《过程装备成套技术》课程设计
煤制甲醇合成工段工艺流程及典型题目
设备的设计
组别第四组
姓名
学号
院(系) 化学与化工学院
专业过程装备与控制工程
指导教师高勇
日期2016年6月27日至2016年7月3日
目录
1甲醇的合成 (1)
1.1甲醇合成的基本原理 (1)
1.1.1甲醇合成反应步骤 (1)
1.1.2合成甲醇的化学反应 (1)
1.2甲醇合成催化剂的选用 (2)
1.3铜基催化剂的中毒和寿命 (2)
1.4甲醇合成的工艺条件 (2)
1.4.1反应温度 (2)
1.4.2压力 (2)
1.4.3空速 (3)
1.4.4气体组成 (3)
1.5甲醇合成的工艺流程 (3)
1.5.1甲醇合成的方法 (3)
1.5.2本设计的合成工艺 (4)
1.5.3甲醇合成塔的选择 (4)
1.5.4甲醇合成工艺流程 (5)
2列管式换热器设计及相关计算 (6)
2.1设计任务及操作条件 (6)
2.2方案简介 (6)
2.3设计方案 (6)
2.3.1．确定设计方案 (6)
2.3.2确定物性数据 (7)
2.3.3计算总传热系数 (7)
2.3.4计算传热面积 (8)
2.3.5工艺结构尺寸 (9)
2.3.6换热器核算 (11)
3参考文献 (17)
1甲醇的合成
1.1甲醇合成的基本原理
1.1.1甲醇合成反应步骤
对甲醇合成而言，无论是锌铬催化剂还是铜基催化剂，其多相（非匀相）催化过程按下列过程进行：
a）扩散——气体自气相扩散到催化剂的界面；
b）吸附——各种气体在催化剂的活性表面进行化学吸附，其中CO在Cu2+上吸附，H2在Zn2+上吸附并异裂；
c）表面反应——化学吸附的反应物在活性表面上进行反应，生成产物；
d）解析——反应产物脱附；
e）扩散——反应产物气体自催化剂界面扩散到气相中去；
以上五个过程中a、e（扩散）进行得最快，b（吸附）、d（解析）进行的速度较快，而过程c（表面反应）分子在催化剂活性界面的反应速度最慢，因此，整个反应过程取决于表面反应的进行速率［1］。
提高压力、升高温度均可使甲醇合成反应速率加快，但从热力学角度分析，由于CO、CO2和H2合成甲醇的反应是强放热的体积缩小反应，提高压力、降低温度有利于化学平衡向生成甲醇的方向移动，同时也有利于抑制副反应的进行。
1.1.2合成甲醇的化学反应
甲醇是甲醇合成反应是多项铜基催化剂上进行的复杂的、可逆的化学反应［2］。（1）主要的化学反应
CO+ 2H2=CH3OH (1-1)
CO2+ 3H2=CH3OH+ H2O(1-2)（2）甲醇合成的副反应
2CO+ 4H2=CH3OH CH3+ H2O (1-3)
CO+ 3H2=CH4+ H2O (1-4)
4CO+ 8H2=C4 H9OH+ 3H2O (1-5)
CO2+ H2=CO+ H2O (1-6)
1.2甲醇合成催化剂的选用
铜基催化剂（CuO/ ZnO/ Cr2O3或CuO/ ZnO /Al2O3 ）
铜基催化剂的主要化学成分是CuO/ ZnO/ Cr2O3或CuO/ ZnO /Al2O3，其活性组分是Cu 和ZnO，同时还要添加一些助催化剂，促进催化剂活性。Cr2O3的添加可以提高铜在催化剂的分散度，同时又能阻止分散的铜晶粒在受热时被烧结、长大，延长催化剂的使用寿命。添加Al2O3助催化剂使催化剂活性更高，而且Al2O3价廉、无毒，用Al2O3代替Cr2O3的铜基催化剂更好［3］。
1.3铜基催化剂的中毒和寿命
铜基催化剂对硫的中毒十分敏感，一般认为其原因是H2S和Cu形成CuS，也可能生成Cu2S，反应如下：
Cu+ H2S =CuS+ H2 (1-7)
2Cu+ H2S =Cu2S+ H2 (1-8) 因此原料气中硫含量应小于0.1ppm，与此类似的是氢卤酸对催化剂的毒性。
催化剂使用的寿命与合成甲醇的操作条件有关，铜基催化剂比锌铬催化剂的耐热性差得多，因此防止超温是延长寿命的重要措施。
1.4甲醇合成的工艺条件
1.4.1反应温度
在甲醇合成反应过程中，温度对于反应混合物的平衡和速率都有很大影响。温度过低达不到催化剂的活性温度，则反应不能进行。温度太高不仅增加了副反应，消耗了原料气，而且反应过快，温度难以控制，容易使催化剂衰老失活。一般工业生产中反应温度取决于催化剂的活性温度，不同催化剂其反应温度不同。另外为了延长催化剂寿命，反应初期宜采用较低温度，使用一段时间后再升温至适宜温度。
1.4.2压力
甲醇合成反应为分子数减少的反应，因此增加压力有利于反应向甲醇生成方向移动，使反应速度提高，增加装置生产能力，对甲醇合成反应有利。但压力的提高对设备的材质、加工制造的要求也会提高，原料气压缩功耗也要增加以及由于副产物的增加还
会引起产品质量的变差，操作压力的选用与催化剂的活性有关。所以工厂对压力的选择要在技术、经济等方面综合考虑。
1.4.3空速
一般来说，催化剂活性愈高，对同样的生产负荷所需的接触时间就愈短，空速愈大。甲醇合成所选用的空速的大小，既涉及合成反应的醇净值、合成塔的生产强度、循环气量的大小和系统压力降的大小，又涉及到反应热的综合利用。
1.4.4气体组成
原料气组成对催化剂活性的影响是比较复杂的问题，现就以下几种原料气成分对催化剂活性的影响作一下讨论。
（1）惰性气体（CH4、N2、Ar）的影响
合成系统中惰性气体含量的高低，影响到合成气中有效气体成分的高低。惰性气体的存在引起CO、CO2、H2分压的下降。必须确定适当的惰气含量，从而选择合适的排放量。
（2）CO和H2比例的影响
从化学反应方程式来看，合成甲醇时CO与H2的分子比为1：2，CO2和H2的分子比是1：3，这时可以得到甲醇最大的平衡浓度。
（3）CO2的影响
CO2对催化剂活性、时空产率的影响比较复杂而且存在极值。完全没有CO2的合成气，催化剂活性处于不稳定区，催化剂运转几十小时后很快失活。所以CO2是活性中心的保护剂，不能缺少。在CO2浓度4%以前，CO2对时空产率的影响成正效应，促进CO 合成甲醇，自身也会合成甲醇；但如果CO2含量过高，就会因其强吸附性而占据催化剂的活性中心，因此阻碍反应的进行，会使时空产率下降，同时也降低了CO和H2的浓度，从而降低反应速度，影响反应平衡，而且由于存在大量的CO2，使粗甲醇中的水含量增加，在精馏过程中增加能耗。一般认为CO2在3~5%左右为宜［4］。
1.5甲醇合成的工艺流程
1.5.1甲醇合成的方法
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。
