毕业设计-年产65万吨煤制甲醇合成工段工艺设计.doc

分类号： TQ223.12 年产65万吨甲醇合成工段工艺设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日目 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 synthesis section with annual production of 650000 tons methanolLi Jing（School of Chemical Engineering, Xi'an University ,Xi'an, 710065）Abstract: The design is according to the principles of  “advanced technology, technology mature, economical rationality, safety and environmental protection”. This design adopts low pressure synthesis technology of German Lurgi company combined with the characteristics of the methanol. The design with annual capacity of 650000 tons of methanol synthesis process is taking coal as raw material. The design  main content are process demonstration, material balance calculations and 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 design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项目生产量650000吨 / 年操作条件操作温度自选操作压力氢碳比压缩比空速催化剂设备工作日300天 / 年，24h连续运行设计内容和要求序号设计内容要求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9.绘图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10.编写设计说明书目录、引言、设计内容、设备选型、设计结果一览表、结束语11.参考文献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）0.5945mPa·s。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，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-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/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 活性温度低耐热性差中、低压法选择性高耐毒性差（220270，5-15MPa）锌基催化剂耐热性高高压法耐毒性高活性温度高（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 abroad催化剂型号组分/ %操作条件CuOZnOAl2O3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LMK4010-9.8220270中国C302系列512085.0-10.0210280中国XCN-98522085.0-10.0200290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：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： 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Kp0667.303002.42×10-410012.924001.079×10-52001.909×10-2 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：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。 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 CO + 2H2 = CH3OH 起始混合物（mol） 1 2 0 平衡混合物（mol） 1-x 2（1-x） x 平衡浓度 (1-x) / (3-2x) 2(1-x) /( 3-2x) x /( 3-2x) 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： 由此可以看出一氧化碳的转化率越高，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/mol R气体常数 T反应温度,K 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式表示： 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+Q  CO2 +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(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。图1. 甲醇合成工艺流程图Fig. 1  flow diagram of methanol synthesis process3.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3.1表3.1 合成工段各物