【文章內容簡介】 ；爐水在雙套管內強制循環(huán)，循環(huán)泵功率較大，泵維修的工作量較大。杭州林達均溫型（JW）甲醇合成塔合成催化劑裝填系數(shù)大，有利于縮小合成塔尺寸，投資低，結構簡單可靠（U型管），易大型化可發(fā)揮催化劑活性，提高甲醇合成率和催化劑生產(chǎn)強度，減小副產(chǎn)物量，提高產(chǎn)品質量，延長催化劑壽命。國昌GC軸徑向合成塔GC低壓軸徑向甲醇合成塔操作彈性大，調節(jié)靈活方便，催化劑壽命長，設備高徑比大、易運輸、造價低。副產(chǎn)蒸汽品位低，氣產(chǎn)量小GC低壓徑向水冷板甲醇合成塔換熱面積大，水側流動阻力和傳熱阻力降低。甲醇合成生產(chǎn)技術十分成熟，工藝技術主要分三種：高壓甲醇合成（30MPa以上）、中壓甲醇合成（10～15MPa）和低壓甲醇合成（5～10MPa）高壓法（~） 是最初生產(chǎn)甲醇的方法，采用鋅鉻催化劑，反應溫度360℃~400℃，~。高壓法由于原料和動力消耗大，反應溫度高，生成粗甲醇中有機雜質含量高，而且投資大，其發(fā)展長期以來處于停頓狀態(tài)。 低壓法（~） 是20世紀60年代后期發(fā)展起來的甲醇合成技術。低壓法基于高活性的銅系催化劑，其活性明顯高于鋅鉻催化劑，反應溫度低（240270℃）。在較低壓力下可獲得較高的甲醇收率，且選擇性好，減少了副反應，改善了甲醇質量，降低了原料的消耗。此外，由于壓力低，動力消耗降低，很多工藝設備制造容易。 中壓法（~） 隨著甲醇工業(yè)的大型化，如采用低壓法勢必導致工藝管道和設備較大，因此在低壓法的基礎上適當提高合成壓力，即發(fā)展成為中壓法。中壓法仍采用高活性的銅系催化劑，反應溫度與低壓法相同，但由于提高了壓力，相應的動力消耗略有增加。本設計所采用的合成方法比較以優(yōu)缺點，以投資成本、生產(chǎn)成本、產(chǎn)品收率為依據(jù)，選擇低壓法為生產(chǎn)甲醇的工藝，用CO和H2在加熱壓力下，在催化劑作用下合成甲醇，其主要反應式為：CO+H2→CH3本設計以天然氣為原料合成甲醇，天然氣的主要組分是甲烷,還含有少量的其他烷烴、催化部分氧化、非催化部分氧化等方法,其中蒸汽轉化法應用得最廣泛,一般是在管間燃燒某種燃料氣來實現(xiàn),轉化用的蒸汽直接在裝置上靠煙道氣和轉化氣的熱量制取。 由于天然氣蒸汽轉化法制的合成氣中,氫過量而一氧化碳與二氧化碳量不足,工業(yè)上解決這個問題的方法一是采用添加二氧化碳的蒸汽轉化法,以達到合適的配比,二氧化碳可以外部供應,即在第一段轉化中進行天然氣的蒸汽轉化,只有約1/4的甲烷進行反應,第二段進行天然氣的部分氧化,不僅所得合成氣配比合適而且由于第二段反應溫度提高到800℃以上,殘留的甲烷量可以減少,增加了合成甲醇的有效氣體組分。 天然氣進入蒸汽轉化爐前需進行凈化處理清除有害雜質,所以本設計以天然氣為原料，采用魯奇低壓法合成甲醇。表13 GB 338－2004(工業(yè)上)項目指標優(yōu)等品一等品合格品色度/Hazen單位（鉑鈷色號） ≤510密度（）/(g/cm)～～沸程（0℃,℃～，+℃）/℃ ≤高錳酸鉀試驗/min ≥503020水混溶性試驗通過試驗（1+3）通過試驗（1+9）水的質量分數(shù)／％ ≤ 酸的質量分數(shù)（以HCOOH計）／％ ≤或堿的質量分數(shù)（以NH：計）／％ ≤碳基化合物的質量分數(shù)（以HCOOH計）／％ ≤ 蒸發(fā)殘渣的質量分數(shù)／％ ≤硫酸洗滌試驗／Hazen單位（鉑鉆色號） ≤50乙醇的質量分數(shù)／％ ≤供需雙方協(xié)商－ 沈陽化工大學科亞學學士學位論文 第二章 工藝流程設計 第二章 工藝流程設計在220℃～270℃的溫度及5MPa的壓力下，和在銅系催化劑和三氧化二鋁為載體下可按下列方程式轉化成甲醇 [][]適當?shù)目刂品磻^程，幾乎完全抑制了可以導致甲醇中不希望有的雜質的副反應，粗甲醇總雜質（除水外）%（重量）,反應熱大多用于發(fā)生高壓蒸汽。為使甲醇合成的反應過程適應最佳溫度曲線的要求，以達到較高的產(chǎn)量。所以要采取措施移走反應熱。根據(jù)移走反應熱的方式不同，甲醇合成塔可分為連續(xù)換熱式與多段換熱式兩種，國內常用內冷管型甲醇管殼型甲醇合成塔為連續(xù)換熱式反應器；合成塔及冷激型甲醇合成塔為多段換熱式反應器。溫度：從化學平衡考慮，溫度提高，對平衡不利；從動力學考慮，溫度提高，反應速率加快。因而，反應存在最佳溫度。銅基催化劑甲醇合成的使用溫度范圍為220~270℃；壓力：從化學平衡考慮，壓力提高，對平衡有利；從動力學考慮，壓力提高，反應速率加快。因而，提高壓力對反應有利。低壓甲醇的合成，合成壓力一般為4～6MPa,本設計選用5MPa?？账?在甲醇生產(chǎn)中，氣體一次通過合成塔僅能得到3％～6％的甲醇 新鮮氣的甲醇合成率不高，因此新鮮空氣必須循環(huán)使用。如果采用較高的空速，催化劑的生產(chǎn)強度雖可以提高，但增大了預熱所需面積，出塔氣熱能利用價值降低，增大了循環(huán)氣體通過設備的壓力降及動力消耗，并且由于氣體中反應產(chǎn)物的濃度降低，增加了分離反應產(chǎn)物的費用。另外，空速增大到一定程度后，催化床溫度降不能維持。在甲醇合成生產(chǎn)中，空速一般控制在10000～30000 h1之間。氫碳比：甲醇由一氧化碳、二氧化碳與氫反應生成，反應式如下：CO+2H2 ≒CH3OHCO2+3H2 ≒ CH3OH+H2O從反應式可以看出，氫與一氧化碳合成甲醇的物質的量比為2，與二氧化碳合成甲醇的物質的量比為3，當一氧化碳與二氧化碳都有時，對原料氣中氫碳比有以下兩種表示方式? = ＝～ 或M = ＝～不同原料采用不同工藝所制得原料氣組成往往偏離上述f值或M值，例如，用天然氣為原料采用蒸汽轉化法所得的粗原料氣氫氣過多，這就需要在轉化后加入二氧化碳調節(jié)合理的氫碳比。惰性氣體：甲醇原料氣的主要組分是CO、CO2與H2，其中還含有少量的CH4或 N2等其他組分。循環(huán)氣中的惰性氣增多會降低CO、COH2的有效分壓，對甲醇的合成反應不利。而且增加了壓縮機動力消耗。但在系統(tǒng)中又不能排放過多，因會引起過多的有效氣體的損失。一般控制的原則：在催化劑使用初期活性較好，或著是合成塔的負荷較輕、操作壓力較低時，可將循環(huán)氣中的惰性氣體含量控制在20％～25％左右；反之則控制在15％～20％左右?？刂蒲h(huán)氣中惰性氣體含量的主要方法是排放粗甲醇分離器后氣體。將液體混合物進行多次部分汽化，同時又把產(chǎn)生的蒸汽多次部分冷凝，使混合物分離為所要求組分的操作過程稱為精餾。對于一次汽化和一次冷凝來說，由于液體混合物中所含組分費電不同，當其在一定溫度下部分汽化時，因低沸點物易于汽化，故它在氣相中的濃度較液相高，而液相中高沸點物的濃度較氣相高。這就改變了氣液兩相的組成。當對部分汽化所得的蒸汽進行部分冷凝時，因高沸點物易于冷凝，使冷凝液中高沸點物的濃度較氣相高，而未冷凝氣中低沸點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，使混合液中通過各組分濃度的改變得到了初步分離。如果多次這樣進行下去，將最終在液相中留下基本上是高沸點的組分，在氣相中留下的基本上是低沸點組分。由此可見，部分氣化和部分冷凝，都使氣液相的組成發(fā)生了變化，多次部分氣化和多次部分冷凝同時進行，就可以將混合物分離為純的或比較純的組分。粗甲醇精餾流程是根據(jù)對產(chǎn)品甲醇不同的質量要求而定的，一般可分為單塔、雙塔以及三塔流程。如果為燃料級甲醇時可采用較簡單的單塔流程，如果要想獲得質量高的甲醇時常采用雙塔流程，從節(jié)能的觀點出發(fā)還可采用三塔流程。一般單塔流程已經(jīng)很少用到，本次設計采用雙塔流程。雙塔流程是最為普遍采用的甲醇精餾方式，第一塔為預精餾塔，第二塔為主精餾塔，二塔再沸器的熱源均來自循環(huán)壓縮機驅動透平排除的低壓蒸汽。預精餾塔用以分離輕組分和溶解的氣體，如HCO、CO2。塔頂去除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。進入主精餾塔后，進一 步把高沸點的重餾分雜質脫除，主要是水、異丁基油等。從塔頂或側線采出，經(jīng) 精餾甲醇冷卻器冷卻至常溫后， %以上的符合國家指標的精 甲醇產(chǎn)品。 低壓工藝流程是指采用低溫、低壓和高活性銅基催化劑，在5MPa左右壓力下，由合成氣合成甲醇的工藝流程，如圖21所示。圖21 甲醇合成反應流程示意框圖設計采用ASPEN PLUS模擬不僅方便而且還更準確，這也是未來設計的發(fā)展方向，告別從前人工計算的繁瑣，以及檢驗時某一個數(shù)據(jù)的更改往往造成一系列數(shù)據(jù)的更改，避免不必要的麻煩。設計采用低壓魯奇法進行甲醇合成工藝模擬。 原料氣經(jīng)過過濾除雜等單元操作后，進入一級壓縮機壓縮，之后與未反應的循環(huán)氣混合后進入二級壓縮機壓縮，保證出口壓力5Mpa左右。物料進入反應器時保證溫度在210℃左右，為了合理運用熱能，這里采用了原料和產(chǎn)品換熱的方式保證進入反應器的原料溫度，反應器出口溫度經(jīng)換熱后并不滿足工藝要求，這時還需要繼續(xù)冷卻然后進行閃蒸，這時放出一小部分馳放氣，防止不凝氣的積累，另一大部分作為循環(huán)氣。剩下的液體部分繼續(xù)閃蒸，氣體部分送入燃燒爐燃燒或者做其他處理。液體部分經(jīng)換熱后送入預精餾塔進行蒸餾，主要目的是塔頂分離出甲酸甲酯等輕組分，甲醇等重組分被送入主精餾塔進行精餾，塔頂采出甲醇，經(jīng)過冷凝后存入產(chǎn)品儲罐，側線還可能采出其它醇。 工業(yè)上，甲醇的分離精制的流程可分為單塔、雙塔及三塔流程。此次設計要獲得質量較高的甲醇，所以采用雙塔流程。ASPEN PLUS模擬過程主要是模型的選取，綜合操作條件部分的內容，下面將設計中的主要設備參數(shù)列表如下。序號設備位號設備名稱模型操作條件及設計參數(shù)1C201A 一級壓縮機等熵出口壓力： 2M201A 混合器原料：循環(huán)氣大約1：2左右（體積） 3C201B二級壓縮機等熵出口壓力： 4M201B分離器分離率： 5E301入塔器預熱器雙物流管式，熱物流出口溫度118℃ 6R301甲醇合成反應器按化學計量組成溫度：230℃壓力： Mpa 反應：CO+2H2→CH4O，CO轉化率：% CO2+3H2→CH4O + H2O，CO2轉化率：% 2CO+2H2→C2H4O2，CO轉化率：% 2CO+4H2→ C2H6O + H2O，CO轉化率：% 7E302甲醇水冷器溫度：40℃壓力： Mpa 8V301甲醇分離器壓力： 9V302閃蒸罐溫度：40℃壓力： 10E401粗甲醇預熱器溫度：60℃壓力： 11T401預蒸餾塔校核型塔頂冷凝器壓力：：：，回流比：60，進料板位置：5，出口壓力：12P401主塔進料泵出口壓力： 13T402主蒸餾塔校核型塔頂冷凝器壓力：，塔壓降：，塔板數(shù)：17，塔頂與進料比值：，回流比：50，進料板位置：9，出口壓力： 14E402產(chǎn)品冷卻器溫度：40℃，壓力： 主要設備包括反應器、精餾塔、冷卻換熱設備、壓縮機和泵、催化劑等五類。⑴反應器類①轉化爐 　是合成氣制備工序的核心設備 ,其國產(chǎn)化情況也分三類:一是完全可立足于國產(chǎn)化的技術且國內已有類似設備。二是可立足于國產(chǎn)化但國內尚無同類設備。三是實現(xiàn)中小型的國產(chǎn)化 ,但大型化裝置需進一步攻關。這三類方案均不需開發(fā)或引進技術。②甲醇合成塔 　建議采用華東理工大學和蘭州設計院合作開發(fā)的甲醇合成塔型式 ,即多段徑向冷激型甲醇合成塔或絕熱 管束型甲醇合成塔。⑵精餾塔類 　多為浮閥塔 ,國內已完全可自行設計制造。⑶冷卻換熱設備類 　均為普通的換熱器 ,不需引進。⑷壓縮機類 　均為離心式 ,國內均能自行設計和制造。⑸催化劑類 　均立足于國內自行生產(chǎn)的催化劑。甲醇合成塔的類型很多，由于甲醇合成反應時一個可逆放熱反應，反應熱效應大，為使反應始終處于小高的速度下，必須及時移走這些熱量，因此，按不同的移熱方法，可分為冷管型連續(xù)換熱式和冷繳型多段換熱式兩大類：按反應氣流動的方式有軸向和徑向，或者二者兼有的混合型。甲醇合成塔主要由外筒、 內件和電加熱器三部分組成。外筒是一個高壓容器，一般由多層鋼板卷焊而成繞帶統(tǒng)制而成。內件是由催化劑筐好換熱器兩部分組成。精餾塔是粗甲醇精餾工序的關鍵設備，它直接制約著生產(chǎn)裝置的產(chǎn)品質量、消耗、 生產(chǎn)能力及對環(huán)境的影響。所以要根據(jù)企業(yè)的實際條件選擇合適的高效精餾塔。目前常用的精餾塔主要有四種塔型：泡罩塔，浮閥塔，填料塔和新型垂直 篩板塔。其各自結構及特點如下 ： ⑴泡罩塔 泡罩塔十多層板式塔，每層塔板上裝有一個活多個炮罩。該 類型塔塔板效率高，操作彈性大，塔阻力小，但單位面積的生產(chǎn)能力低，設備體 積大，結構復雜，投資較大。該塔已經(jīng)逐漸被其他塔代替。⑵浮閥塔 浮閥塔的塔板結構與泡罩相似，致使浮閥代替了泡罩及其伸 氣管。該類型塔板效率高，操作彈性大，操作適應性強，單位面積生產(chǎn)能力大， 造價較低。但浮閥易損壞，維修費用高，安裝要求高。目前該塔仍被廣泛使用， 但有使用逐漸減少的趨勢。⑶填料塔 填料塔是在塔內裝填新型高效填料，如不銹鋼網(wǎng)波紋填料，每米填料相當5塊以上的理論板