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1、分类号：TQ223.12年产 65 万吨甲醇合成工段工艺设计目 录摘要1设计任务21. 概述31.1 甲醇的性质与用途31.2 甲醇的发展现状31.3 合成甲醇的目的与意义42. 甲醇合成工段设计42.1 甲醇合成方法的选择42.2 甲醇合成反应工艺条件的确定82.3 工艺流程的确定123. 合成工段工艺计算133.1 甲醇合成工段物料衡算133.2 甲醇合成工段热量衡算214. 主要设备的工艺计算和设备选型274.1 甲醇合成塔的设计选型274.2 辅助设备的设计选型325. 甲醇合成工段安全技术与环境保护355.1 有毒物质的预防355.2 甲醇的贮存366. 设计结果汇总386.1 合成
2、工段主要设备一览表386.2 符号说明一览表38结束语39参考文献39致谢40附录42年产 65 万吨甲醇合成工段工艺设计李 婧（西安文理学院，化学工程学院，西安，710065）摘要:本设计遵循“技术先进，工艺成熟，经济合理，安全环保”的原则，结合甲醇的性质特征，采用德国 Lurgi 公司开发的低压合成法，进行以煤为原料年产 65 万吨甲醇合成工艺设计。设计的主要内容是甲醇合成工段的工艺论证、物料衡算和热量衡算、工艺计算及设备设计选型，并绘制了合成反应器结构图，工艺流程图，设备平面布置图等。关键词：甲醇；合成；工艺设计The process design of methanol synthes
3、is section with annual production of 650000 tons methanolLiJing（School of Chemical Engineering, Xian University ,Xian, 710065）Abstract: The design is according to the principles of “advanced technology, technology mature, economical rationality, safety and environmentalprotection”. This design adopt
4、s low pressure synthesis technology of German Lurgi company combined with the characteristics of themethanol. The design with annual capacity of 650000 tons of methanol synthesis process is takingcoal as raw material. The design main content are process demonstration, materialbalance calculations an
5、d heat balance calculations, process calculation and equipment selection and so on.And draw the synthesis reactor structure, process flow diagram, equipment layout, etc. Key words: methanol ; synthesis; process design10项目生产量650000 吨 / 年设计任务设计题目：年产 65 万吨甲醇合成工段工艺设计设计条件操作条件序号设计内容要求1工艺设计选择合适的工艺流程、工艺条件2工
6、艺计算物料衡算、热量衡算等3塔设备设计甲醇合成反应器工艺尺寸设计计算4换热器传热面积的计算、规格选型5水冷器传热面积的计算、规格选型6分离器传热面积的计算、规格选型7.汽包传热面积的计算、规格选型8.压缩机压缩机规格选型设备工作日设计内容和要求操作温度操作压力氢碳比自选压缩比空速催化剂300 天 / 年，24h 连续运行9.10.11.绘图编写设计说明书参考文献绘制合成反应器结构图，合成工段工艺流程图，设备平面布置图目录、引言、设计内容、设备选型、设计结果一览表、结束语十篇以上相关的中文文献和两篇英文文献1. 概述1.1 甲醇的性质与用途1.1.1 甲醇性质甲醇俗称木醇、木精，分子式 CH 3
7、OH 。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 32.04，相对密度 0.7914(d420)，蒸气相对密度 1.11(空气=1)，熔点-97.8，沸点 64.7，闪点（开杯）16，自燃点 473，折射率(20)1.3287，表面张力（25）45.05mN/m ，蒸气压（20）12.265kPa，粘度（20）0.5945mPas。能与水、乙醇、乙醚、苯、酮类和大多数其他有机溶剂混溶。蒸气与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限 6.036.5（体积比）。化学性质较活泼，能发生氧化、酯化、羰基化等化学反应1。1.1.2 甲醇用途甲醇是重要有机化工原料和优质燃料，广泛应用于精细化工
8、，塑料，医药， 林产品加工等领域。甲醇主要用于生产甲醛，消耗量要占到甲醇总产量的一半， 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；甲醇羰基化可生产醋酸、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。甲醇也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。甲醇还是一种很有前景的清洁能源，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
9、成为车用燃料的发展方向之一；另外燃料级甲醇用于供热和发电，也可达到环保要求。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。1.2甲醇的发展现状甲醇在我国的发展最早开始于 1957 年，经过几十年的发展，我国陕西榆林天然气公司、上海焦化有限公司等地拥有甲醇生产装置的生产能力达到 20 万t/a，除此之外，苏里格天然气化工股份有限公司还有用一套生产 18 万 t/a的甲醇生产装置。随着甲醇生产技术的发展，我国甲醇生产技术越来越高，生产工艺逐步成熟，生产规模渐渐扩大，特别是现如今的甲醇柴油、汽油等的出现成为一种经济、技术的代用燃
10、料2。据统计，2010 年全球甲醇生产能力约 7726 万 t/a，产量约 4915 万 t。预计到2015 年，全球甲醇产能将达 12634 万 t/a，年均增长率为 10.3%。近年我国新增产能逐步向煤炭产地集中，同时以焦炉气为原料的甲醇产能增长迅速。2011 年， 国内甲醇企业数逾 300 家，产能达 4700 万 t/a，同比增长 22.4%；产能为 2200 万 t，同比增长 25.6%；表观消费量约 2760 万 t，同比增长 21.6%。现如今，甲醇生产已经成为我国重点发展工业3。1.3 合成甲醇的目的与意义由于我国石油资源的短缺，能源安全已经成为不可回避的现实问题，需求替代能源
11、已成为我国经济发展的关键。合成甲醇技术是煤化工技术在能源转换的背景下研究开发的，其宗旨是以水煤气为原料，扩大炭资源的使用范围，缓和石油危机。甲醇作为石油的补充已成为现实，发展甲醇工业对我国经济发展具有重要的战略意义。甲醇是一种重要的化工产品，有很多用途，它是生产塑料、合成橡胶、农药、医药和染料的原料。为了解决石油资源不足的问题，许多国家正研究充分利用煤和天然气资源，发展合成甲醇工业，以甲醇代替燃料或进一步合成汽油，也可以从甲醇出发合成乙醇，然后进行乙醇脱水生产乙烯，以替代石油生产乙烯的原料路线，或从甲醇直接制取乙烯、丙烯等低级烯烃4。近年来，我国甲醇需求增长平稳，一部分来自于传统应用领域，如甲
12、醛生产等，而新应用领域如醋酸及 MTBE 等则支撑着甲醇需求的增长。广义地说，甲醇应用可分为两大应用领域，即 MTBE 和化工应用。工业合成甲醇常用的方法有甲烷部分氧化法制甲醇和一氧化碳、二氧化碳加压催化氢化制取甲醇的方法。后者在现今的工业上应用较广泛5。2. 甲醇合成工段设计2.1 甲醇合成方法的选择2.1.1 合成甲醇工艺的选择甲醇合成的主反应是：CO+2H2 CH3OH在合成反应中，合成气制甲醇的工艺按压力分为高压、中压和低压法。目前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6。（1） 高压法(2535MPa)是最初生
13、产甲醇的方法，采用锌铬催化剂，反应温度300400，压力 2535MPa。高压法由于原料及动力消耗大，反应温度高， 生成粗甲醇中有机杂质含量高，而且投资大，成本高，其发展长期以来处于停滞状态。（2） 中压法(1525MPa)中压法采用高活性的铜系催化剂，反应温度与低压法相 同，它具有与低压法相似的优点，但由于提高了压力，相应动力消耗略有增加。目前，世界上新建或扩建的甲醇装置几乎都采用低压法或中压法。（3） 低压法（5.010.0MPa)是 20 世纪 60 年代后期发展起来的甲醇合成技术， 由英国 ICI 公司研究得出。低压法基于高活性的铜系催化剂。铜系催化剂的活性明显高于锌铬催化剂，反应温度
14、低(230270)，因此，在较低的压力下可获得 较高的甲醇收率。而且选择性好，减少了副反应，改善了甲醇质量，降低了原料的消耗。此外，由于压力低，不仅动力消耗比高压法降低很多，而且工艺设备的制造也比高压法容易，投资得以降低。总之，低压法比高压法有显著的优越性。表 2.1 三种压力合成甲醇法的操作条件Tab. 2.1 three kinds of pressure synthesis operating conditions高压法中压法低压法操作压力，MPa253515255.010.0操作温度，300400250350230270催化剂Zn-CrCu-Zn-CrCu-Zn-Al 或 Cu-Zn-
15、Cr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，本设计采用低压法合成甲醇。2.1.2 甲醇合成塔的选择甲醇合成的主要设备是甲醇合成塔、水冷器、甲醇分离器等，甲醇合成塔是其核心设备，甲醇合成塔的形式基本决定了甲醇合成的系统装置。下面五种是大型低压甲醇装置常用的合成反应器7。（1） Lurgi 管壳式甲醇合成反应器Lurgi 甲醇合成反应器是德国 Lurgi 公司研制的一种管束型副产蒸汽合成塔。Lurgi 合成塔既是反应器，又是废热锅炉，合成塔内部类似于一般的列管式换热器，列管内装催化剂，管外为沸腾水，反应气体流经反应管，反应放热，热量通过管壁传给沸腾水，使其汽化，转变成蒸汽，管中
16、心与沸腾水相差仅10左右。Lurgi 管壳式甲醇合成反应器具有以下优点： 合成甲醇反应器催化剂床层内温度较为均匀， 大部分床层温度在250255之间，温度变化小，催化剂使用寿命长，并允许原料气中含有较高的CO；能准确、灵敏地控制反应温度，催化剂床层的温度可以通过调节蒸汽压力控制；回收的反应热位能高，热量利用合理；反应器出口甲醇含量较高，催化剂利用率高；设备紧凑，开停车方便；合成反应过程中副反应少，故粗甲醇中杂质含量少，质量高。其缺点是结构较为复杂，装卸催化剂不太方便。（2） ICI多段冷激式甲醇反应器ICI甲醇合成塔为多段冷激型反应器，段内绝热，段间原料气冷激。其主要优点有：单塔操作，生产能力
17、大；温控方便；冷激采用菱形专利技术，催化基层上下贯通，催化剂装卸方便。 其缺点是反应器内有部分气体与未反应气体返混，催化剂时空产率不高，用量较大，仅能回收低品位热能。（3） MHI/MGC管壳-冷管复合型甲醇合成反应器该反应器为 Lurgi反应器的改进型，该反应器是在管壳反应器的催化管内加一根冷管，用于预热原料气。其主要优点是：一次通过的转化率高；可以高位能回收热量；在反应器中预热原料气，可以省去一个换热器。（4） Topsoe（托普索）径向流甲醇合成反应器合成系统由三台绝热操作的径向流反应器组成，反应器之间设置外部换热器移走热量，气体在床层中向心流动，该反应器特点是：径向流动，压降较小，可增
18、大空速，提高产量；可使用小粒径催化剂，提高粒内效率因子，提高宏观反应速度；可方便地增大生产规模，在直径不变的情况下，增加反应器高度，即可增大生产规模， 单系列能力可达 2000 吨/天以上。（5） Linde（林德）等温型甲醇合成反应器Linde 等温型甲醇合成反应器，其结构与高效螺旋盘管换热器相似，盘管内为沸水，盘管外放置催化剂，反应热通过盘管内沸水移走，其反应器特点是： 基本上在等温下操作，可防止催化剂过热，控制蒸汽压力调节床层温度冷却盘管与气流间为错流，传热系数较大。综上所述，Lurgi管壳式甲醇合成塔，反应温度均匀，转化率较高，反应副产物少，原料消耗低，副产物少，加上国外目前建设的大型
19、 /超大型甲醇装置多采用 Lurgi工艺，大型装置工业化经验多，工艺成熟。因此本设计“年产 65 万吨甲醇项目”采用该塔。2.1.3 催化剂的选用铜基催化剂和锌铬催化剂的比较如下表 2.2表 2.2铜基催化剂和锌铬催化剂的比较8Tab. 2.2 comparison of copper based catalyst and zinc chromium catalyst种类优点缺点适用的生产工艺铜基催化剂活性温度低选择性高耐热性差耐毒性差中、低压法（220270，5-15MPa）锌基催化剂耐热性高耐毒性高高压法活性温度高（350400，25-32MPa）通过以上比较，可知使用铜基催化剂可大幅度节
20、省投资费用和操作费用，降低成本。随着脱硫技术的发展，使用铜基催化剂已成为甲醇合成工业的主要方向， 锌基催化剂已于 80 年代中期淘汰。国内外常用铜基催化剂的特性对比如下表 2.3表 2.3国内外常用铜基催化剂的特性对比9Tab. 2.3 comparison of the characteristics of copper based catalysts at home and abroadCuOZnOAl2O3压力/MPa温度/英国 ICI 51-36030107.8-11.8190270德国 GL 104513244.9210240美国 C79-2-1.5-11.7220330丹麦 LMK
21、4010-9.8220270中国 C302 系列512085.0-10.0210280中国 XCN-98522085.0-10.0200290催化剂型号组分/ %操作条件本次设计采用由西南化工研究设计院开发的 XNC-98，该催化剂是纳米级特殊载体制成的负载型催化剂，具有密度小、孔容大、孔分布合理、机械强度好、抗烧结性强、活性高、稳定性和选择性好的特点。XNC-98 型低压甲醇合成催化剂的物性情况10如下： 外 观： 有色金属光泽的圆柱体堆积密度： 1.31.5kg/L外型尺寸： 5(4.55)mm径向抗压强度：200N/cm催化剂活性和寿命：在该催化剂质量检验规定的活性检测条件下，其活性为：
22、230时：催化剂的时空收率1.20kg/(L.h)250时：催化剂的时空收率1.55kg/(L.h)在正常情况下，使用寿命为 2 年以上。2.2 甲醇合成反应工艺条件的确定2.2.1 甲醇合成的反应热力学分析热力学是研究反应能否进行以及进行的程度的学科。甲醇合成反应是一个可逆反应，CO 与 H2 生成 CH3OH 的反应不可能进行的彻底，存在一个动态平衡， 当产物 CH3OH 的量达到一定程度之后，CH3OH 分解生成 CO 与 H2 的反应就开始了。对于工业生产甲醇而言总是希望尽量多的生成甲醇，即 CO 与 H2 生成CH3OH 的逆向反应尽量不进行。对甲醇合成可以用温度、气体分压及反应浓度
23、分别表示的平衡常数进行热力学分析。（1）温度反应温度是影响平衡常数的一个重要因素，关系式为：lgK = 3921 / T - 7.971lg / T + 0.002499 T - 2.953 10-7 T 2 +10.2T式中 KT 用温度表示的平衡常数；T反应温度，K代入不同的温度值，可得出不同温度下的平衡常数。见表 2.4：表 2.4甲醇合成不同温度下的平衡常数Tab. 2.4 equilibrium constant of methanol synthesis under different temperature反应温度/ 平衡常数 Kp反应温度/ 平衡常数 Kp0667.303002
24、.4210-410012.924001.07910-52001.90910-2从上表可以看出，甲醇合成反应的平衡常数随着温度的上升，而很快减少。从这一点出发，高温下对甲醇合成不利，甲醇合成宜在低温下操作。（2） 压力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：p3K =CH OHppp22COH式中：Kp 甲醇的平衡常数； pCH3OH 甲醇平衡分压； pCO 一氧化碳平衡分压；pH2 氢气平衡分压。在压力接近大气压时，其数值是正确的。但在较高的压力下，则必须考虑反应混合气体的可压缩性，此时应采用逸度代替分压。K = K KK
25、= V/(V V2 )fVPVCH OH3CO H2式中：Kf 用逸度表示的平衡常数KV用逸度系数表示的平衡常数VCH3OH、VCO、VH2分别表示反应混合气体中的甲醇、一氧化碳、氢气的逸度系数。由于甲醇的可压缩性比一氧化碳和氢气大得多，而且压力越高差别越大。所以对甲醇而言，KV 随着压力的升高而下降，KP 和 Kf 随着压力的升高而增加。因此甲醇合成反应在高压下进行比较有利，可以得到较高的甲醇转化率。（3） 反应物浓度对于反应起始混合物（mol）CO1+2H22=CH3OH0平衡混合物（mol）1-x2（1-x）x平衡浓度(1-x) / (3-2x)2(1-x) /( 3-2x)x /( 3
26、-2x)式中：x一氧化碳的转化率则用反应物浓度表示的平衡常数 KN 可表示为：K=(x/3 - 2x)= x(3 - 2x) 2由此可以看出一氧化碳的转化N(1- x/3 - 2x)2(1 - x)/3 - 2x 24(1- x) 3率越高，甲醇在平衡混合物中的浓度也越大。总之，在一定的原料组成情况下，由于甲醇合成的反应多是放热的可逆反应，反应时分子数减少，所以在热力学角度考虑，温度低，压力高对生成甲醇的平衡有利。当然生产条件的制定还要考虑动力学的因素。2.2.2 甲醇合成的反应动力学分析反应动力学是研究反应过程速率的科学，其目的是了解各种因素对反应速率的影响，以寻求反应能迅速进行的条件。将
27、H2、CO2 在高压下混合在一起，尽管在热力学角度看在常温下能够反应生成甲醇，但如果不用催化剂并保持一定温度，即使过若干年，混合气体仍然不会有什么变化。所以，为了工业化生产需要必须进行反应动力学的研究，找到能加快甲醇合成速率的因素。对甲醇合成反应机理的研究表明，甲醇合成反应是一个气固相催化过程。其特点是反应主要在催化剂表面上进行，可按下列五个过程进行：扩散：气体自气相到催化剂表面的扩散。吸附：各种气体组分在催化剂活性表面上进行化学吸附表面反应：化学吸附的气体，按照不同的反应动力学假说进行反应形成产物解吸：反应产物脱吸。扩散：反应产物气体自催化剂表面到气相的扩散。合成反应的速率，决定于全过程中最
28、慢步骤的完成速度，期中过程和进行的非常迅速，以至于它们对反应动力学的影响可忽略不计。过程和的进行速度比过程的反应速度快得多。因此过程的反应速度是决定整个反应过程的速度，称为化学反应动力学的控制步骤。影响甲醇合成反应速率的因素很多，有温度、压力、组成、空速等，式中最主要的因素是反应物料浓度和反应温度，称为压力效应和温度效应。根据阿勒尼乌斯公式导出温度和反应速度常数的关系式：其中：Kr反应速度常数K0频率因子Ea活化能 kJ/molR气体常数T反应温度,KK = Kr0e- Ea / RT从阿勒尼乌斯公式可以看出提高温度可以提高反应的速率常数，即可以加快反应速度。工业颗粒催化剂的宏观反应速率可用公
29、式表示：r = K (C - Ceq )n式中 C 和 Ceq 是气相中 CO 的浓度及 CO 的平衡浓度压力效应由于不同的催化剂组成等生产条件的不同而不尽一致，但有一点是一致的， 反应速度随着反应物浓度的增加而单调渐增。总之，在甲醇合成反应中，不论从热力学角度还是从动力学角度考虑，增加压力对反应有利，但温度的作用则不同，热力学角度要求降低温度有利于平衡， 可增加产物甲醇的平衡浓度，但降低温度会减少反应速度常数，使反应速度变慢。2.2.3 反应条件的确定合成甲醇是一个强放热与体积缩小的可逆反应，影响甲醇合成的因素有：原料气的组成、温度、压力、空速等11。（1） 反应温度在甲醇合成的反应中，温度
30、对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，温度升高有利于甲醇合成反应速率的加快。但是甲醇合成反应是一个可逆的放热反应，温度升高虽然速率会升高，但是平衡常数将会降低。因此， 甲醇合成反应存在一个最适合的反应温度。另一方面，反应温度与所选用的催化剂的类型有关，不同的催化剂有不同的活性温度。本次设计中采用的甲醇合成催化剂为国产的XNC-98，由它的性质可知，适合使用温度范围为 200290。（2） 反应压力压力是甲醇合成反应过程的重要工艺条件。甲醇合成反应是分子数减少的过程，因此提高反应压力有利于平衡，同时由于压力高，组分的分压也提高了，因而催化剂的生产强度也相应提高。但是压力并不是单
31、纯的由一个原因决定的，它与合成工艺选用的催化剂的性质、原料气碳氢比、催化剂活性温度、空间速度等因素有关。设计采用的是低压法（入塔压强为 5.2MPa）合成甲醇。（3） 气体组成对于甲醇合成原料气，即合成工序的新鲜气，应维持氢碳比f =（H2-CO2）/ (CO+CO2)=2.102.15，并保持一定的 CO2。由于新鲜气中 f 略大于 2，而反应过程中氢与一氧化碳，二氧化碳的化学计量比分别为 2：1 和 3：1，因此循环气中f 远大于 2，合成塔中氢气过量，对减少副反应是有利的。甲醇合成过程中，需要一定的二氧化碳存在以保持催化剂的高活性。一般不超过 5%。（4） 空速合适的空速与催化剂的活性和
32、反应温度有关。甲醇合成过程中，首先甲醇合成塔内的气体空速必须满足催化剂的使用要求，国产铜基催化剂一般要求气体空1速在 800020000h-1 之间，空速过低，结炭等副反应加剧；空速过高，系统阻力加大或合成系统投资加大，能耗增加，催化剂的更换周期缩短。空速的选择需要根据每一种催化剂的特性，在一个相对比较小的范围内变化。XNC-98 的空速要求是 600020000h-1，本设计空速为 13000 h-1。2.3 工艺流程的确定2.3.1 气体流程来自合成气转化装置的新鲜气进入合成压缩机一、二段压缩至 4.8MPa（G）， 经冷却至 40与来自甲醇合成的循环气（ 4.8MPa（G）、40），一起
33、进入合成压缩机的三段，经过三段压缩至 5.2MPa（G），然后送甲醇合成工序。2.3.2 甲醇合成工艺流程12合成原料气经冷却后，进入离心式透平压缩机(C1001)，压缩至 5.2MPa，与循环气体以 1：5 的比例混合，混合气在换热器(E1001)中，与反应器出口气体换热，升温至 220，然后进入管壳式合成反应器，在铜基催化剂存在下发生如下反应：CO+2H2 =CH3OH+QCO2 +3H2 =CH3OH+H2O+Q甲醇合成塔(R1001)为列管式反应器，管内装有 XNC-98 型甲醇合成催化剂，管外为沸腾锅炉水，管程走反应气。反应放出大量的热，通过列管管壁传给壳程的锅炉水，产生大量中压蒸汽
34、(3.9MPa，100)进入汽包(V1001)，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。反应气由甲醇合成塔(R1001)底部出来（反应器出口气温度约为 255，含甲醇 7%左右），经入塔气换热器(E1001)与入塔气换热后，温度约为 145，然后再进甲醇水冷器(E1002A,B)冷却至 40进入甲醇分离器(V1002)分离出冷凝下来的粗甲醇，粗甲醇去精馏系统。甲醇分离器顶部出来的气体，少部分作为驰放气去控制系统中惰性气体的含量，大部分气体进入透平压缩机加压后返回合成系统，如此继续循环。驰放气用膜分离法回收氢气，与脱硫脱
35、碳气混合，作为新鲜气。由甲醇分离器底部送出的粗甲醇（温度 40），进入甲醇闪蒸槽（V1003）。在闪蒸槽中粗甲醇液体释放出溶解在其中的部分轻组分气体，这些气体与弛放气21一起并入燃料系统作燃料使用；槽中的粗甲醇液体利用余压送入甲醇贮槽和精馏工段。开工蒸汽中压蒸汽汽包排污锅炉给水、压缩机驰放气火炬气中压蒸汽背压蒸汽净化气汽包甲醇合成塔换热器甲醇水冷器甲醇分离器闪蒸槽闪蒸气粗甲醇Fig. 1flow diagram of methanol synthesis process图 1.甲醇合成工艺流程图3. 合成工段工艺计算3.1 甲醇合成工段物料衡算3.1.1 设计条件及参数已知年产 65 万吨精甲
36、醇，每年以 300 个工作日计算，每天 24 个小时。合成工段各物质的摩尔质量如下表 3.1Tab. 3.1 the molar mass of the substance of the synthesis section表 3.1合成工段各物质的摩尔质量组分COCO2H2CH4N2CH3OH(CH3)2OC4H9OHH2O摩尔质量28442162832467418精甲醇中甲醇含量：99.99%根据某化工厂得粗甲醇组成如下表 3.2Tab. 3.2crude methanol表 3.2 粗甲醇组成组分百分含量/%甲醇92.99二甲醚0.20高级醇0.03水6.78时产精甲醇：65104/300
37、24=90.28 t / h时产粗甲醇：90.2899.99%/92.99%=97.08 t / h合成过程的反应方程：主反应： CO+2H2CH3OH式（1）CO2+3H2=CH3OH+H2O式（2）副反应： 2CO+4H2(CH3)2O+H2O式（3）CO+3H2CH4+H2O式（4）4CO+8H2C4H9OH+3H2O式（5）CO2+H2CO+H2O式（6）由于合成反应中甲醇主要由一氧化碳合成，二氧化碳主要发生逆变反应生成一氧化碳，且入塔气中二氧化碳的含量一般不超过 5%，所以计算中忽略反应式（2）。3.1.2 合成工段物料衡算（1） 根据粗甲醇组分，算得各组分的生成量为：甲醇 = 97
38、.08 92.99%1000 = 90274.692 kg / h,即2821.084 kmol / h二甲醚 = 97.08 0.2%1000 = 194.160 kg / h，即 4.221 kmol / h异丁醇 = 97.08 0.03%1000 = 29.124 kg / h，即0.394 kmol / h水 = 97.08 6.78%1000 = 6582.024 kg / h，即 365.668 kmol / h工业生产中测得低压时，每生产一吨粗甲醇生成甲烷 1.52m3（标况），即0.34kmol 的甲烷。故甲烷每小时生成量为：97.080.34=33.007 kmol / h
39、。忽略原料气带入水，根据（3）（4）（5）得反应（6）生成水量为：365.668-4.221-33.007-30.394=327.258 kmol / h,即在 CO 逆变换中生成的H2O 为 327.258 kmol / h,即 7330.579 m3 / h粗甲醇中气体溶解量查甲醇生产技术及进展13在 5.06MPa，40时，每吨粗甲醇中溶其他组成如下表 3.3：表 3.3每吨粗甲醇中合成气溶解情况Tab. 3.3per ton of crude synthesis gas dissolved in methanolH2COCO2N2ArCH4溶解量（Nm3/t 粗甲醇）4.3640.81
40、57.7800.3650.2431.680组分粗甲醇中溶解的气体量：n= 97.08 4.364 = 423.657m3 / h = 17.733kmol/ hH2n= 97.08 0.815 = 79.120m 3 /h = 3.572kmol/hCOn= 97.08 7.780 = 755.282m3/h = 37.548kmol/hCO2n= 97.08 0.365 = 35.434m3/h = 1.248kmol/hN2n= 97.08 0.243 = 23.590m 3 /h = 0.846kmol/ hArn= 97.081.680 = 163.094m3/h = 7.169kmo
41、l/hCH4根据测定，40时液态甲醇中释放 CO、CO2、H2 等混合气中每立方米含37.14g 甲醇，假定溶解气全部释放，则甲醇扩散损失为：n损失CH OH3= n+ n+ nHCOCO22+ n+ n+ nrNACH24= (423.657 + 79.120 + 755.282 + 35.434 + 23.590 +163.094)(37.14/1000)= 54.974kg/h = 1.718kmol/h（2） 合成反应中气体的消耗和生成情况驰放气组成如下表 3.4表 3.4弛放气组成Tab.3.4 purge gas composition气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4组成
42、 / %0.6178.316.293.513.192.305.79由反应方程及以上计算可得合成反应中消耗原料情况如下表 3.5：表 3.5合成反应中消耗原料情况Tab. 3.5synthesis of raw materials consumption消耗项消耗原料气组分 / kmol / h反应（1）CO2821.084CO2-H2 5642.168反应（3）8.442-16.884反应（4）33.007-99.021反应（5）1.576-3.152反应（6）（327.258）327.258327.258注：括号内的为生成量；反应（1）项不包括扩散甲醇和弛放气中甲醇消耗的原料气量合成反应中生
43、成物情况如下表 3.6：表 3.6合成反应中生成物情况生成项Tab. 3.6objects generated in the synthesis生成物组分 / kmol / hreaction反应（1）CH4-CH3OH(CH3)2O 2821.084-C4H9OH-H2O-反应（3）-4.221-4.221反应（4）33.007-33.007反应（5）-0.3941.182反应（6）-327.258其他原料气消耗如下表 3.7：表 3.7其他原料气消耗消耗项Tab.3.7other raw gas consumption消耗原料气组分 / kmol / h粗甲醇中溶解CO3.572CO2H2N237.54817.7331.248Ar0.846CH4 7.169扩散的甲醇1.718-3.436-驰放气0.0629G0.0351G0.7831G0.0319G0.023G0.0579G驰放气中甲醇0.0061G-0.0122G-