焦炉煤气合成甲醇工艺设计年产10万吨

1、精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业目录目录 1.11.1 甲醇的国内外发展甲醇的国内外发展35 毕业设计心得体会毕业设计心得体会.446 6 致谢致谢 45精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业 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，1

2、998-1999 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/a2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)

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)精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业从上表可以看出，到 2004 年为止，甲醇仍主要用于制造甲醛和 MTBE

4、。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20042008 年新建

5、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

6、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 则提出精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业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

7、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

8、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+O22CH3OH.由一氧化碳和氢气合成甲醇，液化石油气氧化法 2.本

9、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精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业醇，其主要反应式为：CO+ H2CH3OH1.31.3 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

10、 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。

11、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

12、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 为精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业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 167010-

13、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-

14、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，

15、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，则合成工序配置精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业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

16、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 21 为不同温度下气相甲醇的饱和含量 表 21 5MPa 下不同温度气相甲醇的饱和含量：mol%T/ 0102030Y /mol%0.2860.4450.6730.990由表 21 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

17、定期将冷凝下来的甲醇排入粗甲醇贮槽。C 气体的循环精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业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

18、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，透平后的低压精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业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、

19、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

20、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。 精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业2

21、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%

22、水：5.896%所以：时产精甲醇： Kg/h89.13888243001000100000 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精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业水： 874.74 Kg/h 48.43 kmol/h 1084.83 Nm3/h合成甲醇的化学

23、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

24、.05233-4.99=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H2COCO2N2ArCH4Nm3/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.

25、504+0.529+1.008)=0.301 kg/h100014.37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。 精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业表 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Nm39717.344019434.699717.34429156.03209717.344kmol0.302150.0.60430.6043式Nm36.768153.38

26、4113.536313.536320.304527.0726kmol4.9914.974.994.99式Nm3111.7760335.3280111.7760111.7760447.1040223.5520kmol0.20920.41840.05230.1569式Nm34.68619.37221.17153.514614.05824.6861kmol42.678842.678842.678842.6788式Nm3956.01956.01956.01956.01956.01956.01气体溶解Nm31.00805.0510.5041.0087.571精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业扩散

27、损失Nm30.21100.4220.2110.6330.211合计Nm38885.779220738.7822956.43200.504110.76809717.55501.171513.53621084.660930581.497510927.6916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H2COCO2CH4N2ArCH3OHH2OMol%79.3

28、16.293.504.793.192.300.610.01 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精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业组分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

29、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GG%61. 03440.9717 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.3385Nm3/hG循环气= G出塔-G醇后-G生成+GCH4-G溶解=.3885-30468.7135-33606.04120.09 =.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COCO2H2N2CH4Ar3CH OHH2O合计流量：Nm3/h6469.743613

30、.9381891.603293.704945.712374.87629.8610.33.0813组成%(V)6.293.5079.313.194.792.300.610.01100G入塔= G循环气+G新鲜气=.0813+33606.0412=.1225 Nm3/h由表 4-4 及表 4-5 得到表 4-6。精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业 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/h15588.534729.65.883395.534989.402467.62629.8610.33.12组成(V)%11.4

31、013.46076.7602.4803.6501.8060.4600.007100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15588.534729.65.883395.534989.402467.62629.8610.33.1225消耗8885.78956.4320738.780.50401.00811882.5820生成111.77609717.55501084.66091.171513.536210928.70出塔6702.753773.2284314.10339

32、5.02605100.16802467.6210347.421094.991.171513.5362组成(V)5.773.2572.552.924.392.128.900.940.00100.0100100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精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业组分COCO2H2N2CH4ArCH3OHC4H9OHCH3OHH2O合计损失1.0085.05100.5041.0080.5290.2118.311出气6701.743768.169084314.103394.52205099.16246

33、7.0910629.6490.4310组成(V)%6.3003.48579.2623.1914.7942.3190.592100出液9717.77101.171513.53621084.660910817.14组成mol%89.840.11100.125010.13100重量kg13881.922.580018.532871.60314774.64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/h190.27105.882399.13144.9069.

34、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。 表 4-10 贮罐气组成、流量组成COCO2H2CH4ArCH3OHN2合计流量：1.0085.05101.0080.5290.2110.5048.311精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业甲醇合成塔分离器贮 罐冷 凝Nm3/h组成：(V)%12.12960.774012.1296.3652.5396.064100由表 4-2 到表 4-10 可得表 4-11。 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

35、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精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业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 13.3882kg/h换成 8%为：=17.35

36、30kg/h%81.3882 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.

37、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精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业预精馏塔加压精馏塔常压精馏塔物料量：kg/hCH3OHH2ONaOH(CH3)2OC4H9OH合计塔顶27.8027.80塔底13881.953648.141.38823.8417535.32合计13881.953648.141.388227.803.8417563.122

38、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%。A. 加压塔. 塔顶 13881.95 2/3=9254.6330kg/h 塔釜：8280.6870kg/hB. 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

39、.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13881.959254.6334581.04446.3013881.95NaOH1.38821.38824.037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。精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业 4.预塔顶出料 6.加压塔顶出料7.常压塔

40、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 4-165MPa，220下入塔气除(CH3OH)热容组分COCO2H2N2ArCH4合计流量：Nm3

41、15588.534729.65.883395.532467.624989.40.61比热：kJ/kmol30.1545.9529.3430.3521.4147.05/热量：20981.899702.12.524600.642358.5610479.97.70精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业kJ/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+.70 2204 .22629.86 =.88 kJ出塔气热容除(CH3OH)见表 4-17。 表 4-17 5MPa，250下出塔气除(CH3OH)热容组分COCO2H2

42、N2ArCH4C4H9OH(CH3)2OH2O合计流量：Nm36702.753773.2284314.103395.02602467.625100.16801.171513.53621094.99.58比热：kJ/kmol30.1346.5829.3930.4121.3648.39170.9795.8583.49/热量：kJ/9015.807846.28.624609.052353.0511017.738.9557.944081.28.70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+.7 250=.06+4 .221

43、0347.42 =.06 kJ由反应式得:Q反应=102.37+200.39+115.694 .229717.55504 .2213.53624 .22111.7760+49.62+(-42.92) 10004 .221.17154 .22956.01 =(44410.10+121.10+577.29+2.60-1831.78) 1000 = kJ Q热损失=(Q入Q反应) 5%=(.88+.06) 5%=.6470 kJ所以：壳程热水带走热量 Q传= Q入+Q反应-Q出-Q热=.88+-.06-.6470精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业 =.17 kJ又：Q传=G热水r热水所以:G

44、热水=12367.58 kg/h99.1714721210272.1即时产蒸气：=644.82m318.1912367.582.2.22.2.2 常压精馏塔能量衡算常压精馏塔能量衡算 Xf=0.41702.1814.364832)46.304581.0440(32)46.304581.0440(查化工工艺设计手册,甲醇露点温度 t=74.8175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/h4627.3440

45、3648.1433122.748温度：12412440比热：kJ/kg3.874.262.68热量:kg/h.8390.4740.586Q加热Q入=Q进料+Q回流液+Q加热=.8390+.4740+.5860+Q加热=.8980+ Q加热精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业常压精馏塔 .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温度：7575105105比热：kJ/kg2.682.683.504.187潜热：kJ/kg1046.751046.75热量:k

46、g/h.58.3517015.25.035%Q入所以：Q出.58.3517015.25.035%Q入 =.21+5%Q入因为：Q出Q入所以：Q入= Q出=.91kJ/h所以：Q蒸汽=.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/h45010546.012118.6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 精甲醇精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业 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=.93kJ/hQ

47、出 = Q精甲醇(液)+Q回流液(液)=4581.68+.59=.5020kJ/h Q传 =.93 (1-5%)-.5020=.43kJ/h所以：冷却水用量 G3 水=1002.82t水/h1000187. 4)3040(341988180.4所以：每吨精甲醇消耗 G3 水=72.25t水/t精甲醇13.881002.82.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：.8390采出热量精甲醇：.58塔底供热：.87内回流：g内(672.68)内回流：g内(672.68+1046.75)总入热：.71+179.56g内总

48、出热：.58+1226.31g内所以：总入热=总出热所以：.71+179.56g内=.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：.474残液：.28塔底供热：.87精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业内回流：g内(672.68)内回流：g内(672.68+1046.75)总入热：.34 +179.56 g内总出热：.28+1226.31g内因为：Q总入热+Q总出热即：.34+179.56 g内=.28+1226.31g内所以：g内=42457.28k

49、g/h 精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业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

50、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。精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业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

51、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 21 平均压力： 99.6 KPa精选优质文档-倾情

52、为你奉上专心-专注-专业 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=26861.012735 .9527363610101. 0106 .9910101. 0=18255.25m3/h气体负荷：Vn=5.071 m3/s360018255.25气体密度： =2.102 kg/ m3n18255.2538372.87查化工工艺设计手册 ，95.5时甲醇的密度=721 kg/m3n液体负荷：Ln=0.01478

53、721360038372.87.提馏段 平均温度：(105+124)=114.5 21 入料压力：(0.13 106-0.01 106)=89.6 kPa751975 平均压力：(89.6 103+0.13 106)=109.8 kPa21 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内回流42457.28321326.79标准状况下的体积 =1326.79 22.4=29720.0960 Nm3/h1V操作状态下的体积：=29720.09601V2735 .11427363610101. 0108 .10910101. 0=19688.61 N

54、m3/h精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业所以：气体负荷： Vm=5.4691 m3/s360019688.61气体密度： =2.102 kg/m3m3951.888305.19查得进料状态甲醇溶液温度 124，含甲醇 55.7%，密度为 0.83 t/m3。塔底含醇 1%，可近似为纯水，105，0.13Mpa 下水的密度为 939.41 kg/m3。所以：液体平均密度=893.21 kg/m320 .84741.939则液体负荷 Lm=0.01320m3/s360021.89342457.283.2.3 初估塔径本设计采用 F1 重阀浮阀塔，设全塔选用标准结构，板间距 HT=0.35

55、 m，溢流堰高 hc=0.05 m。 .精馏段1. 求操作负荷系数 C精馏段功能参数：()=()nnVLvl215.0710.01478102. 272121 =0.053塔板间有效高度 H0=HT-HC =0.35-0.05=0.30m查斯密斯图甲醇工学化工工学出版社。得负荷系数：G=0.0515。又查得 95.5时，甲醇的表面张力为：15.87 10-5 N/cm 水的表面张力为：68.87 10-5 N/cm精馏段甲醇水溶液的平均组成为：甲醇：(0.9995+0.579)=0.7893 wt21则含水为：1-0.7893=0.2107 wt所以表面张力：=0. .87 10-5+0. .

56、87 10-5 =27.04 10-5 N/cm所以：C=2 . 051020G2 . 05510201004.270515. 0精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业 =0.0485.最大流速 UmaxUmax=1.3C=1.3 0.0485vvl102. 2102. 2721=1.166 m/sU适=0.7Umax=1.166 0.7=0.816 m/s求塔径 D D=2.814m适UVn785. 0816. 0785. 0071. 5 .提馏段1 求操作负荷系数 C 提馏段功能参数：（）=()mmVLvl214691. 501320. 0156. 221.89321=0.0491查斯

57、密斯图得 G=0.0524又得 114.5时，甲醇表面张力为：14.13 10-5 N/cm水的表面张力为：57.06 10-5 N/cm提馏段甲醇水混合平均组成：甲醇：(0.01+0.579)=0.29521水： 1-0.295=0.705平均表面张力： =0.295 14.13 10-5+0.705 57.06 10-5=44.40 10-5 N/cm所以：C=2 . 051020G2 . 05510201040.440524. 0 =0.04472. 求提馏段 Umax精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业max=1.3C=1.3 0.0447Uvvl156. 2.156221.89

58、3=1.181m/s适=0.7max=0.7 1.181=0.827 m/sUU3. 求塔径D=2.9025 mD适UVm785. 0782. 0785. 05.4691对全塔，取塔径 D=3000 mm3.2.4 理论板数的计算 .各点的甲醇摩尔分数，设加压塔后甲醇的甲醇摩尔人率为 Xf。Xf=0.041702.183648.14324603)(4581.0443246.3)(4581.0440精甲醇中甲醇的摩尔分率 Xd。Xd=0.99902.1805. 03295.993295.99残液中甲醇的摩尔分率 Xw。Xw=0.005702.1899321321 .处理能力F=OHOHffMXM

59、XG2202.18)174 . 01 (32174 . 04627.344 =193.76 kmol/h精馏段物料量：D精=F=193.76wdwfXXXX0057. 0999. 00057. 0174 . 0 =80.23 kmol/h提馏段物料量：精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业D提=F=193.76wdfdXXXX0057. 0999. 0174 . 0999. 0 =113.53kmol/h .平均挥发度：查得 124时，甲醇的饱和蒸汽压 P*CH3OH=705.38 Kpa水的饱和蒸汽压 P*H2O=229.47 Kpa105时，甲醇的饱和蒸汽压 P*CH3OH=439.0

60、8 Kpa 水的饱和蒸汽压 P*H2O=123.18 Kpa由=得：OHOHCHpP23*124时，124=3.07447.22938.705105时，105=3.56518.12308.439平均挥发度：=3.310105124565. 3074. 3 .求最小理论塔板数 Nm：因为：Xd=0.999，Xw=0.0057；Xd1=0.001Xw1=0.9943；根椐芬斯克公式：Nm=lglg11wwddXXXX310. 3lg0057. 09943. 0001. 0999. 0lg =10.08 块 .求最小回流比各组分参数列表组分进料组成 Xi,F釜液组成 Xi,Di水0.5830.994