(完整版)年產(chǎn)30萬(wàn)噸甲醇工藝設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)年產(chǎn)30萬(wàn)噸甲醇工藝設(shè)計(jì)ProcessDesignof300ktaMethanolSynthesisSection目錄摘要 IAbstract II引言 1第一章概述 21.1甲醇的概述 21.1.1理化性質(zhì) 21.1.2制法 21.1.3用途 31.2由CO和H2合成甲醇 31.2.1高壓法 31.2.2低壓法 31.2.3中壓法 51.3甲醇生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 5第二章工藝流程設(shè)計(jì) 62.1甲醇合成 62.1.1反應(yīng)方程式 62.1.2合成法反應(yīng)機(jī)理 62.1.3甲醇合成塔的選擇 82.1.4催化劑的選用 102.1.5合成工序工藝操作條件的論證與確定 122.1.6低壓Lurgi甲醇合成工藝 13第三章生產(chǎn)工藝計(jì)算 153.1甲醇生產(chǎn)的物料平衡計(jì)算 153.1.1合成工段物料衡算 153.2甲醇生產(chǎn)的能量平衡計(jì)算 203.2.1合成工段能量衡算 203.2.2冷凝器能量計(jì)算 22第四章主要設(shè)備計(jì)算及選型 254.1合成系統(tǒng)主要設(shè)備的計(jì)算及選型 254.1.1甲醇合成塔的設(shè)計(jì) 254.1.2水冷器的工藝設(shè)計(jì) 294.1.3甲醇分離器 324.1.4循環(huán)壓縮機(jī)的選型 324.2控制儀表的選擇 32結(jié)論 33致謝 34參考文獻(xiàn) 35附錄 36年產(chǎn)30萬(wàn)噸甲醇合成工段工藝設(shè)計(jì)摘要：甲醇是一種極重要的有機(jī)化工原料，也是一種燃料，是碳化學(xué)的基礎(chǔ)產(chǎn)品，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位。近年來(lái)，隨著甲醇下游產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，特別是甲醇燃料的推廣應(yīng)用，甲醇的需求大幅度上升。因此開(kāi)展了此年產(chǎn)30萬(wàn)噸的甲醇項(xiàng)目。對(duì)目前現(xiàn)有的各種生產(chǎn)工藝進(jìn)行對(duì)比分析，確定選用低壓Lurgi工藝獲得粗甲醇。根據(jù)所掌握的知識(shí)對(duì)甲醇合成工段進(jìn)行了物料衡算、能量衡算、主要設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算及相關(guān)附屬設(shè)備的選型及計(jì)算，合成甲醇所選的反應(yīng)器是列管式的甲醇合成塔，并做出了帶控制點(diǎn)的工藝流程圖和合成塔設(shè)備圖。關(guān)鍵詞：甲醇；合成；工藝設(shè)計(jì)ProcessDesignof300ktaMethanolSynthesisSectionAbstract:Methanolisarawmaterialwhichisextremelyimportantfororganicchemicalindustry,anditcanbeusedasfurnaceoil.Methanolisalsothebasicproductsofthecarbonchemistryanditisveryimportantinnationaleconomy.Inrecentyears,thedemandforthemethanolrisesbyalargemarginwiththedevelopmentoftheproductswhicharemadefrommethanol,especiallytheapplicationandpopularizationofthemethanolpetrol.Thereforecarriedouttheannualoutputof300000tonsofmethanolproject.Thecomparativeanalysisoftheexistingproductionprocess,determinetheselectionoflowvoltageLurgiprocesstoobtaincrudemethanol.Accordingtotheknowledgeofmethanolsynthesissectionofmaterialbalance,.Processforthemainequipmentsynthesistowercalculationandselection,theselectedsyntheticmethanolreactorisshellandtubetypeofmethanolsynthesistower,alsomaketheprocessflowchartwithcontrolpointsandsynthetictowerequipmentdiagram.Keywords:methanol;synthesis;processdesign引言甲醇最早是由木材和木質(zhì)素干餾制得俗稱“木醇”，其分子式為CH3OH，是重要的有機(jī)化工原料之一，是碳化學(xué)、有機(jī)及精細(xì)化工的基礎(chǔ)原料，又是優(yōu)質(zhì)的能源載體。長(zhǎng)期以來(lái)，甲醇除少量直接用于溶劑外，人們一直把甲醇作為農(nóng)藥、染料、醫(yī)藥等工業(yè)的原料。盡管國(guó)內(nèi)甲醇的傳統(tǒng)消費(fèi)領(lǐng)域如甲醛、醋酸等行業(yè)受房地產(chǎn)調(diào)控政策等因素影響，產(chǎn)量增速有所放緩，但新興應(yīng)用領(lǐng)域如甲醇燃料、甲醇制烯烴等行業(yè)在石油供需缺口下迅速發(fā)展。近十年來(lái)，我國(guó)的甲醇工業(yè)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在原料路線、生產(chǎn)規(guī)模、節(jié)能降耗、過(guò)程控制與優(yōu)化、產(chǎn)品市場(chǎng)與其他化工產(chǎn)品聯(lián)合生產(chǎn)等方面都有了新的突破與進(jìn)展。尤其我國(guó)是煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，除了用煤直接氣化生產(chǎn)甲醇外，由于煉焦工業(yè)采用潔凈工藝和綜合利用，焦?fàn)t煤氣將成為我國(guó)甲醇生產(chǎn)的新原料。據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)的甲醇制烯烴企業(yè)共四家，包括神華包頭60萬(wàn)噸烯烴裝置、神華寧煤50萬(wàn)噸烯烴裝置、大唐46萬(wàn)噸烯烴裝置以及中原石化60萬(wàn)噸烯烴裝置。2012年上半年數(shù)據(jù)顯示，甲醇制烯烴產(chǎn)量約60萬(wàn)噸，應(yīng)用甲醇167.7萬(wàn)噸，僅2012年上半年神華包頭煤制烯烴項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)銷售收入31億元、利潤(rùn)6億元，取得較好的效益[1]。而甲醇燃料的推廣應(yīng)用，更會(huì)使甲醇的需求市場(chǎng)進(jìn)一步擴(kuò)張。2009年5月，《車用燃料甲醇》及《車用甲醇汽油（M85）》兩個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布，標(biāo)志著以甲醇為基礎(chǔ)調(diào)配大比例M85甲醇汽油的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。因此，甲醇在化學(xué)工業(yè)中的作用必將越來(lái)越重要。第一章概述1.1甲醇的概述1.1.1理化性質(zhì)甲醇是一種無(wú)色、透明、易燃、易揮發(fā)的有毒液體，常溫下對(duì)金屬無(wú)腐蝕性（鉛、鋁除外），略有酒精氣味。分子量32.04，相對(duì)密度0.792(204℃)，熔點(diǎn)-97.8℃，沸點(diǎn)64.5℃，燃燒熱725.76kJmol，閃點(diǎn)12.22℃，自燃點(diǎn)463.89℃，蒸氣密度1.11，蒸氣壓13.33kPa(100mmHg21.2℃)，蒸氣與空氣混合物爆炸極限6～36.5%（體積比），能與水、乙醇、乙醚、苯、酮、鹵代烴和許多其他有機(jī)溶劑相混溶，但是不與石油醚混溶，遇熱、明火或氧化劑易燃燒[5]。1.1.2制法1661年英國(guó)波義耳（Boyle）首先在木材干餾的液體產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)了甲醇，木材干餾成為工業(yè)上制取甲醇最古老的方法。1834年，杜馬（Dumas）和彼利哥（Peligot）制得了甲醇純品。1857年法國(guó)伯特格（Berthelot）用一氯甲烷水解制得甲醇。合成甲醇的工業(yè)生產(chǎn)始于1923年。德國(guó)巴登苯胺純堿（BASF）公司首先建成以一氧化碳和氫為原料、年產(chǎn)300t甲醇的高壓合成法裝置，從20世紀(jì)20年代至60年代中期，所有甲醇生產(chǎn)裝置均采用高壓法，即操作壓力為30～35MPa，采用鋅鉻催化劑。1966年，英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工業(yè)（ICI）公司研制成功銅基催化劑，并開(kāi)發(fā)了低壓合成甲醇工藝，即ICl工藝。20世紀(jì)70年代中期以后，世界上新建和擴(kuò)建的甲醇裝置幾乎都采用低壓法[1]。合成甲醇可以固體（如煤、焦炭）液體（如原油、重油、輕油）或氣體（如天然氣及其他可燃性氣體）為原料，經(jīng)造氣凈化（脫硫）變換，除去二氧化碳，配制成一定的合成氣（一氧化碳和氫）。在不同的催化劑存在下，選用不同的工藝條件。單產(chǎn)甲醇（分高壓法低壓和中壓法），或與合成氨聯(lián)產(chǎn)甲醇（聯(lián)醇法）。將合成后的粗甲醇，經(jīng)預(yù)精餾脫除甲醚，精餾而得成品甲醇。高壓法為BASF最先實(shí)現(xiàn)工業(yè)合成的方法，但因其能耗大，加工復(fù)雜，材質(zhì)要求苛刻，產(chǎn)品中副產(chǎn)物多，今后將由ICI低壓和中壓法及Lurgi低壓和中壓法取代。1.1.3用途甲醇用途廣泛，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(lái)制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲酯等多種有機(jī)產(chǎn)品，也是農(nóng)藥、醫(yī)藥的重要原料之一。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[5]。1.2由CO和H2合成甲醇甲醇合成反應(yīng)是可逆的強(qiáng)放熱反應(yīng)，受熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)控制，通常在單程反應(yīng)器中，CO和CO2的單程轉(zhuǎn)化率比較低，需要把未反應(yīng)的CO、CO2和H2與甲醇分離，然后通過(guò)循環(huán)壓縮機(jī)再壓縮到反應(yīng)器中進(jìn)一步反應(yīng)。為確保反應(yīng)器出口氣體中有較高的甲醇含量，一般采用較高的反應(yīng)壓力。根據(jù)合成過(guò)程所采用壓力的不同，可分為高壓法、中壓法和低壓法。圖1.1甲醇合成流程圖1.2.1高壓法CO和H2在高溫（340～420℃）高壓（30.0～50.0MPa）下，用鋅—鉻氧化物作催化劑合成甲醇。高壓法是最早的甲醇合成工藝流程，此法的特點(diǎn)是技術(shù)成熟，但投資及生產(chǎn)成本較高。1.2.2低壓法以CO和H2為原料在低壓（5.0MPa）和相對(duì)較低溫度（275℃左右）下，采用銅基催化劑合成甲醇。目前，低壓法甲醇合成技術(shù)主要是英國(guó)I.C.I低壓法和德國(guó)Lurgi低壓法。此外，還有美國(guó)電動(dòng)研究所的三相甲醇合成技術(shù)，三相甲醇合成技術(shù)雖已研究成功，但尚未進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。（1）I.C.I低壓法1966年，英國(guó)I.C.I公司在成功地開(kāi)發(fā)了銅基低壓甲醇合成催化劑之后，建立了世界上第一個(gè)低壓法甲醇合成工廠，即英國(guó)Teesside地區(qū)Billingham工廠。該廠以石腦油為原料，日產(chǎn)甲醇300t。到1970年，最多日產(chǎn)量能達(dá)到700t。催化劑使用壽命可達(dá)4年以上。由于低壓法合成的粗甲醇雜質(zhì)含量比高壓法得到的粗甲醇雜質(zhì)含量低得多，凈化比較容易，利用雙塔精餾系統(tǒng)便可以得到純度為99.85％的精制產(chǎn)品甲醇。煤炭氣化煤氣合成甲醇與以石腦油、天然氣、重油為原料合成甲醇的合成工藝是相同的，區(qū)別在于它們制備甲醇原料氣的方法和工序不同[2]。（2）Lurgi低壓法20世紀(jì)60年代末，德國(guó)Lurgi公司在UnionKraftstoffWesseling工廠建立了一套年產(chǎn)4000t的低壓法甲醇合成示范裝置。在取得必要的數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)后，于1979年底，Lurgi公司建立了3套總產(chǎn)量超過(guò)30萬(wàn)噸每年的工業(yè)裝置。Lurgi低壓法甲醇合成工藝與I.C.I低壓工藝的主要區(qū)別在于合成塔的設(shè)計(jì)，該工藝采用管殼型合成塔，催化劑裝填在管內(nèi)，反應(yīng)熱由管間的沸騰水移走并副產(chǎn)中壓蒸汽。Lurgi低壓法甲醇合成工業(yè)化后，很快得到廣泛應(yīng)用。Lurgi低壓法合成甲醇的主要特點(diǎn)如下。=1\*GB3①采用管殼式合成塔。這種合成塔溫度容易控制，同時(shí)，由于換熱方式好，催化劑床層溫度分布均勻，可以防止銅基催化劑過(guò)熱，可延長(zhǎng)催化劑壽命，且副反應(yīng)大大減少，允許含CO高的新鮮氣進(jìn)入合成系統(tǒng)，因而單程氣體轉(zhuǎn)化率高，出口反應(yīng)氣體含甲醇7％左右，循環(huán)氣量較少，設(shè)備、管道尺寸小，動(dòng)力消耗低。=2\*GB3②無(wú)需專設(shè)開(kāi)工加熱爐，開(kāi)車方便，開(kāi)工時(shí)直接將蒸汽送入甲醇合成塔將催化劑加熱升溫。=3\*GB3③合成塔可以副產(chǎn)中壓蒸汽，非常合理地利用了反應(yīng)熱。=4\*GB3④Lurgi低壓法合成甲醇投資和操作費(fèi)用低，操作簡(jiǎn)便，不足之處是合成塔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材質(zhì)要求高，裝填催化劑不方便[3]。目前，低壓法甲醇技術(shù)主要是英國(guó)I.C.I法和德國(guó)Lurgi法，這兩種方法的工藝技術(shù)見(jiàn)下表。表1.1I.C.I法和Lurgi法制甲醇工藝技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目I.C.I法Lurgi法合成壓力MPa55合成反應(yīng)溫度℃230~70225~250催化劑成分Cu-Zn-AlCu-Zn-Al-V空時(shí)產(chǎn)率[tm3·h]0.330.65進(jìn)塔氣中CO含量％<9<12出塔氣中CH3OH含量％3~45~6循環(huán)氣：新鮮氣10:15:1合成反應(yīng)熱的利用不副產(chǎn)中壓蒸汽副產(chǎn)中壓蒸汽合成塔形式冷激型管束型設(shè)備尺寸設(shè)備較大設(shè)備緊湊合成開(kāi)工設(shè)備要設(shè)加熱爐不設(shè)加熱爐綜上所述，本設(shè)計(jì)將采用Lurgi低壓法合成甲醇。1.2.3中壓法為彌補(bǔ)低壓法產(chǎn)量低體積大的情況，出現(xiàn)了中壓法合成甲醇的工藝流程，它是在低壓法基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的在10MPa左右壓力下合成甲醇的方法。1.3甲醇生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外甲醇生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展有以下幾個(gè)趨向：（1）原料路線多樣化。（2）生產(chǎn)規(guī)模大型化。（3）合成壓力從高壓轉(zhuǎn)為低壓。（4）多采用銅基催化劑。（5）節(jié)能降耗，充分利用余熱，降低能耗。（6）過(guò)程控制自動(dòng)化。（7）聯(lián)合生產(chǎn)普遍化[4]。第二章工藝流程設(shè)計(jì)2.1甲醇合成甲醇合成的典型工藝主要是：低壓工藝（I.C.I工藝、Lurgi工藝）、中壓工藝、高壓工藝。甲醇合成工藝中最重要的工序是甲醇的合成，關(guān)鍵技術(shù)是催化劑和反應(yīng)器，本設(shè)計(jì)采用的是低壓Lurgi合成工藝。2.1.1反應(yīng)方程式合成工段，5MPa下發(fā)生一系列反應(yīng)主反應(yīng):CO+H2→CH3OH+102.37kJkmol(2-1)副反應(yīng):2CO+4H2→(CH3)2O+H2O+200.3kJkmol(2-2)CO+3H2→CH4+H2O+115.69kJkmol(2-3)4CO+8H2→C4H9OH+3H2O+49.62kJkmol(2-4)CO2+H2→CO+H2O-42.92kJkmol(2-5)2.1.2合成法反應(yīng)機(jī)理（1）反應(yīng)機(jī)理本反應(yīng)采用銅基催化劑，5MPa、250℃左右反應(yīng)，清華大學(xué)高森泉、朱起明等認(rèn)為其機(jī)理為吸附理論，反應(yīng)模式為：H2+2·→2H·(2-6)CO+H·→HCO·(2-7)HCO·+H·→H2CO‥(2-8)H2CO‥+2H·→CH3OH+3·(2-9)CH3OH·→CH3OH+·(2-10)反應(yīng)為（2-6）（2-7）控制，即吸附控制。由CO加H2合成甲醇是一個(gè)可逆反應(yīng)：CO+2H2?CH3OH(氣)(2-11)該反應(yīng)在不同溫度下的反應(yīng)焓列為下表表2.1一氧化碳加氫不同溫度下的反應(yīng)焓溫度K298373473573673773△H90.893.79799.3101.2102.5圖2.1反應(yīng)熱與壓力的關(guān)系從圖表[15]中可以看出，反應(yīng)熱的變化比較大。在高壓低溫時(shí)反應(yīng)放熱比較大，而且，當(dāng)反應(yīng)低于200℃時(shí)，反應(yīng)熱隨壓力變化的幅度大于反應(yīng)溫度高時(shí)，低于300℃的等溫線斜率比大于等于300℃的等溫線斜率大。所以在低于300℃條件下的操作比在高溫條件下的要求嚴(yán)格，溫度和壓力的波動(dòng)有時(shí)候容易失控。（2）平衡常數(shù)由一氧化碳加氫合成甲醇的平衡常數(shù)Kf與標(biāo)準(zhǔn)自由焓△Gθ的關(guān)系如下表示：Kf=exp(-△GθRT)其中△Gθ為標(biāo)準(zhǔn)自由焓、T為反應(yīng)溫度。由上式可以看出平衡常數(shù)Kf只是溫度的函數(shù)，當(dāng)反應(yīng)溫度一定，可以由△Gθ值直接求出Kf值。不同溫度的△Gθ與Kf關(guān)系如下表表2.2不同溫度的△Gθ與Kf溫度K△GθKf溫度K△GθKf273-29917527450623519064.458×10-5373-736710.84673639581.091×10-5473161661.629×10-2723759673.625×10-6523279251.695×10-3773880021.134×10-6573398922.316×10-4由表2.2可以看出，隨著溫度的升高，△Gθ增大，Kf變小，這就說(shuō)明在低溫下反應(yīng)對(duì)甲醇合成有用。對(duì)反應(yīng)有QUOTE(2-12)式中QUOTE、QUOTE、QUOTE分別是CH3OH、CO及H2的分壓。QUOTE(2-13)式中QUOTE、QUOTE、QUOTE分別是CH3OH、CO及H2的摩爾分率。QUOTE(2-14)式中QUOTE、QUOTE、QUOTE分別是CH3OH、CO及H2的逸度。甲醇合成反應(yīng)的平衡常數(shù)參照下表。表2.3甲醇合成反應(yīng)的平衡常數(shù)表溫度℃壓力MPa20010.00.521.041.050.4534.21×10-24.201.909×10-220.00.341.091.080.2926.53×10-22630.00.261.151.130.11710.8×10-29740.00.221.291.180.13014.67×10-223430010.00.761.041.040.6763.58×10-43.582.42×10-420.00.601.081.070.4864.97×10-419.930.00.471.131.110.3387.15×10-464.440.00.401.201.150.2529.60×10-4153.640010.00.881.041.040.7821.378×10-50.141.079×10-520.00.771.081.070.6251.726×10-50.6930.00.681.121.100.5022.075×10-51.8740.00.621.191.140.4002.695×10-54.18從表2.3中可以看出不同溫度下的平衡常數(shù)值，以及不同壓力下的和值，由表中數(shù)據(jù)可以看出在同溫度下，壓力越大值越大，及甲醇平衡產(chǎn)率越高。在同壓力下，溫度越高值越小。所以從熱力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，低溫高壓對(duì)甲醇合成有利。若反應(yīng)溫度高，則必須采用高壓，才能有足夠大的QUOTE值。降低反應(yīng)溫度，則所需的壓力就可相應(yīng)地降低。但是實(shí)際上還要考慮催化劑的活性催化劑的活性溫度及耐熱程度。2.1.3甲醇合成塔的選擇甲醇合成系統(tǒng)中最重要的設(shè)備是甲醇合成反應(yīng)器。從操作結(jié)構(gòu)、材料及維修等方面考慮。目前國(guó)內(nèi)外的大型甲醇合成塔塔型較多，歸納起來(lái)大致可分為以下五種：（1）冷激式合成塔它是最早的低壓甲醇合成塔，是通過(guò)進(jìn)塔冷氣冷激來(lái)帶走反應(yīng)熱。該塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，也適用于大型化。但碳的轉(zhuǎn)化率較低，出塔的甲醇濃度也比較低，循環(huán)量大，能耗高，又不能副產(chǎn)蒸汽，現(xiàn)在已經(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)置足夠大換熱面積的冷氣管，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型冷管。如1984年I.C.I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(guó)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。目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)2.5Mpa—4.0MPa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，催化劑在管內(nèi)，管間是沸騰水，將反應(yīng)熱用于副產(chǎn)3.0MPa～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(jí)合成塔，三菱公司的套管超級(jí)合成塔是在列管內(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(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。固定管板列管合成塔雖然可用于大型化，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)。管板處的催化劑屬于絕熱段，管板下面還有一段逆?zhèn)鳠岫?，也就是進(jìn)塔氣225℃，管外的沸騰水卻是248℃，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(lái)。目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(duì)甲醇合成的特點(diǎn)采用四床（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(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。合成塔選用一般原則：反應(yīng)能在接近最佳溫度曲線條件下進(jìn)行，床層阻力小，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，裝置投資低等。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），本設(shè)計(jì)選用固定管板列管合成塔（Lurgi公司）。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，雖設(shè)備較復(fù)雜、投資較高，但由于這種塔在國(guó)內(nèi)外使用較多，具有豐富的管理及維修經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)也容易得到，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938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)采用了Lurgi公司的固定管板列管合成塔[5]。2.1.4催化劑的選用（1）甲醇合成催化劑經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究開(kāi)發(fā)和工業(yè)實(shí)踐，廣泛使用的甲醇合成催化劑主要有兩大類型：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。而隨著脫硫技術(shù)的發(fā)展，使用銅基催化劑已成為甲醇合成的主要方向，鋅基催化劑已于80年代中期基本淘汰。表2.4國(guó)內(nèi)外常用銅基催化劑特性對(duì)比催化劑型號(hào)組分％操作條件CuOZnOAl2O3壓力MPa溫度℃英國(guó)ICI51-36030107.8～11.8190～270德國(guó)LG104513244.9210～240美國(guó)C79-21.5～11.7220～230丹麥LMK4010-9.8220～270中國(guó)C302系列513245.0～10.0210～280中國(guó)XNC-98522085.0～10.0200～290從表2.4的對(duì)比可以看出，國(guó)產(chǎn)催化劑的銅含量已在50％以上。制備工藝合理，催化劑活性、選擇性、使用壽命及機(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）XNC-98甲醇合成催化劑簡(jiǎn)介XNC-98型催化劑是四川天一科技股份有限公司研制開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品。目前已經(jīng)在國(guó)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、高選擇性的新型催化劑。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)。常用操作溫度為200～290℃，操作壓力5.0～10.0Mpa[6]。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：1.3～1.5㎏L外形尺寸：5×（4.5～5）mm徑向抗壓強(qiáng)度：≥200N㎝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：230℃時(shí)，催化劑的空時(shí)收率≥1.2㎏（L.得：n=A（3.14×d×L）=5067（3.14×9×0.027）=6641其中因要安排拉桿需要減少12根，實(shí)際管數(shù)為6629根。（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×n0.5=1.1×66290.5=89.56L=125mm所以：Di=40×（89.56-1）+2×125=3792.mm圓整后取為3800mm（5）合成塔殼體厚度的確定殼體材料選用13MnNiMoNbR鋼，計(jì)算壁后的公式為：S=PcDi（2[σ]tФ-Pc）式中：Pc=5.14Mpa；Di=3800mm；Ф=0.85[σ]t=190Mpa（取殼體溫度為50℃）S=3800×5.14（2×190×0.85-5.14）=61.45mm查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》[18]書(shū)可知：取C2=1mm；C1=0.25mm，原整后取S=65mm（6）合成塔封頭的確定上下封頭均采用半球形封頭，材質(zhì)選用和筒體相同。封頭內(nèi)徑為3800mm由封頭厚度計(jì)算公式： QUOTE式中：Pc=QUOTE5.14MPa；Di=QUOTE3800mm；Ф=QUOTE0.85[σ]t=190MPa（取殼體溫度為50℃）S=3800×5.14（4×190×0.85-5.14）=30.5mm查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》[18]書(shū)可知：取C2=1mm；C1=0.25mm，圓整后取S=32mm，考慮到與筒體的更好結(jié)合以及設(shè)備的耐用性取S=65mm，所以封頭為DN3800×65。（7）管子拉脫力的計(jì)算=1\*GB3①在操作壓力下，每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力式中：f=0.866a2-（3.144）×d0QUOTE=0.866×402-（3.144）×322=581.76P=5.14MPaL=100mm表4.1計(jì)算管子拉脫力的相關(guān)參數(shù)項(xiàng)目管子殼體材質(zhì)00Cr18Ni5Mo3Si213MnNiMoNbRa(1℃)17.42×10-612.25×10-6EMPa0.180×1060.186×106尺寸Ф32×2.5×9000Ф3800×65管子數(shù)6629管間距mm40管殼壁溫差℃10管子與管壁連接方式開(kāi)槽脹接脹接長(zhǎng)度L=100QUOTEQUOTE=2\*GB3②溫差應(yīng)力導(dǎo)致的每平方米脹接周邊上的拉脫力式中：QUOTEQUOTEQUOTEQUOTEQUOTE已知QUOTETt、Ts分別為管壁溫度和殼壁溫度；pt為管程壓力4.9Mpa；ps為殼程壓力0.74MPa，可知qt與qp的作用力同向，則合拉力q=0.55<[q]QUOTE，因此，拉脫力在許用范圍內(nèi)。（8）折流板的確定折流板為弓形，QUOTEQUOTE根，其中安排拉桿需要減少4根，實(shí)際管數(shù)為2409根。（3）管子的排列方式，管間距的確定設(shè)計(jì)采用正三角形排列，取管間距為。（4）殼體直徑的確定殼體直徑:QUOTE式中：QUOTE—換熱器內(nèi)徑，mm；b—正六角形對(duì)角線上的管子數(shù)查有關(guān)表取為29；L—最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離，取L=2d0QUOTE；所以：QUOTE（5）殼體厚度的計(jì)算殼體材料選用20R鋼，計(jì)算壁后的公式為：S=PcDi（2[σ]tФ-Pc）式中：PcQUOTE——計(jì)算壓力，取PcQUOTE為4.9×1.1=5.39Mpa；Di=1000mm；Ф=0.85；[σ]t=132Mpa（取殼體溫度為50℃）S=1000×5.39（2×132×0.85-5.39）=24.61mm取C2=1mm，C1=1mm，原整后取S=28mm。（6）換熱器封頭的確定上下封頭均采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，封頭為DN1000×28。材料選用20R鋼。（7）容器法蘭的選擇焊法蘭。（8）管子拉脫力的計(jì)算=1\*GB3①在操作壓力下，每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力式中：f=0.866a2-（3.144）×d0QUOTE=0.866×322-（3.144）×252=396QUOTEP=0.74L=50表4.3水冷器管子拉脫力計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)項(xiàng)目管子殼體材質(zhì)20鋼20R鋼a(1℃)11.8×10-611.8×10-6EMPa0.21×1060.21×106尺寸Ф25×2.5×6000Ф700×20管子數(shù)2409管間距mm32管殼壁溫差℃18管子與管壁連接方式開(kāi)槽脹接脹接長(zhǎng)度L=50QUOTEQUOTE=2\*GB3②溫差應(yīng)力導(dǎo)致的每平方米脹接周邊上的拉脫力式中：QUOTEQUOTEQUOTEQUOTEQUOTE已知：QUOTETt、TsQUOTE分別為管壁溫度和殼壁溫度；pt為管程壓力4.9MPa；psQUOTE為殼程壓力0.74MPa，所以可知與QUOTE的作用力同向，則合拉力q=0.755＜[q]=4.0Mpa，因此，拉脫力在許用范圍內(nèi)。（9）折流板的設(shè)計(jì)折流板為弓形，，折流板間距取400mm；最小厚度為10mm。材料為Q235-A鋼；拉桿選用Ф12，共四根，材料為Q235-AF鋼。（10）開(kāi)空補(bǔ)強(qiáng)換熱器封頭和殼體上的接管都需要補(bǔ)強(qiáng)，在開(kāi)空外面焊接上一塊與容器壁材料和厚度都相同的，即20mm厚的20R鋼板。（11）支座表4.4水冷器設(shè)計(jì)匯總塔件項(xiàng)目尺寸筒體內(nèi)徑(mm)1000壁厚(mm)28封頭半徑(mm)1000壁厚(mm)28拉桿尺寸(mm)Ф25數(shù)目4列管數(shù)目2409管長(zhǎng)6000尺寸(mm)Ф25×2.5折流板數(shù)目5高度(mm)750間距(mm)15004.1.3甲醇分離器甲醇分離器的作用是分離經(jīng)過(guò)水冷凝器以后循環(huán)氣中冷凝的液體甲醇，它由外筒和內(nèi)件兩大部分組成，還有附