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1、 年产22万吨甲醇合成工艺设计 The Synthesis Process Design of 220kt/a Methanol 目录摘要IAbstractII引言1第1章 综述21.1甲醇的性质2 1.1.1物理性质2 1.1.2化学性质3 1.1.3甲醇的毒性41.2甲醇的用途41.3生产甲醇的原料51.4甲醇产业在中国的前景61.5甲醇生产工艺的发展61.6 甲醇生产相关技术的展望7第2章 甲醇的合成工艺确定82.1甲醇合成的方法82.2甲醇合成反应的主要原理82.3甲醇的工艺流程92.4甲醇合成塔的选择11第3章 工艺计算143.1 甲醇生产的物料平衡计算143.2 热量衡算20 3.
2、2.1 合成塔的热平衡计算20 3.2.2 甲醇水冷器的热量计算23第4章 甲醇合成塔的设计计算264.1已知条件264.2传热面积的确定264.3催化剂用量的确定264.4传热管数的确定264.5管子排列方式，管间距的确定274.6壳体直径的确定274.7合成塔壳体厚度的确定274.9封头与壳体的连接形式284.10反应管与管板的连接结构设计284.11管法兰的选用284.12管子拉脱力的计算284.13折流板的确定294.14管板的确定304.15容器的开孔补强304.16支座的确定304.17人孔的确定30结论32致谢33参考文献34附录36 年产22万吨甲醇合成工艺设计摘要：甲醇是一种
3、长久使用的传统化工产品，同时也是一种符合现代“清洁工艺”要求的环保型化工原料，受到了国内外化工界的广泛重视。设计选用煤为原料生产甲醇，其生产工序主要包括：燃料的气化，气体的脱硫，变换，甲醇合成与精馏制得精甲醇。本设计主要是进行甲醇的合成工艺设计。结合国内外的实际情况，选择了低压Lurgi合成工艺，所得的甲醇纯度为93.01%。设计中对整个工艺进行了衡算和设备计算。通过物料衡算可知要生产22万t/a的甲醇，即21378.20Nm3/h，需要 74729.58Nm3/h的新鲜气；通过热量衡算可知甲醇合成塔反应放出热量为94314419.43KJ/h，热量损失为13922383.43KJ/h，蒸汽吸
4、收为73286557.96 KJ/h；通过对主体设备甲醇合成塔的设计选型，选择管壳式反应器，确定壳体直径2600mm，厚度46mm，合成塔高度12000mm，传热管根数为2797根，选用规格为322.5，长度为9000mm的不锈钢管。关键词：甲醇 合成 工艺 The Synthesis Process Design of 220kt/a Methanol Abstract: As the traditional chemical products , methanol has been used for a long time, At the same time, it meet the re
5、quirements of the modern clean technology ,it is a kind of environmental friendly chemical raw materials and have the chemical sector at home and abroad extensive attention. The coal is choosed as raw material to produce methanol, the main production processes include:fuel gasification, gas desulfur
6、ization, conversion, methanol synthesis and methanol distillation system. The methanol synthesis process is mainly for designed. Combined with the actual situation at home and abroad, the low pressure Lurgi in synthesis process is choosed, and the purity of methanol was 93.01%. The balance to the wh
7、ole process and equipment is designed. Through the material balance is known to produce 220kt/a methanol, namely 21378.20 Nm3 / h, 74729.58 Nm3 / h of fresh air; Through the heat balance the methanol synthesis tower gives off heat reaction is 94314419.43 KJ/h, heat loss is 13922383.43 KJ/h, the stea
8、m absorption is 73286557.96 KJ/h; Through to the main equipment design selection, methanol synthesis tower choose tubular reactor, determine shell diameter 2600 millimetre , thickness is 46 millimetre, synthetic tower height 12000 millimetre, The number of the pipe is 2797 root, specifications stain
9、less steel tube for 32 x 2.5 and 9000 millimetre is choosed. Keywords: methanol synthesis process 引言甲醇是一种有着广泛用途的重要的有机化工原料，甲醇工业生产对其他相关工业和国民经济的发展都有着重要意义。甲醇是一种重要基本有机化工原料和溶剂，在世界上的消费量仅次于乙烯、丙稀和苯。甲醇可用于生产甲醛、甲酸甲酯、香精、染料、医药、火药、防冻剂、农药和合成树脂等；也可以替代石油化工原料，用来制取烯烃（MTP、MTO）和制氢（MTH）；还广泛用于合成各种重要的高级含氧化学品如醋酸、酸酐、甲基叔丁基醚(MT
10、BE)等。甲醇化工是许多工业国家竞相开发的一个十分重要的领域，它的研究与发展对于各国工业有着深远的影响。随着经济全球化进程的发展，21世纪的化学工业，其产业结构正在不断调整，日益突出了精细化工的主体地位。近几十年来，特别是我国甲醇工业的发展，生产规模逐渐扩大，下游产品种类不断增加，社会需求越来越大，可开发出100多种高附加值化工产品，尤其深加工后作为一种新型清洁燃料和加入汽油掺烧，其发展前景越来越广阔。作为一种新型的燃料，甲醇项目的建设对于如今能源短缺的问题，也起到了一定的缓冲作用。鉴于甲醇的重要意义，对甲醇合成过程进行优化操作和控制成为了迫切的需求。为了满足经济发展对甲醇的需求，开展了此年产
11、22万吨的甲醇合成工艺项目。 第1章 综述1.1甲醇的性质1.1.1物理性质甲醇是无色、透明、高度挥发、易燃的液体，略有酒精气味。甲醇是最常用的有机溶剂之一，能与水、乙醇、乙醚、苯、酮、卤代烃和许多其他有机溶剂相混溶，遇热、明火或氧化剂易着火。在空气中甲醇蒸汽的爆炸极限为6.036(体积）。甲醇的一般性质列于表1-1 表1-1 甲醇的一般物理性质 性质 数据 性质 数据 密度（0）（g/mL） 0.8100 相对密度（d 420 ） 0.7913 沸点/ 64.564.7 熔点/ -97.8 闪点/ 开口 16 闭口 12蒸气压（20/Pa 1.2879104液体热容（2050） 2.512.
12、53/J/（g粘度（20/PaS 5.94510-4热导率/J/（cmSK 2.0910-3表面张力（20/(N/cm) 22.5510-5折射率（20） 1.3287蒸气潜能（64.7） 35.295/（kJ/mol）熔融热/(kJ/mol) 3.169 自燃点/ 空气 473 氧气 461 临界温度/ 240 临界压力/Pa 79.54105 临界体积 /（mL/mol) 117.8 临界压缩系数 0.224 燃烧热/(kJ/mol) 25液体 727.038 25气体 742.738 生成热/(kJ/mol) 25液体 238.798 25气体 201.385 膨胀系数（20） 0.00
13、119 腐蚀性 常温下无腐蚀性 铅、铝例外空气中爆炸性/ 6.036.51.1.2化学性质甲醇是最简单的饱和脂肪醇，具有脂肪醇的化学性质，即可进行氧化、酯化、羰基化，氨化、脱水等反应。甲醇裂解产生CO和H2，是制备CO和H2的重要化学方法。（1） 氧化反应 甲醇在电解银催化剂上可被空气氧化成甲醛，是重要的工业制备甲醛的方法。 CH3OH+ 0.5O2HCHO + H2O 甲醇完全燃烧时氧化成CO2和H2O，放出大量的热： CH3OH +O2CO2+ H2O+ 726.55 kJ/mol （2） 酯化反应 甲醇和硝酸作用生成硝酸甲酯 CH3OH +HNO3CH3NO3+ H2O（3） 羰基化反应
14、 甲醇和光气发生羰基化反应生成氯甲酸甲酯，进一步反应生成碳酸二甲酯： CH3OH + COCl2CH3OCOCl + HCl CH3OCOCl + CH3OH（CH3O)2CO（4） 胺化反应 在压力520Mpa，温度370420下，以活化氧化铝或分子筛催化剂，甲醇和氨发生反应生成一甲胺，二甲胺和三甲胺的混合物，经精馏分离可得一甲胺，二甲胺和三甲胺一甲胺，二甲胺和三甲胺产品。 CH3OH + NH3CH3NH2 + H2O 2CH3OH + NH3(CH3）2NH + 2H2O 3CH3OH + NH3(CH3）3 N+ 3H2O（5） 脱水反应 甲醇在高温和酸性催化剂如ZSM-5，r-Al2
15、O3 作用下分子间脱水生成二甲醚： 2CH3OH(CH3）2O+H2O（6） 裂解反应 在铜催化剂上，甲醇可裂解成CO和H2： CH3OHCO+H2 (7 ) 氯化反应 甲醇和氯化氢在ZnO/ZrO催化剂上发生氯化反应生成一氯甲烷： CH3OH+HClCH3Cl+H2O 氯甲烷和氯化氢在CuCl2 / ZrO2催化剂作用下进一步发生氧氯化反应生成二氯甲烷和三氯甲烷。 CH3Cl2+HCl+0.5O 2CHCl3 +H2O CH3OH+HCl+0.5O 2CH2Cl 2+H2O(8 ) 其他反应 甲醇和苯在3.5MPa，350380反应条件下，在催化剂的作用下可生成甲苯： CH3OH+C6H6C
16、6H5CH3+H2O 220，20MPa下，甲醇在钴催化剂的作用下发生同系化发反应生成乙醇： CH3OH+CO+H2CH3CHOH+H2O随着甲醇合成工艺的日益完善，生产规模的不断扩大和合成原料的多样化，甲醇参与的新的化学反应不断地被发现和研究，将大大丰富甲醇化学的内容。1.1.3甲醇的毒性甲醇有较强的毒性，对人体的神经系统和血液系统影响最大，它经消化道、呼吸道或皮肤摄入至体内后，可迅速分布在机体各组织内，从而产生毒性反应。甲醇蒸汽能损害人的呼吸道黏膜和视力，急性中毒症状有：头疼、恶心、胃痛、疲倦、视力模糊以至失明，继而呼吸困难，最终导致呼吸中枢麻痹而死亡。慢性中毒反应为：眩晕、昏睡、头痛、耳
17、鸣、视力减退、消化障碍。甲醇摄入量超过4克就会出现中毒反应，误服一小杯超过10克就会造成双目失明，饮入量大造成死亡。致死量为30毫升以上。甲醇在体内不易排出，会发生蓄积，在体内氧化生成甲醛和甲酸也都有毒性。在甲醇生产工厂，我国有关部门规定，空气中允许甲醇浓度为5mg/ml，在有甲醇气的现场工作须戴防毒面具，废水要处理后才能排放，允许含量小于200mg/L。1.2甲醇的用途甲醇可作为有机化工原料、有机溶剂，也可作为防冻剂。甲醇是一种重要的有机化工原料，主要用于生产甲醛，消耗量要占到甲醛总产量的一半，甲醛则是生产各种合成树脂不可少的原料。用甲醇作甲基化试剂可生产丙烯酸甲酯、对苯二甲酸二甲酯、甲胺、
18、甲基苯胺、甲烷氯化物等；甲醛羟基化可生产醋酸、醋酐、甲酸甲酯等重要有机合成中间体，它们是制造各种染料、药品、农药、炸药、香料、喷漆的原料。目前，用甲醇合成乙二醇、乙醛、乙酸也日益受到重视。甲醇是一种重要的有机溶剂，其溶解性能优于乙醇，可用与调制油漆。一些无机盐如碘化钠、氯化钙、硝酸铵、硫酸铜、硝酸银、氯化铵、氯化钠都或多或少地能溶于甲醇。作为一种良好的萃取剂，甲醇在分析化学中可用于一些物质的分离，还可用于检验和测定硼。甲醇可以做防冻剂，严冬时节，在汽车水箱中添加适量甲醇，能使水箱中的循环冷却水不冻，在禁酒的国家中，甲醇用作酒精变性剂，将甲醇掺在乙醇之中得到变性乙醇，具有毒性，使之不宜饮用。甲醇
19、不仅是重要的化工原料，而且还是性能优良的能源和车用燃料。甲醇和异丁烯反应得到MTBE，它是高辛烷值无铅汽油添加剂，亦可用作溶剂。自1973年第一套100kt/ a装置建成投产以来，它已成为世界上仅次于甲醛的第二大甲醇消费大户，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。可以单独或与汽油混合作为汽车燃料，用它作为汽油添加剂可起节约芳烃、提高辛烷值的作用，汽车制造业将成为耗用甲醇的巨大部门。在寻求汽油替代燃料的过程中，醇醚燃料具有较大的应用潜力。醇醚燃料是指甲醇和二甲醚按一定的比例配制而成的新型液体燃料，燃料效率和热效率均高于液化气。由于二甲
20、醚的挥发性好，该燃料有效地克服了甲醇燃料不易点燃、需空气充压、外加预热器及安全运输等方面的缺点。近年来，随着技术的发展和能源结构的改变，甲醇又开辟了许多新的用途。它是较好的人工合成蛋白的原料，经微生物发酵可生产甲醇蛋白，富含维生素和蛋白质，具有蛋白转化率高，发酵速度快，无毒性，价格便宜，营养价值高的优点，是颇有发展前景的饲料添加剂，能广泛用于牲畜、家禽、鱼类的饲养。目前，世界上已有年产10万吨甲醇制蛋白的工业装置在运转，年产30万吨的大型装置已经设计。甲醇还可直接用于还原铁矿（甲醇可以预先分解为CO、H2，也可以不作预分解），得到高质量的海绵铁。特别是近年来碳一化学工业的发展，甲醇制乙醇、乙烯
21、、乙二醇、甲苯、二甲苯、醋酸乙烯、醋酸酐、甲酸甲酯和氧分解性能好的甲醇树脂等产品，正在研究开发和工业化中。甲醇化工已成为化学工业中一个重要的领域。1.3生产甲醇的原料随着甲醇合成技术的不断发展和规模的不断扩大，其原料路线也发生了很大的变化。由原来的以煤和焦炭气化为生产合成气的路线发展到目前的以天然气为主，煤、石脑油、重油等并存的合成路线。20世纪50年代以前多以煤和焦炭为原料；50年代以后，石油和天然气资源大量开采，特别是储量丰富而廉价的天然气的蒸汽转化技术的发展使生产甲醇的原料气成本降低，成为甲醇生产的主要原料路线；进入60年代以来，随着石脑油蒸气转化技术和重油部分氧化制合成器技术的发展，使
22、石脑油和重油逐渐成为生产甲醇的主要原料。而煤作为制备甲醇合成气的传统原料，由于环保和气体净化等方面问题，成本相对较高，但对于我国，我国能源资源现状是缺油、少气、富煤。以煤为原料生产甲醇既是我国的先在生产甲醇的主流方式，在将来很长一段时间里，也将会是我国生产甲醇的最主要方式；这在今后一个相当长的时期内不会有大的改变。在我国新一代煤化工技术的支撑下，开发推广煤制甲醇的时机已经成熟。另一方面，从资源背景看，我国煤炭储量远大于石油、天然气储量，且随着气化净化技术的发展和甲醇作为车用洁净燃料的应用及石油资源紧缺、油价上涨，因此在很长一段时间内煤将是我国甲醇生产最重要的原料。1.4甲醇产业在中国的前景 化
23、工产业的蓬勃发展拉动我国甲醇消费量快速增长。随着甲醇下游产品的开发以及甲醇燃料的推广和应用，甲醇的需求市场进一步扩张。2009年5月，车用燃料甲醇及车用甲醇汽油两个国家标准正式发布，标志着以甲醇为基础调配大比例甲醇汽油的时机已经成熟。 通常认识下，高比例甲醇汽油需要汽车改装发动机后才能使用，但一种无需改装发动机就可使用高比例甲醇汽油的新技术“大比例甲醇催化燃烧技术”也已在国内研发成功，其通过新型的添加剂使高比例甲醇汽油更稳定且适合在普通的汽车发动机上使用，还能改变甲醇汽油在动力、启动、腐蚀等方面的弊端。1.5甲醇生产工艺的发展甲醇是醇类中最简单的一元醇。1661年英国化学家R.波义耳首先在木材
24、干馏后的液体产物中发现甲醇，故甲醇俗称木精、木醇。在自然界只有某些树叶或果实中含有少量的游离态甲醇，绝大多数以酯或醚的形式存在。1857年法国的M贝特洛在实验室用一氯甲烷在碱性溶液中水解也制得了甲醇。我国的甲醇生产始于1957年，50年代在吉林、兰州和太原等地建成了以煤或焦炭为原料来生产甲醇的装置。60年代建成了一批中小型装置，并在合成氨工业的基础上开发了联产法生产甲醇的工艺。70年代四川维尼纶厂引进了一套以乙炔尾气为原料的95kt/a低压法装置，采用英国ICI技术。1995年12月，由化工部第八设计院和上海化工设计院联合设计的200kt/a甲醇生产装置在上海太平洋化工公司顺利投产，标志着我国
25、甲醇生产技术向大型化和国产化迈出了新的一步。2000年，杭州林达公司开发了拥有完全自主知识产权的JW低压均温甲醇合成塔技术，打破长期来被ICI、Lurgi等国外少数公司所垄断拥的局面，并在2004年获得国家技术发明二等奖。2005年，该技术成功应用于国内首家焦炉气制甲醇装置上。1.6 甲醇生产相关技术的展望 随着甲醇的应用越来越普遍，在今后一段时间里生产甲醇的技术会更加成熟，优越。 （1）二次转化和自转化工艺生产合成气占甲醇装置总投资的5060，所以许多工程公司将其视为技术改进重点。已经形成的新工艺主要是Synetix (前ICI)的先进天然气加热炉转化工艺(AGHR)、Lurgi的组合转化工
26、艺(CR)和Topse的自热转化工艺(ATR)。（2）新甲醇反应器和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(TEC)的MRFZ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。（3）引进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。（4）液相合成工艺传统甲醇合成采用气相工艺，不足
27、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。 根据以上所介绍的甲醇物化性质、主要用途、发展前景等，我们可以看出其在工农业生产中的重要地位，在国民经济中的重要意义。随后将对甲醇的合成方法做进一步的介绍，以便选择合适的反应器和工艺流程。 第2章 甲醇的合成工艺确定2.1甲醇合成的方法 当今，按照压力来分类，甲醇生产技术有高压法、中压法、低压法三种，其中主要采用中压法和低压法这两种工艺，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)：
28、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
29、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。按照原料的不同，甲醇的生产方法还主要有甲烷直接氧化法，由一氧化碳和氢气合成甲醇，液化石油气氧化法。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醇，其主要反应式为：CO+H2CH3OH。2.2甲醇合成反应的主要原理 合成工段：5MPa下使用铜基催化剂，以H2 、CO等气体为原料，在催化作用下发生下列一些反应 主反应：CO+2H2CH3OH+102.3
30、7 KJ/mol (2-1) 副反应：2CO+4H2(CH3)2O+H2O+200.39 KJ/mol (2-2) CO+3H2CH4+H2O+115.69 KJ/mol (2-3) 4CO+8H2C4H9OH+3H2O+49.62 KJ/mol (2-4) CO2+H2CO+ H2O-42.92 KJ/mol (2-5) 除（2-5）外，副反应的发生，都增大了CO的消耗量，降低了产率，故应尽量减少该副反应。2.3甲醇的工艺流程2.3.1流程依据1.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。所以本设计采用Lurgi管壳式反应器，管程走反应气，壳程走4MPa的沸腾水。
31、合成塔水冷器甲醇分离器循环器2.经过净化的原料气，经预热加压，于5 Mpa、220 下，从上到下进入Lurgi反应器，在铜基催化剂的作用下发生反应，出口温度为250 左右，甲醇7%左右，因此，原料气必须循环，合成工序配置原则为图2-1。新鲜气 粗甲醇 驰放气 图2-1合成工序配置原则 2.3.2合成工艺流程 1.透平压缩机 2.热交换器 3.锅炉水冷凝器 4.水冷却器 5.甲醇合成塔 6.汽包 7.甲醇分离器 8.粗甲醇贮槽图2-2 Lurgi低压法甲醇合成工艺流程 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，并副产中压蒸汽。来
32、自脱碳装置的新鲜气（40，3.4MPa）与循环气一起经甲醇合成气压缩机压缩至5.14MPa后，经过入塔气预热器加热到225，进入甲醇合成塔内，甲醇合成气在催化剂作用下发生如下反应： CO + 2H2 = CH3OH + Q CO2 + 3H2 = CH3OH + H2O + Q甲醇合成塔为列管式等温反应器，管内装有活性较高的XNC-98型甲醇合成催化剂，管外为沸腾锅炉水。反应放出的大量的热量，通过列管管壁传给锅炉水，进而产生大量中压蒸汽（3.9MPa饱和蒸汽），该蒸汽减压后送至蒸汽管网。副产的蒸汽确保了甲醇合成塔内反应趋于恒定，且反应温度也可通过副产蒸汽的压力来调节。甲醇合成塔出来的合成气（2
33、55，4.9MPa），经入塔气预热器、锅炉水冷凝器、甲醇水冷器，进入甲醇分离器，粗甲醇在此被分离。分离出的粗甲醇进入甲醇膨胀槽，被减压至0.4MPa后送至精馏装置。而甲醇分离器分离出的混合气则与新鲜气按一定比例混合后升压送至甲醇合成塔继续进行合成反应。从甲醇分离器出来的循环气在加压前需排放一部分弛放气，以保持整个循环回路惰性气体的恒定。弛放气减压后送去燃气发电系统；甲醇膨胀槽顶部排出的膨胀气送去燃料气系统。合格的锅炉给水来自变换装置；循环冷却水来自界区外部。 合成塔出来的蒸汽进入汽包，通过调节汽包的压力可以控制反应温度，汽包下部用来排污，经排污膨胀槽膨胀减压后就地排放。2.4甲醇合成塔的选择甲
34、醇合成反应器实际是甲醇合成系统中最重要的设备。从操作结构，材料及维修等方面考虑，甲醇合成反应器应具有以下要求：（1）催化剂床层温度易于控制，调节灵活，能有效移走反应热，并能以较高位能回收反应热；（2）反应器内部结构合理，能保证气体均匀通过催化剂床层，阻力小，气体处理量大，合成转化率高，催化剂生产强度大；（3）结构紧凑，尽可能多填装催化剂，提高高压空间利用率；高压容器及内件间无渗漏；催化剂装卸方便；制造安装及维修容易。甲醇合成塔主要由外筒、内件和电加热器三部分组成。内件是由催化剂筐和换热器两部分组成。根据内件的催化剂筐和换热器的结构形式不同，甲醇内件分为若干类型。按气体在催化剂床的流向可分为：轴
35、向式、径向式和轴径复合型。 按催化剂筐内反应热得移出方式可分为冷管型连续换热式和冷激型多段换热式两大类。按换热器的形式分为列管式、螺旋板式、波纹板式等多种形式。目前，国内外的大型甲醇合成塔塔型较多，归纳起来可分为五种： （1）冷激式合成塔这是最早的低压甲醇合成塔，是用进塔冷气冷激来带走反应热。该塔结构简单，也适于大型化。但碳的转化率低，出塔的甲醇浓度低，循环量大，能耗高，又不能副产蒸汽，现已经基本被淘汰。（2）冷管式合成塔这种合成塔源于氨合成塔，在催化剂内设置足够换热面积的冷气管，用进塔冷管来移走反应热。冷管的结构有逆流式、并流式和U型管式。由于逆流式与合成反应的放热不相适应，即床层出口处温差
36、最大，但这时反应放热最小，而在床层上部反应最快、放热最多，但温差却又最小，为克服这种不足，冷管改为并流或U形冷管。如1984年ICI公司提出的逆流式冷管型及1993年提出的并流冷管TCC型合成塔和国内林达公司的U形冷管型。这种塔型碳转化率较高但仅能在出塔气中副产0. 4MPa的低压蒸汽。日前大型装置很少使用。（3）水管式合成塔 将床层内的传热管由管内走冷气改为走沸腾水。这样可较大地提高传热系数，更好地移走反应热，缩小传热面积，多装催化剂，同时可副产2.5Mpa4.0MPa的中压蒸汽，是大型化较理想的塔型。（4）固定管板列管合成塔 这种合成塔就是一台列管换热器，催化剂在管内，管间（壳程)是沸腾水
37、，将反应热用于副产3.0MPa4.0MPa的中压蒸汽。代表塔型有Lurgi公司的合成塔和三菱公司套管超级合成塔，该塔是在列管内再增加一小管，小管内走进塔的冷气。进一步强化传热，即反应热通过列管传给壳程沸腾水，而同时又通过列管中心的冷气管传给进塔的冷气。这样就大大提高转化率，降低循环量和能耗，然而使合成塔的结构更复杂。固定管板列管合成塔虽然可用于大型化，但受管长、设备直径、管板制造所限。在日产超过2000t时，往往需要并联两个。这种塔型是造价最高的一种，也是装卸催化剂较难的一种。随着合成压力增高，塔径加大，管板的厚度也增加。管板处的催化剂属于绝热段;管板下面还有一段逆传热段，也就是进塔气225，
38、管外的沸腾水却是248，不是将反应热移走而是水给反应气加热。这种合成塔由于列管需用特种不锈钢，因而是造价非常高的一种。（5）多床内换热式合成塔 这种合成塔由大型氨合成塔发展而来。日前各工程公司的氨合成塔均采用二床(四床)内换热式合成塔。针对甲醇合成的特点采用四床（或五床)内换热式合成塔。各床层是绝热反应，在各床出口将热量移走。这种塔型结构简单，造价低，不需特种合金钢，转化率高，适合于大型或超大型装置，但反应热不能全部直接副产中压蒸汽。典型塔型有Casale的四床卧式内换热合成塔和中国成达公司的四床内换热式合成塔。综上所述和借鉴大型甲醇合成企业的经验，（大型装置不宜选用激冷式和冷管式），设计选用
39、固定管板列管合成塔。这种塔内甲醇合成反应接近最佳温度操作线，反应热利用率高，虽然设备复杂、投资高，但是由于这种塔在国内外使用较多，具有丰富的管理和维修经验，技术也较容易得到；外加考虑到设计的是年产22万吨的甲醇合成塔（日产量为700吨左右），塔的塔径和管板的厚度不会很大，费用也不会很高，所以本设计采用了固定管板式列管合成塔。根据以上甲醇合成塔的选择和工艺流程的确定，以下通过物料衡算，热量衡算来验证一下选择的合理性。 第3章 工艺计算甲醇合成塔分离器贮 罐冷凝凝凝器3.1 甲醇生产的物料平衡计算新鲜气 循环气 弛放气 入塔气 醇后气 粗甲醇 图3.1 合成塔物料流程图一、已知条件：(1)年生产能
40、力：年产220000吨甲醇， 精甲醇中甲醇含量(wt%)：99.95% （2）年工作日：每年以300个工作日计 （3）产品粗甲醇组成的(wt%)：Lurgi低压合成工艺 表3.1 粗甲醇组成组分甲醇轻组分以二甲醚(CH3)2O计重组分以异丁醇C4H9OH计水质量组成%93.010.1880.0266.776 二、根据已知条件进行计算：新鲜气、循环气、入塔气、出塔气根据题意，则时产精甲醇： Kg/h时产粗甲醇： Kg/h (1)合成甲醇的化学反应为：主反应：CO+2H2CH3OH+102.37 KJ/mol （3-1） 副反应：2CO+4H2(CH3)2O+H2O+200.39 KJ/mol （
41、3-2） CO+3H2CH4+H2O+115.69 KJ/mol （3-3） 4CO+8H2C4H9OH+3H2O+49.62 KJ/mol （3-4） CO2+H2CO+ H2O-42.92 KJ/mol （3-5）（2）根据粗甲醇组分，算得各组分的生成量如下表所示：表3.2 各组分流量组分质量流量摩尔流量体积流量甲醇30540.28Kg/h954.38kmol/h21378.20Nm3/h二甲醚61.73Kg/h1.3420kmol/h30.06Nm3/h异丁醇8.54Kg/h0.1154kmol/h2.584Nm3/h水2224.93Kg/h123.61kmol/h2768.80Nm3/h（3)生产中，测得每生产1吨粗甲醇生成甲烷7.56 Nm3，即7.56/22.4=0.34kmol甲烷/t粗甲醇。故CH4每小时生成量为： 7.5632835.48/1000=248.24Nm3即11.082kmol/h，177.31 Kg/h。（4）忽略原料气带入的水份，根据（3-2）（3-3）（3-4）得反应（3-5）生成的水的量为：123.61-1.3420-0.11543-11.082=110.84kmol/h即在CO逆变换中生成的H2O为110.84kmol/h，即
