【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ；爐水在雙套管內(nèi)強(qiáng)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(dá)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(qiáng)度，減小副產(chǎn)物量，提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長(zhǎng)催化劑壽命。國(guó)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(diào)節(jié)靈活方便，催化劑壽命長(zhǎng)，設(shè)備高徑比大、易運(yùn)輸、造價(jià)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(cè)流動(dòng)阻力和傳熱阻力降低。甲醇合成生產(chǎn)技術(shù)十分成熟，工藝技術(shù)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(yīng)溫度360℃~400℃，~。高壓法由于原料和動(dòng)力消耗大，反應(yīng)溫度高，生成粗甲醇中有機(jī)雜質(zhì)含量高，而且投資大，其發(fā)展長(zhǎng)期以來(lái)處于停頓狀態(tài)。 低壓法（~） 是20世紀(jì)60年代后期發(fā)展起來(lái)的甲醇合成技術(shù)。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(yīng)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(yīng)，改善了甲醇質(zhì)量，降低了原料的消耗。此外，由于壓力低，動(dòng)力消耗降低，很多工藝設(shè)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(shì)必導(dǎo)致工藝管道和設(shè)備較大，因此在低壓法的基礎(chǔ)上適當(dāng)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(yīng)溫度與低壓法相同，但由于提高了壓力，相應(yīng)的動(dòng)力消耗略有增加。本設(shè)計(jì)所采用的合成方法比較以優(yōu)缺點(diǎn)，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(yīng)式為：CO+H2→CH3本設(shè)計(jì)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(zhuǎn)化法應(yīng)用得最廣泛,一般是在管間燃燒某種燃料氣來(lái)實(shí)現(xiàn),轉(zhuǎn)化用的蒸汽直接在裝置上靠煙道氣和轉(zhuǎn)化氣的熱量制取。 由于天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化法制的合成氣中,氫過(guò)量而一氧化碳與二氧化碳量不足,工業(yè)上解決這個(gè)問(wèn)題的方法一是采用添加二氧化碳的蒸汽轉(zhuǎn)化法,以達(dá)到合適的配比,二氧化碳可以外部供應(yīng),即在第一段轉(zhuǎn)化中進(jìn)行天然氣的蒸汽轉(zhuǎn)化,只有約1/4的甲烷進(jìn)行反應(yīng),第二段進(jìn)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(yīng)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(jìn)入蒸汽轉(zhuǎn)化爐前需進(jìn)行凈化處理清除有害雜質(zhì),所以本設(shè)計(jì)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(xiàng)目指標(biāo)優(yōu)等品一等品合格品色度/Hazen單位（鉑鈷色號(hào)） ≤510密度（）/(g/cm)～～沸程（0℃,℃～，+℃）/℃ ≤高錳酸鉀試驗(yàn)/min ≥503020水混溶性試驗(yàn)通過(guò)試驗(yàn)（1+3）通過(guò)試驗(yàn)（1+9）水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)／％ ≤ 酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（以HCOOH計(jì)）／％ ≤或堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（以NH：計(jì)）／％ ≤碳基化合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（以HCOOH計(jì)）／％ ≤ 蒸發(fā)殘?jiān)馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)／％ ≤硫酸洗滌試驗(yàn)／Hazen單位（鉑鉆色號(hào)） ≤50乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)／％ ≤供需雙方協(xié)商－ 沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 工藝流程設(shè)計(jì) 第二章 工藝流程設(shè)計(jì)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(zhuǎn)化成甲醇 [][]適當(dāng)?shù)目刂品磻?yīng)過(guò)程，幾乎完全抑制了可以導(dǎo)致甲醇中不希望有的雜質(zhì)的副反應(yīng)，粗甲醇總雜質(zhì)（除水外）%（重量）,反應(yīng)熱大多用于發(fā)生高壓蒸汽。為使甲醇合成的反應(yīng)過(guò)程適應(yīng)最佳溫度曲線的要求，以達(dá)到較高的產(chǎn)量。所以要采取措施移走反應(yīng)熱。根據(jù)移走反應(yīng)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(guó)內(nèi)常用內(nèi)冷管型甲醇管殼型甲醇合成塔為連續(xù)換熱式反應(yīng)器；合成塔及冷激型甲醇合成塔為多段換熱式反應(yīng)器。溫度：從化學(xué)平衡考慮，溫度提高，對(duì)平衡不利；從動(dòng)力學(xué)考慮，溫度提高，反應(yīng)速率加快。因而，反應(yīng)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(xué)平衡考慮，壓力提高，對(duì)平衡有利；從動(dòng)力學(xué)考慮，壓力提高，反應(yīng)速率加快。因而，提高壓力對(duì)反應(yīng)有利。低壓甲醇的合成，合成壓力一般為4～6MPa,本設(shè)計(jì)選用5MPa?？账?在甲醇生產(chǎn)中，氣體一次通過(guò)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(qiáng)度雖可以提高，但增大了預(yù)熱所需面積，出塔氣熱能利用價(jià)值降低，增大了循環(huán)氣體通過(guò)設(shè)備的壓力降及動(dòng)力消耗，并且由于氣體中反應(yīng)產(chǎn)物的濃度降低，增加了分離反應(yīng)產(chǎn)物的費(fèi)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(yīng)生成，反應(yīng)式如下：CO+2H2 ≒CH3OHCO2+3H2 ≒ CH3OH+H2O從反應(yīng)式可以看出，氫與一氧化碳合成甲醇的物質(zhì)的量比為2，與二氧化碳合成甲醇的物質(zhì)的量比為3，當(dāng)一氧化碳與二氧化碳都有時(shí)，對(duì)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(zhuǎn)化法所得的粗原料氣氫氣過(guò)多，這就需要在轉(zhuǎn)化后加入二氧化碳調(diào)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(huì)降低CO、COH2的有效分壓，對(duì)甲醇的合成反應(yīng)不利。而且增加了壓縮機(jī)動(dòng)力消耗。但在系統(tǒng)中又不能排放過(guò)多，因會(huì)引起過(guò)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(fù)荷較輕、操作壓力較低時(shí)，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。控制循環(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(jìn)行多次部分汽化，同時(shí)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(guò)程稱為精餾。對(duì)于一次汽化和一次冷凝來(lái)說(shuō)，由于液體混合物中所含組分費(fèi)電不同，當(dāng)其在一定溫度下部分汽化時(shí)，因低沸點(diǎn)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(diǎn)物的濃度較氣相高。這就改變了氣液兩相的組成。當(dāng)對(duì)部分汽化所得的蒸汽進(jìn)行部分冷凝時(shí)，因高沸點(diǎn)物易于冷凝，使冷凝液中高沸點(diǎn)物的濃度較氣相高，而未冷凝氣中低沸點(diǎn)物的濃度比冷凝液中要高。這樣經(jīng)過(guò)一次部分氣化和部分冷凝，使混合液中通過(guò)各組分濃度的改變得到了初步分離。如果多次這樣進(jìn)行下去，將最終在液相中留下基本上是高沸點(diǎn)的組分，在氣相中留下的基本上是低沸點(diǎn)組分。由此可見(jiàn)，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(shí)進(jìn)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(duì)產(chǎn)品甲醇不同的質(zhì)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(jí)甲醇時(shí)可采用較簡(jiǎn)單的單塔流程，如果要想獲得質(zhì)量高的甲醇時(shí)常采用雙塔流程，從節(jié)能的觀點(diǎn)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(shè)計(jì)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(yù)精餾塔，第二塔為主精餾塔，二塔再沸器的熱源均來(lái)自循環(huán)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)透平排除的低壓蒸汽。預(yù)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(guò)冷凝，大部分水分和甲醇回流入塔，同時(shí)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(jìn)入主精餾塔后，進(jìn)一 步把高沸點(diǎn)的重餾分雜質(zhì)脫除，主要是水、異丁基油等。從塔頂或側(cè)線采出，經(jīng) 精餾甲醇冷卻器冷卻至常溫后， %以上的符合國(guó)家指標(biāo)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(yīng)流程示意框圖設(shè)計(jì)采用ASPEN PLUS模擬不僅方便而且還更準(zhǔn)確，這也是未來(lái)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，告別從前人工計(jì)算的繁瑣，以及檢驗(yàn)時(shí)某一個(gè)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(shè)計(jì)采用低壓魯奇法進(jìn)行甲醇合成工藝模擬。 原料氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾除雜等單元操作后，進(jìn)入一級(jí)壓縮機(jī)壓縮，之后與未反應(yīng)的循環(huán)氣混合后進(jìn)入二級(jí)壓縮機(jī)壓縮，保證出口壓力5Mpa左右。物料進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)保證溫度在210℃左右，為了合理運(yùn)用熱能，這里采用了原料和產(chǎn)品換熱的方式保證進(jìn)入反應(yīng)器的原料溫度，反應(yīng)器出口溫度經(jīng)換熱后并不滿足工藝要求，這時(shí)還需要繼續(xù)冷卻然后進(jìn)行閃蒸，這時(shí)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(yù)精餾塔進(jìn)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(jìn)行精餾，塔頂采出甲醇，經(jīng)過(guò)冷凝后存入產(chǎn)品儲(chǔ)罐，側(cè)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(shè)計(jì)要獲得質(zhì)量較高的甲醇，所以采用雙塔流程。ASPEN PLUS模擬過(guò)程主要是模型的選取，綜合操作條件部分的內(nèi)容，下面將設(shè)計(jì)中的主要設(shè)備參數(shù)列表如下。序號(hào)設(shè)備位號(hào)設(shè)備名稱模型操作條件及設(shè)計(jì)參數(shù)1C201A 一級(jí)壓縮機(jī)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(jí)壓縮機(jī)等熵出口壓力： 4M201B分離器分離率： 5E301入塔器預(yù)熱器雙物流管式，熱物流出口溫度118℃ 6R301甲醇合成反應(yīng)器按化學(xué)計(jì)量組成溫度：230℃壓力： Mpa 反應(yīng)：CO+2H2→CH4O，CO轉(zhuǎn)化率：% CO2+3H2→CH4O + H2O，CO2轉(zhuǎn)化率：% 2CO+2H2→C2H4O2，CO轉(zhuǎn)化率：% 2CO+4H2→ C2H6O + H2O，CO轉(zhuǎn)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(yù)熱器溫度：60℃壓力： 11T401預(yù)蒸餾塔校核型塔頂冷凝器壓力：：：，回流比：60，進(jìn)料板位置：5，出口壓力：12P401主塔進(jìn)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(jìn)料比值：，回流比：50，進(jìn)料板位置：9，出口壓力： 14E402產(chǎn)品冷卻器溫度：40℃，壓力： 主要設(shè)備包括反應(yīng)器、精餾塔、冷卻換熱設(shè)備、壓縮機(jī)和泵、催化劑等五類。⑴反應(yīng)器類①轉(zhuǎn)化爐 　是合成氣制備工序的核心設(shè)備 ,其國(guó)產(chǎn)化情況也分三類:一是完全可立足于國(guó)產(chǎn)化的技術(shù)且國(guó)內(nèi)已有類似設(shè)備。二是可立足于國(guó)產(chǎn)化但國(guó)內(nèi)尚無(wú)同類設(shè)備。三是實(shí)現(xiàn)中小型的國(guó)產(chǎn)化 ,但大型化裝置需進(jìn)一步攻關(guān)。這三類方案均不需開(kāi)發(fā)或引進(jìn)技術(shù)。②甲醇合成塔 　建議采用華東理工大學(xué)和蘭州設(shè)計(jì)院合作開(kāi)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(guó)內(nèi)已完全可自行設(shè)計(jì)制造。⑶冷卻換熱設(shè)備類 　均為普通的換熱器 ,不需引進(jìn)。⑷壓縮機(jī)類 　均為離心式 ,國(guó)內(nèi)均能自行設(shè)計(jì)和制造。⑸催化劑類 　均立足于國(guó)內(nèi)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(yīng)時(shí)一個(gè)可逆放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱效應(yīng)大，為使反應(yīng)始終處于小高的速度下，必須及時(shí)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(yīng)氣流動(dòng)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(nèi)件和電加熱器三部分組成。外筒是一個(gè)高壓容器，一般由多層鋼板卷焊而成繞帶統(tǒng)制而成。內(nèi)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(guān)鍵設(shè)備，它直接制約著生產(chǎn)裝置的產(chǎn)品質(zhì)量、消耗、 生產(chǎn)能力及對(duì)環(huán)境的影響。所以要根據(jù)企業(yè)的實(shí)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(jié)構(gòu)及特點(diǎn)如下 ： ⑴泡罩塔 泡罩塔十多層板式塔，每層塔板上裝有一個(gè)活多個(gè)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(shè)備體 積大，結(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)構(gòu)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(yīng)性強(qiáng)，單位面積生產(chǎn)能力大， 造價(jià)較低。但浮閥易損壞，維修費(fèi)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(shì)。⑶填料塔 填料塔是在塔內(nèi)裝填新型高效填料，如不銹鋼網(wǎng)波紋填料，每米填料相當(dāng)5塊以上的理論板