【正文】 雙贏 。 北方民族大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè) 2021 屆本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 甲醇合成工藝簡介 合成工藝說明 甲醇的合成工藝按合成壓力主要分為 高壓、中壓和低壓法。早期的高壓法合成使用活性較低的鋅鉻催化劑，合成壓力為 30 MPa，合成溫度為 300～ 400℃ 。高壓法的缺點(diǎn)是能耗高、設(shè)備復(fù)雜、產(chǎn)品質(zhì)量差，現(xiàn)已淘汰。 1970 年以后，各國新建與改造的甲醇裝置幾乎全部采用低壓法。經(jīng)典的低壓法使用活性較高的銅鋅基催化劑，合成壓力為 5～ 10MPa，合成溫度為 220～ 280℃ 低壓法相對于高壓法設(shè)備簡單、物料和動(dòng)力消耗低、產(chǎn)品質(zhì)量好、節(jié)省造價(jià)，具有明顯的優(yōu)越性，是目前合成甲醇的主要方法。 低壓法合成甲醇技術(shù)主要有英國 IC1 技術(shù)和德國 Lurgi 技術(shù)，這兩家占據(jù)著世界 70％以上的甲醇技術(shù)市場份額。其他還有德國的林德技術(shù)、丹麥的托普索技術(shù)、日本東洋公司的 MRF 技術(shù)等。各種低壓法甲醇合成工藝大同小異，主要區(qū)別在于甲醇反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、反應(yīng)熱移走及回收利用方式和催化劑性能。 甲醇合成反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，采用合適的甲醇反應(yīng)器結(jié)構(gòu)來保證催化劑床層溫度相對恒定，是甲醇合成過程高效、穩(wěn)定進(jìn)行的關(guān)鍵。焦?fàn)t煤氣制甲醇合成技術(shù)全部為低壓法，其設(shè)計(jì)規(guī)模多為 10～ 20萬 t/a，甲醇合成反應(yīng)器多為管殼式等溫反應(yīng)器?？刹捎煤铣伤p塔串聯(lián)流程，其單程轉(zhuǎn)化率高，循環(huán)氣量小，能耗低，造價(jià)低。 合成氣經(jīng)合成氣壓縮 機(jī)加壓至 5. 3～ 5. 5MPa后進(jìn)入合成塔，在溫度 220～ 260℃及銅基催化劑的作用下，合成氣中的 CO、 CO2與 H2反應(yīng)合成甲醇，其主要反應(yīng)為： CO＋ 2H2 → CH 3OH CO2＋ 3H2 → CH 3OH＋ H2O 甲醇合成是體積縮小的強(qiáng)放熱可逆反應(yīng)，且低壓甲醇合成催化劑在溫度＞ 280℃時(shí)易過熱失活，因此必須及時(shí)將反應(yīng)熱移走，使合成反應(yīng)盡可能接近反應(yīng)平衡曲線，同時(shí)避免因反應(yīng)熱的積累而燒壞催化劑。管殼式甲醇反應(yīng)器利用管間沸騰水副產(chǎn)中壓蒸汽及時(shí)移走反應(yīng)熱來保持催化劑床層溫度的穩(wěn)定，既有利于 合成反應(yīng)的進(jìn)行，又保護(hù)了合成催化劑。副產(chǎn)的中壓蒸汽與催化轉(zhuǎn)化工段的副產(chǎn)蒸汽并網(wǎng)過熱后，用北方民族大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè) 2021 屆本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 于合成氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)透平的動(dòng)力。 合成甲醇是一個(gè)多相催化反應(yīng)過程，受催化劑選擇性的限制以及合成壓力、合成溫度、合成氣組成等合成條件的影響，反應(yīng)過程中 CO、 CO2與 H2除生成甲醇外，還發(fā)生一系列副反應(yīng)，生成烴、高碳醇、醛、酸、酯、醚及單質(zhì)碳等逾 40 種副產(chǎn)品，合成產(chǎn)物是甲醇和水及多種有機(jī)雜質(zhì)的混合物，即粗甲醇。粗甲醇經(jīng)冷卻降溫至40℃ ，進(jìn)入甲醇分離器，冷凝分離出的粗甲醇液體進(jìn)入甲醇膨脹槽，減壓閃蒸除去溶解在粗甲醇中的氣體后送入 甲醇精餾工段。分離和閃蒸出的氣體大部分送合成氣壓縮工段與新鮮合成氣混合加壓后進(jìn)入合成塔循環(huán)反應(yīng)，小部分作為弛放氣，主要用作轉(zhuǎn)化加熱爐的燃料。 甲醇合成工藝的追求目標(biāo)是：最高的反應(yīng)物單程轉(zhuǎn)化率和最低的副產(chǎn)物產(chǎn)率，對于生成物體積縮小且強(qiáng)放熱的甲醇合成反應(yīng)，低壓法合成甲醇的單程轉(zhuǎn)化率主要取決于催化劑的活性和選擇性及工藝操作水平。 工藝流程說明 本工藝流程為焦?fàn)t氣制 甲醇 生產(chǎn)工藝，是將 來自焦化廠經(jīng)過預(yù)處理的焦?fàn)t煤氣送進(jìn)儲(chǔ)氣罐緩沖穩(wěn)壓、壓縮增壓，接著進(jìn)行加氫轉(zhuǎn)化精脫硫，即焦?fàn)t煤氣的凈化；然后通過催化或非催化方 法將焦?fàn)t煤氣中的 CH CmHn轉(zhuǎn)化為合成甲醇的有效氣體組分 (H2 + CO)，再通過補(bǔ)碳調(diào)整原料氣的氫碳比，就制成了氫碳比符合甲醇合成所需的合成氣；將合成氣壓縮增壓后送入甲醇合成塔進(jìn)行合成反應(yīng)，生成粗甲醇，然后對粗甲醇進(jìn)行精餾，就制成了煤基清潔能源和用途廣泛的有機(jī)化工原料精甲醇 。 本設(shè)計(jì)項(xiàng)目為 24萬噸 /年甲醇合成工段水洗塔的工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)。 水洗塔的作用 在甲醇合成 工段生產(chǎn)工藝 中， 水洗塔主要是利用來自甲醇精餾的甲醇洗滌液（精餾殘液）來吸收經(jīng)過甲醇分離器分離后尾氣中殘余的甲醇成分，從而提高甲醇的收率。 甲醇水洗塔的循環(huán)氣經(jīng)循環(huán)機(jī)加壓后，經(jīng)塔外或塔內(nèi)換熱器后進(jìn)入觸媒層，循北方民族大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè) 2021 屆本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 環(huán)氣夾帶水、氧分子、氯離子，水是甲醇合成過程中的副產(chǎn)物，若無水洗塔，則循環(huán)氣中水蒸氣含量也約為水的飽和蒸氣壓，其含量也約為 0． 15％ (不考慮過飽和狀態(tài)和霧沫夾帶 )，它對活塞式和透平式循環(huán)機(jī)沒有影響。理論和實(shí)踐證明，少量水蒸氣進(jìn)入觸媒層可以抑制副反應(yīng)的發(fā)生。甲醇水洗塔需要加水而吸收甲醇，水中溶解一部分氧，由低壓到高壓的過程中，水中溶解的氧一般不會(huì)解吸出來，即使有微量氧解吸出來，微量氧的存在可使甲醇合成的單程轉(zhuǎn)化率大大提高 。 北方民族大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè) 2021 屆本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 第二章 設(shè)計(jì)方案簡介 裝置流程的確定 該吸收過程可采用簡單的一步吸收流程，同時(shí)考慮到資源的有效利用，應(yīng)對吸收后的水進(jìn)行再生處理?；旌蠚怏w進(jìn)入水洗塔與水逆流接觸后，得到凈化氣排放，吸收甲醇后的水，經(jīng)富液泵送入再生塔頂，用燃料氣進(jìn)行汽提解吸操作，解吸后的水經(jīng)貧液泵送回吸收塔頂，循環(huán)使用，汽提氣則進(jìn)入燃料處理系統(tǒng)。 吸收劑的選擇 吸收過程是依靠氣體溶質(zhì)在吸收劑中的溶解度來實(shí)現(xiàn)的，因此，吸收劑性能的優(yōu)劣，是 決定吸收操作效果的關(guān)鍵之一，選擇吸收劑是應(yīng)著重考慮以下幾個(gè)方面。 （ 1） 溶解度 （ 2） 選擇性 （ 3）揮發(fā)度要低 （ 4）粘度 （ 5）所選用的吸收劑應(yīng)盡可能滿足無毒性、無腐蝕性、不易燃易爆、不發(fā)泡、冰點(diǎn)低、價(jià)廉易得以及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等要求。 根據(jù)所需處理的混合氣體，可采用甲醇洗滌液（精餾殘液）為吸收劑，其中含甲醇 ，水 （均為摩爾分?jǐn)?shù)），其廉價(jià)易得，物理化學(xué)穩(wěn)定，選擇性好，符合吸收過程對吸收劑的基本要求。 馳放氣組成：甲醇 %,一氧化碳 %,二氧化碳 %,氫氣 % 其他組分含量很少，忽略不計(jì) 北方民族大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè) 2021 屆本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 第三章 水洗塔的化工工藝設(shè)計(jì) 塔填料的選擇以及特性數(shù)據(jù) 填料是填料塔的核心構(gòu)件，它提供了塔內(nèi)氣 — 液兩相接觸而進(jìn)行傳質(zhì)或傳熱的表面，與塔的結(jié)構(gòu)一起決定了填料塔的性能。對塔內(nèi)填料的一般要求是：具有較大的比面積和較高的空隙率，較低的壓降，較高的傳質(zhì)效率；操作彈性大、性能穩(wěn)定，能滿足物系的腐蝕性、污堵性、熱敏性等特殊要求；填料強(qiáng)度高，便于塔的檢修，經(jīng)濟(jì)合理。 階梯環(huán)是對鮑爾環(huán)的改進(jìn)后發(fā)展起來的新型環(huán)形填料。環(huán)壁上開有窗口，環(huán)內(nèi)有一層互相交錯(cuò)的十字形翅片，翅片的角度是 45 度角。圓筒一端為向外翻卷的喇叭口，其高度約為全高 的 1/5，而直筒的高度為填料直徑的一半。由于兩端形狀不對稱，在填料中各環(huán)相互呈點(diǎn)接觸，增大了填料的空隙率，使填料的表面積得以充分利用，因此可使壓降降低，傳質(zhì)效果提高。 該吸收過程處理量不大，所用的塔徑不會(huì)太大，以采用填料塔較為適宜，并選用公稱直徑為 50mm 的鋼質(zhì)階梯環(huán)塔填料，填料方式選為散裝填料，其主要性能參數(shù)如下： 表 31 選用 ? 50mm 的鋼質(zhì)階梯環(huán)填料 公稱直徑/mm 外徑 ?高 ?厚（ mm?mm?mm） 比表面積 at/ （ 32/mm ） 孔隙率ε /（ 33/mm ） 個(gè)數(shù)n/1/m3 堆積密度ρ p/ 3/mkg 填料因子? 1?m 50 50?30? 11600 400 以上數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn) [1] 北方民族大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè) 2021 屆本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 吸收劑用量的確定 吸收劑用量可以根據(jù)過程的物料衡算，依據(jù)最小液氣比確定，依據(jù)混合氣組成情況可知 : 吸收塔的進(jìn)出口氣相組成如下： y1= 42 (1 9) 99 1 1 10y ? ? ? ? ? 吸收塔液相進(jìn)口的組成應(yīng)低于其平衡濃度，該系統(tǒng)的相平衡關(guān)系可以表示為： y=mx 由甲醇 —— 水氣液平衡組成與溫度的關(guān)系表查得： (參考文獻(xiàn) [2]) 當(dāng)溫度為 70℃時(shí)，甲醇液相組成為 %,氣相組成為 % 則 甲醇在該溫度下的相平衡常數(shù)為： 8 4 .9 2 1 .2 46 8 .4 9ym x? ? ? 則系統(tǒng)相平衡關(guān)系可以近似表示為： ? 于是可得吸收塔進(jìn)口液相的平衡濃度為 4*422 9 .9 1 1 0 7 .9 9 1 01 .2 4 1 .2 4yx? ??? ? ? ? 吸收劑入口濃度應(yīng)低于 ?? ,其值的確定應(yīng)同時(shí) 考慮其吸收和解吸的操作，兼顧兩者，經(jīng)優(yōu)化計(jì)算后方能確定，這里?。? 42 5 10x ??? 氣體混合物的平均分子量為： 0 . 0 9 9 1 3 2 0 . 1 0 5 3 2 8 0 . 0 3 1 6 4 4 0 . 7 6 4 0 29 . 0 3 8 ( / )M k g k m o l? ? ? ? ? ? ? ?? 315 00 ( / )1500 66 .9 6( / )22 .466 .9 6 9. 03 8 60 5. 22 ( / )vnGmGq m hq k m ol hq k g h?????? 北方民族大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè) 2021 屆本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 依據(jù)文獻(xiàn) [1]式（ 6— 5），得 44 91 ( 10 ) ( 5 10 )nLnGqq ???? ?????????? 取實(shí)際液氣比 為最小液氣比的 ，則可以得到吸收劑用量為 摩爾流量： 4 66. 96 124 .55 ( / )nLq k m ol h? ? ? ? 吸收劑平均分子量為： 39。 0 .9 6 1 8 0 .0 4 3 2 1 8 .5 6 ( / )M k g k m o l? ? ? ? ? 則質(zhì)量流量為： 1 2 4 .5 5 1 8 .5 6 2 3 1 1 .5 7 ( / ) 2 .3 1 ( / )mLq k g h t h? ? ? ? 吸收劑平均密度為： 39。 330 .9 6 1 0 1 0 .0 4 7 8 6 .4 6 7 4 9 9 1 .4 6 ( / )k g m? ? ? ? ? ? ? 則體積流量為： 3 4 32 3 1 1 . 5 7 2 . 3 3 1 5 ( / ) 6 . 4 7 6 4 1 0 ( / )9 9 1 . 4 6vLq m h m s?? ? ? ? 塔徑的計(jì)算 塔 底的氣相負(fù)荷和液相負(fù)荷均較塔頂大，為此，以塔底的氣、液參數(shù)計(jì)算塔徑。 考慮到填料塔的壓力降，可以取塔的操作壓力為 ，依此可以計(jì)算出 混合氣體的密度為： 63 34 . 9 6 1 0 9 . 0 3 8 1 0 1 5 . 5 2 3 ( / )8 . 3 1 4 3 4 3 . 1 5G PM k g mRT??? ? ?? ? ?? 液相密度為： ( / )L kg m? ? 液相粘度可由文獻(xiàn) [2]式（ 3— 5）和式（ 3— 6）計(jì)算 計(jì)算如下： 查文獻(xiàn)得 30℃時(shí)水的粘度為： mPa s 40℃時(shí)水的粘度為 ： mPa s 則由文獻(xiàn) [2]式（ 3— 5），得 北方民族大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè) 2021 屆本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 lgL AATB? ?? （ 3— 1） 式中， 181。L—— 液體溫度為 T 時(shí)的粘度， mPa s T—— 溫度， K A,B—— 液體粘度常數(shù) 則 lg 07 lg 60 AABAAB???? → 水的粘度常數(shù)為 A= B= 所以， 70℃時(shí)水的粘度為： 8 2 2 .1 1 8 2 2 .1 1l g 0 .4 1 2 63 4 3 .1 5 2 9 2 .7 3L? ? ? ? ? → mPa s? ?? 查文獻(xiàn) [2]表（ 3— 14），得 甲醇的液體粘度常數(shù)為： A=， B= 則， 70℃時(shí)甲醇的粘度為： 5 5 5 .3 0 5 5 5 .3 0l g 0 .5 1 2 33 4 3 .1