【正文】 ........................................ 26 管板 .................................................. 26 支座 .................................................. 26 甲醇合成工段設(shè)備一覽表 ..................................... 27 結(jié) 論 .............................................................. 28 參考文獻(xiàn) ........................................................... 29 致 謝 .............................................................. 30 太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院《化工設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)說明書 1 年產(chǎn) 20萬噸甲醇合成工段工藝初步設(shè)計(jì) 第一章 總論 甲醇 工業(yè) 發(fā)展現(xiàn)狀 隨著我國國民經(jīng)濟(jì)不斷穩(wěn)定的發(fā)展，不管是能源生產(chǎn)總量還是需求總量都在不斷增長。 7O 年代兩次石油危機(jī)和石油價(jià)格的不斷上漲，讓世界各國充分認(rèn)識到當(dāng)今社會將是能源結(jié)構(gòu)逐步向多元化結(jié)構(gòu)發(fā)展的時(shí)代。目前，人類己經(jīng)面臨著石油及天然氣這一寶貴的化石能源在不斷的枯竭，根據(jù)我國提出的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，需要合理有效地利用資源。 “缺油、少氣、富煤 ”的客觀現(xiàn)實(shí)，意味著今后 30 年內(nèi)，我國一次能源消費(fèi)以煤為 主的格局不會改變。但是我們?nèi)绻€是沿用落后技術(shù)，把煤直接燃燒用于發(fā)電和其它工業(yè)目的，不斷擴(kuò)大低效、高污染應(yīng)用技術(shù)中 煤的用量，則同樣是難以為繼的，同時(shí)對環(huán)境的污染將是難以估量的。因此，充分利用豐富的煤炭資源，大力發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)和新一代煤化工技術(shù)是非常必要的，既對我國合 理利用資源、有效利用能源和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)，又對保護(hù)國家能源安全具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。 近年來，我國甲醇市場非常紅火，甲醇價(jià)格持續(xù)上漲，甲醇生產(chǎn)裝置開工率不斷提高，各地甲醇新建項(xiàng)目陸續(xù)開工。出現(xiàn)這種局面的原因，一是甲醇傳統(tǒng)消費(fèi)領(lǐng)域， 如甲醛、醋酸等產(chǎn)品的產(chǎn)量穩(wěn)步提升，對甲醇的需求量逐步增加；二是新的消費(fèi)領(lǐng)域，如醇醚燃料、甲醇制烯烴等由于發(fā)展前景廣闊，也引發(fā)了國內(nèi)對甲醇裝置的投資熱。我國甲醇生產(chǎn)以煤為主要原料，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不盡合理，裝置規(guī)模偏小，企業(yè)數(shù)目過多，原料路線和工藝技術(shù)五花八門。由于對醇醚燃料需求的高度期待，我國甲醇發(fā)展過熱，幾乎 “遍地開花 ”。據(jù)報(bào)導(dǎo)， 2020～ 2020 年我國甲醇產(chǎn)能年均增長率為 %， 2020 年我國共有甲醇生產(chǎn)企業(yè) 177 家，總規(guī)模已突破每年 1600 萬噸，2020 年總產(chǎn)能達(dá)到每年 3000 萬噸。我國規(guī)劃中的甲醇產(chǎn)能已 超過同期世界其他各國的總產(chǎn)能。煤基甲醇是資源消耗型產(chǎn)品，是低附加值產(chǎn)品，而依靠大量出口來消化過剩的產(chǎn)能是不合理的。 太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院《化工設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)說明書 2 甲醇的發(fā)展前景 甲醇作為最有希望代替汽油的并且將成為二十一世紀(jì)有競爭力的可選清潔燃料，具有非常好的發(fā)展前景。所以專家認(rèn)為，必須開拓甲醇作為車用燃料的用途， 即發(fā)展甲醇汽車才能使甲醇取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。甲醇汽油是符合我國國情的替代能源之一，不僅符合國家 節(jié)能 減排 政策的要求，而且因甲醇汽油可部分替代石油，在一定程度上相當(dāng)于擴(kuò)大了我國石油戰(zhàn)略儲備。與此同時(shí)，推廣甲醇汽油，一方面可以釋放我國每年 2020 多萬噸的甲醇產(chǎn)能，改變我國甲醇產(chǎn)能嚴(yán)重過剩的局面，提高甲醇生產(chǎn)企業(yè)的開工率。另一方面，甲醇汽油的生產(chǎn)成本低，甲醇汽油價(jià)格更為優(yōu)惠，更適用于老百姓的需求，更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。我國現(xiàn)在提出了四個(gè)石油替代路徑：天然氣替代、電動力替代、生物燃料替代和煤基燃料替代，煤基燃料替代包括煤制天然氣、甲醇、二甲醚、合成油等。煤基醇醚燃料更具有大規(guī)模、基地化推廣的現(xiàn)實(shí)性，是最實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的選擇。 由于甲醇在我國已經(jīng)有一定規(guī)模的生產(chǎn)，另外甲醇的投資成本低，無論甲醇汽油生產(chǎn)技術(shù)還是甲醇車輛生產(chǎn)技術(shù)都已經(jīng)非常成熟了。如果甲醇汽油作為車用燃料相比于其他能源具有一定的優(yōu)勢，甲醇汽油也是一種液體燃料，好多特性和汽油雷同，但比汽油更安全、更節(jié)能、更環(huán)保。 此外，甲醇汽油可直接利用現(xiàn)在所有中石油和中石化的輸配系統(tǒng)進(jìn)行快速推廣，推廣渠道會相對便捷一些，推廣成本也非常小。 設(shè)計(jì)的目的和意義 由于我國石油資源短缺，能源安全已經(jīng)成為不可回避的現(xiàn)實(shí)問題，尋求替代能源已成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵。甲醇作為石油的補(bǔ)充已成為現(xiàn)實(shí)， 發(fā)展甲醇工業(yè)對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。煤在世界化石能源儲量中占有很大比重（我國情況更是如此），而且煤制甲醇的合成技術(shù)很成熟。隨著石油和天然氣價(jià)格的迅速上漲，煤制甲醇更加具有優(yōu)勢。本設(shè)計(jì)遵循 “工藝先進(jìn)、技術(shù)可靠、配置科學(xué)、安全環(huán)保 ”的原則；結(jié)合甲醇的性質(zhì)特征設(shè)計(jì)一座年產(chǎn) 15 萬噸甲醇的生產(chǎn)車間。 通過設(shè)計(jì)可以鞏固、深化和擴(kuò)大所學(xué)基本知識，培養(yǎng)分析解決問題的能力；還可以培養(yǎng)創(chuàng)新精神，樹立良好的學(xué)術(shù)思想和工作作風(fēng)。通過完成設(shè)計(jì)，可以知道甲醇的用途；基本掌握煤制甲醇的生產(chǎn)工藝；了解國內(nèi)外甲醇工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀；以 及甲醇工業(yè)的發(fā)展趨勢。 太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院《化工設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)說明書 3 設(shè)計(jì)的依據(jù) 太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 2020屆課程設(shè)計(jì)選題 《年產(chǎn) 15 萬噸甲醇合成工段工藝初步設(shè)計(jì)》任務(wù)書。 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料 （ 1）工藝流程資料 參閱某化學(xué)工程公司的甲醇合成廠的工藝流程資料和參考由房鼎業(yè)主編的《甲醇工學(xué)》。 （ 2）合成工段的工藝參數(shù) 參閱某化學(xué)工程公司的甲醇合成廠的工藝參數(shù)資料。具體數(shù)據(jù)為入塔壓力，出塔壓力 MPa，副產(chǎn)蒸汽壓力 MPa，入塔溫度 225℃ ，出塔溫度255℃ 。 設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想 以設(shè)計(jì)任務(wù)書為 基礎(chǔ)，適應(yīng)我國 甲醇 工業(yè)發(fā)展的需要。加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際，擴(kuò)大知識面；培養(yǎng)獨(dú)立思考、獨(dú)立工作的能力。整個(gè)設(shè)計(jì)應(yīng)貫徹節(jié)省基建投資，充分重視技術(shù)進(jìn)步，降低工程造價(jià)，節(jié)能環(huán)保等思想，設(shè)計(jì)生產(chǎn)高質(zhì)量甲醇產(chǎn)品。 設(shè)計(jì)的范圍﹑裝置組成及建設(shè)規(guī)模 設(shè)計(jì)的范圍 （ 1）年產(chǎn) 15 萬噸甲醇生產(chǎn)工藝流程的設(shè)計(jì) （ 2）物料衡算、熱量衡算 （ 3）主要生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算與選型 （ 4）編寫設(shè)計(jì)說明書 （ 5）繪制設(shè)計(jì)圖紙 設(shè)計(jì)重點(diǎn)： 工藝流程的設(shè)計(jì)，工藝計(jì)算，合成塔設(shè)計(jì)計(jì)算與選型 建設(shè)規(guī)模 生產(chǎn)能力： 年產(chǎn) 15 萬 噸甲醇，年開工日為 330 天。 工作制度： 太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院《化工設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)說明書 4 合成車間日工作小時(shí)為 24 小時(shí)，每日 3 班輪流替換，每班 8 小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)，共4 個(gè)班。 第二章 工藝流程設(shè)計(jì) 圖 11 煤制甲醇的簡單工藝流程 首先是采用 GSP 氣化工藝將原料煤氣化為合成氣；然后通過變換和 NHD 脫硫脫碳工藝將合成氣轉(zhuǎn)化為滿足甲醇合成條件的原料氣；第三步就是甲醇的合成，將原料氣加壓到 ，加溫到 225℃ 后輸入列管式等溫反應(yīng)器，在 XNC98 型催化劑的作用下合成甲醇，生成的粗甲醇送入精餾塔 精餾，得到精甲醇。然后利用三塔精餾工藝將粗甲醇精制得到精甲醇。 合成甲醇工藝的選擇 目前甲醇生產(chǎn)技術(shù)主要采用中壓法和低壓法兩種工藝，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。 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(jī)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。 甲醇的 生產(chǎn)方法還主要有：甲烷直接氧化法、由一氧化碳和氫氣合成甲醇、液化石油氣氧化法。 甲醇合成 合成氣凈化 煤制合成氣 甲醇精餾 太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院《化工設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)說明書 5 比較以上三者的優(yōu)缺點(diǎn)，以投資成本，生產(chǎn)成本，產(chǎn)品收率為依據(jù)，選擇低壓法為生產(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→C 4H9OH。 甲醇合成塔的選擇 甲醇合成反應(yīng)器實(shí)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(qiáng)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；催化劑裝御方便；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。內(nèi)件事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)件份為若干類型。 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)惹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： （ 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，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(shí)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 形冷太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院《化工設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)說明書 6 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) 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(shí)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。進(jìn)一步強(qiáng)化傳熱，即反應(yīng)熱通過列管傳給殼程沸騰水，而同時(shí)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 2020t 時(shí)，往往需要并聯(lián)兩個(gè)。這種塔型 是造價(jià)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)鳠岫危簿褪沁M(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(jià)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(diǎn)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