【正文】 ≤ 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) 17 第二章 工藝流程設(shè)計(jì) 工藝原理 在 220℃～ 270℃的溫度及 5MPa 的壓力下， CO ， 2CO 和 2H 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 OHCHHCO 322 ?? [ 千卡 /分子 ] OHOHCHHCO 2322 3 ??? [ 千卡 /分子 ] 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）低于 %（重量） ,反應(yīng)熱大多用于發(fā)生高壓蒸汽。所以要采取措施移走反應(yīng)熱。 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。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。低壓甲醇的合成，合成壓力一般為 4～ 6MPa,本設(shè)計(jì)選用 5MPa。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。在甲醇合成生產(chǎn)中，空速一般控制在 10000～ 30000 h1之間。 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。而且增加了壓縮機(jī)動(dòng)力消耗。 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。 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。這就改變了氣液兩相的組成。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。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。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。 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。塔頂去除的氣體包括不凝性氣體、輕組分、水蒸氣以及甲醇。 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。 工藝流程 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。 設(shè)計(jì)采用低壓魯奇法進(jìn)行甲醇合成工藝模擬。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。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。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。 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) 1 C201A 一級(jí)壓縮機(jī) 等熵 出口壓力： 2 M201A 混合器 原料：循環(huán)氣大約 1： 2左 右（體積） 3 C201B 二級(jí)壓縮機(jī) 等熵 出口壓力 ： 4 M201B 分離器 分離率： 5 E301 入塔器預(yù)熱器 雙物流 管式，熱物流出口溫度 118℃ 6 R301 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→CH 4O， CO轉(zhuǎn)化率： % CO2+3H2→CH 4O + H2O， CO2轉(zhuǎn)化率： % 2CO+2H2→C 2H4O2， CO轉(zhuǎn)化率： % 2CO+4H2→ C 2 H6O + H2O， CO 轉(zhuǎn)化率： % 7 E302 甲醇水冷器 溫度： 40℃ 壓力： Mpa 8 V301 甲醇分離器 壓力： 9 V302 閃蒸罐 溫度： 40℃ 壓力： 10 E401 粗甲醇預(yù)熱器 溫度： 60℃ 壓力 ： 11 T401 預(yù)蒸餾塔 校核型 塔頂冷凝器壓力： ： 板數(shù)： 塔頂與進(jìn)料的比值 ，回流比 ： 60，進(jìn)料板位置： 5， 出口壓力： 12 P401 主塔進(jìn)料泵 出口壓力： 13 T402 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： 14 E402 產(chǎn)品冷卻器 溫度： 40℃ ， 壓力： 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) 22 主要設(shè)備 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。二是可立足于國(guó)產(chǎn)化但國(guó)內(nèi)尚無(wú)同類設(shè)備 。這三類方案均不需開(kāi)發(fā)或引進(jìn)技術(shù)。 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。 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。 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。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。 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。目前沈 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) 23 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。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。 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。但浮閥易損壞，維修費(fèi)用高，安裝要求高。 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。該塔生產(chǎn)能力大， 壓降小，分離效果好，結(jié)果簡(jiǎn)單，維修量極小，相對(duì)投資較小，是目前使用較多 的塔型之一。該塔傳質(zhì)效率高，傳質(zhì)空間利用率好，處理能力大，操作彈 性大， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠， 投資小， 板液面梯度小， 液面橫向混合好無(wú)流動(dòng)傳質(zhì)死區(qū)。沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院 第三章 物能衡算 24 第三章物能衡算 衡算依據(jù) 1．設(shè)計(jì)任務(wù)：年產(chǎn) 2．開(kāi)工率： 280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： 1300kmol/h 7．原料氣進(jìn)料溫度： 40℃ 8．原料氣進(jìn)料壓力： 全流程物能衡算 沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院 第三章物能衡算 25 ASPEN PLUS 物能衡算流程圖 123456789121013141620191721C 2 0 1 AC 2 0 1 BR 3 0 1E 3 0 2V 3 0 1M 2 0 1 AM 2 0 1 BV 3 0 2E 4 0 1 P 4 0 1E 3 0 1T 4 0 2T 4 0 1E 4 0 2151811沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院 第三章物能衡算 26 表 32 主要物流能衡算結(jié)果表 A 1 3 4 5 6 摩爾 質(zhì)量 摩爾 質(zhì)量 摩爾 質(zhì)量 摩爾 質(zhì)量 摩爾 質(zhì)量 流量 分率 流量 分率 流量 分率 流量 分率 流量 分率 流量 分率 流量 分率 流量 分率 流量 分率 流量 分率 Kmol /h Kg/h Kmol /h Kg/h Kmol /h Kg/h Kmol /h Kg/h Kmol /h Kg/h CO 1881 4006 510685 062873 446.0989 773452 124077 052223 446.0989 773452 124077 052223 446.0989 773452 124077 052223 290.3524 545988 813575 749885 CO2 1697 2730 728508 216753 793.6861 8303 349665 463623 793.6861 8303 349665 463623 793.6861 8303 349665 463623 697.7283 327232 307846 363388 H2 8785 7552 177578 476388 368348 235868 743864 735931 368348 235868 743864 735931 368348 235868 743864 735931 30850 967982 622459 991171 CH4 64.880 4990 104069 747565 710