【正文】 塔精餾、雙塔精餾、三塔精餾和四塔精餾[11]。為了提高預(yù)精餾塔后甲醇的穩(wěn)定性，并盡可能回收甲醇，塔頂采用兩級(jí)冷凝。加壓塔操作壓力為57bar(G)，塔頂甲醇蒸氣全凝后，部分作為回流經(jīng)回流泵返回塔頂，其余作為精甲醇產(chǎn)品送產(chǎn)品儲(chǔ)槽，塔底含水甲醇則進(jìn)常壓塔。粗甲醇經(jīng)換熱后進(jìn)入預(yù)精餾塔，脫除輕組分后(主要為不凝氣、二甲醚等)，塔底甲醇及高沸點(diǎn)組分加壓后進(jìn)入加壓精餾塔；加壓精餾塔頂?shù)臍庀噙M(jìn)入冷凝蒸發(fā)器，利用加壓精餾塔和常壓精餾塔塔頂、塔底的溫差，為常壓塔塔底提供熱源，同時(shí)對(duì)加壓塔塔頂氣相冷凝。但鋅鉻催化劑的活性溫度較高(320—400℃)，為了獲取較高的轉(zhuǎn)化率，必須在高壓下操作。 反應(yīng)溫度在甲醇合成的反應(yīng)中，溫度對(duì)反應(yīng)混合物的平衡和速率都有很大影響。另一方面，反應(yīng)溫度與所選用的催化劑的類(lèi)型有關(guān)，不同的催化劑有不同的活性溫度。但是壓力并不是單純的由一個(gè)原因決定的，它與合成工藝選用的催化劑的性質(zhì)、原料氣碳?xì)浔取⒋呋瘎┗钚詼囟?、空間速度等因素有關(guān)。 高、低壓合成甲醇主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)指標(biāo)高壓法低壓法30MPa5MPa原料/m3710690冷卻水/ m3211154電/6001000350420粗甲醇雜質(zhì)含量/%36轉(zhuǎn)化率（CO+CO2）/%9095催化劑類(lèi)型ZnCrCuZnAl 氣體組成甲醇由一氧化碳和、二氧化碳和氫氣反應(yīng)生成。過(guò)量的氫對(duì)減少羰基鐵的生成與高級(jí)醇的生成，及延長(zhǎng)催化劑使用壽命起著有益的作用。值得考慮的是，當(dāng)空速增加到一定程度后，催化劑床層的溫度將不能維持，這將嚴(yán)重影響生產(chǎn)過(guò)程。煤的選擇標(biāo)準(zhǔn)要考慮以下幾個(gè)方面：（1）水分。( 2 )揮發(fā)分。在氣化的過(guò)程中硫變成硫化氫和有機(jī)硫存在于煤氣中，對(duì)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生腐蝕，并使催化劑中毒。此次設(shè)計(jì)采用煤氣化的技術(shù)，綜合考慮各方面因素，采用的原料煤為無(wú)煙煤，組分見(jiàn)下表： 無(wú)煙煤的元素組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %成分水分揮發(fā)分灰分碳?xì)溲醯蚝?氣化工藝此次設(shè)計(jì)采用GSP氣化工藝。由于氣化溫度高，故對(duì)煤種的適應(yīng)性更為廣泛，從較差的褐煤、次煙煤、煙煤、無(wú)煙煤到石油焦均可使用[16]，也可以?xún)煞N煤摻混使用。(4)氣化爐采用水冷壁結(jié)構(gòu)，無(wú)耐火材料襯里。(7)氣化過(guò)程基本無(wú)廢氣排放，污染小，符合環(huán)保理念。㎜的粒度后，經(jīng)過(guò)干燥，通過(guò)濃相氣流輸入系統(tǒng)送至燒嘴。 冷卻后的粗煤氣進(jìn)入分離器（V1002），從分離器出來(lái)的氣體分為兩部分：一部分進(jìn)入變換爐（R1002），氣體出來(lái)后進(jìn)入換熱器（E1003），出來(lái)的氣體和另外一部分氣體混合后進(jìn)入水解器，氣體出來(lái)后入分離器（V1004），從V1004出來(lái)后去凈化工段；而從分離器（V1002）下分離出的液體進(jìn)入分離器（V1003），從V1003出來(lái)的氣體經(jīng)過(guò)冷卻器（E1002）后，主要為H2S去硫回收系統(tǒng)；從V1003下分離的液體去污水處理系統(tǒng)，處理后的水和從E1002，E1003，V1004出來(lái)的冷液一起返回氣化爐冷激室。變換工序主要有兩個(gè)方面的作用：通過(guò)變換調(diào)整氫碳比和使有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)硫。另一部分去發(fā)電氣加熱器（E2007），溫度降至213℃，進(jìn)入發(fā)電氣廢熱鍋爐（E2008）， MPa(A)低壓蒸汽，出口水煤氣溫度降至170℃，進(jìn)入第四水分離器（V2011），分離出冷凝液后進(jìn)入鍋爐給水加熱器Ⅱ（E2009）加熱鍋爐給水，溫度降至153℃，再進(jìn)入第五水分離器（V2012），分離出冷凝液后進(jìn)入鍋爐給水加熱器Ⅲ（E2010）加熱來(lái)自熱電站的鍋爐給水，溫度降至123℃，進(jìn)入第六水分離器（V2013），分離出冷凝液后進(jìn)入脫鹽水加熱器Ⅱ（E2011），溫度降至35℃，進(jìn)入第七水分離器，分離出冷凝液后的煤氣（發(fā)電氣）去送至NHD脫硫脫碳工段。該溶劑本身無(wú)毒，對(duì)碳鋼等金屬無(wú)腐蝕性，并且不起泡，吸收COH2S、COS等酸性氣體的吸收能力強(qiáng)，價(jià)格相對(duì)便宜。來(lái)自變換及燃?xì)鉄峄厥障到y(tǒng)的煤氣（36℃，(A)，含H2S %）與燃?xì)饷摿蛩═3004）℃進(jìn)入燃?xì)饷摿蛩═3004）下部，在塔內(nèi)NHD吸收了煤氣中大部分的H2S氣體，同時(shí)也帶走部分COCOS、H2等氣體。采用甲醇馳放氣（40℃，(A)）作為氣提氣進(jìn)入濃縮塔下部，塔頂出來(lái)的氣提氣中主要是CO2 、H2及少量H2S、COS等氣體，(G)閃蒸氣合并經(jīng)閃蒸氣水冷器I（E3004）冷卻至40℃返回進(jìn)NHD脫硫入口以回收高壓閃蒸氣中的H2?！妫俦幻撎脊ざ蔚陌崩淦鱅冷卻至0℃，然后將出氨冷器I的貧液分為兩部分，一部分貧液直接進(jìn)入燃?xì)饷摿蛩═3004）；另一部分則進(jìn)入NHD脫碳工段的脫碳塔上塔，在塔內(nèi)吸收脫碳塔下塔過(guò)來(lái)的凈化氣中微量的H2S和CO2，(G)進(jìn)入變換氣脫硫塔（T3001）。精脫硫時(shí)，凈化氣先進(jìn)入水解槽預(yù)熱器（E4004）被變換氣冷凝液加熱到80℃，經(jīng)水解槽（R3001）水解后，在水解氣冷卻器（E4005）中冷卻至40℃，進(jìn)到精脫硫槽（R3002A，B）精脫硫，得到符合甲醇合成所需的凈化氣體（CO2：2～3%，COS和H2S），送入合成甲醇工段。（255℃），（100℃）的水蒸氣作為冷卻介質(zhì)，作用是及時(shí)帶走合成反應(yīng)放出的熱量，維持體系得到溫度，使反應(yīng)快速進(jìn)行，同時(shí)也起到保護(hù)催化劑的作用，（200℃）。工藝流程為：有粗甲醇貯罐出來(lái)的粗產(chǎn)品，經(jīng)預(yù)熱器進(jìn)行加熱，至泡點(diǎn)溫度后進(jìn)入預(yù)精餾塔。 合成塔物料衡算已知年產(chǎn)精甲醇50萬(wàn)噸，每年以330個(gè)工作日計(jì)算。各組分等量關(guān)系如下：CO的消耗總量： H2的消耗總量： CO2的消耗總量：N2的消耗總量：Ar的消耗總量：CH4的消耗總量： 由此可得新鮮氣體中各氣體流量，如下表： 新鮮氣組成組分單位COCO2H2N2ArCH4含量kmol/h++++++總計(jì)+新鮮氣（合成氣）中惰性氣體（N2 + Ar+CH4）%，反應(yīng)過(guò)程中惰性氣體的量保持不變，（N2 + Ar+CH4）=+， 則解得， ，由此可得到新鮮氣的量為G新鮮=所以馳放氣的組成如下 馳放氣組成氣體CH3OHH2COCO2N2ArCH4組成%含量kmol/h新鮮氣（合成氣）組成如下 新鮮氣 (合成氣) 組成氣體CH4H2COCO2N2Ar組成%含量kmol/h 循環(huán)氣氣量的確定即：整理的：%，由甲醇的物料守恒得：解得： 循環(huán)氣組成氣體CH3OHH2COCO2N2ArCH4組成%含量kmol/h 循環(huán)比 入塔氣和出塔氣組成 由：入塔氣量=新鮮氣量+循環(huán)氣量 得：入塔氣各組分組成：H2的含量：CO的含量：CO2的含量：N2的含量：Ar的含量：CH4的含量：CH3OH的含量：，組成如下： 入塔氣組成氣體CH3OHH 2COCO2N2ArCH4組成%含量kmol/h由：出塔氣量=入塔氣量—反應(yīng)中消耗量+反應(yīng)中生成量出塔氣各組分含量：CH3OH的含量：H2的含量： CO的含量：CO2的含量：N2的含量：Ar的含量：CH4的含量：H2O的含量：（CH3)2O的含量：C4H9OH的含量： 出塔氣組成氣體CH3OHH 2COCO2N2ArCH4(CH3)2OC4H9OHH2O組成%含量kmol/h 甲醇分離器出口氣體組成分離器出口組分=馳放氣氣體組分+循環(huán)氣氣體組分分離器出口氣體各組分組成：H2的含量：CO的含量：CO2的含量：N2的含量：Ar的含量：CH4的含量：CH3OH的含量：，各組分含量如下： 分離器出口氣體組成氣體CH3OHH 2COCO2N2ArCH4組成%含量kmol/h分離器出口液體組分=出塔氣組分分離器出口氣體組分，則各液體組分含量：，各組分含量如下： 分離器出口液體組成氣體CH3OH(CH3)2OC4H9OHH2Omol組成%含量kmol/h實(shí)際甲醇的年產(chǎn)量：，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的50萬(wàn)噸年產(chǎn)量。k）含量kmol/h入塔熱量kJ/（hk）CH3OH105H 2105CO104CO2104N2104Ar104CH4105( CH3 )2OC4H9OHH2O則，每小時(shí)出塔熱量： 總出塔熱量 合成塔熱量損失假設(shè)合成塔的熱量損失為5%，則損失的這部分能量的值為： 蒸汽吸收的熱量全塔熱平衡方程式為：∑Q1 +∑Qr = ∑ Q2 + ∑Q3 +Q4 得：蒸汽吸收的熱量為： 水蒸氣入口溫度為200℃，出口溫度為224℃，查《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》得：（kg由上面的計(jì)算得：合成氣經(jīng)過(guò)換熱器后熱量的增量為：由此可得：出換熱器的出合成塔氣體熱量為：，溫度為85℃。k）CH3OH（氣相）103H 2105CO104CO2104N2104Ar104CH4104( CH3 )2OC4H9OHH2O104CH3OH（液相）105（1）氣相帶出的熱量：氣相總熱量：（2） 液相帶出的熱量：液相總熱量：所以出水冷器總熱量： 冷卻水的用量冷卻水進(jìn)口溫度為25℃，出口溫度為70℃，由上面計(jì)算得：冷卻水吸收的熱量為：則冷卻水的用量： 甲醇分離器的熱量衡算物料進(jìn)入分離器后，氣相由分離器上部分出；液相由下部分出。 合成塔直徑由換熱管外徑查得相鄰兩換熱管中心距為a=48mm，對(duì)角線(xiàn)管數(shù)：，則合成塔殼體直徑為：，圓整為4650mm。殼體最高允許工作壓力： 合成塔封頭設(shè)計(jì) 上下封頭采用橢圓形封頭，材質(zhì)為18MnMoNbR，直邊高度為25mm，取形狀系數(shù)K=，即Di/2hi=，封頭內(nèi)徑為4650mm，則hi=1224mm，則封頭的設(shè)計(jì)壁厚： 取封頭的附加厚度為C=，圓整為65mm。 合成氣進(jìn)塔換熱器的選型（1）由熱量衡算得：108KJ/h，107W，取總傳熱系數(shù)，加熱器與合成氣采用逆向換熱， 出塔氣： 255℃ → 85℃ 合成氣 ：225℃ ← 60℃ 平均溫差：由 得：傳熱面積（2）查《化工機(jī)械設(shè)備基礎(chǔ)》，選用材質(zhì)為18MnMoNbR、的無(wú)縫不銹鋼管鋼管，長(zhǎng)度為9000mm，正三角形排布，共需換熱管根數(shù)： 由換熱管外徑查得相鄰兩換熱管中心距為a=48mm，對(duì)角線(xiàn)管數(shù)：，則合成塔殼體直徑為：，圓整為2600mm。（5）上下封頭采用橢圓形封頭，形狀系數(shù)K=，材質(zhì)為18MnMoNbR，直邊高度為25mm，封頭內(nèi)徑為2600mm，則hi=650mm，則封頭的設(shè)計(jì)壁厚： 取封頭的附加厚度為C=，圓整為40mm。 水冷器的選型水冷器采用固定管板式換熱器，殼體與換熱管材質(zhì)為16MnR，107KJ，107W，取傳熱系數(shù) 出塔氣： 85℃ → 40℃ 冷卻水 ：50℃ ← 25℃ 平均溫差：由 得：傳熱面積由《典型化工單元操作設(shè)備設(shè)計(jì)》[19]附表查得所需型號(hào)G1100Ⅵ，具體參數(shù)如下：項(xiàng)目規(guī)格項(xiàng)目規(guī)格殼程/mm1100管子尺寸/mmφ25公稱(chēng)壓強(qiáng)/Mpa管長(zhǎng)/m9公稱(chēng)面積/m2管子總數(shù)830管程數(shù)6管子排列方法三角形 汽包的選型由合成塔出來(lái)的水蒸氣為224℃，與來(lái)自加熱器器的100℃沸水經(jīng)汽包進(jìn)行換熱后降為200℃。除沫器的直徑為：選取不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)型除沫器，規(guī)格40100，不銹鋼絲網(wǎng)尺寸。粗產(chǎn)品在預(yù)精餾塔中脫除二甲醚及輕組分，塔頂采用水進(jìn)行萃取，回收氣相中的甲醇。設(shè)計(jì)加入的堿液是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氫氧化鈉溶液，%。 理論板數(shù)的計(jì)算由芬斯克方程求得全塔最小理論板數(shù)：精餾段最少理論板數(shù)： 由 (） (）由試差法求得：θ= ，查吉利蘭圖得所需理論板數(shù)為15塊。精餾段最少理論板數(shù)：，即進(jìn)料板為從上往下數(shù)第15塊