【《68万吨年产量的煤制甲醇合成工艺设计》15000字】

68万吨年产量的煤制甲醇合成工艺设计目录TOC\o"1-3"\h\u280261.绪论 3142221.1甲醇的概述 3219601.2甲醇的性质 4313381.2.1物理性质 4288031.2.2化学性质 4318461.3甲醇的用途 5326781.4甲醇的生产方法 5278721.4.1甲醇的工业化生产方法 6156661.4.2甲醇合成的基本工序 7198181.4.3粗甲醇的精制 14321691.5煤制甲醇的发展进程 16237882.甲醇设计任务 17304783.物料衡算及热量衡算 18105163.1甲醇合成工段物料衡算 18228323.1.1粗甲醇中各组分的生成量 18245783.1.2合成气体的消耗和生成量 1923183.1.3新鲜气(合成气)和弛放气气量的计算 2132143.1.4循环气气量的计算 2283413.1.5入塔气和出塔气的组成 24311383.1.6分离器出口气体的组成 2674253.1.7贮罐气的组成 2875483.2甲醇合成工段热量衡算 29147703.2.1合成塔热量衡算相关计算式 29132633.2.2合成塔热量计算 3087493.2.3入塔气换热器的热量衡算 3397563.2.4水冷器的热量衡算 34157793.2.5甲醇分离器的热量衡算 3671074．甲醇合成塔的设计选型 36100394.1催化剂的用量 3660344.2塔体的设计 37168464.3辅助设备的设计选型 41304334.3.1原料气进塔换热器的设计选型 4128834.3.2水冷器的设计 4316614.3.3汽包的选型 45128334.3.4分离器的设计 46173874.3.5合成气压缩机选型 46190355.甲醇精馏塔的相关计算 46219665.1塔型的选择 4683475.2甲醇精馏塔的物料衡算 46236695.3精馏塔塔板数的计算 49269015.4板结构的工艺设计 529865.4.1塔板间距H 52117905.4.2塔径的计算 53190985.5塔体的总高度和内部件设计 57172645.5.1溢流堰的设计 57198865.5.2塔板分布及浮阀塔选型 58287075.5.3浮阀数目及排列 5899655.6精馏塔的水力学计算 59171525.6.1气相通过浮阀塔的压降Hp 5973305.6.2淹塔 60308785.6.3塔板间距HT的校核 6047865.6.4降液管内液体停留时间的校核 61164595.7负荷性能图的计算 61292335.8精馏塔的主要尺寸确定 63250595.8.1塔厚的确定 6387835.8.2封头的选择 6449785.8.3塔的顶部空间高度 64179275.8.4塔的底部空间高度 6412095.8.5精馏塔内部的高度 64194535.8.6裙座的设计 6561645.8.7全塔的高度 6526526.设计结果汇总 65151836.1甲醇合成工段主要设备一览表 65119716.2设计计算符号说明 67103516.3精馏工段工艺计算汇总 68190737.结论 69摘要此次设计主要是采用固体燃料煤作为原料工业制甲醇的工艺设计，首先结合甲醇的基本物性特征，确定了工业生产甲醇的工艺路线以及工艺流程，通过对一系列的工艺进行比较与抉择，最终选择用德国某公司开发的操作压力较低的低压法工业合成甲醇。工业合成甲醇过程最终得到的精甲醇的纯度与工业反应过程中的控制参数有着不可分割的关系，分别有反应温度、压力的大小、反应器内部的空速大小以及反应过程中所用的催化剂的种类与用量等。工艺设计计算部分主要对合成甲醇过程中的物料以及所需的热量进行了较为详细的计算，对反应所需要用到的各个反应器分别详细核算了煤制甲醇合成工段和粗甲醇精馏工段的相关计算，根据一系列的计算确定了合成塔与精馏塔的塔径和塔高；其次根据计算得到的数据选择了恰当的合成塔和精馏塔的型号。并且绘制了关于煤制甲醇工艺设计的带控制点的工艺流程图，根据核算出来的数据绘制了关于煤制甲醇合成的主设备图。最后对煤工业制甲醇工业设计进行了展望。关键词：甲醇；合成；精馏；工艺设计1.绪论1.1甲醇的概述，一种运用广泛的有机化学品，是相对分子量最小的饱和一元醇。它最早由木材加工所得到的，俗称木醇、木精。用60~80kg的木材分解反应制得的甲醇产量极低。紧接着到了1923年，德国的两位科学家用一氧化碳和氢气在高压条件下，用锌和铬这两种金属作为反应所需的催化剂来合成甲醇，与此同时，甲醇的工业化生产逐渐实现。1.2甲醇的性质1.2.1物理性质汇总如下表：表1.1物理性质1.2.2化学性质甲醇不具有酸的特性，分子式为，它含有一个碱性极其微弱的，并且此没有碱性的特点，对一些检验酸碱性的试剂都显示中性。(1)碱金属钠能够取代甲醇分子中的氢原子，从而生成甲醇钠；(2)在催化剂金属银的催化条件下甲醇能够发生氧化反应得到甲醛，俗称福尔马林；(3)甲醇在高温下脱水制得二甲醚；(4)在压力较高、温度较高、催化剂催化的条件下，甲醇和氨气反应生成甲胺；(5)甲醇与酸性物质作用时，分子中含有的会被取而代之，当酸性较强的无机酸和甲醇作用时，反应会更加的迅速；举例如下：(6)卤族元素形成的氢卤酸和甲醇作用，甲醇分子中的被取代，得到甲基卤化物；(7)在金属铑催化剂催化的条件下，气体与反应生成；(8)在某一特定的温度和压力条件下，甲醇分解得到一氧化碳和氢。1.3甲醇的用途绝大部分能够作为化工工业生产中的基础原料，可用于生产甲醛、农药、涂料、纤维以及国防工业生产当中。少部分甲醇被直接作为溶剂、燃料使用。关于甲醇的化工产品日益增长，在甲醇新产品的研发、精细化工领域以及被用作抑制剂、防冻剂等方面的应用也渐渐增多。相比于石油、天然气等燃料对环境造成的污染，醇类燃料作为清洁燃料的典型代表，甲醇作为燃料时最具有影响力。我国煤炭资源丰富，可以利用其作为原料来制取醇类燃料，以此制得的醇类燃料能够提高煤炭的利用率，提高能源的等级，这将会是我国经济发展上的一项具有可行性的决策。20世纪80年代初期，我国车用的醇类燃料兴起，这种燃料产生的汽车尾气对环境的污染减轻，将有利于改善大气污染。实验室使用的酒精喷灯在最开始的时候也是采用甲醇燃料作为火源来使用的。民用甲醇燃料可以用于厨房灶具、卫生间热水器等，能够有效减少环境污染，并且节约能源。1.4甲醇的生产方法截至目前形成工业规模，能够制取甲醇的方法由三种。如下：(1)水解法：在常压下进行，方法简单，指标较好；缺点是速度缓慢，成本较高，目前工业上已被淘汰。(2)部分氧化法：这个方法所采用的工艺比较简捷，成本较低，主要优势是能够将通过转化得到。但该方法也存在一些缺陷，该方法在操作过程中较难控制，它会在部分氧化程度高的时候转化成碳水化合物，另一方面使原料和产品受到损耗，将导致产品的总收率降低，最终工业化水平降低。(3)、催化加氢法：该反应所用到的催化剂主要有两种，分别是锌铬催化剂、铜基催化剂，在催化剂存在、适宜的温度、合适的压力条件下发生。和的用量比例是根据具体的工艺条件选择的，例如，和作用只生成，而和作用得到需要多消耗一个分子，并且会多得到一个水分子。1.4.1甲醇的工业化生产方法当今世界上由一氧化碳和氢气为原料生产甲醇的技术方法主要有三种，分别是高压法、低压法、中压法。下面将进行一一介绍：1.4.1.1高压法作为工业生产中最先生产甲醇的方法，它是20世纪20年代左右由德国一个化学公司开发并应用的。在压力为，温度为，以作为催化剂工业合成甲醇，该方法一直延用50年左右，直至20世纪60年代中期。化学工业出现了合成原料气中不含硫的应用，该工艺使用活性较高的催化剂参与反应，使得甲醇合成的工艺条件得到改善，从而达到提高最终甲醇产率的目的。1.4.1.2低压法20世纪60年代英国的ICI公司开发了用压力极低的方法工业合成甲醇，被称作ICI低压生产甲醇的工艺，这将会是工业生产甲醇工艺的一个里程碑。当压力为，温度为，以的氧化物作为催化剂工业合成甲醇，该方法得到的甲醇产率较高。由于反应压力较低，所需要的反应设备相比于高压法要简单，投资成本低，能量消耗也降低了25%左右。基于此，本次工艺设计将选择低压法来工业生产甲醇。1.4.1.3中压法以低压法作为基础工业生产中出现了中压法生产甲醇，主要是以提高操作压力为纽带发展了中压法。在实际生产中反应温度不变，与低压法相同，反应压力将在低压法压力的基础上增加了左右，导致反应过程中动力消耗也稍作增加。反应过程中所需的催化剂将采用活性较高的铜系催化剂作为反应条件来提高反应的速率。1.4.2甲醇合成的基本工序煤制甲醇，首先由固体燃料煤气化制得的合成气也叫做原料气，再由合成气合成得到甲醇，此方案已经得到了工业化生产。这种生产路线可以大致分为五个步骤，下面将进行详细的叙述。1.4.2.1合成甲醇原料气的制备工业生产甲醇的原料来源较为复杂，目前工业生产当中已形成了固液气并存的局势。其中固体燃料分别有煤、焦炭等；液体燃料分别有石脑油、重油、烃类等；气体燃料分别有天然气、瓦斯气、焦炉气等。如何选择反应原料来工业生产甲醇与多方面的原因都有关，大概有原料的存储方式、成本，原料生产地理位置的选择，成本的高底和生产技术的水平等一系列原因有关。国外工业上生产甲醇大都采用天然气作为原料气，而我国目前大部分采用固体燃料煤作为原料生产甲醇。甲醇由一氧化碳、二氧化碳和氢气在一定的压力、温度、催化剂条件下反应得到的。根据以上的反应条件，来确定合成甲醇原料气的特定要求。首先，将和的用量合理控制，为了提高催化剂的反应活性以及提高在催化剂表面合成甲醇的速率，应当在合成气中保留一定量的气体。以固体燃料煤作为原料所制得的原料合成气中的含量较少，因此首先应该设置变换过程使得过量的气体变换为，其次设置除碳的过程将过量的气体除去。而在实际工业生产当中，所需合理的氢碳比例会比化学计量比高一些，以此来保证的含量稍高。第一，过量的存在可以减少醇类和其他物质的生成，第二，它的存在可以使催化剂的寿命更加持久。最后，应当清除原料气中的有害杂质，净化气体。不仅如此，所有制备合成甲醇原料气的过程中，合成原料气必须首先经过净化的过程，来除去合成原料气中的粉尘、卤化物、含硫化合物、氨气以及液体油水等杂质。其中最该除干净的杂质是含硫化合物，因为它具有一定的毒性，能够使生产过程中反应设备受到腐蚀，造成催化剂的中毒，使得到的粗甲醇产品的质量下降。1.4.2.2合成甲醇原料气的净化合成原料气中含硫化合物的存在对于甲醇的合成是存在极大威胁的，含硫化合物大致有：、、硫醇、硫醚、等。因此，脱硫过程是贯穿于生产甲醇的全部工艺过程当中的，它也备受人们的关注。以煤作为原料制得的原料气，应该先经过一次湿法脱硫步骤，再经过变换工序，接着再来二次湿法脱硫，然后经过脱碳的步骤，最后进行干法三次精制脱硫，使原料气中的硫含量降低至0.01%，最终将净化后的原料气通入甲醇合成工序中。（1）脱硫脱硫分为湿法和干法脱硫两种。下面进行一一叙述：首先，合成原料气中的含硫化合物能够用某种溶液除去的方法叫做湿法脱硫。它有物理、化学吸收法以及氧化法三种方式。该方法经常用于合成原料气中含有大量无机硫元素的情况。它的优点有设备容量较小，操作过程可以连续，投资成本较低，脱硫剂为液体，便于管道输送，工业生产过程中普遍应用。当原料气净化程度比较高的时候，在湿法脱硫步骤结束后接着进行干法脱硫，经过多次脱硫转换，使脱硫在工业生产中以及经济上更为合理。其次，相比于湿法脱硫而言，干法脱硫所需用到的设备操作简单，但是设备体积较大，反应过程迟缓，硫元素的含量比较少，因此苏雅奥在各个设备之间来回操作，消耗的劳动力较多。该方法有法、炭吸附法、法等。该方法的优点是原料气中硫化氢含量较低时，能够达到较高得进化程度。工业生产中大都采用干法除去合成原料气中的有机硫化合物，而湿法脱硫用于除去无机硫化物，例如；炭吸附法、法能够同时除去有机硫化合物以及无机硫化合物杂质。（2）一氧化碳的变换合成甲醇原料气中的一氧化碳和氢气是有效成分，二者保持一定的比例，一部分过量的一氧化碳需要变换为氢气。在实际化学工业生产中使用催化剂提高变换的快慢，改变变换快慢的催化剂一般有低温、中温两种，其中低温催化剂用三者作为催化剂主体，体现催化剂活性的温度区间是，作为一种新型的催化剂，其优点有催化剂活性温度较低，易控制；缺点有催化剂在使用过程中容易发生烧结，且使用寿命较短。而中温催化剂是以、作为催化剂主体，体现催化剂活性温度的区间在之间，它根据催化剂组成分为系和系两类，系催化剂由于活性高，耐热性好，机械强度高，使用寿命长，成本较低，在实际工业生产中应用较广。在常压和加压条件下均可以进行的变换。实际工业生产中一般采用加压变换，一般在6~30atm之间，其优点有三，分别是：=1\*GB3①压力较大条件下能使气体体积减小，参加反应的反应物浓度增加，提高反应速率。因此可以减小设备的容积，催化剂用量也随之减小；=2\*GB3②压力较大的条件下进行变换能够节约压缩合成原料气的动力；=3\*GB3③甲醇的合成是在加压条件下进行的，气体早晚会经过压缩，从变换反应式可知，等号左边需要压缩一个气体，水蒸气在反应后续过程中加入，所以不会进行压缩。等号右边需要压缩两种气体()，由此可知，压缩合成原料气比压缩变换气更具有经济性。但不可否认的是，它也有缺点存在：对设备及管道的腐蚀较为严重，应该加强防腐蚀措施。（3）脱碳以固体燃料煤为生产原料制得的合成原料气中的气体的含量是超过标准含量的，导致氢碳比例过低对反应的发生不利。所以，过量的二氧化碳要除去，同时还可利用脱碳的方法除去气体中的硫化氢。工业上典型的脱除碳的方法有两种，分别是干法、湿法脱碳。其中被分为物理和化学吸收的叫做湿法脱碳；以分子间的作用力选择性吸收的方法为物理吸收，当合成原料气中的含量高于以及有机硫化合物和无机硫化合物含量稍高的时候选择物理吸收。物理吸收又分为四种，依次是水洗法、NHD法、低温水洗法以及碳酸丙烯酯法。低温水洗法能够除去碳元素，也可以除去硫元素，需要大量冷源辅助除去杂质，在实际化学工业生产中广泛使用；水洗法中一氧化碳和氢气的损失较大，并且需要消耗大量的动力；碳酸丙烯酯法脱碳过程中溶液会造成严重的腐蚀，液体损失较大；NHD法对二硫化碳、硫化氢等硫化物有较高的吸收能力，脱除二氧化碳和水，选择性吸收硫化氢，溶剂本身稳定不分解不反应，损耗较小，对设备腐蚀小，没有毒性，不污染环境，工业上被广泛采用。利用溶液在温度较高的条件下来吸收合成原料气中的气体的方法被称为化学吸收法。溶液吸收气体之后转化为，致使溶液中的pH值降低，活性下降，放出二氧化碳之后溶液又恢复吸收能力，再次循环使用。利用间隙较大的固体吸附剂在温度较低，压力较高的条件下对气体进行选择吸收其中含有的杂质气体，然后将吸附之后的气体经过降低压力或者提高温度的操作条件下进行解吸，高方法叫做干法除碳。干法除碳所使用的吸附剂使用期限较长，它克服了湿法脱碳的弊端，如溶剂的大量消耗，运行成本较低，因此被人们广泛采纳使用。1.4.2.3压缩工业生产甲醇的过程中除了有主要物料之外，还有辅助物料的存在，以及最终产品的生成。连续化的输送过程中，使用大量的流体机械设备(压缩机、泵)。输送气体所用到的机械设备为压缩机，输送气体用到的机械设备为泵。本次工业生产甲醇的工艺设计中，输送流体的设备主要有往复式、离心式压缩机以及液体输送设备离心泵。上一步工序中净化得到的气体经过压缩，到达合成甲醇所需的压力，而压力的大小则根据反应过程中的催化剂性能来决定。1.4.2.4甲醇的合成的合成在特定的温度、压力、催化剂等的操作条件下由气体和以一定的比例反应得到。由于反应中用到的催化剂不同导致生成甲醇的同时，还生成了众多的副产物，因此最终得到的产品是甲醇和水以及多种杂质的混合物。将转化工段制得的转化气(CO、CO2、H2)，在指定的温度和压力条件下反应得到中间产物粗甲醇。本次设计主要介绍低压法生产甲醇的工艺，它主要包括ICI低压法和Lurgi低压法两种，下面进行一一阐述。（1）ICI低压法甲醇合成工艺ICI低压法工业生产甲醇是甲醇生产工艺过程中的一次巨大的变革，是甲醇工业发展进程中的一个里程碑。该方法中使用的催化剂寿命较长，所合成的粗甲醇中含有的杂质量比高压法制得的粗甲醇中含有的杂质量低得多，最终精制过程较为容易。比较如下表：表1.1动力消耗比较图1-1低压法生产甲醇流程图1-原料气压缩机2、4-冷却器3、5-分离器6-循环气压缩机7-热交换器8-合成塔9-加热炉10-冷凝器11-分离器12-中间贮槽（2）Lurgi低压法甲醇合成工艺与ICI低压法生产甲醇相比，二者的区别在于甲醇合成塔的构造设计，ICI前者使用多段冷激式合成塔，而后者使用列管式合成塔。该方法的特点有：反应温度容易控制，催化剂床层的温度起伏不大，换热性能较好，副反应减少，动力消耗低；合理利用反应过程中放出的热量；最终得到的甲醇产率要高于ICI法的甲醇产率，生产成本低，操作费用少。图1-2Lurgi低压合成甲醇流程图1-循环机2-热交换器3-合成塔4-锅炉给水换热器5-水冷器6-分离器表1.2ICI法和Lurgi法生产甲醇工艺技术指标1.4.3粗甲醇的精制除去粗甲醇当中的各种杂质成分，得到符合质量标准的精制高纯度甲醇，叫做粗甲醇的精制过程。由于其中杂质成分的不同，相对应的精制方法也有多种。根据杂质组分的物化性质各不相同，将杂质分为有机杂质、水、还原性物质等。目前实际工业生产中经常采用双塔流程进行ICI低压法制得的甲醇精馏，以系催化剂制得的粗甲醇，所含杂质较少，经过双塔精馏过程即可获得精制甲醇。具体流程图如下所示：图1-3粗甲醇双塔精馏工艺流程图1-预精馏塔2-主精馏塔3-再沸器4-冷凝器5-回流槽6-液封7-换热器Lurgi法经过前面叙述的精制方法改进之后，由此方法精制得到的甲醇纯度较高的同时不会使产品的量得到损失，并且可以有效的分离出所含的各种杂质组分，使最终产生的热量合理利用。其工艺流程图如下:图1-4制备高纯度精甲醇三塔工艺流程图图1-5甲醇合成工段工艺流程图1.5煤制甲醇的发展进程我国作为很早就使用煤炭资源作为生产甲醇的原料的国家之一，生产甲醇的技术经过长时间的发展跨出了重要的一步。20世纪结束之后，由固体燃料煤工业生产甲醇的技术日益成熟，使得甲醇的需求量在世界上有效增长，这将导致传统生产甲醇的工艺技术满足不了现代实际工业的需求，因此渐渐的出现了新方法来生产甲醇的工艺技术来取代以前的传统方法。高压法在以前传统的甲醇生产中技术极为成熟，而低压法生产甲醇是在高压法的基础上发展起来的新技术，从目前工业上的各大化工厂实际情况来看，低压法将会日益成熟取代高压生产甲醇。通过一系列的调查，以下几个方面还需要更进一步的提高：首先是自动化生产方面的优化，提高自动化水平使用计算机来控制生产方式，能够使生产保持在最佳的工艺操作条件下进行；其次是反应所需催化剂的改善，在选择性、活性和寿命等方面的提高，由此可供选取更加经济的催化剂来参与反应过程；最后在甲醇精制方面，可以继续完善精馏的方式，比如可以通过改变精馏塔的结构、选取精馏效率高的塔板来提高产品的质量，节省动力消耗，节约成本。2.甲醇设计任务(1)设计的项目名称：煤制甲醇的合成工艺设计；(2)生产能力：年产68万吨煤制甲醇合成工艺设计；(3)产品要求：精甲醇中甲醇的含量（wt）为99.95%；(4)粗甲醇组成（wt）：甲醇：93.89%轻组分[以二甲醚计]：0.188%重组分[以异丁醇计]：0.026%水：5.896%(5)生产制度：年开工时按300天计算，实行每天三班8小时连续生产工作制。3.物料衡算及热量衡算3.1甲醇合成工段物料衡算每小时产得精甲醇量：每小时产得粗甲醇量：合成甲醇的化学反应：主反应：（1）副反应：（2）（3）（4）（5）3.1.1粗甲醇中各组分的生成量甲醇：二甲醚：异丁醇：水：在实际工业生产压力较低条件下，生产粗甲醇的同时也会生成(标准状况下)，也就是的。所以每小时生成的量为：。合成原料气中带入的水忽略不计，由反应（2）（3）（4）得到反应（5）的生成水量为：因此，在CO逆变换中生成的水为290.12kmol/h，即6498.688m3/h。在，的条件下：表3.1每吨粗甲醇中合成气溶解情况粗甲醇中溶解的气体量：根据一系列的测定所得，时液态甲醇放出的、、等混合气体中每立方米含有，溶解的气体全部释放后，则的扩散损失为：3.1.2合成气体的消耗和生成量弛放气组成如下：表3.2弛放气组成由合成过程的反应方程式和以上的计算得到合成反应中原料消耗情况如下表：表3.3合成反应中原料消耗情况注明：括号内是生成量合成反应中生成物的情况如下表：表3.4合成反应中生成物情况其他原料气消耗如下表：表3.5其他原料气消耗注明：是弛放气的量，m3/h3.1.3新鲜气(合成气)和弛放气气量的计算各个组分的消耗总量和新鲜原料气的进料量相等，等量关系如下：CO消耗量：H2消耗量：CO2消耗量：N2消耗量：Ar消耗量：CH4消耗量：合成气中的惰性气体的百分比保持在，随着反应的进行，惰性气体的量保持不变，因此：解得：，所以弛放气的量为：,由此可得：，弛放气组成如下表所示：表3.6弛放气的含量合成气组成如下：表3.7合成气组成及含量3.1.4循环气气量的计算出塔气量=新鲜气量+循环气量+主反应消耗气量+副反应消耗气量-主反应消耗气量-副反应消耗气量整理得到：合成塔中出塔甲醇的含量是，根据物料守恒有：解得：表3.8循环气的组成循环比：3.1.5入塔气和出塔气的组成入塔气各个组分组成含量：H2的组成含量：CO的组成含量：CO2的组成含量：N2的组成含量：Ar的组成含量：CH4的组成含量：CH3OH的组成含量：入塔气总量为：62474.782kmol/h，入塔气组成如下：表3.9入塔气组成出塔气的量=入塔气的量-反应消耗量+反应生成量出塔气中各个组分含量：CH3OH的含量：H2的含量：CO的含量：CO2的含量：N2的含量：Ar的含量：CH4的含量：H2O的含量：(CH3)2O的含量：C4H9OH的含量：出塔气总量为：。表3.10出塔气组成3.1.6分离器出口气体的组成分离器出口组分=弛放气组分+循环气组分分离器出口各气体组分组成：H2的组成含量：CO的组成含量：CO2的组成含量：N2的组成含量：Ar的组成含量：CH4的组成含量：CH3OH的组成含量：分离器出口气体总量为：表3.11分离器出口气体组成各个液体组分含量为：分离器液体总量为：表3.12分离器出口液体的组成实际生产中甲醇的年产量为：满足设计要求的68万吨年产量。3.1.7贮罐气的组成粗甲醇中溶解的气体量为：表3.13贮罐气组成3.2甲醇合成工段热量衡算3.2.1合成塔热量衡算相关计算式全塔热平衡方程式：其中：是入塔气中气体组分的热量，kJ/h是合成反应和副反应的反应热，kJ/h是出塔气中气体组分热量，kJ/h是合成塔的热损失，kJ/h是蒸汽吸收的热量，kJ/h其中：是入塔气各组分流量，kmol/h是入塔气各组分的比热容，kJ/(m3.k)是入塔气气体的温度，k其中：是出塔气中组分流量，kmol/h是出塔气中组分的比热容，kJ/(m3.k)是出塔气中气体的温度，k其中：Qr1、Qr2、Qr3、Qr4、Qr5、Qr6分别是甲醇、甲烷、二甲醚、异丁醇、水的生成热，kJ/h其中：:各个组分的生成量，kmol/h:生成反应的热量变化，kJ/mol3.2.2合成塔热量计算已知入塔合成气为，出塔气为，热损失按照计算(1)合成塔入塔热量衡算在、下：表3.14各气体组分定压热容根据求得入塔气中各个组分的热量如下表：表3.15各气体组分带进合成塔的热量因此每小时入塔热量为：所以总热量为：(2)合成塔的反应热根据得到，各个气体组分生成的热量如下：表3.16甲醇合成塔内的反应热因此合成塔每个小时生成的反应热为：(3)合成塔出塔热量计算在，下，查《化学化工物性数据手册》得到各气体组分的定压热容如下：表3.17各气体组分定压热容根据得到出塔气中各气体组分的热量：表3.18各气体组分带出合成塔的热量则每小时的出塔热量为：总出塔热量：(4)合成塔热量损失假定合成塔的热量损失是，则损失的这部分能量值是：(5)蒸汽所吸收的热量全塔热平衡方程式为：蒸汽吸收的热量为：表3.19合成塔的热量平衡表3.2.3入塔气换热器的热量衡算(1)入塔换热器的合成气热量计算入塔换热器的合成气温度为表3.20合成气带进的热量合成气带进换热器的总热量为：(2)出塔换热器的合成气热量计算根据工艺流程可知，出塔换热器中合成气的热量与进入合成塔的热量是相等的，因此出塔换热器中合成气的热量为：(3)入塔换热器的出合成塔气体的热量计算根据工艺流程可知，在忽略管路热损失的情况下，入换热器的出合成塔气的热量与合成塔出塔气的热量相等，即入换热器的出合成塔气的热量为：(4)出塔换热器的出合成塔气体的热量计算根据换热器的热量衡算得到，出合成塔气进入换热器之后能量降低，降低的这部分能量用于入换热器的合成气加热，即合成气热量的增值等于出合成塔气热量的减少值。根据以上计算得：合成气经过换热器后热量的增加量为：因此，出换热器的出合成塔的气体热量为：出换热器的热气体的温度为：假设出换热器的出合成塔个气体组分的热容与出合成塔时的相同，则：出口温度为：温度为3.2.4水冷器的热量衡算(1)入水冷器的热量根据工艺流程可得，出换热器的出合成塔气与入水冷器的热量相等，即：(2)出水冷器的热量出换热器的出合成塔气经过水冷器进一步冷却之后，温度由降低至，因此甲醇是以气液两种状态存在的，而二甲醚，异丁醇，水以液态的形式存在，一氧化碳，二氧化碳，氢气，氮气，氩气，以及甲烷是以气态的形式存在的。在40℃，4MPa的条件下，查《化学化工物性数据手册》得到各个气体组分的比热容，计算得到带出的热量如下表所示：表3.21各个气体组分带出水冷器的热量气态带出的热量：气态总热量：液态带出的热量：液态总热量：因此出水冷器总热量：(3)冷却水的用量假定冷却水进口温度是，出口温度是，根据以上的计算得到：冷却水所吸收的热量为：则冷却水的用量是：3.2.5甲醇分离器的热量衡算当物料进入分离器之后，气态物料由分离器上方流出，液态物料由分离器下方流出。(1)甲醇分离器进口的热量根据工艺流程可得：甲醇分离器进口的热量和水冷器出口的热量是相等的；(2)甲醇分离器出口气态的热量分离器出口的气态物料指的是水冷器出口的气态物料，因此分离器出口气态的热量是：(3)甲醇分离器出口液态的热量分离器出口液态的物料指的是水冷器出口的液态物料，分离器的液态物质热量为：4．甲醇合成塔的设计选型4.1催化剂的用量根据甲醇合成工段的物料衡算可得，每小时入塔气量是,相当于,合成塔的空速为，催化剂的使用量为：4.2塔体的设计(1)换热面积的计算本次工艺设计采用的是列管式合成塔，合成原料气走管程，压力低的蒸汽走壳程。由热量衡算得到每小时的传热量是：取传热系数，合成塔管程入塔气的温度由升高到，壳程水蒸气进口温度由升高至。示意图如下：合成气：水蒸气：因此合成塔的平均温差为：根据公式得，传热面积(2)换热管数的确定通过查《化工设备机械基础》得知换热管的规格，具体如下表所示：表4.1换热管规格常用的换热管长度规定有:1500mm,2000mm,2500mm,3000mm,4500mm,5000mm,6000mm,7500mm,9000mm以及12000mm。根据《化工设备机械基础》，选用材质为00Cr18Ni5Mo3Si2的无缝不锈钢钢管，长度为,呈正三角形排布，共需换热管的数目为：根据得：需要设置拉杆根，因此实际换热管数是根。(3)合成塔直径的计算其中：是换热管直径，mm是相邻两个换热管间距，mm是对角线的管数是最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取根据换热管的直径得知相邻两个换热管之间的中心距离是,对角线管数是：因此合成塔壳体的直径是：圆整为4600mm。(4)合成塔的壁厚合成塔壳体的材质采用低合金钢钢材，壁厚的计算公式为：其中，封头与壳体采用双面对接焊，探伤，因此焊接系数。壳体通入的是饱和水蒸气，查得时饱和水蒸气的压力为,假定设计压力，外径，在下查得许用压力：由此计算得到合成塔壳体的计算壁厚为：取C2腐蚀余量为1mm,C1为1mm,则名义厚度圆整后厚度为66mm。所以反应器壳体为(5)合成塔封头的设计合成塔的上下封头采用半球形封头，材质为。封头内径为4600mm,封头的设计壁厚为：取腐蚀余量C2为1mm，C1为1mm，则设计壁厚：圆整为65mm,所以封头为(6)管子拉脱力的计算表4.2管壳式换热器参数=1\*GB3①在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力为：由于：得：=2\*GB3②温差应力导致的每平方米胀接周边上的拉脱力：其中：因此：壳体的截面积为：换热器的总截面积为：则：所以换热管的拉脱力为：因此，拉脱力在许用拉脱力的范围内。(7)折流板的确定此次设计采用单弓形折流板。材质为16MnR,取弓形折流板的圆缺高度作为壳体部分的，则切去圆切高度：因此折流板的高度为：所需折流板的数目为6块，拉杆数为18，直径为12mm。(8)管板的确定管板直径为4600mm，厚度为150mm，通过双面对接焊将管板以焊接的方式焊接在筒体和封头之间。(9)支座的确定采用裙座，座体的厚度为50mm，长度为2600mm，基础环内径为2400mm,外径为3000mm,基础环的厚度为34mm，地脚螺栓的公称直径为M30，数量是24个。(10)塔体高度的计算表4.3合成塔设计一览表4.3辅助设备的设计选型4.3.1原料气进塔换热器的设计选型(1)根据热量衡算得到换热器的热负荷为，相当于，假设取总传热系数加热器与原料气采用逆向换热：出塔气：原料气：平均温差：根据得传热面积为：(2)通过查得《化工设备机械基础》，选择材质为的无缝不锈钢钢管，长为，呈正三角形排列，一共所需换热管根数为：由于要设置18根拉杆，因此实际所需换热管数目为2701根。根据换热管的外径查得相邻两个换热管之间的中心距离为，对角线管数为：因此换热器的直径是：圆整为3000mm。(3)换热器壳体的材质选用18MnMoNbR的低合金钢材，换热器壁厚的计算公式为：其中，壳体与封头采用双面对接焊，探伤，焊接系数为。由于壳程通入的是原料气，压力是,所以取设计压力，外径，经查得时的许用应力是，根据以上已知条件求得壳体的壁厚是：取附加厚度因此名义厚度：经圆整得厚度为45mm。(4)塔体的上下封头用标准椭圆形封头，根据国标，封头为：，曲面高度，直边高度，材质是18MnMoNbR。(5)使用弓形折流板，材质是,折流板的高度是：经查得，管径是38mm的换热管折流板间距最大是2500mm，取折流板间距为1500mm，则所需折流板的数目为6块，18根拉杆数，直径是12mm。表4.4换热器设计一览表4.3.2水冷器的设计(1)根据热量衡算得，水冷器得热负荷是，即，取传热系数出塔气：入塔气：平均温差：根据得传热面积：(2)通过查得《化工设备机械基础》，选择材质为的无缝不锈钢钢管，长为9m，呈正三角形排列，一共所需换热管根数为：由于要设置18根拉杆，因此实际所需换热管数目为582根。根据换热管的外径查得相邻两个换热管之间的中心距离为，对角线管数为：因此换热器的直径是：圆整为1500mm。(3)换热器壳体的材质选用的低合金钢材，换热器壁厚的计算公式为：其中，壳体与封头采用双面对接焊，100%探伤，焊接系数为1.0。由于壳程通入的是原料气，压力是,所以取设计压力，外径，经查得时的许用应力是，根据以上已知条件求得壳体的壁厚是：取附加厚度因此名义厚度：经圆整得厚度为36mm。(4)塔体的上下封头都采用标准的椭圆形封头，根据国标，封头为：，曲面高度，直边高度，材质是18MnMoNbR。表4.5水冷器设计一览表4.3.3汽包的选型由于从合成塔出来的水蒸气是220℃，和来自合成塔的100℃的沸水经过汽包进行换热后温度降为200℃。使用浮头式换热器，壳体与换热管的材质均为16MnR，由热量衡算得汽包的热负荷为1.989×108kJ/h，即5.525×107W，取传热系数热源：冷源：平均温差：根据得传热面积：表4.6选定换热器的相关参数4.3.4分离器的设计选用丝网除沫分离器，它的比表面积较大，质量轻，空隙较大以及使用方便等优点。设，根据物料衡算得分离器出口量为，即，则除沫器的直径是：选取不锈钢的标准型除沫分离器，规格为，网的尺寸是，分离器的高度是，裙座的直径是，壁厚是，即上下封头的壁厚同样也是，直径是，材质选择为4.3.5合成气压缩机选型根据物料衡算得到每一小时的进料量是62474.782kmol/h，即每一分钟的进料量是23323.919m3。此次设计中选用的合成气压缩机是离心式压缩机。5.甲醇精馏塔的相关计算5.1塔型的选择此次设计选用浮阀塔作为粗甲醇精馏过程的精馏塔，它具有塔板结构简单，效率较高，气液接触良好，能够在低负荷条件下操作，且操作弹性较大，生产能力大，允许蒸汽通过的速度较大等优点，因此粗甲醇的精馏一般选用浮阀塔。5.2甲醇精馏塔的物料衡算(1)原料液的组成表5.1已知条件设置原料液的温度是，此时，已知预后甲醇密度质量分率：摩尔分率：(2)塔顶组成表5.2已知条件质量分率:摩尔分率：(3)釜液组成已知塔底温度，,釜液密度，，质量分率：摩尔分率：表5.3汇总精甲醇的年产量为68万吨，按照300天工作日计算(4)质量流量全塔物料衡算：代入数据：解得：(5)摩尔流量原料液的平均摩尔流量：原料液摩尔流量：全塔物料衡算式：代入数据：解得：(6)体积流量a.进料体积流量：b.馏出液体积流量：c.釜液体积流量：表5.4以上结果汇总5.3精馏塔塔板数的计算(1)平均挥发度的确定表5.5已知条件根据得：平均挥发度：(2)最小理论塔板数得确定已知根据劳斯克公式得：(3)最小回流比的确定进料温度，已知，过冷液体进料：所以：进料线方程：由于：，e点是平衡线和q线的交点，已知平衡线为：结合进料线方程与平衡线方程解得点，将代入方程有：(4)选择适宜回流比，R在之间取值，因此取较为合适。(5)操作线方程根据回流比，所以液体回流量：精馏段的上升蒸汽量：提馏段上升蒸汽量：提馏段下降液体量：表5.6计算结果汇总(6)进料位置的确定精馏段的平均挥发度由于，因此可以确定位置：经过圆整取为2精馏段理论塔板数：(7)估算全塔效率全塔的平均温度：经过查《化工工艺设计手册》在此温度下得：根据公式得：平均挥发度全塔效率：此浮阀塔的总板效率的相对值为1.1~1.2，取所以实际进料板为：，圆整为4块；实际塔板数为：，圆整为10块。5.4板结构的工艺设计5.4.1塔板间距H在一定的汽液负荷和塔径的条件下，可以适当的增加板间距来减少液沫夹带量，并且不会很容易发生液泛，因此能够提高操作负荷的上下限，又因为板间距和塔的高度是紧密相关的，取值不宜太大，则H=600mm。5.4.2塔径的计算(1)最大允许气体速度,根据相平衡图得到内插法查得因此混合物的表面张力为：假设气体是理想气体，在温度为时，塔顶的压力是,已知混合气体的体积流量已知液体的密度液体的体积流量允许的最大气速：(2)适宜的气体操作速度通过查《现代塔器技术》得系统因数，对于塔径大于0.9米得常压塔，安全系数k=0.82(3)气相空间截面积(4)降液管内部流速通过查《现代塔器技术，第二版》得由于液体在降液管内的流速取之间的较小值，因此降液管的流速为(5)降液管的面积取其较大值为，此次设计选用弓形降液管。(6)精馏塔的横截面积(7)塔径的计算，圆整为3400mm.塔的横截面积空塔气速降液管的截面积5.5塔体的总高度和内部件设计5.5.1溢流堰的设计(1)溢流堰长度此次设计取单溢流可拆弓形降液管，长度，此处取，根据《现代塔器技术》查得,所以(降液管的宽度Wd)堰上液流强度设计合理符合要求。(2)堰上液层高度其中E为收缩系数，一般情况下取为1因此(3)出口堰的高度所以(4)降液管底部距离塔板的高度弓形降液管：拱形降液管底部的出口流速取则此次设计的塔径是此处取5.5.2塔板分布及浮阀塔选型此次设计塔径，为了便于安装、检修、清洗，采用分块式塔板，以便维修人员通过人孔进行装拆塔板。圆盘型的浮阀型式较多，此次设计采用V-1型33g浮阀，它结构简单，安装方便，节省材料。5.5.3浮阀数目及排列(1)临界速度：塔板上所用到的浮阀在全部打开时的阀孔气速。所以(2)开孔率全部浮阀刚全部打开时的开孔率：(3)阀孔总面积浮阀数：其中浮阀阀孔直径为39mm(4)塔板上的鼓泡面积通过查《塔设备设计》取边缘区宽度，破沫区宽度，此次设计取塔板上的鼓泡区面积：其中因此：(5)浮阀的排列方