年产20万吨煤制甲醇合成工艺初步设计煤化工毕业设计.doc

年产20万吨煤制甲醇合成工艺初步设计 煤化工毕业设计

毕 业 设 计 题 目年产20万吨煤制甲醇生产工艺初步设计
学 号
姓 名
年 级 09煤化工
学 院
系 别 煤化工系
专 业 煤化工
指导教师
完成日期 2012年5月14日 摘要 甲醇是一种极重要的有机化工原料也是一种燃料是碳一化学的基础产品在国民经济中占有十分重要的地位近年来随着甲醇下属产品的开发特别是甲醇燃料的推广应用甲醇的需求大幅度上升为了满足经济发展对甲醇的需求开展了此20万ta的甲醇项目设计的主要内容是进行工艺论证物料衡算和热量衡算等本设计本着符合国情技术先进和易得经济环保的原则采用煤炭为原料利用GSP气化工艺造气NHD净化工艺净化合成气体低压下利用列管均温合成塔合成甲醇三塔精馏工艺精制甲醇此外严格控制三废的排放充分利用废热降低能耗保证人员安全与卫生 关键词甲醇 合成 目 录
1总论 4
11甲醇性质 4
12甲醇用途 4
13醇生产原料 4
2甲醇的合成 5
21甲醇合成的基本原理 5
211甲醇合成反应步骤 5
212合成甲醇的化学反应 5
213甲醇合成反应的化学平衡 6
3甲醇合成的催化剂 6
31工业用甲醇合成催化剂 7
4甲醇合成的工艺条件 9
41反应温度 9
42压力 10
43 空速 10
44气体组成 11
5甲醇合成的工艺流程 12
51甲醇合成的方法 12
52甲醇合成塔的选择 15
53甲醇合成的工艺流程 18
6主要设备的工艺计算及选型 19
61甲醇合成塔的设计 19
62水冷器的工艺设计 22
63循环压缩机的选型 25
7设计结果评价 26
8参考文献 27
致谢 27
附工程图纸
1甲醇合成塔简图
2甲醇合成工艺流程图 1总论
11甲醇性质
甲醇俗称木醇木精英文名为methanol分子式CH3OH是一种无色透明易燃有毒易挥发的液体略带酒精味分子量3204化学性质较活泼能发生氧化酯化羰基化等化学反应是重要有机化工原料和优质燃料广泛应用于精细化工塑料医药林产品加工等领域主要用于生产甲醛消耗量要占到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甲基苯胺甲烷氯化物等羰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醇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于调制油漆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甲醇是一种能源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甲醇还可经生物发酵生成甲醇蛋白富含维生素和蛋白质具有营养价值高而成本低的优点用作饲料添加剂有着广阔的应用前景醇原料自1923年开始工业化生产以来甲醇合成的原料路线经历了很大变化20世纪50年代以前多以煤和焦碳为原料50年代以后以天然气为原料的甲醇生产流程被广泛应用进入60年代以来以重油为原料的甲醇装置有所发展对于我国从资源背景看煤炭储量远大于石油天然气储量随着石油资源紧缺油价上涨因此在大力发展煤炭洁净利用技术的背景下在很长一段时间内煤是我国甲醇生产最重要的原料对甲醇合成而言无论是锌铬催化剂还是铜基催化剂其多相非匀相催化过程按下列过程进行a扩散气体自气相扩散到催化剂的界面
b吸附各种气体在催化剂的活性表面进行化学吸附其中CO在Cu2上吸附H2在Zn2上吸附并异裂
c表面反应化学吸附的反应物在活性表面上进行反应生成产物
d解析反应产物脱附
e扩散反应产物气体自催化剂界面扩散到气相中去甲醇合成反应的速率是上述五个过程中每一个过程进行速率的总和但全过程的速率取决于最慢步骤的完成速率研究证实以上五个过程中ae扩散进行得最快b吸附d解析进行的速度较快而过程c表面反应分子在催化剂活性界面的反应速度最慢因此整个反应过程取决于表面反应的进行速率 提高压力升高温度均可使甲醇合成反应速率加快但从热力学角度分析由于COCO2 和H2合成甲醇的反应是强放热的体积缩小反应提高压力降低温度有利于化学平衡向生成甲醇的方向移动同时也有利于抑制副反应的进行
是甲醇合成反应是多项铜基催化剂上进行的复杂的可逆的化学反应
1主要的化学反应

2甲醇合成的副反应
213甲醇合成反应的化学平衡
一氧化碳和氢气合成甲醇是一个气相可逆反应压力对反应起着重要作用用气体分压来表示的平衡常数可用下面公式表示
Kp 式中 Kp----甲醇的平衡常数
P CH3OHPH2P CO-----分别表示甲醇氢气一氧化碳的平衡分压
反应温度也是影响平衡常数的一个重要因素不同温度下的反应平衡常数见表1-1其平衡常数随着温度的上升而很快减小因此甲醇合成不能在高温下进行但是低温反应速率太慢所以甲醇生产选用高活性的铜基催化剂使反应温度控制在220～280℃
表1-1 不同温度下甲醇反应的平衡常数

反应温度℃平衡常数 Kp0 66730 100 1292 200 1909×10-2 300 242×10-4 400 1079×10-5

3甲醇合成的催化剂
甲醇合成是是典型的气固相催化反应过程没有催化剂的存在合成甲醇反应几乎不能进行合成甲醇工业的进展很大程度上取决于催化剂的研制成功以及质量的改进在合成甲醇的生产中很多工艺指标和操作条件都由所用催化剂的性质决定一氧化碳加氢合成甲醇工业化以来合成催化剂合成工艺不断研究改进虽然实验室研究出了多种甲醇合成催化剂但工业上使用的催化剂只有锌铬和铜基催化剂甲醇合成是是典型的气固相催化反应过程没有催化剂的存在合成甲醇应几乎不能进行合成甲醇工业的进展很大程度上取决于催化剂的研制成功以及质量的改进在合成甲醇的生产中很多工艺指标和操作条件都由所用催化剂的性质决定
自一氧化碳加氢合成甲醇工业化以来合成催化剂合成工艺不断研究改进虽然实验室研究出了多种甲醇合成催化剂但工业上使用的催化剂只有锌铬和铜基催化剂 CuO ZnO Al2O3 压力MPa 温度℃ 英国ICI 51-3 60 30 10 78-118 190～270 德国LG104 51 32 4 49 210～240 美国C79-2 - - - 15-117 220～330 丹麦LMK 40 10 - 98 220～270 中国C302系列 51 32 4 50-100 210～280 中国XCN-98 52 20 8 50100 200～290 从表的对比可以看出国产催化剂的铜含量已提50以上制备工艺合理使该催化剂的活性选择性使用寿命和机械强度均达到国外同类催化剂的先进水平并且价格较低
1 锌铬催化剂ZnO C r2O3锌铬催化剂是最早用于工业合成甲醇的1966年以前的甲醇合成几乎都用锌铬催化剂锌铬催化剂一般采用共沉淀法制造将锌与铬的硝酸盐溶液用碱沉淀经洗涤干燥后成型制的催化剂也可以用氧化铬溶液加到氧化锌悬浮液中充分混合然后分离水分烘干掺进石墨成型还可以干法生产将氧化锌与氧化铬的细分混合均匀添加到少量氧化铬溶液和石墨压片然后烘干压片制的成品
锌铬催化剂使用寿命长使用范围宽耐热性好抗毒能力好机械强度好但是锌铬催化剂活性温度高操作温度在320--400℃之间为了获得较高的转化率必须在高压下操作操作压力可达25--35Mpa目前逐步被淘汰2 铜基催化剂CuO ZnO C r2O3或CuO ZnO Al2O3铜基催化剂是20世纪60年代开发的产品它具有良好的低温活性较高的选择性通常用于低中压流程1组成 铜基催化剂的主要化学成分是CuO ZnO Al2O3或CuO ZnO C r2O3其活性组分是Cu和ZnO同时还要添加一些助催化剂促进催化剂活性C r2O3的添加可以提高铜在催化剂的分散度同时又能阻止分散的铜晶粒在受热时被烧结长大延长催化剂的使用寿命添加Al2O3助催化剂使催化剂活性更高而且Al2O3价廉无毒用Al2O3代替C r2O3的铜基催化剂更好
2还原 氧化铜对甲醇合成无催化活性投入使用之前需将氧化铜还原成单质铜工业上采用氢气一氧化碳作为还原剂对铜基催化剂进行还原其反应如下
CuO H2 →Cu H2OQ
CuO CO→Cu H2OQ
氧化铜的还原反应是强烈的放热反应而且铜基催化剂对热比较敏感因此要严格控制氢及一氧化碳浓度和温度还原升温要缓慢出水均匀以防温度猛升和出水过快影响催化剂的活性寿命 还原后的催化剂与空气接触时产生下列反应
H2O 12O2→Cu O Q
如果与大量的空气接触放出的反应的热将使催化剂超温结烧因此停车卸出之前应先通入少量氧气逐步进行氧化在催化剂的表面形成一层氧化铜保护膜这一过程称为催化剂的钝化 铜基催化剂最大的特点是活性高反应温度低操作压力低其缺点是对合成原料气杂质要求严格特别是原料气中的SAs必须精脱除3其他类型的催化剂 铜锌铝铜锌铬催化剂是当前甲醇合成工业的主要催化剂但近年来新型催化剂的研制一刻也没停歇过新型催化剂 研制方向在于进一步提高催化剂的活性改善催化剂的热稳定性以及延长催化剂的使用寿命如钯系催化剂钼系催化剂和低温液相催化剂这些催化剂虽然在某些方面弥补了铜锌铝铜锌铬催化剂的不足但因其活性不理想或对甲醇的选择性差等自身缺点还只停留在研究阶段而没有实现工业化的应用3 铜基催化剂的中毒和寿命铜基催化剂对硫的中毒十分敏感一般认为其原因是H2S和Cu形成CuS也可能生成Cu2S反应如下
CuH2S→CuS H2
2CuH2S→Cu2S H2
因此原料气中硫含量应小于01ppm与此类似的是氢卤酸对催化剂的毒性
催化剂使用的寿命与合成甲醇的操作条件有关铜基催化剂比锌铬催化剂的耐热性差得多因此防止超温是延长寿命的重要措施甲醇合成反应为放热体积缩小的可逆反应温度压力及气体组成对反应进行的程度及速度有一定的影响下面围绕温度压力气体的组成及空间速度对甲醇合成反应的影响来讨论工艺条件的选择在甲醇合成反应过程中温度对于反应混合物的平衡和速率都有很大影响对于化学反应来说温度升高会使分子的运动加快分子间的有效碰撞增多并使分子克服化合时的阻力的能力增大从而增加了分子有效结合的机会使甲醇合成反应的速度加快但是由一氧化碳加氢生成甲醇的反应和由二氧化碳加氢生成甲醇的反应均为可逆的放热反应对于可逆的放热反应来讲温度升高固然使反应速率常数增大但平衡常数的数值将会降低因此选择合适的操作温度对甲醇合成至关重要
所以必须兼顾上述两个方面温度过低达不到催化剂的活性温度则反应不能进行温度太高不仅增加了副反应消耗了原料气而且反应过快温度难以控制容易使催化剂衰老失活一般工业生产中反应温度取决于催化剂的活性温度不同催化剂其反应温度不同另外为了延长催化剂寿命反应初期宜采用较低温度使用一段时间后再升温至适宜温度
压力甲醇合成反应为分子数减少的反应因此增加压力有利于反应向甲醇生成方向移动使反应速度提高增加装置生产能力对甲醇合成反应有利但压力的提高对设备的材质加工制造的要求也会提高原料气压缩功耗也要增加以及由于副产物的增加还会引起产品质量的变差pa操作温度350～420℃至较高的压力和温度下一氧化碳和氢生成甲烷异丁醇等副产物这些副反应的反应热高于甲醇合成反应使床层温度提高副反应加速如果不及时控制回造成温度猛升而损坏催化剂近年来普遍使用的铜基甲醇合成催化剂其活性温度范围在200～300℃有较高的活性对于规模小于30万吨a的工厂操作压力一般可降为5Mpa左右对于超大型的甲醇装置为了减少设备尺寸合成系统的操作压力可以升至10Mpa左右设采用的是低压法入塔压强为514MPa合成甲醇所以工厂对压力的选择要在技术经济等方面综合考虑空速空速的大小意味着气体与催化剂接触时间的长短在数值上空速与接触时间互为倒数一般来说催化剂活性愈高对同样的生产负荷所需的接触时间就愈短空速愈大
甲醇合成所选用的空速的大小既涉及合成反应的醇净值合成塔的生产强度循环气量的大小和系统压力降的大小又涉及到反应热的综合利用
当甲醇合成反应采用较低的空速时气体接触催化剂的时间长反应接近平衡反应物的单程转化率高由于单位时间通过的气量小总的产量仍然是低的由于反应物的转化率高单位甲醇合成所需要的循环量较少所以气体循环的动力消耗小
当空速增大时将使出口气体中醇含量降低即醇净值降低催化剂床层中既定部位的醇含量与平衡醇浓度增大反应速度也相应增大由于醇净值降低的程度比空速增大的倍数要小从而合成塔的生产强度在增加空速的情况下有所提高因此可以增大空速以增加产量但实际生产中也不能太大否则会带来一系列的问题
1提高空速意味着循环气量的增加整个系统阻力增加使得压缩机循环功耗增加
2甲醇合成是放热反应依靠反应热来维持床层温度那么若空速增大单位体积气体产生的反应热随醇净值的下降而减少空速过大催化剂温度就难以维持合成塔不能维持自热则可能在不启用加热炉的情况下使床层温度跨掉
气体组成
原料气组成对催化剂活性的影响是比较复杂的问题现就以下几种原料气成分对催化剂活性的影响作一下讨论
1惰性气体CH4N2Ar的影响
合成系统中惰性气体含量的高低影响到合成气中有效气体成分的高低惰性气体的存在引起COCO2H2分压的下降
合成系统中惰性气体含量取决于进入合成系统中新鲜气中惰性气体的多少和从合成系统排放的气量的多少排放量过多增加新鲜气的消耗量损失原料气的有效成分排放量过少则影响合成反应进行
调节惰性气体的含量可以改变触媒床层的温度分布和系统总体压力当转化率过高而使合成塔出口温度过高时提高惰气含量可以解决温度过高的问题此外在给定系统压力操作下为了维持一定的产量必须确定适当的惰气含量从而选择驰放气合适的排放量
2CO和H2比例的影响
从化学反应方程式来看合成甲醇时CO与H2的分子比为12CO2和H2的分子比是13这时可以得到甲醇最大的平衡浓度而且在其他条件一定的情况下可使甲醇合成的瞬间速度最大但由生产实践证明当CO含量高时温度不易控制且会导致羰基铁聚集在催化剂上引起催化剂失活同时由于CO在催化剂的活性中心的吸附速率比H2要快得多所以要求反应气体中的氢含量要大于理论量以提高反应速度氢气过量同时还能抑制高级醇高级烃和还原物质的生成减少H2S中毒提高粗甲醇的浓度和纯度同时又因氢的导热性好可有利于防止局部过热和降低整个催化层的温度但氢气过量会降低生产能力工业生产中用铜系催化剂进行生产时一般认为在合成塔入口的VH2VCO 45较为合适实际生产中我们的氢碳比按照以下关系确定
H2-CO2COCO2 205215
3CO2的影响
CO2对催化剂活性时空产率的影响比较复杂而且存在极值完全没有CO2的合成气催化剂活性处于不稳定区催化剂运转几十小时后很快失活所以CO2是活性中心的保护剂不能缺少在CO2浓度4以前CO2对时空产率的影响成正效应促进CO合成甲醇自身也会合成甲醇但如果CO2含量过高就会因其强吸附性而占据催化剂的活性中心因此阻碍反应的进行会使时空产率下降同时也降低了CO和H2的浓度从而降低反应速度影响反应平衡而且由于存在大量的CO2使粗甲醇中的水含量增加在精馏过程中增加能耗一般认为CO2在35左右为宜pa 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196-294Mpa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 50-80 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 低压法甲醇合成工艺流程 158热交换器29分离器34压缩机器6甲醇合成塔7加热炉10中间储罐11闪蒸塔12轻馏分塔13精馏塔
ICI低压合成基本工艺过程
①天然气脱硫
②蒸汽转化
③补碳及合成气压缩
④甲醇合成
⑤甲醇精制 中压法 98-120 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①甲烷直接氧化法2CH4O2→2CH3OH②由一氧化碳和氢气合成甲醇③液化石油气氧化法
2．本设计的合成工艺
以投资成本生产成本产品收率为依据选择中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醇其主要反应式为
CO H2→CH3OH
经过净化的原料气经预热加压于5 Mpa220 ℃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则合成工序配置原则为图2-2
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气壳程走4MPa的沸腾水 粗甲醇　　　　　　　驰放气
图1-1　合成合序配置原则 甲醇合成的工艺流程图① 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52 MPa 以15的比例混合 循环混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蒸汽作为甲醇精馏工段所需热源
52甲醇合成塔的选择
甲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御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事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份为若干类型
按气体在催化剂床的流向可分为轴向式径向式和轴径复合型
按催化剂筐内反应惹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25Mpa40MPa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 是沸腾水将反应热用于副产30MPa～40MPa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℃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
合成塔的选用原则一般为反应能在接近最佳温度曲线条件下进行床层阻力小需要消耗的动力低合成反应的反应热利用率高操作控制方便技术易得装置投资要底等
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20万吨的甲醇合成塔日产量为650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列管合成塔 53甲醇合成工艺流程
来自脱碳装置的新鲜气40℃34MPa与循环气一起经甲醇合成气压缩机C7001压缩至514MPa后经过入塔气预热器E7001加热到225℃进入甲醇合成塔R7001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R7001为列管式等温反应器管内装有XNC-98型甲醇合成催化剂管外为沸腾锅炉水
反应放出大量的热通过列管管壁传给锅炉水产生大量中压蒸汽39MPa饱和蒸汽减压后送至蒸汽管网副产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R7001出来的合成气255℃49MPa经入塔气预热器E7001甲醇水冷器E7002AB进入甲醇分离器V7002粗甲醇在此被分离分离出的粗甲醇进入甲醇膨胀槽V7003被减压至04MPa后送至精馏装置甲醇分离器V7002分离出的混合气与新鲜气按一定比例混合后升压送至甲醇合成塔R7001继续进行合成反应
从甲醇分离器V7002出来的循环气在加压前排放一部分弛放气以保持整个循环回路惰性气体恒定弛放气减压后去燃气发电系统甲醇膨胀槽V7003顶部排出的膨胀气去燃料气系统
合格的锅炉给水来自变换装置循环冷却水来自界区外部
汽包V7001排污经排污膨胀槽V7006膨胀减压后就地排放
图8 合成工艺流程
6甲醇合成主要设备
61甲醇合成塔的设计
1传热面积的确定
传热温差为10℃传热量为6843517494kJh合成塔内的总传热系数取为28978Wm2℃
由公式Q kA△Tm
得 A QK△Tm 684351749436×28978×10 6362㎡
2催化剂用量的确定
入塔气空速12000h-1入塔气量348658582m3h所以
催化剂体积为34865858212000 29055m3
3传热管数的确定
传热管选用Ф32×25 长度9000mm的钢管材质为00Cr18Ni5Mo3Si2钢
由公式A 314×d×L×n
得 n A314×d×L 6362314×9×0027 8338
其中因要安排拉杆需要减少12根实际管数为8326根
4合成塔壳体直径的确定
合成塔内管子分布采用正三角形排列管间距a 40mm壳体直径
Di ab-12L
式中a 40
b 11×n05 11×833805 10044
L 125mm
所以 Di 40×10044-12×125 422780 圆整后取为4300 mm
5合成塔壳体厚度的确定
壳体材料选用13MNiMoNbR钢计算壁后的公式为
S PcDi2[σ] tФ-Pc
式中Pc514Mpa
Di 4300mm
Ф 085
[σ]t 190Mpa取壳体温度为50℃
S 4300×5142×190×085-514 6953mm
取C2 1mm C1 1mm原整后取S 73mm
6合成塔封头的确定
上下封头均采用半球形封头材质选用和筒体相同
封头内径为43002×73 4446原整后取4500
由封头厚度计算公式 S PcDi2[σ] tФ-05Pc
式中Pc514Mpa
Di 4500mm
Ф 085
[σ] t 190Mpa取壳体温度为50℃
S 4500×5142×190×085-05×514 7218mm
取C2 1mm C1 1mm原整后取S 76mm所以封头为DN4500×76
7管子拉脱力的计算
a 在操作压力下每平方米胀接周边所产生的力
qp pf314×do×L
式中f 0866a2-3144×do2 0866×402-3144×322 58135
P 514MPa
L 100mmδ
表33
项目 管子 壳体 材质
ａ1℃
EMPa
尺寸
管子数
管间距mm
管壳壁温差℃
管子与管壁连接方式
胀接长度 00Cr18Ni5Mo3Si2
1742×10-6
0180×106
Ф32×25×9000
8338
40
10
开槽胀接
L 100 13MNiMoNbR
1225×10-6
0186×106
Ф254300×73 qp 514×58135314×32×100 030MPa
b 温差应力导致的每平方米胀接周边上的拉脱力qt
qt σtd02-di24×d0×L
式中σt a Ett-ts1AtAs
At 3144×do2-di2n 3144×322-272×8338 193087235mm2
As 314×D×Sn 314×4300×73 98564600 mm2
σt 1742×10-6×0180×106×10119308723598564600 1060
qt 1060×322-2724×32×100 024
已知 Tt＞Tspt＞ps
TtTs分别为管壁温度和壳壁温度pt为管程压力49 Mpaps为壳程压力 074 Mpa所以可知qt与qp的作用力同向则合拉力q 054＜[q]因此拉脱力在许用范围内
8折流板的确定
折流板为弓形 h 34Di 34×4300 3225mm折流板数量为5间距取1500mm
折流板最小厚度为22mm材料为Q235-A钢拉杆Ф12共12根材料Q235-AF钢定距管Ф25×25
9管板的确定
管板直径4300厚度100mm管板通过焊接在筒体和封头之间
10 支座的确定
支座采用裙座裙座座体厚度为50mm基础环内径4000mm外径4500mm基地脚螺栓公称直径M30数量为6个
筒体 内径 mm 4300
列管 数目 8338 壁厚 mm 73 管长 9000 封头
半球型 半径 mm 4500 尺寸 mm Ф32×25 壁厚 mm 76
折流板 数目 5
拉杆 尺寸 mm Ф32 高度 mm 3225 数目 12 间距 mm 1500 62水冷器的工艺设计〔22〕
1 传热面积的确定
两股流体的进出口温度为热 608→40℃
冷 35 ← 20 ℃
故传热推动力
△Tm 608－35－40－20㏑608－3540－20 2278℃
总传热系数为K 89057Wm2℃
由公式Q AK △Tm 可得 A QK△Tm 5274663122278×89057 260 m2
2管子数n的确定
设计选用Ф25×25的无缝钢管材质20号钢管长6m由公式A 314dLn
n A314dL 260314×002×6 690根其中安排拉杆需要减少4根实际管数为686根
3管子的排列方式管间距的确定
设计采用正三角形排列取管间距为a 32mm
4 壳体直径的确定
壳体直径 Di ab-12L
式中Di换热器内径mm
b正六角形对角线上的管子数查有关表取为29
L最外层管子的中心到壳壁边缘的距离取L 2do
所以Di 32×29-12×2×25 996mm 取Di 1000mm
5壳体厚度的计算
壳体材料选用20R钢计算壁后的公式为
S PcDi2[σ] tФ-Pc
式中Pc计算压力取Pc为49×11 539Mpa
Di 1000mm
Ф 085
[σ]t 132Mpa取壳体温度为50℃
S 1000×5392×132×085-539 2461mm
取 C2 1mm C1 1mm原整后取S 28mm
6换热器封头的确定
上下封头均采用标准椭圆形封头封头为DN1000×28材料选用20 R钢
7 容器法兰的选择
材料选用16MnR钢跟据JB4703-2000标准选用PN64MpaDN1000mm的长颈对焊法兰
8管子拉脱力的计算
a 在操作压力下每平方米胀接周边所产生的力
qp pf314×do×L
式中f 0866a2-3144×d02 0866×322-3144×252 396
P 074
L 50
表35
项目 管子 壳体 材质
ａ1℃
EMPa
尺寸
管子数
管间距mm
管壳壁温差℃
管子与管壁连接方式
胀接长度 20钢
118×10-6
021×106
Ф25×25×6000
690
32
18
开槽胀接
L 50 20R钢
118×10-6
021×106
Ф700×20 qp 074×396314×25×50 0075MPa
b 温差应力导致的每平方米胀接周边上的拉脱力qt
qt σtdo2-di24×do×L
式中σt a Ett-ts1AtAs
At 3144×do2-di2n 3144×252-202×690 12187125mm2
As 314×D×Sn 314×1000×20 62800 mm2
σt 118×10-6×021×106×1811218712562800 1517
qt 1517×252-2024×25×50 068
已知 Tt＞Tspt＞ps
TtTs分别为管壁温度和壳壁温度pt为管程压力49 Mpaps为壳程压力074 Mpa所以可知qt与qp的作用力同向则合拉力q 0755＜[q] 40Mpa
因此拉脱力在许用范围内
9折流板的设计
折流板为弓形h 34×1000 750mm折流板间距取400mm最小厚度为10mm材料为Q235-A钢拉杆选用Ф12共四根材料为Q235-AF钢
10开空补强
换热器封头和壳体上的接管都需要补强在开空外面焊接上一块与容器壁材料和厚度都相同的即20mm厚的20R钢板
11支座
选用型号JB4712-92 鞍座 BI 1000 F 筒体 内径 mm 1000
列管 数目 690 壁厚 mm 28 管长 6000 封头
椭球型 半径 mm 1000 尺寸 mm Ф25×25 厚度 mm 28
拉杆 尺寸 mm Ф25
折流板 间距 mm 1500 数目 5 数目 4 高度 mm 750 表36 水冷器设计汇总
63循环压缩机的选型
设计中选用的循环气压缩机为离心压缩机离心压缩机具有以下的特点流量大而均匀体积小运转平稳容易调节维护方便在现代化大型合成氨工业和石油化工企业中多采用离心压缩机其压强可达几十万MPa流量可达几十万m3h
通过物料计算可以知道设计中压缩机排气量为34878582 m3h排气压力为514 MPa通过对压缩机输送介质、排气压力和排气量的考虑设计最终选用的是沈阳鼓风机厂设计的BCL4562BCL407离心压缩机该离心压缩机组青海石油管理局格尔木炼油厂年产10万吨甲醇装置是在引进技术的基础上采用自行开发的多项科研成果研制完成的压缩机由二缸三段十三级叶轮组成压缩机缸体为垂直部分结构其内部与气体接触处均为不锈钢支撑轴承采用可倾式轴承上推轴承采用金斯伯雷轴承来提高机组的抗振性能及稳定性能轴端密封采用德国西太平洋公司研制的干气密封严格防止其气体外漏机组为独立的气路系统润滑油系统采用强制供油并配有先进的独立的自控和保安装置确保机组的安全运行通过实际运行证明该机组主要技术性能指标达到国际先进水平
甲纯收率％
甲纯产率
tm-3h-1
甲纯产量
th-1 初期 末期 C 210 224 670 048 210 045 9072 XCN-98 200 230 900 043 229 049 9893 通过对比并结合生产实际可见XCN-98型催化剂具有以下性能优点
1 易还原
2 低温活性好日产量高75负荷下的甲醇产量 41 th 接近装置满负荷设计甲醇量 417 th
3 适用温区宽使用寿命长合成塔进口温度可调温C型催化剂为14℃而XCN-98型则为30℃随着可调温区的增加催化剂的使用寿命也相应延长
4 选择性好75负荷下合成系统未发现结蜡粗甲醇质量符合设计要求
5 可适用于含高浓度CO2的合成气50负荷下C型催化剂CO2加入量最高不超过670kgh而XCN-98型催化剂则最高可达900kgh75负荷时使用XCN-98型催化剂当入塔气中CO2组分体积分数高达5时生产运行情况仍良好收率和物耗都较低催化剂仍能保持较高的活性产品质量符合质量标准的要求
7设计结果评价
经过一段时间以来的资料查询文献搜索设计整理在老师的指导和同学的帮助下我顺利完成了本次设计设计中的机械设备经复核符合标准
合成甲醇催化剂选用上通过综合比较国内外各种常用催化剂并本着技术先进投资节省的原则选