年产20万吨甲醇合成工艺设计-化工专业毕业设计-课程设计(共33页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上 年产20万吨甲醇合成工艺设计(一) 概述甲醇作为及其重要的有机化工原料,是碳一化学工业的基础产品,在国民经济中占有重要地位。长期以来,甲醇都是被作为农药,医药,染料等行业的工业原料,但随着科技的进步与发展,甲醇将被应用于越来越多的领域。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
2、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。目前,甲醇的生产方法还
3、主要有甲烷直接氧化法:2CH4+O22CH3OH.由一氧化碳和氢气合成甲醇,液化石油气氧化法(二) 原料选取本设计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主要反应式为:CO+ H2CH3OH因此原料主要是:CO, H2 催化剂:Cu。(三)工艺过程设计 经过净化的原料气,经预热加压,于5 Mpa、220 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2-3。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,
4、管程走反应气,壳程走4MPa的沸腾水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5.2 MPa (以1:5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
5、平压缩机,透平后的低压蒸汽作为甲醇精馏工段所需热源。本设计的主要方法及原理:造气工段:使用二步法造气 CH4+H2O(气)CO+3H2-205.85 kJ/mol CH4+O2CO2+2H2+109.45 kJ/mol CH4+O2CO+2H2+35.6 kJ/mol CH4+2O2CO2+2H2O+802.3 kJ/mol合成工段5MPa下铜基催化剂作用下发生一系列反应 主反应 : CO+2H2CH3OH+102.37 kJ/kmol副反应: 2CO+4H2(CH3O)2+H2O+200.3 kJ/kmol CO+3H2CH4+ H2O+115.69 kJ/kmol 4CO+8H2C4H9O
6、H+3H2O+49.62 kJ/kmol-(A) CO+H2CO +H2O-42.92 kJ/kmol除(A)外,副反应的发生,都增大了CO的消耗量,降低了产率,故应尽量减少副反应。(四)主要设备(精馏塔)装配图及设计计算说明书 常压精馏塔计算条件:.精甲醇质量:精甲醇含醇:99.95%(wt) 残液含醇:1%(wt) .操作条件:塔顶压力:0.01106 Pa 塔底压力:0.13106 Pa 塔顶温度:67 塔底温度:105 回流液温度:40 进料温度:124 .精馏段 平均温度:(124+67)=95.5 平均压力:(0.13106-0.01106) 0.01106=99.6 KPa 表2
7、-22精馏段物料流率物料质量流量:kg/h分子量:kg/kmol摩尔流量:kmol/h内回流40229.47321257.17标准状况下的体积:V0=1257.1722.4=28160.63Nm3/h操作状况下的体积:V1=28160.63=19122.47m3/h气体负荷:Vn=5.312m3/s气体密度: =2.104 kg/ m3查化工工艺设计手册,95.5时甲醇的密度=721 kg/m3液体负荷:Ln=0.0155m3/h.提馏段 平均温度:(105+124)=114.5 入料压力:(0.13106-0.01106)=89.6 kPa 平均压力:(89.6103+0.13106)=10
8、9.8 kPa 表2-23 提馏段内回流量物料质量流量:kg/h分子量:kg/kmol摩尔流量:kmol/h内回流48743.32321523.23标准状况下的体积: =1523.2322.4=34120.32 Nm3/h操作状态下的体积:=34120.32=23292.9 Nm3/h所以:气体负荷:Vm=6.47 m3/s气体密度: =2.093kg/m3查得进料状态甲醇溶液温度124,含甲醇55.7%,密度为0.83 t/m3。塔底含醇1%,可近似为纯水,105,0.13Mpa下水的密度为939.41 kg/m3。所以:液体平均密度=893.21 kg/m3则液体负荷Lm=0.01516m
9、3/s初估塔径本设计采用F1重阀浮阀塔,设全塔选用标准结构,板间距HT=0.35 m,溢流堰高hc=0.05 m。 .精馏段. 求操作负荷系数C精馏段功能参数:()=() =0.054塔板间有效高度H0=HT-HC =0.35-0.05=0.30m查斯密斯图甲醇工学化工工学出版社。得负荷系数:G=0.0515。又查得95.5时,甲醇的表面张力为:15.8710-5 N/cm 水的表面张力为:68.8710-5 N/cm精馏段甲醇水溶液的平均组成为:甲醇:(0.9995+0.579)=0.7893 wt则含水为:1-0.7893=0.2107 wt所以表面张力:=0.8710-5+0.8710-
10、5 =27.0410-5 N/cm所以:C= =0.0485.最大流速UmaxUmax=1.3C=1.30.0485=1.69 m/sU适=0.7Umax=1.690.7=1.183 m/s求塔径D D=2.39 m .提馏段 求操作负荷系数C 提馏段功能参数:()=()=0.0484查斯密斯图得G=0.0524又得114.5时,甲醇表面张力为:14.1310-5 N/cm水的表面张力为:57.0610-5 N/cm提馏段甲醇水混合平均组成:甲醇:(0.01+0.579)=0.295水:1-0.295=0.705平均表面张力: =0.29514.1310-5+0.70557.0610-5=44
11、.4010-5 N/cm所以:C= =0.0447. 求提馏段Umaxmax=1.3C=1.30.0447=1.199 m/s适=0.7max=0.71.199=0.839 m/s. 求塔径=2.93 m对全塔,取塔径D=3000 mm 理论板数的计算 .各点的甲醇摩尔分数,设加压塔后甲醇的甲醇摩尔人率为Xf。Xf=0.437精甲醇中甲醇的摩尔分率Xd。Xd=0.999残液中甲醇的摩尔分率Xw。Xw=0.0057 .处理能力F= =102.93 kmol/h精馏段物料量:D精=F=102.93 =44.697 kmol/h提馏段物料量:D提=F=102.93 =55.185 kmol/h .平
12、均挥发度:查得124时,甲醇的饱和蒸汽压P*CH3OH=705.38 Kpa水的饱和蒸汽压P*H2O=229.47 Kpa105时,甲醇的饱和蒸汽压P*CH3OH=439.08 Kpa 水的饱和蒸汽压P*H2O=123.18 Kpa由=得:124时,124=3.074105时,105=3.565平均挥发度:=3.310 .求最小理论塔板数Nm:因为:Xd=0.999,Xw=0.0057;Xd1=0.001Xw1=0.9943;根椐芬斯克公式:Nm= =10.06块 .求最小回流比各组分参数列表组分进料组成Xi,F釜液组成Xi,Di水0.5630.99433.565甲醇0.4370.00573.
13、074用恩德伍德公式计算:=Rm+1=1-q因为:为露点进料所以:q=1=0=+用试差法求出:=3.254,代入:=Rm+1=+故:Rm=10.32操作回流比R=1.5Rm=1.510.30=15.45则=0.356 .求实际理论板数查吉利兰图得:=0.356则:=0.356所以:N16.17块 .计算板效率. 求平均相对挥发度与平均粘度的积(、)塔顶塔底平均温度为:(105+67)=8686时:=0.32510-3 PaS =0.-3 PaS则:= Xf+ (1-Xf)=0.32510-30.437+0.-3(1-0.437)=0.-3 PaS所以:=0.-33.310=1.-3 PaS.
14、查板效率与关联图得:N=15.05板效率:E=49*=所以实际板数为:=34.85块塔内件设计 .溢流堰设计塔板上的堰是为了保持塔板上有一定的清液层高度,若过高则雾沫夹带严重,过低气液接触时间短,都会降低板效。根椐经验,取清液层高度hc=0.05,本设计选用单溢流弓形降液管,不设进口堰。堰长取Lw=0.8D=0.83000=2400 mm堰高:hw=hl-how采用平直堰,堰上液层高度how how=E() -(a)提馏段及精馏段计算结果如下:精馏段提馏段溢流强度i,i=L/Lw,m3/(h.m)i=23.25i=22.74i=5-25适合要求适合要求求E,由(L/Lw2.5查图=6.25=6
15、.12E=1.015E=1.011堰上液层高度howHow=1.01523.252/3How=1.01122.742/3由(a)计算=0.02348=0.02305堰高Hw=0.05-0.02348=0.02652Hw=0.02695圆整到Hw=0.027Hw=0.027 .降液管设计Lw=2400mm,=0.8查阅代工原理(下)天津科学技术出版社,得到:=0.2,=0.15Wd-降液管弓形宽度mAf-降液管弓形面积m2AT-塔截面积m2Wd=0.23.000=0.6mAT=D2=3.14(3.000)2=7.065 m2Af=7.0650.15=1.0598 m2降液管容积与液体流量之比为液
16、体在降液管中的停锱时间t,一般大于5S,即:t=精馏段:t=23.935S提馏段:t=24.475S故降液管底隙高度H0,对弓形降液管,管口面积等于底隙面积,即有:H0=,取=0.2 m/s则:精馏段:H0=0.0323 m提馏段:H0=0.0316 m .塔板布置及浮阀数目与排列:取阀孔动能因子F0=13.5,计算如下:精馏段提馏段U0=U0=9.307U0=9.311每层浮阀数N=N=N=433=527取边缘高度Wl=0.08m泡沫区宽度Ws=0.20m考虑到塔的直较大,必须采用分块式塔盘,取=85mm,按=95 mm, =85 mm以等腰三角形顺排。排得阀数为530个,按N=530个重新
17、换算F,计算结果如下:精馏段提馏段U0=9.297m/s=9.304m/sF0=U09.297=13.499.304=13.46阀孔动能因素变化不大,仍在9-12之间。塔板开孔率: =8.04%塔板流体力学验算 .气相通过浮阀塔的压降 Hp=Hc+Hl+H. 干板阻力精馏段提馏段Uoc=1.825Uoc=6.987m/sUoc=6.207m/s因为U0UocU0UocHc=5.34Hc=5.34Hc=5.34=0.069=0.055 .板上充气液层阻力。取充气系数0=0.5 hl=1hL=0.50.05=0.025 液体表面张力所造成的阻力很小,可以忽略。 所以hp=hc+hL 对精馏段:hp
18、=0.025+0.069=0.094m水柱 对提馏段:hp=0.025+0.055=0.080m水柱渣塔 为防止淹塔,要求严格控制降流管中液层高度。 Hd(HT+hw)Hd=hp+hL+hdA、气体通过塔板的压降相当的液降高度hp精馏段hp= 0.094m水柱 提馏段hp=0.080m水柱B、液体通过降液管的压头损失。 因为不设进口堰:精馏段:hd=0.153()2=0.153()2=0.0026m水柱提馏段:hd=0.153()2=0.153()2=0.0025m水柱C、板上液层高度:hL=0.05 m 所以Hd=hp+hL+hd精馏段:Hd=0.05+0.094+0.0026=0.1466
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