【20萬噸年產(chǎn)量的煤制甲醇合成工藝設(shè)計14000字（論文）】

i.2.2廢水處理318.2.3廢渣處理319.結(jié)論31參考文獻31年產(chǎn)20萬噸煤制甲醇合成工段工藝設(shè)計摘要：本設(shè)計主要針對年產(chǎn)20萬噸煤制甲醇的合成工藝工段進行了技術(shù)與工藝創(chuàng)新設(shè)計，其主要內(nèi)容包括：工藝流程比較和選擇、工藝計算、主要設(shè)備的計算和選型及合成車間設(shè)計等。通過對比優(yōu)化，本設(shè)計采用煤炭為原料，以低壓法在管殼式合成塔中合成甲醇，所用催化劑為XNC-98。在工藝計算過程中，主要對甲醇合成工段的物料和能量進行了衡算，依據(jù)計算結(jié)果對主要設(shè)備進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和選型。同時依據(jù)相關(guān)規(guī)定要求進行了簡要的合成車間布局設(shè)計，對非工藝專業(yè)要求和“三廢”處理做出了相應(yīng)規(guī)劃。關(guān)鍵詞：甲醇；合成；工藝設(shè)計。1總論1.1概述本設(shè)計以四川焦煤集團有限公司（國家控股）項目建設(shè)為依據(jù)，主要修建一個年產(chǎn)20萬噸的甲醇合成工段廠區(qū)，預(yù)期投資約為51250萬元，納稅后的投資回收期為7年。本項目以“中國制造2025”為行動綱領(lǐng)，以綠色發(fā)展為目標，旨在現(xiàn)有工藝進行技術(shù)改造，在實現(xiàn)低排放目標的基礎(chǔ)上生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，提高企業(yè)競爭力，促進四川地區(qū)化工產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新融合與發(fā)展?？紤]到本項目生產(chǎn)會有工業(yè)廢水和廢氣產(chǎn)生，因此廠區(qū)建址應(yīng)位于城鎮(zhèn)、港水源地等的下游，且不受其他煙氣影響的地方。綜合公司項目要求與環(huán)境因素，擬選擇在四川省綿陽市青山工業(yè)園區(qū)修建該廠區(qū)。1.2設(shè)計依據(jù)和原則項目設(shè)計嚴格遵守國家有關(guān)規(guī)定與方針政策，實現(xiàn)五個現(xiàn)代化（一體化、露天化、輕量化、社會化、本土化）建設(shè)，采用最新技術(shù)，以符合節(jié)約型社會建設(shè)為根本，確保順利改善生產(chǎn)安全和操作人員的安全。在技術(shù)選擇方面，優(yōu)化選擇成熟可靠的創(chuàng)新技術(shù)，以提高生產(chǎn)率，降低能耗和生產(chǎn)率，減少污染，確保設(shè)備性能和產(chǎn)品質(zhì)量以及提高產(chǎn)品競爭力。同時嚴格管理生產(chǎn)中的“三廢”，實現(xiàn)達標排放，少排放目標。該項目廠區(qū)建設(shè)按照大規(guī)模的工廠規(guī)劃政策，整合布局，開放式生產(chǎn)設(shè)備，公共工程社會化以及引進技術(shù)和創(chuàng)新的整合，堅持結(jié)合國家經(jīng)濟社會發(fā)展，工業(yè)和地方發(fā)展項目的長期規(guī)劃。1.3公用工程及輔助工程1.3.1公用工程及來源本項目生產(chǎn)過程中，需用冷卻水、蒸汽、空氣、電、冷凍鹽水、導(dǎo)熱油等，其具體用量與供應(yīng)方式如表1所示。表1公用工程消耗一覽表公用工程名稱單位小時耗量年耗量用方式來源冷卻水T2.10761.686×107連續(xù)公用工程中心低壓蒸汽T9.7537.8024×104連續(xù)公用工程中心中壓蒸汽T3.8623.0896×104連續(xù)公用工程中心空氣T1.71181.36944×104連續(xù)園區(qū)公用空分站儀表空氣Nm31058.4×105連續(xù)來自總廠電Kw·h32252.58×107連續(xù)變電站-25℃冷凍鹽水T7.4195.9352×104連續(xù)公用工程中心導(dǎo)熱油t650連續(xù)導(dǎo)熱油循環(huán)系統(tǒng)1.3.2輔助設(shè)施輔助設(shè)施：廢水監(jiān)測站、冷凍站、配電站、維修站、涼水塔、消防站、泵房、污水濃縮池、事故池、循環(huán)池、消防池。供電及電訊設(shè)施：采暖、通風(fēng)及空氣調(diào)節(jié)設(shè)施、維修設(shè)施、檢測站、檢修站、設(shè)備倉庫。1.4生產(chǎn)過程控制和機械化程度集散控制系統(tǒng)（DCS）在化工行業(yè)、工業(yè)衛(wèi)生、工程設(shè)計等多個領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。當對儀表進行控制時，它會將功能分散，而需要顯示或操作儀表時，它又會將整個系統(tǒng)集中起來。以集中監(jiān)控、運行和管理實現(xiàn)全面控制的目標。本設(shè)計中，對設(shè)備控制擬采用該集散控制系統(tǒng)來對生產(chǎn)過程進行管理和控制，通過多個過程站，分別控制不同的設(shè)備。對于必須在現(xiàn)場操作和監(jiān)控的裝置或設(shè)備，儀表或操作面板，如壓縮機、主泵等，應(yīng)安裝在機組或設(shè)備附近的現(xiàn)場。1.5設(shè)計目的和意義化石能源等非再生能源的短缺問題，對國民經(jīng)濟與社會發(fā)展造成了諸多影響。在我國，特別是在東西兩部，石油資源短缺現(xiàn)象體現(xiàn)得特別明顯，為了解決化石能源短缺問題，國家一直在不懈的努力，像“西氣東輸”這樣的等等一系列的工程，但這些都只是治標不治本的，需要尋找新的可替代能源來緩解這個問題。眾所周知，甲醇能夠作為石油的補充，那么甲醇工業(yè)發(fā)展對解決我國石油資源的問題就有重大意義。在我國，煤炭在化石能源儲量中占了相當大的比重，甚至可以說和全世界相比，我國的煤炭儲量也相當多，石油和天然氣的稀缺和不可再生性，使得它們的價格日益飛漲，再加上現(xiàn)在煤制甲醇的工藝已經(jīng)發(fā)展得相當成熟，煤制甲醇就具有相當?shù)膬?yōu)勢。本設(shè)計遵循可持續(xù)發(fā)展、環(huán)保安全的原則，據(jù)甲醇的特點，設(shè)計了年產(chǎn)20萬噸甲醇合成工段工藝設(shè)備。經(jīng)設(shè)計可鞏固、加深所學(xué)習(xí)的基本理論，提高思維活躍度，豐富專業(yè)認識，提升對甲醇生產(chǎn)發(fā)展的了解。在設(shè)計過程中還能培養(yǎng)對科學(xué)的鉆研精神，遇到難題不放棄，迎難而上的優(yōu)良品質(zhì)。2工藝設(shè)計2.1工藝比較2.1.1煤氣化工藝選擇煤制甲醇主要包括造氣、合成、精制等過程，而在煤氣化階段，其技術(shù)據(jù)氣化反應(yīng)器的類型可分為移動床、流化床、氣流床三類。表2煤氣化工藝對比[1]工藝操作溫度/℃氣化壓力/MPa原料煤粒度/mm煤種單爐處理能力/(t·每(CO+氧氣用量設(shè)備投資碳轉(zhuǎn)化率/%移動床800~100045~50褐煤、次煙煤、無煙煤等600270~300低98流化床9000.0980~10褐煤、次煙煤、煙煤油渣等300~500300~320較低<91氣流床1400~16003.5~6.4<0.2次煙煤、煙煤油渣等2000310~320較高99移動床氣化：以粒度范圍為5mm到50mm的煤炭作為原料，在適宜溫度下，煤與氣化劑相互接觸而發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)剩余的殘渣通過氣化爐的底部排除，生成揮發(fā)氣作為后續(xù)合成甲醇的主要原煤。移動床氣化方式是主要的造氣方法之一，具有較多的優(yōu)點，同時也存在諸多不足：（1）不適用于所有的原煤，對其粘結(jié)性有要求；（2）傳熱差，反應(yīng)放熱量很大的時候可能出現(xiàn)飛溫現(xiàn)象；（3）氣化強度低；（4）污染環(huán)境，且不好處理。流化床氣化：以粒度范圍小于10mm的煤炭作為原料，在氣化劑的作用下，細煤?；癁檫B續(xù)不規(guī)則運動的流化狀態(tài)，導(dǎo)致床層中的混合和熱傳遞非?？?，使氣體組成和溫度均勻，解決了固定床氣化用煤的局限性。其不足有：（1）在常壓下生產(chǎn)的強度較低，能耗高；（2）缺乏較大的使用經(jīng)歷，應(yīng)用在大型甲醇裝置上推廣，受到一定的限制。氣流床氣化：以粉煤為原料，反應(yīng)溫度高，灰分處于熔融狀態(tài)。氣流床氣化具有較多優(yōu)點，且克服了流化床的不足。其具有以下特性[2]：(1)原料采用<0.2mm的粉煤；(2)氣化溫度為1400～1600℃，利于保護環(huán)境，不含酚、焦油，只含少量有機硫，且硫存在形態(tài)單一；(3)不但能耗低，且碳轉(zhuǎn)化率高；(4)氣化強度高；(5)但投資相對較高，尤其是Shell粉煤氣化。大型煤氣化生產(chǎn)甲醇，需要從多方面考慮問題。如：技術(shù)是否先進；對環(huán)境的影響。從流程上可分為冷激式和廢熱鍋爐流程。煤氣從氣化爐出來，前者用激冷水直接冷卻，適用于生產(chǎn)NH3或H2。后者把熱煤氣從輻射鍋爐送到2.1.2GSP工藝技術(shù)簡介GSP工藝技術(shù)是GDR（原民主德國）開發(fā)的煤氣化技術(shù)，其主要特點是[3]：(1)氣化原料用干粉煤(水分<2%)，并且用N2或CO輸送煤粉。氣化溫度較高，因此對煤種適應(yīng)性更廣。煤的灰熔點適用范圍廣，甚至能用高灰分、高硫分(2)氧耗量低，和水煤漿加壓氣化工藝相比，氧氣消耗量少了20%，這減少了配套空氣分離裝置的投資和運行成本。(3)只有一個聯(lián)合噴嘴，且噴嘴的壽命很長，確保氣化裝置能長期運行。(4)投資少，粗煤氣成本較低。2.2甲醇合成工藝的選擇甲醇合成是煤制甲醇工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，受合成氣、催化劑、反應(yīng)器等諸多因素影響。根據(jù)操作壓力不同，煤制甲醇工藝常分為低壓、中壓、高壓工藝等。本設(shè)計擬采用低壓合成工藝。2.2.1甲醇合成塔的選擇甲醇合成塔是甲醇合成系統(tǒng)中最重要的設(shè)備，需要滿足下列要求：緊湊的結(jié)構(gòu)可容納更多的催化劑，以提高空間利用率。高壓容器和內(nèi)部零件之間無泄漏；催化劑易于裝配和卸載；易于制造安裝和維護。甲醇合成塔主要由外筒、內(nèi)部部件和電加熱器組成。內(nèi)件由催化劑筐和換熱器組成。據(jù)催化劑筐和熱交換器結(jié)構(gòu)的不同，甲醇內(nèi)件可大致分為以下類型。據(jù)氣體在催化劑床的流動方向，分為：軸向型、徑向型和軸徑復(fù)合型。按換熱器形式可分為管狀、波紋板等多種形式。大型甲醇合成塔可歸納為五種類型[4]：（1）冷激式合成塔該塔型具有結(jié)構(gòu)簡單、也適用于大型化的特點。但碳轉(zhuǎn)化率、出塔甲醇濃度不高，無法實現(xiàn)副產(chǎn)蒸汽。（2）冷管式合成塔該塔型在催化劑內(nèi)設(shè)置足夠換熱面積的冷氣管，使反應(yīng)熱被進塔冷管除去。冷管的結(jié)構(gòu)有逆流式、并流式和U型管式。逆流式與合成反應(yīng)放熱不相適應(yīng)，因此可將冷管改成并流或U形冷管。雖然其碳轉(zhuǎn)化率高，但出口只副產(chǎn)0.4MPa低壓蒸汽。目前很少用于大型設(shè)備。（3）水管式合成塔該塔型通過床層內(nèi)的傳熱管將走冷氣換成走沸騰水，使傳熱系數(shù)得到提高，減小傳熱面積，達到裝載更多催化劑的目的。同時可副產(chǎn)2.5Mpa～4.0MPa的中壓蒸汽。（4）固定管板列管合成塔該塔型為列管換熱器，管內(nèi)物質(zhì)分別為催化劑和沸騰水。利用反應(yīng)熱副產(chǎn)3.0MPa～4.0MPa的中壓蒸汽。該塔型是在列管中再增加一個小管來走進塔的冷氣，提高轉(zhuǎn)化率，且降低了循環(huán)量和能耗。管板處的催化劑為絕熱段，其下方還有逆?zhèn)鳠岫?，因此不是將反?yīng)熱移走，而是水給反應(yīng)氣加熱。（5）多床內(nèi)換熱式合成塔該塔型各床層是絕熱反應(yīng)，在各床出口將熱量移走。其結(jié)構(gòu)簡單，造價低，無需特種合金鋼，轉(zhuǎn)化率高，適用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。選擇合成塔的一般原則為反應(yīng)能在接近最佳溫度曲線條件下進行；能耗低；設(shè)備投資低等。綜上，固定管板列管合成塔的甲醇合成反應(yīng)接近最佳溫度操作線。且考慮到本設(shè)計為年產(chǎn)20萬噸甲醇合成塔，塔徑和管板厚度不會很大，成本也較合理，因此本設(shè)計采用固定管板列管合成塔。2.2.2催化劑的選擇經(jīng)長期的研究、開發(fā)和實踐，廣泛使用的合成甲醇催化劑主要有兩種：其一是以CuO為主體的銅基催化劑，其二是以ZnO為主體的鋅基催化劑。鋅基催化劑有良好的機械強度、耐熱性和對毒物的低敏感性。其理想操作溫度是350～400℃，壓力為25～32MPa。銅基催化劑有較高的選擇性，理想操作溫度是220～270℃，壓力為5～15MPa。但其耐熱性較差，對硫、氯及其化合物敏感，易中毒。鑒于脫硫技術(shù)的發(fā)展，銅基催化劑仍是甲醇合成工業(yè)的主流，而鋅基催化劑早已被淘汰。表3國內(nèi)外常用銅基催化劑特性對比[5]催化劑型號組分/%操作條件CuOZnOAl2O3壓力/MPa溫度/℃英國ICI51-36030107.8190～270德國LG104513244.9210～240美國C79-2???1.5220～330丹麥LMK4010?9.8220～270中國C302系列513245.0210～280中國XCN-98522085.0~10.0200～290從表3可知，國產(chǎn)催化劑Cu含量已提高50%以上，制備工藝合理，使其活性、選擇性等諸多優(yōu)點都能與國外同類催化劑比肩，且價格更低。XNC-98型催化劑是四川天一科技股份有限公司研發(fā)的新產(chǎn)品。其性能優(yōu)異，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和氫合成甲醇。常用工作溫度為200~290℃，工作壓力為5.0~10.0MPa。XCN-98型催化劑具有許多優(yōu)勢，如：(1)易還原；(2)在較低溫度的活性很好，日產(chǎn)量很高。75%負載時的甲醇產(chǎn)量接近設(shè)備滿負載時設(shè)計的甲醇量；(3)適用溫度范圍廣，壽命長。合成塔入口溫度C催化劑為14℃，XCN-98表4XNC-98型與C催化劑型號合成塔進口溫度加入量/（kg·甲烷單耗/(t·甲純收率/%甲純產(chǎn)率/(t·甲純產(chǎn)量/初期末期C2102246700.482100.4590.72XCN-982002309000.432290.4998.93通過對比表3和表4中的數(shù)據(jù)，催化劑活性、使用壽命等關(guān)鍵指標均位于前列，在多個殼管式反應(yīng)器中使用催化劑XNC-98時，粗甲醇中的乙醇含量可以保持在200ppm~500ppm，并且粗甲醇的精餾可以得到“AA”級精制甲醇[7]。因此本設(shè)計采用XNC-98型催化劑。2.3工藝過程2.3.1主要反應(yīng)式煤制甲醇過程的主要反應(yīng)有：C+O22C+OCO+2HCO2.3.2工段劃分2.3.2.1煤氣化工段原料煤經(jīng)粉碎，送入氣化爐，與原料氧氣進行反應(yīng)，生成CO和CO2。粉塵作為廢固送到火炬系統(tǒng)進行處理，該配置旨在同時從火炬氣中收集H和CO。收集的組分將被送到上游部分的甲醇合成反應(yīng)器中[8]。合成氣再經(jīng)水洗塔，進行水洗，除掉小的粉塵和易容于水的物質(zhì)，廢水經(jīng)處理達標排放。合成氣再經(jīng)酸洗塔，利用濃硫酸的強氧化性將S2-氧化，隨廢水一起送到廢液處理廠進行處理。得到純凈的一氧化碳和二氧化碳。2.3.2.2甲醇反應(yīng)工段經(jīng)凈化的合成氣與原料一起進入反應(yīng)發(fā)生器，進行反應(yīng)。生成混合反應(yīng)氣，經(jīng)降溫，進入干燥器去除水，得到達標的甲醇，送往產(chǎn)品罐區(qū)。3甲醇合成工藝流程經(jīng)凈化達到標準的新鮮合成氣（40℃，3.4MPa）進入新鮮氣壓縮機增壓至5MPa左右，然后與透平循環(huán)壓縮機內(nèi)升壓至5MPa左右的循環(huán)氣混合，混合氣流經(jīng)入塔氣預(yù)熱器加熱至225℃后進入甲醇合成塔內(nèi)。合成氣在200～300℃時，與XCN-98含甲醇的混合氣體從合成塔流出，經(jīng)過入塔氣預(yù)熱器、甲醇水冷器換熱和冷凝，降溫至40℃后進入甲醇分離器，未反應(yīng)的氣體和粗甲醇在此被分離。在進入透平循環(huán)壓縮機之前，排放部分未反應(yīng)的氣體作為弛放氣，其余氣體作為循環(huán)氣，經(jīng)透平循環(huán)壓縮機增壓至5MPa左右后與新鮮氣按一定比例混合，再送至合成塔繼續(xù)反應(yīng)。為了析出溶解在粗甲醇中的氣體，分離器中的粗甲醇進入甲醇膨脹槽后，減壓至0.4Mpa再送至精餾工段精制。圖1合成工藝流程圖圖1中，1為透平循環(huán)壓縮機；2為入塔氣預(yù)熱器；3為新鮮氣壓縮機；4為甲醇水冷器；5為甲醇合成塔；6為汽包；7為甲醇分離器；8為甲醇膨脹槽4工藝計算4.1物料衡算4.1.1粗甲醇中各組分產(chǎn)量計算本設(shè)計為年產(chǎn)20萬噸甲醇，開工時間為330d/y，連續(xù)操作，則甲醇的產(chǎn)量為25.25t/h。用三塔精餾工藝，甲醇的總收率高達99%以上。XNC-98通過實驗分析發(fā)現(xiàn)，煤制甲醇僅有反應(yīng)溫度和再循環(huán)率對甲醇轉(zhuǎn)化率有負面影響[9]。考慮甲醇的損失在內(nèi)，本設(shè)計擬取98%。由此進入精餾工段粗甲醇中的甲醇含量應(yīng)為252500.980粗甲醇產(chǎn)量：25765.30粗甲醇中各組分的產(chǎn)量：CH3OH：mCH3OHH2O：mH2O=27064.39×3.666%CH3OCH3：mCH3OCH3C2H5OH：mC2H5OHC4H9OH：mC4H9OH=CO2：mCO2=27064.39×0.400%N2+Ar：mN2+Ar=27064.39×0.010%經(jīng)計算，粗甲醇的組成與含量如表5所示。表5粗甲醇組成組分質(zhì)量分數(shù)/%產(chǎn)量/（kg/h）CH3OH95.2025765.30H2O3.666992.28CH3OCH30.0020.54C2H5OH0.372100.68C4H9OH0.35094.72CO20.400108.26N2+Ar0.0102.71（體積都為標準狀態(tài)）工業(yè)生產(chǎn)中測量低壓時，每生產(chǎn)噸粗甲醇將產(chǎn)生1.52m3(標況)甲烷，即甲烷VCH4在5.05Mpa、40℃時，粗甲醇中的氣體溶解量查表，每噸粗甲醇溶解其他組成如表6[10]所示。則粗甲醇中的溶解氣體量為：H2=CO=27064.391000CO2=27064.391000N2=Ar=27064.391000CH4=40℃時，液相甲醇釋放的溶解氣中，甲醇含量為37.14g/mm損失CH3OH=（118.11+22.06+210.56+9.88+6.58+45.52）×0.03714即10.73Nm3/h。經(jīng)計算，每噸粗甲醇合成氣溶解情況如表6所示。表6一噸粗甲醇合成氣溶解情況氣體H2COCO2N2ArCH4溶解度（Nm3/t粗甲醇）4.3640.8157.7800.3650.2431.680溶解量(Nm3/h)118.1122.06210.569.886.5845.524.1.2合成反應(yīng)中各氣體消耗和生成情況合成氣制甲醇過程中發(fā)生的反應(yīng)：主反應(yīng)CO+2H2CO2+3副反應(yīng)2CO+4H2CO+3H24CO+8H2CO2+H2由于合成反應(yīng)中甲醇主要由CO合成，CO2主要由逆反應(yīng)生成，進塔中CO2表7為合成反應(yīng)原料氣消耗情況，其括號內(nèi)為生產(chǎn)量。反應(yīng)(1)不包含擴散的甲醇和釋放氣體中消耗的甲醇量合成反應(yīng)各反應(yīng)所消耗的物料如下：反應(yīng)（1）：V V反應(yīng)（3）：V V反應(yīng)（4）：V V反應(yīng)（5）：V V反應(yīng)（6）：因為甲醇入塔氣里幾乎沒有含水量，則忽視其中的水分，經(jīng)反應(yīng)（3）（4）（5）可計算出反應(yīng)（2）（6）產(chǎn)生的水分為：992.28經(jīng)計算，合成反應(yīng)中原料氣消耗如表7所示。表7合成反應(yīng)中原料氣消耗消耗項單位消耗原料氣組分COCO2H2反應(yīng)（1）m3/h18013.19/36026.38反應(yīng)（3）m3/h0.525/1.05反應(yīng)（4）m3/h41.14/123.42反應(yīng)（5）m3/h114.51/229.03反應(yīng)（6）m3/h（1106.86）1106.861106.86同理可計算出合成過程各反應(yīng)的生成物產(chǎn)量，結(jié)果如表8所示。表8合成反應(yīng)中生成物情況生成項單位生成物組分CH4CH3OHCH3OCH3C4H9OHH2O反應(yīng)（1）Nm3/h/18013.19///反應(yīng)（3）Nm3/h//0.263/0.263反應(yīng)（4）Nm3/h41.14///41.14反應(yīng)（5）Nm3/h///28.6385.88反應(yīng)（6）Nm3/h////1106.86已知弛放氣的組成如表9所示。表9弛放氣組成氣體CH3OHH2COCO2N2ArCH4組成/v%0.6081.499.113.633.410.331.43其他情況原料氣消耗如表10所示。表10其他情況原料氣消耗消耗項單位原料氣消耗的組分COCO2H2N2ArCH4粗甲醇中溶解氣體Nm3/h22.06210.56118.119.886.5845.52擴散的甲醇Nm3/h10.73/21.46///弛放氣Nm3/h0.0911G0.0363G0.8149G0.0341G0.0033G0.0143G弛放氣中的甲醇Nm3/h0.006G/0.012G///注意：G是弛放氣的量（Nm3/h）4.1.3新鮮氣和弛放氣氣量經(jīng)甲醇合成工藝流程和質(zhì)量守恒定律可得出，消耗的每種成分的總量和新鮮氣體的攝入量應(yīng)相同，消耗的每種成分的總量和新鮮氣體的總量也應(yīng)相同。各組分的消耗總量如下所示：CO消耗總量：18013.19+0.525+41.14+114.51-1106.86+22.06+10.73+0.0911G+0.006G=17054.155+0.0971GCO2消耗總量：1106.86+210.56+0.0363G=1317.42+0.0363GH2消耗總量：36026.38+1.05+123.42+229.03+1106.86+118.11+21.46+0.8149G+0.012G=37626.31+0.8269GN2消耗總量：9.88+0.0341GAr消耗總量：6.58+0.0033GCH4消耗總量：45.52+0.0143G綜上可得出新鮮氣體各氣體組分的流量，如表11所示。表11新鮮氣體組成組分單位H2COCO2N2ArCH4流量Nm3/h37626.31+0.8269G17054.155+0.0971G1317.42+0.0363G9.88+0.0341G6.58+0.0033G45.52+0.0143G新鮮氣體總流量Nm3/h56059.865+1.012G合成氣中的惰氣（N2+Ar+CH4）=61.98+0.0517G，因此新鮮氣體總流量可表示為：56059.865+1.012G=即G=4036.17Nm3/h，則弛放氣一小時的流量為4036.17Nm3/h，則新鮮氣體的總流量是：G由此可計算出弛放氣、新鮮氣的組成，如表12，表13所示。表12弛放氣組成氣體CH3OHH2COCO2N2ArCH4組成/v%0.6081.499.113.633.410.331.43流量/（Nm3/h）24.223289.07367.70146.51137.6313.3257.72表13新鮮氣組成氣體H2COCO2N2ArCH4組成/v%68.1129.012.430.250.030.17流量/（Nm3/h）40963.8217445.911463.93147.5119.90103.24從上表可知，新鮮氣體中H24.1.4循環(huán)氣氣量的確定從質(zhì)量守恒定律和甲醇合成的工藝流程可得出：出塔氣量=G在式子中：GGGGG經(jīng)計算整理可得：

G可從甲醇物料守恒中得(合成塔出口氣體甲醇含量為5.85%)：G即：

G經(jīng)循環(huán)氣的組成可知循環(huán)氣中各組分流量如表14所示。表14循環(huán)氣組成氣體CH3OHH2COCO2N2ArCH4組成/v%0.6081.499.113.633.410.331.43流量/（Nm3/h）1904.00258588.6328908.3611518.9210820.801047.184537.764.1.5循環(huán)比和H2循環(huán)比：R=H2單程轉(zhuǎn)化率：XCO單程轉(zhuǎn)化率：XCO2單程轉(zhuǎn)化率：X4.1.6入塔氣和出塔氣的組成入塔氣的總流量：G出塔氣的總流量：G入塔氣各組分流量=新鮮其中組分流量+循環(huán)氣中組分流量由此入塔氣各組分流量：H2的流量：GCO的流量：GCO2的流量：GN2的流量：GAr的流量：GCH4的流量：GCH3OH的流量：G入塔氣總流量：377469.96Nm3/h，由此可計算出入塔氣中各組分的流量如表15表15入塔氣組成氣體CH3OHH2COCO2N2ArCH4組成/v%0.5079.3612.283.442.910.281.23流量/(Nm3/h)1904.00299552.4546354.2712982.8510968.311067.084641.00出塔氣各組分流量由此出塔氣各組分流量：H2的流量：GCO的流量：GCO2的流量：GN2的流量：GAr的流量：GCH4的流量：GCH3OH的流量：GH2O的流量：GCH3OCH3的流量：GC4H9OH的流量：G出塔氣總流量：341061.34Nm3/h表16出塔氣組成氣體組成/v%流量/(Nm3/h)CH3OH5.8519952.14H276.82261995.82CO8.5829256.82CO23.4811875.99N23.2210968.31Ar0.311067.08CH41.374682.14H2O0.361234.143CH3OCH3/0.263C4H9OH0.0128.634.1.7甲醇分離器的出口氣組成甲醇分離器出口氣體組成=甲醇分離器出口氣體各組分流量：H2的流量：GCO的流量：GCO2的流量：GN2的流量：GAr的流量：GCH4的流量：GCH3OH的流量：G甲醇分離器出口氣體的總流量是321268.32Nm3/h表17分離器出口氣體組成氣體CH3OHH2COCO2N2ArCH4組成/v%0.6081.499.113.633.410.331.43流量/(Nm3/h)1927.61261801.5529267.5411662.0410955.251060.194594.144.2能量衡算4.2.1甲醇合成塔熱量衡算（1）相關(guān)計算式：全塔熱平衡方程式：Q其中：Q1：入塔氣各氣體組分熱量，kJ/hQr:合成反應(yīng)與副反應(yīng)的反應(yīng)熱，kJ/hQ2:出塔氣各氣體組分的熱量，kJ/hQ3:合成塔的熱量損失，kJ/hQ4:沸騰水吸收的熱量，kJ/h入塔氣的總熱量：Q其中：G1：入塔氣各組分的流量，kmol/h;Cp1：入塔氣各組分的比熱容，T1：入塔氣體的溫度，K。入塔氣各組分熱量計算式：Q出塔氣的總熱量：Q其中：G1：出塔氣各組分的流量，kmol/hCp1：出塔氣各組分的比熱容，kJ/(T1：出塔氣體的溫度，K。出塔氣各組分熱量計算式：Q總反應(yīng)熱：Q其中：Qr1：甲醇，kJ/Qr2：甲烷，kJ/Qr3：二甲醚，kJ/Qr4：異丁醇，kJ/Qr5：水的生成熱，kJ/Qr6：CO2逆變反應(yīng)反應(yīng)熱，kJ/反應(yīng)熱的計算式：Q其中：Gr：各組分的生成量，kmol/hΔH：生成反應(yīng)的熱量變化，kJ/mol。（2）入塔熱量計算據(jù)《化學(xué)及化學(xué)物理性質(zhì)數(shù)據(jù)手冊》，各組分氣體在498.15K,5.2MPa下恒壓熱容如表18所示。表18入塔氣組分定壓熱容氣體CH3OHH2COCO2N2ArCH4熱容/[kJ/(kmol·K)]65.8329.1230.5747.6930.2321.5447.61因入塔氣溫度T1=498.15K，由此由Q1=C表19入塔氣各組分的熱量氣體熱容[kJ/(kmol·K)]流量流量入塔熱量CH3OH65.831904.0085.002787423.23H229.12299552.4513372.88193988709.01CO30.5746354.272069.3931513592.83CO247.6912982.85579.5913769188.35N230.2310968.31489.667373826.42Ar21.541067.0847.64511184.39CH447.614641.00207.194913908.97即入塔氣總熱量：Q=254857833.20kJ/h（3）塔內(nèi)反應(yīng)熱計算忽略甲醇合成塔反應(yīng)(2)產(chǎn)生的熱量，反應(yīng)(1)、(3)、(4)、(5)、(6)產(chǎn)生的熱量按式計算：Qr=G表20甲醇合成塔內(nèi)反應(yīng)熱氣體CH3OHCH3OCH3C4H9OHCH4CO生成熱(kJ/mol)9421?生成量(Nm3/18013.190.26328.6341.141106.86生成量(kmol/h)804.160.011.281.8449.41反應(yīng)熱(kJ/h)78590556.80496.20256499.20212869.60-2120677.20合成塔的總反應(yīng)熱為：Q（4）出塔熱量計算據(jù)《化學(xué)和化學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)手冊》，在528.15K和5.2MPa條件下，各成分氣體在恒壓下的熱容量為528.15K，出口氣體溫度為528.15K，由Q2=C表21出塔氣組分定壓熱容和出塔熱量氣體熱容[kJ/(kmol·K)]含量含量出塔熱量CH3OH65.8319952.14890.7230968654.95H229.12261995.8211696.24179884989.82CO30.5729256.821306.1121087858.43CO247.6911875.99530.1813353894.70N230.2310968.31489.667817899.07Ar21.541067.0847.64541969.36CH447.614682.14209.025255854.20CH3OCH396.300.2630.01508.61C4H9OH169.3528.631.28114486.02H2O35.361234.14355.101029013.66出塔氣的總熱量為：Q+508.61+114486.02+1029013.66=260055128.82kJ/h（5）全塔熱損失整個塔的熱損失約為4%，則合成塔的熱損失：Q（6）沸騰水吸熱計算由Q1Q經(jīng)計算，合成塔的熱量平衡如表22所示。表22合成塔的熱量平衡表氣體氣體顯熱反應(yīng)熱熱損失蒸汽吸收熱合計入塔氣(kJ/h)254857833.2076939744.60//331797577.80出塔氣(kJ/h)260055128.82/13271903.1158470545.87331797577.804.2.2入塔氣預(yù)熱器熱量衡算（1）進入換熱器的入塔氣熱量進入換熱器時，進入塔內(nèi)的氣體溫度為333.15K，各組分比熱容見《化學(xué)和化學(xué)物理性質(zhì)數(shù)據(jù)手冊》，各組分帶入換熱器的熱量按Qi=C表23入塔氣帶進換熱器的熱量氣體熱容[氣量氣量熱量CH3OH46.601904.0085.003961.00H228.92299552.4513372.88386743.69CO30.9246354.272069.3963985.54CO258.6612982.85579.5933998.75N231.0110968.31489.6615184.36Ar22.781067.0847.641085.24CH441.114641.00207.198517.58總計入塔氣帶進換熱器的熱量：Q（2）出換熱器的入塔氣熱量經(jīng)該工藝可獲得，換熱器的熱量轉(zhuǎn)化為塔氣并轉(zhuǎn)化為合成塔的相同熱量，然后換熱器轉(zhuǎn)化為塔氣熱量：Q（3）進換熱器的出塔氣熱量據(jù)工藝流程，進入換熱器的塔氣熱量與離開合成塔的塔氣熱量相同（忽略管路熱損失），則進入換熱器的塔氣熱量也相同：Q（4）出換熱器的出塔氣熱量經(jīng)換熱器的熱量衡算可知：當出塔氣進到換熱器后其能量會降低，這部分降低的能量用來給進入換熱器的入塔氣加熱，則入塔氣熱量增加的值等于出塔氣熱量減少的值。則，合成氣經(jīng)換熱器后熱量增加的量為：Δ則出換熱器的出塔氣熱量為：Q8=Q4.2.3水冷器的熱量計算（1）進入水冷器的出塔氣的熱量經(jīng)該工藝可知，出換熱器的出塔氣的熱量和進入水冷器的熱量時相同的，則Q（2）出水冷器的出塔氣的熱量從換熱器出來的出塔氣體經(jīng)水冷器進一步降溫后，溫度從90℃下降到40℃。出塔氣之中的甲醇氣液兩相共存，二甲醚，水和異丁醇為液態(tài)，CO，CO2，H2，氣相帶出的熱量：Q氣相總熱量：Q液相帶出的熱量：Q液相總熱量：Q則出水冷器的總熱量為：Q各組分從水冷器帶走的熱量如表24所示。表24各組分從水冷器帶走的熱量組分熱容[kJ/(kmol·K)]含量含量熱量CH3OH（液相）84.8318024.53804.6768260.16CH3OH（氣相）45.021927.6186.053873.97H228.88261995.8211696.24337787.41CO30.9229256.821306.1140384.92CO254.3411875.99530.1828809.98N230.8010968.31489.6615081.53Ar22.581067.0847.641075.71CH439.874682.14209.028333.63H2O75.011234.14355.104133.05CH3OCH367.850.2630.010.68C4H9OH194.5028.631.28248.96氣相帶出的熱量：Q氣相總熱量：Q液相帶出的熱量：Q液相總熱量：Q則出水冷器的總熱量為：Q（3）冷卻水的用量入口的冷卻水的溫度為25℃，出口的冷卻水的溫度為40℃，平均比熱容4.175kJ/(kg·℃)；冷卻水吸收熱量：ΔQ則冷卻水的用量：F冷卻水=ΔQ水冷器此工藝流程中是并用兩個一樣的水冷器，則每個水冷器用水量為137204.07kg/h，吸收的熱量為8592404.91kJ/h5主要設(shè)備的計算和選型[11]5.1甲醇合成塔的設(shè)計（1）傳熱面積傳熱溫度差10℃，傳熱量58470545.87kJ/h，合成塔總傳熱系數(shù)取298.87由公式Q=kA可知A=（2）出塔氣體積流量計算出塔氣的摩爾流量q=據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，5.2MPa，528.15K時合成氣的摩爾體積為：V則此時出塔氣的體積流量：q（3）催化劑用量設(shè)入塔氣空速為12000h-1，且入塔氣量為催化劑用量的體積為377469.96（4）傳熱管數(shù)量傳熱管采用材質(zhì)為00Cr18Ni5Mo3Si2的鋼，直徑為Ф32mm×2.5mm，長度9000mm。由公式A=3.14×d×L×n得n=由于要安裝6根拉桿，則實際數(shù)量為7116根。（5）合成塔殼體直徑合成塔中管子分布用正三角形排布，管間距a=45mm，殼體直徑：Di=a（b其中：a=45b=1.1×L=125mm則Di=ab-1（6）合成塔殼體厚度殼體材料采用13MNiMoNbR鋼，壁厚公式：S=PcDi/（2[σ]tФ其中：Pc：5.15MPaDi=4450mmФ=0.85[σ]t=190Mpa（取殼體溫度為50℃）即：S=5.15×4450/（2×190×0.85-5.15）=72.10mm取C1=1mm，C（7）合成塔封頭設(shè)計上、下封頭都用半球形封頭，選材同筒體。封頭內(nèi)徑為4450+2×80=4610，圓整后取4650mm由封頭厚度計算公式：S=PcD其中：Pc：5.15MpaDi=4650mmФ=0.85[σ]t=190Mpa（取殼體溫度為50℃）S=4650×5.15/（2×190×0.85-0.5×5.15）=74.74mm取C1=1mm，C2=3mm（8）管子拉脫力計算a.操作壓力下，脹接周圍產(chǎn)生的力（m2）：其中：f=0.844a2-（3.14/4）×do2=0.844×452-（3.14/4）×322=905.26P=5.15MPa，L=100mmqp=5.15×905.26/（3.14×32×100）=0.46MPa經(jīng)計算，甲醇合成塔設(shè)計計算結(jié)果如表25所示。表25甲醇合成塔設(shè)計計算結(jié)果項目管子殼體材質(zhì)ａ/（1/℃）E/MPa尺寸管子數(shù)管間距/mm管殼壁溫差/℃管子與管壁連接方式脹接長度/mm00Cr18Ni5Mo3Si217.42×10-60.180×106Ф32×2.5×900071164510開槽脹接L=10013MNiMoNbR12.25×10-60.186×106Ф254450×80b.溫差應(yīng)力導(dǎo)致脹接周圍拉脫力（m2其中：σt=aE（tt-ts）/（1+At/As）At=3.14/4×（do2-di2）n=3.14/4×（322-272）×7116=1647887.70mm2As=3.14×D×Sn=3.14×4450×80=1117840.00mm2σt=17.42×10-6×0.180×106×10/（1+1647887.70/1117840.00）=12.67qt=12.67×（322-272）/（4×32×100）=0.29已知Tt＞Ts，PtTt和Ts分別是管壁溫度和殼壁溫度；Pt為管側(cè)壓力4.9MPa；Ps是0.74MPa的殼側(cè)壓力，則可看出qt（9）折流板的確定折流板為弓形h=3/4Di=3/4×4450=3337.5mm，折流板數(shù)目為8，間距取1500mm，最小厚度28mm，材料為Q235-A鋼。拉桿Ф32，共（10）管板的確定管板直徑4450，厚度100mm，管板焊接在封頭和筒體之間。（11）支座的確定用裙座支座，其座體厚度55mm；基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)徑4100mm，外徑4600mm；地角螺栓公稱直徑M35，數(shù)量為6個。經(jīng)計算，合成塔設(shè)計匯總?cè)绫?6所示。表26合成塔設(shè)計匯總表筒體內(nèi)徑(mm)4450列管數(shù)目7116壁厚(mm)80管長9000封頭(半球型）半徑(mm)4650尺寸(mm)Ф32×2.5壁厚(mm)80折流板數(shù)目8拉桿尺寸(mm)Ф32高度(mm)3337.5數(shù)目18間距(mm)15005.2氣化爐的選型因為本設(shè)計采用GSP氣化工藝。目前已采用的氣化爐規(guī)格有三種，如表27[12]:表27GSP氣化爐的規(guī)格項目中型大型特大型規(guī)格/MV130400800投煤量/（t/d）72022004400氣化爐內(nèi)徑mm200029003650氣化路高度mm350052506700據(jù)本設(shè)計的需求，應(yīng)選擇規(guī)格為400MW、投煤量2200t/d的大型氣化爐。5.3甲醇合成廠主要設(shè)備一覽表表28甲醇合成廠主要設(shè)備一覽表序號流程號名稱規(guī)格或型號數(shù)量材料備注1R1001氣化爐￠2900mm113CrMo442R2002變換爐￠4000mm113CrMo443C7001壓縮機BCL456+2BCL40721臺備用4R7001合成塔￠4450mm113MNiMoNbR5E7002水冷器￠1000mm220R6V7002甲醇分離器￠2000mm27E7001入塔氣預(yù)熱器F=3600m2113MNiMoNbR8T8001預(yù)精餾塔￠3200×24000113CrMo449T8002加壓精餾塔￠4000×28000113MNiMoNbR10V9101精甲醇貯罐V=20000m3211T8003常壓精餾塔￠3200×28000113CrMo446合成車間設(shè)計[13]6.1廠房的整體布置據(jù)生產(chǎn)的工藝、特點、規(guī)模和建筑結(jié)構(gòu)進行了總體布局設(shè)計。（1）合成塔身比較高，因此選擇多層廠房；（2）車間工藝簡單，操作人員少，因此布局上只布置控制室、衛(wèi)生間等必要設(shè)施。配電室、機修室、實驗室可和其他車間共用，這里不考慮；（3）據(jù)車間設(shè)備情況，車間采用6×6米的柱網(wǎng)，車間寬度為6米。車間分3層，每層高4米。6.2合成車間設(shè)備布置設(shè)計車間設(shè)備布局設(shè)計，是在滿足生產(chǎn)工藝要求的基礎(chǔ)上，兼顧設(shè)備安裝和維護、安全生產(chǎn)、操作和發(fā)展來進行的。（1）采用流程式布置，甲醇膨脹罐和壓縮機放底層；甲醇分離器放二層；甲醇水冷卻器安三層；進氣換熱器安頂層；（2）由于甲醇膨脹罐和壓縮機體積較大，因此布置在最下層；（3）為了方便員工檢測和維修壓縮機，壓縮機應(yīng)安在專用的壓縮機廠房里，其上方不能安裝管道。主要通道應(yīng)按部件最大尺寸決定。（4）布置換熱器時原則上應(yīng)縮短管道的長度，入塔氣預(yù)熱器和甲醇水冷器應(yīng)盡可能靠近甲醇合成塔，且換熱器之間有連通的管道時它們的間距應(yīng)大于750mm，且換熱器和其他裝置的水平間距也應(yīng)大于0.6m。7非工藝專業(yè)要求7.1公用工程7.1.1水、電、汽的來源水主要來自周圍的地下水；電力主要由國家電網(wǎng)和工廠本身的燃料氣發(fā)電系統(tǒng)；蒸汽主要由廢熱鍋爐提供。7.1.2精甲醇的運輸﹑裝卸和貯存精制甲醇儲存在精制甲醇儲罐中，精制甲醇儲罐為兩個固定頂罐，容量為10000m向外運輸甲醇時，經(jīng)精甲醇泵把甲醇運到甲醇裝卸棧臺。經(jīng)火車鶴管進到火車槽車，經(jīng)汽車鶴管進到汽車槽車。7.1.3自控儀表在本設(shè)計采用一次儀表現(xiàn)場分散安裝，二次儀表就地安裝或部分集中控制。DCS擬采用電動三型儀表，DCS系統(tǒng)設(shè)置7個工作站，DCS系統(tǒng)由霍尼韋爾C200控制器，ExperionPKS工作站和ExperionPKS服務(wù)器組成[14]。包括甲醇生產(chǎn)系統(tǒng)5個工作站，公用工程2個工作站。生產(chǎn)過程主要的工藝參數(shù)、工藝流程圖等都集中在各工作站經(jīng)DSC系統(tǒng)顯示并控制，次要的參數(shù)和設(shè)定值不需要經(jīng)常調(diào)整，可就地顯示調(diào)節(jié)。7.2安全衛(wèi)生[15]7.2.1車間有毒氣體最高允許濃度和防超標措施車間中有毒氣體最高允許濃度如表29所示。表29車間有毒氣體最高允許濃度物質(zhì)一氧化碳氨硫化氫甲醇氧化氮二氧化硫最高允許濃度/（mg/m3）30301050510防止超標的措如下施：（1）杜絕泄漏，按最高標準管理設(shè)備、管道，泄漏率力爭達到5‰以下；（2）使廠房保持的通風(fēng)；（3）據(jù)有關(guān)安全技術(shù)規(guī)程規(guī)定，定期對進行塵毒檢查，必要場所要安裝毒物自動分析報警裝置。7.2.2CO中毒的癥狀、急救及預(yù)防措施當血液中的CO與血紅蛋白結(jié)合，血液會失去攜氧能力，使身體缺氧，就會CO中毒。表現(xiàn)為:頭痛、心悸、乏力等，嚴重的會昏迷、抽搐，甚至死亡。急救方法：（1）迅速將受傷者疏散出中毒區(qū)域，待在通風(fēng)良好的地方不動并保持溫暖；（2）解開受害者襯衫的衣領(lǐng)、褲子的腰帶和所有不利于呼吸的東西，面朝上，確保氣道暢通；（3）對于嚴重中毒的人，要及時向醫(yī)生報告讓其吸氧，如果呼吸停止了要立刻進行心臟按壓。預(yù)防措施：在廠區(qū)內(nèi)要加強通風(fēng)，進入一氧化碳濃度高的環(huán)境時，必須佩戴氧氣面罩進行操作。7.2.3甲醇生產(chǎn)中的防火和防爆因甲醇易燃易爆，據(jù)甲醇生產(chǎn)特點，應(yīng)采取以下防火措施：（1）儲罐和儲運管道周圍嚴禁火源，且有明顯的標志；（2）車間內(nèi)不得儲存易燃物質(zhì)，溝渠應(yīng)保持通暢，加強車間的通風(fēng)；（3）牢固接地，防止靜電；（4）有必備的消防器材。爆炸分為化學(xué)爆炸和物理爆炸。生產(chǎn)甲醇也有可能發(fā)生這兩種爆炸，為了防止此類事件發(fā)生，要注意下面這幾點：（1）嚴格執(zhí)行壓力容器和壓力設(shè)備用管理的有關(guān)規(guī)定，未經(jīng)培訓(xùn)不得上崗。（2）運行中不準超溫、超壓，提高設(shè)備使用等級。（3）壓力容器、管道安全設(shè)施齊全。8三廢處理8.1甲醇生產(chǎn)對環(huán)境的污染8.1.1廢氣（1）甲醇膨脹罐中的CO和有機毒物；（2）鍋爐中排放的煙氣粉塵；（3）選煤系統(tǒng)輸煤、破碎、篩分和干燥過程中產(chǎn)生的粉塵。8.1.2廢水（1）分離器排出的油、水和輸送泵填料泄漏；（2）甲醇生產(chǎn)時，精餾塔底部排放出來的殘液對水源的污染最為嚴重；（3）氣化工段中的含煤水。8.1.3廢渣（1）來自氣化爐底部爐渣、鍋爐爐渣和飛灰；（2）含有貴金屬的廢催化劑。8.2處理方法8.2.1廢氣處理甲醇精餾系統(tǒng)各塔的不凝氣和膨脹管的膨脹氣作為燃料送入燃氣系統(tǒng)；經(jīng)高效旋流分離將鍋爐煙氣中85%的煙灰去除，然后送入選煤系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)干燥機。鍋爐煙氣余熱用于加熱原料回收余熱后，原煤破碎篩分產(chǎn)生的粉塵經(jīng)布袋除塵后排放到大氣中。8.2.2廢水處理煤氣化工段來自氣化爐激冷室和洗滌塔的黑水送至黑水處理系統(tǒng)，黑水是有機污染物負荷（營養(yǎng)物質(zhì)和病原體）的主要部分，盡管其體積小于灰水[16]，但還是需要盡量將其去除；黑水處理后的灰水大部分在循環(huán)利用；CO變換工段來自煤氣水分離器和冷凝液閃蒸槽的污水去污水處理系統(tǒng)；常壓精餾塔塔底排放的殘液采