化工工程与工艺毕业论文

化工工程与工艺毕业论文内容摘要：

业设计（论文） 16 般设在甲醇分离器后循环气中惰性气体浓度最大的地方。 两段法串联甲醇合成工艺流程 叙述 很明显，传统的甲醇合成工艺流程中， 由于气体只经过一联反应，其单程转化率很低。 这样势必将大量的未反应气体加压后循环使用，造成极大的动力消耗，同时由于单程转化率低，气体中甲醇的浓度极地，增加了甲醇分离器的负荷。 两段法串联合成工艺是将两个甲醇反应器串联连接起来，使气体逐联反应，并从工艺设计上使床层的温度分布尽可能的沿最佳反应温度曲线分布，这样在提高反应速率的同时使反应平衡尽可能向生成甲醇的方向移动，从而使有效气体的单程转化率得到较大提高，在同样设备的条件下较好克服了单联反应工艺流程的缺点，能够大幅增加装置的产能。 其工艺流程简图如图 2－ 2 所示。 两段法串联合成工艺流程叙述： 从新鲜气压缩（ C52020） 来的 、 80℃的新鲜气与从循环气压缩机（ 循环气压缩机） 来的 、 40℃的循环气混合，混合气成为合成气，合成气总量为 105NM3/h，首先经过合成气调温空冷器（ AE52020）和（ E52020）根据工艺需要调整到一定的温度，然后从底部进入气冷甲醇合成塔 R52020 管程，将壳程催化剂床层的反应热移出同时提高自身温度，出来后合成气体温度大约为 200℃，然后再经合成气中间换热器（ E52020）最终 升温到 230℃左右，进 入到水冷甲醇合成塔（ R52020A/B） 催化剂床层内进行第一联甲醇合成反应，第一联反应后温度约 260℃的反应气从水冷反应器合成塔底部出来，首先经过中间换热器 E52020 预热入水冷塔的合成气，自身温度同时被降低到 230℃，然后再进入气冷甲醇反应器（ R52020） 管间进行第二联合成甲醇反应反应，最终反应后出来的气体温度为 200－ 210℃，进入汽包给水预热器（ E52020）回收热量，再经空冷器AE520甲醇水冷器 E52020A/B 冷却到 40℃进入甲醇分离器 D－ 52020 分 离出粗甲醇，分离后的气体 一部分返回到循环机加压后循环利用，以提高气体的利用率，另一少部分作为驰放气送到 PSA 回收氢气组分。 分离出的粗甲醇经闪蒸后送往精馏工序进行精馏。 北京化工大学毕业设计（论文） 17 图 2－ 2 两段法串联甲醇合成工艺流程 图 位号说明： CT52020－蒸汽透平机； C52020－新鲜气压缩机； C52020－循环气压缩机 AE52020－调温空冷器； D－ 52020甲醇分离器； E52020－调温水冷器； E52020－汽包给水预热器； R52020－气冷甲醇反应器； R52020A/B－水冷甲醇反应器； E52020－中间换热器； D52020－水冷反应器汽包； J52020AD－开工蒸汽喷射器 AE52020－甲醇空冷器； E52020A/B－甲醇水冷器 在该工艺中， 水冷甲醇反应器 R52020 A/B 的结构与有垂直换热管和固定管板的立式壳管式热交换器非常相似。 反应器内的管中装满甲醇催化剂，反应气则从其顶部一直流至其底部， H2 与 CO 和 CO2 之间的合成反应就在这些装满催化剂的管子里进行。 在反应器半球形底部，底部管板和多孔锥形筐之间装填满惰性小球，这些小球就是支撑催化剂的载体。 在列管壳侧被从汽包下来处于沸腾状态的沸水包围，这些沸水 在壳侧利用催化剂床层的反应热被加热，上升进入汽包内，从而依据虹吸的原理不停的在汽包和水冷反应器壳侧之间循环流动，通过这样的自身循环流动，可将甲醇合成反应时产生的大量热能及时移出，使催化剂床层温度保持稳定并处在等温的状态，确保反应的高转化率，并消除由过热而造成的催化剂损坏。 北京化工大学毕业设计（论文） 18 从汽包 D52020 底部流出的锅炉用水，会通过液体分配器进入水冷甲醇反应器底部的管侧，然后通过热虹吸作用，上升至顶部出口处进入汽包内。 从反应器管侧排出的蒸汽 水混合物，将在汽包 D52020 中分离，然后，汽包 D52020 会通过压力控制阀 排放出饱和的中压蒸汽，而其中的水则流回反应器。 补给水由界区外的锅炉给水泵在液位控制器的控制下经锅炉给水预热器 E52020 供入。 汽包蒸汽排出口处的压力控制器控制着汽包的压力同时相应也控制者反应器壳侧的沸水压力，并因此控制着水的沸点，从而控制反应器内催化剂床层的反应温度。 在这里，甲醇合成塔即是反应器又是废热锅炉，由于反应温度可以通过汽包压力进行控制，从而可以实现良好的温度恒定，这有效抑制了副反应的发生，延长了催化剂的使用寿命，特别在操作条件发生变化时（如循环机故障），催化剂也没有超温的危险。 气冷甲醇反应器 R52020 是一个长的立式壳管式热交换器。 从压缩工序送来的合成气，通过气体分布器经反应器管子从反应器的底部流至反应器的顶部。 在该反应器的壳侧装填甲醇合成催化剂，底部下管板和多孔锥形筐之间装填满惰性小球，这些小球承载着催化剂。 从反应器 R52020 A/B 排出的经过初步反应的气体从反应器的顶部进入壳侧的催化剂床层，并在温度持续降低的条件下完成最后的甲醇合成反应，最终反应后的气体从底部出来。 在这里，壳侧反应气与管程的合成气逆流换热，反应生成的热量则用于预热管内的合成气体。 该工艺中，调温空冷器 AE52020 和调温水冷器 E52020，循环压缩机组的出口到气冷反应器 R52020 之间，合成气管线到中间换热器 E52020 之间均设有调节近路，即副线，通过这些换热设备的副线，则可以调节水冷反应器入口以及气冷反应器管、壳入口和出口的气体温度，从而可以使两段法串联合成工艺操作温度达到最佳的反应温度曲线要求。 因此，两段法串联甲醇合成工艺较好解决了 CO、 CO2 和 H2 生成甲醇反应中的热力学及动力学的矛盾，生产中两台水冷反应器只装载了 1/3 的催化剂，但反应温度较高，为 260℃，所以反应速率很快，可以承担总反应总量 50％以上的 反应负荷，余下的合成气在在气冷反应器中进行，该反应器中装载了 2/3 的催化剂量，反应温度较低，为 210－ 230℃，而且反应温度逐渐下降，因而更有利于反应平衡向生成甲醇的反应移动，使反应气体的单程转化率提高了一倍，也使循环比下降了一半以上，能耗降低了一半，在提高装置生产强度的同时，大幅降低了生产成本。 对于超过百万吨以上产能的单系列甲醇工艺来说，传统的甲醇合成工艺设计已经无法实现，首先是合成反应器设备过大，塔径一般都要超过 米以上，在设计、制造和运输北京化工大学毕业设计（论文） 19 等方面都十分困难，因此大型的单系列甲醇装置必须考虑反应器相 组合的联合型甲醇生产工艺，设备可以采用国内外最近开发的大型甲醇合成设备，通过合理的组合，达到提高产能，节约投资，增大收益的目的。 通过等温型的管壳式反应器串联冷管式的气冷反应器相组合，形成两段串联联合甲醇生产工艺，可以有效的提高气体的单程转化率、大幅增加装置的生产能力，有效降低能耗，具有优越的综合经济效益。 而且该工艺流程简单，热能利用效率较高，投资少，具有很广的发展前景。 其与传统工艺对比情况见表 5－ 1。 表 5－ 采用传统工艺和两联回路工艺的甲醇装置比较 两段法串联甲醇合成工艺的物料数据 Lurgi（鲁奇公司）近几年较好开发了组合型甲醇生产工艺，并设计了年产 200 万吨的单系列装置，在中东地区 Lurgi（鲁奇公司）的两段法串联甲醇装置已经建成投产，运行情况良好； 2020 年，又在我国的内蒙地区设计建造了年产 180 万吨的单系列甲醇装置，目前正在建设，预计 2020 年既可以投产，采用的也是 Lurgi组合型 甲醇工艺技术。 根据有关信息资料， Lurgi（鲁奇公司）设计的单系列年产 180 万吨的甲醇装置工艺物料数据见表 2－ 2。 项目 传统工艺 两联回路工艺 生产能力，吨 /天 天然气消耗，百万 BTU/吨甲醇 投资费用， % 操作成本， % 生产成本， % 2500 30 100 100 100 5000 130 97 79 北京化工大学毕业设计（论文） 20 表 2－ 2 180 万吨 /a 两段法串联合成工艺物料数据表（ 1） 序号 物料编号 52020 52020 52020 52020 1 名称 AE52020 内的合成气 C52020 输出的合成气 D52020 内的粗甲醇 C52020 出口循环气 2 相态 蒸汽 /液体 蒸汽 蒸汽 /液体 蒸汽 3 总流量 / kmol/h 4 总流量 / kg/h 5 液体 蒸汽 液体 蒸汽 液体 蒸汽 液体 蒸汽 6 总流量 / Nm179。 /h 7 质量流量 / Kg/h 8 摩尔流量 / kmol/h 9 摩尔重量 / kg/kmol 10 有效密度 / kg/m179。 11 常规密度 / kg/Nm179。 12 比热容量 / kJ/kg K 13 粘度 / mPa s 14 导热性 / W/m K 15 摩尔分数 /% 16 质量分数 /% 17 温度 /176。 C 70 150 40 54 18 压力 / MPa(a) 19 物料组分 20 组份 摩尔质量 wt % mol% wt % mol% wt % mol% 21 CO2 22 CO 23 H2 24 CH3OH 25 H2O 26 Ar 27 N2 28 O2 29 CH4 30 C2H6 31 C3H8 北京化工大学毕业设计（论文） 21 32 C4H10 33 C5H12 34 C6H14 35 低沸物 36 高沸物 备注： 1) 标准状况是指 T= K 和 p= 巴 2) 除非另有说明，压力是表压。 表 2－ 2 180 万吨 /a 两段法串联合成工艺物料数据表（ 2） 序号 物料编号 52020 52020 52020 52020 1 名称 水冷甲醇反应器进料气体 水冷反应器出口 气冷反应器出口（壳程） E52020 中的合成气 2 相态 蒸 汽 蒸汽 蒸汽 蒸汽 3 总流量 / kmol/h 4 总流量 / kg/h 5 液体 蒸汽 液体 蒸汽 液体 蒸汽 液体 蒸汽 6 总流量 / Nm179。 /h 1228418 1019792 933391 7 质量流量 / Kg/h 8 摩尔流量 / kmol/h 9 摩尔重量 / kg/kmol 10 有效密度 / kg/m179。 11 常规密度 / kg/Nm179。 12 比热容量 / kJ/kg K 13 粘度 / mPa s 14 导热性 / W/m K 15 摩尔分数 /% 16 质量分数 /% 17 温度 /176。 C 82 261 209 170 18 压力 / MPa(a) 19 物料组分 20 组份 摩尔质量 wt % mol% wt % mol% wt % mol% wt % mol% dam 北京化工大学毕业设计（论文） 22 21 CO2 22 CO 23 H2 24 CH3OH 25 H2O 26 Ar 27 N2 28 O2 29 CH4 30 C2H6 31 C3H8 32 C4H10 33 C5H12 34 C6H14 35 低沸物 36 高沸物 备注： 1) 标准状况是指 T= K 和 p= 巴 2) 除非另有说明，压力是表压。 dam 北京化工大学毕业设计（论文） 23 第三章 甲醇合成设备 甲醇合成设备概述 甲醇合成塔内件的形式繁多，内件的核心是催化剂筐，他的设计好坏直接影响常量和消耗定额，一个好的反应器设计应具备以下的条件： （ 1）工艺性能优良，能保证催化剂在升温、还原过程中操作正常、还原充分，尽可能的提高催化剂的活性， 合成率高 ，吨醇原料气耗少，产品质量好，杂质少，系统能 达到最大的生产强度。 （ 2）能有效的移出反应热，合理的控制催化剂床层的温度分布，使其逼近最佳操作温度曲线，提高甲醇净。