毕业设计：年产30万吨甲醇生产车间工艺初步设计

年产30万吨甲醇生产车间工艺初步设计海 南 大 学毕 业 设 计题 目：年产30万吨甲醇生产车间工艺初步设计 学 号： XXXX 姓 名： XXX 年 级： XXX 学 院： 材料与化工学院 系 别： 材料科学与工程系 专 业： 材料科学与工程 指导教师： XXXX 完成日期： XXXX 目录目录 2一、 设计任务书3二、 概述5三 生产方案6四、 工艺论证7五、 物料衡算9六、 能量衡算16七、 设备选型和工艺计算21八、 合成车间的设计27九、安全生产设计28十、非工艺专业要求28十一、三废处理29十二、经济效益评价31十三、设计结果评析30十四、心得体会与致谢35十五、参考文献36附录图纸一、设计任务书（一）课程设计题目年产30万吨甲醇生产车间工艺初步设计（二）设计条件1 原料来源：天然气，海南天然气厂供 2 产品：甲醇（一级）3生产能力：3万t/a4 热源条件：加热剂：天然气燃烧及生产过程的废热冷却剂：循环水，进口温度30 出口温度405 生产时间：全年连续生产330天，每天工作24小时，三班制。6 生产厂址：洋浦工业开发区7 当场天候温度：最高40， 最低8，平均1825（三）设计任务1甲醇（工业一级）生产方法确定、工艺流程设计与论证2技术指标、工艺参数和操作条件确定与说明3工艺计算物料衡算、热量衡算 （应用SI制）4生产设备设计计算与选型。 重点：合成塔和 换热器设计计算与选型5设计结果汇总表 （1）技术指标、工艺参数和操作条件汇总表（2）物料衡算汇总表（3）热量衡算汇总表（4）生产设备配置汇总表6设计绘图（计算机CAD绘制）（1）带控制点工艺原理流程图一张（A3）。 （2）合成塔工艺条件图或结构尺寸图 一份（A3）。（3） 换热器结构示意简图一张（A3）。（4）生产车间平面、立面布置图一份（A3）。要求：设计绘图：图形、图标、图幅符合机械制图标准要求。7设计说明书编写 内容包括：设计任务书，目录，生产方案、工艺流程设计与论证，工艺技术参数、操作条件设计说明，工艺计算，生产设备设计与选型，设计结果汇总，环保措施或方案，经济效益估算，设计结果评析，参考文献，设计附表附图等。（四）设计进度与时间安排设计选题与准备阶段：2007年11月12日- 2007年11月23日；设计实质进行阶段：2008年2月27日- 2008年5月28日。1. 查阅文献，完成开题报告 3周（07.11.23 ）2. 文献检索、资料查阅 3周（08.3.17）3. 甲醇生产工艺流程设计选择与论证 2周（08.3.31）4.工艺计算 2周（08.4.14）5.定型设备的选择与非定型设备的设计计算 2周（08.4.28 ）6甲醇生产车间设备布置 2周（08.5.12 ）7. 设计绘图 1周（08.5.19 ）8. 环保设计、经济效应估算、设计评析 3天（08.5.22 ）9. 编写设计说明书、核对校正、检查 1周（08.5.26 ）10.答辩准备 2天（08.5.28 ） 二、概述1甲醇，分子式CH3OH，又名木醇或木精，纯品为无色透明略带乙醇香气的挥发性液体，粗品刺鼻难闻。有毒，饮用后能使双目失明。相对密度0.7914(d420)，蒸气相对密度1.11(空气=1)，熔点，沸点，闪点（开杯）16，自燃点473，折射率nD(20，表面张力（25，蒸气压（20，粘度（20s。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，爆炸极限为6.0%36.5%（体积比）。 1923年德国BASF公司率先用合成气在高压下实现甲醇的工业化生产，直至1965年，其期间这种高压法工艺是合成甲醇的唯一方法。于1966年后，随着甲醇工业化生产的发展，各种甲醇生产方法相继出现。1966年英国ICI公司开发了低压法工艺，接着又开发了中压法工艺。1971年德国的Lurgi公司相继开发了适用于天然气渣油为原料的低压法工艺。由于低压法比高压法在能耗、装置建设和单系列反应器生产能力方面具有明显的优越性，所以从70年代中期起，国外新建装置大多采用低压法工艺。世界上典型的甲醇合成工艺主要有英国的ICI工艺、德国的Lurgi工艺和日本的三菱瓦斯化学公司（MCC）工艺。目前，国外的液相甲醇合成新工艺具有投资省、热效率高、生产成本低的显著优点，尤其是LPMEOHTM工艺，采用浆态反应器，特别适用于用现代气流床煤气化炉生产的低H2/（COCO2）比的原料气，在价格上能够与天然气原料竞争。我国甲醇工业化生产始于1957年。50年代末在吉林、兰州和太原等地建成了以煤或焦炭为原料来生产甲醇的装置。60年代建成了一批中小型装置，并在合成氨工业的基础上开发了联产法生产甲醇的工艺。70年代四川维尼纶厂引进了一套以乙炔尾气为原料的95千吨年低压法装置，采用英国ICI技术。1995年12月，由化工部第八设计院和上海化工设计院联合设计的200千吨年甲醇生产装置在上海太平洋化工公司顺利投产，标志着我国甲醇生产技术向大型化和国产化迈出了新的一步。2000年，杭州林达公司开发了拥有完全自主知识产权的JW低压均温甲醇合成塔技术，打破长期来被ICI、Lurgi等国外少数公司所垄断的局面，并在2004年获得国家技术发明二等奖。2005年，该技术成功应用于国内首家焦炉气制甲醇装置上。甲醇是一种极重要的有机化工原料，也是一种燃料，是碳-化学的基础产品，在国民经济中占有十分重要的地位。近年来，随着甲醇下游产品的开发，特别是甲醇燃料的推广应用，使甲醇的需求逐年大幅度上升。为了更好地满足经济发展对甲醇产品的需求，较好的利用天然气资源，选择“甲醇生产工艺设计”作为毕业设计课题，目的在于通过对该课题的设计，掌握和熟悉甲醇生产过程各环节，更好地开展甲醇生产方法研究和开发甲醇生产工艺，为资源利用、产品优化探索新途径。本设计选用的课题：“30万t/a甲醇生产车间工艺初步设计”。依据“任务书”规定的设计内容，进行生产方案、工艺流程设计，工艺计算和生产设备设计等。本设计遵循：“符合国情、技术先进、经济环保”的原则，在综合分析诸多甲醇生产方法的基础上，采用“以天然气为原料，经脱硫-二段转化-合成气，在低压下、固定管板列管合成塔中合成甲醇”的技术路线；精甲醇的生产采用：“三塔精馏工艺”。此外，即严格控制“三废”的排放、空气中甲醇的含量以及保证生产安全、环境卫生等方面参照国内外先进经验和方法。三、生产方案与工艺流程设计3.1生产方案确定在天然气经加热到380400时，进入填装有钴钼催化剂和氧化锌的脱硫罐中脱去硫化氢及有机硫，使硫含量降到0.5微克每克以下，接着原料气配入水蒸气后于400下进入转化炉的对流段，进一步预热到500520，然后进入装有镍催化剂的转化管，在管内继续被管外的燃烧气加热，进行转化反应。离开转化管底部的温度为800820，经吸收一些热量以后，使温度升到850860，并配入少量水蒸气，然后与450的红旗混合进入二段转化炉，在顶部燃烧区燃烧，放热，温度升到1200左右6。再通过催化剂床层继续转化并吸热，然后离开二段转化炉，即得所需合成气，合成气此时成分含量为CH4 0.19%，H268.81%，CO27.07% ，CO23.45% ，N20.33% ，Ar0.09%。pa，加热为225后输入固定管板列管合成塔反应4%。出塔合成气与入塔气换热后进入甲醇冷却器。用水冷却至40以下以冷凝出甲醇。合成气于分离甲醇后循环使用。甲醇分离器出来的粗甲醇经过三塔精馏，产品纯度可达到99.9%，即得合格的精甲醇产品。3-2工艺流程设计与论证 经综合分析甲醇生产的各种工艺路线，本设计选用：以天然气为原料，经脱硫-二段转化-合成气，在低压下、固定管板列管合成塔中合成甲醇；精甲醇的生产采用“三塔精馏工艺”的技术路线。3-2-1 工艺流程简图天然气脱硫天然气变为合成气甲醇合成甲醇精馏图1天然气甲醇的简单工艺流程工艺流程简述：首先是采用凯洛格法气化工艺将原料天然气转化为合成气；原料天然气先用ZnO脱硫，再通过二段转化炉变为合成气；其次就是甲醇的合成，将合成气pa，升温到225后输入列管式等温反应器中，在C302催化剂的作用下合成甲醇，再就是甲醇的精馏，本工艺采用三塔精馏工艺将粗甲醇精制得到精甲醇7。3-2-2 C302甲醇催化剂的主要特性： 催化剂的主要化学组成：CuO 50%.ZnO25%n . Al2O3Na2O 100N/cm2。3-2-3甲醇精馏工艺流程1、工艺流程简图： （？）2、工艺流程简述：来自甲醇合成装置的粗甲醇（40），通过预塔进料泵，经粗甲醇预热器加热至65，进入预精馏塔，预塔再沸器用0.4MPa的低压蒸汽加热，低沸点的杂质如二甲醚等从塔顶排出，冷却分离出水后作为燃料；回收的甲醇液通过预塔回流泵作为该塔回流液。预精馏塔底部粗甲醇液经加压塔进料泵进入加压精馏塔，加压塔再沸器以1.3MPa低压蒸汽作为热源，加压塔塔顶馏出甲醇气体（0.6MPa,122）经常压塔再沸器后，甲醇气被冷凝，精甲醇回到加压塔回流槽，一部分精甲醇经加压塔回流泵, 回到加压精馏塔作为回流液，另一部分经加压塔甲醇冷却器冷却后进入精甲醇计量槽中。加压精馏塔塔底釜液（0.6MPa ，125）进入常压精馏塔，进一步精馏。常压塔再沸器以加压精馏塔塔顶出来的甲醇气作为热源。常压精馏塔顶部排出精甲醇气（0.13MPa ，67），经常压塔冷凝冷却器冷凝冷却后一部分回流到常压精馏塔，另一部分打到精甲醇计量槽内贮存。产品精甲醇由精甲醇泵从精甲醇计量槽送至精甲醇贮罐装置。3、工艺说明：（1）为防止粗甲醇中含有的甲酸、二氧化碳等腐蚀设备，在预塔进料泵后的粗甲醇溶液中配入适量的烧碱溶液，用来调节粗甲醇溶液的PH值。（2）甲醇精馏系统各塔排出的不凝气进入燃料气系统。（3）由常压精馏塔底部排出的精馏残液经废水冷却器冷却至40后，由废水泵送到生化处理装置。（4）由甲醇精馏来的精甲醇贮存到精甲醇贮槽中。精甲醇贮槽为两台30000m3的固定贮罐，贮存量按15天产量计。五、物料衡算5-1 工艺技术参数5-1-1 合成工段的工艺参数23 参阅某化学工程公司的甲醇合成厂的工艺参数资料。具体数据为入塔压力5.14MPa，出塔压力4.9 MPa，副产品蒸汽压力3.9 MPa，入塔温度225，出塔温度255。，建设期为2年。5-1-2产品质量标准本产品（精甲醇）执行国家GB33892标准，具体指标见表1：4 表1 产品指标项 目指标优等品一等品合格品色度（铂钴），号 510密度（200C），g/cm3沮度范围(00C,101325Pn),0C沸程（包括64.60.10C）,0C 高锰酸钾试验，min 503020水溶性试验澄清水分含量，% 0.10酸度（以HCOOH计），% 或碱度（以NH3计），% 羰基化合物含量（以CH2O计），% 蒸发残渣含量，% 5-1-3 原料天然气规格5原料天然气的成份分析为V% ：CH4 97.93、C2H6 0.71 、C3H8 0.04、 CO2 0.74 、N2 0.56 其他杂质0.02。5-2 精馏工段工厂设计为年产精甲醇30万吨，开工时间为每年330天，采用连续操作，则每小时精甲醇的产量为吨，即 t/h。通过三塔高效精馏工艺，精甲醇的纯度可达到99.9%，符合精甲醇国家一级标准。三塔精馏工艺中甲醇的收率达97%。则入预精馏塔的粗甲醇中甲醇量 / 0.97=t/h。由粗甲醇的组成通过计算可得下表： 表2 粗甲醇组成组分百分比产量甲醇93.40% kmol/h 即 m3/h 二甲醚0.42% kmol/h 即 m3/h高级醇（以异丁醇计）0.26%kmol/h 即 m3/h高级烷烃（以辛烷计）0.32%kmol/h 即m3/h水5.6%kmol/h 即 m3/h粗甲醇100%t/h注：设计中的体积都为标准状态下的体积计算方法：粗甲醇 / 0.9340 = t/h二甲醚 = 10000.42% = kg/h 即 kmol/h m3/h高级醇（以异丁醇计）= 1000kg/h 即 kmol/h , m3/h高级烷烃（以辛烷计）=10000.32% = kg/h 即kmol/hm3/h水= 10005.6% = kg/h 即kmol/h m3/h图2合成物料流程图5-3 合成工段5-3-1 合成塔中发生的化学反应:主反应 CO+2H2=CH3OH (1)CO2+3H2=CH3OH +H2O (2) 副反应 2CO+4H2=（CH3O）2+H2O (3) CO+3H2=CH4+H2O (4) 4CO+8H2=C4H9OH+3H2O (5) CO2+H2=H2O+CO (6) 8CO+17H2=C8H18+8H2O (7) 5-3-2工业生产中测得低压时，每生产一吨粗甲醇就会产生1.52 m3 （标态）的甲烷，即设计中每小时甲烷产量为 kmol/h ， m3/h。5-3-3由于甲醇入塔气中水含量很少，忽略入塔气带入的水。由反应（3）、（4）、（5）、（6）得出反应（2）、（7）生成的水分为：38 = kmol/h 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（2）。则反应（6）中由二氧化碳反应生成了 kmol/h，即 m3/h的水和一氧化碳。5-3-4 粗甲醇中气体溶解量查表5Mpa、40时，每一吨粗甲醇中溶解其他组成如下表：表3每吨粗甲醇中合成气溶解情况气体H2COCO2N2ArCH4溶解量（m3/t粗甲醇）则粗甲醇中的溶解气体量为： H2 = 4.364 = m3/h 即kmol/h CO= m3/h 即kmol/hCO2 = = m3/h 即kmol/hN2 = =m3/h 即kmol/Ar = = m3/h 即0.15 kmol/hCH4 = = m3/h 即kmol/h5.3.5 粗甲醇中甲醇扩散损失 40时,液体甲醇中释放的溶解气中,每立方米含有37014g的甲醇,假设减压后液相中除二甲醚外,其他气体全部释放出，则甲醇扩散损失G =（+）014=kg/h 即 0.74 kmol/h， m3/h5.3.6 合成反应中各气体的消耗和生成情况表4 弛放气组成气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4组成0.61%81.82%9.16%3.11%3.21%0.82%1.89%表5合成反应中消耗原料情况 消耗项单位消耗原料气组分COCO2H2N2Ar反应（1）m3/h反应（3）m3/h反应（4）m3/h反应（5）m3/h反应（6）m3/h反应（7）m3/h（）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表6合成反应中生成物情况生成项单位生成物组分CH4CH3OH（CH3O）2C4H9OH C18H18H2O反应（1）m3/h反应（3）m3/h反应（4）m3/h反应（5）m3/h反应（6）m3/h反应（7）m3/h表7其他情况原料气消耗消耗项单位消耗原料气组分COCO2H2N2ArCH4粗甲醇中溶解m3/h扩散的甲醇m3/h弛放气m3/h9.16%G3.11%G81.20%G3.21%G0.82%G1.89%G驰放气中甲醇m3/h0.61%G1.22%G注：G 为驰放气的量，m3/h。5.3.7 新鲜气和弛放气气量的确定CO 的各项消耗总和 = 新鲜气中CO 的量，即 +0.61%G+9.16%G=+9.77%G同理，原料气中其他各气体的量=该气体的各项消耗总和，由此可得新鲜气体中各气体流量，如下表：表8新鲜气组成组分单位COCO2H2N2ArCH4气量m3/h+9.77%G+3.11%G+82.42%G+3.21%G+0.82%G+1.89%G新鲜气m3/h+新鲜气中惰性气体（N2 + Ar）百分比保持在0.42%，反应过程中惰性气体的量保持不变，（N2 + Ar）=+4.03%G， 则 +=（+4.03%G）/0.42%解得 G = m3/h， 即弛放气的量为 m3/h ，由G 可得到新鲜气的量 m3/h由弛放气的组成可得出下表9和表10。表9 弛放气组成气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4组成0.61%81.82%9.16%3.11%3.21%0.82%1.89%气量m3/h表10 新鲜气组成(合成气)气体CH4H2COCO2N2Ar组成0.19%68.81%27.07%3.45%0.33%0.09%气量m3/h5.3.8 循环气气量的确定G1 =G 3+G4+G5+G6G7G8式中：G1 为出塔气气量 ； G 3 新鲜气气量 ；G4 循环气气量 ；G5 主反应生成气量； G6 副反应生成气量；G7 主反应消耗气量； G8 副反应消耗气量；G5= +0.61%=G6= +=G7=+%3=G8=+8+=67已知出塔气中甲醇含量为5.84%，则 （G 40.61%+0.61%+）/ G1解得G4= m3/h循环气气量计算汇总见表11表11 循环气组成气体CH3OHH 2COCO2N2Ar CH4组成0.61%81.82%9.16%3.11%3.21%0.82%1.89%气量m3/h05.3.9 循环比， CO及 CO2单程转化率的确定循环比R= G4/G 3 =/CO单程转化率：(+)/(+ 即 36.2%CO2单程转化率：/(+ 即 14.81%5.3.10 入塔气和出塔气组成G1 =G 3+G4+G5+G6G7G8=m3/h ; kmol/hG2= G3+G4 =m3/h ; kmol/h G2 为入塔气气量表12 入塔气组成气体 CH3OH H 2 CO CO2 N2 Ar CH4组成 0.06% 79.11% 12.18% 3.17% 2.72% 0.70% 1.60%气m3/h 16572.57 14 量 kmol/h 表13 出塔气组成气体 H 2 CO CO2 N2 Ar CH3OH组成 76.29% 8.61% 2.93% 3.02% 0.77% 5.84%气m3/h 量 kmol/h 气体 CH4 （CH3O）2 C4H9OH C18H18 H2O 组成 1.79% 0.018% 0.007% 0.006% 0.62% 气m3/h 量 kmol/h 计算过程：入塔气CO=循环气中CO+新鲜气中CO即+= m3/h同理可得其他气体气量;出塔气中CO=入塔气中CO反应消耗的CO+反应中生成的CO即 0.61%+= m3/h同理得其他气体气量5.3.11 甲醇分离器出口气体组成的确定 分离器出口气体组分=循环气气体组分+弛放气气体组分；则分离器出口气体中CO气量=循环气中CO + 弛放气中CO = += m3/h 即 kmol/h ；同理可算得其他气体的气量。表14 分离器出口气体组成气体 CH3OH H 2 CO CO2 N2 Ar CH4组成 0.61% 81.82% 9.16% 3.11% 3.21% 0.82% 1.89%气m3/h 3636.87 量kmol/h 1813 表15 入塔气组成气体 CH3OH H 2 CO CO2 N2 Ar CH4组成 0.06% 79.11% 12.18% 3.17% 2.72% 0.70% 1.60%气m3/h 2653.02 413887.5 63726.84 16572.57 14251.23 365.4 原料计算合成气总含C量 a+每立方米天然气中C含量 ： b=（）3则每小时天然气用量 C=a/b104m3/h燃料用天然气 8.7103 m3/h，总用量9.83104 m3/h六、能量衡算 合成工段热衡算-1 合成塔的热平衡计算计算公式全塔热平衡方程式为：Q1 + Qr = Q2 + Q3+ Q （1）式中： Q1入塔气各气体组分焓，kJ/h； Qr 合成反应和副反应的反应热，kJ/h； Q2 出塔气各气体组分焓，kJ/h； Q3 合成塔热损失，kJ/h； Q沸腾水吸收热量，kJ/h。Q1=（G1Cm1Tm1） （2）式中： G1入塔气各组分流量，m3/h；Cm1 入塔各组分的比热容，kJ/（m3.k）；Tm1入塔气体温度，k；Q2=（G2Cm2Tm2） （3）式中： G2出塔气各组分流量m3/h；Cm2 出塔各组分的热容，kJ/（m3.k）；Tm2 出塔气体温度，k；Qr= Qr1 +Qr2 +Qr3+ Qr4+ Qr5 +Qr6+ Qr7 （4）式中： Qr1、Qr2 、Qr3、 Qr4、 Qr5 、Qr6、分别为甲醇、甲烷、二甲醚、异丁醇、辛烷、水的生成热，kJ/h； Qr7二氧化碳逆变反应的反应热，kJ/h Qr=GrH （5）式中： Gr各组分生成量，kmol/h；H生成反应的热量变化，kJ/mol入塔热量计算pa，225时各入塔气气体的热容，根据入塔气各气体组分量，算的甲醇合成塔入塔热量如下表： 表16甲醇合成塔入塔热量气体 CH3OH H 2 CO CO2 N2 Ar CH4热容kJ/（kmol.k）67.04 29.54 29.88 44.18 29.47 25.16 气量kmol /h 13.32 18477.12 入塔热量kJ/（h.k） 入塔热量合计为 kJ/（h.k） 所以Q1=108 kJ/h塔内反应热的计算忽略甲醇合成塔中的反应(2)生成的热量,按反应(1)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、生成的热量如下表:表17甲醇合成塔内反应热气体 CH3OH ( CH3 )2O C4H9OH C8H18 CH4 CO 生成热生成量kmol /h 反应热kJ/h 1249 反应热合计Q1=108 kJ/h 塔出口气体总热量计算表18甲醇合成塔出塔气体组分热容和热量气体 H 2 CO CO2 N2 Ar CH3OH热容kJ/（kmol.K） 29.56 30.01 45.04 29.61 气量 kmol/h 出塔热量kJ/（h.k） 气体 CH4 （CH3O）2 C4H9OH C18H18 H2O 合计热容kJ/（kmol.K） 48.14 18.03 19.23 101.73 气量 kmol/h 出塔热量kJ/（h.k） 出塔气体温度255 Q2=108kJ/h全塔热量损失的确定 全塔热损失为4%,即Q3=(Q1 + Qr)4%=(108+108)4%=107 kJ/h沸腾水吸收热量的确定由公式(1)可得Q=Q1 + Qr Q2 - Q3=108kJ/h 表19 全塔热平衡表气体 气体显热 反应热 损失热 蒸汽吸收热 合计入塔气体kJ/h 108 1.369 108 108出塔气体kJ/h108 107 108 1086.2 入塔气换热器的热量计算6.2.1入换热器的被加热气体热量的确定表20入换热器被加热气体各组分热容和显热气体 CH3OH H 2 CO CO2 N2 Ar CH4热容kJ/（kmol.k）95.87 29.25 29.44 38.47 29.47 25.18 气量kmol /h 18477.12 热量kJ/（h.k） 540455.76 83755.62 4096.29 合计：入换热器的被加热气体热量为 kJ/（h.k），入口温度为40， 313.15=108 kJ/h6.2.2出换热器的被加热气体热量的确定 出换热器的被加热气体显热=入合成塔气体的显热，即 108kJ/h6.2.3入换热器的热气体热量的确定 入换热器的加热气体显热=出合成塔气体的显热，即108kJ/h6.2.4出换热器的热气体热量的确定 被加热气体吸收的热量=出换热器的被加热气体显热入换热器的被加热气体显热=108108= 108kJ/h ，所以出换热器的加热气体显热量=入换热器的加热气体显热被加热气体吸收的热量=108108=108kJ/h6.2.5 出换热器的加热气体的温度的确定 假设出换热器的加热气体各组分热容与出塔时相同，则出口温度为 108/16105=333.95k 即 6.3 水冷器热量的计算6.3.1 水冷器热平衡方程Q1+Q2=Q3+Q4+Q5式中：Q1入换热器气体显热，KJ/h；Q2气体冷凝放热，KJ/h；Q3出水冷器气体显热，KJ/h；Q4粗甲醇液体显热，KJ/h；Q5冷却水吸热，KJ/h。6.3.2水冷器入口气体显热的确定 水冷器入口气体的显热=入塔气换热器出口加热气体的显热，即108kJ/h6.3.3水冷器出口气体显热的确定表21水冷器出口气体各组分热容和热量气体 CH3OH H 2 CO CO2 N2 Ar CH4热容气量kmol /h 120.78 615.75 162.36 120.78热量kJ/（h.k） 53391.21 23687.91 合计：水冷器出口气体显热 kJ/（h.k）；出口温度40，出口气体显热=108 kJ/h6.3.4 出水冷器的粗甲醇液体热量的确定表22粗甲醇中液体组分气化热和液体热容组分 （CH3O）2 C4H9OH C18H18 H2O CH3OH 气化热KJ/kg液体比热容KJ/(kg.) 2.638 2.596 2.26 4.187 2.72 表23出塔气在水冷器中冷凝放热量组分 （CH3O）2 C4H9OH C18H18 H2O CH3OH 冷凝量kg /h 39060放热量KJ/h 5295034.29 合计：水冷器中冷凝放热量为107KJ/h表24粗甲醇中各组分液体显热组分 （CH3O）2 C4H9OH C18H18 H2O CH3OH 液体比热容KJ/(kg.) 2.638 2.596 2.26 4.187 2.72 热量KJ/（h .） 302.46 合计：粗甲醇中各组分液体显热= KJ/（h .），粗甲醇温度40 即313.15k ，107KJ/h6.3.5 水冷器冷却水吸热的确定由水冷器热平衡方程可得 Q5 = Q1+Q2Q3Q4 即Q5 =108+107107108=107 KJ/h6.3.6冷却水用量的确定 入口冷却水温度20，出口冷却水温度35 KJ/(kg.)=105 kg/h 即 907t/h流程中并用了两个相同的水冷器，所以每个水冷器用水量为453.5t/h，吸收热量为107 KJ/h，既107 w 。七、设备工艺计算与选型 本设备设计以“甲醇合成塔”的设计为例，说明明设备设计选型过程和步骤。7.1甲醇合成塔的设计8 传热面积的确定合成塔选用列管式合成塔，传热量为108J/h，合成塔内的总传热系数取为300W/（m2.）。由公式 Q = kATm 得 A = Q/（KTm）=108 /（30036）=9（）催化剂用量的确定 入塔气空速12000h-1，入塔气量m3/h，所以催化剂体积为/12000=（m3）传热管数的确定 传热管选用322.5 ，长度12000mm的钢管，材质为00Cr18Ni5Mo3Si2钢。由公式 SdLn 得 n = SdL）=127）=9347其中因要安排拉杆需要减少32根，实际管数为9315根。 合成塔壳体直径的确定合成塔内管子分布采用正三角形排列，管间距a=40mm，壳体直径 ： Di=a（b-1）+2L式中：a = 40n9315 = 106.2 L = 125mm所以 Di=40（10-1）+2125=4457 原整后取为4600 合成塔壳体厚度的确定 壳体材料选用13MNiMoNbR钢，壁厚的计算公式为：S=PcDi/（2t-Pc）式中：Pc5Mpa ； Di=4600mm；250=190Mpa（取壳体温度为50）S=46005/（21900.85-5）=mm取C2=2mm ；C1=，原整后取S=75mm，复验756%=0.25 故，最终取C1=，故S=75mm。 合成塔封头的确定 上下封头均采用半球形封头，材质选用和筒体相同。由封头厚度计算公式： S=PcDi/（4t-Pc）式中：Pcpa ； Di=4600mm； 260 =190Mpa（取壳体温度为50）S=46005.5/（41901.0-5.5）=mm取C2=2mm ；C1=，原整后取S=36mm，复验366%=0.25 故，最终取C1=，故S=36mm 。实际制造中取厚度和筒体相同即75mm，所以封头为DN460075。 接管的确定 入塔气和出塔气接管都采用35022的钢管，配用法兰 WN-FF 350-6.3 HG20595。入塔沸腾水和出塔蒸汽接管采用25018的钢管，配用法兰为WN-FF 250-6.3 HG20595。人孔选用标准圆形公称直径DN450mm的人孔。卸催化剂口接管DN600，裙座人孔DN600。 所有的开孔进行等面积补强，在开孔外面焊接上一块与容器材料和厚度都相同的20R钢板。 折流板的确定折流板为弓形 h=3/4Di=3/44600=3450mm，折流板数量为5，间距取2000mm折流板最小厚度为22mm，材料为Q235-A钢。拉杆16，共32根，材料Q235-AF钢；定距管252.5。 管板的确定 管板直径4600，厚度100mm，管板通过焊接在筒体和封头之间。 支座的确定支座采用裙座，裙座座体厚度为75mm，基础环内径4000mm，外径4850mm，基础环厚度为20mm，地脚螺栓公称直径M30，数量为24个。 合成塔设计结果汇总表 表24 合成塔设计汇总表 筒体内径(mm)4600折流板数目5壁厚(mm)75 间距(mm)2000封头（半球型）半径(mm)2300 高度(mm)750壁厚(mm)75列管 管长12000拉杆尺寸(mm)16数目9315数目32尺寸(mm)327.2 水冷器的设计9 传热面积的确定两股流体的进出口温度为：热流体（出换热器气） 60.840 冷流体 （循环水） 35 20 ？故传热推动力：Tm = =取总传热系数为：K=900W/（m2.）由换热器传热速率公式：Q=AK Tm 可得 A=Q/（KTm）=900）=386m2 管子数n的确定 设计选用252.5的无缝钢管，材质20号钢，管长mn=A/（）=386）=820根，其中安排拉杆需要减少8根，实际管数为812根。管子的排列方式，管间距的确定 设计采用正三角形排列，取管间距为a=32mm 。 壳体直径的确定 壳体直径； Di=a（b-1）+2L式中：Di换热器内径，mm； b正六角形对角线上的管子数查有关表取为29； L最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取L=2do所以，Di=32（29-1）+2225=996mm ，取Di=1000mm 换热器为卧式，一般要求6 L/Di 10 ，7500/1000= ，所以满足要求。 壳体厚度的计算壳体材料选用20R钢，壁厚的计算公式为：S=PcDi/（2t-Pc）式中：Pcpa ； Di=1000mm； 50=132Mpa（取壳体温度为50）S=10005.39/（21320.85-5.39）=mm取C2=2mm ；C1=，圆整后取S=28mm，复验286%= 0.25 故，最终取C1=故壳体厚度：S=28mm换热器封头的确定 上下封头均采用标准椭球形封头，封头为DN100028。曲面高度h1=250mm，直边高度h2=40mm，材料选用20 R钢。 容器法兰的选择 材料选用16MnR钢，根pa，DN1000mm的榫槽密封面长颈对焊法兰。折流板的设计 折流板为弓形，h=3/41000=750mm，折流板间距取1500mm；最小厚度为10mm。折流板外径994mm，折流板开孔直径为0，材料为Q235-A钢；拉杆选用16，共8根，材料为Q235-AF钢。 开孔补强 换热器封头和壳体上的接管都需要补强，在开孔外面焊接上一块与容器壁材料和厚度都相同的，即28mm厚的20R钢板。支座选用型号JB/4712-92 鞍座 BI 700 F 。 水冷器设计结果汇总 表25 水冷器设计汇总表 筒体内径(mm)1000折流板数目5壁厚(mm)28 间距(mm)1500封头（椭球型）半径(mm)500 高度(mm)750高度(mm)250直边高度(mm)40列管 管长7500拉杆尺寸(mm)16数目721数目8尺寸(mm)257.3循环压缩机的选型设计中选用的循环气压缩机为离心压缩机，离心压缩机具有以下的特点：流量大而均匀，体积小，运转平稳，容易调节，维护方便。在现代化大型合成氨工业和石油化工企业中多采用离心压缩机，其压强可达几十万MPa，流量可达几十万m3/h。通过物料计算可以知道设计中压缩机排气量为 m3/h；排气压力为5.14 MPa。通过对压缩机输送介质排气压力和排气量的考虑，设计最终选用的是沈阳鼓风机厂设计的BCL456+2BCL407离心压缩机。该离心压缩机是在引进技术的基础上，采用自行开发的多项科研成果研制完成的。压缩机由二缸三段十三级叶轮组成，压缩机缸体为垂直部分结构，其内部与气体接触处均为不锈钢。支撑轴承采用可倾式轴承，上推轴承采用金斯伯雷轴承，来提高机组的抗振性能及稳定性能。轴端密封采用德国西太平洋公司研制的干气密封，严格防止其气体外漏。机组为独立的气路系统，润滑油系统采用强制供油，并配有先进的独立的自控和保安装置，确保机组的安全运行。通过实际运行证明，该机组主要技术性能指标达到国际先进水平。7.4 精馏塔的选型和控制11精馏塔是用来实现分离混合物的传质过程设备，在化工、炼油厂中出现得最多。本设计精甲醇的生产选取用“三塔精馏”工艺，塔常压；塔加压，塔常压。 常压塔在常压塔精馏过程中，一般对塔顶压力的要求都不高，因此不比设置压力控制系统，可在冷凝器或回流罐上设置一段连通大气的管道来平衡压力，以保持塔内压力接近于环境压力。加压塔加压塔超做过程中，压力控制非常重要，他不仅会影响到产品质量还关系到设备和生产的安全。加压塔控制方案的确定，不仅与塔顶馏出物的状态是气相还是液相密切相关，而且还和塔顶馏出物中不凝性气体量的多少有关。7.5甲醇合成厂的主要设备一览表表26 主要设备表 序号流程号名称规格或型号数量材料备注2R1002A，B氧化锌脱硫塔360030000213CrMo44钢3E1001辅助锅炉120R钢4R1003一段转化炉113CrMo44钢5R1004二段转化炉4000mm113CrMo44钢6E1002A，B第一废热锅炉F=80 m2220R钢7E1003第二废热锅炉F=50 m2120R钢8C2001压缩机BCL456+2BCL40729R2001合成塔DN=4600mF=950m2113MNiMoNbR钢1台备用10E2002水冷器DN=700mm F=386 m2220R钢11V2001甲醇分离器2200mm213CrMo44钢12V2002A，B甲醇膨胀槽5200213CrMo44钢13E2001入塔气预热器F=5400m2113MNiMoNbR钢14T3001预精馏塔320024000113CrMo44钢15T3002加压精馏塔400028000113MNiMoNbR钢16T3003常压精馏塔320028000113CrMo44钢17V3001精甲醇贮罐V=30000 m32八、合成车间布置设计108.1厂房的整体布置设计根据生产工艺流程产品特性、生产规模和建筑结构等来进行整体布置设计。（1）由于塔较高，因此不宜采用单层厂房，但设备不多，因此采用单层厂房与多层厂房相结