初步设计说明书(77页).docx

-初步设计说明书-第 76 页第二章初步设计说明书第一章 项目总论1.1 项目概览煤或天然气经由甲醇制取低碳烯烃技术是国际上广泛关注的研究热点，但一直以来由于其高昂的投资成本、生产成本和技术风险，使得此项目在工业化的过程中步履维艰。2004年国际市场乙烯、丙烯大幅度上扬，为本项技术的推广带来新的契机。文章从市场分析和财务评价的角 度论述了甲醇制取低碳烯烃项目的必要性和可行性。近年来我国一些产煤大省、地区，为把资源优势转化为经济优势，纷纷作出发展煤化工的决策。甲醇制乙烯（MTO）和甲醇制丙烯(MTP)是国际上广泛受关注的煤化工的潜在市场。随着甲醇生产的日益规模化，成本日趋降低，以及甲醇制烯烃技术的日益成熟，MTO、MTP已面临大型商业化。本实验装置拟采用某研究所实验室已经成熟的甲醇制取低碳烯烃技术，建设300 kt/a甲醇制乙烯装置，装置包括反应和分离两部分。原料为甲醇，产品为乙烯，同时副产丙烯、碳三、碳四等产品。根据靠近原料地选址原则，项目厂址假定为我国西南某地甲醇厂内，公用工程依托该甲醇厂设施。1.2 设计依据ü 本组编制的可行性报告ü 化工工程设计相关规定ü 国家经济、建筑、环保等相关政策1.3 产品及原料方案ü 本项目年产乙烯为12万吨，其中大部分用于直接进行销售。ü 主要原材料需购进甲醇，重庆利全化工有限公司成立于2008年，位于九龙坡区水碾化工市场，是一家主营各种化工原料及化学试剂的专业性公司。自成立以来，公司一直秉承“诚信经营 合作共赢”的经营理念，坚持“客户第一 客户至上”的原则。在短短几年间，已与多家企业建立了长期业务合作关系。该公司主要经营液碱、甲醇、沥青、水玻璃、双氧水、盐酸、硫酸、次氯酸钠、桐油、油酸钠、铬酸酐、单宁酸、氯化锌、乙醇、醋酸酯、二甲苯、硼酸、硼砂、纯碱、片碱等各种化工原料、实验室仪器及各种化学试剂。 该公司甲醇3350元/吨（3吨起售）第二章 总图运输2.1 设计依据化工企业总图运输设计规范GB50489-2009 工业企业总平面设计规范GB50187-93 石油化工企业厂区总平面布置设计规范SH/T3053-2002建筑设计防火规范GB50016-2006 厂矿道路设计规范GBJ2287 压缩机厂房建筑设计规定HG/T20673-2005 化工管道设计规范HG/T20695-87 化工设备管道外防腐设计规定HG/T20679-90 化工工厂总图运输施工图设计文件编制深度规定 HG/T20561-94本项目厂区位于重庆市长寿化工园区。厂区的工程地质与水文地质资料、地震烈度等，参考初步设计说明书的“第八章 土建”。有关气象资料等参考可行性论证“第四章 厂址选择”。2.2 设计范围 本章主要介绍厂内总平面布置、场内交通运输设计规范及特点。2.3 厂址概况重庆（长寿）化工园区是2001年12月重庆市人民政府批准成立的省级工业园区。园区首期规划面积为31.3平方公里，如图6.1所示。分为天然气化工片区、石油化工片区、精细化工片区及化工材料片区，是重庆市集天然气化工、石油化工、生物质化工、精细化工和新材料产业于一体的综合性化工园区，是重庆市资源加工业的重要平台。园区具有优越的地理位置、便捷的交通网络、丰富的自然资源、雄厚的产业基础、完善的配套设施。详见可行性论证“第六章 厂址选择”。2.4 总平面布置本厂的总平面布置，是在总体规划的基础上，根据企业的性质、规模、生产流程、交通运输、环境保护以及防火、安全、卫生、施工及检修等要求，结合场地自然条件，通过技术经济比较后，设计多种方案后择优确定而来的。厂区平面布置图2.4.1 总平面布置的要求本项目的厂区总平面布置是严格2.1节中所列设计规范的要求进行设计的。并且在进行化工厂总平面布置之前，分析了全厂生产流程顺序、各部分的生产特点和火灾危险性，同时考虑了厂区地形和风向，选择了合理的朝向，使人员集中的建筑物有良好的采光及自然通风条件。根据设计规范的要求，为了节约土地，提高土地利用率，需要按照功能分区集中布置。其中工艺装置，在满足生产、操作、安全和环保的要求许可时，应联合集中布置，集中控制，建筑物宜合并布置。街区需要合理划分，厂区通道宽度需要确定，街区及建筑物、构筑物的布置宜规整。各类仓库，宜按储存货物的性质和要求，宜合并设计为大体量或多层仓库，并提高机械化装卸作业程度，有效地利用空间。生产管理及生活服务设施，宜按使用功能合理组合，设计为多功能综合性建筑。设计规范还规定总平面布置应当防止和减少有害气体、烟、雾、粉尘、振动、噪音对周围环境的污染，污染大的设施应远离对污染敏感的设施，并避免环境重复污染。产生噪音污染的设施，宜相对集中布置，并应远离生产管理设施和有安静要求的场所。在进行总平面布置设计时需要预留发展用地，一方面可以使前期建设的项目集中、紧凑、布置合理，并与后期工程合理衔接；另一方面可以满足辅助生产设施、公用工程设施、仓储和管线铺设等相应后期配套建设。2.4.2 厂区总体布局概述厂区布置为矩形，东西方向长为223m，南北方向宽为128m，总面积为 25994m2 。厂区南侧为总厂公路。本厂区按照功能分区集中布置，即原料输入区、产品输出去、储存设施区、工艺装置区、公用工程设施区、辅助设施区、行政管理区、其他设施区等。其中，在满足生产、操作、安全和环保要求的条件下。本设计中，厂区内道路总体呈网格状布置，并均已其走向进行命名（南北向道路称经某路，东西向道路称纬某路，环线道路以其位置命名），易于识记和辨认；主干道（经某路、纬某路和北环路）设计宽度为10米（双向四车道），次干道设计宽度为5米（双向两车道）。整个厂区的道路及建构筑物都进过严格规划，布置规整。同时，人流与货流分离，并留有消防安全通道。本厂区储存设施区分为成品仓库、储水池、原料储罐、球罐区（储存多余的已捕集的二氧化碳）和气柜（烟道气进入捕集系统前的缓冲设备）。本项目设计将食堂、医疗站以及行政办公场所有效合并，节约了土地。另外，类似地分别将仪修车间、中心化验室和开发部进行合并，将控制中心和环境监控站合并，将机械修理和电器修理车间进行整合，大大提高了土地利用率。本厂区中容易产生噪音和振动的车间被安排在厂区南边，通过停车场以及树林与生产管理区和对安静、振动有要求的场所分隔。同样的，工艺装置区与生产管理区、生活区之间留有足够的安全距离，并通过树木阻隔噪音。本项目中在厂区内留有两块发展用地，一块位于西北角的配套用地是用于辅助生产设施及公用工程设施后期建设的；另一块位于东南侧的发展用地是为了满足后期储罐区扩建而保留的。实际上在工艺装置区，同样预留了一个反应车间，可用于后期其他反应工艺的扩展建设。2.4.3 厂区面积计算Ø 总占地面积:223*128-60*30-25*30=25994（m2）Ø 建构筑物(20*30-10*10+3.14*25)+(25*10+0.5*3.14*25)+15*15+20*30+20*30+30*15+15*30+15*30+(15*15+4*15*7.5)+30*30+30*30+25*30+25*30+3.14*100+25*30+25*12+25*13=9,306.75（m2）Ø 道路面积125*5*2+(30*10+30*10)+(30*10*3)*4+(30*7.5*2)+210*5+210*10*3+25*5+30*5+15*5+30*5=13,750（m2）Ø 绿化面积 (220+117+200+127)*1+(7.5*22.5+3.14/4*7.5*7.5)*3+10*15+30*10+7.5*7.5*4=1,977.71875（m2）Ø 围墙长度222+118+202+128=670（m）2.4.4 总平面布置各项技术指标：化工厂总平面布置设计的各项技术指标项目参数厂区占地面积25,994平方米建构筑物占地面积9,306.75平方米道路用地面积13,750平方米出入口个数3个绿化面积1,977.72平方米绿化系数7.61%围墙长度670米2.4.5 工艺装置的布置设计规范要求工艺装置在厂区内布置应相对集中，形成一个或几个装置街区。本设计中将反应车间和捕集车间集中布置，设置在同一街区内，这样有利于集中铺设公用工程管线以及集中控制管理，而且工艺生产流程顺畅、衔接短捷，紧凑合理，与相邻设施也协调得很好。除了有利于生产管理和安全防护等优点外，集中布置工艺装置还便于施工、安装和检修。工艺生产装置宜布置在人员集中场所全年最小频率风向的上风侧，并位于散发可燃气体的储运设施全年最小频率风向的下风侧。本设计中，人员集中的场所诸如行政办公楼、医疗站、食堂、中心化验室、开发部等等都位于西南角，正处于全年最小频率（东北风）的下风侧。同时可能散发可燃气体的成品罐区和原料罐区处于工艺生产装置的东北侧和东侧，这一方向上全年的风频率都较低。控制室的位置应该靠近主要工艺装置或主要控制设备，本设计中的控制中心距离工艺生产区比较靠近，又在一定的安全距离以外。控制室朝向高压或者有爆炸危险的生产设备区一侧的外墙，应为密闭式或控制室整体采用抗暴型结构。此外，控制室还应该避免噪音、振动以及电磁干扰较大的场所对其的干扰。本设计中，使用较多的树木作为隔音屏障，使得控制中心与噪音较大的工艺装置区以及机修/电修车间隔开。装置区内储罐仅对液化烃、可燃液体和可燃气体有特殊要求，对于性质较为稳定的二氧化碳，可以储存与工艺生产装置区的地段内，有利于服务毗邻的对象，储存未用于反应工艺的二氧化碳（可以供应给市场）。装置区内道路的布置应该满足生产操作、物料运输、设备检修、消防安全和事故急救等的要求下，应力求减少道路的面积；工艺装置的内部道路应与街区外的厂区道路连接。此外，工艺生产装置的主生产区不宜进行绿化。2.4.6 辅助生产及公用工程设施2.4.6.1总变电所的布置设计规范规定总变电所应便于电线路的进出、不妨碍工厂的扩建和发展的独立地段。当采用架空输电线时，应布置在厂区边缘地带。总变电站应该布置在易泄漏、散发液化烃及较重的可燃气体、腐蚀性气体及粉尘的生产、储存和装卸设施全年最小频率风向的下风侧和有水雾场所冬季盛行风向的上风侧。本布置方案中，总变电站位于全场西侧边缘地带，正位于可燃气体散发区域、储存和装卸设施的西侧，而全年东风频率都较低。同时，变电站设计远离强振源，与易泄漏、散发液化烃及较重的可燃气体、腐蚀性气体及粉尘的生产、储存和装卸设施也在规定距离（>60米）之上。2.4.6.2循环水场的布置循环水场应靠近主要用户，避免在工艺装置的爆炸危险区范围内；避免靠近火炬、加热炉、焦炭塔等热源体；不宜布置在邻近的变配电所、露天工艺设备、主要运输道路冬季最大频率风的上风侧，并不应布置在受水雾影响而产生危害的设施的全年最大频率风向上风侧。本工厂中循环水场位于全厂的东北角，远离总变电所和工艺设备区，同时在全年风频率最小的东北风的上风侧，减轻了对易受水雾影响的设施所产生的危害。2.4.6.3中心化验室、仪修车间、开发部的布置按照设计规范的要求，中心化验室、仪修车间应该布置在生产管理区内，不应布置在散发毒性、腐蚀性及其它有害气体、粉尘以及循环水冷却塔等产生大量水雾设施的全年最大频率风向的下风侧。本设计方案中，将中心化验室、开发部、仪修车间整合到一栋综合多功能建筑中。循环水场以及可能散发毒性、腐蚀性、易燃性气体的储罐区均远离中心化验室、仪修车间，并且处于相对此楼频率较低风向的上风侧，均符合设计规范的要求。设计规范还要求中心化验室、仪修车间远离振源，要有良好的朝向，避免西晒。本设计中，此栋综合楼整体朝南，保证了这栋楼的采光条件，同时该楼为东西走向，最大限度地避免了西照。此外，与强振源区域保持较远的距离，并设有树林作为隔音屏障。2.4.6.4机修、电修车间的布置机修、电修车间宜集中布置在厂区的一侧、靠近人流出入口的地段，并有较方便的交通运输条件；同时应避免机修、电修车间的噪音、振动对周围设施的影响。本设计方案中机修、电修车间紧邻1号门（人流出入口）和停车厂，具有非常便利的交通运输条件。同时，由于停车厂在空间上的阻隔以及树木作为屏障，使得噪音以及振动对周围设施的影响降至最低。2.4.6.5 污水处理场的布置根据设计规范的要求，污水处理厂宜位于厂区边缘或厂区外的单独地段，且地势及地下水位较低处；并应布置在厂区全年最大频率的下风侧，且应注意其对周围环境的影响。本设计方案充分考虑了以上要求，将污水处理厂设在全场南侧边缘地带，处于全年最大频率的北风的下风侧。2.4.7 仓储设施的布置原料、燃料、材料、成品及半成品的仓库、堆场及储罐，应按其储存物料的性质、数量、包装及运输方式等条件，按不同类别，相对集中布置，并宜靠近相关装置和运输线路，且应符合防火、防爆、安全、卫生的规定，为管理创造有利条件。2.4.7.1仓库的布置仓库主要用于存放固体原料，应该设置在邻近主要用户的场所，并方便运输和适应机械化装卸作业；宜布置在厂区的边缘地带，且位于厂区全年最小频率风向的上风侧。本厂区仓库位于东北角，靠近3号门和装卸区，方便运输并适应机械化装卸作业，同时处于厂区全年频率最小风向的上风侧。2.4.7.2罐区的布置设计规范中关于罐区布置的要求较多。首先，罐区应按照物料性质、隶属关系、操作和物料输送条件，分别布置为原料罐区和成品罐区，其位置应满足工艺生产、储运装卸和安全防护要求，同时应留有必要的发展用地。本设计中，原料储罐、成品储罐、CO2球罐区分开布置，既邻近工艺装备区，又邻近装卸区，充分满足了工艺生产和储运装卸的要求。此外罐区正对3号门，方便消防车的出入，达到了安全防护的要求。设计规范要求液化烃和可燃液体的罐组宜布置在厂区边缘地带，同时应在人员集中场所和明火或散发火花地点全年最小频率风向的上风侧，并应避免布置在窝风地带。本设计也满足了这些要求，罐区远离了人员集中场所和易产生明火或火花的机修、电修车间，并处于他们的全年最小频率风向的上风侧。此外，液化烃、可燃液体罐组，不宜紧靠排洪沟布置；与罐区无关的管线、输电线均不得穿越罐区。2.4.8 运输设施的布置2.4.8.1罐区汽车装卸区的布置罐区汽车装卸设施应该位于厂区边缘、空气流通的地段或布置在厂区外。远离人员集中的场所、明火和散发火花的地点及厂区主要人流出入口和人流较多的道路。本设计中，装卸区设置在厂区的东侧，紧邻3号门（主要货流运输出入口），同时远离人流较多的道路和可能产生明火和散发火花的地点。2.4.8.2汽车库、停车场的布置汽车库、停车场的布置应该靠近货流出入口或者仓储区布置，减少空车程；生产管理及生活用车单独设置车库时，应布置在生产管理区。本设计中，专用于货物运输车辆的停车场位于装卸台的南侧，卸货后的车辆可以直接停在这片停车场内；而专属于生产管理区的车辆拥有独立的停车场，紧靠1号门和周围各生产管理部门，交通极为便利。2.4.9 生产管理及生活服务设施2.4.9.1厂前区的布置生产管理区及生活服务设施应根据工厂规模，按其性质和使用功能，宜布置在厂前区。设计规范要求厂前区布置在厂区的主要人流出入口、与居住区和城镇方便的地点；宜位于厂区全年最小频率风向的下风侧，并且环境洁净的地段；建筑群体的组合及空间景观应与周围的环境相协调；应设置相应的绿化、美化设施，处理好建筑、道路、绿地和建筑小品之间的关系。厂前区的布置体现了一个工厂整体风貌和企业形象，因此我们在厂前区的布置上也下了不少功夫。在满足设计规范的诸多要求的同时，我们更多地考虑了建筑风格以及景观配合的关系。Ø 首先，将食堂、医疗卫生站和行政办公楼有效组合成综合性多功能建筑，有效提高了土地利用率以及生活服务区的整体性。该多功能建筑的外形方中有圆，避免了外观的单调和死板，并且和中心化验室、仪修车间、开发部的综合楼的建筑风格相呼应。Ø 其次，厂前区多功能建筑从上空看，其外形为英文字母C，表明该企业从事的是与二氧化碳（Carbon Dioxide）捕集、利用相关的生产。同时这栋建筑从上空看也像一把钳子，包围着象征着地球的蓝色喷泉池，意味通过化学工程的方法解决温室气体大量排放的问题。Ø 最后，厂前区多功能建筑正前方是一片草坪，上面会有该企业的标语和图表，可以给初次来访的人们留下极其美好的印象。2.4.9.2食堂的布置设计规范要求工厂食堂布置在厂前区，其服务半径不宜大于500米。本工厂食堂的设置完全满足了该工厂工人用餐的需求量，同时又保证了其服务半径。2.4.9.3自行车棚、停车场的布置设计规范要求自行车棚应布置在职工存取车方便的地方，自行车棚面积的大小应根据工厂最大班职工人数及当地交通运输条件确定。同时厂前区宜设置必要的汽车停车场，满足工人及职工用车停放的需要。本设计中，自行车库紧邻汽车停车场，方便职工切换交通工具，并且这对1号门，出入非常方便。2.4.9.4厂区出入口的布置设计规范要求厂区的出入口不少于2个，人流和货流出入口应该分开布置；主要人流出入口应设在工厂主干道通往居住区和城镇的一侧，主要货流入口应位于主要货流方向，靠近运输繁忙的仓储区，并与厂外运输线路连接方便；主要出入口应设置门卫室。本设计方案中共设置了三个出入口，分别位于经一路、经四路和纬二路，其中1号门主要服务人流，2号、3号门主要服务物流。3个出入口均设有门卫室。2.4.9.5围墙的设置设计规范要求建筑为与围墙的间距应大于5米，道路与围墙的距离应大于1米（围墙自墙轴线算起，建筑物、构筑物自最外边轴线算起，道路为城市型时自路面边缘算起）。本设计中建构筑物与围墙的最小间距为6.5米，道路与围墙的最小间距为1.5米，均符合规范。2.5 厂内运输设计2.5.1 厂内运输设计要求运输线路的布置，应符合下列要求： Ø 满足生产、运输、安装、检修、消防及环境卫生的要求，线路短捷，人流、货流组织合理； Ø 划分功能分区，并与区内主要建筑物轴线平行或垂直，宜呈环形布置，使厂区内、外部运输、装卸、贮存形成一个完整的、连续的运输系统； Ø 与竖向设计相协调，有利于场地及道路的雨水排除； Ø 与厂外道路连接方便、短捷； Ø 建设工程施工道路应与永久性道路相结合。2.5.2 本厂运输设计本设计中，厂区内道路总体呈网格状布置，并均已其走向进行命名（南北向道路称经某路，东西向道路称纬某路，环线道路以其位置命名），易于识记和辨认；主干道（经某路、纬某路和北环路）设计宽度为10米（双向四车道），次干道设计宽度为5米（双向两车道）。道路宽度均大于3.5米，满足消防车道宽度的要求。本设计方案中共设置了三个出入口，分别位于经一路、经四路和纬二路，其中1号门主要服务人流，2号、3号门主要服务物流。本设计中，装卸区设置在厂区的东侧，紧邻3号门（主要货流运输出入口），同时远离人流较多的道路和可能产生明火和散发火花的地点。专用于货物运输车辆的停车场位于装卸台的南侧，卸货后的车辆可以直接停在这片停车场内。而专属于生产管理区的车辆拥有独立的停车场，紧靠1号门和周围各生产管理部门，交通极为便利。这样的设计有利于人流与货流的分离。厂内所有的道路最窄处不小于 3.5m，可允许检修车辆的通行及确保消防车能够迅速地抵达失火地点。本厂地面全部达到无土化，地面以水泥和柏油两种组成，可以承受最大载重汽车引起的压力，同时利于清洁。第三章 原料采购及产品营销3.1原料采购本厂生产甲醇所用到的原料的有二氧化碳和氢气，其中二氧化碳为本厂捕集电厂烟气中的二氧化碳所得，氢气来源于园区内的MDI装置，通过管道运输。3.2原料标准甲醇标准项 目指标优等品一等品合格品色度(铂-钴)， 510密度(20)，g/cm30.791-0.7920.791-0.793温度范围(0，101325Pa)64.0-65.5沸程(包括64.6±0.1) ，0.81.01.5高锰酸钾实验， min503020水溶性试验澄清-水分含量，0.010.15-酸度(以NH3计)， 0.00020.00080.00015羟基化合物含量(以CH2O计) ，%0.0020.0050.010蒸发残渣含量，0.0010.0030.005本厂产品方案产品名称本厂规格国家规定产量(kt/a)单价(元/吨)乙烯>99.95%优等品11.40443163.3产品营销3.3.1 品牌营销 (1) 产品质量的保证 化工产品的产品质量主要有以下三个尺度，即国家标准的要求、产品质量的持久稳定性、产品销售的服务性。 不仅要严格执行分析化验程序保证出厂产品的质量，还要建立完善的客户意见反馈系统。 (2) 建立销售网络首先建立一个地区级市场，或者一个省级市场，或者一个或几个大客户。通过这些目标市场和客户，去影响和渗透其它的外围市场和客户，逐步建立起完善的销售网络。考虑到本项目甲醇产量较小，竞争力欠缺，但作为环保示范性项目会得到政府的优惠政策，这在一定程度增强了竞争力。(2) 品牌效应的推广 化工产品的品牌宣传不同于传统消费品的品牌宣传，它只涉及专业群体，特定行业，所以需要更具有针对性的品牌宣传。 参加业内颇有影响力的行业展会； 邀请客户到企业参观先进的生产基地和管理方式； 在客户群中形成良好的口碑； 与行业协会和行业媒体和记者保持良好的关系； 利用电视，报纸和网络对企业品牌进行宣传。 (3) 售后服务的完善 客户在使用化工产品过程中受他们生产工艺、设备装置、技术水平的不同会出现不同的问题，本厂会派出工程技术人员帮助客户查找和解决问题，这也是本厂树立负责任良好形象、拓展客户关系的好机会。 3.3.2 网上营销互联网不受时空的限制，可以轻松地完成跨地域性的营销，节省销售渠道的大量人力、物力投入；通过自建的公司网站平台，企业可以从容、全面地介绍公司和产品，让客户更为直观地进行比对，有利于企业优势突出。互联网给企业的整合营销提供了一个新途径。 第四章 反应器的设计反应器的设计是设计中的基石，是整个工艺的核心内容。由于反应器内部流体流动十分的复杂，反应器设计一直都是设计的难题，很多化工厂都因为反应器设计不合理而无法正常工作。4.1 反应器以及催化剂的选择4.1.1 反应器选择国外应用开发最早、技术成熟、应用最广泛的甲醇反应器当属ICI和Lurgi的低压反应器。在克服ICI和Lurgi缺陷的基础上，日本东洋公司等开发的MRF系列反应器逐渐在国内外的一些中型甲醇装置上得到推广。德国Lurgi公司开发设计的管壳式甲醇合成反应器是一种轴向流动的低压反应器。该反应器采用管壳式结构，操作条件是：压力5.2-7 MPa，温度230-255。反应器内部结构类似列管式换热器，列管内装填催化剂，管外为沸腾水，反应热很快被沸水移走，两种气体分别呈轴向流动。合成塔壳程的锅炉水是自然循环的，通过控制沸腾水的蒸汽压力，可以保持恒定的反应温度。这种合成塔温度几乎是恒定的，从而有效地抑制了副反应，延长了催化剂的使用寿命。该塔使用高含量铜基催化剂时，可达到较高的单程转化率，其最大生产能力为1500 吨/天。根据国内应用的情况来看，大部分催化剂均可使用，对生产影响不大。ICI冷激型甲醇合成塔是一种绝热型轴向流动的低压合成反应器，其结构简单，由塔体、喷头、菱形分布器等组成。合成气预热到230250进入反应器，段间用菱形分布器将冷激气喷人床层中间降温。根据规模大小，反应器一般有36个床层，典型的是4个，上面3个为分开的轴向流床，最下方为轴一径向流床，在5 MPa、230一270条件下合成甲醇。绝热-管壳式甲醇反应器由华东理工大学开发成功，该反应器由绝热段与管壳段组成。催化剂填充在管壳段，反应热传给管外的沸水，以蒸汽的形式回收热量，通过调节蒸汽压力来实现催化床的等温分布。该反应器是基于Lurgi列管式反应器的改进型并有一定创新。为了解决Lurgi反应器的壁效应问题，将原反应器的列管管径由38mm增加到44mm，高度不变，改变了床层内径与催化剂颗粒直径之比，在相同产能时，反应器体积较小，可节约设备投资。按照选型立足于国内的原则，决定采用国内华东理工大学开发的绝热管壳式反应器。可节省投资，反应器技术也相对先进。而且考虑二氧化碳和氢气反应热不如一氧化碳和氢气的反应热大，绝热管壳式反应器的绝热层可以让反应原料气迅速升温达到最佳反应温度。4.1.2 催化剂选择催化剂采用西南院的专利催化剂(公开号CN-101386564A)，该催化剂性能优良。西南院的甲醇催化剂催化剂在多套甲醇装置上取得良好的效果，因此选用其开发的催化剂。催化剂参数参考XNC-98的物理参数如表4.1。表 4.1 催化剂参数直径(mm)高(mm)堆密度kg/L径向抗压碎强度(N/cm)551.31.52004.2 热力学计算二氧化碳加氢合成甲醇反应式如下：CO23H2 CH3OH H2O (4.1) CO2 + H2 CO + H2O (4.2)同时伴有生成二甲醚、乙醇、杂醇油等杂质。设计反应器的体积时仅考虑反应(4.1)利用有关的热力学基础数据和给定的反应条件，根据 Van Hoff 方程即可计算出理想气体状态的平衡常数。计算过程中用到的不同温度下的恒压热容，可由文献发表的相关关联式计算得到。计算用到的热力学基础数据如表。表 4.2 计算用到的热力学基础数据组分H2002.71E+019.27E-03-1.4E-057.7E-09CO-1.11E+05-1.37E+053.09E+01-1.29E-022.79E-051.3E-08CO2-3.94E+05-3.95E+051.98E+017.34E-02-5.6E-051.7E-08CH3OH-2.01E+05-1.63E+052.12E+017.09E-022.59E-05-2.8E-08H2O-2.42E+05-2.29E+053.22E+011.92E-031.06E-05-3.6E-09根据表中标准反应热和计算出的恒压热容数据，给出反应温度和初始组成，即可计算二氧化碳加氢进行甲醇合成的化学平衡常数表达式，求出平衡转化率。计算所用到的公式如下： (4.3)反应条件：温度220245，压力6MPa，反应器进料组成： 计算结果：二氧化碳生成甲醇在510K时反应平衡常数：使用Aspen plus的Gibbs反应器进行模拟得到平衡组成和平衡转化率。仅考虑反应(3.1)和(3.2)未考虑杂质反应，CO2平衡转化率为39.3%。根据文献设定反应达到的转化率为23.1%。表4.3 平衡时各组分的含量组分CO2H2COCH3OHH2O摩尔分数0.115860.725760.011930.0732240.0732234.3 反应器体积计算原料二氧化碳和氢气混合后进入反应器，反应生成水和甲醇，同时生成极少量的二甲醚、乙醇、杂醇、有机酸、高级烷烃。因为杂质的量极少，所以在设计反应器时可以忽略杂质的影响，且假定反应器中没有径向温度差和浓度差，流动均匀，无返混近似平推流处理。4.3.1 绝热段模型将绝热段分割为多个微元段，气体流量为，气体摩尔分率为，温度为，压力为的原料气进入该绝热催化床层微元内，在该温度下进行反应，反应后气体流量变为，生成甲醇的物质的量为，气体摩尔分率变为，放出的热量为-，放出的热量使气体温度升高至，压力下降为然后进入下一微元。如此循环，直至计算完所有微元段。模型如下：图4.1 绝热层微元段模型 图4.2 列管微元段模型4.3.2 列管段模型列管段模型和绝热段的模型基本相同，仅是比绝热段增加了换热，反应热不是全用于反应气体升温，一部分被管外的沸腾水移走。4.3.3 物料衡算反应前混合气体的摩尔流率为，各组分的摩尔百分数为，反应后的气体的摩尔流率为，各组分的摩尔百分数为。动力学方程： () (4.4) (4.5)平衡时以逸度表示的平衡常数。反应器中存在的反应： (4.6) (4.7) 反应器达到平衡，维持不变。每小时甲醇的千摩尔生成量(以下式中甲醇以代替)：式中：催化剂的堆积密度 催化剂床层体积 反应后各种物质的摩尔量： (4.8) (4.9) (4.10) (4.11) (4.12)反应出口总的气体摩尔流量： (4.13)根据以上计算得到物料衡算表表4.4 物料衡算表组分反应前反应后摩尔量摩尔分数摩尔量摩尔分数CO2H2COCH3OHH2O合计114.3.4 热量衡算摩尔流率为，温度为的混合气体进入反应器，先在绝热层反应，通过绝热层后进入列管催化层反应。管外为沸腾水，在反应管环隙进行换热。对绝热层有下面热量衡算式： (4.14)式中：混合气体的热容 ；反应热 ；反应热用下面公式近似计算 (4.15)对列管催化层有下式热量衡算 (4.16) (4.17)式中：列管外换热量 ；总传热系数 ；传热面积 ； (4.18)式中： 催化床层与列管间传热系数 ； 沸腾水与列管间的传热系数 ； 列管内污垢热阻； 管外污垢热阻。 (4.19)式中：列管直径，；催化剂导热系数，；催化剂颗粒等比为表面积球体直径 (4.20)式中，气体质量流速，； 气体粘度。 (4.21) (4.22) 式中，混合物的物种数 物质的摩尔百分数 在系统温度和压力下的粘度 在系统温度和压力下的导热系数 物质的分子量 ，取经验数值4.3.5 床层压力降 (4.23)式中：流体的密度，； 流体的表观流速，； 催化剂颗粒的当量直径 ，； 管长， 。 (4.24) (4.25)式中：床层空隙率； 流体黏度，。4.4 计算流程根据上述信息使用C语言编程计算反应器，计算流程如图4.3。输入进料参数；沸腾水压力预选反应器直径预设绝热层高度预设列管数目和规格将绝热层和列管催化剂分别等分为个微元段计算绝热层微元段，列管微元段体积按微元段进料参数计算停留时间和反应速率作绝热段微元段物料衡算作微元段热量衡算，和压降计算以上一微元段出口参数作为下一微元段进料参数以绝热段出口参数作为列管微元段进口参数计算停留时间和反应速率作列管段微元段物料衡算计算传热系数和传热量作微元段热量衡算，和压降计算以上一微元段出口参数作为下一微元段进料参数甲醇含量是否达到要求是否完成微元段计算长径比是否合适输出结果是是否否是否图4.3 计算流程图4.5 反应器计算结果此处列出计算结果，具体计算参见源文件反应器设计。反应器内径2200mm，列管数目1302，绝热层高度500mm，列管规格44×2mm，管长4760mm，圆整至5000mm，催化剂装填量VR=1.89+8.18=10.07 m3，绝热层催化剂装填量为1.89m3，列管装填量为8.18m3。4.5.1反应器中温度和甲醇浓度分布表4.5 反应器的温度和甲醇浓度的分布情况绝热床层深度/m温度/K甲醇摩尔分率0.1497.4930.0025360.2502.4950.0053820.3508.0460.0085710.4514.1480.0121120.5520.7190.015971列管深度/m温度/K甲醇摩尔分率0.4522.7590.0226050.8524.2390.0283981.2525.0910.0330541.6525.3640.0365362525.1820.0390182.4524.6910.0407652.8524.0130.0419843.2523.2360.0428933.6522.4180.0435914521