔與低壓法相同也是四段冷激式,其流程和設(shè)備與低壓法類似。（3）低壓法ICl低壓甲醇法為英國ICl公司在1966年研究成功的甲醇生產(chǎn)方法。從而打破了甲醇合成的高壓法的壟斷,這是甲醇生產(chǎn)工藝上的一次重大變革,它采用51-1型銅基催化劑,合成壓力5MPa。ICl法所用的合成塔為熱壁多段冷激式,結(jié)構(gòu)簡單,每段催化劑層上部裝有菱形冷激氣分配器,使冷激氣均勻地進(jìn)入催化劑層,用以調(diào)節(jié)塔內(nèi)溫度.低壓法合成塔的型式還有聯(lián)邦德國Lurgi公司的管束型副產(chǎn)蒸汽合成塔及美國電動研究所的三相甲醇合成系統(tǒng)。70年代,我國輕工部四川維尼綸廠從法國Speichim公司引進(jìn)了一套以乙炔尾氣為原料日產(chǎn)300噸低壓甲醇裝置(英國ICI專利技術(shù))。80年代,齊魯石化公司第二化肥廠引進(jìn)了聯(lián)邦德國Lurge公司的低壓甲醇合成裝置。2.3.2工藝流程的確定1、ICI法和Lurgi法的工藝比較：在ICI低壓甲醇臺成工藝中，由于冷激氣的分層加入，在整個(gè)反應(yīng)床層中的溫度呈現(xiàn)較大范圍波動的特點(diǎn)，觸媒初期，床層溫度210℃～240C，后期控制在240℃～270C。具體如圖1所示而且由于用四股冷激氣來控制床層溫度，實(shí)際難于操作，易出現(xiàn)超溫或垮塔現(xiàn)象。Lurgi低壓甲醇臺成工藝中，合成塔為管殼式，管程為反應(yīng)催化床層，反應(yīng)熱被殼程中的水汽化產(chǎn)生中壓蒸汽帶走，生產(chǎn)過程中可通過控制所產(chǎn)中壓蒸汽壓力來調(diào)節(jié)催化床層溫度，反應(yīng)溫度易控制、徑向溫差5C左右，軸向(除反應(yīng)器入口外)幾乎沒有溫差。2、兩種工藝中催化劑使用效果的比較在低壓法合成甲醇工藝中，臺成塔床層溫度及其分布是影響催化劑使用效果的重要外因之一，溫度過高易使催化劑晶粒粗化，活性降低而過早老化，溫度過低則會使催化劑的活性得不到有效的發(fā)揮。ICI低壓甲醇臺成工藝中合成塔床層溫度隨床層高度的變化而不同，催化劑床層溫度波動較大，這特點(diǎn)也就決定了：(1)不同床層高度的催化劑活性不同，催化劑的整體活性不能有效發(fā)揮．催化劑的時(shí)空產(chǎn)率低，經(jīng)濟(jì)效益低；(2)不同床層高度的催化劑老化失活的程度與速度不同，不利于保護(hù)和延長催化劑的使用壽命，催化劑的有效利用率低。而在Lurgi低壓甲醇合成工藝中，由于合成塔整個(gè)催化劑床層溫度平穩(wěn)均勻，并由合成塔殼程的水所產(chǎn)中壓蒸汽來調(diào)節(jié)控制，因而具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)便于整爐催化劑催化作用最大限度的發(fā)揮，時(shí)空產(chǎn)率高，經(jīng)濟(jì)效益好；(2)當(dāng)催化劑使用到中期和后期時(shí)，其活性有所降低，這時(shí)可通過提高合成塔殼程所產(chǎn)中壓蒸汽壓力來適當(dāng)提高反應(yīng)床層溫度，從而提高催化劑的活性，延長催化劑使用壽命。3、出塔氣中甲醇含量和粗甲醇質(zhì)量的比較在ICI低壓甲醇合成工藝中，由于催化劑的催化作用受床層溫度波動的影響和玲激氣分層加入所產(chǎn)生的稀釋效應(yīng)，原料氣的單程轉(zhuǎn)化率低，出塔氣中的甲醇含量只有3～4，而且溫度的波動使得副反應(yīng)增加，粗甲醇質(zhì)量下降。在Iurgi低壓甲醇合成工藝中，由于反應(yīng)溫度平穩(wěn)，催化劑的作用得到很好發(fā)揮，原料氣的單程轉(zhuǎn)化率得以提高，出塔氣甲醇含量一般達(dá)到5～7，而且副反應(yīng)少，粗甲醇質(zhì)量較好。4、兩種工藝動力消耗的比較ICI低壓甲醇臺成工藝中，由于原料氣的單程轉(zhuǎn)化率低，為了有效地利用原料氣及減少馳放氣排放量，這就要求生產(chǎn)中必須有很大的循環(huán)氣量；而Lurgi低壓甲醇合成工藝中，單程轉(zhuǎn)化率較高，要求的循環(huán)氣量就比ICI低壓甲醇臺成工藝少得多，具體比較如下：ICI低壓甲醇合成工藝中循環(huán)氣：新鮮氣=10：1Lurgi低壓甲醇臺成工藝中循環(huán)氣：新鮮氣=5：l由于ICI低壓甲醇合成工藝要求的循環(huán)量比Lurgi低壓甲醇合成工藝多，這就決定了其生產(chǎn)過程中的動力消耗比Lurgi低壓甲醇合成工藝要大；且有關(guān)設(shè)備管道的尺寸也要比Lurgi低壓甲醇合成工藝的大，其一次性投資也要比Lurg~低壓甲醇合成工藝多。通過上述比較得出如下結(jié)論：Lurgi低壓甲醇合成工藝比ICI低壓甲醇合成工藝動力消耗低，生產(chǎn)成本也較低Lurgi低壓甲醇合成工藝比ICI低壓甲醇臺成工藝可更有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量和原料氣的單程轉(zhuǎn)化率。Lurgi低壓甲醇合成工藝還能利用反應(yīng)熱副產(chǎn)中壓蒸汽，能量的利用比ICI低壓甲醇合成工藝更為有效。ICI法最大的特點(diǎn)是合成塔結(jié)構(gòu)簡單，材料沒有特殊要求，設(shè)備易制造；而Lurgi甲醇臺成塔管材采用雙相不銹鋼，加工較復(fù)雜。Lurgi低壓甲醇合成工藝反應(yīng)床層的溫度比ICI低壓甲醇合成工藝的床層溫度更易于控制和調(diào)節(jié)，并且反應(yīng)床層溫度的分布也更臺理，因而催化劑活性高，時(shí)空產(chǎn)率比ICI法高一倍左右.2.3.3合成工序工藝操作條件的確定（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230～240℃，熱點(diǎn)溫度260℃左右；后期，可控制床層零點(diǎn)溫度260～270℃，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-98，由它的性質(zhì)可知：適合使用的溫度范圍為200～290℃。（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℃。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℃，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10Mpa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-CO2）/(CO+CO2)=2.10～2.15，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8000～20000h-1之間。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6000～15000h-1，本設(shè)計(jì)空速定為12000h-1。2.3.4催化劑甲醇催化劑的制備是衡量合成甲醇工業(yè)技術(shù)水平高低的關(guān)鍵技術(shù)之一,甲醇工業(yè)的發(fā)展很大程度上取決于催化劑的研制及其性能改進(jìn)。在甲醇生產(chǎn)中,很多工業(yè)指標(biāo)和操作條件都是由催化劑的性質(zhì)決定的。隨著甲醇工業(yè)的快速發(fā)展,對甲醇合成催化劑的研究開發(fā)提出了更高的要求。國內(nèi)外研究人員都在積極開發(fā)、應(yīng)用新型甲醇合成催化劑,以提高甲醇的產(chǎn)量和質(zhì)量,節(jié)約能源,降低成本。甲醇合成催化劑一般可分為鋅鉻催化劑、銅基催化劑、鈀系催化劑和鉬系催化劑。

下面我們主要研究和探討銅基催化劑:銅基催化劑是一種低溫低壓甲醇合成催化劑,其主要組CuO/ZnO/Al2O3(Cu-Zn-Al),由英國ICI公司和德國Lurgi公司先后研制成功。低(中)壓法銅基催化劑的操作溫度為210℃~300℃,壓力為5MPa-10MPa,比傳統(tǒng)的合成工藝溫度低得多,對甲醇反應(yīng)平衡有利。其特點(diǎn)是:a)活性好,單程轉(zhuǎn)化率為7%-8%;b)選擇性高,大于99%,其雜質(zhì)只有微量的甲烷、二甲醚、甲酸甲酯,易得到高純度的精甲醇;c)耐高溫性差,對硫敏感。目前工業(yè)上甲醇的合成主要使用銅基催化劑。銅基催化劑的失活：催化劑的活性是決定甲醇合成新工藝開發(fā)成功與否的關(guān)鍵因素之一。甲醇生產(chǎn)過程中,常會發(fā)生催化劑中毒、高溫?zé)Y(jié)等現(xiàn)象,這些非正?，F(xiàn)象既縮短了甲醇合成催化劑的使用壽命,又影響了甲醇的質(zhì)量。影響催化劑使用壽命的因素很多,包括熱失活、積炭、中毒失活、污染失活、強(qiáng)度下降等。2.4工藝流程模擬工藝流程模擬如下：2.4.1壓縮由分廠來的凈化合成氣壓力為3.5MPa，溫度為40℃，其CO的摩爾分?jǐn)?shù)含量為0.282，經(jīng)原料氣壓縮機(jī)升壓至7.75MPa，溫度預(yù)熱到64.5℃，然后合成氣與循環(huán)氣相混合進(jìn)入混合器，然后再經(jīng)對流段的合成氣和循環(huán)氣經(jīng)過換熱器加熱到230℃。此過程可簡述為：合成氣經(jīng)合成氣壓縮機(jī)壓縮，與循環(huán)氣混合升壓至7.75MPa后，首先經(jīng)過合成塔進(jìn)出氣換熱器加熱。2.4.2合成加熱后的合成氣與循環(huán)氣進(jìn)入合成塔，合成氣進(jìn)塔溫度為230℃，在此，合成氣進(jìn)行甲醇合成反應(yīng)，放出的熱量用于產(chǎn)生蒸汽。反應(yīng)后的氣體出塔溫度為260℃，甲醇出口濃度為55%左右。出合成塔的高溫氣體熱量用于加熱入塔合成氣，然后經(jīng)水冷至40℃左右，經(jīng)氣液分離器冷凝分離出粗甲醇。不凝的氣體經(jīng)馳放少量惰性氣體后，大部分循環(huán)回合成氣壓縮機(jī)循環(huán)段，與新鮮氣混合再進(jìn)合成塔。弛放氣大部分返回至一段爐作燃料使用。Lurgi反應(yīng)器屬等溫型列管反應(yīng)器，反應(yīng)熱靠管外沸騰的水很快移走，產(chǎn)生飽和蒸汽。該蒸汽降壓后和轉(zhuǎn)化工段產(chǎn)生的飽和蒸汽一起過熱，作為合成壓縮機(jī)驅(qū)動透平的動力，以及汽提塔的汽提蒸汽。2.4.3分離工段在預(yù)分餾塔中，除去粗甲醇中殘留的溶解氣體以及二甲醚為代表的低沸物。塔頂設(shè)置兩級冷凝器，預(yù)餾塔一級冷凝器將出塔器中大部分甲醇冷凝下來，進(jìn)入精餾塔。不凝氣、低沸物及少量甲醇進(jìn)入預(yù)分餾塔二級冷凝器，將絕大部分甲醇冷凝下來進(jìn)入甲醇萃取槽，進(jìn)一步分離出甲醇。預(yù)塔操作壓力0.2MPa，粗甲醇送入預(yù)塔前須加熱到沸點(diǎn)65.0℃，然后在塔內(nèi)分離成塔頂氣和塔底液，塔頂氣主要是含甲醇的輕餾分，塔底再沸器用合成氣加熱保持塔底液在沸騰狀態(tài)。廢液經(jīng)塔底流出，此時(shí)，塔頂甲醇?xì)饪蛇_(dá)99.9%，塔底甲醇含量小于0.008，從而實(shí)現(xiàn)甲醇的精餾。精餾塔塔底污水含甲醇小于0.008。本流程將上述廢水大部分作萃取水循環(huán)用于預(yù)塔，余量則送往轉(zhuǎn)化工段中的汽提塔經(jīng)汽提處理后，作除鹽水回收，從而實(shí)現(xiàn)了甲醇蒸餾過程中廢水的零排放。第三章物料衡算和熱量衡算3.1概述化工過程的物料衡算和熱量衡算，都是利用物理與化學(xué)的基本定律來計(jì)算的。物料衡算的依據(jù)是質(zhì)量守恒定律，熱量衡算的依據(jù)是熱力學(xué)第一定律。對于任何一個(gè)體系或任何一個(gè)化工過程，不論是物理加工過程還是化學(xué)加工過程，也不論是總過程還是單元過程，都采用質(zhì)量守恒定律、熱力學(xué)第一定律來進(jìn)行物料和能量的衡算。通過計(jì)算，從中找出主副產(chǎn)品的生成量，確定原材料的消耗定額，確定各物流的流量、組成和狀態(tài)，確定每一設(shè)備內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)換與能量傳遞的速度。從而為確定最佳操作條件、設(shè)備選型以及設(shè)備尺寸的確定、管路設(shè)施與公用工程的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。3.2物料衡算的意義在化學(xué)工程中，設(shè)計(jì)或改造工藝流程和設(shè)備、了解和控制生產(chǎn)操作過程、核算生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)效益，確定原材料消耗定額，確定生產(chǎn)過程的損耗量，對現(xiàn)有的工藝過程進(jìn)行分析，選擇最有效的工藝路線，對設(shè)備進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)以及確定最佳操作條件等都要進(jìn)行物料衡算。而且，化學(xué)工程的開發(fā)與放大都以物料衡算為基礎(chǔ)的。物料衡算是質(zhì)量守恒定律的一種表現(xiàn)形式，凡引入某一設(shè)備的物料成分、質(zhì)量等于操作后所得產(chǎn)物的成分、質(zhì)量加上損失的物料。3.3物料衡算遵循的原則對一般的體系而言，物料分布均可表示為：∑(物料的累積量)=∑(物料進(jìn)入量)-∑(物料流出量)+∑(反應(yīng)生成量)-∑(反應(yīng)消耗量) 特別地，當(dāng)系統(tǒng)沒有化學(xué)反應(yīng)時(shí)，則可簡化為：∑(物料的累積量)=∑(物料進(jìn)入量)-∑(物料流出量)在穩(wěn)定狀態(tài)下有：∑(物料進(jìn)入量)=∑(物料流出量)3.4物料衡算結(jié)果本項(xiàng)目為混合C4處理項(xiàng)目，將全流程分為DMF法丁二烯抽提工段、MTBE合成與正丁烯聯(lián)產(chǎn)工段兩部分。在工藝流程設(shè)計(jì)中，根據(jù)反應(yīng)進(jìn)程將兩個(gè)工段分別進(jìn)行ASPENPLUS流程模擬，并在此基礎(chǔ)上完成了流程中各操作單元的物料衡算與熱量衡算。3.4.1全段工藝的物料衡算流程圖如下圖圖3-1總流程圖（1）甲醇反應(yīng)器圖3-2甲醇反應(yīng)器物料流股圖項(xiàng)目進(jìn)料出料TemperatureC230260Pressurebar77.577.5VaporFrac11MoleFlowkmol/hr24246.71921434.2MassFlowkg/hr270912.176270912.176VolumeFlowcum/hr13088.08212259.768EnthalpyGcal/hr-366.121-393.142MassFlowkg/hrCO41743.9264029.98CO2166626.793163960.764H235935.31230143.493N219307.44819307.448CH47298.6987322.606CH3OH044749.2H2O01171.875CH3OCH3068.657CH3CH2OH068.657C2H4O2089.496MassFracCO0.1540.015CO20.6150.605H20.1330.111N20.0710.071CH40.0270.027CH3OH00.165H2O00.004CH3OCH300CH3CH2OH00C2H4O200MoleFlowkmol/hrCO1490.301143.874CO23786.1293725.551H217826.11714953.02N2689.22689.22CH4454.953456.443CH3OH01396.573H2O065.049CH3OCH301.49CH3CH2OH01.49C2H4O201.49MoleFracCO0.0610.007CO20.1560.174H20.7350.698N20.0280.032CH40.0190.021CH3OH00.065H2O00.003CH3OCH300CH3CH2OH00C2H4O200表3-1甲醇反應(yīng)器物料流股衡算表分離器的物料衡算圖3-3分離器物料流股圖項(xiàng)目進(jìn)料塔頂出料塔底出料TemperatureC404040Pressurebar72.572.572.5VaporFrac0.92310.096MoleFlowkmol/hr21434.219756.971677.23MassFlowkg/hr270912.18222250.34848661.829VolumeFlowcum/hr7176.2767095.157119.439EnthalpyGcal/hr-442.992-356.21-87.483MassFlowkg/hrCO4029.983989.6840.3CO2163960.76162321.1561639.608H230143.49329842.058301.435N219307.44818921.299386.149CH47322.6067176.154146.452CH3OH44749.2044749.2H2O1171.87501171.875CH3OCH368.657068.657CH3CH2OH68.657068.657C2H4O289.496089.496MassFracCO0.0150.0180.001CO20.6050.730.034H20.1110.1340.006N20.0710.0850.008CH40.0270.0320.003CH3OH0.16500.92H2O0.00400.024CH3OCH3000.001CH3CH2OH000.001C2H4O2000.002MoleFlowkmol/hrCO143.874142.4361.439CO23725.5513688.29637.256H214953.0214803.489149.53N2689.22675.43513.784CH4456.443447.3149.129CH3OH1396.57301396.573H2O65.049065.049CH3OCH31.4901.49CH3CH2OH1.4901.49C2H4O21.4901.49MoleFracCO0.0070.0070.001CO20.1740.1870.022H20.6980.7490.089N20.0320.0340.008CH40.0210.0230.005CH3OH0.06500.833H2O0.00300.039CH3OCH3000.001CH3CH2OH000.001C2H4O2000.001表3-2分離器物料流股衡算表第一精餾塔的物料衡算圖3-4第一精餾塔物料流股圖項(xiàng)目進(jìn)料塔頂出料塔底出料TemperatureC6537.395.6Pressurebar1023VaporFrac010MoleFlowkmol/hr1479.58926.6331452.956MassFlowkg/hr46727.6521059.15845668.495VolumeFlowcum/hr63.264343.77264.675EnthalpyGcal/hr-84.119-1.997-80.828MassFlowkg/hrCO2.8042.8040CO2767.997767.9970H21.5961.5960N225.19625.1960CH422.09222.0920CH3OH44551.14127.65744423.483H2O1170.230.0021170.228CH3OCH333.16933.1690CH3CH2OH68.4940.01168.484C2H4O284.93578.6356.3MassFracCO00.0030CO20.0160.7250H200.0020N20.0010.0240CH400.0210CH3OH0.9530.1210.973H2O0.02500.026CH3OCH30.0010.0310CH3CH2OH0.00100.001C2H4O20.0020.0740MoleFlowkmol/hrCO0.10.10CO217.45117.4510H20.7920.7920N20.8990.8990CH41.3771.3770CH3OH1390.3913.9841386.407H2O64.958064.958CH3OCH30.720.720CH3CH2OH1.48701.487C2H4O21.4141.3090.105MoleFracCO00.0040CO20.0120.6550H20.0010.030N20.0010.0340CH40.0010.0520CH3OH0.940.150.954H2O0.04400.045CH3OCH300.0270CH3CH2OH0.00100.001C2H4O20.0010.0490表3-3第一精餾塔物料流股衡算表（4）第二精餾塔的物料衡算圖3-5第二精餾塔物料流股圖項(xiàng)目進(jìn)料塔頂出料塔底出料TemperatureC95.668.978Pressurebar31.21.22VaporFrac000MoleFlowkmol/hr1452.9561322.19130.766MassFlowkg/hr45668.49542369.0823299.412VolumeFlowcum/hr64.67557.3794.194EnthalpyGcal/hr-80.828-73.839-8.059MassFlowkg/hrCO000CO2000H2000N2000CH4000CH3OH44423.48342356.2012067.282H2O1170.2281.5591168.669CH3OCH3000CH3CH2OH68.4845.02163.462C2H4O26.36.30MassFracCO000CO2000H2000N2000CH4000CH3OH0.97310.627H2O0.02600.354CH3OCH3000CH3CH2OH0.00100.019C2H4O2000MoleFlowkmol/hrCO000CO2000H2000N2000CH4000CH3OH1386.4071321.8964.518H2O64.9580.08764.871CH3OCH3000CH3CH2OH1.4870.1091.378C2H4O20.1050.1050MoleFracCO000CO2000H2000N2000CH4000CH3OH0.95410.493H2O0.04500.496CH3OCH3000CH3CH2OH0.00100.011C2H4O2000表3-4第二精餾塔物料流股衡算表（5）閃蒸罐的物料衡算圖3-6閃蒸罐物料流股圖項(xiàng)目進(jìn)料塔頂出料塔底出料TemperatureC39.538.738.7Pressurebar201010VaporFrac0.1110MoleFlowkmol/hr1677.23197.6411479.589MassFlowkg/hr48661.8291934.17646727.652VolumeFlowcum/hr299.807512.41959.822EnthalpyGcal/hr-87.483-2.357-85.126MassFlowkg/hrCO40.337.4962.804CO21639.608871.611767.997H2301.435299.8391.596N2386.149360.95325.196CH4146.452124.36122.092CH3OH44749.2198.0644551.14H2O1171.8751.6451170.23CH3OCH368.65735.48833.169CH3CH2OH68.6570.16268.494C2H4O289.4964.56184.935MassFracCO0.0010.0190CO20.0340.4510.016H20.0060.1550N20.0080.1870.001CH40.0030.0640CH3OH0.920.1020.953H2O0.0240.0010.025CH3OCH30.0010.0180.001CH3CH2OH0.00100.001C2H4O20.0020.0020.002MoleFlowkmol/hrCO1.4391.3390.1CO237.25619.80517.451H2149.53148.7390.792N213.78412.8850.899CH49.1297.7521.377CH3OH1396.5736.1811390.391H2O65.0490.09164.958CH3OCH31.490.770.72CH3CH2OH1.490.0041.487C2H4O21.490.0761.414MoleFracCO0.0010.0070CO20.0220.10.012H20.0890.7530.001N20.0080.0650.001CH40.0050.0390.001CH3OH0.8330.0310.94H2O0.03900.044CH3OCH30.0010.0040CH3CH2OH0.00100.001C2H4O20.00100.001表3-5閃蒸罐物料流股衡算表3.5熱量衡算3.5.1熱量衡算原則為了使生成保持在適宜的工藝條件下進(jìn)行，必須掌握物料帶入或帶出體系的熱量，控制熱量的供給速率和放熱速率，并且熱量衡算可為提高熱量利用率，降低能耗提供依據(jù)。工程依據(jù)化工設(shè)計(jì)中關(guān)于熱量衡算的基本思想和要求，遵循基本規(guī)范與實(shí)際工藝相結(jié)合的原則，進(jìn)行熱量衡算。它的能量平衡方程為：其中，——表示輸入設(shè)備熱量的總和；——表示輸出設(shè)備熱量的總和；——表示損失熱量的總和。其中，Q——設(shè)備的熱負(fù)荷；W——輸入系統(tǒng)的機(jī)械能；——離開設(shè)備的各物料焓之和；——進(jìn)入設(shè)備的各物料焓之和。在進(jìn)行全廠的能量衡算時(shí)，是以單元設(shè)備為基本單位，考慮由機(jī)械能轉(zhuǎn)換、化學(xué)反應(yīng)釋放和單純的物理變化帶來的熱量變化。最終對全廠工藝進(jìn)行系統(tǒng)級的熱量平衡計(jì)算，進(jìn)而用于指導(dǎo)節(jié)能降耗設(shè)計(jì)工作。3.5.2熱量衡算（1）甲醇反應(yīng)器的熱量衡算圖3-7甲醇反應(yīng)器模擬負(fù)荷圖HeatdutyMMBtu/hr-107.227Q=-107.227MMBtu/hr表3-6甲醇反應(yīng)器負(fù)荷計(jì)算表項(xiàng)目進(jìn)料出料TemperatureC230.000015260.000015Pressurebar77.500001777.5000017VaporFrac11MoleFlowkmol/hr24246.720821434.2017MassFlowkg/hr270912.192270912.192VolumeFlowcum/hr13088.082912259.7687EnthalpyMMBtu/hr-1452.8855-1560.1121∑HMMBtu/hr-1452.8855-1560.1121表3-7甲醇反應(yīng)器能量信息表Q總W總Error-107.2270-1452.8855-1560.11210表3-8能量平衡計(jì)算表（單位：MMBtu/hr）（2）分離器的熱量衡算圖3-8分離器模擬負(fù)荷圖HeatdutyMMBtu/hr-2.78056Q=-2.78056MMBtu/hr表3-9甲醇反應(yīng)器負(fù)荷計(jì)算表項(xiàng)目進(jìn)料塔頂出料塔底出料TemperatureC404040Pressurebar72.572.572.5VaporFrac0.923482710.0956737MoleFlowkmol/hr21434.20119756.97041677.2301MassFlowkg/hr270912.18222250.34848661.829VolumeFlowcum/hr7176.27567095.1571119.43918EnthalpyMMBtu/hr-1757.934-1760.7146∑HMMBtu/hr-1757.934-1760.7146表3-10甲醇反應(yīng)器能量信息表Q總W總Error-2.780560-1757.934-1760.71460表3-11能量平衡計(jì)算表（單位：MMBtu/hr）（3）第一精餾塔的熱量衡算圖3-9第一精餾塔冷凝器模擬負(fù)荷圖圖3-10第一精餾塔再沸器模擬負(fù)荷圖CONDENSERREBOILERHeatdutyMMBtu/hr-5.305510.4432W=-5.3055MMBtu/hrQ=10.4432MMBtu/hr表3-12第一精餾塔負(fù)荷計(jì)算表項(xiàng)目進(jìn)料塔頂出料塔底出料TemperatureC6537.34844495.6480419Pressurebar1023VaporFrac0.000191210MoleFlowkmol/hr1479.5888326.6325991452.95623MassFlowkg/hr46727.65241059.157845668.4947VolumeFlowcum/hr63.2636077343.7717964.6751167EnthalpyMMBtu/hr-333.8128-328.6753∑HMMBtu/hr-333.8128-328.6753表3-13第一精餾塔能量信息表Q總W總Error10.4432-5.3055-333.8128-328.67530．0002表3-14能量平衡計(jì)算表（單位：MMBtu/hr）（4）第二精餾塔的熱量衡算圖3-13第二精餾塔冷凝器模擬負(fù)荷圖圖3-14第二精餾塔再沸器模擬負(fù)荷圖CONDENSERREBOILERHeatdutyMMBtu/hr-218.4144214.1664W=-218.4144MMBtu/hrQ=214.1664MMBtu/hr表3-15第二精餾塔負(fù)荷計(jì)算表項(xiàng)目進(jìn)料塔頂出料塔底出料TemperatureC95.648041968.88247877.9880384Pressurebar31.21.22VaporFrac000MoleFlowkmol/hr1452.956231322.1902130.766061MassFlowkg/hr45668.494742369.0823299.4125VolumeFlowcum/hr64.675116757.3794264.19418724EnthalpyMMBtu/hr-320.7496-324.9976表3-16第二精餾塔能量信息表Q總W總Error214.1664-218.4144-320.7496-324.99760表3-17能量平衡計(jì)算表（單位：MMBtu/hr）（5）閃蒸罐的熱量衡算圖3-15閃蒸罐模擬負(fù)荷圖HeatdutyMMBtu/hr0Q=0MMBtu/hr表3-18閃蒸罐負(fù)荷計(jì)算表項(xiàng)目進(jìn)料塔頂出料塔底出料TemperatureC39.455619538.68177238.681772Pressurebar201010VaporFrac0.1097748410MoleFlowkmol/hr1677.2301197.641271479.5888MassFlowkg/hr48661.82881934.176346727.652VolumeFlowcum/hr299.807239512.4190459.821619EnthalpyMMBtu/hr-347.1708-347.1708表3-19閃蒸罐能量信息表Q總W總Error00-347.1708-347.17080表3-20能量平衡計(jì)算表（單位：MMBtu/hr）第四章設(shè)備設(shè)計(jì)及選型4.1概述化工設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)與選型是在物料衡算和熱量衡算的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。其目的是決定工藝設(shè)備的類型、規(guī)格、主要尺寸和臺數(shù)，為車間布置、施工圖設(shè)計(jì)及公共工程提供足夠的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。甲醇合成反應(yīng)主要采用的是魯奇的工藝，一般采用的是固定床列管式反應(yīng)器和絕熱床反應(yīng)器。此次設(shè)計(jì)用到的主要設(shè)備有：甲醇合成反應(yīng)器、精餾塔、合成氣壓縮機(jī)、泵、換熱器、儲罐等。4.2甲醇合成反應(yīng)器的選擇甲醇合成反應(yīng)主要采用的是魯奇的工藝，一般采用的是固定床列管式反應(yīng)器和絕熱床反應(yīng)器。當(dāng)反應(yīng)熱效應(yīng)不大，管徑較細(xì)，管外用傳熱良好的恒溫流體進(jìn)行控溫時(shí)，反應(yīng)管內(nèi)各處可近似地視作等溫。由于反應(yīng)過程中的熱效應(yīng)不大，不需要強(qiáng)化的傳熱方式。4.2.1列管式反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及空速的計(jì)算a.催化劑的用量為：b.反應(yīng)器的空速:c.管數(shù)N的計(jì)算：d.床層壓降的計(jì)算:4.2.2反應(yīng)器內(nèi)徑、壁厚、外徑的計(jì)算反應(yīng)器的內(nèi)徑：反應(yīng)器的壁厚：反應(yīng)器的外徑：4.2.3反應(yīng)器塔高的計(jì)算其塔高為：4.3壓縮機(jī)的選擇在這里我們選用離心式壓縮機(jī)，離心式壓縮機(jī)相比往復(fù)式壓縮機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)：離心式壓縮機(jī)體積??；離心式壓縮機(jī)流量大，供氣均勻，調(diào)節(jié)方便；離心式壓縮機(jī)內(nèi)易損部件少，可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)且安全可靠；離心式壓縮機(jī)因無潤滑油污染氣體，有利于保護(hù)催化劑，并可以取消往復(fù)式催化劑所需要的油過濾器，簡化了工藝流程。4.3.1選型原則（1）適當(dāng)選擇冷卻介質(zhì)。（2）對于腐蝕性氣體，選擇抗腐蝕材料。（3）對于易燃易爆的介質(zhì)需對密封性具有高可靠性。（4）由工藝要求選擇，確定進(jìn)出口壓力，計(jì)算總壓力比，得到壓縮機(jī)的級數(shù)。4.3.2選型介紹計(jì)算出總的壓縮比為。根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)選擇合適的壓縮機(jī)，根據(jù)排氣壓力、排氣流量以及介質(zhì)的性質(zhì)，本項(xiàng)目選擇了三星系列空氣、天然氣、氮?dú)錃饴?lián)合壓縮機(jī)，型號為SM2000，其規(guī)格如下：容量4109m3/h，排氣壓力15—80bar，功率13-1297kw，冷卻介質(zhì)選擇水冷。尺寸（L×W×H）為10.0x6.5x5.0（m），重量30000kg。4.4閃蒸罐設(shè)計(jì)塔徑計(jì)算計(jì)算公式:由aspenplus計(jì)算可知V=

氣液分離器的選型時(shí)一般考慮能容納50％機(jī)組的充灌量。氣液分離器筒徑計(jì)算公式：4.5精餾塔的選擇在完成了全流程模擬的基礎(chǔ)之上，我們得到了塔設(shè)備設(shè)計(jì)所需要的最基本的數(shù)據(jù)?；谶@些數(shù)據(jù)，在滿足工藝要求的條件下，充分考慮到設(shè)備的固定投資費(fèi)用及操作費(fèi)用，我們進(jìn)行了塔設(shè)備的選型、設(shè)計(jì)和校核等等工作。設(shè)計(jì)主要包括工藝參數(shù)設(shè)計(jì)、基本參數(shù)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)。工藝參數(shù)設(shè)計(jì)對該塔的生產(chǎn)能力、分離效果、物料和能量等操作參數(shù)作了設(shè)計(jì)，基本參數(shù)設(shè)計(jì)則完成了塔尺寸、塔壁厚、塔板形式及開孔形式等的設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)則完成了塔設(shè)備的封頭、開口、地基等等的設(shè)計(jì)，同時(shí)完成了機(jī)械性能的校核。明。詳細(xì)的設(shè)備裝配圖見工藝設(shè)計(jì)施工圖。精餾塔的設(shè)計(jì)牽涉到眾多的參數(shù)：產(chǎn)品組成、產(chǎn)品的流量、操作壓力、塔板數(shù)、進(jìn)料位置、回流比、再沸器熱負(fù)荷、冷凝器冷卻負(fù)荷、塔徑、塔高。4.5.1精餾段塔徑的計(jì)算工業(yè)用的精餾塔類型主要有填料塔和板式塔。兩種類型的塔器各有特點(diǎn)：不同任務(wù)，操作條件，介質(zhì)性質(zhì)情況下，選擇合適的精餾塔能夠充分發(fā)揮塔的作用，既能保證安全穩(wěn)定生產(chǎn)，又能降低生產(chǎn)成本，下表列出了填料塔和板式塔的使用特點(diǎn)。表4-1項(xiàng)目塔型填料塔板式塔壓降小尺寸填料，壓降較大，而大尺寸填料及規(guī)整填料，則壓降較小較大空塔氣速小尺寸填料氣速較小，而大尺寸填料及規(guī)整填料則氣速可較大較大塔效率傳統(tǒng)的填料，效率較低，而新型亂堆及規(guī)整填料則塔效率較高較穩(wěn)定，效率高液氣比對液體量有一定要求適用范圍較大扶持量較小較大材質(zhì)金屬及非金屬材料均可一般用金屬材料安裝，檢修較難較容易造價(jià)新型填料，投資較大大直徑塔時(shí)