【正文】 學(xué)士學(xué)位論文 第四章 設(shè)備計(jì)算 ? ? ? ?smmo lPKPKPKPPKPPkrHHCOCOCOCOOHOHCHPHCOCO ???????????? ??? 34232/11222223222 （ 230） 在 SI 制下，速率方程式中各系數(shù)可表示為： 速率常數(shù)： ? ?337161 /100 4 x p101 7 Pasmk m o lRTk ?????????? ??? ? （ 231） ? ?437202 / x Pasmk mo lRTk ?????????? ??? ? （ 232） 平衡常數(shù)： P=5MPa TTK P ln2 0 9 8 1 0 41 ????? (233) TTK P ln4 2 6 0 7 4 32 ????? (234) 吸附系數(shù)： TK CO 1103 0 5 7 6 4??? (235) TK CO 1102 5 4 8 5 32 ???? (236) TK H 9 3 9 32 ???? (237) 催化劑堆密度： 根據(jù)《聯(lián)醇生產(chǎn)》， C301 工業(yè)催化劑的堆密度為 1400～ 1600kg/m3。 從圖 416 中可以清楚的得到催化劑 床層 的熱點(diǎn)溫度為 247 度左右，大約在距離反應(yīng)管進(jìn)口 處，與 管外冷卻介質(zhì)的溫差達(dá)到 17℃，比出口溫度高 6℃。 甲醇合成反應(yīng)器的附屬設(shè)備結(jié)構(gòu)計(jì)算 1. 汽包 汽包是低壓魯奇法合成甲醇很重要的附屬設(shè)備。 通過模擬可以得到傳熱系數(shù)校核所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，列表 如下。 甲醇合成反應(yīng)器模擬結(jié)果 經(jīng)過反復(fù)模擬實(shí)驗(yàn)，最后確定反應(yīng)器的管長(zhǎng)為 6m,根據(jù)甲醇合成全流程模擬中甲醇反應(yīng)器入口總流量 ，反應(yīng)管 規(guī)格 為 Φ 38 2mm,這樣的設(shè)定結(jié)果滿足反應(yīng)器出口的要求。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和上述反應(yīng)機(jī)理，推導(dǎo)并回歸得到的冪函數(shù)型雙速率動(dòng)力學(xué)模型為： ? ? ? ?? ?hgm o lffRTr COOHCO ???????? ?? /154010e x p2187 2 ? （ 216） ? ? ? ?? ?hgm o lfffRTr OHCOHCO ????????? ?? ? /151550e x p860 222 ? （ 217） 式中 2121 HCOfm ffK f ???? (218) 322222HCOfOHm ffK ff ?? ??? (219) Kf為逸度表示的平衡常數(shù)， fi為 i組分的逸度。以年產(chǎn) 20 萬(wàn)噸甲醇為例，就焦?fàn)t煤氣、天然氣、煤三種 不同原料制甲醇的消耗、成本、投資比較 。國(guó)外以天然氣為原料生產(chǎn)甲醇，天然氣經(jīng)過氧化鋅脫硫后，硫含量在 ；國(guó)內(nèi)以煤炭為原料生產(chǎn)甲醇，合成氣中硫含量一般都在 1mg/kg 以上，這樣，很容易造成催化劑中毒，必須脫硫凈化降到 。后來(lái)，將其鋅鉻催化劑改為銅基催化劑，壓力降為 20～ 25Mpa，但仍然屬于 高壓法。設(shè)備投資低。副產(chǎn) ～ 中壓蒸汽的合成塔 ,出口濃度可達(dá) 8～10%vol,合成系統(tǒng)循環(huán)量比傳統(tǒng)技術(shù)大為減少 ,所消耗補(bǔ)充氣最少。合成采用 ICI低壓甲醇合成催化劑。其流程特點(diǎn)為 :采用軸向絕熱床層 ,塔間設(shè)換熱器 ,廢熱用于預(yù)熱鍋爐給水或飽和系統(tǒng)循環(huán)熱水。其特點(diǎn)是合成塔為列管式 ,副產(chǎn)蒸汽 ,管內(nèi)是 Lurgi合成催化劑 ,管間是鍋爐水 ,副產(chǎn) ～ 壓蒸汽。合成塔型式有 :第一種 ,激冷式合成塔 ,單塔生產(chǎn)能力大 ,出口甲醇濃度約為 4～ 6%vol。 生物柴油 生物柴油是清潔的可再生能源，它以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黃連木等油料林木果實(shí)、工程微藻等油料水生植物以及動(dòng)物油脂、廢餐飲油等為原料制成的液體燃料，是優(yōu)質(zhì)的石油柴油代用品。 甲基丙烯酸甲酯：目前生產(chǎn)甲基丙烯酸甲酯（ MMA）主要的生產(chǎn)工藝路線是：先將 ACH 轉(zhuǎn)化為甲基丙烯酰胺硫酸鹽，然后再水解、酯化生成甲基丙烯酸酯。甲醇制甲醛再轉(zhuǎn)化為乙二醇的路線，鑒于合成氣制甲醇技術(shù)和甲醇生產(chǎn)甲醛技術(shù)都已經(jīng)非常成熟，因而該工藝很有開發(fā)前景。目前國(guó)內(nèi)蛋白飼料的實(shí)際缺口達(dá) 1200 萬(wàn)噸。 二甲基亞砜（ DMSO） 是極為重要的非質(zhì)子極性溶劑和重要的精細(xì)化工產(chǎn)品，一向被譽(yù)為：“萬(wàn)能溶媒”，在國(guó)外稱為“萬(wàn)能藥”，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、石油、化工、有機(jī)合成、電子、涂料、冶金、染料和高分子材料等許多化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域，并且一些新的用途還在不斷被發(fā)現(xiàn)。甲烷氯化物（ CMS）的工業(yè)生產(chǎn)是以甲醇和氯氣為主要原料，采用直接氯化生產(chǎn)工藝，近年來(lái)我國(guó) CMS 生產(chǎn)發(fā)展較快 ,總生產(chǎn)能力超過 25 萬(wàn) t/a。一甲胺、二甲胺和三甲胺等都是化學(xué)工業(yè)、農(nóng)藥、醫(yī)藥及涂料的中間體，有相當(dāng)大的市場(chǎng)前景。另外，它還作為清洗劑，用于高精密儀器（電子儀器）表面的清洗。 冰醋酸 我國(guó)醋酸生產(chǎn)主要有羰化法、乙烯法及乙醇法，根據(jù)全國(guó)醋酸行業(yè)協(xié)作組提供的數(shù)據(jù)顯示， 2020 年我國(guó)甲醇羰基合成法制醋酸產(chǎn)能約為 90 萬(wàn) t，產(chǎn)量 萬(wàn) t，消耗甲醇 49 萬(wàn) t； 2020 年產(chǎn)能約為 140 萬(wàn) t，產(chǎn)量 萬(wàn) t，消耗甲醇 76 萬(wàn) t。亞洲 需求量增長(zhǎng)比較迅速，與此相反，北美地區(qū)需求則在減少。甲醇有很強(qiáng)的毒性，口服 5～ 10ml 可以引起嚴(yán)重中毒， 10ml 以上造成失明， 30ml 以上可致人死亡。甲醇能和水以任意比互溶，但不形成共沸物，能和多數(shù)常用的有機(jī)溶劑 (乙醇、乙醚、丙酮、苯等 )混溶，并形成恒沸點(diǎn)混合物。 換熱器針對(duì)的是 換熱器 E301，它 采用的是管殼式換熱器 ,嚴(yán)格意義上講是一個(gè)浮頭式換熱器 ,原 因是物料前后溫差較大 ,所以選取浮頭式換熱器。針對(duì)目前甲醇的生產(chǎn)已經(jīng)非常成熟的情況和國(guó)內(nèi)外甲醇生產(chǎn)工藝的分析，本設(shè)計(jì)采用低壓魯奇法進(jìn)行甲醇合成，采用國(guó)內(nèi)廣泛使用的 C301 型銅基催化劑，精餾部分采用 三塔流程，一個(gè)預(yù)精餾塔和兩 個(gè) 主 精餾塔。 甲醇是極為重要的有機(jī)化工原料，在化工、醫(yī)藥、輕工、紡織及運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)都有廣泛的應(yīng)用，其衍生物產(chǎn)品發(fā)展前景廣闊。運(yùn)用 Aspen Plus 對(duì)整個(gè)工藝進(jìn)行了完整的模擬并針對(duì)每個(gè)設(shè)備進(jìn)行了分別的設(shè)備計(jì)算。然后查閱國(guó)標(biāo)，對(duì)換熱器進(jìn)行選型，應(yīng)用嚴(yán)格法進(jìn)行模擬，得到總傳熱系數(shù)和實(shí)際的換熱面積，再加以校核，確定最后的換熱器的型號(hào)。甲醇水溶液的密度隨甲醇濃度和溫度的增加而減??；甲醇水溶液的沸點(diǎn)隨液相中甲醇濃度的增加而降低。 表 1 甲醇物性參數(shù)表 項(xiàng)目 單位 數(shù)值 項(xiàng)目 單位 數(shù)值 沸點(diǎn)（ 105Pa ） ℃ ～ 凝固點(diǎn) ℃ 97～ 臨界壓力 MPa 臨界溫度 ℃ 240 爆炸上限 % 爆炸下限 % 6 最小點(diǎn)火能量 MJ 相對(duì)分子量 1 表 2 甲醇飽和蒸汽溫度與壓力平衡表 (1mmHg = ) 溫度℃ 蒸 汽 壓mmHg 溫度℃ 蒸汽 壓mmHg 溫度℃ 蒸汽壓mmHg 20 96 130 6242 30 160 140 8071 40 150 10336 50 406 160 13027 60 625 170 16292 44 1 760 180 20209 40 2 70 927 190 24615 30 4 80 1341 200 29787 20 8 90 1897 210 35770 10 100 2621 220 42573 0 110 3561 230 50414 10 120 4751 240 59660 化學(xué)性質(zhì) 甲醇不具酸性，也不具堿 性，對(duì)酚酞和石蕊均呈中性。 甲醇下游產(chǎn)品 甲醇的下游產(chǎn)品大致有：甲醛、冰醋酸、二甲醚（ DME）、 MTBE、二甲基甲酰胺（ DMF）、甲胺、甲酸甲酯、甲烷氯化物（ CMS）、乙二醇、碳酸 二甲酯（ DMC）、硫酸二甲酯、甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇（ PVA）、對(duì)苯二甲酸二甲酯（ DMT）、二甲基亞砜（ DMSO）、 MTO/MTP、甲醇蛋白、合成橡膠、甲醇燃料、燃料電池等。按生產(chǎn) 1 噸醋酸需要 甲醇計(jì)算，則需要消耗甲醇 227 萬(wàn)～ 360 萬(wàn) t。 MTBE 主要用作汽油的改性劑添加到汽油中。甲酸甲 酯有很高的反應(yīng)活性，由它出發(fā)，可制得 50 多個(gè)產(chǎn)物，故被稱為萬(wàn)能中間體。目前我國(guó)的碳酸二甲酯的總產(chǎn)能在 10 萬(wàn) t／ a 以上。 MTO/MTP 甲醇制烯烴的 MTO 工藝和甲醇制丙烯的 MTP 工藝是目前重要的 C1 化工技術(shù)，是以煤基或天然氣基合成的甲醇為原料，生產(chǎn)低碳烯烴的化工工藝技術(shù)，是以煤替代石油生產(chǎn)乙烯、丙烯等產(chǎn)品的核心技術(shù)。非水溶液滴定溶劑。據(jù)預(yù)測(cè)， 2020 年我 國(guó)聚酯產(chǎn)量將達(dá)到 1730 萬(wàn)噸，按聚酯單耗 噸 /噸計(jì)算，約需乙二醇 588 萬(wàn)噸； 2020 年聚酯產(chǎn)量為 1900 萬(wàn)噸，約需要乙二醇 646 萬(wàn)噸。據(jù)預(yù)計(jì) 2020 年我國(guó)M85～ M100 的甲醇汽車將達(dá)到 1 萬(wàn)輛左右，按每輛汽車每年消耗 20 噸甲醇計(jì)算，則共需要消耗甲醇 20 萬(wàn) t。需求與產(chǎn)量的反差，將會(huì)是形成產(chǎn)品供不應(yīng)求的局面。精餾多數(shù)采用二塔 ,有時(shí)也用三塔精餾 ,與蒸汽系統(tǒng)設(shè)置統(tǒng)一考慮。 Lurgi 工藝的精餾采用三塔精餾或三塔精餾后再串一個(gè)回收塔。合成壓力 ～ ,根據(jù)裝置能力優(yōu)化。 甲醇合成廢熱用于產(chǎn)生 ～ 中壓蒸汽 ,中壓蒸汽可作為工藝蒸汽 ,或過熱后用于透平驅(qū)動(dòng)蒸汽 。 合成塔 :伍德公司采用改進(jìn)的氣冷激式菱 形反應(yīng)器、等溫合成塔、冷管式合成塔。4塔精餾 ,設(shè)甲醇回收塔 ,甲醇回收率為 %,噸甲醇耗 噸低壓蒸汽。這種工藝，是針對(duì)中國(guó)遍布全國(guó)的中小型合成氨廠而開發(fā)的。 ④ 積極由小規(guī)模向大規(guī)模轉(zhuǎn)變。加之東臨海港，西靠鐵路，交通極為便利，方便產(chǎn)品外輸及原料的輸入。 沈陽(yáng)化工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第四章 設(shè)備計(jì)算 甲醇合成反應(yīng)器模擬流程圖 圖 415 甲醇合成反應(yīng)器模擬流程圖 甲醇合成反應(yīng)器模擬方法 甲醇合成反應(yīng)器 為立式列管固定床反應(yīng)器，模擬采用 采用 活塞流反應(yīng)器“ RPLUG”模型 進(jìn)行模擬 ， 該反應(yīng)器使用 BWRLS 方程來(lái)描述甲醇合成反應(yīng)機(jī)理。 沈陽(yáng)化工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第四章 設(shè)備計(jì)算 圖 416 甲醇合成反應(yīng)器的溫度分布曲線B l o c k B 1 ( R P l u g ) P r o f i l e s P r o ce s s S t r e a mR e a c t o r l e n g t h M I X E D m e t e rTEMPERATURE C0 . 0 0 . 2 5 0 . 5 0 . 7 5 1 . 0 1 . 2 5 1 . 5 1 . 7 5 2 . 0 2 . 2 5 2 . 5 2 . 7 5 3 . 0 3 . 2 5 3 . 5 3 . 7 5 4 . 0 4 . 2 5 4 . 5 4 . 7 5 5 . 0 5 . 2 5 5 . 5 5 . 7 5 6 . 0205.0210.0215.0220.0225.0230.0235.0240.0245.0250.0T e m p e r a t u r e M I X E D 沈陽(yáng)化工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第四章 設(shè)備計(jì)算 B l o c k B 1 ( R P l u g ) P r o f i l e s P r o ce s s S t r e a mR e a c t o r l e n g t h M I X E D m e t e r 0 . 0 0 . 2 5 0 . 5 0 . 7 5 1 . 0 1 . 2 5 1 . 5 1 . 7 5 2 . 0 2 . 2 5 2 .