【正文】 ial balance equation. However, the specific calculations, the more side effects, side effects and some uncertain volume of production, so the reference in the calculation formula of some experience, make some approximations. The heat balance of the theory is based on heat balance, a little bit of substance in the calculation of the exact specific heat and heat of vaporization is difficult to find, so use the approximate value or experience points. Although this design made many similar terms, refers to the value of some experience, but are carried out in strict accordance with the relevant literature, so the design results to achieve the desired results. Through this design has helped me to do the design calculations must be rigorous and realistic, while I feel that the knowledge learned in the prehensive design of the chemical industry, the rapid development of the engineering calculation, and plenty of room to be improved. Keywords: methanol synthesis。本次設(shè)計(jì)雖然作了不少近似計(jì)算，引用了一些經(jīng)驗(yàn)值，但是都是嚴(yán)格按照有關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行的，所以設(shè)計(jì)結(jié)果達(dá)到預(yù)期效果。但具體計(jì)算時(shí)，由于副反應(yīng)較多，而且有些副反應(yīng)的生產(chǎn)量不確定，所以在計(jì)算過(guò)程中引用了一些經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式、做了一些近似處理。 這次設(shè)計(jì)， 主要是進(jìn)行甲醇合成和精餾工段的物料和熱量衡算。 （ 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 4 0 k t / a 粗 甲 醇 合 成 精 餾 工 段 工 藝 設(shè) 計(jì) 摘 要 作為化工 畢業(yè)生， 我們應(yīng)該較為系統(tǒng) 掌握化工設(shè)計(jì)的基本程序和方法 ，使我們?cè)诓殚喖夹g(shù)資料，迅速進(jìn)行工程計(jì)算，用簡(jiǎn)潔的文字、清晰的圖表 表達(dá)自己設(shè)計(jì)結(jié)果等方面的 能力 有所提高 。這就是本次設(shè)計(jì)的目的。進(jìn)行物料衡算時(shí)，理論依據(jù)是物料平衡方程。進(jìn)行熱量衡算的理論依據(jù)是熱量平衡式，在計(jì)算時(shí)有些物質(zhì)的準(zhǔn)確比熱和汽化熱很難 找到，所以用了近似計(jì)算值或是經(jīng)驗(yàn)值。 通過(guò)這次設(shè)計(jì)使我認(rèn)識(shí)到做設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)一定要嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)，同時(shí)是我覺(jué)得自己在綜合所學(xué)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行 化工 設(shè)計(jì) 、迅速進(jìn)行工程計(jì)算等方面發(fā)展空間很大，有待于提高。 material balance。 3 甲醇合成工藝流程簡(jiǎn)介 24 水冷器熱量的計(jì)算 27 第三章 精餾工段工藝計(jì)算 31 精餾工段物料衡算 31 預(yù)精餾塔物料衡算 31 加壓塔物料衡算 33 常壓塔物料衡算 近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，甲醇被認(rèn)為是最有希望代替汽油的并且將成為 21 世紀(jì)有競(jìng)爭(zhēng)力的可選清潔燃料， 它可直接用作汽車燃料，也可與汽油摻合使用 。 近幾十年來(lái) ,特別是我國(guó)甲醇工業(yè)的發(fā)展 ,生產(chǎn)規(guī)模逐漸擴(kuò)大 ,下游產(chǎn)品種類不斷增加 ,社會(huì)需求越來(lái)越大。目前我國(guó)甲醇合成主要還是以高壓法和低壓法為主，高壓法對(duì)設(shè)備耐壓要求較高，能耗較高，投資費(fèi) 用較大，而且單程轉(zhuǎn)化率較低；低壓法雖然克服了壓力的影響，但是設(shè)備龐大，投資費(fèi)用也較高，所以我們應(yīng)該集中精力開(kāi)發(fā)中低壓甲醇合成的工藝。與此同時(shí)，應(yīng)該積極做好 三廢處理等問(wèn)題 ，逐步實(shí)現(xiàn)綠色化工。 7O年代兩次石油危機(jī)和石油價(jià)格持續(xù)上漲，使世界各國(guó)都充分認(rèn)識(shí)到 2l 世紀(jì)將是能源結(jié)構(gòu)逐步向多元化結(jié)構(gòu)發(fā)展的時(shí)代?！叭庇?、少氣、富煤”的客觀現(xiàn)實(shí)，意味著今后 30 年內(nèi)，我國(guó)一次能源消費(fèi)以煤為主的格局不會(huì)改變。因此，充分利用豐富的煤炭資源，大 力發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)和新一代煤化工技術(shù)是非常必要的，既對(duì)我國(guó)合理利用資源、有效利用能源和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)，又對(duì)保護(hù)國(guó)家能源安全具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。出現(xiàn)這種局面的原因，一是甲醇傳統(tǒng)消費(fèi)領(lǐng)域，如甲醛、醋酸等產(chǎn)品的產(chǎn)量穩(wěn)步提升，對(duì)甲醇的需求量逐步增加；二是新的消費(fèi)領(lǐng)域，如醇醚燃料、甲醇制烯烴等由于發(fā)展前景廣闊，也引發(fā)了國(guó)內(nèi)對(duì)甲醇裝置的投資熱 。由于對(duì)醇醚燃料需求的高度期待，我國(guó)甲醇發(fā)展過(guò)熱，幾乎 “ 遍地開(kāi)花 ” 。我國(guó)規(guī)劃中的甲醇產(chǎn)能已超過(guò)同期世界其他各國(guó)的總產(chǎn)能。而煤基甲醇是資源消耗型產(chǎn)品，是低附加值產(chǎn)品，依靠大量出口來(lái)消化過(guò)剩的產(chǎn)能是不妥的 。 專家認(rèn)為，首先必須開(kāi)拓甲醇作為車用燃料的用途， 即發(fā) 展甲醇汽車才能使甲醇取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，推廣甲醇汽油，一方面可以釋放我國(guó)每年 2020 多萬(wàn)噸的甲醇產(chǎn)能，改變我國(guó)甲醇產(chǎn)能嚴(yán)重過(guò)剩 的局面，提高甲醇生產(chǎn)企業(yè)的開(kāi)工率。 我國(guó)現(xiàn)在提出了四個(gè)石油替代路徑：天然氣替代、電動(dòng)力替代、生物燃料替代和煤基燃料替代 ，煤基燃料替代包括煤制天然氣、甲醇、二甲醚、合成油等 。因?yàn)榧状荚谖覈?guó)已經(jīng)有一定規(guī)模的產(chǎn)能，另外甲醇的投資成本低，無(wú)論甲醇汽油生產(chǎn)技術(shù)還是甲醇車輛生產(chǎn)技術(shù)都已經(jīng)非常成熟了 。另外，甲醇汽油可直接利用現(xiàn)在所有中石油和中石化的輸配系統(tǒng)進(jìn)行快速推廣，推廣渠道會(huì)相對(duì)便捷一些，推廣成本也非常小。氯甲烷水解法也可以生產(chǎn)甲醇 ，但因水解法價(jià)格昂貴，所以沒(méi)有得到工業(yè)上的應(yīng)用。 但是，這種氧化過(guò)程不易控制，常因深度氧化生成碳的氧化物 和水，而使原料和產(chǎn)品受到很大損失，因此甲烷部分氧化法制甲醇的方法仍未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。 目前工業(yè)上幾乎都是采用一氧化碳、二氧化碳加壓催化氫化法合成甲醇。天然氣與石腦油的蒸汽轉(zhuǎn)化需在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)很高的轉(zhuǎn)化爐中進(jìn)行。重 油部分氧化要在高溫氣化爐中進(jìn)行， 以固體燃料為 原料時(shí)，可用間歇?dú)饣蜻B續(xù)氣化制水煤氣。 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、甲醇合成催化劑等都易受硫化物毒害而失去活性，因此必須將硫化物除凈。干法脫硫設(shè)備簡(jiǎn)單，但由于反應(yīng)速率較慢，設(shè)備比較龐大。甲醇的合成是在高溫、高壓、催化劑存在下進(jìn)行的，是典型的復(fù)合氣 — 固相催化 反應(yīng)過(guò)程。 我國(guó)富煤貧油，因此 煤與焦炭是制造甲醇粗原料氣的主要固體燃料。 用蒸汽與氧氣 (或空氣、富氧空氣 )對(duì)煤、焦炭進(jìn)行熱加工稱為固體燃料氣化。 氣化的主要設(shè)備是煤氣發(fā)生爐，按煤在爐中的運(yùn)動(dòng)方式，氣化方法可分為固定床 (移動(dòng)床 )氣化法、流化床氣化法和氣流床氣化法。在國(guó)外對(duì)于煤的氣化，目前已工業(yè)化的煤氣化爐有柯柏斯 — 托切克 (KoppersTotzek)、魯奇 (Lurgi)及溫克勒(Winkler)三種。 制得合成氣經(jīng)變換、脫硫、脫碳處理后送入合成器進(jìn)行甲醇合成。其中，甲醇合成塔的類型很多。甲醇合成塔的基本結(jié)構(gòu)主要由外簡(jiǎn)、內(nèi)件和電加熱器三部分組成。內(nèi)件是由催化刑筐和換熱器兩部分組成。該合成反應(yīng)器既是反應(yīng)器又是廢熱鍋爐，反應(yīng)器內(nèi)部類似一般列管式換熱器，列管內(nèi)裝 催化劑，管外為沸騰水。反應(yīng)器殼程的鍋爐水是自然循環(huán)的，這樣可以通過(guò)控制沸騰水的蒸汽壓力，可以保持恒定的反應(yīng)溫度，有效的抑制了副反應(yīng)，延長(zhǎng)了催化劑的使用壽命。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)溫度溫和、壓力低，副反應(yīng)少、時(shí)空收率高，單程轉(zhuǎn)化率較高，熱能利用合理，因此循環(huán)氣量減少，這樣降低了循環(huán)回路中管件閥門的費(fèi)用和循環(huán)壓縮機(jī)的能耗； Lurgi 合成反應(yīng)器開(kāi)車方便，只要將 4MPa 蒸汽通過(guò)合成塔殼程即可加熱列管內(nèi)的催化劑，達(dá)到催化劑的活性溫度便可通入合成氣進(jìn)行甲醇合成。 甲醇合成 工藝流程簡(jiǎn)介 甲醇合成的前期工藝與合成氨相似，首先進(jìn)行合成氣的生產(chǎn)，合成 氣經(jīng)脫硫、變換脫碳后處理后進(jìn)行甲醇合成。新鮮原料氣首先進(jìn)入透平壓縮機(jī)，將原料氣壓縮至合成壓力，此時(shí)溫度約為 4050℃。加熱后的原料氣由 Lurgi 管殼式甲醇合成反應(yīng)器頂部進(jìn)入合成塔內(nèi)部列管，管中填充催化劑，合成氣在其中進(jìn)行反應(yīng)。 Lugi 合成器同時(shí)是廢熱鍋爐，它的殼程走的是沸騰水，沸騰水從合成塔底部進(jìn)入， 4MPa 的蒸汽有頂部側(cè)端排出，這樣只要控制合成塔頂部蒸汽的壓力就可以控制合成塔的溫度恒定。換熱后的甲醇進(jìn)入水冷器與冷卻水進(jìn)行換熱， 換熱后粗甲醇冷凝下來(lái)，經(jīng)甲醇分離器到達(dá)粗甲醇貯槽。循環(huán)透平壓縮機(jī)和原料氣透平壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)力均為合成器產(chǎn)生的 4MPa 的蒸汽，蒸汽做功后變?yōu)榈蛪赫羝?，被送到精餾工段作為精餾塔塔釜再沸器加熱熱源，這樣就充分利用了熱量。 對(duì)于一次氣化和一次冷凝來(lái)說(shuō)，由于液體混合物中所含組分的沸點(diǎn)不同，當(dāng)其在一定溫度下部分氣化時(shí)，因低沸點(diǎn)物易于氣化，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。當(dāng)對(duì)部分氣化所得的蒸汽進(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。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。 精餾 工藝流程 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。 一般單塔流程已很少用到，本次設(shè)計(jì)采用雙效法三塔流程，雙塔流程只做簡(jiǎn)要介紹。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)氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)透平排出的低壓蒸汽。 塔頂取出的氣體包括不凝性氣體、輕組分、水蒸氣以及甲醇。為了減少塔頂排放氣中甲醇的損失，塔頂冷凝器可做成二級(jí)冷凝。含水和高沸點(diǎn)組分的甲醇從該塔中部進(jìn)入，高級(jí)醇從加料板以下側(cè)線引出，含微量甲醇的水從塔底排出，產(chǎn)品甲醇從近塔頂處取出。采用三塔流程的目的是 為了更合理地利用熱量，三塔流程與雙塔流程的區(qū)別在于三塔流程采用兩個(gè)主精餾塔，第一主精餾塔加壓操作，第二主精餾塔于常壓下操作，利用加壓塔的塔頂蒸汽冷凝熱作為第二主精餾塔再沸器的加熱源。 預(yù)精餾塔中的操作與雙塔流程相仿，經(jīng)預(yù)蒸餾后的甲醇混合液用泵壓送入第一加壓主精餾塔，其再沸器用低壓蒸汽加熱，塔內(nèi)壓力為 — ，塔頂蒸汽引入第二常壓主精餾塔底再沸器，蒸汽冷凝熱作為第二塔操作熱源。高級(jí)醇可由塔側(cè)線引出，塔頂引出的殘液含 1%— 2%的高級(jí)醇和甲醇，送廢水生化處理后排放。 此次設(shè)計(jì)，粗甲醇精餾采用雙效法三塔精餾工藝，此流程與普通雙 塔流程不同的是第一精餾塔加壓和第二精餾塔常壓均采出產(chǎn)品。這里主要指多效利用熱源蒸汽的潛熱 , 如將原雙塔流程的主精餾塔一分為二 , 第一塔（塔 2）加壓操作 （約為 ） ,第二塔（塔 3）為常壓操作 , 則塔 2由于加壓操作，頂部氣相甲醇的液化溫度約為 123℃ ,遠(yuǎn)高于常壓塔塔釜液體主要為水的沸點(diǎn)溫 度 , 其冷凝潛熱可作為塔再沸器的熱源 ， 不僅節(jié)省了加熱蒸汽，也節(jié)省了冷卻用水，有效的利用了熱能 。 一般在正常操作條件下 , 比較理想的能耗為每精制 1噸精甲醇消耗熱能 106 kJ(折蒸汽約 1噸左 右 )。顯然 , 三塔雙效法效益顯著 , 隨著粗甲醇精餾規(guī)模的增大效益更加明顯。為方便計(jì)算，取合成壓力為 ，合成溫度為 270℃。則， 每小時(shí)生產(chǎn)粗甲醇： 400 00 100 0 505 /330 2