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河南城建学院毕业设计 正文 1 目录目录 目录目录 1 1 1 绪论绪论 2 1 11 1 甲醇的国内外发展甲醇的国内外发展 3 1 21 2 甲醇的合成方法甲醇的合成方法 4 1 31 3 合成路线合成路线 4 1 41 4 设计目的和意义设计目的和意义 8 2 2 精甲醇生产工艺计算精甲醇生产工艺计算 10 2 12 1 甲醇生产的物料平衡计算甲醇生产的物料平衡计算 10 2 1 12 1 1 合成塔物料平衡计算合成塔物料平衡计算 10 2 1 22 1 2 粗甲醇精馏的物料平衡计算粗甲醇精馏的物料平衡计算 18 2 22 2 甲醇生产的能量平衡计算甲醇生产的能量平衡计算 20 2 2 12 2 1 合成塔能量计算合成塔能量计算 20 2 2 22 2 2 常压精馏塔能量衡算常压精馏塔能量衡算 22 3 3 主要设备计算及选型主要设备计算及选型 26 3 13 1 合成系统的设备选型合成系统的设备选型 26 3 1 13 1 1 甲醇合成反应器甲醇合成反应器 26 3 1 23 1 2 出塔气冷凝器出塔气冷凝器 26 3 1 33 1 3 甲醇分离器甲醇分离器 26 3 1 43 1 4 粗甲醇贮槽粗甲醇贮槽 26 3 1 53 1 5 压缩机压缩机 27 3 23 2 精馏系统设备选型及计算精馏系统设备选型及计算 27 3 2 13 2 1 常压塔冷凝器常压塔冷凝器 27 3 2 23 2 2 常压精馏塔计算常压精馏塔计算 27 3 2 33 2 3 初估塔径初估塔径 29 3 2 43 2 4 理论板数的计算理论板数的计算 31 3 2 53 2 5 塔内件设计塔内件设计 34 3 2 63 2 6 塔板流体力学验算塔板流体力学验算 37 3 2 73 2 7 塔板负荷性能塔板负荷性能 39 3 2 83 2 8 常压塔主要尺寸确定常压塔主要尺寸确定 40 4 参考文献参考文献 41 5 毕业设计心得体会毕业设计心得体会 44 6 6 致谢致谢 45 河南城建学院毕业设计 正文 2 1 1 绪绪论论 1 11 1 甲醇的国内外发展甲醇的国内外发展 甲醇作为及其重要的有机化工原料 是碳一化学工业的基础产品 在国民 经济中占有重要地位 长期以来 甲醇都是被作为农药 医药 染料等行业的 工业原料 但随着科技的进步与发展 甲醇将被应用于越来越多的领域 1 生产的发展 1 世界甲醇工业的发展 总体上说 世界甲醇工业从 90 年代开始经历了 1991 1998 的供需平衡 1998 1999 的供大于求 从 2000 年初至今的供求基本平衡三个基本阶段 1 据 Nexant Chen Systems 公司的最新统计 全球 2004 年甲醇生产能力为 4226 5 万 t a 2 以下是最近几年的甲醇需求统计 全球主要地区甲醇消费构成 2001 年2002 年2003 年2004 年 按用途分 甲醛 940 31 970 32 1010 32 1050 33 MTBE830 28 810 26 780 25 760 22 其中美国 470 16 430 14 340 11 270 8 醋酸 270 9 290 9 300 10 310 10 MMA90 3 90 3 100 3 100 3 其他 880 29 900 29 930 30 970 30 需求合计3020 100 3060 100 3100 100 3180 100 按地区分 亚洲 920 30 940 31 990 32 1040 33 北美 1000 33 1000 33 980 31 970 31 西欧 630 21 640 21 650 21 670 21 其他 470 16 480 16 490 16 500 16 需求合计 3020 100 3060 100 3110 100 3180 100 河南城建学院毕业设计 正文 3 从上表可以看出 到 2004 年为止 甲醇仍主要用于制造甲醛和 MTBE 用 于制造甲醛的甲醇用量随年份成增长趋势 而 MTBE 的需求量则逐年降低 亚 洲需求量增长比较迅速 与此相反 北美地区需求则在减少 2 我国甲醇工业发展 我国的甲醇工业经过十几年的发展 生产能力得到了很大提高 1991 年 我国的生产能力仅为 70 万吨 截止 2004 年底 我国甲醇产能已达 740 万吨 117 家生产企业共生产甲醇 440 65 万吨 2005 年甲醇产量达到 500 万吨 比 2004 年增长 22 2 进口量 99 1 万吨 因此下降 3 1 2 生产技术的发展 1 装置大型化 于上世纪末相比 现在新建甲醇规模超过百万吨的已不再少数 在 2004 2008 年新建的 14 套甲醇装置中平均规模为 134 万 t a 其中卡塔尔 二期工程项目高达 230 万 t a 最小规模的是智利甲醇项目 产能也达 84 万 t a 一些上世纪末还称得上经济规模的 60 万 t a 装置因失去竞争力而纷纷关 闭 2 二次转化和自转化工艺 合成气发生占甲醇装置总投资的 50 60 所以许多工程公司将其视为 技术改进重点 已经形成的新工艺在主要是 Syenetix 前 ICI 的先进天然气加 热炉转化工艺 AGHR Lurgi 的组合转化工艺 CR 和 Tops e 的自热转化工艺 ATR 3 新甲醇反应器的合成技术 大型甲醇生产装置必须具备与其规模相适应的甲醇反应器和反应技术 传统甲醇合成反应器有 ICI 的冷激型反应器 Lungi 的管壳式反应器 Topsdpe 的径向流动反应器等 近期出现的新合成甲醇反应器有日本东洋工程的 MRF Z 反应器等 而反应技术方面则出现了 Lurgi 推出的水冷一气冷相结合的新流程 4 引入膜分离技术的反应技术 通常的甲醇合成工艺中 未反应气体需循环返回反应器 而 KPT 则提出 河南城建学院毕业设计 正文 4 将未反应气体送往膜分离器 并将气体分为富含氢气的气体 前者作燃料用 后者返回反应器 5 液相合成工艺 传统甲醇合成采用气相工艺 不足之处是原料单程转化率低 合成气净 化成本高 能耗高 相比之下 液相合成由于使用了比热容高 导热系数大的 长链烷烃化合物作反应介质 可使甲醇合成在等温条件下进行 1 21 2 甲醇的合成方法甲醇的合成方法 1 常用的合成方法 当今甲醇生产技术主要采用中压法和低压法两种工艺 并且以低压法为主 这两种方法生产的甲醇约占世界甲醇产量的 80 以上 高压法 19 6 29 4Mpa 是最初生产甲醇的方法 采用锌铬催化剂 反应 温度 360 400 压力 19 6 29 4Mpa 高压法由于原料和动力消耗大 反应温 度高 生成粗甲醇中有机杂质含量高 而且投资大 其发展长期以来处于停顿 状态 低压法 5 0 8 0 Mpa 是 20 世纪 60 年代后期发展起来的甲醇合成技术 低压法基于高活性的铜基催化剂 其活性明显高于锌铬催化剂 反应温度低 240 270 在较低压力下可获得较高的甲醇收率 且选择性好 减少了副 反应 改善了甲醇质量 降低了原料消耗 此外 由于压力低 动力消耗降低 很多 工艺设备制造容易 中压法 9 8 12 0 Mpa 随着甲醇工业的大型化 如采用低压法势必导致 工艺管道和设备较大 因此在低压法的基础上适当提高合成压力 即发展成为 中压法 中压法仍采用高活性的铜基催化剂 反应温度与低压法相同 但由于 提高了压力 相应的动力消耗略有增加 目前 甲醇的生产方法还主要有 甲烷直接氧化法 2CH4 O2 2CH3OH 由一氧化碳和氢气合成甲醇 液化石油气氧化法 2 本设计所采用的合成方法 比较以上三者的优缺点 以投资成本 生产成本 产品收率为依据 选择 低压法为生产甲醇的工艺 用 CO 和 H2在加热压力下 在催化剂作用下合成甲 河南城建学院毕业设计 正文 5 醇 其主要反应式为 CO H2 CH3OH 1 31 3 甲醇的合成路线甲醇的合成路线 1 常用的合成工艺 虽然开发了高活性的铜基催化剂 合成甲醇从高压法转向低压法 完成了 合成甲醇技术的一次重大飞跃 但仍存在许多问题 反应器结构复杂 单程转 化率低 气体压缩和循环的耗能大 反应温度不易控制 反应器热稳定性差 所有这些问题向人们揭示 在合成甲醇技术方面仍有很大的潜力 更新更高的 技术等待我们去开发 下面介绍 20 世纪 80 年代以来所取得的新成果 1 气液固三项合成甲醇工艺 首先由美国化学系统公司提出 采用三 相流化床 液相是惰性介质 催化剂是 ICI 的 Cu Zn 改进型催化剂 对液相介 质的要求 在甲醇合成条件下有很好的热稳定性和化学稳定性 既是催化剂的 硫化介质 又是反应热吸收介质 甲醇在液相介质中的溶解度越小越好 产物 甲醇以气相的形式离开反应器 这类液相介质有如三甲苯 液体石蜡和正十六 烷等 后来 Berty 等人提出了相反的观点 采用的液相介质除了热稳定性及化 学稳定性外 要求甲醇在其溶液中的溶解度越大越好 产物甲醇不是以气相形 式离开反应器 而是以液相形式离开反应器 在反应器外进行分离 经试验发 现四甘醇二甲醚是极理想的液相介质 CO 和 H2在该液相中的气液平衡常数很 大 采用 Cu Zn Al 催化剂 其单程转化率大于相同条件下气相的平衡转化率 气液固三相工艺的优点是 反应器结构简单 投资少 由于介质的存在改 善了反应器的传热性能 温度易于控制 提高了反应器的热稳定性 催化剂的 颗粒小 内扩散影响易于消除 合成甲醇的单程转化率高 可达 15 20 循 环比大为减小 能量回收利用率高 催化剂磨损少 缺点是三相反应器压降较 大 液相内的扩散系数比气相小的多 2 液相法合成甲醇工艺 液相合成甲醇工艺的特点是采用活性更高的 过度金属络合催化剂 催化剂均匀分布在液相介质中 不存在催化剂表面不均 一性和内扩散影响问题 反应温度低 一般不超过 200 20 世纪 80 年代中 期 美国 Brookhaven 国家实验室开发了活性很高的复合型催化剂 其结构为 NaOH RONa M OAc 2 其中 M 代表过渡金属 Ni Pd 或 Co R 为低碳烷基 当 M 为 河南城建学院毕业设计 正文 6 Ni R 为叔戊烷基时催化剂性能最好 液相介质为四氢呋喃 反应温度为 80 120 压力为 2MPa 左右 合成气单程转化率高于 80 甲醇选择性高达 96 当该催化剂与第 族金属的羰基络合物混合使用时 能得到更好的效果 他能激活 CO 并有较好的耐硫性 当合成气中还有 1670 10 6的 H2S 时 其甲 醇产率仍达 33 Mahajan 等人研制了由过渡金属络合物与醇盐组成的符合催化剂 如四羰 基镍和甲醇钾 以四氢呋喃为液相介质 反应温度为 125 CO 转化率大于 90 选择性达 99 目前液相合成甲醇研究仍处在实验室阶段 尚未工业化 但它是一种很 有开发前景的合成技术 该法的缺点是由于反应温度低 反应热不易回收利用 CO2和 H2O 容易使复合催化剂中毒 因此对合成气体的要求很苛刻 不能还有 CO2和 H2O 还需进一步研究 3 新型 GSSTFR 和 RSIPR 反应器系统 该系统采用反应 吸附和产物 交换交替进行的一种新型反应装置 GSSTFR 是指气 液 固滴流流动反应系统 CO 和 H2 在催化剂的作用下 在此系统内进行反应合成甲醇 该甲醇马上被固 态粉状吸附剂所吸附 并滴流带出反应系统 RSIPR 是级间产品脱出反应系统 当以吸附气态甲醇的粉状吸附剂流入该系统时 与该系统内的液相四甘醇二甲 醚进行交换 气态的甲醇被液相所吸附 然后再将四甘醇二甲醚中的甲醇分离 出来 这样合成甲醇反应不断向右进行 CO 的单程转化率可达 100 气相反 应物不循环 这项新工艺仍处在研究之中 尚未投入工业生产 还有许多技术 问题需要解决和完善 2 本设计选择的合成路线 本设计选择的是 Lurgi 低压甲醇合成工艺 该工艺方法是现在国际上最 成熟的两种低压甲醇合成技术 即英国的 ICI 法和德国的 Lurgi 法 Lurgi 合 成方法相对于 ICI 法 合成效率要高 而且对原料的使用率也很高 而且德国 人踏实和朴素的作风使的该方法稳定性和能量利用率也较 ICI 法优良 以下就 是对该合成方法的流程叙述 经过净化的原料气 经预热加压 于 5 Mpa 220 下 从上到下出口 温度为 250 左右 甲醇 7 左右 因此 原料气必须循环 则合成工序配置 河南城建学院毕业设计 正文 7 合成 塔 水冷 器 甲醇 分离 塔 循环 器 原则为图 2 1 A 甲醇的合成 甲醇的合成是可逆放热反应 为使反应达到较高的转化率 应迅速移走反 应热 本设计采用 Lurgi 管壳式反应器 管程走反应气 壳程走 4MPa 的沸腾 水 粗甲醇 驰放气 图 2 1 合成工序配置原则 B 甲醇的分离 甲醇在高压下容易冷凝 基于这个原理 甲醇的分离采用冷凝分离法 高 压下与液相甲醇呈平衡的气相甲醇含量随温度降低 压力增加而下降 表 2 1 为不同温度下气相甲醇的饱和含量 表 2 1 5MPa 下不同温度气相甲醇的饱和含量 mol T 0102030 Y mol 0 2860 4450 6730 990 由表 2 1 可见 通过水冷 水冷后气体温度为 30 左右 可以使气相 甲醇含量下降到 0 99 5 MPa 补充新鲜气后可使这一值下降到 0 5 以下 故分离甲醇只要水冷已足够 不需要氨冷 水冷后设分离器 并定期将冷凝下 来的甲醇排入粗甲醇贮槽 C 气体的循环 河南城建学院毕业设计 正文 8 气体在合成系统内的循环是依靠联合压缩机提供动力以克服流动阻力 D 新鲜气的补充和惰性气的排放 新鲜气在粗甲醇分离后补充 一般在联合压缩机出口处加入 在合成过程中 未反应的惰性气体累集在系统中 需要进行排放 该气体 一般在压缩机前 甲醇分离器后排放 甲醇合成的工艺流程 如图 2 3 这个流程是德国 Lurgi 公司开发的甲醇合成工艺 流程采用管壳式反应器 催化剂装在管内 反应热由管间沸腾水放走 并副产高压蒸汽 甲醇合成原料 在离心式透平压缩机内加压到 5 2 MPa 以 1 5 的比例混合 循环 混合气体 在进反应器前先与反应后气体换热 升温到 220 左右 然后进入管壳式反应 器反应 反应热传给壳程中的水 产生的蒸汽进入汽包 出塔气温度约为 250 含甲醇 7 左右 经过换热冷却到 40 冷凝的粗甲醇经分离器分离 分 离粗甲醇后的气体适当放空 控制系统中的惰性气体含量 这部分空气作为燃 料 大部分气体进入透平压缩机加压返回合成塔 合成塔副产的蒸汽及外部补 充的高压蒸汽一起进入过热器加热到 50 带动透平压缩机 透平后的低压 河南城建学院毕业设计 正文 9 蒸汽作为甲醇精馏工段所需热源 1 41 4 合成甲醇的目的和意义合成甲醇的目的和意义 甲醇是极为重要的有机化工原料 在化工 医药 轻工 纺织及运输等 行业都有广泛的应用 其衍生物产品发展前景广阔 目前甲醇的深加工产品已 达 120 多种 我国以甲醇为原料的一次加工产品已有近 30 种 在化工生产中 甲醇可用于制造甲醛 醋酸 氯甲烷 甲胺 甲基叔丁基醚 MTBE 聚乙烯 醇 PVA 硫酸二甲酯 对苯二甲酸二甲酯 DMT 二甲醚 丙烯酸甲酯 甲基丙烯酸甲醇等 以甲醇为中间体的煤基化学品深加工产业 从甲醇出发生产煤基化学品是 未来 C1 化工发展的重要方向 比如神华集团发展以甲醇为中间体的煤基化学 品深加工 利用先进成熟技术 发展 甲醇 醋酸及其衍生物 利用国外开 发成功的 MTO 或 MTP 先进技术 发展 甲醇 烯烃及衍生物 的 2 大系列 作为替代燃料 近几年 汽车工业在我国获得了飞速发展 随之带来能源 供应问题 石油作为及其重要的能源储量是有限的 而甲醇燃料以其安全 廉 价 燃烧充分 利用率高 环保的众多优点 替代汽油已经成为车用燃料的发 展方向之一 我国政府已充分认识到发展车用替代燃料的重要性 并开展了这 方面的工作 随着 C1 化工的发展 由甲醇为原料合成乙二醇 乙醛和乙醇等工艺正日益 受到重视 甲醇作为重要原料在敌百虫 甲基对硫磷和多菌灵等农药生产中 在医药 染料 塑料和合成纤维等工业中都有着重要的地位 甲醇还可经生物 发酵生成甲醇蛋白 用作饲料添加剂 有着广阔的应用前景 河南城建学院毕业设计 正文 10 2 2精甲醇的生产工艺计算精甲醇的生产工艺计算 工艺计算作为化工工艺设计 工艺管道 设备的选择及生产管理 工艺条 件选择的主要依据 对平衡原料 产品质量 选择最佳工艺条件 确定操作控 制指标 合理利用生产的废料 废气 废热都有重要作用 2 12 1 甲醇生产的物料平衡计算甲醇生产的物料平衡计算 2 1 12 1 1 合成塔物料平衡计算合成塔物料平衡计算 已知 年产 100 000 吨精甲醇 每年以 300 个工作日计 精甲醇中甲醇含量 wt 99 95 粗甲醇组成 wt Lurgi 低压合成工艺 甲醇 93 89 轻组分 以二甲醚 CH3 2O 计 0 188 重组分 以异丁醇 C4H9OH 计 0 026 水 5 896 所以 时产精甲醇 Kg h89 13888 24300 1000100000 时产粗甲醇 Kg h33 14785 89 93 95 9989 13888 根据粗甲醇组分 算得各组分的生成量为 甲 醇 13881 95 Kg h 433 81 kmol h 9717 36Nm3 h 二甲醚 27 80 Kg h 0 6043 kmol h 13 54 Nm3 h 异丁醇 3 84 Kg h 0 0523 kmol h 1 1700 Nm3 h 河南城建学院毕业设计 正文 11 水 874 74 Kg h 48 43 kmol h 1084 83 Nm3 h 合成甲醇的化学反应为 主反应 CO 2H2CH3OH 102 37 KJ mol 副反应 2CO 4H2 CH3 2O H2O 200 39 KJ mol CO 3H2CH4 H2O 115 69 KJ mol 4CO 8H2C4H9OH 3H2O 49 62 KJ mol CO2 H2CO H2O 42 92 KJ mol 生产中 测得每生产 1 吨粗甲醇生成甲烷 7 56 Nm3 即 0 34 kmol 故 CH4 每小时生成量为 7 56 14 7853 111 78 Nm3 即 4 99 kmol h 79 8408Kg h 忽略原料气带入份 根据 得反应 生成的水的量为 48 43 0 6043 0 0523 3 4 99 42 6788 kmol h 即在 CO 逆变换中生成的 H2O 为 42 6788 kmol h 即 956 01 Nm3 h 5 06 MPa 40 时各组分在甲醇中的溶解度列表于表 4 1 表 4 1 5 06Mpa 40 时气体在甲醇中的溶解度 组分H2COCO2N2ArCH4 Nm3 t 甲醇00 6823 4160 3410 3580 682 溶解度 Nm3 h01 0085 5010 5040 5291 008 据测定 35 时液态甲醇中释放 CO CO2 H2等混合气中每 m3含 37 14 g 甲醇 假定溶解气全部释放 则甲醇扩散损失为 1 008 5 501 0 504 0 529 1 008 0 301 kg h 1000 14 37 即 0 0094kmol h 0 211 Nm3 h 根据以上计算 则粗甲醇生产消耗量及生产量及组成列表 4 2 河南城建学院毕业设计 正文 12 表 4 2 甲醇生产消耗和生成物量及组成 消耗物料量生成物料量合 计消 耗 方 式 单 位 COH2CO2N2CH4CH3OHC4H9OH CH3 2OH2O消耗生成 kmol433 81867 62433 81 式Nm39717 344019434 699717 34429156 03209717 344 kmol0 302150 1510750 60430 6043 式Nm36 768153 384113 536313 536320 304527 0726 kmol4 9914 974 994 99 式Nm3111 7760335 3280111 776 0 111 7760447 1040223 5520 kmol0 20920 41840 05230 1569 式Nm34 68619 37221 17153 514614 05824 6861 kmol42 678842 678842 678842 6788 式Nm3956 01956 01956 01956 01956 01956 01 气 体 溶 解 Nm31 00805 0510 5041 0087 571 河南城建学院毕业设计 正文 13 扩 散 损 失 Nm30 21100 4220 2110 6330 211 合 计 Nm38885 779220738 7822956 43200 504110 768 0 9717 55501 171513 53621084 660930581 497510927 6916 消 耗 组 成 v 29 05667 8153 130 002 生 成 质 量 kg13881 923 870227 7890871 603014785 1912 生 成 组 成 wt 93 830 0260 1885 902100 设新鲜气量为 G新鲜气 驰放气为新鲜气的 9 1 表 4 3 驰放气组成 组分H2COCO2CH4N2ArCH3OHH2O Mol 79 316 293 504 793 192 300 610 01 G新鲜气 G消耗气 G驰放气 G消耗气 0 09 G新鲜气 30581 4975 0 09 G新鲜气 所以 G新鲜气 33606 0412 Nm3 h 新鲜气组成见表 4 4 表 4 4 甲醇合成新鲜气组成 河南城建学院毕业设计 正文 14 组分H2COCO2CH4N2Ar总计 Nm323161 28369093 79471115 720643 6879101 826392 752733606 0412 组成 mol 68 9227 063 320 1300 3030 276100 测得 甲醇合成塔出塔气中含甲醇 7 12 根椐表 4 2 表 4 4 设出塔气量为 G出塔 又知醇后气中含醇 0 61 所以 7 12 出塔 醇后 G G 61 0 3440 9717 G醇后 G新鲜 G醇 G副 G扩 GCH4 33606 0412 30581 497 111 7760 1 008 3137 3277Nm3 h 所以 G出塔 136748 3385Nm3 h G循环气 G出塔 G醇后 G生成 GCH4 G溶解 136748 3885 30468 7135 33606 0412 0 09 103255 0813 Nm3 h 甲醇生产循环气量及组成见表 4 5 表 4 5 甲醇生产循环气量及组成 组分COCO2H2N2CH4Ar 3 CH OHH2O合计 流量 Nm3 h 6469 7 4 3613 9 3 81891 6 0 3293 7 0 4945 7 1 2374 8 7 629 86 10 3 3 103255 08 13 组成 V 6 293 5079 313 194 792 300 610 01100 河南城建学院毕业设计 正文 15 G入塔 G循环气 G新鲜气 103255 0813 33606 0412 136861 1225 Nm3 h 由表 4 4 及表 4 5 得到表 4 6 表 4 6 甲醇生产入塔气流量及组成 单位 Nm3 h 组分COCO2H2N2CH4ArCH3OHH2O合计 流量 Nm3 h 15588 534729 65105052 883395 534989 402467 62629 8610 33136861 12 组成 V 11 4013 46076 7602 4803 6501 8060 4600 007100 又由 G出塔 G循环气 G消耗 G生成 据表 4 2 4 6 得表 4 7 表 4 7 组 分 COCO2H2N2CH4ArCH3OHH2OC4H9OH CH3 2O合计 入 塔 15588 534729 65105052 883395 534989 402467 62629 8610 33136861 1225 消 耗 8885 78956 4320738 780 50401 00811882 5820 生 成 111 77609717 55501084 66091 171513 536210928 70 出 塔 6702 753773 2284314 103395 02605100 16802467 6210347 421094 991 171513 5362116220 组 成 V 5 773 2572 552 924 392 128 900 940 00100 0100100 河南城建学院毕业设计 正文 16 甲醇分离器出口气体和液体产品的流量 组成见表 4 8 表 4 8 甲醇分离器出口气体组成 流量 单位 Nm3 h 组分COCO2H2N2CH4ArCH3OHC4H9OHCH3OHH2O合计 损失1 0085 05100 5041 0080 5290 2118 311 出气 6701 7 4 3768 1 690 84314 10 3394 5 220 5099 1 6 2467 0 910 629 64 90 106374 4310 组成 V 6 3003 48579 2623 1914 7942 3190 592100 出液 9717 7 710 1 1715 13 536 2 1084 6 609 10817 1 4 组成 mol 89 840 11100 125010 13100 重量 kg 13881 92 2 580018 532 871 60 3 14774 6 4 组成 wt 93 960 01400 12505 90100 甲醇驰放气流量及组成见表 4 9 表 4 9 甲醇驰放气流量及组成 组成COCO2H2CH4ArCH3OHH2O合计 流量 Nm3 h 190 27105 882399 13144 9069 5818 45微3024 55 组成 V 6 293 5379 324 782 310 61100 粗甲醇贮罐气流量及组成风表 4 10 河南城建学院毕业设计 正文 17 表 4 10 贮罐气组成 流量 组成COCO2H2CH4ArCH3OHN2合计 流量 Nm3 h 1 0085 05101 0080 5290 2110 5048 311 组成 V 12 12960 774012 1296 3652 5396 064100 由表 4 2 到表 4 10 可得表 4 11 表4 11 甲醇生产物料平衡汇总表 新鲜气循环气入塔气出塔气醇后气 流量组成流量组成流量组成流量组成流量组成组分 Nm3 v Nm3 v Nm3 v Nm3 v Nm3 v CO9093 794727 0615588 5311 406494 746 296702 755 776701 746 30 CO21115 720633 324729 653 463613 933 503773 223 253768 16903 4850 H223161 283668 92105052 8876 7681891 6079 3184314 1072 5584314 1079 2620 N2101 82360 3033395 531 803293 703 103395 02602 923394 52203 1910 Ar92 75270 2762467 623 652374 872 302467 622 122467 09102 1390 CH443 68790 1304989 402 484945 714 795100 16804 39629 64904 794 CH3OH629 860 46629 860 6110347 428 900 5920 C4H9OH1 17150 001 CH3 2O13 53620 01 H2O10 330 007011 270 011094 990 94微量 合计33606 0412100136853 47100103255 0813100116220100106374 4310100 河南城建学院毕业设计 正文 18 甲 醇 合 成 塔 分 离 器 贮 罐 冷 凝 根椐计算结果 可画出甲醇生产物流图 如 图 4 1 甲醇生产物流图 1 新鲜气 3 循环气 2 入塔气 6 驰放气 5 醇后气 4 出塔气 7 粗甲醇 2 1 22 1 2 粗甲醇精馏的物料平衡计算粗甲醇精馏的物料平衡计算 1 预塔的物料平衡 1 进料 A 粗甲醇 14785 33kg h 根据以上计算列表 4 12 表 4 12 组分甲醇二甲醚异丁醇水合计 流量 kg h13881 9527 803 84871 7414785 33 组成 wt 93 8930 1880 0260 896100 B 碱液 据资料 碱液浓度为 8 时 每吨粗甲醇消耗 0 1 kg 的 NaOH 则 消耗纯 NaOH 0 1 13 881951 3882kg h 换成 8 为 17 3530kg h 8 1 3882 C 软水 据资料记载 软水加入量为精甲醇的 20 计 则需补加软水 13881 95 20 17 3530 1 8 2760 43 kg h 据以上计算列表 4 13 表 4 13 预塔进料及组成 河南城建学院毕业设计 正文 19 物料量 kg hCH3OHH2ONaOH CH3 2OC4H9OH合计 粗甲醇13881 95871 7427 803 8414785 33 碱液15 971 388217 3852 软水2760 432760 43 合计13881 953648 141 388227 803 8417563 12 2 出料 A 塔 底 甲 醇 13881 95 kg h B 塔底水 粗甲醇含水 871 748 kg h 碱液带水 15 97 kg h 补加软水 2760 43 kg h 合计 3648 14 kg h C 塔底异丁醇及高沸物 3 84 kg h D 塔顶二甲醚及低沸物 27 80kg h 由以上计算列表 4 14 表 4 14 预塔出料流量及组成 物料量 kg h CH3OHH2ONaOH CH3 2OC4H9OH合计 塔顶27 8027 80 塔底13881 953648 141 38823 8417535 32 合计13881 953648 141 388227 803 8417563 12 2 主塔的物料平衡计算 1 进料 加压塔 预后粗甲醇 17535 32kg h 常压塔 17535 32 13881 95 2 3 8280 6870kg h 2 出料 加压塔和常压塔的采出量之比为 2 1 常压塔釜液含甲醇 1 河南城建学院毕业设计 正文 20 预精 馏塔 加压 精馏 塔 常压 精馏 塔 A 加压塔 塔顶 13881 95 2 3 9254 6330kg h 塔釜 8280 6870kg h B 常压塔 塔顶 13881 95 1 3 99 4581 0440 kg h 塔釜 甲醇 水 NaOH 高沸物 kg h 46 3 3648 14 1 3882 3 84 总出料 由以上计算 得表 4 15 甲醇精馏塔物料平衡汇总表 单位 kg h 9254 6330 3648 14 1 3882 3 84 4581 0440 46 30 17535 35 得表 4 15 甲醇精馏塔物料平衡汇总 物料物料加压塔顶出料常压塔顶出料常压塔釜出料合计 甲醇13881 959254 6334581 04446 3013881 95 NaOH1 38821 38824 037 水3648 143648 143648 14 高沸物3 843 843 84 合计17535 329254 63304581 04403699 6717535 32 根椐计算结果可画出粗甲精馏物流图 见图 4 2 4 预塔顶出料 6 加压塔顶出料 7 常压塔顶出料 1 粗甲醇 2 软水 3 碱液 5 预塔底出料 8 常压塔釜出料 图 4 2 粗甲醇精馏物流图 河南城建学院毕业设计 正文 21 2 22 2 甲醇生产的能量平衡计算甲醇生产的能量平衡计算 2 2 1 合成塔能量计算 已知 合成塔入塔气为 220 出塔气为 250 热损失以 5 计 壳层走 4MPa 的沸水 查 化工工艺设计手册 得 4 MPa 下水的气化潜热为 409 7 kmol kg 即 1715 00 kJ kg 密度 799 0 kg m3 水蒸气密度为 19 18 kg m3 温度为 250 入塔气热容见 4 16 表 4 16 5MPa 220 下入塔气除 CH3OH 热容 组分COCO2H2N2ArCH4合计 流量 Nm3 15588 534729 65105052 883395 532467 624989 40136223 61 比热 kJ kmol 30 1545 9529 3430 3521 4147 05 热量 kJ 20981 899702 12137600 524600 642358 5610479 97185723 70 查得 220 时甲醇的焓值为 42248 46 kJ kmol 流量为 629 86 Nm3 所以 Q入 42248 46 185723 70 220 4 22 629 86 42047187 88 kJ 出塔气热容除 CH3OH 见表 4 17 表 4 17 5MPa 250 下出塔气除 CH3OH 热容 河南城建学院毕业设计 正文 22 组分COCO2H2N2ArCH4C4H9OH CH3 2OH2O合计 流量 Nm3 6702 753773 2284314 103395 02602467 625100 16801 171513 53621094 99105872 58 比热 kJ kmol 30 1346 5829 3930 4121 3648 39170 9795 8583 49 热量 kJ 9015 807846 28110624 624609 052353 0511017 738 9557 944081 28149614 70 查得 250 时甲醇的焓值为 46883 2 kJ kmol 流量为 10347 42 Nm3 所以 Q出 46883 2 149614 7 250 21657150 06 37403675 4 22 10347 42 59060825 06 kJ 由反应式得 Q反应 102 37 200 39 115 69 4 22 9717 5550 4 22 13 5362 4 22 111 7760 49 62 42 92 1000 4 22 1 1715 4 22 956 01 44410 10 121 10 577 29 2 60 1831 78 1000 43279310 kJ Q热损失 Q入 Q反应 5 42047187 88 59060825 06 5 5055400 6470 kJ 所以 壳程热水带走热量 Q传 Q入 Q反应 Q出 Q热 42047187 88 43279130 59060825 06 5055400 6470 21210272 17 kJ 又 Q传 G热水r热水 所以 G热水 12367 58 kg h 99 1714 721210272 1 即时产蒸气 644 82m3 18 19 12367 58 河南城建学院毕业设计 正文 23 2 2 22 2 2 常压精馏塔能量衡算常压精馏塔能量衡算 Xf 0 417 02 18 14 3648 32 46 304581 0440 32 46 304581 0440 查 化工工艺设计手册 甲醇露点温度 t 74 81 75 操作条件 塔顶 75 塔釜 105 进料温度 124 回流液温度 40 取回流液与进料的比例为 4 1 常压塔物流图见图 4 5 带入热量见表 4 18 表 4 18 常压塔入热 物料进 料回流液加热蒸汽 组分甲醇水 碱甲醇 流量 kg h4627 34403648 1433122 748 温度 12412440 比热 kJ kg 3 874 262 68 热量 kg h2220569 83901927093 47403550758 586Q加热 Q入 Q进料 Q回流液 Q加热 2220569 8390 1927093 4740 3550758 5860 Q加热 7698421 8980 Q加热 带出热量见表 4 19 表 4 19 常压塔物料带出热量 物料精甲醇回流液残液热损失 组分甲醇甲醇甲醇水 碱 流量 kg h4581 044033122 748046 303648 14 河南城建学院毕业设计 正文 24 常 压 精 馏 塔 温度 7575105105 比热 kJ kg 2 682 683 504 187 潜热 kJ kg1046 751046 75 热量 kg h6189689 5842262970 3517015 251603850 035 Q入 所以 Q出 6189689 58 42262970 35 17015 25 1603850 03 5 Q入 50073525 21 5 Q入 因为 Q出 Q入 所以 Q入 Q出 52708973 91kJ h 所以 Q蒸汽 45010546 01kJ h 已知水蒸气的汽化热为 2118 6 kJ kg 所以 需蒸汽 G3 蒸汽 21245 42 kg h 45010546 01 2118 6 甲醇蒸汽 75 40 水 回流甲醇 加压塔底液体 40 30 水 120 甲醇蒸汽 40 115 精甲醇 冷凝液 残液 105 甲醇 115 图 4 3 常压塔物流图 冷却水用量计算 对热流体 Q入 Q产品精甲醇 Q回流液 48452659 93kJ h Q出 Q精甲醇 液 Q回流液 液 河南城建学院毕业设计 正文 25 4581 044040 2 68 3550758 59 4041846 5020kJ h Q传 48452659 93 1 5 4041846 5020 41988180 43kJ h 所以 冷却水用量 G3 水 1002 82t水 h 1000187 4 3040 341988180 4 所以 每吨精甲醇消耗 G 3 水 72 25t水 t精甲醇 13 88 1002 82 常压塔精馏段热量平衡见表 4 20 表 4 20 精馏段热量平衡表 带入热量 kJ h带出热量 kJ h 加压塔来的甲醇 2220569 8390采出热量精甲醇 6189689 58 塔底供热 44135924 87 内回流 g内 672 68 内回流 g内 672 68 1046 75 总入热 46356494 71 179 56g内总出热 6189689 58 1226 31g内 所以 总入热 总出热 所以 46356494 71 179 56g内 6189689 58 1226 31g内 所以 g内 38372 87 kg h 常压塔提馏段热量平衡见表 4 21 表 4 21 提馏段热量平衡表 带入热量 kJ h带出热量 kJ h 加压塔来的甲醇 1927093 474残液 1620865 28 塔底供热 44135924 87 内回流 g 内 672 68 内回流 g 内 672 68 1046 75 总入热 46063018 34 179 56 g 内总出热 1620865 28 1226 31g 内 因为 Q总入热 Q总出热 即 46063018 34 179 56 g 内 1620865 28 1226 31g 内 所以 g 内 42457 28kg h 河南城建学院毕业设计 正文 26 河南城建学院毕业设计 正文 27 3 3 主要设备计算及选型主要设备计算及选型 设备是化工工艺运作的载体 选择合适的设备 对于提高生产率 降低原 料 能是的消耗有着重要的作用 3 1 合成系统的设备选型 3 1 1 甲醇合成反应器 甲醇合成反应器是甲醇合成生产的核心设备 由于合成反应为可逆放热反 应 故要求反应器设计能迅速移走反应热 本设计选用 Lurgi 管壳型反应器 3 1 2 出塔气冷凝器 出塔气中含甲醇 7 15 加其它未反应气体 通过冷凝器可使出塔气中大部 分甲醇和其它产物冷凝下来 以利分离 一般有喷淋式和壳管式 由设计采用 管壳式冷凝器 3 1 3 甲醇分离器 甲醇分离器的作用是将经过冷凝器冷凝下来的液体甲醇和未反应气体进行 气液分离 分离出的甲醇在液面控制下在分离器底部减压送粗甲醇贮槽 3 1 4 粗甲醇贮槽 贮槽的工作压力为 0 6 MPa 液体以 5 MPa 减压后 溶于粗甲醇中的气体释 放出来 以贮罐气的形式在压力控制下经气体排出口排出 贮槽液体出口管上 装有液体控制装置 河南城建学院毕业设计 正文 28 3 1 5 压缩机 压缩机的任务是把合成塔来反应的气体送回甲醇合成塔 其动力由高压蒸 汽透平提供 3 2 精馏系统设备选型及计算 精馏工段只有三个塔 即预精馏塔 加压精馏塔 常压塔 这里只对常压 塔进行计算 3 2 1 常压塔冷凝器 根据处理水量 操作压力及温度 本设计采用变频蒸发式空冷器 型号为 BZKL 10J 变频蒸发式空冷器具有结构紧凑 安全可靠 运转功率小 运行成 本低 节水节电 噪声小 不污染环境 防腐能力强 使用寿命长 安装方便 快捷 操作维护简单等特点 是目前最为理想的节能环保型冷却换热设备之一 3 2 2 常压精馏塔计算 条件 精甲醇质量 精甲醇含醇 99 95 wt 残液含醇 1 wt 操作条件 塔顶压力 0 01 106 Pa 塔底压力 0 13 106 Pa 塔顶温度 67 塔底温度 105 回流液温度 40 进料温度 124 精馏段 平均温度 124 67 95 5 2 1 平均压力 99 6 KPa 河南城建学院毕业设计 正文 29 表 5 1 精馏段物料流率 物料质量流量 kg h分子量 kg kmol摩尔流量 kmol h 内回流38372 87321199 15 标准状况下的体积 V0 1199 15 22 4 26861 01 Nm3 h 操作状况下的体积 V1 26861 01 273 5 95273 63 6 10101 0 10 6 99 10101 0 18255 25m3 h 气体负荷 Vn 5 071 m3 s 3600 18255 25 气体密度 2 102 kg m3 n 18255 25 38372 87 查 化工工艺设计手册 95 5 时甲醇的密度 721 kg m3 n 液体负荷 Ln 0 01478 7213600 38372 87 提馏段 平均温度 105 124 114 5 2 1 入料压力 0 13 106 0 01 106 89 6 kPa 75 1975 平均压力 89 6 103 0 13 106 109 8 kPa 2 1 表 5 2 提馏段内回流量 物料质量流量 kg h分子量 kg kmol摩尔流量 kmol h 内