300kta甲醇制取乙烯技术初步设计说明书.docx

第二章初步设计说明书第一章项目总论11项目概览煤或天然气经由甲醇制取低碳烯烃技术是国际上广泛关注的研究热点，但一直以来由于其高昂的投资成本、生产成本和技术风险，使得此项目在工业化的过程中步履维艰。2004年国际市场乙烯、丙烯大幅度上扬，为本项技术的推广带来新的契机。文章从市场分析和财务评价的角度论述了甲醇制取低碳烯烃项目的必要性和可行性。近年来我国一些产煤大省、地区，为把资源优势转化为经济优势，纷纷作出发展煤化工的决策。甲醇制乙烯（MTO）和甲醇制丙烯MTP是国际上广泛受关注的煤化工的潜在市场。随着甲醇生产的日益规模化，成本日趋降低，以及甲醇制烯烃技术的日益成熟，MTO、MTP已面临大型商业化。本实验装置拟采用某研究所实验室已经成熟的甲醇制取低碳烯烃技术，建设300KT/A甲醇制乙烯装置，装置包括反应和分离两部分。原料为甲醇，产品为乙烯，同时副产丙烯、碳三、碳四等产品。根据靠近原料地选址原则，项目厂址假定为我国西南某地甲醇厂内，公用工程依托该甲醇厂设施。12设计依据本组编制的可行性报告化工工程设计相关规定国家经济、建筑、环保等相关政策13产品及原料方案本项目年产乙烯为12万吨，其中大部分用于直接进行销售。主要原材料需购进甲醇，重庆利全化工有限公司成立于2008年，位于九龙坡区水碾化工市场，是一家主营各种化工原料及化学试剂的专业性公司。自成立以来，公司一直秉承“诚信经营合作共赢”的经营理念，坚持“客户第一客户至上”的原则。在短短几年间，已与多家企业建立了长期业务合作关系。该公司主要经营液碱、甲醇、沥青、水玻璃、双氧水、盐酸、硫酸、次氯酸钠、桐油、油酸钠、铬酸酐、单宁酸、氯化锌、乙醇、醋酸酯、二甲苯、硼酸、硼砂、纯碱、片碱等各种化工原料、实验室仪器及各种化学试剂。该公司甲醇3350元/吨（3吨起售）第二章总图运输21设计依据化工企业总图运输设计规范GB504892009工业企业总平面设计规范GB5018793石油化工企业厂区总平面布置设计规范SH/T30532002建筑设计防火规范GB500162006厂矿道路设计规范GBJ2287压缩机厂房建筑设计规定HG/T206732005化工管道设计规范HG/T2069587化工设备管道外防腐设计规定HG/T2067990化工工厂总图运输施工图设计文件编制深度规定HG/T2056194本项目厂区位于重庆市长寿化工园区。厂区的工程地质与水文地质资料、地震烈度等，参考初步设计说明书的“第八章土建”。有关气象资料等参考可行性论证“第四章厂址选择”。22设计范围本章主要介绍厂内总平面布置、场内交通运输设计规范及特点。23厂址概况重庆（长寿）化工园区是2001年12月重庆市人民政府批准成立的省级工业园区。园区首期规划面积为313平方公里，如图61所示。分为天然气化工片区、石油化工片区、精细化工片区及化工材料片区，是重庆市集天然气化工、石油化工、生物质化工、精细化工和新材料产业于一体的综合性化工园区，是重庆市资源加工业的重要平台。园区具有优越的地理位置、便捷的交通网络、丰富的自然资源、雄厚的产业基础、完善的配套设施。详见可行性论证“第六章厂址选择”。24总平面布置本厂的总平面布置，是在总体规划的基础上，根据企业的性质、规模、生产流程、交通运输、环境保护以及防火、安全、卫生、施工及检修等要求，结合场地自然条件，通过技术经济比较后，设计多种方案后择优确定而来的。厂区平面布置图241总平面布置的要求本项目的厂区总平面布置是严格21节中所列设计规范的要求进行设计的。并且在进行化工厂总平面布置之前，分析了全厂生产流程顺序、各部分的生产特点和火灾危险性，同时考虑了厂区地形和风向，选择了合理的朝向，使人员集中的建筑物有良好的采光及自然通风条件。根据设计规范的要求，为了节约土地，提高土地利用率，需要按照功能分区集中布置。其中工艺装置，在满足生产、操作、安全和环保的要求许可时，应联合集中布置，集中控制，建筑物宜合并布置。街区需要合理划分，厂区通道宽度需要确定，街区及建筑物、构筑物的布置宜规整。各类仓库，宜按储存货物的性质和要求，宜合并设计为大体量或多层仓库，并提高机械化装卸作业程度，有效地利用空间。生产管理及生活服务设施，宜按使用功能合理组合，设计为多功能综合性建筑。设计规范还规定总平面布置应当防止和减少有害气体、烟、雾、粉尘、振动、噪音对周围环境的污染，污染大的设施应远离对污染敏感的设施，并避免环境重复污染。产生噪音污染的设施，宜相对集中布置，并应远离生产管理设施和有安静要求的场所。在进行总平面布置设计时需要预留发展用地，一方面可以使前期建设的项目集中、紧凑、布置合理，并与后期工程合理衔接；另一方面可以满足辅助生产设施、公用工程设施、仓储和管线铺设等相应后期配套建设。242厂区总体布局概述厂区布置为矩形，东西方向长为223M，南北方向宽为128M，总面积为25994M2。厂区南侧为总厂公路。本厂区按照功能分区集中布置，即原料输入区、产品输出去、储存设施区、工艺装置区、公用工程设施区、辅助设施区、行政管理区、其他设施区等。其中，在满足生产、操作、安全和环保要求的条件下。本设计中，厂区内道路总体呈网格状布置，并均已其走向进行命名（南北向道路称经某路，东西向道路称纬某路，环线道路以其位置命名），易于识记和辨认；主干道（经某路、纬某路和北环路）设计宽度为10米（双向四车道），次干道设计宽度为5米（双向两车道）。整个厂区的道路及建构筑物都进过严格规划，布置规整。同时，人流与货流分离，并留有消防安全通道。本厂区储存设施区分为成品仓库、储水池、原料储罐、球罐区（储存多余的已捕集的二氧化碳）和气柜（烟道气进入捕集系统前的缓冲设备）。本项目设计将食堂、医疗站以及行政办公场所有效合并，节约了土地。另外，类似地分别将仪修车间、中心化验室和开发部进行合并，将控制中心和环境监控站合并，将机械修理和电器修理车间进行整合，大大提高了土地利用率。本厂区中容易产生噪音和振动的车间被安排在厂区南边，通过停车场以及树林与生产管理区和对安静、振动有要求的场所分隔。同样的，工艺装置区与生产管理区、生活区之间留有足够的安全距离，并通过树木阻隔噪音。本项目中在厂区内留有两块发展用地，一块位于西北角的配套用地是用于辅助生产设施及公用工程设施后期建设的；另一块位于东南侧的发展用地是为了满足后期储罐区扩建而保留的。实际上在工艺装置区，同样预留了一个反应车间，可用于后期其他反应工艺的扩展建设。243厂区面积计算总占地面积2231286030253025994（M2）建构筑物20301010314252510053142515152030203030151530153015154157530303030253025303141002530251225139,30675（M2）道路面积125523010301030103430752210521010325530515530513,750（M2）绿化面积220117200127175225314/47575310153010757541,97771875（M2）围墙长度222118202128670（M）244总平面布置各项技术指标化工厂总平面布置设计的各项技术指标项目参数厂区占地面积25,994平方米建构筑物占地面积9,30675平方米道路用地面积13,750平方米出入口个数3个绿化面积1,97772平方米绿化系数761围墙长度670米245工艺装置的布置设计规范要求工艺装置在厂区内布置应相对集中，形成一个或几个装置街区。本设计中将反应车间和捕集车间集中布置，设置在同一街区内，这样有利于集中铺设公用工程管线以及集中控制管理，而且工艺生产流程顺畅、衔接短捷，紧凑合理，与相邻设施也协调得很好。除了有利于生产管理和安全防护等优点外，集中布置工艺装置还便于施工、安装和检修。工艺生产装置宜布置在人员集中场所全年最小频率风向的上风侧，并位于散发可燃气体的储运设施全年最小频率风向的下风侧。本设计中，人员集中的场所诸如行政办公楼、医疗站、食堂、中心化验室、开发部等等都位于西南角，正处于全年最小频率（东北风）的下风侧。同时可能散发可燃气体的成品罐区和原料罐区处于工艺生产装置的东北侧和东侧，这一方向上全年的风频率都较低。控制室的位置应该靠近主要工艺装置或主要控制设备，本设计中的控制中心距离工艺生产区比较靠近，又在一定的安全距离以外。控制室朝向高压或者有爆炸危险的生产设备区一侧的外墙，应为密闭式或控制室整体采用抗暴型结构。此外，控制室还应该避免噪音、振动以及电磁干扰较大的场所对其的干扰。本设计中，使用较多的树木作为隔音屏障，使得控制中心与噪音较大的工艺装置区以及机修/电修车间隔开。装置区内储罐仅对液化烃、可燃液体和可燃气体有特殊要求，对于性质较为稳定的二氧化碳，可以储存与工艺生产装置区的地段内，有利于服务毗邻的对象，储存未用于反应工艺的二氧化碳（可以供应给市场）。装置区内道路的布置应该满足生产操作、物料运输、设备检修、消防安全和事故急救等的要求下，应力求减少道路的面积；工艺装置的内部道路应与街区外的厂区道路连接。此外，工艺生产装置的主生产区不宜进行绿化。246辅助生产及公用工程设施2461总变电所的布置设计规范规定总变电所应便于电线路的进出、不妨碍工厂的扩建和发展的独立地段。当采用架空输电线时，应布置在厂区边缘地带。总变电站应该布置在易泄漏、散发液化烃及较重的可燃气体、腐蚀性气体及粉尘的生产、储存和装卸设施全年最小频率风向的下风侧和有水雾场所冬季盛行风向的上风侧。本布置方案中，总变电站位于全场西侧边缘地带，正位于可燃气体散发区域、储存和装卸设施的西侧，而全年东风频率都较低。同时，变电站设计远离强振源，与易泄漏、散发液化烃及较重的可燃气体、腐蚀性气体及粉尘的生产、储存和装卸设施也在规定距离（60米）之上。2462循环水场的布置循环水场应靠近主要用户，避免在工艺装置的爆炸危险区范围内；避免靠近火炬、加热炉、焦炭塔等热源体；不宜布置在邻近的变配电所、露天工艺设备、主要运输道路冬季最大频率风的上风侧，并不应布置在受水雾影响而产生危害的设施的全年最大频率风向上风侧。本工厂中循环水场位于全厂的东北角，远离总变电所和工艺设备区，同时在全年风频率最小的东北风的上风侧，减轻了对易受水雾影响的设施所产生的危害。2463中心化验室、仪修车间、开发部的布置按照设计规范的要求，中心化验室、仪修车间应该布置在生产管理区内，不应布置在散发毒性、腐蚀性及其它有害气体、粉尘以及循环水冷却塔等产生大量水雾设施的全年最大频率风向的下风侧。本设计方案中，将中心化验室、开发部、仪修车间整合到一栋综合多功能建筑中。循环水场以及可能散发毒性、腐蚀性、易燃性气体的储罐区均远离中心化验室、仪修车间，并且处于相对此楼频率较低风向的上风侧，均符合设计规范的要求。设计规范还要求中心化验室、仪修车间远离振源，要有良好的朝向，避免西晒。本设计中，此栋综合楼整体朝南，保证了这栋楼的采光条件，同时该楼为东西走向，最大限度地避免了西照。此外，与强振源区域保持较远的距离，并设有树林作为隔音屏障。2464机修、电修车间的布置机修、电修车间宜集中布置在厂区的一侧、靠近人流出入口的地段，并有较方便的交通运输条件；同时应避免机修、电修车间的噪音、振动对周围设施的影响。本设计方案中机修、电修车间紧邻1号门（人流出入口）和停车厂，具有非常便利的交通运输条件。同时，由于停车厂在空间上的阻隔以及树木作为屏障，使得噪音以及振动对周围设施的影响降至最低。2465污水处理场的布置根据设计规范的要求，污水处理厂宜位于厂区边缘或厂区外的单独地段，且地势及地下水位较低处；并应布置在厂区全年最大频率的下风侧，且应注意其对周围环境的影响。本设计方案充分考虑了以上要求，将污水处理厂设在全场南侧边缘地带，处于全年最大频率的北风的下风侧。247仓储设施的布置原料、燃料、材料、成品及半成品的仓库、堆场及储罐，应按其储存物料的性质、数量、包装及运输方式等条件，按不同类别，相对集中布置，并宜靠近相关装置和运输线路，且应符合防火、防爆、安全、卫生的规定，为管理创造有利条件。2471仓库的布置仓库主要用于存放固体原料，应该设置在邻近主要用户的场所，并方便运输和适应机械化装卸作业；宜布置在厂区的边缘地带，且位于厂区全年最小频率风向的上风侧。本厂区仓库位于东北角，靠近3号门和装卸区，方便运输并适应机械化装卸作业，同时处于厂区全年频率最小风向的上风侧。2472罐区的布置设计规范中关于罐区布置的要求较多。首先，罐区应按照物料性质、隶属关系、操作和物料输送条件，分别布置为原料罐区和成品罐区，其位置应满足工艺生产、储运装卸和安全防护要求，同时应留有必要的发展用地。本设计中，原料储罐、成品储罐、CO2球罐区分开布置，既邻近工艺装备区，又邻近装卸区，充分满足了工艺生产和储运装卸的要求。此外罐区正对3号门，方便消防车的出入，达到了安全防护的要求。设计规范要求液化烃和可燃液体的罐组宜布置在厂区边缘地带，同时应在人员集中场所和明火或散发火花地点全年最小频率风向的上风侧，并应避免布置在窝风地带。本设计也满足了这些要求，罐区远离了人员集中场所和易产生明火或火花的机修、电修车间，并处于他们的全年最小频率风向的上风侧。此外，液化烃、可燃液体罐组，不宜紧靠排洪沟布置；与罐区无关的管线、输电线均不得穿越罐区。248运输设施的布置2481罐区汽车装卸区的布置罐区汽车装卸设施应该位于厂区边缘、空气流通的地段或布置在厂区外。远离人员集中的场所、明火和散发火花的地点及厂区主要人流出入口和人流较多的道路。本设计中，装卸区设置在厂区的东侧，紧邻3号门（主要货流运输出入口），同时远离人流较多的道路和可能产生明火和散发火花的地点。2482汽车库、停车场的布置汽车库、停车场的布置应该靠近货流出入口或者仓储区布置，减少空车程；生产管理及生活用车单独设置车库时，应布置在生产管理区。本设计中，专用于货物运输车辆的停车场位于装卸台的南侧，卸货后的车辆可以直接停在这片停车场内；而专属于生产管理区的车辆拥有独立的停车场，紧靠1号门和周围各生产管理部门，交通极为便利。249生产管理及生活服务设施2491厂前区的布置生产管理区及生活服务设施应根据工厂规模，按其性质和使用功能，宜布置在厂前区。设计规范要求厂前区布置在厂区的主要人流出入口、与居住区和城镇方便的地点；宜位于厂区全年最小频率风向的下风侧，并且环境洁净的地段；建筑群体的组合及空间景观应与周围的环境相协调；应设置相应的绿化、美化设施，处理好建筑、道路、绿地和建筑小品之间的关系。厂前区的布置体现了一个工厂整体风貌和企业形象，因此我们在厂前区的布置上也下了不少功夫。在满足设计规范的诸多要求的同时，我们更多地考虑了建筑风格以及景观配合的关系。首先，将食堂、医疗卫生站和行政办公楼有效组合成综合性多功能建筑，有效提高了土地利用率以及生活服务区的整体性。该多功能建筑的外形方中有圆，避免了外观的单调和死板，并且和中心化验室、仪修车间、开发部的综合楼的建筑风格相呼应。其次，厂前区多功能建筑从上空看，其外形为英文字母C，表明该企业从事的是与二氧化碳（CARBONDIOXIDE）捕集、利用相关的生产。同时这栋建筑从上空看也像一把钳子，包围着象征着地球的蓝色喷泉池，意味通过化学工程的方法解决温室气体大量排放的问题。最后，厂前区多功能建筑正前方是一片草坪，上面会有该企业的标语和图表，可以给初次来访的人们留下极其美好的印象。2492食堂的布置设计规范要求工厂食堂布置在厂前区，其服务半径不宜大于500米。本工厂食堂的设置完全满足了该工厂工人用餐的需求量，同时又保证了其服务半径。2493自行车棚、停车场的布置设计规范要求自行车棚应布置在职工存取车方便的地方，自行车棚面积的大小应根据工厂最大班职工人数及当地交通运输条件确定。同时厂前区宜设置必要的汽车停车场，满足工人及职工用车停放的需要。本设计中，自行车库紧邻汽车停车场，方便职工切换交通工具，并且这对1号门，出入非常方便。2494厂区出入口的布置设计规范要求厂区的出入口不少于2个，人流和货流出入口应该分开布置；主要人流出入口应设在工厂主干道通往居住区和城镇的一侧，主要货流入口应位于主要货流方向，靠近运输繁忙的仓储区，并与厂外运输线路连接方便；主要出入口应设置门卫室。本设计方案中共设置了三个出入口，分别位于经一路、经四路和纬二路，其中1号门主要服务人流，2号、3号门主要服务物流。3个出入口均设有门卫室。2495围墙的设置设计规范要求建筑为与围墙的间距应大于5米，道路与围墙的距离应大于1米（围墙自墙轴线算起，建筑物、构筑物自最外边轴线算起，道路为城市型时自路面边缘算起）。本设计中建构筑物与围墙的最小间距为65米，道路与围墙的最小间距为15米，均符合规范。25厂内运输设计251厂内运输设计要求运输线路的布置，应符合下列要求满足生产、运输、安装、检修、消防及环境卫生的要求，线路短捷，人流、货流组织合理；划分功能分区，并与区内主要建筑物轴线平行或垂直，宜呈环形布置，使厂区内、外部运输、装卸、贮存形成一个完整的、连续的运输系统；与竖向设计相协调，有利于场地及道路的雨水排除；与厂外道路连接方便、短捷；建设工程施工道路应与永久性道路相结合。252本厂运输设计本设计中，厂区内道路总体呈网格状布置，并均已其走向进行命名（南北向道路称经某路，东西向道路称纬某路，环线道路以其位置命名），易于识记和辨认；主干道（经某路、纬某路和北环路）设计宽度为10米（双向四车道），次干道设计宽度为5米（双向两车道）。道路宽度均大于35米，满足消防车道宽度的要求。本设计方案中共设置了三个出入口，分别位于经一路、经四路和纬二路，其中1号门主要服务人流，2号、3号门主要服务物流。本设计中，装卸区设置在厂区的东侧，紧邻3号门（主要货流运输出入口），同时远离人流较多的道路和可能产生明火和散发火花的地点。专用于货物运输车辆的停车场位于装卸台的南侧，卸货后的车辆可以直接停在这片停车场内。而专属于生产管理区的车辆拥有独立的停车场，紧靠1号门和周围各生产管理部门，交通极为便利。这样的设计有利于人流与货流的分离。厂内所有的道路最窄处不小于35M，可允许检修车辆的通行及确保消防车能够迅速地抵达失火地点。本厂地面全部达到无土化，地面以水泥和柏油两种组成，可以承受最大载重汽车引起的压力，同时利于清洁。第三章原料采购及产品营销31原料采购本厂生产甲醇所用到的原料的有二氧化碳和氢气，其中二氧化碳为本厂捕集电厂烟气中的二氧化碳所得，氢气来源于园区内的MDI装置，通过管道运输。32原料标准甲醇标准指标项目优等品一等品合格品色度铂钴，510密度20，G/CM30791079207910793温度范围0，101325PA640655沸程包括64601，081015高锰酸钾实验，MIN503020水溶性试验澄清水分含量，001015酸度以NH3计，0000200008000015羟基化合物含量以CH2O计，000200050010蒸发残渣含量，000100030005本厂产品方案产品名称本厂规格国家规定产量KT/A单价元/吨乙烯9995优等品11404431633产品营销331品牌营销1产品质量的保证化工产品的产品质量主要有以下三个尺度，即国家标准的要求、产品质量的持久稳定性、产品销售的服务性。不仅要严格执行分析化验程序保证出厂产品的质量，还要建立完善的客户意见反馈系统。2建立销售网络首先建立一个地区级市场，或者一个省级市场，或者一个或几个大客户。通过这些目标市场和客户，去影响和渗透其它的外围市场和客户，逐步建立起完善的销售网络。考虑到本项目甲醇产量较小，竞争力欠缺，但作为环保示范性项目会得到政府的优惠政策，这在一定程度增强了竞争力。2品牌效应的推广化工产品的品牌宣传不同于传统消费品的品牌宣传，它只涉及专业群体，特定行业，所以需要更具有针对性的品牌宣传。参加业内颇有影响力的行业展会；邀请客户到企业参观先进的生产基地和管理方式；在客户群中形成良好的口碑；与行业协会和行业媒体和记者保持良好的关系；利用电视，报纸和网络对企业品牌进行宣传。3售后服务的完善客户在使用化工产品过程中受他们生产工艺、设备装置、技术水平的不同会出现不同的问题，本厂会派出工程技术人员帮助客户查找和解决问题，这也是本厂树立负责任良好形象、拓展客户关系的好机会。332网上营销互联网不受时空的限制，可以轻松地完成跨地域性的营销，节省销售渠道的大量人力、物力投入；通过自建的公司网站平台，企业可以从容、全面地介绍公司和产品，让客户更为直观地进行比对，有利于企业优势突出。互联网给企业的整合营销提供了一个新途径。第四章反应器的设计反应器的设计是设计中的基石，是整个工艺的核心内容。由于反应器内部流体流动十分的复杂，反应器设计一直都是设计的难题，很多化工厂都因为反应器设计不合理而无法正常工作。41反应器以及催化剂的选择411反应器选择国外应用开发最早、技术成熟、应用最广泛的甲醇反应器当属ICI和LURGI的低压反应器。在克服ICI和LURGI缺陷的基础上，日本东洋公司等开发的MRF系列反应器逐渐在国内外的一些中型甲醇装置上得到推广。德国LURGI公司开发设计的管壳式甲醇合成反应器是一种轴向流动的低压反应器。该反应器采用管壳式结构，操作条件是压力527MPA，温度230255。反应器内部结构类似列管式换热器，列管内装填催化剂，管外为沸腾水，反应热很快被沸水移走，两种气体分别呈轴向流动。合成塔壳程的锅炉水是自然循环的，通过控制沸腾水的蒸汽压力，可以保持恒定的反应温度。这种合成塔温度几乎是恒定的，从而有效地抑制了副反应，延长了催化剂的使用寿命。该塔使用高含量铜基催化剂时，可达到较高的单程转化率，其最大生产能力为1500吨/天。根据国内应用的情况来看，大部分催化剂均可使用，对生产影响不大。ICI冷激型甲醇合成塔是一种绝热型轴向流动的低压合成反应器，其结构简单，由塔体、喷头、菱形分布器等组成。合成气预热到230250进入反应器，段间用菱形分布器将冷激气喷人床层中间降温。根据规模大小，反应器一般有36个床层，典型的是4个，上面3个为分开的轴向流床，最下方为轴一径向流床，在5MPA、230一270条件下合成甲醇。绝热管壳式甲醇反应器由华东理工大学开发成功，该反应器由绝热段与管壳段组成。催化剂填充在管壳段，反应热传给管外的沸水，以蒸汽的形式回收热量，通过调节蒸汽压力来实现催化床的等温分布。该反应器是基于LURGI列管式反应器的改进型并有一定创新。为了解决LURGI反应器的壁效应问题，将原反应器的列管管径由38MM增加到44MM，高度不变，改变了床层内径与催化剂颗粒直径之比，在相同产能时，反应器体积较小，可节约设备投资。按照选型立足于国内的原则，决定采用国内华东理工大学开发的绝热管壳式反应器。可节省投资，反应器技术也相对先进。而且考虑二氧化碳和氢气反应热不如一氧化碳和氢气的反应热大，绝热管壳式反应器的绝热层可以让反应原料气迅速升温达到最佳反应温度。412催化剂选择催化剂采用西南院的专利催化剂公开号CN101386564A，该催化剂性能优良。西南院的甲醇催化剂催化剂在多套甲醇装置上取得良好的效果，因此选用其开发的催化剂。催化剂参数参考XNC98的物理参数如表41。表41催化剂参数直径MM高MM堆密度KG/L径向抗压碎强度N/CM55131520042热力学计算二氧化碳加氢合成甲醇反应式如下CO23H2CH3OHH2O41CO2H2COH2O42同时伴有生成二甲醚、乙醇、杂醇油等杂质。设计反应器的体积时仅考虑反应41利用有关的热力学基础数据和给定的反应条件，根据VANHOFF方程即可计算出理想气体状态的平衡常数。计算过程中用到的不同温度下的恒压热容，可由文献发表的相关关联式计算得到。计算用到的热力学基础数据如表。表42计算用到的热力学基础数据组分0,29815HF015298,FG3322100TATACIIIIPIH200271E01927E0314E0577E09CO111E05137E05309E01129E02279E0513E08CO2394E05395E05198E01734E0256E0517E08CH3OH201E05163E05212E01709E02259E0528E08H2O242E05229E05322E01192E03106E0536E09根据表中标准反应热和计算出的恒压热容数据，给出反应温度和初始组成，即可计算二氧化碳加氢进行甲醇合成的化学平衡常数表达式，求出平衡转化率。计算所用到的公式如下FPIIIKITRATRATHG2100062LNLNL43反应条件温度220245，压力6MPA，反应器进料组成15COH2计算结果二氧化碳生成甲醇在510K时反应平衡常数4083PKTTLN782062LN使用ASPENPLUS的GIBBS反应器进行模拟得到平衡组成和平衡转化率。仅考虑反应31和32未考虑杂质反应，CO2平衡转化率为393。根据文献设定反应达到的转化率为231。表43平衡时各组分的含量组分CO2H2COCH3OHH2O摩尔分数0115860725760011930073224007322343反应器体积计算原料二氧化碳和氢气混合后进入反应器，反应生成水和甲醇，同时生成极少量的二甲醚、乙醇、杂醇、有机酸、高级烷烃。因为杂质的量极少，所以在设计反应器时可以忽略杂质的影响，且假定反应器中没有径向温度差和浓度差，流动均匀，无返混近似平推流处理。431绝热段模型将绝热段分割为多个微元段，气体流量为，气体摩尔分率为，温INFINY度为，压力为的原料气进入该绝热催化床层微元内，在该温度下进行反INTINP应，反应后气体流量变为，生成甲醇的物质的量为，气体摩尔OUTFOHC3分率变为，放出的热量为，放出的热量使气体温度升OUTIYOHC3TIR高至，压力下降为然后进入下一微元。如此循环，直至计算完所有TTI微元段。模型如下图41绝热层微元段模型图42列管微元段模型432列管段模型列管段模型和绝热段的模型基本相同，仅是比绝热段增加了换热，反应热不是全用于反应气体升温，一部分被管外的沸腾水移走。433物料衡算反应前混合气体的摩尔流率为，各组分的摩尔百分数为，反应后INFINY的气体的摩尔流率为，各组分的摩尔百分数为。OUTOUTIY动力学方程1122223HCOCOCOFKFKDWNR1HGMOL443223HCOFFK45/1056EXP1043764RTK1HGMOL2503/1/10846250EXP32TKCO/973132H平衡时以逸度表示的平衡常数。COF反应器中存在的反应OHC2322346HCO22247反应器达到平衡，维持不变。每小时甲醇的千摩尔生成量以下式中甲醇以代替MRBVRNOHC3式中催化剂的堆积密度B3/MKG催化剂床层体积RV反应后各种物质的摩尔量MINIFYNCOCO2248MNIYH32249MINFYOHOHI22410INYCO411MINMFY412反应出口总的气体摩尔流量MCOHCOOUTNNNF222413根据以上计算得到物料衡算表表44物料衡算表反应前反应后组分摩尔量摩尔分数摩尔量摩尔分数CO2INIFY2COINY2COMINCOFY2OUTMINICOFY/2H2IHIHIH3TIH3（COINININOUTIN/CH3OHIYMIMYMIYTMIYH2OINOF2HINOH2NOHFI2OUTOHF/IN2合计I1I1434热量衡算摩尔流率为，温度为的混合气体进入反应器，先在绝热层反应，通ININT过绝热层后进入列管催化层反应。管外为沸腾水，在反应管环隙进行换热。对绝热层有下面热量衡算式RMINOUTPIINHTCF414式中混合气体的热容；PI/KOLJ反应热；RHL/反应热用下面公式近似计算35241046017103TTR415对列管催化层有下式热量衡算RMINOUTPIINHNQTCF416LWTKAQ417式中列管外换热量；J总传热系数；/2KM传热面积；A22121K418式中催化床层与列管间传热系数；1/2KMW沸腾水与列管间的传热系数；2列管内污垢热阻；1管外污垢热阻。2/6EXP261/9501TSSFTDRD419式中列管直径，；TM催化剂导热系数，；F/2KW催化剂颗粒等比为表面积球体直径SDMFSESGR/420式中，气体质量流速，；SKG/气体粘度。FNIJIJIIFX14212505050118IJJIJIIJMM422式中，混合物的物种数N物质的摩尔百分数IXI在系统温度和压力下的粘度II在系统温度和压力下的导热系数I物质的分子量IMI，取经验数值12435床层压力降LDUFPSFM1320/2MN423式中流体的密度，；F3/KG流体的表观流速，；0USM催化剂颗粒的当量直径，；SD管长，。L751R0FEM4241UDF0FSEM425式中床层空隙率；流体黏度，。F/SMKG44计算流程根据上述信息使用C语言编程计算反应器，计算流程如图43。输入进料参数；沸腾水压力ININFYPT,P预选反应器直径预设绝热层高度预设列管数目和规格将绝热层和列管催化剂分别等分为个微元段21,N计算绝热层微元段，列管微元段体积按微元段进料参数计算停留时间和反应速率作绝热段微元段物料衡算作微元段热量衡算，和压降计算以上一微元段出口参数作为下一微元段进料参数以绝热段出口参数作为列管微元段进口参数计算停留时间和反应速率作列管段微元段物料衡算计算传热系数和传热量作微元段热量衡算，和压降计算以上一微元段出口参数作为下一微元段进料参数甲醇含量是否达到要求是否完成微元段计算长径比是否合适输出结果是是否否是否图43计算流程图45反应器计算结果此处列出计算结果，具体计算参见源文件反应器设计。反应器内径2200MM，列管数目1302，绝热层高度500MM，列管规格442MM，管长4760MM，圆整至5000MM，催化剂装填量VR1898181007M3，绝热层催化剂装填量为189M3，列管装填量为818M3。451反应器中温度和甲醇浓度分布表45反应器的温度和甲醇浓度的分布情况绝热床层深度/M温度/K甲醇摩尔分率014974930002536025024950005382035080460008571045141480012112055207190015971列管深度/M温度/K甲醇摩尔分率04522759002260508524239002839812525091003305416525364003653625251820039018245246910040765285240130041984325232360042893365224180043591452159100441564452077600446364765200620045019452温度和甲醇浓度的分布曲线图43绝热段温度变化图44绝热段甲醇浓度变化图45列管段温度变化图46列管段甲醇浓度变化46反应器结构设计反应器的封头于筒体采用堆焊连接，上封头设一人孔和原料气进口接管采用法兰连接。气体入口有一挡板，绝热催化床层上方有气体分布器。下封头设一催化剂卸料口和反应气出口接管采用法兰连接。筒体下端设四个沸腾水入口，上端设两个蒸汽出口。反应器壁厚计算22CPDCTIC424封头厚度计算反应器选用标准椭圆封头，封头高度1150M2502CPDKCTIC425两式中计算压力取工作压力CPAM反应器内径IM材料许用应力TAP焊接系数腐蚀裕量2C封头系数，标准椭圆封头取1K封头工作压力大于筒体工作压力，因此计算封头厚度，筒体厚度和封头取相同厚度。选用07MNCRMOVR作为反应器材质，工作温度取270，该温度下许用应力T203MPA。计算封头厚度为33MM，圆整至35MM；筒体厚度也取35。M第五章全厂定员51概述本项目实行总经理负责制，按现代化企业制度设置管理体制。公司实行全员聘用制和劳动合同制度，设置精干、简单、适用、高效的管理机构。公司的管理层次设置公司、职能部门二级，以使工厂的生产和经营指挥通畅，管理成本低、效益高，从而成为一个按现代化企业管理模式运作的工厂。工厂分设生产部、质量保安部、计财部三个部门，其中公司的质量保安部负责管理中央化验室、气体防护站、环保监测站、消防站；生产部统一负责进行生产装置、辅助设施和公用工程的生产调度和技术管理。52全厂各职能部门职责1合成车间主要设备有反应器、闪蒸塔；主要任务是负责合成碳酸二甲酯，以及反应器出料的气液相分离。2分离车间主要设备是精馏塔，负责产物的分离提纯。3成品车间产品储罐、仓库区，主要负责产品的储存以及装车发货等。4维修间负责机修、电修、仪修和备品备件仓库。5动力车间包括热电站、供排水、供配电、电信、火炬系统、污水处理系统、渣场等，负责全厂供热、发电系统、供排水、消防水、供配电、电信、火炬系统、污水处理系统、渣场等。53全厂定员本项目生产装置为连续操作，年运行时间为330天。根据国务院规定，每周实行40小时工作制，因此生产车间按四班制操作运行按五班配备人员即四班三轮制。对财务部门和个别岗位可以按一班配置人员。全厂定员139人，其中管理人员16人。531全厂定员表定员部门和装置管理人员技术人员操作工人合计生产部门5324380质量保安部27918计财部9102241总计164974139全厂定员表532工人来源本项目装置多，流程复杂，设备先进，科技含量高，自动化水平高，对管理人员、技术人员及操作人员的文化素质要求严格。因此必须高度重视对各类人员的培训工作，工厂技术人员、管理人员和主生产装置操作工必须为大学本科以上学历人员。凡引进技术的装置，必须派遣技术、管理人员以及操作工在国内外类似装置进行一定时间的技术、管理和操作培训，对国外进口的DCS控制系统、大型机泵设备、关键容器设备，也必须在制造厂进行技术培训，掌握这些设备的开车、维修方法。属国内设计的装置，要选择国内同类型的生产厂对操作人员进行培训，以保证顺利开车，正常安全生产。本项目技术、管理和操作人员拟通过国内招聘的方式解决，高级管理人员由总厂委派。第六章自动控制61自动控制概述611自动控制系统自动控制系统（AUTOMATICCONTROLSYSTEMS），在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统是实现自动化的主要手段。1）DCS系统DISTIRBUTEDCONTROLSYSTEM，集散控制系统DCS系统是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统，它是计算机技术、系统控制技术、网络通讯技术和多媒体技术相结合的产物，可提供窗口友好的人机界面和强大的通讯功能。是完成过程控制、过程管理的现代化设备。系统主要有现场控制站（I/O站）、数据通讯系统、人机接口单元（操作员站OPS、工程师站ENS）、机柜、电源等组成。系统具备开放的体系结构，可以提供多层开放数据接口。系统的参数、报警、自诊断及其他管理功能高度集中在CRT上显示和在打印机上打印，控制系统在功能和物理上真正分散。整个系统的可利用率至少为999；系统平均无故障时间为10万小时，实现了核电、火电、热电、石化、化工、冶金、建材诸多领域的完整监控。标准的控制组态软件可以实现任何监测、控制要求。其可扩展性和可裁剪性，保证其经济性。2）集散控制系统DCSDCS系统是以多个微处理机为基础利用现代网络技术、现代控制技术、图形显示技术和冗余技术等实现对分散控制对象的调节、监视管理的控制技术。其特点是以分散的控制适应分散的控制对象，以集中的监视和操作达到掌握全局的目的。系统具有较高的稳定性、可靠性和可扩展性。集散控制系统一般有四部分组成过程输入输出装置，过程控制装置，操作接口，数据通讯系统。集散控制系统也叫分布式控制系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。自动控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域。在工业方面，对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等，都有相应的控制系统。在此基础上通过采用数字计算机还建立起了控制性能更好和自动化程度更高的数字控制系统，以及具有控制与管理双重功能的过程控制系统。随着控制理论和控制技术的发展，自动控制系统的应用领域还在不断扩大，几乎涉及农业、军事技术、航天、航空、航海、生物、医学、生态、经济、社会等所有领域。本设计中采用DCS自动控制系统对合成和分离车间实现自动控制。612自动控制的设计范围自动控制系统设计包含的内容非常丰富，设计时主要考虑的是控制方案的选择，而控制具体实现过程不属于化工设计的核心，故在此不予讨论。本项目中自动控制采用DCS集散系统对反应阶段和精馏阶段的设备包括泵、换热器、反应器、闪蒸塔、精馏塔、储罐、压缩机进行自动控制。613自动控制的设计思路根据工艺要求的不同，即便是相同的控制对象，自动控制系统的设计方案也可能会不一样。本说明书主要根据工艺自身的特点及控制要求选择控制方案，对工艺不同工段中的各种被控对象进行分析以找到合理经济的控制方案。62工艺自动控制方案设计根据工艺方案，分别对反应、精馏分离两个工段中的相关设备和物流进行控制方案的设计。621反应工段1）进料量的控制1进料特点及控制要求常压气体进料，流量较大，要求压力降小，流量测量准确度高，调节阀灵敏度高，泄漏量小，以此保证进料量的稳定。2控制方案在调节阀上游安装流量测量仪表，采用定值控制系统，保证进料量的稳定以保证年生产量。进料量的自动控制图如图61所示。进料量的自动控制3进料流量测量仪表的选择工艺进料为高压气体，要求流量计的准确度高，根据各种类型流量计的特点，项目选用漩涡式流量计。4调节阀的选取工艺进料为高压气体，要求调节阀的泄漏量小、压力降小，根据各种类型流量计的特点，项目决定选用直通单座调节阀。2）离心泵P101的控制1工艺特点及控制要求离心泵的控制要求是在保证输送流量下，泵出口处能够达到足够大的扬程。2离心泵的控制方案离心泵的控制主要有三种方法控制泵出口阀门开度、控制泵的转速及控制泵的出口旁路。控制离心泵的出口旁路阀开度此控制方案浆泵出口的部分流体通过旁路管道回流到泵的入口，通过改变旁路阀的开度来控制泵的实际出口流量。但是由于回流部分的高压液体能量消耗于旁路阀上，所以该控制方案的机械效率低，在此不予采用。控制离心泵的转速当泵的转速改变时，泵的流量特性曲线也会发生改变。在相同流量下，提高泵的转速会使压头增加。采用这种控制方案，在液体输送管线上不需要安装调节阀，阻力损失小，机械效率较高。在工业生产过程，通常可以采用蒸汽透平、变频调速器、电动调速装置、原动机与泵之间的联轴变速器等来调节泵的转速。但当用电动机作原动机时，由于调速机构复杂，较少采用。控制离心泵出口的调节阀开度在离心泵出口安装阀门，通过控制调节阀的开度即改变泵出口阻力来直接控制离心泵流量。此方法简单易行，我们在此工艺及后续工段中离心泵均选择此控制方案，故后面将不再赘述。离心泵的自动控制图如图62所示离心泵的自动控制3测量仪表的选取离心泵需要测量出口流量，选取漩涡流量计。4调节阀的选取泵运输的一般为液体，选择结构简单、泄漏量小、允许压差小的直通单座调节阀。3）换热器的控制1工艺特点及控制要求此工艺中加热器E101、E102、E105、E107、E108、E110、E112、E114为利用饱和蒸汽相变冷凝加热的换热过程；冷凝器E103、E104、E106、E109、E111、E113是利用20水冷凝工艺流体换热的过程，换热后水的温度达3038。换热过程中要保证工艺流体的流量是恒定的，此外体系为高温高压气体，须防止泄漏及进行相应的保温措施。2换热器控制方案此换热器是实现反应器出口热和进口热的交换，反应器进口物料流量恒定，但出口物料流量有可能受干扰的影响而变化。但工艺中工艺流体的流量不允许变化。故冷凝器采用控制载热体流量的方法来控制温度，而对于利用载热体进行冷凝的加热器，当蒸汽压力稳定时，可用蒸汽流量来调节温度。因此，通过控制载热体的流量来达到控制温度的目的。后续工段中的换热器均采用此方法，故在后面不再赘述。换热器的自动控制图如图63所示。3测量仪表的选用根据工艺特点温度测量仪表我们采用热电偶温度计，材料为铁镍铜材料。流量测量仪表采用漩涡流量计。4调节阀的选取直接调节，选取直通单座调节阀。换热器的自动控制4）反应器R101的自动控制（1）工艺特点及控制要求工艺采用列管式固定床反应器，催化剂装填在列管中，反应物流通过催化剂，在催化剂表面发生反应。反应过程催化剂对温度敏感，且反应本身为强放热过程，因此首先考虑反应器温度的控制。其次，反应器内部的压力也是一个重要的被控参数，若压力过低则反应物转化率不够高，压力过高则有可能造成爆炸等严重事故。此外气体进料要求稳定，波动小。（2）反应器控制方案反应器温度的控制在反应物料成分、流量稳定的情况下温度是影响反应质量好坏的主要因素。热导油具有热稳定好，长期使用不变质，加热均匀，调温控制温准确，能在低蒸汽压下产生高温，传热效果好，节能，输送和操作方便，粘度低不易堵塞管道，毒性小，原料易得，价格便宜等特点。故项目选用热导油作为换热介质。反应产生的热量用于热导油的升温，因此反应器的温度控制主要靠换热介质的流量控制。采用随动控制系统，当反应器塔顶气量偏高时，增大换热介质的流量来移走过多的反应热保证反应器内部温度的稳定。反应器压力的控制对于本工艺的强放热反应，反应器内压力波动对进料的影响较大，因此非常有必要设置压力控制和报警等紧急措施。压力控制的方法为根据反应器塔顶的压力，采用随动控制系统调节反应器出口阀门开度以保证塔顶压力维持稳定，而出气的流量并不受此影响。反应器的自动控制图如图64所示。（3）测量仪表的选用反应器入口处流量测量仪表选用漩涡流量计，塔顶压力控制测量装置采用电容式压力检测系统，塔顶温度要求严格控制，测量准确度要高，采用热电偶温度计，热电偶材料为铁镍铜材料。（4）调节阀的选取流量调节选直通单座调节阀，冷凝水调节选蝶阀。反应器的自动控制5闪蒸塔V101的自动控制（1）工艺特点及控制要求闪蒸塔操作压力为1900KPA，操作温度为40，由于进料为反应器中产生的生成物，因此流量是不可控的参数。工艺选择通过控制闪蒸塔出口的气体流量来控制闪蒸塔内压力。此外，由于闪蒸塔是连续操作，因此还需要保持塔内液位的稳定。（2）闪蒸塔的控制方案压力的调节闪蒸塔分离气相和液相产物，通过控制调节气相产物的出口流量来控制闪蒸塔的压力使其保持稳定。液位的调节因为进料量不可调，因此可以通过控制出料量来保证塔内液位的稳定。对液位采取定值控制系统。闪蒸塔的自动控制图如图65所示。（3）测量仪表的选取此为高压液相，流量测量温度测量采用热电偶温度计，电偶材料为铁铜镍。液位测量采用差压式液位计。（4）调节阀的选取热气体出口处为高温气体，采用蝶阀。塔底液相出口采用直通双座调节