【正文】 CI低壓甲醇合成裝置；在齊魯二化、濮陽(yáng)和安陽(yáng)等地相繼建成了Lurg[低壓甲醇合成裝置。 甲醇合成的反應(yīng)及動(dòng)力學(xué)分析 甲醇合成的反應(yīng)甲醇合成反應(yīng)體系主要發(fā)生以下反應(yīng)：CO+ 2H2=CH3OH ( 1)CO2+ 3H2=CH3OH+ H2O ( 2)CO2+ H2=CO+ H2O ( 3)由于其中只有兩個(gè)為獨(dú)立反應(yīng), 在進(jìn)行化學(xué)平衡計(jì)算時(shí)只需考慮其中兩個(gè)反應(yīng)。 合成工藝 甲醇生產(chǎn)工藝（1）甲醇生產(chǎn)工藝國(guó)內(nèi)國(guó)外的發(fā)展情況 ，故甲醇俗稱木精、木醇。1923年德國(guó)BASF公司首先用合成氣在高壓下實(shí)現(xiàn)了甲醇的工業(yè)化生產(chǎn)，直到1965年，這種高壓法工藝是合成甲醇的唯一方法。世界上典型的甲醇合成工藝主要有ICI工藝、Lurgi工藝和三菱瓦斯化學(xué)公司(MCC)工藝。70年代四川維尼綸廠引進(jìn)了一套以乙炔尾氣為原料的95 kt/a低壓法裝置，采用英國(guó)ICI技術(shù)。國(guó)內(nèi)主要的研究單位有南華集團(tuán)研究院、西南化工研究院、齊魯石化公司研究院等。 采用乙炔尾氣則經(jīng)濟(jì)效果更為顯著。規(guī)模擴(kuò)大后, 可降低單位產(chǎn)品的投資和成本。采用節(jié)能技術(shù), 如氫回收技術(shù)、預(yù)轉(zhuǎn)化、工藝?yán)淠猴柡图夹g(shù)、燃燒空氣預(yù)熱技術(shù)等, 降低甲醇消耗。 甲醇生產(chǎn)中所使用的多種催化劑,如天然氣與石腦油蒸氣轉(zhuǎn)化催化劑、甲醇合成催化劑都易受硫化物毒害而失去活性,必須將硫化物除凈。隨著甲醇合成催化劑技術(shù)的不斷發(fā)展,目前總的趨勢(shì)是由高壓向低、中壓發(fā)展。精餾主要是除去易揮發(fā)組分,如二甲醚、以及難以揮發(fā)的組分,如乙醇高級(jí)醇、水等。近幾年來(lái),我國(guó)開(kāi)發(fā)了2527MPa壓力下在銅基催化劑上合成甲醇的技術(shù),出口氣體中甲醇含量4%左右,反應(yīng)溫度230290℃。例如ICI公司研究成功了512型銅基催化劑,其化學(xué)組成和活性與低壓合成催化劑511型差不多,只是催化劑的晶體結(jié)構(gòu)不相同,制造成本比511型高貴。ICl法所用的合成塔為熱壁多段冷激式,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,每段催化劑層上部裝有菱形冷激氣分配器,使冷激氣均勻地進(jìn)入催化劑層,。 在ICI低壓甲醇臺(tái)成工藝中，由于冷激氣的分層加入，在整個(gè)反應(yīng)床層中的溫度呈現(xiàn)較大范圍波動(dòng)的特點(diǎn)，觸媒初期，床層溫度210℃～240 C，后期控制在240℃～270 C。兩種工藝中催化劑使用效果的比較在低壓法合成甲醇工藝中，臺(tái)成塔床層溫度及其分布是影響催化劑使用效果的重要外因之一，溫度過(guò)高易使催化劑晶粒粗化，活性降低而過(guò)早老化，溫度過(guò)低則會(huì)使催化劑的活性得不到有效的發(fā)揮。在I urgi低壓甲醇合成工藝中，由于反應(yīng)溫度平穩(wěn)，催化劑的作用得到很好發(fā)揮，原料氣的單程轉(zhuǎn)化率得以提高，出塔氣甲醇含量一般達(dá)到5 ～7 ，而且副反應(yīng)少，粗甲醇質(zhì)量較好。d) ICI法最大的特點(diǎn)是合成塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材料沒(méi)有特殊要求，設(shè)備易制造；而Lurgi甲醇臺(tái)成塔管材采用雙相不銹鋼，加工較復(fù)雜。例如副產(chǎn)蒸汽型等溫甲醇合成塔采用國(guó)產(chǎn)銅系催化劑，使用前期，可控制床層零點(diǎn)溫度230～240℃，熱點(diǎn)溫度260℃左右；后期，可控制床層零點(diǎn)溫度260～270℃，熱點(diǎn)溫度290℃。甲醇合成反應(yīng)時(shí)分子數(shù)變少，因此增加壓力對(duì)反應(yīng)有利，由于壓力高，組分的分壓提高，因而催化劑的 生產(chǎn)強(qiáng)度也提高。近年來(lái)普遍使用的銅基甲醇合成催化劑，其活性溫度范圍在200～300℃，有較高的活性，對(duì)于規(guī)模小于30萬(wàn)噸/a的工廠，操作壓力一般可降為5Mpa左右；對(duì)于超大型的甲醇裝置，為了減少設(shè)備尺寸，合成系統(tǒng)的操作壓力可以升至10Mpa左右。合成塔中氫氣過(guò)量，對(duì)減少副反應(yīng)是有利的。所以二氧化碳的含量應(yīng)該盡可能低一些，一般不超過(guò)5%?？账俚倪x擇需要根據(jù)每一種催化劑的特性，在一個(gè)相對(duì)較小的范圍內(nèi)變化。隨著甲醇工業(yè)的快速發(fā)展,對(duì)甲醇合成催化劑的研究開(kāi)發(fā)提出了更高的要求。低(中)壓法銅基催化劑的操作溫度為210℃~300℃,壓力為5MPa10 MPa,比傳統(tǒng)的合成工藝溫度低得多,對(duì)甲醇反應(yīng)平衡有利。目前工業(yè)上甲醇的合成主要使用銅基催化劑。 工藝流程模擬工藝流程模擬如下： 壓縮 ，溫度為40℃，℃，然后合成氣與循環(huán)氣相混合進(jìn)入混合器，然后再經(jīng)對(duì)流段的合成氣和循環(huán)氣經(jīng)過(guò)換熱器加熱到230℃。出合成塔的高溫氣體熱量用于加熱入塔合成氣，然后經(jīng)水冷至40℃左右，經(jīng)氣液分離器冷凝分離出粗甲醇。該蒸汽降壓后和轉(zhuǎn)化工段產(chǎn)生的飽和蒸汽一起過(guò)熱，作為合成壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)透平的動(dòng)力，以及汽提塔的汽提蒸汽。，℃，然后在塔內(nèi)分離成塔頂氣和塔底液，塔頂氣主要是含甲醇的輕餾分，塔底再沸器用合成氣加熱保持塔底液在沸騰狀態(tài)。第三章 物料衡算和熱量衡算 概述化工過(guò)程的物料衡算和熱量衡算，都是利用物理與化學(xué)的基本定律來(lái)計(jì)算的。從而為確定最佳操作條件、設(shè)備選型以及設(shè)備尺寸的確定、管路設(shè)施與公用工程的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。對(duì)一般的體系而言，物料分布均可表示為：∑(物料的累積量)=∑(物料進(jìn)入量)∑(物料流出量)+∑(反應(yīng)生成量)∑(反應(yīng)消耗量) 特別地，當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)時(shí)，則可簡(jiǎn)化為：∑(物料的累積量)=∑(物料進(jìn)入量)∑(物料流出量)在穩(wěn)定狀態(tài)下有：∑(物料進(jìn)入量)=∑(物料流出量)本項(xiàng)目為混合C4處理項(xiàng)目，將全流程分為DMF法丁二烯抽提工段、MTBE合成與正丁烯聯(lián)產(chǎn)工段兩部分。它的能量平衡方程為：其中，——表示輸入設(shè)備熱量的總和； ——表示輸出設(shè)備熱量的總和； ——表示損失熱量的總和。（1）甲醇反應(yīng)器的熱量衡算 圖 37 甲醇反應(yīng)器模擬負(fù)荷圖Heat duty MMBtu/hr Q= MMBtu/hr表36甲醇反應(yīng)器負(fù)荷計(jì)算表項(xiàng)目進(jìn)料出料Temperature CPressure barVapor Frac11Mole Flow kmol/hrMass Flow kg/hrVolume Flow cum/hrEnthalpy MMBtu/hr∑H MMBtu/hr表37 甲醇反應(yīng)器能量信息表Q總W總Error00 表38 能量平衡計(jì)算表 （單位：MMBtu/hr）（2）分離器的熱量衡算圖38 分離器模擬負(fù)荷圖Heat duty MMBtu/hr Q= MMBtu/hr表39甲醇反應(yīng)器負(fù)荷計(jì)算表項(xiàng)目進(jìn)料塔頂出料塔底出料Temperature C404040Pressure barVapor Frac1Mole Flow kmol/hrMass Flow kg/hrVolume Flow cum/hrEnthalpy MMBtu/hr∑H MMBtu/hr表310 甲醇反應(yīng)器能量信息表Q總W總Error00 表311 能量平衡計(jì)算表 （單位：MMBtu/hr）（3）第一精餾塔的熱量衡算圖39 第一精餾塔冷凝器模擬負(fù)荷圖圖310 第一精餾塔再沸器模擬負(fù)荷圖CONDENSERREBOILERHeat duty MMBtu/hr W= 表312 第一精餾塔負(fù)荷計(jì)算表項(xiàng)目進(jìn)料塔頂出料塔底出料Temperature C65Pressure bar1023Vapor Frac10Mole Flow kmol/hrMass Flow kg/hrVolume Flow cum/hrEnthalpy MMBtu/hr∑H MMBtu/hr 表313 第一精餾塔能量信息表Q總W總Error0．0002表314 能量平衡計(jì)算表 （單位：MMBtu/hr）（4）第二精餾塔的熱量衡算 圖313 第二精餾塔冷凝器模擬負(fù)荷圖圖314 第二精餾塔再沸器模擬負(fù)荷圖CONDENSERREBOILERHeat duty MMBtu/hr W= MMBtu/hr Q= MMBtu/hr 表315第二精餾塔負(fù)荷計(jì)算表項(xiàng)目進(jìn)料塔頂出料塔底出料Temperature CPressure bar3Vapor Frac000Mole Flow kmol/hrMass Flow kg/hrVolume Flow cum/hrEnthalpy MMBtu/hr表316 第二精餾塔能量信息表Q總W總Error0 表317 能量平衡計(jì)算表 （單位：MMBtu/hr）（5）閃蒸罐的熱量衡算圖315 閃蒸罐模擬負(fù)荷圖Heat duty MMBtu/hr 0Q=0 MMBtu/hr表318閃蒸罐負(fù)荷計(jì)算表項(xiàng)目進(jìn)料塔頂出料塔底出料Temperature CPressure bar201010Vapor Frac10Mole Flow kmol/hrMass Flow kg/hrVolume Flow cum/hrEnthalpy MMBtu/hr表319 閃蒸罐能量信息表Q總W總Error000 表320 能量平衡計(jì)算表 （單位：MMBtu/hr）第四章 設(shè)備設(shè)計(jì)及選型 化工設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)與選型是在物料衡算和熱量衡算的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。 甲醇合成反應(yīng)器的選擇 甲醇合成反應(yīng)主要采用的是魯奇的工藝，一般采用的是固定床列管式反應(yīng)器和絕熱床反應(yīng)器。 選型原則（1）適當(dāng)選擇冷卻介質(zhì)。 選型介紹計(jì)算出總的壓縮比為。 氣液分離器的選型時(shí)一般考慮能容納50％機(jī)組的充灌量。工藝參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)該塔的生產(chǎn)能力、分離效果、物料和能量等操作參數(shù)作了設(shè)計(jì)，基本參數(shù)設(shè)計(jì)則完成了塔尺寸、塔壁厚、塔板形式及開(kāi)孔形式等的設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)則完成了塔設(shè)備的封頭、開(kāi)口、地基等等的設(shè)計(jì)，同時(shí)完成了機(jī)械性能的校核。 精餾段塔徑的計(jì)算工業(yè)用的精餾塔類型主要有填料塔和板式塔。板式塔的種類很多，隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，板式塔的結(jié)構(gòu)也在不斷的變化 ，不同類型的塔設(shè)備使用范圍不同。根據(jù)所輸送的流體性質(zhì)（如黏性液體，含雜質(zhì)的流體等）選擇不同類型、不同用途的泵。為防止發(fā)生汽蝕，要求泵的必需汽蝕余量小于裝置汽蝕余量，如果達(dá)不到此要求，需設(shè)法增大裝置的汽蝕余量，如降低泵的安裝高度。據(jù)分析，壓頭需要如此大，但是流量卻很小的泵沒(méi)有，所以將流量設(shè)定為 由得 取泵進(jìn)口段的流速為，則進(jìn)口管徑取泵出口段的流速為，則出口管徑選擇進(jìn)口管徑為D1=，出口管徑為D2=則 ⑵泵揚(yáng)程計(jì)算管出料端壓頭損失：道進(jìn)料阻力損失為泵所需要的揚(yáng)程：泵最終要達(dá)到， 則其揚(yáng)程需達(dá)到。甲醇為易燃易爆、有毒物品，要求密封性高，防靜電，防爆。(2) (4)(6)從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使醇類混合物走管程，冷卻水走殼程。法蘭的材料查閱相關(guān)資料。 回流罐，儲(chǔ)罐的選擇 1） 儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)罐體和封頭的材料的選擇設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐，力求：①減少蒸發(fā)損失；②防止空氣污染；③保證儲(chǔ)液不受空氣污染。（2）回流罐罐的選型：貯罐儲(chǔ)存根據(jù)儲(chǔ)存溫度、壓力可分為：常溫壓力儲(chǔ)存、低溫壓力儲(chǔ)存和低溫常壓儲(chǔ)存。當(dāng)貯罐公稱容積大于120立方米時(shí)選用球形罐，小于120立方米時(shí)選用臥式罐。取高徑比H/D，則由V=，解得D，圓整。（2）區(qū)域面積表格 51 各區(qū)域面積名稱面積/平方米生產(chǎn)車間685分離車間775職工宿舍364總控制室190化驗(yàn)室100維修室206消防站186倉(cāng)庫(kù)200職工宿舍364儲(chǔ)罐473行政辦公樓476活動(dòng)室150醫(yī)務(wù)室門衛(wèi)室10036（3）局域系數(shù)表格 52局域系數(shù)項(xiàng)目單位數(shù)據(jù)廠區(qū)占地面積平方米9600建筑物、構(gòu)筑物占地面積平方米3755綠化面積平方米1887道路占地面積平方米1690建筑系數(shù)%綠化系數(shù)%廠區(qū)利用系數(shù)%（4）分項(xiàng)說(shuō)明 廠區(qū)布置圖生活布置圖如下：廠前區(qū)為生活區(qū)，位于工廠的西部，主要包括職工食堂和行政辦公樓以及活動(dòng)的籃球場(chǎng)。罐區(qū)布置圖如下： 包括儲(chǔ)罐和倉(cāng)庫(kù)，位于在生產(chǎn)區(qū)右側(cè)，靠近主反應(yīng)車間的位置，方便了原材料的輸入和成、制品的轉(zhuǎn)運(yùn)。：輔助生產(chǎn)區(qū)包括：總控制室，化驗(yàn)室，消防站，維修室，壓縮機(jī)房反應(yīng)車間主要將甲醇合成分為四個(gè)工段，包括：壓縮工段，合成工段，分離工段，儲(chǔ)存工段。中心控制室位于三樓，對(duì)生產(chǎn)裝置進(jìn)行監(jiān)控和檢測(cè)。化驗(yàn)室：化驗(yàn)室有利于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行研究，從而進(jìn)一步加以改造。而且綠化目的是防塵、防噪、保護(hù)和美化環(huán)境。防火：該工藝的產(chǎn)品甲醇易燃易爆物，因此加強(qiáng)廠區(qū)內(nèi)的消防安全措施非常重要。⑵保證交通暢通廠區(qū)內(nèi)交通縱橫貫通，共設(shè)的東西和南北兩條主干道，另設(shè)多條次干道和支道