浅析年产20万吨煤制甲醇生产工艺初步设计

以投资成本，生产成本，产品收率为依据，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，其主要反应式为：

CO+ H2CH3OH

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。

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，管程走反应气，壳程走4MPa的沸腾水。

一、甲醇合成塔的选择

甲醇合成反应器实际是甲醇合成系统中最重要的设备。从操作结构，材料及维修等方面考虑。借鉴大型甲醇合成企业的经验，（大型装置不宜选用激冷式和冷管式），设计选用固定管板列管合成塔。

二、甲醇合成工艺流程

来自脱碳装置的新鲜气（40℃，3.4MPa）与循环气一起经甲醇合成气压缩机（C7001）压缩至5.14MPa后，经过入塔气预热器（E7001）加热到225℃，进入甲醇合成塔（R7001）内，甲醇合成气在催化剂作用下发生如下反应：

CO + 2H2 = CH3OH + Q

CO2 + 3H2 = CH3OH + H2O + Q

甲醇合成塔（R7001）为列管式等温反应器，管内装有XNC-98型甲醇合成催化剂，管外为沸腾锅炉水。

反应放出大量的热，通过列管管壁传给锅炉水，产生大量中压蒸汽（3.9MPa饱和蒸汽），减压后送至蒸汽管网。副产蒸汽确保了甲醇合成塔内反应趋于恒定，且反应温度也可通过副产蒸汽的压力来调节。

甲醇合成的工艺流程

甲醇合成塔（R7001）出来的合成气（255℃，4.9MPa），经入塔气预热器（E7001），甲醇水冷器（E7002A，B），进入甲醇分离器（V7002），粗甲醇在此被分离。分离出的粗甲醇进入甲醇膨胀槽（V7003），被减压至0.4MPa后送至精馏装置。甲醇分离器（V7002）分离出的混合气与新鲜气按一定比例混合后升压送至甲醇合成塔（R7001）继续进行合成反应。

三、甲醇合成主要设备

1.甲醇合成塔的设计

1.1传热面积的确定

传热温差为10℃，传热量为68435174.94kJ/h，合成塔内的总传热系数取为289.78W/（m2.℃）。

由公式Q = kATm

得 A = Q/（KTm）=68435174.94/（3.6×289.78×10）=6362m2

1.2催化剂用量的确定

入塔气空速12000h-1，入塔气量3486585.82m3/h，所以，催化剂体积为3486585.82/12000=290.55m3。

1.3传热管数的确定

传热管选用Ф32×2.5 ，长度9000mm的钢管，材质为00Cr18Ni5Mo3Si2钢。

由公式A =3.14×d×L×n

得 n = A/（3.14×d×L）=6362/（3.14×9×0.027）=8338

其中因要安排拉杆需要减少12根，实际管数为8326根。

1.4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 = 40

b = 1.1×n0.5 = 1.1×83380.5 = 100.44

L = 125mm

所以 Di=40×（100.44-1）+2×125=4227.80 圆整后取为4300 mm

1.5合成塔壳体厚度的确定

壳体材料选用13MNiMoNbR钢，计算壁后的公式为：

S=PcDi/（2[σ] tФ-Pc）

式中：Pc-5.14Mpa ；

Di=4300mm；

Ф=0.85

[σ]t =190Mpa（取壳体温度为50℃）

S=4300×5.14/（2×190×0.85-5.14）=69.53mm

取C2=1mm ；C1=1mm，原整后取S=73mm

1.6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。

封头内径为4300+2×73=4446，原整后取4500

由封头厚度计算公式： S=PcDi/（2[σ]tФ-0.5Pc）

式中：Pc-5.14Mpa ；

Di=4500mm；

Ф=0.85

[σ] t =190Mpa（取壳体温度为50℃）

S=4500×5.14/（2×190×0.85-0.5×5.14）=72.18mm

取C2=1mm ；C1=1mm，原整后取S=76mm，所以封头为DN4500×76。

1.7管子拉脱力的计算

已知 Tt>Ts，pt>ps

Tt、Ts分别为管壁温度和壳壁温度；pt为管程压力4.9 Mpa；ps为壳程压力 0.74 Mpa，所以可知qt与qp的作用力同向，则合拉力q=0.54

1.8折流板的确定

折流板为弓形 h=3/4Di=3/4×4300=3225mm，折流板数量为5，间距取1500mm

折流板最小厚度为22mm，材料为Q235-A钢。拉杆Ф12，共12根，材料Q235-AF钢；定距管Ф25×2.5。

1.9管板的确定

管板直径4300，厚度100mm，管板通过焊接在筒体和封头之间。

1.10支座的确定

支座采用裙座，裙座座体厚度为50mm，基础环内径4000mm，外径4500mm，基地脚螺栓公称直径M30，数量为6个。

2.水冷器的工艺设计

2.1传热面积的确定

两股流体的进出口温度为：热 60.840℃

冷 35 20 ℃

故传热推动力：

Tm = （（60.8-35）-（40-20））/㏑（（60.8-35）/（40-20））=22.78℃

总传热系数为K=890.57W/（m22.℃）

由公式Q=AK Tm 可得 A=Q/（KTm）=5274663.12/（22.78×890.57）=260m2

2.2管子数n的确定

设计选用Ф25×2.5的无缝钢管，材质20号钢，管长6m，由公式A=3.14dLn

n=A/（3.14dL）=260/（3.14×0.02×6）=690根，其中安排拉杆需要减少4根，实际管数为686根。

2.3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。

2.4壳体直径的确定

壳体直径； Di=a（b-1）+2L

所以，Di=32×（29-1）+2×2×25=996mm ，取Di=1000mm

2.5壳体厚度的计算

壳体材料选用20R钢，计算壁后的公式为：

S=PcDi/（2[σ] tФ-Pc）

式中：Pc——计算压力，取Pc为4.9×1.1=5.39Mpa；

Di=1000mm；

Ф=0.85

[σ]t =132Mpa（取壳体温度为50℃）

S=1000×5.39/（2×132×0.85-5.39）=24.61mm

取C2=1mm ；C1=1mm，原整后取S=28mm

2.6换热器封头的确定

上下封头均采用标准椭圆形封头，封头为DN1000×28。材料选用20 R钢。

2.7容器法兰的选择

材料选用16MnR钢，跟据JB4703-2000标准，选用PN6.4Mpa，DN1000mm的长颈对焊法兰。

2.8管子拉脱力的计算

已知 Tt>Ts，pt>ps

Tt、Ts分别为管壁温度和壳壁温度；pt为管程压力4.9 Mpa；ps为壳程压力0.74 Mpa，所以可知qt与qp的作用力同向，则合拉力q=0.755

因此，拉脱力在许用范围内。

2.9折流板的设计。

折流板为弓形，h=3/4×1000=750mm，折流板间距取400mm；最小厚度为10mm。材料为Q235-A钢；拉杆选用Ф12，共四根，材料为Q235-AF钢。

2.10开空补强

换热器封头和壳体上的接管都需要补强，在开空外面焊接上一块与容器壁材料和厚度都相同的，即20mm厚的20R钢板。

2.11支座

选用型号JB/4712-92 鞍座 BI 1000 F 。

3.循环压缩机的选型

通过物料计算可以知道设计中压缩机排气量为348785.82m3/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。

四、设计结果评价

合成甲醇催化剂选用上，通过综合比较国内外各种常用催化剂，并本着技术先进投资节省的原则，选用目前相对先进的四川天一科技股份有限公司研制的XNC-98型催化剂。XNC-98催化剂是一种高活性、高选择性，稳定性好的催化剂，与其他催化剂相比，具有优越的综合性能。

参考文献

[1]房鼎业， 姚佩芳， 朱炳晨. 甲醇生产技术及进展. 第1版. 华东化工学院出版社， 1990.

[2]王静康主编. 化工设计. 第一版. 化学工业出版社，1995.