【正文】 和電加熱器三部分組成。外筒是一個(gè)高壓容器，一般由多層鋼板卷焊而成繞帶統(tǒng)制而成。內(nèi)件是由催化刑筐和換熱器兩部分組成。本次設(shè)計(jì)所用的合成工藝為L(zhǎng)urgi甲醇合成工藝，該工藝所用的合成器為管束型副產(chǎn)蒸汽的合成反應(yīng)器，被稱為L(zhǎng)urgi管殼式甲醇合成反應(yīng)器。該合成反應(yīng)器既是反應(yīng)器又是廢熱鍋爐，反應(yīng)器內(nèi)部類似一般列管式換熱器，列管內(nèi)裝催化劑，管外為沸騰水。原料氣與反應(yīng)后的氣體換熱后溫度上升到220℃左右進(jìn)入反應(yīng)器反應(yīng)放出的熱量經(jīng)管壁傳給管間的沸騰水，產(chǎn)生4MPa的飽和蒸汽。反應(yīng)器殼程的鍋爐水是自然循環(huán)的，這樣可以通過控制沸騰水的蒸汽壓力，可以保持恒定的反應(yīng)溫度，有效的抑制了副反應(yīng)，延長(zhǎng)了催化劑的使用壽命。該反應(yīng)器單位體積催化劑床層的換熱面積較大，熱能利用合理，產(chǎn)生的這些蒸汽首先用于驅(qū)動(dòng)新鮮原料氣及循環(huán)氣透平壓縮機(jī)，然后將出來(lái)的低壓蒸汽送至精餾工段作為精餾塔塔釜再沸器的加熱熱源，106KJ。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)溫度溫和、壓力低，副反應(yīng)少、時(shí)空收率高，單程轉(zhuǎn)化率較高，熱能利用合理，因此循環(huán)氣量減少，這樣降低了循環(huán)回路中管件閥門的費(fèi)用和循環(huán)壓縮機(jī)的能耗；Lurgi合成反應(yīng)器開車方便，只要將4MPa蒸汽通過合成塔殼程即可加熱列管內(nèi)的催化劑，達(dá)到催化劑的活性溫度便可通入合成氣進(jìn)行甲醇合成。但是，該反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造較困難，而且裝卸催化劑也不方便，這是它的缺點(diǎn)。 甲醇合成工藝流程簡(jiǎn)介甲醇合成的前期工藝與合成氨相似，首先進(jìn)行合成氣的生產(chǎn)，合成氣經(jīng)脫硫、變換脫碳后處理后進(jìn)行甲醇合成。本次合成工藝選用Lurgi工藝，合成壓力為5MPa，合成氣進(jìn)合成塔溫度220℃，反應(yīng)溫度270℃，出口溫度為250℃。新鮮原料氣首先進(jìn)入透平壓縮機(jī)，將原料氣壓縮至合成壓力，此時(shí)溫度約為4050℃。由于合成塔出口溫度較進(jìn)口溫度相差較高，因此可用合成塔出口氣加熱原料氣，使其溫度上升至合成溫度，這樣既節(jié)省了能源又合理利用了熱量。加熱后的原料氣由Lurgi管殼式甲醇合成反應(yīng)器頂部進(jìn)入合成塔內(nèi)部列管，管中填充催化劑，合成氣在其中進(jìn)行反應(yīng)。甲醇合成反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)，低溫有利于反應(yīng)向合成方向進(jìn)行，而且溫度過高會(huì)使催化劑失活，因此需要即使將反應(yīng)熱移出合成塔。Lugi合成器同時(shí)是廢熱鍋爐，它的殼程走的是沸騰水，沸騰水從合成塔底部進(jìn)入，4MPa的蒸汽有頂部側(cè)端排出，這樣只要控制合成塔頂部蒸汽的壓力就可以控制合成塔的溫度恒定。反應(yīng)后的氣體溫度較高，與新鮮原料氣換熱后溫度降到約7095℃，其中的甲醇還以氣體的形式存在，因此需要進(jìn)一步冷凝。換熱后的甲醇進(jìn)入水冷器與冷卻水進(jìn)行換熱，換熱后粗甲醇冷凝下來(lái)，經(jīng)甲醇分離器到達(dá)粗甲醇貯槽。未反應(yīng)完的氣體由分離器頂部排出，經(jīng)循環(huán)透平壓縮機(jī)壓縮升壓后與新鮮原料氣一起進(jìn)入甲醇合成器。循環(huán)透平壓縮機(jī)和原料氣透平壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)力均為合成器產(chǎn)生的4MPa的蒸汽，蒸汽做功后變?yōu)榈蛪赫羝?，被送到精餾工段作為精餾塔塔釜再沸器加熱熱源，這樣就充分利用了熱量。 甲醇精餾工藝流程簡(jiǎn)介 精餾的原理 將液體混合物進(jìn)行多次部分氣化，同時(shí)又把產(chǎn)生的蒸氣多次部分冷凝，使混合物分離為所要求組分的操作過程稱為精餾。 對(duì)于一次氣化和一次冷凝來(lái)說，由于液體混合物中所含組分的沸點(diǎn)不同，當(dāng)其在一定溫度下部分氣化時(shí)，因低沸點(diǎn)物易于氣化，故它在氣相中的濃度較液相高，而液相中高沸點(diǎn)物的濃度較氣相高。這就改變了氣液兩相的組成。當(dāng)對(duì)部分氣化所得的蒸汽進(jìn)行部分冷凝時(shí)，因高沸點(diǎn)物易于冷凝，使冷凝液中高沸點(diǎn)物的濃度較氣相高，而未冷凝氣中低沸點(diǎn)物的濃度比冷凝液中要高。這樣經(jīng)過一次部分氣化和部分冷凝，使混合液通過各組分濃度的改變得到了初步分離。如果多次這樣進(jìn)行下去，將最終在液相中留下基本上是高沸點(diǎn)的組分，在氣相中留下的基本上是低沸點(diǎn)組分。由此可見，部分氣化和部分冷凝，都使氣液相的組成發(fā)生變化，多次部分氣化和多次部分冷凝同時(shí)進(jìn)行，就可以將混合物分離為純的或比較純的組分。 精餾工藝流程 粗甲醇精餾流程是根據(jù)對(duì)產(chǎn)品甲醇不同的質(zhì)量要求而定的，一般可分為單塔、雙塔以及三塔流程。如果產(chǎn)品為燃料級(jí)甲醇時(shí)可采用較簡(jiǎn)單的單塔流程，如果要想獲得質(zhì)量較高的甲醇時(shí)常采用雙塔流程，從節(jié)能的觀點(diǎn)出發(fā)還可采用三塔流程。一般單塔流程已很少用到，本次設(shè)計(jì)采用雙效法三塔流程，雙塔流程只做簡(jiǎn)要介紹。雙塔流程是最為普遍采用的甲醇精餾方式。第一塔為預(yù)精餾塔，第二塔為主精餾塔，二塔再沸器的熱源均來(lái)自循環(huán)氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)透平排出的低壓蒸汽。預(yù)精餾塔用以分離輕組分和溶解的氣體如HCO、CO2等。塔頂取出的氣體包括不凝性氣體、輕組分、水蒸氣以及甲醇。經(jīng)過冷凝，大部分水分和甲醇回流入塔，同時(shí)從冷凝器抽一小部分冷凝液以減少揮發(fā)性較低的輕組分。為了減少塔頂排放氣中甲醇的損失，塔頂冷凝器可做成二級(jí)冷凝。主精餾塔主要除去重組分，包括乙醇、水以及高級(jí)醇，同時(shí)獲得產(chǎn)品精甲醇。含水和高沸點(diǎn)組分的甲醇從該塔中部進(jìn)入，高級(jí)醇從加料板以下側(cè)線引出，含微量甲醇的水從塔底排出，產(chǎn)品甲醇從近塔頂處取出。 三塔流程 精餾過程的能耗很大且熱能利用率很低，故精餾工序的節(jié)能有許多潛力可挖。采用三塔流程的目的是為了更合理地利用熱量，三塔流程與雙塔流程的區(qū)別在于三塔流程采用兩個(gè)主精餾塔，第一主精餾塔加壓操作，第二主精餾塔于常壓下操作，利用加壓塔的塔頂蒸汽冷凝熱作為第二主精餾塔再沸器的加熱源。這樣不僅節(jié)省了加熱蒸汽而且也節(jié)省了冷卻用水，有效地利用了能量。預(yù)精餾塔中的操作與雙塔流程相仿，經(jīng)預(yù)蒸餾后的甲醇混合液用泵壓送入第一加壓主精餾塔，其再沸器用低壓蒸汽加熱，—，塔頂蒸汽引入第二常壓主精餾塔底再沸器，蒸汽冷凝熱作為第二塔操作熱源。第一精餾塔底部排出的甲醇水溶液利用壓差進(jìn)入第二主精餾塔加料口，在此脫除水及高級(jí)醇等雜質(zhì)。高級(jí)醇可由塔側(cè)線引出，塔頂引出的殘液含1%—2%的高級(jí)醇和甲醇，送廢水生化處理后排放。產(chǎn)品精甲醇部分來(lái)自第一主精餾塔頂冷凝液，另一部分采自第二主精餾塔塔頂冷凝液。此次設(shè)計(jì)，粗甲醇精餾采用雙效法三塔精餾工藝，此流程與普通雙塔流程不同的是第一精餾塔加壓和第二精餾塔常壓均采出產(chǎn)品。該流顯著的特點(diǎn)是節(jié)能，在粗甲醇精餾系統(tǒng), 一般流程都考慮廢熱的回收利用, 如采用蒸汽冷凝水或殘液等來(lái)加熱粗甲醇。這里主要指多效利用熱源蒸汽的潛熱, 如將原雙塔流程的主精餾塔一分為二, 第一塔（塔2）加壓操作（）,第二塔（塔3）為常壓操作, 則塔2由于加壓操作，頂部氣相甲醇的液化溫度約為123℃,遠(yuǎn)高于常壓塔塔釜液體主要為水的沸點(diǎn)溫度, 其冷凝潛熱可作為塔再沸器的熱源，不僅節(jié)省了加熱蒸汽，也節(jié)省了冷卻用水，有效的利用了熱能。這一過程稱為雙效法, 較雙塔流程（單效法）可節(jié)約熱能40%左右。一般在正常操作條件下, 106 kJ(折蒸汽約1噸左右)。自然, 雙效法三塔流程投資較多, 以年產(chǎn)10萬(wàn)噸精甲醇規(guī)模計(jì)算, 雙塔單效法投資為100, 則三塔雙效法為113，但由于能耗下降，前者的操作費(fèi)用為100, 后者僅為64。顯然, 三塔雙效法效益顯著, 隨著粗甲醇精餾規(guī)模的增大效益更加明顯。第二章 合成工段工藝計(jì)算 本次設(shè)計(jì)任務(wù)是年產(chǎn)4萬(wàn)噸粗甲醇合成、精餾工段工藝設(shè)計(jì)，采用的工藝為德國(guó)魯奇公司1971年開發(fā)的Lurgi低壓甲醇合成工藝，—，溫度為230—290℃，新鮮氣與循環(huán)氣的比例為1:5。為方便計(jì)算，合成溫度為270℃。 合成工段物料衡算 設(shè)計(jì)條件及參數(shù)已知年產(chǎn)40000噸粗甲醇，每年以330個(gè)工作日計(jì)。則，每小時(shí)生產(chǎn)粗甲醇：粗甲醇和新鮮原料氣的組成含量及摩爾質(zhì)量見表21到表23： 表21 粗甲醇組成組 分 CH3OH (CH3)2O C4H9OH H2O含量（Wt %） 表22 新鮮氣組成組 分 CO CO2 H2 CH4 N2含量（V %） 表23 各物質(zhì)的摩爾質(zhì)量組分 CO CO2 H2 CH4 N2 CH3OH (CH3)2O C4H9OH H2O摩爾質(zhì)量（g/mol） 28 44 2 16 28 32 46 74 18根據(jù)粗甲醇各組分及含量，算得各組分的量為：甲醇： 即二甲醚： 異丁醇： 水： 上述計(jì)算結(jié)果見表24表24 粗甲醇物料表組 分 CH3OH (CH3)2O C4H9OH H2O 合計(jì) kg/h wt% kmol/h mol% MPa，40℃時(shí)各組分在甲醇中的溶解度列于表25表25各物質(zhì)在甲醇中溶解度組 分 CO CO2 H2 CH4 N2溶解度（Nm3/t粗甲醇） 以一小時(shí)為基準(zhǔn)則一氧化碳在甲醇中的摩爾溶解量為：同理二氧化碳、氫氣、甲烷、氮?dú)庠诩状贾械哪柸芙舛纫来螢椋? 現(xiàn)將其列為表格形式，見表26：表26各物質(zhì)在甲醇中溶解量組 分 CO CO2 H2 CH4 N2 合計(jì)溶解量（） 溶解量（kg/h） 合成工段物料衡算合成甲醇主反應(yīng)方程式為： 可能的副反應(yīng)主要有： 上述個(gè)反應(yīng)均為可逆反應(yīng)。 物料平衡關(guān)系式根據(jù)上述反應(yīng)方程式可以推出以下平衡關(guān)系式：CO的平衡：VFCF + Ku= KCK + CP + L + 2A + M + 4I （21）CO2的平衡：VFKF = VKKK + KP + Ku （22）H2的平衡：VFhF = VKhK + HP + 2L + 4A + 3M + 8I + Ku （23）CH4的平衡：VFmF + M = VKmK + MP （24）N2的平衡：VFnF = VKnK + NP （25）H2O的平衡：W=A+M+3I+Ku （26）上述六個(gè)方程共有八個(gè)未知數(shù)，即VF、VK、nK、mK、M、Ku、CP、hK。利用惰性氣體在循環(huán)氣中的含量i來(lái)建立兩個(gè)方程式：nK + mK = i （27）CK + hK + KK = 1—i （28）聯(lián)立上述八個(gè)方程，得到兩個(gè)輔助變量D、B：上例各式中的符號(hào)意義：V——生成一噸粗甲醇的氣體總體積，kmol/h；N——氮量，kmol/h；n——氮?dú)夂浚琕%Ku——參加反應(yīng)的CO2的量，kmol/h；K——CO2量，kmol/h；k——CO2含量，V%；M——甲烷的生成量，kmol/h；m——甲烷含量，V%；H——?dú)錃饬?，kmol/h；h——?dú)錃夂?，V%；C——CO的量，kmol/h；c——CO含量，V%；L——甲醇量，kmol/h；A——二甲醚量，kmol/h；I——異丁醇的量，kmol/h；W——生成的水量，kmol/h ；i——循環(huán)氣中氮?dú)獾陌俜謹(jǐn)?shù)，V%；符號(hào)腳注表示：P——產(chǎn)物； K——循環(huán)氣； F——新鮮氣；i的經(jīng)驗(yàn)范圍值為15% ～ 25%，取i = 20%，則 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)循環(huán)氣中二氧化碳的含量=%，由此知循環(huán)氣中氮?dú)夂繛椋?由（27）式知，mk =i=% =%馳放氣的量: 新鮮氣加入量: kmol/hLurgi工藝新鮮氣與循環(huán)氣之比為1: 5，故循環(huán)氣的量為：5 VF = = ；甲烷的生成量： 進(jìn)行逆變換反應(yīng)消耗的CO2的量： kmol/h新鮮原料氣中一氧化碳的量 解得循環(huán)氣中一氧化碳的含量：CK =%由（29）式 CK + + kK = 1i 帶入數(shù)據(jù)知循環(huán)氣中氫氣的含量： = %由于此物料衡算方法選用試差法，故需要核算。將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入到上述八個(gè)式子進(jìn)行核算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)等式兩端誤差小于3%。因此，試差成功，上述計(jì)算有效。由計(jì)算得到的新鮮氣的量及給定的新鮮氣的組成，可求得新鮮氣的流量，列于表27中：表27新鮮氣的流量及組成組 分 CO H2 CO2 CH4 N2 合