年产22万吨甲醇合成工艺设计毕业论文(编辑修改稿)

年产22万吨甲醇合成工艺设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

返回反应器 ， 而 KPT 则提出将未反应气体送往膜分离器 ， 并将气体分为富含氢气的气体 ， 前者作燃料用 ， 后者返回反应器。 （ 4）液相合成工艺 传统甲醇合成采用气相工艺 ， 不足之 处是原料单程转化率低、合成气净化成本高、能耗高。 相比之下 ， 液相合成由于使用了比热容高、导热系数大的长链烷烃化合物作反应介质 ， 可使甲醇合成在等温条件下进行。 根据以上所介绍的甲醇物化性质、主要用途、发展前景等，我们可以看出其在工农业生产中的重要地位，在国民经济中的重要意义。 随后将对甲醇的合成方法做进一步的介绍，以便选择合适的反应器和工艺流程。 8 第 2 章 甲醇的合成工艺确定 甲醇合成的方法 当今 ， 按照压力来分类 ， 甲醇生产技 术 有高压法、中压法、低压法三种，其中 主要采用中压法和低压法 这 两种工艺 ， 并且以低压法为主 ， 这两种方法生产的甲醇约占世界甲醇产量的 80%以上 ]16[。 高压法 ()：是最初生产甲醇的方法 ， 采用锌铬催化剂 ， 反应温度 360400℃ ，压力。 高压法由于原料和动力消耗大 ， 反应温度高 ， 生成粗甲醇中有机杂质含量高 ， 而且投资大 ， 其发展长期以来处于停顿状态。 低压法 ( Mpa)：是 20 世纪 60 年代后期发展起来的甲醇合成技术 ， 低压法基于高活性的铜基催化剂 ， 其活性明显高于锌铬催化剂 ， 反应温度低 (240270℃ )。 在较低压力下可获得较高的甲醇收率 ， 且选择性好 ， 减少了副反应 ， 改善了甲醇质量 ， 降低了原料消耗。 此外 ， 由于压力低 ， 动力消耗降低很多 ， 工艺设备制造容易。 中压法 ( Mpa)：随着甲醇工业的大型化 ， 如采用低压法势必导致工艺管道和设备较大 ， 因此在低压法的基础上适当提高合成压力 ， 即发展成为中压法。 中压法仍采用高活性的铜基催化剂 ， 反应温度与低压法相同 ， 但由于提高了压力 ， 相应的动力消耗略有 增加。 按照原料的不同 ， 甲醇的生产方法还主要有 ① 甲烷直接氧化法 ， ② 由一氧化碳和氢气合成甲醇 ， ③ 液化石油气氧化法 ]17[。 比较以上三者的优缺点 ， 以投资成本 ， 生产成本 ， 产品收率为依据 ， 选择低压法生产甲醇的工艺 ， 用 CO 和 H2 在加热压力下 ， 在催化剂作用下合成甲醇 ， 其主要反应式为：CO+H2→CH 3OH。 甲醇合成反应的主要原理 合成工段： 5MPa 下 使用 铜基催化剂 ，以 H2 、 CO 等气体为原料， 在催化 作用下发生下列 一 些 反应 ]18[ 主反应 ： CO+2H2CH3OH+ KJ/mol (21) 副反应 ： 2CO+4H2(CH3)2O+H2O+ KJ/mol (22) 9 合 成 塔 水 冷 器 甲 醇 分 离 器 循 环 器 CO+3H2CH4+H2O+ KJ/mol (23) 4CO+8H2C4H9OH+3H2O+ KJ/mol (24) CO2+H2CO+ KJ/mol (25) 除（ 25）外 ， 副反应的发生 ， 都增大了 CO 的消耗量 ， 降低了产率 ， 故应尽量减少 该副反应。 甲醇的工艺流程 ， 为使反应达到较高的转化率 ， 应迅速移走反应热。 所以 本设计采用 Lurgi管壳式反应器 ， 管程走反应气 ， 壳程走 4MPa 的沸腾水。 ， 经预热加压 ， 于 5 Mpa、 220 ℃ 下 ， 从上到下进入 Lurgi反应器 ，在铜基催化剂的作用下发生反应 ， 出口温度为 250 ℃ 左右 ， 甲醇 7%左右 ， 因此 ， 原料气必须循环 ， 合成工序配置原则为图 21。 粗甲醇 驰放气 图 21 合成工序配置原则 新鲜气 10 包 图 22 Lurgi 低压法甲醇合成工艺流程 这个流程是德国 Lurgi 公司开发的甲醇合成工艺 ， 流程采用管壳式反应器 ， 催化剂装在管内 ， 反应热由管间沸腾水放走 ， 并副产中压蒸汽 ]19[。 来自脱碳装置的新鲜气（ 40℃ ， ）与循环气一起经甲醇合成气压缩机压缩至 后 ， 经过入塔气预热器加热到 225℃ ， 进入甲醇合成塔内 ， 甲醇合成气在催化剂作用下发生如下反应： CO + 2H2 = CH3OH + Q CO2 + 3H2 = CH3OH + H2O + Q 甲醇合成塔为列管式等温反应器 ， 管内装有活性较高的 XNC98 型甲醇合成催化剂 ， 管外为沸腾锅炉水。 反应放出的大量的热量 ， 通过列管管壁传给锅炉水 ， 进而产生大量中压蒸汽（ 饱和蒸汽） ， 该蒸汽减压后送至蒸汽管网。 副产的蒸汽确保了甲醇合成塔内反应趋于恒定 ，且反应温度也可通过副产蒸汽的压力来调节。 11 甲醇合成塔出来的合成气（ 255℃ ， ） ， 经入塔气预热器、锅炉水冷凝器、甲醇水冷器 ， 进入甲醇分离器 ， 粗甲醇在此被分离。 分离出的粗甲醇进入甲醇膨胀槽 ， 被减压至 后送至精馏装置。 而甲醇分离器分离出的 混合气则与新鲜气按一定比例混合后升压送至甲醇合成塔继续进行合成反应。 从甲醇分离器出来的循环气在加压前需排放一部分弛放气 ， 以保持整个循环回路惰性气体的恒定。 弛放气减压后送去燃气发电系统；甲醇膨胀槽顶部排出的膨胀气送去燃料气系统。 合格的锅炉给水来自变换装置；循环冷却水来自界区外部。 合成塔出来的蒸汽进入汽包 ， 通过调节汽包的压力可以控制反应温度 ， 汽包下部用来排污 ， 经排污膨胀槽膨胀减压后就地排放。 甲醇合成塔的选择 甲醇合成反应器实际是甲醇合成系统中最重要的设备。 从操作结构 ， 材料及维修等方面考虑 ， 甲醇合成反应器应具有以下要求： （ 1）催化剂床层温度易于控制 ， 调节灵活 ， 能有效移走反应热 ， 并能以较高位能回收反应热； （ 2）反应器内部结构合理 ， 能保证气体均匀通过催化剂床层 ， 阻力小 ， 气体处理量大 ，合成转化率高 ， 催化剂生产强度大； （ 3）结构紧凑 ， 尽可能多填装催化剂 ， 提高高压空间利用率；高压容器及内件间无渗漏；催化剂装 卸 方便；制造安装及维修容易。 甲醇合成塔主要由外筒、内件和电加热器三部分组成 ]20[。 内件 是 由催化剂筐和换热器两部分组 成。 根据内件的催化剂筐和换热器的结构形式不同 ， 甲醇内件 分 为若干类型。 按气体在催化剂床的流向可分为：轴向式、径向式和轴径复合型。 按催化剂筐内反应热得移出方式可分为冷管型连续换热式和冷激型多段换热式两大类。 按换热器的形式分为列管式、螺旋板式、波纹板式等多种形式。 目前 ， 国内外的大型甲醇合成塔塔型较多 ， 归纳起来可分为五种 ]21[ ： （ 1）冷激式合成塔 这是最早的低压甲醇合成塔 ， 是用进塔冷气冷激来带走反应热。 该塔结构简单 ， 也 适于大型化。 但碳的转化率低 ， 出塔的甲醇浓度低 ， 循环量大 ， 能耗高 ， 又不能副产蒸汽 ， 12 现已经基本被淘汰。 （ 2）冷管式合成塔 这种合成塔源于氨合成塔 ， 在催化剂内设置足够换热面积的冷气管 ， 用进塔冷管来移走反应热。 冷管的结构有逆流式、并流式和 U 型管式。 由于逆流式与合成反应的放热不相适应 ， 即床层出口处温差最大 ， 但这时反应放热最小 ， 而在床层上部反应最快、放热最多 ，但温差却又最小 ， 为克服这种不足 ， 冷管改为并流或 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 型合成塔和国内林达公司的 U 形冷管 型。 这种塔型碳转化率较高但仅能在出塔气中副产 0. 4MPa 的低压蒸汽。 日前大型装置很少使用。 （ 3）水管式合成塔 将床层内的传热管由管内走冷气改为走沸腾水。 这样可较大地提高传热系数 ， 更好地移走反应热 ， 缩小传热面积 ， 多装催化剂 ， 同时可副产 ～ 的中压蒸汽 ， 是大型化较理想的塔型。 （ 4）固定管板列管合成塔 这种合成塔就是一台列管换热器 ， 催化剂在管内 ， 管间（壳程 )是沸腾水 ， 将反应热用于副产 ～ 的中压蒸汽。 代表塔型有 Lurgi 公司的合成塔和三菱公司套管超级合成塔 ， 该塔是 在列管内再增加一小管 ， 小管内走进塔的冷气 ]20[。 进一步强化传热 ， 即反应热通过列管传给壳程沸腾水 ， 而同时又通过列管中心的冷气管传给进塔的冷气。 这样就大大提高转化率 ， 降低循环量和能耗 ， 然而使合成塔的结构更复杂。 固定管板列管合成塔虽然可用于大型化 ， 但受管长、设备直径、管板制造所限。 在日产超过 20xxt 时 ， 往往需要并联两个。 这种塔型是造价最高的一种 ， 也是装卸催化剂较难的一种。 随着合成压力增高 ， 塔径加大 ， 管板的厚度也增加。 管板处的催化剂属于 绝热段。 管板下面还有一段逆传热段 ， 也就是进塔气 225℃ ， 管外的沸腾水却是 248℃ ， 不是将反应热移走而是水给反应气加热。 这种合成塔由于列管需用特种不锈钢 ， 因而是造价非常高的一种。 （ 5）多床内换热式合成塔 这种合成塔由大型氨合成塔发展而来。 日前各工程公司的氨合成塔均采用二床 (四床 )内换热式合成塔。 针对甲醇合成的特点采用四床（或五床 )内换热式合成塔。 各床层是绝热反应 ， 在各床出口将热量移走。 这种塔型结构简单 ， 造价低 ， 不需特种合金钢 ， 转化率高 ，适合于大型或超大型装置 ， 但反应热不能全部直接副产中压蒸汽。 典型塔型有 Casale 的四床卧式内换热合成塔和中国成达公司的四床内换热式合成塔。 13 综上所述和借鉴大型甲醇合成企业的经验 ， （大型装置不宜选用激冷式和冷管式） ， 设计选用固定管板列管合成塔。 这种塔内甲醇合成反应接近最佳温度操作线 ， 反应热利用率高 ， 虽然设备复杂、投资高 ， 但是由于这种塔在国内外使用较多 ， 具有丰富的管理和维修经验 ， 技术也较容易得到；外加考虑到设计的是年产 22 万吨的甲醇合成塔（日产量为 700吨左右） ， 塔的塔径和管板的厚度不会很大 ， 费用也不会很高 ， 所以本设计采用了固定管板 式 列管合成塔。 根据以上甲醇合成塔的选择和工艺流 程的确定，以下通过物料衡算，热量衡算来验证一下选择的合理性。 14 甲 醇 合 成 塔 分离器 贮 罐 冷凝凝凝 器 第 3章 工艺计算 甲醇生产的物料平衡计算 新鲜气 循环气 弛放气 入塔气 醇后气 粗甲醇 图 合成塔物料流程图 一、已知条件： (1)年生产能力：年产 220xx0 吨甲醇 ， 精 甲醇中甲醇含量 (wt%)： % （ 2）年工作日：每年以 300 个工作日计 （ 3）产品粗甲醇组成的 (wt%) ]21[ ： [Lurgi 低压合成工艺 ] 表 粗甲醇组成 组 分 甲醇 轻组分 [以二甲醚(CH3)2O 计 ] 重组分 [以异丁醇C4H9OH 计 ] 水 质量组成 % 二、根据已知条件进行计算：新鲜气、循环气、入塔气、出塔气 根据题意 ， 则时产精甲醇： 1000220xx0  Kg/h 时产粗甲醇： % %  Kg/h (1)合成甲醇的化学反应为： 主反应： CO+2H2CH3OH+ KJ/mol （ 31） 15 副反应： 2CO+4H2(CH3)2O+H2O+ KJ/mol （ 32） CO+3H2CH4+H2O+ KJ/mol。