年產(chǎn)15萬噸甲醇工藝設(shè)計(jì)

年產(chǎn)15萬噸甲醇工藝設(shè)計(jì)WithanAnnualProductionCapacityof150ThousandTonsofMethanolProcessDesign年產(chǎn)15萬噸甲醇工藝設(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，是碳一化學(xué)的根底產(chǎn)品，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位。近年來，隨著甲醇下屬產(chǎn)品的開發(fā)，特別是甲醇燃料的推廣應(yīng)用[1]，甲醇的需求大幅度上升。為了滿足經(jīng)濟(jì)開展對(duì)甲醇的需求，開展了此15萬t/a的甲醇工程。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是進(jìn)行物料衡算、熱量衡算和主要設(shè)備的計(jì)算。本設(shè)計(jì)采用低壓下利用Lurgi工藝合成甲醇;三塔精餾工藝精制甲醇，并對(duì)常壓精餾塔進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出塔徑為1600mm、填料層高度為17800mm、塔高為25640mm的填料精餾塔;此外嚴(yán)格控制三廢的排放，充分利用廢熱，降低能耗，保證人員平安與衛(wèi)生。關(guān)鍵詞:工藝流程；甲醇合成；氣體精餾WithanAnnualProductionCapacityof150ThousandTonsofMethanolProcessDesignAbstract:Methanolisakindofveryimportantorganicrawmaterials,alsoakindoffuelandthebasisofchemicalsproducts.Methanoloccupiesanimportantpositioninnationaleconomy.Withthedevelopmentofmethanolaffiliateproducts,especiallytheapplicationofmethanolfuel[1],thedemandofmethanolisrisingsparkly.Inordertomeettheneedofeconomicdevelopmentofmethanol,wecarryouttheprojectof150thousandt/amethanol.Themaincontentofdesignarematerialbalance,energybalanceandthedesignofmainequipment.TheLurgritechniqueisusedforsynthesizingmethanol;Methanolisrefinedbythreetowersdistillationprocess,andthisprocesschoosetodesigntheatmosphericdistillationtower,whichpackingcolumnheightis17800mm,thediameteroftoweris1600mm,thetotalheightis25640mm;Inadditiontostrictlycontrolthe“threewaters〞emissions,thisprocessmakefulluseofwaterheat,reducetheenergyconsumptionandsafeguardpersonnelsafetyandhygiene.Keyword:technologicalprocess;methanolsynthesis;themethanoldistillation引言甲醇是當(dāng)代中國(guó)煤制化學(xué)品中最具代表性的產(chǎn)品，產(chǎn)能大、使用范圍廣、后續(xù)產(chǎn)品多、大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)成熟，無疑是煤化工產(chǎn)業(yè)最重要的產(chǎn)品。隨著經(jīng)濟(jì)開展，燃料的需求量急速增加，導(dǎo)致石油匱乏，而甲醇作為一種新型燃料，進(jìn)入人們的生活，迅速得到人們的關(guān)注，所以甲醇的生產(chǎn)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有重大的意義。本次設(shè)計(jì)主要對(duì)甲醇的物性、用途及國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)消費(fèi)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，對(duì)其現(xiàn)有各種生產(chǎn)工藝做簡(jiǎn)要介紹及比對(duì)，重點(diǎn)探究Lurgi工藝〔管殼式甲醇合成工藝〕，對(duì)甲醇的生產(chǎn)、別離及提純階段精餾塔進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，分析全塔正常操作時(shí)的工作原理、影響因素、操作條件等最正確操作點(diǎn)，并根據(jù)物性及操作條件等綜合因素對(duì)塔進(jìn)行選型、設(shè)計(jì)，通過物料衡算、熱量衡算做出我認(rèn)為年產(chǎn)15萬噸甲醇最理想的設(shè)計(jì)方案。第一章總論1.1概述1.1.1甲醇的性質(zhì)甲醇俗稱木醇、木精，英文名為methanol，分子式CH3OH。是一種無色、透明、易燃、有毒、易揮發(fā)的液體，略帶酒精味;分子量32.04，相對(duì)密度0.7914(d420)，蒸氣相對(duì)密度1.11(空氣=1)，熔點(diǎn)-97.8℃，沸點(diǎn)64.7℃，閃點(diǎn)〔開杯〕16℃，自燃點(diǎn)473℃，折射率(20℃)1。3287，外表張力〔25℃〕45.05mN/m，蒸氣壓〔20℃〕12。265kPa，粘度〔20℃〕0.5945mPa?s。能與水、乙醇、乙醚、苯、酮類和大多數(shù)其他有機(jī)溶劑混溶。蒸氣與空氣形成爆炸性混合物，爆炸極限6.0％～36.5﹪〔體積比〕?；瘜W(xué)性質(zhì)較活潑，能發(fā)生氧化、酯化、羰基化等化學(xué)反響。1.1.2甲醇用途甲醇是重要有機(jī)化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料，廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工，塑料，醫(yī)藥，林產(chǎn)品加工等領(lǐng)域。甲醇主要用于生產(chǎn)甲醛，消耗量要占到甲醇總產(chǎn)量的一半，甲醛那么是生產(chǎn)各種合成樹脂不可少的原料。用甲醇作甲基化試劑可生產(chǎn)丙烯酸甲酯、對(duì)苯二甲酸二甲酯、甲胺、甲基苯胺、甲烷氯化物等;甲醇羰基化可生產(chǎn)醋酸、醋酐、甲酸甲酯等重要有機(jī)合成中間體，它們是制造各種染料、藥品、農(nóng)藥、炸藥、香料、噴漆的原料，目前用甲醇合成乙二醇、乙醛、乙醇也日益受到重視。甲醇也是一種重要的有機(jī)溶劑，其溶解性能優(yōu)于乙醇，可用于調(diào)制油漆。作為一種良好的萃取劑，甲醇在分析化學(xué)中可用于一些物質(zhì)的別離。甲醇還是一種很有前景的清潔能源，甲醇燃料以其平安、廉價(jià)、燃燒充分，利用率高、環(huán)保的眾多優(yōu)點(diǎn)，替代汽油已經(jīng)成為車用燃料的開展方向之一;另外燃料級(jí)甲醇用于供熱和發(fā)電，也可到達(dá)環(huán)保要求。甲醇還可經(jīng)生物發(fā)酵生成甲醇蛋白，富含維生素和蛋白質(zhì)，具有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高而本錢低的優(yōu)點(diǎn)，用作飼料添加劑，有著廣闊的應(yīng)用前景。1.1.3甲醇生產(chǎn)工藝的開展甲醇是醇類中最簡(jiǎn)單的一元醇。1661年英國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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。由于低壓法比高壓法在能耗、裝置建設(shè)和單系列反響器生產(chǎn)能力方面具有明顯的優(yōu)越性，所以從70年代中期起，國(guó)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(guó)外的液相甲醇合成新工藝具有投資省、熱效率高、生產(chǎn)本錢低的顯著優(yōu)點(diǎn)，尤其是LPMEOHTM工藝，采用漿態(tài)反響器，特別適用于用現(xiàn)代氣流床煤氣化爐生產(chǎn)的低H2／(CO＋CO2)比的原料氣，在價(jià)格上能夠與天然氣原料競(jìng)爭(zhēng)[2]。我國(guó)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[3]。60年代建成了一批中小型裝置，并在合成氨工業(yè)的根底上開發(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(guó)ICI技術(shù)[4]。1995年12月，由化工部第八設(shè)計(jì)院和上海化工設(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(guó)甲醇生產(chǎn)技術(shù)向大型化和國(guó)產(chǎn)化邁出了新的一步[5]。2000年，杭州林達(dá)公司開發(fā)了擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的JW低壓均溫甲醇合成塔技術(shù)，打破長(zhǎng)期來被ICI、Lurgi等國(guó)外少數(shù)公司所壟斷擁的局面，并在2004年獲得國(guó)家技術(shù)創(chuàng)造二等獎(jiǎng)[6]。2005年，該技術(shù)成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)首家焦?fàn)t氣制甲醇裝置上。1.2設(shè)計(jì)的依據(jù)本設(shè)計(jì)選用的課題：“年產(chǎn)15萬噸甲醇生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)〞。依據(jù)任務(wù)書規(guī)定的設(shè)計(jì)內(nèi)容，進(jìn)行生產(chǎn)方案、工藝流程設(shè)計(jì)、工藝計(jì)算和設(shè)備設(shè)計(jì)等。本設(shè)計(jì)遵循：“符合國(guó)情、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)環(huán)保〞的原那么，在綜合分析諸多甲醇生產(chǎn)方法的根底上，采用“以煤、煤焦為原料，經(jīng)脫硫二段轉(zhuǎn)化-合成氣，在管殼式合成塔合成甲醇〞的技術(shù)路線，精甲醇的生產(chǎn)采用“三塔精餾工藝〞。此外，即嚴(yán)格控制“三廢〞的排放、空氣中甲醇的含量以及保證生產(chǎn)平安、環(huán)境衛(wèi)生等方面參照國(guó)內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和方法。第二章生產(chǎn)方案與工藝流程設(shè)計(jì)2.1生產(chǎn)方案確定煤、煤焦經(jīng)氣化制得煤氣，煤氣經(jīng)熱交換回收熱進(jìn)入變換，變換反響后，進(jìn)行脫硫脫碳，脫除對(duì)合成甲醇工藝流程不利的氣體，然后經(jīng)過壓縮、加熱使原料氣體滿足合成甲醇需要的條件后送入合成塔，由于合成甲醇工藝單程轉(zhuǎn)化率較低，未反響氣體需要循環(huán)壓縮機(jī)壓縮，再次進(jìn)入合成塔中合成甲醇。合成的粗甲醇經(jīng)過三塔精餾，可得到合格的精甲醇產(chǎn)品。2.2工藝流程設(shè)計(jì)與論證經(jīng)綜合分析甲醇生產(chǎn)的各種生產(chǎn)路線，本設(shè)計(jì)選用：以煤、煤焦為原料，經(jīng)脫硫二段轉(zhuǎn)化-合成氣，在管殼式合成塔中合成甲醇，精甲醇的生產(chǎn)采用“三塔精餾工藝〞的技術(shù)路線。2.2.1工藝流程圖煤氣脫硫→合成氣壓縮→甲醇合成→甲醇精餾圖2.1煤、煤焦制甲醇的簡(jiǎn)單工藝流程工藝流程簡(jiǎn)述：首先是采用凱洛格法氣化工藝將煤氣轉(zhuǎn)化為合成氣[7];原料煤氣先用ZnO脫硫，再通過二段轉(zhuǎn)化爐變?yōu)楹铣蓺?其次就是甲醇的合成，將合成氣加壓到5.14Mpa，升溫到225℃后輸入管殼式反響器中，在銅基催化劑的作用下合成甲醇，再就是甲醇的精餾，本工藝采用三塔精餾工藝將粗甲醇精制得到精甲醇。2.2.2甲醇合成工藝流程簡(jiǎn)述現(xiàn)在國(guó)內(nèi)大多數(shù)采用Lurgi工藝采用管殼式合成塔，管內(nèi)填裝催化劑，管間為2.5~4.0Mpa的沸騰水，反響氣體走管內(nèi)，反響熱經(jīng)管壁傳遞給管間的沸水，產(chǎn)生蒸汽。管中心的溫度與沸水溫度相差不大與10度，反響壓力為5~10Mpa，催化劑使用德國(guó)南方公司的銅基催化劑，粗甲醇的回收那么是通過冷凝的方式來完成，如圖二所示。甲醇合成氣經(jīng)壓縮機(jī)升至5.2Mpa，與循環(huán)氣以1:5的比例混合經(jīng)熱交換器加熱至220~230℃，含甲醇7%左右、溫度約250℃的出塔氣，經(jīng)換熱冷卻85℃，再經(jīng)水冷卻，進(jìn)別離塔別離，得到的粗甲醇進(jìn)入甲醇儲(chǔ)罐;未反響的氣體循環(huán)使用，以提高轉(zhuǎn)化率。在實(shí)際生產(chǎn)中為了是合成回路中的惰性氣體含量維持在一定范圍內(nèi)，再進(jìn)循環(huán)機(jī)前馳放一股未反響的氣體作為燃料，絕大局部氣體進(jìn)入壓縮機(jī)與新鮮的合成氣混合返回合成塔循環(huán)使用。圖2.2lurgi工藝流程圖1.壓縮機(jī)2.換熱器3.鍋爐水預(yù)熱器4.水冷卻器5.合成塔6.汽包7.甲醇別離器8.粗甲醇儲(chǔ)槽Lurgi工藝主要優(yōu)點(diǎn)如下：反響器內(nèi)催化劑床層溫度分布均勻，大局部床層的溫度在250~255℃之間;由于傳熱面與床層體積比大，傳熱迅速，床層同平面溫度小，有利于延長(zhǎng)催化劑壽命，并允許原料氣中含較高的CO;催化劑床層的溫度可以通過調(diào)節(jié)汽包蒸汽壓力進(jìn)行控制，效果精確、靈敏;可以回收高位熱能，能量合理利用;反響器出口甲醇含量高;設(shè)備緊湊，開停車方便;反響的副反響少，粗甲醇中雜質(zhì)少。銅基催化劑的主要特征銅基催化劑是一種低溫低壓甲醇合成催化劑[8]，其主要成分為CuO/ZnO/Al2O3，低中壓法操作溫度為210~300度，壓力為5Mpa~10Mpa，比傳統(tǒng)的合成工藝溫度低得多，對(duì)甲醇平衡有利。其特點(diǎn)是：〔1〕活性好，單程轉(zhuǎn)化率為7%~8%;〔2〕選擇性好，大于99%，之雜質(zhì)只有微量的甲烷、二甲醚、甲酸甲酯，易于得到高純度的精甲醇;〔3〕耐高溫型差、對(duì)硫敏感。2.2.3甲醇精餾工藝流程簡(jiǎn)述[9]來自甲醇合成裝置的粗甲醇〔74℃，0.4MPa〕，通過預(yù)塔進(jìn)料泵，進(jìn)入預(yù)精餾塔，預(yù)塔再沸器用0.4MPa的低壓蒸汽加熱，低沸點(diǎn)的雜質(zhì)如二甲醚等從塔頂排出，冷卻別離出水后作為燃料;回收的甲醇液通過預(yù)塔回流泵作為該塔回流液。預(yù)精餾塔底部粗甲醇液經(jīng)加壓塔進(jìn)料泵進(jìn)入加壓精餾塔，加壓塔再沸器以1.3MPa低壓蒸汽作為熱源，加壓塔塔頂餾出甲醇?xì)怏w〔0.6MPa，122℃〕經(jīng)常壓塔再沸器后，甲醇?xì)獗焕淠?，精甲醇回到加壓塔回流槽，一局部精甲醇?jīng)加壓塔回流泵，回到加壓精餾塔作為回流液，另一局部經(jīng)加壓塔甲醇冷卻器冷卻后進(jìn)入精甲醇計(jì)量槽中。加壓精餾塔塔底釜液〔0.6MPa，125℃〕進(jìn)入常壓精餾塔[10]，進(jìn)一步精餾。常壓塔再沸器以加壓精餾塔塔頂出來的甲醇?xì)庾鳛闊嵩础３壕s塔頂部排出精甲醇?xì)狻?.13MPa，67℃〕，經(jīng)常壓塔冷凝冷卻器冷凝冷卻后一局部回流到常壓精餾塔，另一局部打到精甲醇計(jì)量槽內(nèi)貯存。產(chǎn)品精甲醇由精甲醇泵從精甲醇計(jì)量槽送至精甲醇貯罐裝置。圖2.3三塔精餾工藝流程1預(yù)精餾塔2加壓精餾塔3常壓精餾塔工藝說明：〔1〕為防止粗甲醇中含有的甲酸、二氧化碳等腐蝕設(shè)備，在預(yù)塔進(jìn)料泵后甲醇溶液中配入適量的燒堿溶液，用來調(diào)節(jié)粗甲醇溶液的PH值[11]?！?〕甲醇精餾系統(tǒng)各塔排出的不凝氣進(jìn)入燃料氣系統(tǒng)?！?〕由常壓精餾塔底部排出的精餾殘液經(jīng)廢水冷卻器冷卻至40℃后，由廢水泵送到生化處理裝置。〔4〕由甲醇精餾來的精甲醇貯存到精甲醇貯槽中。精甲醇貯槽為兩臺(tái)30000m3的固定貯罐，貯存量按15天產(chǎn)量計(jì)[12]。第三章物料衡算3.1合成工段物料衡算：年產(chǎn)150000噸精甲醇，每年以300個(gè)工作日計(jì)。精甲醇中甲醇含量(wt)：99.95%粗甲醇組成(wt)：[Lurgi低壓合成工藝]甲醇：93.89%輕組分[以二甲醚(CH3)2O計(jì)]：0.188%重組分[以異丁醇C4H9OH計(jì)]：0.026%水：5.896%所以：時(shí)產(chǎn)精甲醇：=20833.34kg/h時(shí)產(chǎn)粗甲醇：kg/h根據(jù)粗甲醇組分，算得各組分的生成量為：甲醇(32)：20833.34kg/h651.04kmol/h13915.83Nm3/h二甲醚(46)：41.69kg/h0.906kmol/h20.30Nm3/h異丁醇(74)：5.77kg/h0.078kmol/h1.75Nm3/h水(18)：1307.61kg/h72.65kmol/h1573.26Nm3/h合成甲醇的化學(xué)反響為：主反響：CO+2H2CH3OH+102.37KJ/mol〔3-1〕副反響：2CO+4H2(CH3)2O+H2O+200.39KJ/mol〔3-2〕CO+3H2CH4+H2O+115.69KJ/mol〔3-3〕4CO+8H2C4H9OH+3H2O+49.62KJ/mol〔3-4〕CO2+H2CO+H2O-42.92KJ/mol〔3-5〕生產(chǎn)中，測(cè)得每生產(chǎn)1噸粗甲醇生成甲烷7.56Nm3，即0.34kmol，故CH4每小時(shí)生成量為：7.5622.177995=167.66564Nm3，即7.485kmol/h，119.76Kg/h。3-4.987=64.025kmol/h，即在CO逆變換中生成的H2O為64.025kmol/h，即1434.16Nm3/h[13]。5.06MPa，40℃時(shí)各組分在甲醇中的溶解度列表于表3.1。表3.15.06Mpa，40℃時(shí)氣體在甲醇中的溶解度組分H2COCO2N2ArCH4溶解度Nm3/t00.6823.4160.3410.3580.682Nm3/h01.5147.5840.7570.7941.514據(jù)測(cè)定：35℃時(shí)液態(tài)甲醇中釋放CO、CO2、H2等混合氣中每立方米含37.14g甲醇，假定溶解氣全部釋放，那么甲醇擴(kuò)散損失為：(1.514+7.584+0.757+0.794+1.514)=0.452kg/h即0.014kmol/h，0.316Nm3/h。根據(jù)以上計(jì)算，那么粗甲醇生產(chǎn)消耗量及生產(chǎn)量及組成列表3.2、3.3。表3.2甲醇生產(chǎn)消耗物量及組成消耗方式單位消耗物料量COH2CO2N2〔3-1〕式651.04〔3-2〕式〔3-3〕式〔3-4〕式〔3-5〕式氣體溶解擴(kuò)散損失合計(jì)消耗組成表3.3甲醇生產(chǎn)物量及組成消耗方式單位生成物料量合計(jì)CH4CH3OHC4H9OH(CH3)2OH2O消耗生成〔3-1〕式〔3-2〕式(3-3)式(3-4)式0.078(3-5)式氣體溶解擴(kuò)散損失合計(jì)生成質(zhì)量生成組分設(shè)新鮮氣量為G新鮮氣，馳放氣為新鮮氣的9%[14]。表3.4馳放氣組成組分H2COCO2CH4N2ArCH3OHH2OMol%79.316.293.504.793.192.300.610.01G新鮮氣＝G消耗氣+G馳放氣=G消耗氣+0.09G新鮮氣=43995.04+0.09(3-1)所以：G新鮮氣＝48346.20Nm3/h新鮮氣組成見表3.5。表3.5甲醇合成新鮮氣組成組分H2COCO2N2總計(jì)Nm332807.7313947.881585.764.8348346.20組成mol%67.8628.853.280.01100測(cè)得：甲醇合成塔出塔氣中含甲醇7.12%.根椐表3.2、3.3和表3.5，設(shè)出塔氣量為G出塔。又知醇后氣中含醇0.61%。所以：=7.12%(3-2)G醇后=G新鮮-(G醇＋G副＋G擴(kuò))+GCH4=48346.20-43995.043+169.178〔3-3〕=4520.34Nm3/h所以：G出塔＝195829.83Nm3/hG循環(huán)氣=G出塔-G醇后-G生成+GCH4-G溶解=175735.43Nm3/h(3-4)甲醇生產(chǎn)循環(huán)氣量及組成見表3.6。表3.6甲醇生產(chǎn)循環(huán)氣量及組成組分COCO2H2N2CH4ArCH3OHH2O合計(jì)流量11053.766150.74139375.75605.968417.734041.911071.9917.57175735.43組成6.293.5079.313.194.792.300.610.01100單位：Nm3/h組成：%G入塔=G循環(huán)氣+G新鮮氣=17573.43+48346.20=224081.63Nm3/h(3-5)由表3.5及表3.6得到表3.7。表3.7甲醇生產(chǎn)入塔氣流量及組成組分COCO2H2N2CH4ArCH3OHH2O合計(jì)流量：25001.647736.5172183.55610.798417.734041.911071.9917.93224081.63組成%11.1573.45376.842.5043.7571.8040.4790.005100單位：Nm3/h又由G出塔=G循環(huán)氣-G消耗＋G生成〔3-6〕據(jù)表3.3、3.7、得甲醇出塔流量及組成表3.8。表3.8甲醇出塔流量及組成組分合計(jì)出塔12396.166230.18142266.575614.738596.14046.9114988.861645.291.74720.29195808.99組成6.3313.18272.6662.8674.392.0677.6550.0840.00010.01100甲醇馳放氣流量及組成見表3.9。表3.9甲醇馳放氣流量及組成組成COCO2H2CH4ArCH3OHH2ON2合計(jì)流量273.688152.2913450.903208.420100.077126.977微138.8014351.158組成6.493.6181.924.953.300.633.19100單位：Nm3/h組成：%粗甲醇貯罐氣流量及組成風(fēng)表3.10。表3.10貯罐氣組成、流量組成COCO2H2CH4ArCH3OHN2合計(jì)流量1.5147.58401.5140.7940.3160.75712.479組成12.13260.774012.1326.3632.5326.066100單位：Nm3/h組成：%由表3.3到表3.10可得表3-11。組成新鮮氣循環(huán)氣入塔氣出塔氣醇后氣流量組成流量組成流量組成流量組成流量組成Nm3(v)%Nm3(v)%Nm3(v)%Nm3(v)%Nm3(v)%CO13947.8828.8511053.766.2925001.6411.15712396.166.3311249.1427.70CO21585.763.286150.763.507736.53.4536230.183.182143.3843.18H232807.7367.86139375.7779.31172183.576.84142266.5772.6562943.7665.28N24.830.00015605.963.195610.792.5045614.732.8674.0730.09Ar4046．912.304041.911.8044046.912.067CH48417．734.798417.733.7578596.14.390169.1783.75CH3OH1071.990.611071.990.47914988.867.655C4H9OH0.011.7470.001(CH3)2O20.290.01H2O17.5717.930.0051645.290.084微量合計(jì)48346.20100175735.43100224081.63100195808.991004509.53100表3.11甲醇生產(chǎn)物料平衡匯總表根椐計(jì)算結(jié)果，可畫出甲醇生產(chǎn)物流圖，如甲醇合成塔別離器甲醇合成塔別離器貯罐冷凝4.入塔氣5.馳放氣6．醇后氣7.粗甲醇圖3.1甲醇生產(chǎn)物流圖3.2甲醇精餾的物料衡算3.2.1預(yù)塔的物料衡算(1)進(jìn)料A.粗甲醇：22782.21kg/h以上計(jì)算列表3.12。表3.12粗甲醇的進(jìn)料組分和組成組分甲醇二甲醚異丁醇水合計(jì)流量：kg/h21412.6641.675.771233.1122782.21組成：(wt)%93.980.1830.02535.803100B.堿液：據(jù)資料，堿液濃度為8%時(shí)，每噸粗甲醇消耗0.1kg的NaOH.那么消耗純NaOH：0.122.78221=2.278kg/h換成8%為：=28.475kg/hC.軟水據(jù)資料記載，軟水參加量為精甲醇的20%計(jì)，那么需補(bǔ)加軟水：21412.6620%-28.475〔1-8%〕=4256.335kg/h據(jù)以上計(jì)算列表3.13。表3.13預(yù)塔進(jìn)料及組成物料量：kg/hCH3OHH2ONaOH(CH3)2OC4H9OH合計(jì)粗甲醇22412.661322.1141.675.7722782.21堿液26.1972.27828.475軟水4256.3354256.335合計(jì)22412.665604.6422.27841.675.7727067.02(2)出料A.塔底：甲醇：22412.66kg/hB.塔底水：粗甲醇含水：1322.1kg/h堿液帶水：26.194kg/h補(bǔ)加軟水：4256.335kg/h合計(jì)：5604.642kg/hC.塔底異丁醇及高沸物：5.77kg/hD.塔頂二甲醚及低沸物：41.67kg/h由以上計(jì)算列表3.14。表3.14預(yù)塔出料流量及組成物料量CH3OHH2ONaOH(CH3)2OC4H9OH合計(jì)塔頂41.6741.67塔底21412.665604.6422.2785.7727025.35合計(jì)21412.665604.6422.27841.675.7727067.02單位：kg/h3.2.2主塔的物料平衡計(jì)算加壓塔和常壓塔的采出量之比為2:1，常壓塔釜液含甲醇1%。(1)進(jìn)料加壓塔：預(yù)后粗甲醇：27067.02kg/h2/3=12750.24kg/h(2)出料A.加壓塔：塔頂：21412.662/3=14275.11kg/h塔釜：12750.24kg/hB.常壓塔：塔頂：21412.661/399%=7066.18kg/h塔釜：〔12750.24-7066.18〕1%+5604.642+2.278+5.77=5684.06kg/h總出料：由以上計(jì)算.得表3.15甲醇精餾塔物料平衡匯總表：?jiǎn)挝唬簁g/h表3.15甲醇精餾塔物料平衡匯總物料物料加壓塔頂出料常壓塔頂出料常壓塔釜出料合計(jì)甲醇21412.6614275.117066.1871.3721412.66NaOH2.2782.2782.278水5604.6425604.6425604.642高沸物5.775.775.77合計(jì)27025.3514275.117066.185684.0627025.35單位：kg/h根椐計(jì)算結(jié)果可畫出粗甲精餾物流圖，見圖預(yù)精餾塔加壓精餾塔預(yù)精餾塔加壓精餾塔常壓精餾塔4.預(yù)塔頂出料6.加壓塔頂出料7.常壓塔頂出料1．粗甲醇2．軟水3．堿液5.預(yù)塔底出料8.常壓塔釜出料圖3.2粗甲醇精餾物料流程圖第四章甲醇生產(chǎn)的能量平衡計(jì)算4.1合成塔能量計(jì)算∑Q=∑〔G×Cm×Tm〕〔4-1〕G——各組分流量，m3/h;Cm——各組分的比熱容，kJ/〔m3.k〕;Tm——?dú)怏w溫度，k;：合成塔入塔氣為220℃，出塔氣為250℃，熱損失以5%計(jì)，殼層走4MPa的沸水.查《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》得，4MPa下水的氣化潛熱為409.7kmol/kg，即1715.00kJ/kg，密度799.0kg/m3，水蒸氣密度為19.18kg/m3，溫度為250℃.入塔氣熱容見4.1.表4.15MPa，220℃下入塔氣除(CH3OH)熱容組分COCO2H2N2ArCH4合計(jì)流量25001.647730.5172183.55610.794041.918417.73222986.07比熱30.1545.9529.3430.3521.4147.0530.64比例%11.213.4777.222.521.813.77100比熱：kJ/〔kmol℃〕流量：Nm3查得220℃時(shí)甲醇的焓值為42248.46kJ/kmol，流量為1071.99Nm3.所以：Q入=42248.46+222986.0730.64=2021871.73+6832293.19=8854164.92kJ出塔氣熱容除(CH3OH)見表4-2.表4.25MPa，250℃下出塔氣除(CH3OH)熱容組分COCO2H2N2ArCH4C4H9OH(CH3)2OH2O合計(jì)流量12396.166230.18142266.575614.734046.918596.11.74720.291645.29180820.13比熱30.1346.5829.3930.4121.3648.39170.9795.8583.4928.89比例%6.3313.18272.6562.8672.0674.390.00010.010.084100流量，比熱查得250℃時(shí)甲醇的焓值為46883.2kJ/kmol，流量為14988.86Nm3.所以：Q出=46883.2+28.89180820.13=31371683.98+5223893.556=36595577.53kJQ反響=[102.37+200.39+115.69+49.62+(-42.92)]1000=61856469.16kJQ熱損失=(Q入＋Q反響)5%=(8854164.92+61856469.16)5%(4-2)=3535531.7kJ所以：殼程熱水帶走熱量Q傳=Q入+Q反響-Q出-Q熱(4-3)=8854164.92+61856469.16-3535531.7-36595577.53=30579524.84kJ又：Q傳=G熱水r熱水(4-4)所以：G熱水==17830.73kg/h即時(shí)產(chǎn)蒸氣=929.65m34.2常壓精餾塔能量衡算Xf==0.415(4-5)查《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》，甲醇露點(diǎn)溫度t=66.81℃67℃操作條件：塔頂67℃，塔釜105℃，進(jìn)料溫度124℃，回流液溫度40℃。4.2.1帶入熱量表4.3常壓塔各組分入熱量物料進(jìn)料回流液加熱蒸汽組分甲醇水+堿甲醇流量：kg/h7137.555606.92560692.4溫度：℃12412440比熱：kJ/kg℃2.684.262.68熱量:kg/h2371950.622961477.195434225.28Q加熱Q入=Q進(jìn)料+Q回流液+Q加熱=2371950.62+2961477.19+5434225.28+Q加熱〔4-6〕=10767653.09+Q加熱4.2.2帶出熱量表4.4常壓塔物料帶出熱量物料精甲醇回流液殘液熱損失組分甲醇甲醇甲醇水+堿流量：kg/h7066.1850692.471.375604.64溫度：℃6767105105比熱：kJ/kg℃2.682.683.504.187潛熱：kJ/kg1046.751046.75熱量:kg/h7396523.9253062269.7026228.482463996.795%Q入所以：Q出＝7396523.92＋53062269.70＋26228.48＋2463996.79＋5%Q入=62949018.89+5%Q入因?yàn)椋篞出＝Q入〔4-7〕所以：Q入=Q出=66262125.15kJ/hQ蒸汽=55494472.06kJ/h因水蒸氣汽化熱為26193.94kJ/kg，所以需蒸汽G3蒸汽==6737.97kg/h常壓塔物流溫度分布圖如下：常壓精餾塔常壓精餾塔甲醇蒸汽67℃40℃水回流甲醇加壓塔底液體40℃30℃水124℃甲醇蒸汽40℃115℃精甲醇冷凝液殘液105℃甲醇115℃圖4.1常壓塔物流圖4.3冷卻水用量計(jì)算對(duì)熱流體：Q入＝Q產(chǎn)品精甲醇+Q回流液=7396523.92+53062269.7=60458793.62kJ/h〔4-8〕Q出=Q精甲醇(液)+Q回流液(液)〔4-9〕=1420302.18+10189172.4=11609474.58kJ/hQ傳=60458793.62(1-5%)-11609474.58=45826379.36kJ/h所以：冷卻水用量G3水=t水/h所以：每噸精甲醇消耗G，3水==39.40t水/t精甲醇第五章主要設(shè)備的計(jì)算和選型5.1操作條件條件(1)精甲醇質(zhì)量：精甲醇含醇：99.95%(wt)殘液含醇：1%(wt)(2)操作條件：塔頂壓力：0.01106Pa塔底壓力：0.13106Pa塔頂溫度：67℃塔底溫度：105℃回流液溫度：40℃進(jìn)料溫度：124℃5.2有關(guān)物理參數(shù)確實(shí)定5.2.1原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分?jǐn)?shù)甲醇的摩爾質(zhì)量MA=32.04，水的摩爾質(zhì)量MB=18.025.2.2原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量0.415×32.04＋0.585×18.0223.8380.999×32.04＋0.001×18.0232.030.006×32.04＋0.994×18.0218.105.2.3物料衡算原料液的處理量為總物料衡算：(5-1)甲醇物料衡算[15]：(5-2)聯(lián)立方程〔1〕〔2〕解得：5.2.4物性參數(shù)數(shù)據(jù)的計(jì)算塔頂?shù)谝粔K板有關(guān)參數(shù)：氣相流量：(5-3)液相流量：(5-4)計(jì)算得塔頂?shù)谝粔K板的氣相組成為，液相組成為氣相平均摩爾質(zhì)量為液相平均摩爾質(zhì)量為氣相密度為(5-5)查資料得67℃時(shí)，水的密度為979.4，甲醇的密度為752.9那么液相密度為由(5-6)可計(jì)算出液體的黏度為同理，進(jìn)料板〔第一塊板〕的有關(guān)參數(shù)：氣相流量(5-7)液相流量(5-8)查得進(jìn)料狀態(tài)甲醇溶液溫度124℃，含甲醇，y=0.606密度為0.83t/m3.氣相平均摩爾質(zhì)量為液相平均摩爾質(zhì)量為氣相密度為：那么液相密度為：可計(jì)算出液體的黏度為5.3塔體高度確實(shí)定5.3.1平均揮發(fā)度查得124℃時(shí)，甲醇的飽和蒸汽壓P*CH3OH=705.38Kpa水的飽和蒸汽壓P*H2O=229.47Kpa105℃時(shí)，甲醇的飽和蒸汽壓P*CH3OH=439.08Kpa水的飽和蒸汽壓P*H2O=123.18Kpa67℃時(shí)，甲醇的飽和蒸汽壓P*CH3OH=111.61Kpa水的飽和蒸汽壓P*H2O=27.33Kpa又=(5-9)124℃時(shí)，124℃==3.074105℃時(shí)，105℃==3.56567℃時(shí)，4.084平均揮發(fā)度===3.310(5-10)5.3.2求最小理論塔板數(shù)Nm因?yàn)椋?0.999，=0.006;=0.001=0.994;根椐芬斯克公式Nm==(5-11)=10.04塊5.3.3求最小回流比表5.1各組分參數(shù)組分進(jìn)料組成Xi，F(xiàn)釜液組成Xi，Di水0.5850.9943.565甲醇0.4150.0063.074根據(jù)氣液平衡公式(5-11)=3.074，=0.705==1.029(5-12)操作回流比R=1.5Rm=1.51.029=1.49(5-13)那么==0.20(5-14)5.3.4求實(shí)際理論板數(shù)查吉利蘭圖得：=0.45那么：=0.45所以：N19.87塊5.3.5進(jìn)料板位置確實(shí)定==3.543=3.731=0.45，=8.425.3.6確定填料層高度有查找數(shù)據(jù)得，76散裝金屬環(huán)矩鞍填料時(shí)，HETP=0.65㎜，[16]那么，精餾段的填料高度為m(5-15)m(5-16)圓整精餾段填料層高度為10m。提餾段填料層高度為mm，圓整提餾段填料層高度為7.8m。依據(jù)散裝填料分段高度推薦值，將精餾段分為兩段，每段高度為5m，提溜段分為兩段，每段3.9m。5.4塔徑確實(shí)定5.4.1精餾段塔徑的計(jì)算在本設(shè)計(jì)中采用泛點(diǎn)氣速法計(jì)算適宜的空塔氣速取泛點(diǎn)率，那么依據(jù)貝恩-霍根關(guān)聯(lián)式計(jì)算調(diào)填料的泛點(diǎn)氣速法(5-17)查表可知A=0.06225，K=1.75，g=9.81散裝金屬環(huán)矩鞍散裝填料，假設(shè)其公稱直徑為76㎜，那么查表可知=57.6=97％液相質(zhì)量流量為氣相質(zhì)量流量為代入上式得：求得：那么(5-18)由于故可采用76散裝金屬環(huán)矩鞍填料。5.4.2提餾段塔徑的計(jì)算取泛點(diǎn)率，那么依據(jù)貝恩-霍根關(guān)聯(lián)式計(jì)算調(diào)填料的泛點(diǎn)氣速法查表可知A=0.06225，K=1.75g=9.81散裝金屬環(huán)矩鞍散裝填料，假設(shè)其公稱直徑為76㎜，那么查表可知=57.6=97％液相質(zhì)量流量為氣相質(zhì)量流量為代入上式得：求得：那么由于故可采用76散裝金屬環(huán)矩鞍填料。比擬精餾段與提餾段計(jì)算結(jié)果，兩者根本相同.圓整塔徑，取D=1600㎜。5.4.3塔徑的校核那么校核精餾段有泛點(diǎn)率符合標(biāo)準(zhǔn)。同理校核提餾段泛點(diǎn)率符合標(biāo)準(zhǔn)。液體噴淋密度(5-19)精餾段液體噴淋密度(5-20)提餾段液體噴淋密度5.5填料層壓降的計(jì)算對(duì)76金屬散裝環(huán)矩鞍填料壓降的計(jì)算依據(jù)?？送型ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖來計(jì)算.先根據(jù)氣液負(fù)荷有關(guān)物性數(shù)據(jù)求出橫坐標(biāo)對(duì)于精餾段：對(duì)于提餾段：根據(jù)空塔氣速u及有關(guān)物性數(shù)據(jù)，求出縱坐標(biāo)：76金屬散裝環(huán)矩鞍填料=3對(duì)于精餾段：代入式中得：對(duì)于提餾段：代入式中得：在埃克托通用關(guān)聯(lián)圖中查得：精餾段(5-21)那么提餾段那么那么填料層總壓降為5.6筒體壁厚的計(jì)算內(nèi)有1個(gè)大氣壓，內(nèi)徑mm，，選用Q235C鋼板制造，，〔局部無損檢測(cè)，單面焊接〕[17]。計(jì)算厚度mm(5-22)mm，mmmm(5-23)圓整量為3㎜，由于碳素鋼制塔式容器厚度要不少于4㎜，所以取4㎜.校核水壓強(qiáng)度：(5-24)(5-25)那么：可見，所以水壓強(qiáng)度足夠.5.7管徑的計(jì)算5.7.1塔頂出氣管徑的計(jì)算飽和甲醇蒸汽出料u取30m/s，(5-26)(5-27)由GB8163-87查得選用=600mm16mm的無縫鋼管。其內(nèi)徑d=600-2×16=568㎜，重新核算u=32.97m/s。5.7.2塔頂回流管徑計(jì)算u取2m/smm由GB8163-87查得選用=65mm4mm的無縫鋼管。其內(nèi)徑d=65-2×4=57㎜，重新核算u=1.5m/s。5.7.3進(jìn)料管徑計(jì)算u取2m/s，(5-28)由GB8163-87查得選用=65mm4mm的無縫鋼管。其內(nèi)徑d=65-2×4=57㎜，重新核算u=1.66m/s。5.7.4塔釜出液管管徑計(jì)算u取2m/smm由GB8163-87查得選用=40mm3.5mm的無縫鋼管。其內(nèi)徑d=40-2×3.5=43㎜，重新核算u=1.13m/s。5.7.5塔釜回流蒸汽管徑計(jì)算u取30m/s。由GB8163-87查得選用=480mm16mm的無縫鋼管。其內(nèi)徑d=480-2×16=448㎜，重新核算u=29.83m/s封頭。采用橢圓形封頭，選用直邊高度40mm，=2，故=400mm，厚度為4mm，封頭高為400mm。5.8裙座以Q235-A鋼為裙座材料的圓筒形裙座，壁厚為20mm，內(nèi)徑等于塔內(nèi)徑D=1600mm，高度為1320mm，裙座與簡(jiǎn)體的連接采用對(duì)焊校核強(qiáng)度。5.9塔高設(shè)計(jì)塔釜高取2620mm；塔頂高920mm；頂接管高為240mm；開4個(gè)人孔，安裝人孔精餾段間距為600mm，提餾段間距為540mm；進(jìn)料口距離為1200mm。塔高=25640mm。第六章三廢處理6.1甲醇生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的污染6.1.1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[18]。〔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?！?〕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、枯燥等過程中產(chǎn)生的粉塵。6.1.2廢水〔1〕甲醇別離器排放的油水，各輸送泵填料的漏液?！?〕甲醇生產(chǎn)中對(duì)水源污染最嚴(yán)重的是精餾塔底排放的殘液?！?〕氣化工段氣液別離出來的含煤水。6.1.3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6.2處理方法6.2.1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)別離除