1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）</b></p><p>　　題目： 年產(chǎn)10萬噸甲醇生產(chǎn)工藝流程設(shè)計 </p><p>　　2013年 6 月 5 日</p><p>　院（部）系化工學院</p><p>　所 學 專 業(yè)化學工程與工藝<

2、/p><p>　年級、班級</p><p>　完成人姓名</p><p>　指導教師姓名專業(yè)技術(shù)職稱</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本設(shè)計重點描述了甲醇合成工藝流程。甲醇是重要的化工原料和燃料，應(yīng)用于多個領(lǐng)域。首先簡單地介紹了甲醇的生產(chǎn)發(fā)展、甲醇合成的反應(yīng)熱力學和動力學

3、、甲醇反應(yīng)需要的催化劑、甲醇合成工藝和甲醇的發(fā)展前景。其中，甲醇合成催化劑和工藝選擇關(guān)系著甲醇合成產(chǎn)量。中低壓、銅基催化劑的條件有利于甲醇合成。緊接著介紹了甲醇合成工藝。甲醇合成首先要進行造氣。造氣選用煤作原料，得到的粗煤氣經(jīng)脫硫、脫碳等凈化操作后進入合成塔合成甲醇。甲醇合成工藝選擇Luigi低壓合成，合成氣于5MPa、220℃下進入Luigi管殼式反應(yīng)器。從合成塔得到的粗甲醇必須要進行精餾。本設(shè)計需要將原料粗甲醇精制到含醇量99.95

4、%的純度。根據(jù)現(xiàn)代對甲醇精餾工藝設(shè)計的了解，甲醇三塔精餾技術(shù)以其能耗低、產(chǎn)品質(zhì)量好的優(yōu)點領(lǐng)先于其他工藝。所以本設(shè)計采用三塔精餾工藝。再接著對甲醇的生產(chǎn)合成和精餾過程進行了詳細的物料衡算。最后進行了常壓精餾塔的計算，包括設(shè)備選型、塔的外形設(shè)計以及塔板流體力學驗算。通過本次設(shè)計，對合成甲醇以及提純甲醇有更深刻的認識。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 甲醇；合成；工藝設(shè)計；三塔精餾；常壓塔</p><

5、p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This design for methanol synthesis processes were described emphatically. Methanol is an important chemical raw material and fuel, is applied to the fields. First

6、simply introduces the methanol production development, the reaction thermodynamics and kinetics of methanol synthesis, methanol reaction requires a catalyst, methanol synthesis process and the development prospects of me

7、thanol. Methanol synthesis catalyst and process selection is one of the relationship between the yield of methanol sy</p><p>　　understanding.</p><p>　　Keywords：methanol；synthetic ;process design

8、 ;three tower distillation ;atmospheric column </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 前言1</b></p><p><b>　　1.1 概述1</b></p><p>　　1.1.1

9、生產(chǎn)及技術(shù)發(fā)展1</p><p>　　1.1.2 甲醇的性質(zhì)2</p><p>　　1.2 甲醇合成3</p><p>　　1.2.1 合成反應(yīng)熱力學3</p><p>　　1.2.2 合成反應(yīng)動力學3</p><p>　　1.2.3 合成反應(yīng)催化劑4</p><p>　　1.2.4

10、 合成工藝4</p><p>　　1.2.5 合成甲醇的目的和意義5</p><p>　　第2章 工藝概述7</p><p>　　2.1 造氣工段7</p><p>　　2.1.1 原料7</p><p>　　2.1.2 原料氣的制備8</p><p>　　2.1.3 造氣工藝概述

11、8</p><p>　　2.1.4 凈化工段10</p><p>　　2.2 合成工段10</p><p>　　2.3 精餾工段12</p><p>　　第3章 工藝計算15</p><p>　　3.1 甲醇生產(chǎn)的物料平衡計算15</p><p>　　3.1.1 合成塔物料平衡計算1

12、5</p><p>　　3.1.2 甲醇精餾的物料平衡計算19</p><p>　　第4章 常壓精餾塔計算22</p><p>　　4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)22</p><p>　　4.2 塔板數(shù)的計算23</p><p>　　4.2.1 處理能力23</p><p>　　4.2.2 最小理論

13、板數(shù)23</p><p>　　4.2.3 最小回流比24</p><p>　　4.2.4 理論板數(shù)24</p><p>　　4.2.5 進料位置24</p><p>　　4.2.6 全塔效率的估算24</p><p>　　4.3 精餾段與提餾段的體積流量25</p><p>　　4.

14、3.1 精餾段25</p><p><b>　　續(xù)表4-327</b></p><p>　　4.3.2 提餾段27</p><p>　　4.4 塔徑計算28</p><p>　　4.4.1 精餾段28</p><p>　　4.4.2 提餾段29</p><p>

15、　　4.5 塔內(nèi)件設(shè)計30</p><p>　　4.5.1 溢流堰的設(shè)計30</p><p>　　4.5.2 溢流裝置30</p><p>　　4.5.3 塔板布置及浮閥數(shù)目與排列31</p><p>　　4.6 塔板流體力學驗算33</p><p>　　4.6.1 塔板壓降33</p>&l

16、t;p>　　4.6.2 液泛34</p><p>　　4.6.3 霧沫夾帶34</p><p>　　4.7 塔板負荷性能圖35</p><p>　　4.7.1 霧沫夾帶線35</p><p>　　4.7.2 液泛線36</p><p>　　4.7.3 液相負荷上限線36</p><

17、p>　　4.7.4 漏液線37</p><p>　　4.7.5 液相負荷下限線37</p><p>　　4.8 常壓塔工藝計算匯總38</p><p>　　表4-8 浮閥塔板工藝設(shè)計計算結(jié)果38</p><p>　　4.9 常壓塔塔高計算39</p><p>　　第5章 Aspen Plus 的模擬計算

18、40</p><p>　　5.1 Aspen Plus簡介40</p><p>　　5.2 Aspen Plus的主要功能40</p><p>　　5.3 Aspen Plus的精餾塔模擬40</p><p><b>　　第6章 結(jié)論45</b></p><p><b>　　第

19、1章 前言</b></p><p><b>　　1.1 概述</b></p><p>　　甲醇是最簡單的化學品之一，是重要的化工基礎(chǔ)原料和清潔液體燃料，廣泛應(yīng)用于有機合成、染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、涂料、汽車和國防等工業(yè)中。隨著科技的進步與發(fā)展，甲醇將被應(yīng)用于越來越多的領(lǐng)域。</p><p>　　1.1.1 生產(chǎn)及技術(shù)發(fā)展</p>

20、;<p>　　甲醇的生產(chǎn)始于1923年，德國巴夫斯公司采用Zn-Cr氧化物催化劑，在30～35MPa，300～400℃條件下合成甲醇，并在洛伊納建成3000t/a裝置。1966年英國ICI公司開發(fā)成功了以天然氣為原料，采用冷激式絕熱反應(yīng)器在250℃、5MPa和銅基催化劑存在下合成甲醇技術(shù)，簡稱ICI低壓合成法。1971年，德國魯奇公司成功開發(fā)了以天然氣或渣油為原料的低壓魯奇法工藝，采用管殼式反應(yīng)器，在200～300℃、5～

21、8MPa下合成甲醇，簡稱魯奇低壓法。與此同時，丹麥的托普索公司，日本三菱瓦斯化學公司等相繼開發(fā)成功了各自的低壓法技術(shù)。20世紀70年代以來，世紀各國新建與改進的甲醇裝置幾乎全部是低壓法，其中采用ＩＣＩ公司、魯奇公司技術(shù)生產(chǎn)甲醇約占世界甲醇總量的80%左右。</p><p>　　現(xiàn)在國際上標準甲醇裝置的生產(chǎn)規(guī)模為2500～3000t/d，最近在天然氣豐富廉價地區(qū)投資建設(shè)的裝置規(guī)模都在5000t/d的水平，由此可見，

22、目前甲醇裝置建設(shè)正向大型化的規(guī)模經(jīng)濟發(fā)展。</p><p>　　現(xiàn)在商業(yè)的甲醇合成工藝均為氣相合成，存在合成效率低、能耗高等多種缺陷。所以人們對甲醇的合成研究，無論是在催化劑的研制，還是在合成路線上的開發(fā)，一直沒有停止過。由于甲醇的合成是一個比較強的放熱反應(yīng)過程，從熱力學的角度來看，降低溫度有利于反應(yīng)朝生產(chǎn)甲醇的方向移動。采用原料氣冷激和列管式反應(yīng)器很難實現(xiàn)等溫條件的操作，反應(yīng)器出口氣中甲醇的含量偏低，一般體積分

23、數(shù)只能維持在41.5%～61.0%。因而使得反應(yīng)氣的循環(huán)量加大。</p><p>　　由于氣—液—固三相物料在過程中的流動狀態(tài)不同，三相反應(yīng)器主要有滴流床、攪拌釜、漿態(tài)床、流化床與攜帶床5種。目前在液相甲醇合成方面，采用最多的主要是滴流床和漿態(tài)床。滴流床反應(yīng)器與傳統(tǒng)的固定床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)類似，由顆粒較大的催化劑組成固定層，液體以液滴的方式自上而下流動，氣體一般也是自上而下流動，氣體和液體在催化劑顆粒間分布。滴流床兼有

24、漿態(tài)床和固定床的優(yōu)點，與固定床相類似。它的催化劑裝填量大且無磨蝕，床層中的物料流動接近于活塞流且無反混現(xiàn)象存在，同時又具備漿態(tài)床高轉(zhuǎn)化率等溫反應(yīng)的優(yōu)點，更適合于低氫碳比的合成氣。與同體積的漿態(tài)床相對比，滴流床合成甲醇的產(chǎn)率幾乎增加了一倍。但至今未見到工業(yè)應(yīng)用的報道。從工業(yè)角度來看，滴流床中的液相流體中所含的催化劑粉末很少，輸送設(shè)備易于密封且磨損小，長時間運行將更為可靠。</p><p>　　我國的甲醇工業(yè)經(jīng)過十幾

25、年的發(fā)展，生產(chǎn)能力得到了很大提高。1991年，我國的生產(chǎn)能力僅為70萬噸，截止2004年底，我國甲醇產(chǎn)能已達740萬噸，117家生產(chǎn)企業(yè)共生產(chǎn)甲醇440.65萬噸，2005年甲醇產(chǎn)量達到500萬噸，比2004年增長22.2%，進口量99.1萬噸，因此下降3.1%。</p><p>　　1.1.2 甲醇的性質(zhì)</p><p><b>　　物理性質(zhì)</b></p&g

26、t;<p>　　甲醇是飽和醇系列中的代表，分子式為CH3OH，相對分子質(zhì)量為32.04.在常溫常壓下，純甲醇是無色、不流動、不揮發(fā)、可燃的有毒液體，有類似乙醇的氣體。甲醇可以與水、乙醇、乙醚等很多有機液體互溶，但不能和脂肪烴類化合物互溶。甲醇蒸氣和空氣混合，在一定范圍內(nèi)形成爆炸性混合物，爆炸極限為6.0%~36.5%（體積）。</p><p>　　表1-1 甲醇的一般性質(zhì)</p>&l

27、t;p><b>　　2.化學性質(zhì)</b></p><p>　　甲醇是最簡單的飽和脂肪醇，具有脂肪醇的化學性能，其化學性很活潑，如氧化反應(yīng)、氨化反應(yīng)、酯化反應(yīng)、羰基化反應(yīng)、脫水反應(yīng)、裂解反應(yīng)等。</p><p><b>　　1.2 甲醇合成</b></p><p>　　1.2.1 合成反應(yīng)熱力學</p>

28、<p>　　合成甲醇的主要化學反應(yīng)為CO和H2在多相銅基催化劑上的反應(yīng)：</p><p>　　反應(yīng)氣體中含有CO2時，發(fā)生以下反應(yīng)：</p><p>　　同時CO2和H2發(fā)生CO的逆變換反應(yīng)：</p><p>　　反應(yīng)過程中除生成甲醇外，還伴隨一些副反應(yīng)的發(fā)生，生成少量的烴、醇、醛、醚、酸和酯等化合物。</p><p>　　由CO、

29、CO2和H2合成甲醇的反應(yīng)是強放熱的體積縮小的反應(yīng)。從熱力學上說，提高反應(yīng)壓力和降低反應(yīng)溫度有利于生成甲醇的反應(yīng)，但同時也有利于副反應(yīng)的發(fā)生。因此，為了達到合成甲醇的目的，必須選擇性能良好的催化劑，嚴格控制反應(yīng)條件，以提高主反應(yīng)的生成速率，抑制副反應(yīng)的發(fā)生。</p><p>　　1.2.2 合成反應(yīng)動力學</p><p>　　20世紀30年代就有人開始研究CO加氫合成甲醇的反應(yīng)機理和動力學

30、行為。最初認為合成甲醇是CO或CO2加氫反應(yīng)。但20世紀70年代后期，通過同位素跟蹤研究，發(fā)現(xiàn)合成甲醇反應(yīng)中，甲醇分子上的碳原子來自于CO2分子。隨后提出了CO2加氫和CO水氣轉(zhuǎn)換為CO2的反應(yīng)機理。實際的多相催化反應(yīng)過程中，還存在許多過渡反應(yīng)和平衡。X是“表面活性部位”。</p><p>　　假定合成甲醇的催化反應(yīng)動力學方程如下：</p><p>　　1.2.3 合成反應(yīng)催化劑</

31、p><p>　　自從CO加氫合成甲醇工業(yè)化以來，合成催化劑和合成工藝不斷研究改進。就目前來說，雖然實驗室研究出了多種甲醇合成催化劑，但工業(yè)上使用的催化劑只有鋅鉻和銅基催化劑。</p><p><b>　　A. 鋅鉻催化劑</b></p><p>　　鋅鉻（ZnO/Cr2O3)催化劑是一種高壓固體催化劑。鋅鉻催化劑的活性較低，為獲得較高的催化活性，操

32、作溫度在590～670K之間；為了獲取較高的轉(zhuǎn)化率，需在高壓條件下操作，操作壓力為25～35MPa，因此被稱為高壓催化劑。</p><p>　　鋅鉻催化劑的耐熱性、抗毒性以及機械性都較令人滿意。鋅鉻催化劑使用壽命長、使用范圍寬、操作控制容易，目前國內(nèi)外仍有一部分工廠采用鋅鉻催化劑生產(chǎn)甲醇。</p><p><b>　　B.銅基催化劑</b></p>&l

33、t;p>　　銅基催化劑是一種低壓催化劑，其主要成分為CuO/ZnO/Al2O3。操作溫度為500～530K，壓力卻只有5～10MPa，比傳統(tǒng)的合成工藝溫度低得多，對甲醇反應(yīng)平衡有利。</p><p>　　1.2.4 合成工藝</p><p>　　1.2.4.1 常用的合成工藝</p><p>　　甲醇合成是可逆強放熱反應(yīng)，受熱力學和動力學控制。通常在單程反應(yīng)器

34、中，CO和CO2的單程轉(zhuǎn)化率達不到100%。反應(yīng)器出口氣體中，甲醇含量僅為3%～6%，未反應(yīng)的CO、CO2和H2需與甲醇分離，然后進一步壓縮循環(huán)到反應(yīng)器中。較早開發(fā)的鋅鉻催化劑活性較低，反應(yīng)溫度達到300℃時才具有足夠的活性。為了保證反應(yīng)器出口氣體中有較高的甲醇含量，一般采用30MPa以上的反應(yīng)壓力。銅基催化劑有較高的催化活性，反應(yīng)溫度為270℃時就顯示出很好的活性，一般采用中壓或低壓合成壓力。兩種催化劑的比較見表1-2。</p&

35、gt;<p>　　表1-2 鋅鉻、銅基兩種催化劑的比較</p><p>　　高壓法合成甲醇由于操作壓力高，動力消耗大，設(shè)備復(fù)雜，產(chǎn)品質(zhì)量差等缺點，正在逐漸淘汰。中低壓法使用銅基催化劑，操作壓力在5～10MPa左右。低壓法由于操作壓力低，使得設(shè)備體積龐大，而且甲醇的合成收率也低，在投資和經(jīng)濟評價上不如中壓法。目前，世界上約70%的甲醇生產(chǎn)采用英國ICI公司的中、低壓法生產(chǎn)，規(guī)模從50t/d到2500

36、t/d。</p><p>　　目前，甲醇的生產(chǎn)方法還主要有①甲烷直接氧化法：2CH4+O2→2CH3OH.②由一氧化碳和氫氣合成甲醇，③液化石油氣氧化法</p><p>　　1.2.4.2 本設(shè)計采用的合成工藝</p><p>　　比較以上三者的優(yōu)缺點，以投資成本，生產(chǎn)成本，產(chǎn)品收率為依據(jù)，選擇中低壓法為生產(chǎn)甲醇的工藝，用CO和H2在加熱壓力下，在銅基催化劑作用下合

37、成甲醇，其主要反應(yīng)式為：CO+ H2→CH3OH。</p><p>　　1.2.5 合成甲醇的目的和意義</p><p>　　甲醇既是一種應(yīng)用廣泛的重要有機化工原料，又是一種性能優(yōu)良的清潔能源和車用燃料。作為化工原料，可以用來生產(chǎn)甲醛、甲酸、甲酸甲酯、甲胺、乙酸、乙酸甲酯、丙烯酸甲酯、碳酸二甲酯、甲基丙烯酸甲酯、對苯二甲酸二甲酯、二甲醚、甲基叔丁基醚等一系列有機化工產(chǎn)品。隨著碳一化工的發(fā)展

38、，由甲醇出發(fā)合成乙二醇、乙醛、乙酸等工藝日益受到重視。甲醇作為原料，在農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料、三大合成材料等工業(yè)中有著重要的地位。甲醇還可經(jīng)生物發(fā)酵生產(chǎn)甲醇蛋白，用作飼料添加劑。</p><p>　　甲醇作為性能優(yōu)良的潔凈能源，可直接用作汽車燃料，也可與汽油摻合使用；甲醇可直接用于發(fā)電裝置發(fā)動機的燃料，或經(jīng)ZSM-分子篩催化劑轉(zhuǎn)化為汽油；甲醇可與異丁烯反應(yīng)生成甲基叔丁基醚，用作汽油添加劑。</p><

39、;p>　　隨著科學技術(shù)的發(fā)展和進步，甲醇的化學加工和工業(yè)應(yīng)用的新領(lǐng)域不斷被開發(fā)出來，甲醇后加工的深度和廣度正在發(fā)生深刻的變化。</p><p><b>　　第2章 工藝概述</b></p><p>　　總工藝路線圖見圖2-1。</p><p>　　圖2-1 煤制甲醇示意圖</p><p><b>　　2.

40、1 造氣工段</b></p><p><b>　　2.1.1 原料</b></p><p>　　我國甲醇生產(chǎn)制造原料氣的原料有氣體、液體和固體原料。</p><p>　　氣體原料有天然氣、焦爐氣、乙炔尾氣、煉廠氣、高爐氣等。</p><p>　　液體原料有石腦油、重油、渣油等。</p><

41、p>　　固體原料有焦炭、無煙煤、褐煤等。</p><p>　　以不同原料制取甲醇的經(jīng)濟效果，可以單純地對比如下（以褐煤為100）。</p><p>　　褐煤 焦爐氣 天然氣 乙炔尾氣</p><p>　　投資 100 70～85 65

42、 35</p><p>　　成本 100 90 50～55 40</p><p>　　可見，以煤為原料制取甲醇的投資和成本最高。但是，隨著能源的緊張，石油價格的大幅增長，世界煤的儲藏量遠遠超過天然氣和石油，我國情況更是如此。從長遠的戰(zhàn)略觀點來看，將來終將以煤制取甲醇的原

43、料路線占主導地位。</p><p>　　2.1.2 原料氣的制備</p><p>　　合成甲醇，首先是制備原料氫和碳的氧化物。若以氫和一氧化碳合成甲醇，其分子應(yīng)為n(H2):n(CO)=2:1，與二氧化碳反應(yīng)則為n(H2):n(CO2)=3:1。一般合成甲醇的原料氣含有氫、一氧化碳和二氧化碳，所以應(yīng)滿足式:</p><p>　　(2-1)

44、 </p><p>　　制造甲醇原料氣，一般以含碳氫或含碳的資源如天然氣、石油氣、石腦油、重質(zhì)油、煤和乙炔尾氣等，用蒸汽轉(zhuǎn)化或部分氧化加以轉(zhuǎn)化，使其生成主要由氫、一氧化碳和二氧化碳組成的混合體，以及殘余未經(jīng)轉(zhuǎn)化的甲烷或少量氮。顯然，甲烷和氮不參加甲醇合成反應(yīng)，是惰性氣體，其含量越低越好，但這與制備原料氣的方法有關(guān)。另外，根據(jù)原料不同，原料氣中還可能含

45、有少量有機硫和無機硫的化合物。</p><p>　　為了滿足氫碳比，如果原料氣中氫碳不平衡，當氫多碳少時，則在制造原料氣時，還要補碳，一般采用二氧化碳，與原料同時進入轉(zhuǎn)化設(shè)備，反之，如果碳多，則在以后的工序要脫去多余的碳（以CO2形式）。</p><p>　　2.1.3 造氣工藝概述</p><p>　　反應(yīng)器選擇德士古煤氣化爐，采用水煤漿氣化激冷流程。煤先在球磨機

46、中加水磨成高濃度水煤漿，貯存于煤漿槽中。水煤漿濃度約為70%，加入添加劑以控制水煤漿粘度，提高其穩(wěn)定性，加入堿液及助溶劑，以調(diào)節(jié)煤漿的pH值和灰渣的流動度。</p><p>　　水煤漿通過煤漿泵加壓后與高壓氧氣一起通過燒嘴進入氣化爐，在壓力為6.4MPa、溫度為1300～1500℃下進行氣化反應(yīng)。氧與煤漿的比例是氣化反應(yīng)的重要因素，通過調(diào)節(jié)給料煤漿與氧氣的比例控制反應(yīng)溫度高于煤的灰熔點。離開反應(yīng)室的高溫氣體在激冷

47、器中用水激冷，激冷水由碳洗滌塔引入，氣體被水蒸氣飽和，同時將反應(yīng)中產(chǎn)生的大部分煤灰和少量未反應(yīng)的碳以灰渣形式除去。根據(jù)灰渣粒度大小分為粒渣和細渣兩種，粒渣在激冷器中沉積，通過灰渣鎖斗定期與水一同排入灰渣收集槽，細渣以灰水形式連續(xù)排出。</p><p>　　離開激冷器的粗煤氣通過文丘里洗滌器和洗滌塔除去灰塵和冷卻后去CO變換工序，所得水煤氣的組成為：CO44%～51%，CO213%～18%，H235%～36%，CH

48、40.1%，N20.27%，硫化物0.18%。</p><p>　　德士古煤氣化工藝流程示意圖如圖2-2。</p><p>　　2.1.4 凈化工段</p><p>　　由于水煤漿氣化工序制得粗煤氣的水汽比高達1:4，可以直接進行CO變換，不需加入其他水蒸氣，故先進行部分耐硫變換，將CO轉(zhuǎn)化為CO2，變換氣與未變換氣匯合進入低溫甲醇洗工序，脫除H2S和過量的CO2，

49、最終達到合適的碳氫比，得到合成甲醇的新鮮氣。</p><p>　　CO反應(yīng)式： (2-2)</p><p><b>　　2.2 合成工段</b></p><p>　　經(jīng)過凈化的原料氣，經(jīng)預(yù)熱加壓，于5 MPa、220 ℃下，從上到下進入Lurgi反應(yīng)器

50、，在銅基催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)，出口溫度為250 ℃左右，甲醇7%左右，因此，原料氣必須循環(huán)。</p><p>　　甲醇的合成是可逆放熱反應(yīng)，為使反應(yīng)達到較高的轉(zhuǎn)化率，應(yīng)迅速移走反應(yīng)熱，本設(shè)計采用Lurgi管殼式反應(yīng)器，管程走反應(yīng)氣，殼程走4MPa的沸騰水。</p><p>　　甲醇合成的工藝流程如圖2-3：</p><p>　　這個流程是德國Lurgi公司開發(fā)的甲

51、醇合成工藝，流程采用管殼式反應(yīng)器，催化劑裝在管內(nèi)，反應(yīng)熱由管間沸騰水放走，并副產(chǎn)高壓蒸汽，甲醇合成原料在離心式透平壓縮機內(nèi)加壓到5.2 MPa (以1：5的比例混合) 循環(huán)，混合氣體在進反應(yīng)器前先與反應(yīng)后氣體換熱，升溫到220 ℃左右，然后進入管殼式反應(yīng)器反應(yīng)，反應(yīng)熱傳給殼程中的水，產(chǎn)生的蒸汽進入汽包，出塔氣溫度約為 250 ℃，含甲醇7%左右，經(jīng)過換熱冷卻到40 ℃，冷凝的粗甲醇經(jīng)分離器分離。分離粗甲醇后的氣體適當放空，控制系統(tǒng)中的惰

52、性氣體含量。這部分空氣作為燃料，大部分氣體進入透平壓縮機加壓返回合成塔，合成塔副產(chǎn)的蒸汽及外部補充的高壓蒸汽一起進入過熱器加熱到50 ℃，帶動透平壓縮機，透平后的低壓蒸汽作為甲醇精餾工段所需熱源。</p><p>　　合成主反應(yīng)： (2-3)</p><p>　　主要副反應(yīng)：

53、 (2-4)</p><p><b>　　2.3 精餾工段</b></p><p>　　精餾工段工藝流程圖如圖2-4所示。</p><p>　　本設(shè)計采用三塔精餾工藝流程。此流程采用了有效的精餾方法，從粗甲醇中分離出水、乙醇和其它有機雜質(zhì)，得到的高純度精甲醇產(chǎn)品中甲醇含量達到99.95%。 </p>&

54、lt;p>　　如上圖所示，粗甲醇進入預(yù)精餾塔1前，先在粗甲醇換熱器中，用蒸汽冷凝液將其預(yù)熱至65℃，粗甲醇在預(yù)精餾塔1中除去其中殘余溶解氣體及低沸物。塔頂設(shè)置兩個冷凝器5。將塔內(nèi)上升氣中的甲醇大部分冷凝下來進入預(yù)塔回流槽4，精預(yù)塔回流泵8送入塔1頂作回流。不凝氣、輕組分及少量甲醇蒸汽通過壓力調(diào)節(jié)后至加熱爐作燃料。</p><p>　　預(yù)精餾塔1塔底由低壓蒸汽加熱的熱虹吸式再沸器向塔內(nèi)提供熱量。</p&

55、gt;<p>　　由預(yù)精餾塔1塔底出來的預(yù)后甲醇，經(jīng)加壓塔進料泵升壓后，進入第一主精餾加壓塔2，塔頂甲醇蒸汽進入冷凝再沸器7，即第一精餾加壓塔2的氣相甲醇又利用冷凝潛熱加熱第二精餾常壓塔3的塔釜，被冷凝的甲醇進入回流槽4，在其中稍加冷卻，一部分由加壓塔回流泵8升壓至約0.8MPa送至加壓塔作回流液，其余部分經(jīng)加壓塔精甲醇冷卻器9冷卻至40℃后作為成品送至精甲醇計量槽。</p><p>　　加壓塔2用

56、低壓蒸汽加熱的熱虹吸式再沸器向塔內(nèi)提供熱量，通過低壓蒸汽的加入量來控制塔的操作溫度。加壓塔操作壓力約為0.57MPa，塔頂操作溫度約為121℃，塔底操作溫度約為127℃。</p><p>　　由加壓塔2塔底排出的甲醇溶液送至第二主精餾常壓塔3下部。從常壓塔塔頂出來的甲醇蒸汽經(jīng)常壓塔冷凝器冷凝冷卻到40℃后，進入常壓塔回流槽，再經(jīng)常壓塔回流泵加壓，一部分送至常壓塔塔頂作回流，其余部分送至精甲醇計量槽。常壓塔塔頂操作

57、壓力約為0.006MPa，塔頂操作溫度約為65.9℃，塔底操作溫度約94.8℃。</p><p>　　常壓塔的塔底殘夜另由汽提塔進料泵加壓后進入廢水汽提塔，塔頂蒸汽經(jīng)汽提塔冷凝器冷凝后，進入汽提塔回流槽，由汽提塔回流泵加壓，一部分送廢水汽提塔塔頂作回流，其余部分經(jīng)汽提塔甲醇冷卻器冷卻器冷卻至40℃，與常壓塔3采出的精甲醇一起送至產(chǎn)品計量槽。如果采出的精甲醇不合格，可將其送至常壓塔進行回收，以提高甲醇蒸汽的回收率。

58、</p><p>　　汽提塔塔底用低壓蒸汽加熱的熱虹吸式再沸器向塔內(nèi)提供熱量，塔底下部設(shè)有測線，采出部分雜醇油，并與塔底排出的含醇廢水一起進入廢水冷卻器冷卻到40℃，由廢水泵送至污水生化處理裝置。</p><p><b>　　第3章 工藝計算</b></p><p>　　3.1 甲醇生產(chǎn)的物料平衡計算</p><p>　

59、　3.1.1 合成塔物料平衡計算</p><p>　　已知：年產(chǎn)100000噸精甲醇，每年以320個工作日計算。</p><p>　　精甲醇中甲醇含量（wt):99.95%</p><p>　　粗甲醇組成（wt)[lurgi低壓合成工藝]</p><p><b>　　甲醇：93.98%</b></p>&l

60、t;p><b>　　二甲醚：0.2%</b></p><p><b>　　異丁醇：0.02%</b></p><p><b>　　水：5.8%</b></p><p>　　所以，時產(chǎn)精甲醇： </p><p>　　時產(chǎn)粗甲醇：

61、 </p><p>　　根據(jù)粗甲醇組分，算得各組分的生成量為：</p><p>　　CH3OH(32) 13014.32kg/h 406.70kmol/h 9110.02m3/h</p><p>　　(CH3)2O(46) 27.70kg/h 0.60kmol/h 13.49m3

62、/h</p><p>　　C4H9OH(74) 2.77kg/h 0.037kmol/h 0.84m3/h</p><p>　　H2O(18) 803.18kg/h 44.62kmol/h 999.51m3/h</p><p>　　合成甲醇的化學反應(yīng)為：</p><p>　　主

63、反應(yīng)： (3-1)</p><p>　　副反應(yīng)： (3-2)</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p><b>　　(3-4)</b></p><p

64、><b>　　(3-5)</b></p><p>　　生產(chǎn)中，測得每生產(chǎn)1噸粗甲醇生成甲烷7.56m3，即0.34kmol,故CH4每小時生成量為：7.56×13.84797=104.69m3，即4.67kmol,74.78kg。</p><p>　　忽略原料氣帶入份，根據(jù)(3-2),(3-3),(3-4)得反應(yīng)(3-5)生成的水的量為：44.62-0

65、.60-0.037×3-4.67=39.239kmol/h，即在CO逆變換中生成的水為39.239kmol/h,即878.95m3/h。</p><p>　　5.06MPa,40℃時各組分在甲醇中的溶解度見表3-1。</p><p>　　表3-1 5.06MPa,40℃時各組分在甲醇中的溶解度</p><p>　　根據(jù)以上計算，則粗甲醇生產(chǎn)消耗量及生產(chǎn)量

66、及組成見表3-2。</p><p>　　表3-2甲醇生產(chǎn)消耗量和生成物料量及組成</p><p><b>　　續(xù)表3-2</b></p><p>　　設(shè)新鮮氣量為G新鮮氣，馳放氣為新鮮氣的9%。</p><p>　　(3-6) </p><p>　　表3-3 新鮮氣組成</

67、p><p>　　測得，甲醇合成塔出塔氣中含甲醇7.12%。設(shè)出塔氣量為G出塔。又知醇后氣中含醇0.61%。</p><p>　　所以： (3-7)</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p><b>　　(3-9) &l

68、t;/b></p><p>　　甲醇生產(chǎn)循環(huán)氣量及組成見表3-4。</p><p><b>　　(3-10)</b></p><p>　　表3-5 甲醇生產(chǎn)入塔氣流量及組成</p><p>　　又由 (3-11)</p>

69、<p><b>　　得表3-6。</b></p><p>　　表3-6 甲醇生產(chǎn)出塔氣流量及組成</p><p>　　甲醇分離器出口氣體和液體產(chǎn)品的流量及組成見表3-7。</p><p>　　表3-7 甲醇分離器出口氣體和液體產(chǎn)品的流量及組成</p><p><b>　　續(xù)表3-7</b&g

70、t;</p><p>　　3.1.2 甲醇精餾的物料平衡計算</p><p>　　已知：精甲醇的甲醇質(zhì)量分數(shù)為99.95%</p><p>　　表3-8 粗甲醇組成表</p><p>　　3.1.2.1 預(yù)塔的物料衡算</p><p><b>　　(1) 進料</b></p>&l

71、t;p>　　A 粗甲醇： </p><p>　　B 堿液：為了防止工藝管路和設(shè)備的腐蝕，先以8%的氫氧化鈉溶液和粗甲醇中的酸性物質(zhì)反應(yīng)，使其呈弱堿性。每噸粗甲醇的耗堿量按0.1g計算。</p><p>　　則消耗氫氧化鈉： </p>

72、<p>　　換成堿液： </p><p>　　C 軟水：軟水的加入量按精甲醇的20%計，則需補加軟水:</p><p>　　將以上計算結(jié)果列表3-9。</p><p>　　表3-9 預(yù)塔進料組成表</p><p><b>　　續(xù)表3-9</b&

73、gt;</p><p><b>　　(2)出料</b></p><p>　　A 塔底： 甲醇 13014.32kg/h</p><p>　　B 塔底水：粗甲醇含水 803.18kg/h</p><p>　　堿液帶水：15.925kg/h</p><p>　　軟水：2588.24kg/h</

74、p><p>　　合計：3407.345kg/h</p><p>　　C 塔底異丁醇及高沸物：2.77kg/h</p><p>　　D 塔頂二甲醚及低沸物：27.70kg/h</p><p>　　表3-10 預(yù)塔塔頂及塔底物料量</p><p>　　3.1.2.2 主塔的物料平衡</p><p>　　

75、按照加壓塔和常壓塔的采出量之比2:3計算，常壓塔釜液含甲醇1%。</p><p><b>　　(1) 進料</b></p><p>　　A 加壓塔：預(yù)后粗甲醇 16453.52kg/h</p><p>　　B 常壓塔： </p><p><b>　　(2) 出料</b><

76、/p><p>　　A 加壓塔：塔頂 </p><p>　　塔釜 </p><p>　　B 常壓塔：塔頂 </p><p>　　塔釜 甲醇 99.32kg/h</p><p>　　水 3407.345kg/h</p>

77、<p>　　NaOH 1.385kg/h</p><p>　　高沸物 2.77kg/h</p><p>　　根據(jù)以上計算得到表3-11。</p><p>　　表3-11 甲醇精餾塔物料平衡匯總（單位：kg/h)</p><p>　　第4章 常壓精餾塔計算</p><p>　　已知：（1）要求精甲醇的純度為

78、質(zhì)量分數(shù)99.95%。</p><p>　　（2）操作條件：進料壓力 110kPa</p><p>　　冷凝器壓力 130kPa</p><p>　　再沸器壓力 110kPa</p><p><b>　　進料溫度 70℃</b></p><p><b>　　塔頂溫度 65℃</b&

79、gt;</p><p><b>　　塔底溫度 100℃</b></p><p><b>　　回流液溫度 40℃</b></p><p><b>　　4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)</b></p><p>　　常壓塔進料的液相中甲醇的含量: </p><p&g

80、t;　　查甲醇-水溶液氣液平衡表，得到對應(yīng)氣相中甲醇的含量為0.87。</p><p>　　原料液中甲醇的摩爾分數(shù)： </p><p>　　精甲醇中甲醇的摩爾分數(shù)： </p><p>　　殘夜中甲醇的摩爾分數(shù)： </p><p>　　精甲醇中甲醇

81、的摩爾分數(shù)：</p><p>　　進料液相中甲醇的摩爾分數(shù)： </p><p>　　殘液中甲醇的摩爾分數(shù)：</p><p>　　進料液的平均摩爾質(zhì)量：</p><p>　　4.2 塔板數(shù)的計算</p><p>　　4.2.1 處理能力</p><p><b>　　精餾段

82、物料量：</b></p><p><b>　　提餾段物料量：</b></p><p>　　4.2.2 最小理論板數(shù)</p><p>　　先求平均相對揮發(fā)度：</p><p>　　查資料得到以下數(shù)據(jù)：</p><p>　　表4-1 甲醇和水的物性數(shù)據(jù)</p><p&g

83、t;　　由公式 (4-1) </p><p><b>　　得： </b></p><p>　　平均相對揮發(fā)度： (4-2)</p><p><b>　　已知：，</b></p><p&

84、gt;<b>　　根據(jù)芬斯克公式：</b></p><p><b>　　(4-3) </b></p><p>　　4.2.3 最小回流比</p><p>　　(4-4) </p><p>　　因為是飽和液體進料，所以</p><p>　　(4-5)

85、 </p><p>　　取操作回流比 </p><p>　　4.2.4 理論板數(shù)</p><p><b>　　由，查吉利蘭圖得到</b></p><p><b>　　其中</b></p><p>　　解得（不

86、包括再沸器） </p><p>　　4.2.5 進料位置</p><p>　　(4-6) </p><p><b>　　前已查出,，解得</b></p><p>　　故加料板為從塔頂往下的第10層理論板。</p>

87、;<p>　　4.2.6 全塔效率的估算</p><p>　　全塔平均溫度為：℃ </p><p>　　在溫度82.5℃下查得水的粘度為0.3457mPa·s</p><p>　　水的飽和蒸汽壓為52.36kPa</p><p>　　甲醇的粘度為0.28mP

88、a·s</p><p>　　甲醇的飽和蒸汽壓為196.133kPa</p><p>　　則： (4-7) </p><p>　　全塔效率為： (4-8) </p><p>　　所以，實際進料板：9.1

89、76/47.28%=19.4 ，圓整后取20塊。</p><p>　　實際塔板數(shù)：15.57/47.28%=32.9 ，圓整后取33塊。</p><p>　　4.3 精餾段與提餾段的體積流量</p><p><b>　　4.3.1 精餾段</b></p><p>　　已知精餾段的數(shù)據(jù)如下表4-2。</p>

90、<p>　　表4-2 精餾段數(shù)據(jù)</p><p>　　液相平均摩爾質(zhì)量 </p><p>　　液相平均溫度 ℃ </p><p>　　在平均溫度67.5℃下查得，</p><p>　　那么液相平均密度為

91、 (4-9) </p><p>　　那么，精餾段的液相負荷為：</p><p>　　(4-10) </p><p>　　氣相平均摩爾質(zhì)量為 </p><p>　　若氣體為理想氣體，在均溫67.5℃，均壓130kPa下，<

92、;/p><p>　　氣相平均密度為 </p><p>　　精餾段的氣相負荷為：</p><p>　　(4-11) </p><p>　　精餾段的負荷情況列表4-3。</p><p>　　表4-3 精餾段的氣、液相負荷表</p>

93、<p><b>　　續(xù)表4-3</b></p><p><b>　　4.3.2 提餾段</b></p><p>　　整理提餾段的數(shù)據(jù)于表4-4。</p><p>　　表4-4 提餾段數(shù)據(jù)</p><p>　　液相平均摩爾質(zhì)量： </p><p>　　平均溫

94、度：℃ </p><p>　　在平均溫度85℃下，，</p><p>　　液相平均密度為： </p><p>　　提餾段的液相負荷： (4-12)</p><p>　　氣相平均摩爾質(zhì)量：

95、 </p><p>　　若氣體為理想氣體，在平均溫度85℃，平均壓力130kPa下，</p><p>　　氣相平均密度： </p><p><b>　　提餾段的氣相負荷：</b></p><p>　　提餾段的負荷如表4-5。</p>&l

96、t;p>　　表4-5 提餾段的氣、液相負荷</p><p><b>　　4.4 塔徑計算</b></p><p>　　本設(shè)計采用F1重型浮閥塔，全塔選用標準結(jié)構(gòu)，板間距，板上液層高度。采用F1型重閥的質(zhì)量為0.033kg,孔徑為0.039m。</p><p><b>　　4.4.1 精餾段</b></p>

97、<p>　　(1) 求操作負荷系數(shù)C</p><p>　　精餾段功能參數(shù)： (4-13)</p><p>　　塔板間有效高度： (4-14)</p><p>　　根據(jù)史密斯圖查得符合系數(shù)</p><p>　　又查得67.5℃時，甲醇的表面張力為0.017

98、6N/m</p><p>　　水的表面張力為0.06478N/m</p><p>　　精餾段甲醇水溶液的平均摩爾組成為：</p><p><b>　　甲醇：</b></p><p><b>　　水： </b></p><p><b>　　表面張力：</b&g

99、t;</p><p>　　所以， (4-15)</p><p><b>　　(2) 最大流速</b></p><p><b>　　(4-16)</b></p><p>　　取安全系數(shù)為0.8，則空塔氣速為：</p><p>

100、<b>　　(3) 求塔徑D</b></p><p><b>　　(4-17)</b></p><p><b>　　4.4.2 提餾段</b></p><p>　　(1) 求操作符合系數(shù)C</p><p><b>　　提餾段功能參數(shù)：</b></p&

101、gt;<p>　　查史密斯圖得符合系數(shù)</p><p>　　又查得85℃時，甲醇的表面張力為0.0161N/m</p><p>　　水的表面張力為0.06165N/m</p><p>　　提餾段甲醇水溶液的平均摩爾組成為：</p><p><b>　　甲醇：</b></p><p>

102、<b>　　水： </b></p><p><b>　　表面張力：</b></p><p><b>　　所以，</b></p><p><b>　　(2) 最大流速</b></p><p>　　取安全系數(shù)為0.8，則空塔氣速為：</p>&

103、lt;p><b>　　(3) 求塔徑D</b></p><p><b>　　對全塔，取塔徑為</b></p><p><b>　　4.5 塔內(nèi)件設(shè)計</b></p><p>　　4.5.1 溢流堰的設(shè)計</p><p>　　在精餾塔中，塔板上的堰可以保持塔板上有一定的清液

104、高度。倘若過高，那么霧沫夾帶嚴重；過低，則氣液接觸時間短，這樣的話，都會使塔板的效率降低。</p><p>　　該設(shè)計可以取清液層高度，選用單溢流弓形降液管，不設(shè)進口堰。</p><p>　　4.5.2 溢流裝置</p><p><b>　　(1) 堰長</b></p><p><b>　　取堰長</b&

105、gt;</p><p><b>　　(2) 出口堰高</b></p><p><b>　　(4-18)</b></p><p>　　采用平直堰，堰上液層高度 (4-19)</p><p><b>　　近似取，</b><

106、;/p><p><b>　　則</b></p><p>　　(3) 弓形降液管寬度和面積</p><p>　　由，查弓形降液管的寬度和面積圖，得</p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　，</b></p><p

107、><b>　　所以，，</b></p><p>　　液體在降液管中停留時間，即 (4-20)</p><p><b>　　精餾段：</b></p><p><b>　　提餾段：</b></p><p>　　(4)

108、降液管底隙高度</p><p><b>　　(4-21)</b></p><p>　　取降液管底隙處流體流速，則</p><p><b>　　精餾段：</b></p><p><b>　　提餾段：</b></p><p>　　4.5.3 塔板布置及浮閥數(shù)

109、目與排列</p><p><b>　　塔的平均蒸汽流量：</b></p><p><b>　　塔的平均液相流量：</b></p><p><b>　　塔的氣相平均密度：</b></p><p><b>　　塔的液相平均密度：</b></p>

110、<p>　　塔的液相平均表面張力：</p><p><b>　　取閥孔動能因子</b></p><p>　　孔速 (4-22)</p><p>　　每層塔板上的浮閥數(shù) (4-23)</p><p>　　

111、考慮到塔的直徑較大，必須采用分塊式塔盤。</p><p>　　取邊緣區(qū)寬度，破沫區(qū)寬度，則塔板上鼓泡區(qū)面積為</p><p><b>　　(4-24)</b></p><p>　　浮閥排列方式采用等邊三角形排列，取孔中心距</p><p>　　篩孔數(shù)目 (4-

112、25)</p><p>　　按重新核算孔速及閥孔動能因子：</p><p>　　閥孔動能因子變化不大，仍在9～12范圍內(nèi)。</p><p>　　實際空塔氣速 (4-26)</p><p>　　塔板開孔率

113、(4-27)</p><p>　　4.6 塔板流體力學驗算</p><p>　　4.6.1 塔板壓降</p><p><b>　　(4-28)</b></p><p><b>　　(4-29)</b></p><p><b>　　(1) 干板阻力</b>

114、</p><p>　　臨界孔速 (4-30)</p><p><b>　　因為，故</b></p><p><b>　　(4-31)</b></p><p>　　(2) 板上充氣液層阻力</p><p>　　本設(shè)備分離甲醇

115、和水的混合液，即液相為碳氫化合物，可取充氣系數(shù)。</p><p><b>　　(4-32)</b></p><p>　　(3) 液面表面張力所造成的阻力</p><p>　　此阻力很小，忽略不計。</p><p>　　因此，與氣體流經(jīng)一層浮閥塔板的壓強降所相當?shù)囊褐叨葹?lt;/p><p>　　則單

116、板壓降 (4-33)</p><p><b>　　4.6.2 液泛</b></p><p>　　為了防止液泛現(xiàn)象的發(fā)生，要求控制降液管中清液層高度</p><p><b>　　(4-34)</b></p><p><b>　　(4-35)</b&

117、gt;</p><p>　　(1) 與氣體通過塔板的壓強降所相當?shù)囊褐叨?lt;/p><p>　　(2) 液體通過降液管的壓頭損失</p><p>　　因不設(shè)進口堰，故 (4-36)</p><p>　　(3) 板上液層高度</p><p><b>　　則 </b></p>&l

118、t;p><b>　　取，，</b></p><p><b>　　則 </b></p><p>　　，符合防止液泛的要求。</p><p>　　4.6.3 霧沫夾帶</p><p>　　泛點率 (4-37)</p>&

119、lt;p>　　及泛點率 (4-38)</p><p>　　板上液體流經(jīng)長度 </p><p><b>　　板上液流面積 </b></p><p>　　甲醇和水為正常系統(tǒng)，取物性系數(shù)，查泛點負荷系數(shù)圖，得。</p>

120、<p>　　代入式①，得泛點率 </p><p><b>　　代入式②，得泛點率</b></p><p>　　根據(jù)兩式計算出的泛點率都在8

121、0%以下，故可知霧沫夾帶量能夠滿足的要求。</p><p>　　4.7 塔板負荷性能圖</p><p>　　4.7.1 霧沫夾帶線</p><p><b>　　泛點率 </b></p><p>　　按泛點率為80%計算如下：</p><p>　　整理，得：

122、 (1)</p><p>　　由式(1)知霧沫夾帶線為直線，則在操作范圍內(nèi)任取兩個值，依式(1)算出相應(yīng)的值列于表4-6中。據(jù)此，可作出霧沫夾帶線(1)。</p><p>　　表4-6 霧沫夾帶線數(shù)據(jù)</p><p><b>　　4.7.2 液泛線</b></p><p><b>　　，忽略，則</b

123、></p><p>　　因物系一定，塔板結(jié)構(gòu)尺寸一定，則等均為定值，而，式中亦為定值，因此可將上式簡化成的如下關(guān)系式：</p><p><b>　　(2)</b></p><p>　　在操作范圍內(nèi)任取若干個值，依式(2)算出相應(yīng)的值列于表4-7中。</p><p>　　表4-7 液泛線數(shù)據(jù)</p>&

124、lt;p>　　據(jù)表中數(shù)據(jù)作出液泛線(2)。</p><p>　　4.7.3 液相負荷上限線</p><p>　　液體的最大流量應(yīng)保證在降液管中停留時間不低于3～5s。液體在降液管內(nèi)停留時間為 。</p><p>　　以作為液體在降液管中停留時間的下限，則 </p><p><b>　　(3)</b></

125、p><p>　　求出上限液體流量值（常數(shù)）。在圖上液相負荷上限線為與氣體流量無關(guān)的豎直線(3)。</p><p><b>　　4.7.4 漏液線</b></p><p>　　對于F1型重閥，依計算，則。又知，則得。</p><p>　　以作為規(guī)定氣體最小負荷的標準，則</p><p><b>