年產(chǎn)22萬噸甲醇合成工藝設(shè)計畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 返回反應(yīng)器 ， 而 KPT 則提出將未反應(yīng)氣體送往膜分離器 ， 并將氣體分為富含氫氣的氣體 ， 前者作燃料用 ， 后者返回反應(yīng)器。 （ 4）液相合成工藝 傳統(tǒng)甲醇合成采用氣相工藝 ， 不足之 處是原料單程轉(zhuǎn)化率低、合成氣凈化成本高、能耗高。相比之下 ， 液相合成由于使用了比熱容高、導(dǎo)熱系數(shù)大的長鏈烷烴化合物作反應(yīng)介質(zhì) ， 可使甲醇合成在等溫條件下進(jìn)行。 根據(jù)以上所介紹的甲醇物化性質(zhì)、主要用途、發(fā)展前景等，我們可以看出其在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要地位，在國民經(jīng)濟(jì)中的重要意義。隨后將對甲醇的合成方法做進(jìn)一步的介紹，以便選擇合適的反應(yīng)器和工藝流程。 8 第 2 章 甲醇的合成工藝確定 甲醇合成的方法 當(dāng)今 ， 按照壓力來分類 ， 甲醇生產(chǎn)技 術(shù) 有高壓法、中壓法、低壓法三種，其中 主要采用中壓法和低壓法 這 兩種工藝 ， 并且以低壓法為主 ， 這兩種方法生產(chǎn)的甲醇約占世界甲醇產(chǎn)量的 80%以上 ]16[ 。 高壓法 ()：是最初生產(chǎn)甲醇的方法 ， 采用鋅鉻催化劑 ， 反應(yīng)溫度 360400℃ ，壓力 。高壓法由于原料和動力消耗大 ， 反應(yīng)溫度高 ， 生成粗甲醇中有機雜質(zhì)含量高 ， 而且投資大 ， 其發(fā)展長期以來處于停頓狀態(tài)。 低壓法 ( Mpa)：是 20 世紀(jì) 60 年代后期發(fā)展起來的甲醇合成技術(shù) ， 低壓法基于高活性的銅基催化劑 ， 其活性明顯高于鋅鉻催化劑 ， 反應(yīng)溫度低 (240270℃ )。在較低壓力下可獲得較高的甲醇收率 ， 且選擇性好 ， 減少了副反應(yīng) ， 改善了甲醇質(zhì)量 ， 降低了原料消耗。此外 ， 由于壓力低 ， 動力消耗降低很多 ， 工藝設(shè)備制造容易。 中壓法 ( Mpa)：隨著甲醇工業(yè)的大型化 ， 如采用低壓法勢必導(dǎo)致工藝管道和設(shè)備較大 ， 因此在低壓法的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高合成壓力 ， 即發(fā)展成為中壓法。中壓法仍采用高活性的銅基催化劑 ， 反應(yīng)溫度與低壓法相同 ， 但由于提高了壓力 ， 相應(yīng)的動力消耗略有 增加。 按照原料的不同 ， 甲醇的生產(chǎn)方法還主要有 ① 甲烷直接氧化法 ， ② 由一氧化碳和氫氣合成甲醇 ， ③ 液化石油氣氧化法 ]17[ 。 比較以上三者的優(yōu)缺點 ， 以投資成本 ， 生產(chǎn)成本 ， 產(chǎn)品收率為依據(jù) ， 選擇低壓法生產(chǎn)甲醇的工藝 ， 用 CO 和 H2 在加熱壓力下 ， 在催化劑作用下合成甲醇 ， 其主要反應(yīng)式為：CO+H2→CH 3OH。 甲醇合成反應(yīng)的主要原理 合成工段： 5MPa 下 使用 銅基催化劑 ，以 H2 、 CO 等氣體為原料， 在催化 作用下發(fā)生下列 一 些 反應(yīng) ]18[ 主反應(yīng) ： CO+2H2?CH3OH+ KJ/mol (21) 副反應(yīng) ： 2CO+4H2?(CH3)2O+H2O+ KJ/mol (22) 9 合 成 塔 水 冷 器 甲 醇 分 離 器 循 環(huán) 器 CO+3H2?CH4+H2O+ KJ/mol (23) 4CO+8H2?C4H9OH+3H2O+ KJ/mol (24) CO2+H2?CO+ KJ/mol (25) 除（ 25）外 ， 副反應(yīng)的發(fā)生 ， 都增大了 CO 的消耗量 ， 降低了產(chǎn)率 ， 故應(yīng)盡量減少 該副反應(yīng)。 甲醇的工藝流程 ， 為使反應(yīng)達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率 ， 應(yīng)迅速移走反應(yīng)熱。 所以 本設(shè)計采用 Lurgi管殼式反應(yīng)器 ， 管程走反應(yīng)氣 ， 殼程走 4MPa 的沸騰水。 ， 經(jīng)預(yù)熱加壓 ， 于 5 Mpa、 220 ℃ 下 ， 從上到下進(jìn)入 Lurgi反應(yīng)器 ，在銅基催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng) ， 出口溫度為 250 ℃ 左右 ， 甲醇 7%左右 ， 因此 ， 原料氣必須循環(huán) ， 合成工序配置原則為圖 21。 粗甲醇 馳放氣 圖 21 合成工序配置原則 新鮮氣 10 包 圖 22 Lurgi 低壓法甲醇合成工藝流程 這個流程是德國 Lurgi 公司開發(fā)的甲醇合成工藝 ， 流程采用管殼式反應(yīng)器 ， 催化劑裝在管內(nèi) ， 反應(yīng)熱由管間沸騰水放走 ， 并副產(chǎn)中壓蒸汽 ]19[ 。 來自脫碳裝置的新鮮氣（ 40℃ ， ）與循環(huán)氣一起經(jīng)甲醇合成氣壓縮機壓縮至 后 ， 經(jīng)過入塔氣預(yù)熱器加熱到 225℃ ， 進(jìn)入甲醇合成塔內(nèi) ， 甲醇合成氣在催化劑作用下發(fā)生如下反應(yīng)： CO + 2H2 = CH3OH + Q CO2 + 3H2 = CH3OH + H2O + Q 甲醇合成塔為列管式等溫反應(yīng)器 ， 管內(nèi)裝有活性較高的 XNC98 型甲醇合成催化劑 ， 管外為沸騰鍋爐水。 反應(yīng)放出的大量的熱量 ， 通過列管管壁傳給鍋爐水 ， 進(jìn)而產(chǎn)生大量中壓蒸汽（ 飽和蒸汽） ， 該蒸汽減壓后送至蒸汽管網(wǎng)。副產(chǎn)的蒸汽確保了甲醇合成塔內(nèi)反應(yīng)趨于恒定 ，且反應(yīng)溫度也可通過副產(chǎn)蒸汽的壓力來調(diào)節(jié)。 11 甲醇合成塔出來的合成氣（ 255℃ ， ） ， 經(jīng)入塔氣預(yù)熱器、鍋爐水冷凝器、甲醇水冷器 ， 進(jìn)入甲醇分離器 ， 粗甲醇在此被分離。分離出的粗甲醇進(jìn)入甲醇膨脹槽 ， 被減壓至 后送至精餾裝置。而甲醇分離器分離出的 混合氣則與新鮮氣按一定比例混合后升壓送至甲醇合成塔繼續(xù)進(jìn)行合成反應(yīng)。 從甲醇分離器出來的循環(huán)氣在加壓前需排放一部分弛放氣 ， 以保持整個循環(huán)回路惰性氣體的恒定。弛放氣減壓后送去燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)；甲醇膨脹槽頂部排出的膨脹氣送去燃料氣系統(tǒng)。 合格的鍋爐給水來自變換裝置；循環(huán)冷卻水來自界區(qū)外部。 合成塔出來的蒸汽進(jìn)入汽包 ， 通過調(diào)節(jié)汽包的壓力可以控制反應(yīng)溫度 ， 汽包下部用來排污 ， 經(jīng)排污膨脹槽膨脹減壓后就地排放。 甲醇合成塔的選擇 甲醇合成反應(yīng)器實際是甲醇合成系統(tǒng)中最重要的設(shè)備。從操作結(jié)構(gòu) ， 材料及維修等方面考慮 ， 甲醇合成反應(yīng)器應(yīng)具有以下要求： （ 1）催化劑床層溫度易于控制 ， 調(diào)節(jié)靈活 ， 能有效移走反應(yīng)熱 ， 并能以較高位能回收反應(yīng)熱； （ 2）反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)合理 ， 能保證氣體均勻通過催化劑床層 ， 阻力小 ， 氣體處理量大 ，合成轉(zhuǎn)化率高 ， 催化劑生產(chǎn)強度大； （ 3）結(jié)構(gòu)緊湊 ， 盡可能多填裝催化劑 ， 提高高壓空間利用率；高壓容器及內(nèi)件間無滲漏；催化劑裝 卸 方便；制造安裝及維修容易。 甲醇合成塔主要由外筒、內(nèi)件和電加熱器三部分組成 ]20[ 。內(nèi)件 是 由催化劑筐和換熱器兩部分組 成。根據(jù)內(nèi)件的催化劑筐和換熱器的結(jié)構(gòu)形式不同 ， 甲醇內(nèi)件 分 為若干類型。 按氣體在催化劑床的流向可分為：軸向式、徑向式和軸徑復(fù)合型。 按催化劑筐內(nèi)反應(yīng)熱得移出方式可分為冷管型連續(xù)換熱式和冷激型多段換熱式兩大類。 按換熱器的形式分為列管式、螺旋板式、波紋板式等多種形式。 目前 ， 國內(nèi)外的大型甲醇合成塔塔型較多 ， 歸納起來可分為五種 ]21[ ： （ 1）冷激式合成塔 這是最早的低壓甲醇合成塔 ， 是用進(jìn)塔冷氣冷激來帶走反應(yīng)熱。該塔結(jié)構(gòu)簡單 ， 也 適于大型化。但碳的轉(zhuǎn)化率低 ， 出塔的甲醇濃度低 ， 循環(huán)量大 ， 能耗高 ， 又不能副產(chǎn)蒸汽 ， 12 現(xiàn)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)置足夠換熱面積的冷氣管 ， 用進(jìn)塔冷管來移走反應(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 形冷管。如 1984 年 ICI 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。日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 ， 同時可副產(chǎn) ～ 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列管換熱器 ， 催化劑在管內(nèi) ， 管間（殼程 )是沸騰水 ， 將反應(yīng)熱用于副產(chǎn) ～ 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合成塔 ， 該塔是 在列管內(nèi)再增加一小管 ， 小管內(nèi)走進(jìn)塔的冷氣 ]20[ 。進(jìn)一步強化傳熱 ， 即反應(yīng)熱通過列管傳給殼程沸騰水 ， 而同時又通過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 ， 然而使合成塔的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。固定管板列管合成塔雖然可用于大型化 ， 但受管長、設(shè)備直徑、管板制造所限。在日產(chǎn)超過 20xxt 時 ， 往往需要并聯(lián)兩個。這種塔型是造價最高的一種 ， 也是裝卸催化劑較難的一種。隨著合成壓力增高 ， 塔徑加大 ， 管板的厚度也增加。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。日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。針對甲醇合成的特點采用四床（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)簡單 ， 造價低 ， 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。典型塔型有 Casale 的四床臥式內(nèi)換熱合成塔和中國成達(dá)公司的四床內(nèi)換熱式合成塔。 13 綜上所述和借鑒大型甲醇合成企業(yè)的經(jīng)驗 ， （大型裝置不宜選用激冷式和冷管式） ， 設(shè)計選用固定管板列管合成塔。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 ， 雖然設(shè)備復(fù)雜、投資高 ， 但是由于這種塔在國內(nèi)外使用較多 ， 具有豐富的管理和維修經(jīng)驗 ， 技術(shù)也較容易得到；外加考慮到設(shè)計的是年產(chǎn) 22 萬噸的甲醇合成塔（日產(chǎn)量為 700噸左右） ， 塔的塔徑和管板的厚度不會很大 ， 費用也不會很高 ， 所以本設(shè)計采用了固定管板 式 列管合成塔。 根據(jù)以上甲醇合成塔的選擇和工藝流 程的確定，以下通過物料衡算，熱量衡算來驗證一下選擇的合理性。 14 甲 醇 合 成 塔 分離器 貯 罐 冷凝凝凝 器 第 3章 工藝計算 甲醇生產(chǎn)的物料平衡計算 新鮮氣 循環(huán)氣 弛放氣 入塔氣 醇后氣 粗甲醇 圖 合成塔物料流程圖 一、已知條件： (1)年生產(chǎn)能力：年產(chǎn) 220xx0 噸甲醇 ， 精 甲醇中甲醇含量 (wt%)： % （ 2）年工作日：每年以 300 個工作日計 （ 3）產(chǎn)品粗甲醇組成的 (wt%) ]21[ ： [Lurgi 低壓合成工藝 ] 表 粗甲醇組成 組 分 甲醇 輕組分 [以二甲醚(CH3)2O 計 ] 重組分 [以異丁醇C4H9OH 計 ] 水 質(zhì)量組成 % 二、根據(jù)已知條件進(jìn)行計算：新鮮氣、循環(huán)氣、入塔氣、出塔氣 根據(jù)題意 ， 則時產(chǎn)精甲醇： 1000220xx0 ??? Kg/h 時產(chǎn)粗甲醇： % % ?? Kg/h (1)合成甲醇的化學(xué)反應(yīng)為： 主反應(yīng)： CO+2H2?CH3OH+ KJ/mol （ 31） 15 副反應(yīng)： 2CO+4H2?(CH3)2O+H2O+ KJ/mol （ 32） CO+3H2?CH4+H2O+ KJ/mol