关于年产40万吨煤制甲醇合成塔设计化学工程与工艺专业.doc

摘 要 甲醇不单单是一种有机物燃料也是化工生产的重要原料，有很大的市场。且随着甲醇汽油在国内的推广使用，未来甲醇的下游需要量肯定会大量增加。甲醇汽油的推广及劣质煤生产甲醇都能缓解现在的环境问题。甲醇不仅作为最有希望代替汽油的清洁燃料，而且由于其在许多工业生产中使用范围广，使的人们越来越关注甲醇的发展。甲醇反应合成塔是合成甲醇的过程中最重要的一个设备，它的选择是否经济、合理将直接影响甲醇生产。本设计选用的甲醇合成塔是德国Lurgi公司的固定管板列管甲醇合成反应器双塔并联生产，采用低压合成法工艺，使用国产的XNC-98型催化剂进行设计。 本论文对年产40万吨甲醇合成塔进行设计。对合成塔进行了物料和热量衡算。 　 关键词：甲醇；合成塔；设计；衡算 III 目 录 摘要 I 目录 II 第一章 绪 论 1 1.2甲醇的性质及用途 1 1.2.1甲醇的性质 1 1.2.2甲醇的用途 1 1.3国内外研究现状 2 1.4设计的目的和意义 3 第二章 甲醇的合成 5 2.1制备方法 5 2.2甲醇合成工艺的选择 5 2.3甲醇合成塔的选择 6 2.3.1国内外常用的甲醇合成反应器 6 2.3.2甲醇合成塔的选用原则 7 2.4甲醇合成催化剂的选用 7 第三章 工艺计算 10 3.1甲醇合成工艺 10 3.2甲醇合成塔的物料衡算 10 3.2.1基础数据 10 3.2.2合成塔的物料衡算 11 3.3热量衡算 18 3.3.1合成塔的热平衡计算 18 3.3.2甲醇水冷器的热量计算 21 第4章 甲醇合成塔的设计计算 24 4.1甲醇合成工艺参数 24 4.2传热面积的计算 24 4.3催化剂用量的计算 24 4.4传热管数的计算 24 4.5管子排列方式，管间距的计算 25 4.6壳体直径的计算 25 4.7合成塔壳体厚度的计算 25 4.8合成塔封头的计算 26 4.9封头与壳体的连接形式 26 4.10反应管与管板的连接结构设计 26 4.11管法兰的选用 26 4.12管子拉脱力的计算 26 4.13折流板的计算 28 4.14管板的计算 28 4.15容器的开孔补强 28 4.16支座的计算 28 4.17人孔的计算 28 结论 30 参考文献 31 致谢 33 第一章 绪 论 1.2甲醇的性质及用途 1.2.1甲醇的性质 甲醇（Methanol，CH₃OH）又名木醇是重要的化工原料和燃料，是结构最为简单的饱和一元醇[1]。常温常压下熔点-93.9℃；沸点为64.7℃[2]；密度0.7914g/cm3。易挥发的无色透明液体且有特殊香味[3]。甲醇具有很强的毒性，人体中毒最低剂量约为600mg（以60kg为基准计算）。甲醇的性质决定了它能与水和大多数有机溶剂混溶，故可用作有机物的萃取剂。甲醇具有较为活跃化学性质，可由一氧化碳与氢气发生反应制取，结构式如下： 图1-2-1 甲醇 1.2.2甲醇的用途 目前，甲醇作为基本的化工原料不单单是用于制造甲醛、醋酸、氯甲烷等多种有机产品而已，尤其在精细化工；医药；农林产品加工等行业也使用广泛。同时甲醇本身也是一种能源，甲醇燃料富含氧，它的燃烧过程比汽油彻底，可以明显降低排放尾气中CH、CO及NO含量，由于这个原因甲醇-汽油的混合燃料也越来越受国内外政府和环保机构的关注。 甲醇可用作清洗去油剂：甲醇是一种溶剂，其不仅可以溶解涂料、染料、醋酸纤维素、硝酸纤维素等。还可溶解许多无机盐。 1.3国内外研究现状 甲醇合成兴起于20世纪之初。20世纪后半叶英国ICI公司研发出了低压甲醇反应合成工艺。所有的中压法甲醇生产合成工艺和低压法甲醇生产合成工艺的装置及过程大同小异主要区别是反应器的设计方式不相同以及反应热的移走和回收办法不同。除此之外各种甲醇生产合成方法所用的催化剂也是各不相同。为了更好的合成甲醇国内外设计开发了多种类型的甲醇合成塔。世界上目前的甲醇合成装置多种多样，大致可归纳为以下几种：冷激式合成塔其代表为英国ICI公司的工艺 此法结构简单易于大型化，但已较少使用。固定管板列管合成塔，如德国Lungi公司的甲醇生产合成方案。此法能有效除去的热量且副产中压蒸汽单程转化率高，杂质生成少、触媒使用寿命长、碳的转化率高；但制作困难，投资高。日本东洋工程的MRF--Z反应器（提高催化剂寿命、气体分布均匀、有利于实现大型化；但其MRF--Z反应器结构麻烦制造成本高）。 还有水管式合成塔、冷管式合成塔、多床内换热式合成塔以及丹麦Topsdpe公司的的径向流动反应合成方案。 另外还有，我们本国自己研发拥有自主知识产权的绝热等温混合型甲醇合成方案。此反应器由西南化工研究设计院带头与华东理工和鲁南化肥厂联合开发。反应器基本为列管式反应器此套方案不单承继了I.C.I反应器催化剂装填系数大和Lurgi反应器催化剂床层温差小的优点而且它的合成效率高于冷激型并可副产低压蒸汽。已建成鲁南化肥年产100000吨甲醇和上海焦化年产200000吨甲醇项目。且两个项目运行都非常成功。但因设备构造，安装温度计的位置只能在进出口。所以对轴向温差难以进行控制且该装置成本略高，未建设过高于200000吨规模合成塔，所以经验不足[4]。 虽然有种类如此之多的甲醇生产合成方案但一氧化碳单程转化率比较低，可是近年国际上研发的一些新技术已慢慢克服了传统法合成甲醇工艺的缺点。新的研究成果如GSSTFR、RSIPR、气-液相并存式反应器和浆态床甲醇生产合成方案。 1.4设计的目的和意义 由于经济的飞速发展，人们对能源的需求越来越大，但一次能源如化石能源石油、天然气却越来越少能源问题捉襟见肘。于是在化工、轻工、医药等许多工业中广泛应用的，甲醇越来越受到人们的关注甲醇是重要的基础化工原料，在世界范围内的化工产品中，其产量仅次于乙烯、丙烯和苯，居第四位。广泛用于有机中间体、医药、农药、染料、涂料、塑料、合成纤维、合成橡胶等其它化工生产中，并还用作溶剂和工业及民用燃料等。目前甲醇用于化工生产的产品达数百种，主要衍生物有：甲醛、甲基叔丁基醚、醋酸、甲胺、二甲醚、甲酸甲酯、硫酸二甲酯、对苯二甲酸二甲酯、甲基丙烯酸甲酯、氯甲烷类、合成燃料等。近二十年来，世界甲醇工业与天然气的开发同步发展，新建装置大多建在天然气资源丰富的国家或地区。由于这些国家或地区的需求有限，因此大量的甲醇出口到美国、西欧和日本，而美国、西欧和日本的甲醇装置由于经济性的原因，已逐步减产或关闭，转而进口甲醇。如日本曾是世界主要的甲醇生产国，到现在已无甲醇生产，预计这种趋势将会进一步发展。 预计在今后一段时期内世界甲醇的生产能力仍将有较大的增长，特别是在中东等天然气资源丰富的国家或地区。这些国家将利用当地廉价的油气资源，建设一系列超大型的甲醇生产装置。国内市场分析 国内甲醇生产现状 2004年中国甲醇生产能力已达600万吨/年，生产装置200多套，产量为440.64万吨。单套最大规模是上海焦化有限公司和榆林天然气化工厂的20万吨/年甲醇装置。10-20万吨/年规模的有18套，5~10万吨/年（不含10万吨/年）的有20多套。其余小甲醇多是煤头的联醇装置。 甲醇反应合成塔是甲醇合成的最重要设备，它的选择是否经济、合理将直接影响甲醇生产。虽然甲醇工业从20世纪初期就开始发展，到现在已经100多年，已经有各式各样的甲醇反应合成装置及生产工艺，但是目前的甲醇反应合成装置仍然具有各自的短板和缺陷。甲醇反应合成装置依然有很大的改进空间。比如现在的甲醇合成装置普遍存在一氧化碳单程转化率比较低的情况。 众所周知德国Lurgi公司的管壳式合成塔能有效除去的热量且副产中压蒸汽单程转化率高杂质生成少触媒使用寿命长以及碳的转化率高,已在国内不少甲醇厂使用。但在大型甲醇生产合成方案中中因其结构较为复杂，反应管数也比其他甲醇生产合成方案多，不单体积大而且投资很高。国内目前的甲醇反应合成方案中这种工艺单塔最大生产能力为1250吨/每天。如果增加产量则增加反应器直径且管长只能做到十米，难以制造和设计。故Lurgi公司提出了塔并联流程。 本设计所采用正是Lurgi公司的式合成塔，双塔并联生产，管间通沸腾水移走反应热。管内装国产XCN-98型催化剂为合适配比的原料气提供了反应空间。设计日产量1333吨，单塔日产量667吨。 本次设计为国内大型甲醇生产装置的研究提供了新的研究思路和基础数据。填补了国内Lurgi管壳式合成塔双塔并联生产的空白。也让我对甲醇合成塔的结构及其工作原理有了更深刻的认识，同时了解了国内外甲醇合成装置的发展现状与前景。 也让我将所学知识与实践相结合起来，有了更加清晰地把握与认识。锻炼了我克服困难的能力和勇气。 第二章 甲醇的合成 2.1制备方法 甲醇合成法是将合成气在铜基催化剂上反应制得的。 合成的主反应为： 2H2+CO⇌CH3OH[5] CO2+3H2⇌CH₃OH+H2O 副反应主要有： CO+3H2⇌CH4+H2O 2CO+4H2⇌（CH3）2O+H2O 2CO+4H2⇌C2H5OH+H2O 4CO+8H2⇌C4H9OH+3H2O 此外，还有甲酸甲酯，乙酸甲酯及其它高级醇、高级烷烃类生成 合成甲醇以煤为原料，经造气工艺、净化工艺、变换工艺，除去二氧化碳，配制成CO:H2=1：2.05的合成气[6]。再经合成工艺、精馏工艺生产出符合要求的CH₃OH。 2.2甲醇合成工艺的选择 甲醇合成目前世界上大致一共有高压法、中压法和低压法三种甲醇生产合成方案[4]。下面是三种工艺的对比: 表2-1 工艺对比 压力/MPa 温度/℃ 催化剂 安全性 经济性 高压法 25-30 360-400 锌铬催化剂 低 低 中压法 10左右 270左右 高活性的铜基催化剂 较高 高 低压法 5左右 240-270 高活性的铜基催化剂 高 高 由于髙压法投资高、安全性差、原料及能源消耗大，且生成的粗甲醇纯度不够含有大量杂质，故一般不选用。中、低压甲醇生产合成方案可以在相对比较低压力下获得相对比较高的甲醇收率，而且选择性好，副反应少并减少了原料消耗已被广泛采用[7]。但是由于中压法必然性的提高了反应压力所以动力的消耗有所增加。 通过对比选择，本设计采用低压法制取甲醇。 2.3甲醇合成塔的选择 2.3.1国内外常用的甲醇合成反应器 甲醇反应合成塔结构分为外筒、内件和电加热器三部分而内件由催化剂筐和换热器两部分构成。根据催化剂筐和换热器结构形式和气体在催化剂床层空间内的流动方向，催化剂筐内反应热回收方式不同，换热器的形式等归纳起来甲醇合成塔大体分为五种[8]： (1) 冷激式合成塔 作为最早的低压甲醇合成塔，这种甲醇生产合成方案运用的是进塔的低温流体以冷激的方式来移走反应所产生能量。虽然该塔结构简单能适用于大型化但较低的转化率以及高能耗，制约了其发展，己基本淘汰。 (2) 冷管式合成塔 此种甲醇反应合成装置来源于氨合成塔，其装置内为催化剂设置了大量的冷气管来移走反应产生的热量。虽然此种甲醇合成装置经过多次改进后已经有较高的转化率，但是只能副产0.4MPa低压蒸汽所以能源利用效率不高，故该塔使用较少。 (3) 水管式合成塔 此种甲醇反应合成装置把冷管式合成塔床层内的传热管内走的冷气改为走沸腾水较大地提高了传热系数更利于反应热移走同时减少了换热面积，并增加了催化剂装入量，此套甲醇生产合成方案可得到副产中压蒸汽（2.5MPa～4.0MPa）适用于生产合成量大的生产合成装置。 (4) 固定管板列管合成塔 此种甲醇反应合成装置用的是列管换热器催化剂装在管内部，换热则是通过管壁与管间的流体带走能量进行换热。此套甲醇生产合