【正文】 設(shè)計(jì)依據(jù)：反應(yīng)器殼層中冷料為 230℃ ， 的沸騰水， 根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，反應(yīng)器出口冷卻水的汽化率取 左右 。 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(guò)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。21 bntD c ??? t’ 為管心距大約 ，取 t’ =48mm nc為中心排管數(shù) ， ???? Nn c b’ 管束中心線上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離，一般 b’ =（ 1～ ） d0=51mm。 甲醇合成反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算 催化劑選擇 C301 型，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下表。 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)器模擬結(jié)果 經(jīng)過(guò)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)產(chǎn)品的要求進(jìn)行調(diào)試反應(yīng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)，然后 用靈敏度分析的方式 進(jìn)行設(shè)計(jì)參 數(shù)的校核。 采用一維均相模擬的研究方法，為了 使反應(yīng)沿反應(yīng)管徑向的影響可以忽略，所取管內(nèi)徑大小應(yīng)在30mm～ 70mm 之間，本設(shè)計(jì)取 反應(yīng)管的規(guī)格為 Φ 38 2mm 進(jìn)行模擬。 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 ? ?? ? ? ?? ?hgm o lfKfKfKffkrHHCOCOCOCOHCOCO ???? ?? /1 1 312122222 ? (220) ? ?? ? ? ?? ?hgm o lfKfKfKffkrHHCOCOCOCOHCOCO ???? ?? /1 1 42322222222? （ 221） 式中各反應(yīng)速率常數(shù)為： ? ?RTk /5 0 4 3 0e xp1 4 8 21 ?? (222) ? ?RTk /6 9 9 7 0e x p105 1 52 ??? (223) 各 組分的吸附平衡常數(shù)為： )(1 3 0 9 ????? TK CO (224) ? ?????? TK CO (225) ? ?????? TK H (226) 根據(jù)《甲醇工學(xué)》所提供的數(shù)據(jù)以及 AspenPlus 所提供的物性計(jì)算方法和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方法，可以采用以下簡(jiǎn)化方法進(jìn)行甲醇合成系統(tǒng)的化學(xué)動(dòng)力 學(xué)計(jì)算： 物性計(jì)算方法： BWRLS 化學(xué)反應(yīng)方程： OHCHHCO cat 322 ? ??? （ 227） OHOHCHHCO c a t 2322 3 ?? ??? (228) 反應(yīng)速率方程： ? ? ? ?smk molPKPKPKPKPPkrHHCOCOCOCOOHCHPHCOCO ???????????? ??? 33121/11222232 （ 229） 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 ? ? ? ?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。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。考慮到我國(guó)甲醇合成催化劑的研究開(kāi)發(fā)水平已處于世界前列，且銅系催化劑（如 C30 C302）已是國(guó)內(nèi)甲醇合成企業(yè)主要選擇的催化劑之一，并且此次設(shè)計(jì)選用 C301 催化劑，這里對(duì) C301 甲醇合成催化劑反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究進(jìn)行闡述。 物 能 衡 算 衡算依據(jù) 1．設(shè)計(jì)任務(wù)：年產(chǎn) 6萬(wàn)噸 甲醇 2． 開(kāi)工率 ： 320天 3． 甲醇的純度（摩爾） ： % 4． 原料氣與 循環(huán) 氣的比值 ： 1： （ 摩爾 ） 5． 原料氣組成 ： 表 31 原料氣組成 (mol %) 組分 CO CO2 H2 CH4 N2 Ar H2O 含量 6． 原料氣進(jìn)料流量： 7． 原料氣進(jìn)料溫度： 200℃ 8． 原料氣進(jìn)料壓力： 全流程 物 能 衡算 ASPEN PLUS 物 能 衡算流程圖 圖 31 ASPEN PLUS 物 能 衡算流程圖 ASPEN PLUS 模擬主要設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù) 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 。本設(shè)計(jì)所選廠址為大連石油化工廠附近 （圖中紅色圈出部分 ） ，此處地處石油化工產(chǎn)業(yè)集中地帶，有悠久的化工生產(chǎn)歷史，遠(yuǎn)離市區(qū)，并且有充足的天然氣原料。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 。 生產(chǎn)甲醇的原料 不同原料生產(chǎn)甲醇的比較 目前，我國(guó)甲醇生產(chǎn)主要以天然氣和煤為原料，其次是其他過(guò)程的副產(chǎn)氣，如甲烷部分氧化制乙炔的尾氣、焦?fàn)t氣等。迄今為止，中國(guó)的甲醇生產(chǎn)，還是以 20 萬(wàn)噸以下的小規(guī)模為主， 但是，國(guó)家發(fā)改委 [2020]1350 號(hào)文件提出，要求新建甲醇廠的規(guī)模在 100 萬(wàn)噸 /年以上。即與其他一種或多種化工產(chǎn)品聯(lián)合生產(chǎn)，最多的是合成氨聯(lián)產(chǎn)甲醇、循環(huán)發(fā)電聯(lián)產(chǎn)甲醇。國(guó)外以天然氣為原料生產(chǎn)甲醇，天然氣經(jīng)過(guò)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 。 中國(guó)生產(chǎn)甲醇工藝特點(diǎn) ① 與國(guó)外主要 以天然氣為原料不同，主要以煤為原料，并且長(zhǎng)在積極發(fā)展以高硫劣質(zhì)煤為原料的工藝技術(shù)。“聯(lián)醇”的生產(chǎn)條件是：壓力 10～ 12Mpa，反應(yīng)溫度 220～ 330℃，采用銅基聯(lián)醇催化劑。 中國(guó)獨(dú)創(chuàng)了中壓法合成氨聯(lián)產(chǎn)甲醇的新工藝，簡(jiǎn)稱“聯(lián)醇”。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。其余部分與 ICI低壓甲醇類似。 ⑦ 林德公司甲醇技術(shù)的特點(diǎn) 采用 ICI 低壓合成工藝及催化劑。 3塔精餾 ,甲醇回收率為 99%,噸甲醇耗 噸低壓蒸汽。設(shè)備投資低。 等溫合成塔 :副產(chǎn)中壓蒸汽的管殼式合成塔 ,中壓蒸汽壓力為 ～ ,單塔生產(chǎn)能力最高可達(dá) 1200MTPD， 設(shè)備投資高。 CASALE 公司 ARC 合成塔 (多層軸徑向合成塔 ),單系列生產(chǎn)能力最高可達(dá)3000MTPD。 ⑥ 伍德公司甲醇技術(shù)特點(diǎn) 采用 ICI 低壓合成工藝及催化劑 ,日產(chǎn) 2020 甲醇裝置合成壓力為 。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。日產(chǎn) 2020 噸甲醇裝置 ,合成壓力約為 。 ⑤ 三菱重工業(yè)公司甲醇技術(shù)特點(diǎn) 三菱甲醇技術(shù)與 ICI工藝相類似 ,其特點(diǎn)是 :采用 結(jié)構(gòu)獨(dú)特的超級(jí)甲醇合成塔。合成塔阻力降小 ,為 。合成采用 ICI低壓甲醇合成催化劑。 ④ TEC 甲醇技術(shù)特點(diǎn) 合成工藝采用 ICI 低壓甲醇技術(shù)。 日產(chǎn) 2020 噸甲醇裝置 ,合成壓力約為 8MPa。單程轉(zhuǎn)化率高、催化劑體積少、合成塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、單系列生產(chǎn)能力大。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。因此 ,精餾消耗的低壓蒸汽很少。 有時(shí)也采用兩塔精餾。若規(guī)模更大 ,則采用列管式合成塔后再串一個(gè)冷管式或熱管式合成塔 ,同時(shí)還可采用兩個(gè)系列的合成塔并聯(lián)。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。高壓過(guò)熱蒸汽用于驅(qū)動(dòng)合成壓縮機(jī)蒸汽透平 ,抽出中壓蒸汽用作裝置內(nèi)使用 。蒸汽系統(tǒng) :分為高壓 、中壓 、低壓 三級(jí)。最近又開(kāi)發(fā)了水管式合成塔。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。國(guó)際上廣泛采用的先進(jìn)的甲醇生產(chǎn)工藝技術(shù)主要有 :DAVY(原 ICI)、 TOPSOE、 Uhde、 Lurgi 公司甲醇技術(shù)等 ,不同甲醇技術(shù)的消耗及能耗差異不大 ,其主要的差異在于所采用的主要設(shè)備甲醇合成塔的類型 不同。 華北地區(qū)甲醇市場(chǎng)疲軟，主流價(jià)格在 20202400 元 /噸，其中，河北甲醇出廠價(jià)集中在 2400 元 /噸；山西甲醇主流價(jià)格在 22002300 元 /噸不等；內(nèi)蒙古地區(qū)甲醇企業(yè)出廠價(jià)格在 20502250 元 /噸。預(yù)計(jì)到 2020 年，中國(guó)生物柴油的需求量將達(dá)到 2020 萬(wàn)噸 /年，按國(guó)家再生能源中長(zhǎng)期規(guī)劃，那時(shí)的產(chǎn)能是 20 萬(wàn)噸 /年。 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。 燃料電池：直接以甲醇為燃料，以甲醇和氧的電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能自發(fā)地轉(zhuǎn)變成電能的發(fā)電技術(shù)稱之為直接甲醇燃料電池（ DMFC）。另外，預(yù)計(jì)到 2020 年我國(guó)將有 2020 萬(wàn) t 汽油摻燒甲醇，若比例按 15%計(jì)算，則需要 300 萬(wàn) t 甲醇。 替代產(chǎn)品有：甲醇燃料、燃料電池、生物柴油 甲醇燃料：我國(guó)在甲醇燃料的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用已具有了一定的基礎(chǔ) :在汽油中摻入5%、 15%，、 25%和 85%的 甲醇及用純甲醇 (100%)作為汽車燃料。 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。 聚乙烯醇（ PVA） 生產(chǎn)聚乙烯醇的工藝路線按原料分，有乙烯法和乙炔法兩類。加上防凍液等 5%的需求。近年來(lái)，由于聚酯工業(yè)需求強(qiáng)勁，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)乙二醇需求保持快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭。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(kāi)發(fā)前景。目前國(guó)內(nèi) DMF 生產(chǎn)行業(yè)五巨頭（浙江江山、華魯恒升、安陽(yáng)九天、安徽淮南、