年产24万吨甲醇合成工艺设计 (4)

图2.1 低压法甲醇合成工艺流程图

Lurgi法低压甲醇合成塔：

结构特点：形似列管式换热器，在塔内，列管中装填催化剂，管间为沸腾水 ；原料气与出塔气换热至220℃左右进入合成塔，反应放出的热经管壁传给管间的沸腾水，产生4MPa左右的饱和蒸汽，用来驱动透平压缩机。合成塔全系统的温度条件用蒸汽压来控制，从而保证催化剂床层大致为等温。

优点：催化剂床层温差较小、单程转化率较高（可达50%）、催化剂使用寿命较长（4年～5年）、热能利用合理、设备紧凑，开停车方便，合成反应过程中副反应少 ，甲醇质量高 。

经典管壳塔的最大生产能力（经济型塔）为1500 t/d。全世界现有Lurgi装置37套，甲醇总生产能力达1600万t/a以上。

以上三种方法的流程基本相同。但所使用的催化剂不同，因而操作压力和操作温度等

级不同，反应器的结构也就有所不同。从合成反应理论上讲，提高压力对合成反应有利，但在高活性铜基催化剂研制成功后，降低合成压力就有了可能。在较低压力和较低温度下合成甲醇，可以降低对设备的要求，简化压缩系统，节省动力消耗，可以节省投资和降低生产成本。

在甲醇合成技术方面。从世界范围看，甲醇生产工艺主要采用气相甲醇合成工艺，德国的Lurgi工艺和英国ICI工艺大约占70%以上[33]。液相甲醇合成工艺逐渐成为研究热点，目前还没有大规模成熟的工业化应用的先例，将是未来我们研究的主要方向。

综合以上各方面因素和中国普遍的生产技术条件，，本设计采用Lurgi工艺。这个流程是德国Lurgi公司开发的甲醇合成工艺，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。

第3章 设计衡算和主要设备设计

3.1 物料衡算

合成塔物料衡算

已知：年产24万吨精甲醇，每年以300个工作日计。

精甲醇中甲醇含量(wt)：99.95% 粗甲醇组成(wt)：[Lurgi低压合成工艺] 甲醇：93.89%

轻组分[以二甲醚(CH3)2O计]：0.188% 重组分[以异丁醇C4H9OH计]：0.026% 水：5.896% 所以：时产精甲醇：

240000?1000?33333.33Kg/h

300?2433333.33?99.95% 时产粗甲醇：?35484.78 Kg/h

93.89%根据粗甲醇组分，算得各组分的生成量为：

甲醇(32)： 33333.33 Kg/h 1041.67 kmol/h 23333.41 Nm3/h 二甲醚(46)：66.71 Kg/h 1.45 kmol/h 32.49 Nm3/h 异丁醇(74)：9.23Kg/h 0.12 kmol/h 2.79 Nm3/h 水(18)： 2092.18 Kg/h 116.23 kmol/h 2603.61 Nm3/h 合成甲醇的化学反应为[1]：

主反应：CO+2H2?CH3OH+102.37 KJ/mol （3-1） 副反应：2CO+4H2?(CH3)2O+H2O+200.39 KJ/mol （3-2） CO+3H2?CH4+H2O+115.69 KJ/mol （3-3） 4CO+8H2?C4H9OH+3H2O+49.62 KJ/mol （3-4）

CO2+H2?CO+ H2O-42.92 KJ/mol （3-5） 生产中，测得每生产1吨粗甲醇生成甲烷7.56 Nm3,即0.34 kmol，故CH4每小时生成

量为：7.56?35.48478=268.27 Nm3

即11.98 kmol/h，191.62 Kg/h。

忽略原料气带入份，根据（3-2）、（3-3）、（3-4）得反应（3-5）生成的水的量为： 116.23-1.45-0.12?3-11.98=102.44 kmol/h

即在CO逆变换中生成的H2O为102.44 kmol/h，即2294.66 Nm3/h。 5.06 MPa，40℃时各组分在甲醇中的溶解度列表于表3.1

表3.1 5.06Mpa，40℃时气体在甲醇中的溶解度[2] 溶解度 Nm3/t甲醇 Nm3/h

H2 0 0

CO 0.682 1.008

CO2 3.416 5.501

N2 0.341 0.504

Ar 0.358 0.529

CH4 0.682 1.008

据测定：35 ℃时液态甲醇中释放CO、CO2、H2等混合气中每立方米含37.14 g甲醇，假定溶解气全部释放，则甲醇扩散损失为： (1.008+5.501+0.504+0.529+1.008)? 即0.0099kmol/h，0.223 Nm3/h。

根据以上计算，则粗甲醇生产消耗量及生产量及组成列表3.2，3.3

表3.2 甲醇生产消耗物量及组成

37.14= 0.318 kg/h 1000消耗方式 3-1 3-2 3-3 3-4 3-5 气体溶解 扩散损失 合计 消耗组成

单位 Nm3 Nm3 Nm3 Nm3 Nm3 Nm3 Nm3 Nm3 %(v)

CO 23333.408 64..96 268.352 10.752 <2294.66> 1.008 23678.48 31.2

H2 46666.816 129..92 805.056 21.504 2294.66 0 49917.956 65.8

CO2 2294.66 5.051 2299.71 3.0

N2 0.504 0.504 0.0007

合计 70000.224 194..88 1073.408 32.256 4589.32 7.571 0.223 75897.882

表 3.3 甲醇生产生成物量及组成

消耗方式

3-1 3-2 3-3 3-4 3-5 合计 生成质量 生成组成

单位 Nm3 Nm3 Nm3 Nm3 Nm3 Nm3 kg %(wt)

CH4 268.352 269.36 0.75 0.002

CH3OH 23333.408

23333.631 33333.33 94.55

C4H9OH

2.688 2.688 9.23 0.026

(CH3)2O

32.48 32.48 66.71 0.189

H2O 32.48 268.352 8.064 2294.66 2603.556 1843.92 5.23

合计 23333.408 64..96 536.704 10.752 4589.32 28535.144 35253.94 100

设新鲜气量为G新鲜气,驰放气为新鲜气的9%。

表3.4 驰放气组成[2]

组分 Mol%

H2 79.31

CO 6.29

CO2 3.50

CH4 4.79

N2 3.19

Ar 2.30

CH3OH 0.61

H2O 0.01

G新鲜气＝G消耗气+G驰放气 (3-6) =G消耗气+0.09 G新鲜气 =75897.882+0.09 G新鲜气 则 G新鲜气＝83404.27 Nm3/h 新鲜气组成见表3.5

表3.5 甲醇合成新鲜气组成

组分 含量 Nm3 组成mol%

H2 54880.01 65.8

CO 26022.13 31.2

CO2 2502.13 3.0

N2 0.58 0.0007

总计 83404.27 100

测得：甲醇合成塔出塔气中含甲醇7.12%。根椐表3.2、表3.3、表3.5，设出塔气量为G出塔。又知醇后气中含醇0.61%。

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