煤制甲醇工藝中甲醇合成塔的設(shè)計(jì)研究

韓學(xué)琴

（同煤廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司,山西 大同 037000）

引 言

甲醇合成反應(yīng)器,即為甲醇合成塔。它是甲醇制作裝置的核心設(shè)備之一,也是甲醇合成中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。甲醇合成塔為立式絕熱體,內(nèi)部?jī)?chǔ)存甲醇催化劑。本文針對(duì)25wt/年的焦?fàn)t氣體制造甲醇項(xiàng)目進(jìn)行壓力、溫度、體積等方面的探討,確定甲醇合成塔的具體設(shè)計(jì)。

1 甲醇工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

甲醇在我國(guó)有機(jī)合成工業(yè)中,處于第四位。其被廣泛運(yùn)用在農(nóng)藥、醫(yī)學(xué)等工業(yè)中。因此,甲醇化工已經(jīng)成為一個(gè)非常重要的領(lǐng)域［1］。英國(guó)化學(xué)家在1660年,發(fā)現(xiàn)了甲醇。而德國(guó)BASF公司,在1920年時(shí),通過(guò)高壓條件進(jìn)行了對(duì)甲醇的提取。直到1966年,英國(guó)ICI公司開(kāi)發(fā)了低壓甲醇合成法。我國(guó)于1954年,開(kāi)展甲醇工業(yè)。直到19世紀(jì)50年代,我國(guó)在吉林等地建立了生產(chǎn)甲醇的裝置。19世紀(jì)60年代,我國(guó)更新了甲醇生產(chǎn)方法。19世紀(jì)90年代,我國(guó)甲醇生產(chǎn)裝飾順利投產(chǎn)。20世紀(jì)初期,我國(guó)焦?fàn)t制造甲醇裝置得到了更新。隨著甲醇市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大,甲醇制造工業(yè)和工業(yè)也在不斷發(fā)展,其中甲醇合成塔作為甲醇合成環(huán)節(jié)中重要的因素,一直被人們所關(guān)注著。

2 甲醇合成工藝

煤炭合成工藝中,可以按照壓力將其劃分為三個(gè)種類,高壓、中壓和低壓。高壓合成法是借助催化劑鋅鉻,對(duì)甲醇進(jìn)行合成。這種合成方法不僅成本高,且其產(chǎn)出質(zhì)量不能達(dá)到預(yù)期的效果。因此在當(dāng)前的煤制甲醇工藝中,已經(jīng)不再使用。而低壓合成法是通過(guò)銅鋅基催化劑對(duì)煤制甲醇進(jìn)行合成,因其具備程序簡(jiǎn)單,能量消耗少的特點(diǎn),成為當(dāng)前主要的甲醇合成方法。因此,在煤制甲醇工藝中,選用立式催化反應(yīng)器。并在管內(nèi)填充銅鋅基催化劑,從而促進(jìn)煤制甲醇在5MPa,230℃的環(huán)境下,合成一氧化碳、二氧化碳和氫氣［2］。根據(jù)相關(guān)要求,甲醇合成塔需要選用固定催化反應(yīng)器進(jìn)行合成催化。將合成氣管內(nèi)填充NC305銅鋅基作催化劑。當(dāng)合成的氣體從塔頂部進(jìn)入床層后,在5MPa,230℃的環(huán)境下,將一氧化碳、二氧化碳和氫氣進(jìn)行合成。從而獲取甲醇和水,以及其他雜質(zhì)。在反應(yīng)發(fā)生的過(guò)程中,需要運(yùn)用流動(dòng)水將熱能運(yùn)輸走。從合成塔出來(lái)之后的氣體與溫度較低的氣體進(jìn)行交換,從而得到冷卻,使得甲醇液化。再通過(guò)分離器,將粗甲醇分離出來(lái)。通過(guò)這種反應(yīng),可以獲得甲醇。在整個(gè)合成過(guò)程中,屬于劇烈的化學(xué)反應(yīng)。在這個(gè)合成工藝中,其在低壓和銅鋅基催化劑作用下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)見(jiàn)式（1）～式（2）：

3 甲醇合成塔工藝

甲醇合成塔是甲醇生產(chǎn)的核心設(shè)備,應(yīng)嚴(yán)格控制其結(jié)構(gòu)和材料。傳統(tǒng)的甲醇合成塔反應(yīng)管是通過(guò)固定的方式放置在上下管板上,再將上下管板焊接在合成塔殼體上。這種方式會(huì)使反應(yīng)管與管板連接口產(chǎn)生溫差,引起反應(yīng)管破裂,從而造成泄露,產(chǎn)生安全事故。因此,在甲醇合成塔設(shè)計(jì)中,應(yīng)該注重對(duì)其相關(guān)數(shù)據(jù)的把握,從而增加其性能,保證甲醇合成塔的安全性。

3.1 計(jì)算合成塔物性系數(shù)

甲醇在合成的過(guò)程中,處于吸熱的狀態(tài)。所以要使甲醇發(fā)生反應(yīng),就可以將溫度設(shè)定在260℃。則在此溫度下的物性參數(shù)［3］如下。

水的汽化熱為27 341J/mol,熱導(dǎo)率為0.732 W/（m·k）,比熱容為4.931kJ/（kg·k）。合成氣的密度為6.538kg/m3,比熱容為4.638kJ/（kg·k）,熱導(dǎo)率為0.297 3W/（m·k）。

3.2 計(jì)算氣體積

在本次設(shè)計(jì)中,采用兩套設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。其中,兩套設(shè)備生產(chǎn)任務(wù)共為25wt。設(shè)定生產(chǎn)時(shí)間為350d,按照甲醇95%的回收率,計(jì)算氣體積流量qm：

由此可以得出q＝570kmol/h。根據(jù)氣體狀態(tài)方程,可以計(jì)算出在5MPa,230℃的摩爾流量為Vm＝0.73L/mol,其 混 合 氣 體 流 量 為qv＝8 354.7m3/h。

3.3 計(jì)算氣熱量

甲醇合成中,反應(yīng)熱量與溫度的關(guān)系。

則合成中,產(chǎn)生的熱量為：

因此,爐內(nèi)水需要降低16 945.13kW的熱量。

3.4 計(jì)算沸騰水

根據(jù)該設(shè)計(jì),可以算出出口氣化率為Xe＝0.021,則循環(huán)水流量qm見(jiàn)式（1）：

3.5 估算換熱面積

確定溫差為：

設(shè)定傳熱系數(shù)為K＝593W/m2·k,則傳熱面積AP見(jiàn)式（2）：

3.6 確定管參數(shù)

在本次設(shè)計(jì)中,選用無(wú)縫鋼管,其規(guī)格為35×3mm。將其管長(zhǎng)設(shè)定為3 800mm,并選用單管程。則傳熱管數(shù)目確定為見(jiàn)式（3）：

3.7 確定殼體

根據(jù)合成塔內(nèi)部結(jié)果,則可以計(jì)算出殼內(nèi)直徑見(jiàn)式（4）～式（6）：

則可以得出a＝25,b＝51,鋼管采用雙相不透剛換熱管,t＝45mm,D＝2 731mm,則D應(yīng)該取2 500mm,則氣體流速為見(jiàn)式（7）：

3.8 確定內(nèi)流板和接管

在煤制甲醇的殼內(nèi)設(shè)計(jì)中,為了保證其傳熱效率,需要將內(nèi)折流板設(shè)計(jì)成弓形,并將其高度數(shù)值確定在殼體直徑的四分之一左右,則可以確定高度h為：h＝700mm；折流板間距為800mm,數(shù)量為4個(gè)。按照合成塔殼子流體設(shè)計(jì),可以確定接管規(guī)格,并設(shè)定水流速為2.3m/s,則接管直徑為式（8）：

根據(jù)上述公式,可以確定管接口流速為15m/s,則管接口直徑D2見(jiàn)式（9）：

則根據(jù)上述結(jié)果,確定規(guī)格為450mm×20mm。

4 塔體工藝設(shè)計(jì)計(jì)算

通過(guò)塔體的設(shè)計(jì),可以有效避免泄露現(xiàn)象的產(chǎn)生,從而減少安全危險(xiǎn)系數(shù)。因此,甲醇反應(yīng)塔的設(shè)計(jì)離不開(kāi)對(duì)其塔體的設(shè)計(jì)計(jì)算。

4.1 計(jì)算傳熱參數(shù)

根據(jù)廣外傳熱公式,可以得知管外傳熱系數(shù)為421.3W/（m2·K）,而管內(nèi)傳熱系數(shù)為157.5W/（m2·K）,則可以算出總傳熱系數(shù)見(jiàn)式（10）：

可以得出KC＝691.7W/（m2·℃）。

4.2 計(jì)算傳熱面積

在傳熱面積計(jì)算中,Ac＝731.5m2,則實(shí)際傳熱為A實(shí)1 013.1m2,可以求得適宜面積H為式（11）：

4.3 計(jì)算催化劑

在本次合成塔設(shè)計(jì)的11 000h－1為空氣速,則氣量為273 153.41m3/h,所以催化劑劑量應(yīng)該為：

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)25wt/年的甲醇合成塔進(jìn)行工藝分析,從而為其他合成塔設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了理論支持,這不僅能夠推動(dòng)煤制甲醇工藝的進(jìn)步,還能夠保證甲醇合成塔的實(shí)用性。在本文的甲醇合成塔設(shè)備工藝計(jì)算中,輔助運(yùn)用anspen進(jìn)行計(jì)算,其不僅能夠精確數(shù)值,還能夠保證計(jì)算準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 姜浩.煤制甲醇工藝甲醇合成塔的工藝設(shè)計(jì)探討［J］.石油和化工設(shè)備,2014,41（2）：24－26.

［2］ 王建輝,王林.年產(chǎn)50萬(wàn)噸煤制甲醇裝置工藝優(yōu)化與技術(shù)改進(jìn)［J］.大氮肥,2016,39（6）：386－388.

［3］ 朱建力.煤制甲醇合成工藝設(shè)備的選型分析［J］.山西化工,2016,36（6）：93－94.