论文部分内容阅读
摘要：近年来，随着甲醇下属产品的开发，特别是甲醇燃料的推广应用，甲醇的需求大幅度上升。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。为了保证甲醇产品规格与数量能够满足社会需求，对其合成塔工艺设计进行讨论，对提高甲醇合成工艺水平有着重要意义。基于此，文章主要对甲醇合成塔工艺设计进行分析与研究，以期能够为煤制甲醇合成反应的顺利开展奠定坚实的基础。
关键词：煤制甲醇工艺；甲醇合成塔；工艺设计
引言
随着现代化工科技的发展，化工生产中甲醇合成工艺也有了很大的进步。甲醇是日常的生产生活中较为重要的化工原料，比如在生产塑料、染料研制、医药配制等很多的方面，甲醇的需求量以及使用量都非常大。现代的化工生产中甲醇的研发主要还是将煤为反应的原料，煤制甲醇这种工艺是化工生产厂家最为常用的方法，同时也对这种工艺进行了不断的改良和创新，很多更加优质的甲醇产品以及产出工艺率也在不断进步。因此，对煤制甲醇工艺甲醇合成塔的工艺设计进行研究，对甲醇合成工艺技术的发展有着重要意义。
1、甲醇合成工艺概述
1.1合成甲醇的方法
目前，我国工业生产大都利用合成气法合成甲醇，其中包括：低压法、高压法和中压法合成。合成气法是以一氧化碳与氢气为原料合成甲醇的方法。高压合成气方法是用用CO与H2在高温（340～420℃）高压（30.0～50.0Mpa）下用锌-铬氧化物作催化剂合成甲醇；低压合成气法是指CO和H2在温度（275℃）压力（5.0MPa）下用铜基催化剂合成甲醇；中压合成法是指即CO和H2在温度（235-315℃）壓力（10.0-27.0MPa）下合成甲醇。
1.2甲醇合成原理及反应
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：扩散——气体自气相扩散到催化剂的界面；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；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；解析——反应产物脱附；扩散——反应产物气体自催化剂界面扩散到气相中去。其主要的化学反应如下所示：
2、煤制甲醇工艺甲醇合成塔的工艺设计
2.1甲醇合成塔物性参数的确定
以低压合成甲醇法为例，在煤制甲醇工艺中其工艺流程如下图所示：
图1 低压合成甲醇工艺流程
由于低压合成法的压力与温度要求为5MPa、275℃，为了满足低压合成甲醇法的工艺要求，可利用列管式反应器壳层的沸水进行供热，保证一氧化碳与氢气在发生反应过程中能够有较高的反应速率，在沸腾水温度设定值为270℃时，其物性参数如下：
水的汽化热γ0=28855J/mol、黏度η0=0.010ps.s、热导率λ0=0.590w（m·k）、表面张力σ0=25.355kg/m3、比热容Cp0=5.126kJ（kg·k）、液相密度 ρ0=768kg/m3。合成气主要成分为一氧化碳和氢气，其平均密度为6.734kg/m3、比热容为Cpi=4.585kJ（kg·k）、热导率λi=0.3576w（m·k）、黏度 ηi=0.074635（ps·s）。
2.2甲醇合成塔温度控制改造
在甲醇合成他工艺设计过程中，需要了解能够影响其反应温度的因素，然后对其进行改造，降低温度对甲醇合成工艺的影响。第一，气体合成过程中引起速度过快，导致合成气快速进入，在催化剂表层发生合成反应，进而生成大量热，且无法及时移出，使得床层超温；第二，气体构成成分对合成塔床层温度的影响。系统进行负荷调整时，新入气体中CO2含量不稳，时高时低，当其含量较低时CO与H2反应加剧，引起催化剂床层温度过高；第三，合成塔内惰性气体体积分数控制过低（低于8%），使得催化剂在初期反应时活性较大，导致反应剧烈，生成大量热，床层温度超温。
2.3合成塔塔体的确定
在煤制甲醇合成塔工艺设计中，塔内的管束可以采用同心圆进行排列，其壳体内径按下列方法进行计算：
列管选用ψ38*2mm无缝钢管，钢管材质可选用镉镍不锈钢，管长设定为4000mm，采用单程管，则根据传热面积以及管长来确定传热管数目 Nr，其计算公式如下：
，代入数据可得到：
在传热过程中，其传热效率并不能达到百分之百，因此，考虑到传热时的热损失和传热裕度，可以取Nr为2500。在确定传热管数目的同时，也需要对其管内的气体流速进行计算， ，将设计参数带入到式中可得 为1.14m/s。
2.4壳体内折流板和接管的确定
为了提高换热管的传热效率，壳程应设置折流板，型式采用弓形折流板，为防止形成换热死区，折流板圆缺高度取壳体直径的25%，则去除的高度 为：750mm；折流板间距确定为900mm，折流板数N13为3.4，取 为5，调整折柳板间距为800mm。确定合成塔壳程流体进出口接管规格。设定管内水的流速为u1=2.5m/s，则接管内径尺寸D1为： ，代入数据可得D1=0.273m。管程流体进出管接口流速u2=17m/s，则接管内径 代入数据可得D2=0.439m。
2.5传热系数的计算
管外传热系数α0的确定：
，代入相應的数据可得，α0=415.5w/（m2·k）。
管内表面传热系数α1，αi=0.023 ，代入相应的数据可得：α1=160.3W/（m2·k），则总传质系数Kc计算公式如下：
，得到Kc为707.06W（m2·℃）
结束语：
综上所述，甲醇作为一种有机化工原料，其在社会中的应用较为广泛，能够缓解能源紧缺的现象。对此，为了提高甲醇的生产效率，保证其生产纯度，企业在甲醇生产过程中，需对其合成塔的工艺设计进行研究与分析，确定其工艺参数及合成塔塔体，对甲醇合成塔温度进行控制，保证甲醇合成工艺效果。
参考文献：
[1]姜浩.煤制甲醇工艺甲醇合成塔的工艺设计探讨[J].石油和化工设备，2014，41（2）：24-26.
[2]董斌.煤制甲醇合成塔的工艺设计探讨[J].商品与质量，2016（51）.
[3]韩涛，陈翠翠，常月.煤制甲醇工艺甲醇合成塔的工艺设计探讨[J].中国化工贸易，2015（19）.
[4]薛永刚.煤制甲醇工艺技术改造分析[D].河北科技大学，2015.
关键词：煤制甲醇工艺；甲醇合成塔；工艺设计
引言
随着现代化工科技的发展，化工生产中甲醇合成工艺也有了很大的进步。甲醇是日常的生产生活中较为重要的化工原料，比如在生产塑料、染料研制、医药配制等很多的方面，甲醇的需求量以及使用量都非常大。现代的化工生产中甲醇的研发主要还是将煤为反应的原料，煤制甲醇这种工艺是化工生产厂家最为常用的方法，同时也对这种工艺进行了不断的改良和创新，很多更加优质的甲醇产品以及产出工艺率也在不断进步。因此，对煤制甲醇工艺甲醇合成塔的工艺设计进行研究，对甲醇合成工艺技术的发展有着重要意义。
1、甲醇合成工艺概述
1.1合成甲醇的方法
目前，我国工业生产大都利用合成气法合成甲醇，其中包括：低压法、高压法和中压法合成。合成气法是以一氧化碳与氢气为原料合成甲醇的方法。高压合成气方法是用用CO与H2在高温（340～420℃）高压（30.0～50.0Mpa）下用锌-铬氧化物作催化剂合成甲醇；低压合成气法是指CO和H2在温度（275℃）压力（5.0MPa）下用铜基催化剂合成甲醇；中压合成法是指即CO和H2在温度（235-315℃）壓力（10.0-27.0MPa）下合成甲醇。
1.2甲醇合成原理及反应
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：扩散——气体自气相扩散到催化剂的界面；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；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；解析——反应产物脱附；扩散——反应产物气体自催化剂界面扩散到气相中去。其主要的化学反应如下所示：
2、煤制甲醇工艺甲醇合成塔的工艺设计
2.1甲醇合成塔物性参数的确定
以低压合成甲醇法为例，在煤制甲醇工艺中其工艺流程如下图所示：
图1 低压合成甲醇工艺流程
由于低压合成法的压力与温度要求为5MPa、275℃，为了满足低压合成甲醇法的工艺要求，可利用列管式反应器壳层的沸水进行供热，保证一氧化碳与氢气在发生反应过程中能够有较高的反应速率，在沸腾水温度设定值为270℃时，其物性参数如下：
水的汽化热γ0=28855J/mol、黏度η0=0.010ps.s、热导率λ0=0.590w（m·k）、表面张力σ0=25.355kg/m3、比热容Cp0=5.126kJ（kg·k）、液相密度 ρ0=768kg/m3。合成气主要成分为一氧化碳和氢气，其平均密度为6.734kg/m3、比热容为Cpi=4.585kJ（kg·k）、热导率λi=0.3576w（m·k）、黏度 ηi=0.074635（ps·s）。
2.2甲醇合成塔温度控制改造
在甲醇合成他工艺设计过程中，需要了解能够影响其反应温度的因素，然后对其进行改造，降低温度对甲醇合成工艺的影响。第一，气体合成过程中引起速度过快，导致合成气快速进入，在催化剂表层发生合成反应，进而生成大量热，且无法及时移出，使得床层超温；第二，气体构成成分对合成塔床层温度的影响。系统进行负荷调整时，新入气体中CO2含量不稳，时高时低，当其含量较低时CO与H2反应加剧，引起催化剂床层温度过高；第三，合成塔内惰性气体体积分数控制过低（低于8%），使得催化剂在初期反应时活性较大，导致反应剧烈，生成大量热，床层温度超温。
2.3合成塔塔体的确定
在煤制甲醇合成塔工艺设计中，塔内的管束可以采用同心圆进行排列，其壳体内径按下列方法进行计算：
列管选用ψ38*2mm无缝钢管，钢管材质可选用镉镍不锈钢，管长设定为4000mm，采用单程管，则根据传热面积以及管长来确定传热管数目 Nr，其计算公式如下：
，代入数据可得到：
在传热过程中，其传热效率并不能达到百分之百，因此，考虑到传热时的热损失和传热裕度，可以取Nr为2500。在确定传热管数目的同时，也需要对其管内的气体流速进行计算， ，将设计参数带入到式中可得 为1.14m/s。
2.4壳体内折流板和接管的确定
为了提高换热管的传热效率，壳程应设置折流板，型式采用弓形折流板，为防止形成换热死区，折流板圆缺高度取壳体直径的25%，则去除的高度 为：750mm；折流板间距确定为900mm，折流板数N13为3.4，取 为5，调整折柳板间距为800mm。确定合成塔壳程流体进出口接管规格。设定管内水的流速为u1=2.5m/s，则接管内径尺寸D1为： ，代入数据可得D1=0.273m。管程流体进出管接口流速u2=17m/s，则接管内径 代入数据可得D2=0.439m。
2.5传热系数的计算
管外传热系数α0的确定：
，代入相應的数据可得，α0=415.5w/（m2·k）。
管内表面传热系数α1，αi=0.023 ，代入相应的数据可得：α1=160.3W/（m2·k），则总传质系数Kc计算公式如下：
，得到Kc为707.06W（m2·℃）
结束语：
综上所述，甲醇作为一种有机化工原料，其在社会中的应用较为广泛，能够缓解能源紧缺的现象。对此，为了提高甲醇的生产效率，保证其生产纯度，企业在甲醇生产过程中，需对其合成塔的工艺设计进行研究与分析，确定其工艺参数及合成塔塔体，对甲醇合成塔温度进行控制，保证甲醇合成工艺效果。
参考文献：
[1]姜浩.煤制甲醇工艺甲醇合成塔的工艺设计探讨[J].石油和化工设备，2014，41（2）：24-26.
[2]董斌.煤制甲醇合成塔的工艺设计探讨[J].商品与质量，2016（51）.
[3]韩涛，陈翠翠，常月.煤制甲醇工艺甲醇合成塔的工艺设计探讨[J].中国化工贸易，2015（19）.
[4]薛永刚.煤制甲醇工艺技术改造分析[D].河北科技大学，2015.