《过程装备成套技术》课程设计煤制甲醇合成工段工艺流程及典型题目设备的设计组别第四组姓名学号院(系) 化学与化工学院专业过程装备与控制工程指导教师高勇日期2016年6月27日至2016年7月3日目录1甲醇的合成 (1)1.1甲醇合成的基本原理 (1)1.1.1甲醇合成反应步骤 (1)1.1.2合成甲醇的化学反应 (1)1.2甲醇合成催化剂的选用 (2)1.3铜基催化剂的中毒和寿命 (2)1.4甲醇合成的工艺条件 (2)1.4.1反应温度 (2)1.4.2压力 (2)1.4.3空速 (3)1.4.4气体组成 (3)1.5甲醇合成的工艺流程 (3)1.5.1甲醇合成的方法 (3)1.5.2本设计的合成工艺 (4)1.5.3甲醇合成塔的选择 (4)1.5.4甲醇合成工艺流程 (5)2列管式换热器设计及相关计算 (6)2.1设计任务及操作条件 (6)2.2方案简介 (6)2.3设计方案 (6)2.3.1．确定设计方案 (6)2.3.2确定物性数据 (7)2.3.3计算总传热系数 (7)2.3.4计算传热面积 (8)2.3.5工艺结构尺寸 (9)2.3.6换热器核算 (11)3参考文献 (17)1甲醇的合成1.1甲醇合成的基本原理1.1.1甲醇合成反应步骤对甲醇合成而言，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；以上五个过程中a、e（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［1］。
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CO、CO2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。
1.1.2合成甲醇的化学反应甲醇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［2］。
（1）主要的化学反应CO+ 2H2=CH3OH (1-1)CO2+ 3H2=CH3OH+ H2O(1-2)（2）甲醇合成的副反应2CO+ 4H2=CH3OH CH3+ H2O (1-3)CO+ 3H2=CH4+ H2O (1-4)4CO+ 8H2=C4 H9OH+ 3H2O (1-5)CO2+ H2=CO+ H2O (1-6)1.2甲醇合成催化剂的选用铜基催化剂（CuO/ ZnO/ Cr2O3或CuO/ ZnO /Al2O3 ）铜基催化剂的主要化学成分是CuO/ ZnO/ Cr2O3或CuO/ ZnO /Al2O3，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。
Cr2O3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Cr2O3的铜基催化剂更好［3］。
1.3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：Cu+ H2S =CuS+ H2 (1-7)2Cu+ H2S =Cu2S+ H2 (1-8) 因此原料气中硫含量应小于0.1ppm，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。
1.4甲醇合成的工艺条件1.4.1反应温度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。
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。
1.4.2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，操作压力的选用与催化剂的活性有关。
所以工厂对压力的选择要在技术、经济等方面综合考虑。
1.4.3空速一般来说，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。
1.4.4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（CH4、N2、Ar）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CO、CO2、H2分压的下降。
必须确定适当的惰气含量，从而选择合适的排放量。
（2）CO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1：2，CO2和H2的分子比是1：3，这时可以得到甲醇最大的平衡浓度。
（3）CO2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3~5%左右为宜［4］。
1.5甲醇合成的工艺流程1.5.1甲醇合成的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，本设计采取低压法。
1.5.2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 (1-9) 经过净化的原料气，经预热加压，于5.6MPa、64 ℃，从上到下进入反应器，在铜基催化剂的作用下发生反应，出口温度为50 ℃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。
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，本设计采用管壳式反应器，管程走反应气体，壳程走6.5MPa的沸腾水1.5.3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。
根据以上要求，选择R2002—甲醇合成反应器。
1.5.4甲醇合成工艺流程来自净化工段的合成原料气，经离心式压缩机加压至压强3.5Mpa，温度313.15K （40℃）后，与来至合成塔的循环气进行混合，经离心压缩机内再次加压到5.2 MPa，混合气在进反应器前先与合成塔出来的气体进行换热，升温到225 ℃，然后从上到下经过管程进入反应器的铜基催化剂，在催化剂的作用下发生发生如下反应：CO + 2H2 = CH3OH + Q (1-10)CO2 + 3H2 = CH3OH + H2O + Q (1-11) 反应器为列管式反应器，管程走反应气。
合成塔出口气体温度528.15K（255℃），壳程走0.1MPa，373.15K（100℃）的水蒸气作为冷却介质，作用是及时带走合成反应放出的热量，维持体系得到温度，使反应快速进行，同时也起到保护催化剂的作用，出口温度为473.15K（200℃）。
合成塔出塔气温度约为255 ℃，含甲醇5.84%，经过水冷却器换热冷却到40 ℃，冷凝的粗甲醇经分离器分离。
由分离器分离粗甲醇后的气体进行适当放空，大部分气体进入压缩机加压返回合成塔，粗甲醇进入精馏工段进行精制［5］。
2列管式换热器设计及相关计算2.1设计任务及操作条件处理能力：69444.4 kg/h甲醇。
设备形式：列管式换热器操作条件：（1）甲醇：入口温度64℃，出口温度50℃，压力为5.6MPa。
（2）冷却介质：循环水，入口温度30℃，出口温度40℃，压力为6.5MPa。
（3）允许压降：不大于105 Pa。
（4）每年按360天计，每天24小时连续运作。
2.2方案简介本设计任务是利用循环水给甲醇合成工段降温。
利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。
选择换热器时，要遵循经济、传热效果优、方便清洗、符合实际需要等原则。
列管式换热器在生产中被广泛利用。
它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大，尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。
选择换热器时，要遵循经济、传热效果优、方便清洗、符合实际需要等原则。