楊建軍+楊秦冬

摘要：近年來，隨著甲醇下屬產(chǎn)品的開發(fā)，特別是甲醇燃料的推廣應(yīng)用，甲醇的需求大幅度上升。甲醇是一種極重要的有機化工原料，也是一種燃料，是碳化學(xué)的基礎(chǔ)產(chǎn)品，在國民經(jīng)濟中占有十分重要的地位。為了保證甲醇產(chǎn)品規(guī)格與數(shù)量能夠滿足社會需求，對其合成塔工藝設(shè)計進(jìn)行討論，對提高甲醇合成工藝水平有著重要意義?；诖耍恼轮饕獙状己铣伤に囋O(shè)計進(jìn)行分析與研究，以期能夠為煤制甲醇合成反應(yīng)的順利開展奠定堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：煤制甲醇工藝；甲醇合成塔；工藝設(shè)計

引言

隨著現(xiàn)代化工科技的發(fā)展，化工生產(chǎn)中甲醇合成工藝也有了很大的進(jìn)步。甲醇是日常的生產(chǎn)生活中較為重要的化工原料，比如在生產(chǎn)塑料、染料研制、醫(yī)藥配制等很多的方面，甲醇的需求量以及使用量都非常大?，F(xiàn)代的化工生產(chǎn)中甲醇的研發(fā)主要還是將煤為反應(yīng)的原料，煤制甲醇這種工藝是化工生產(chǎn)廠家最為常用的方法，同時也對這種工藝進(jìn)行了不斷的改良和創(chuàng)新，很多更加優(yōu)質(zhì)的甲醇產(chǎn)品以及產(chǎn)出工藝率也在不斷進(jìn)步。因此，對煤制甲醇工藝甲醇合成塔的工藝設(shè)計進(jìn)行研究，對甲醇合成工藝技術(shù)的發(fā)展有著重要意義。

1、甲醇合成工藝概述

1.1合成甲醇的方法

目前，我國工業(yè)生產(chǎn)大都利用合成氣法合成甲醇，其中包括：低壓法、高壓法和中壓法合成。合成氣法是以一氧化碳與氫氣為原料合成甲醇的方法。高壓合成氣方法是用用CO與H2在高溫（340～420℃）高壓（30.0～50.0Mpa）下用鋅-鉻氧化物作催化劑合成甲醇；低壓合成氣法是指CO和H2在溫度（275℃）壓力（5.0MPa）下用銅基催化劑合成甲醇；中壓合成法是指即CO和H2在溫度（235-315℃）壓力（10.0-27.0MPa）下合成甲醇。

1.2甲醇合成原理及反應(yīng)

對甲醇合成而言，無論是鋅鉻催化劑還是銅基催化劑，其多相（非勻相）催化過程按下列過程進(jìn)行：擴散——氣體自氣相擴散到催化劑的界面；吸附——各種氣體在催化劑的活性表面進(jìn)行化學(xué)吸附，其中CO在Cu2+上吸附，H2在Zn2+上吸附并異裂；表面反應(yīng)——化學(xué)吸附的反應(yīng)物在活性表面上進(jìn)行反應(yīng)，生成產(chǎn)物；解析——反應(yīng)產(chǎn)物脫附；擴散——反應(yīng)產(chǎn)物氣體自催化劑界面擴散到氣相中去。其主要的化學(xué)反應(yīng)如下所示：

2、煤制甲醇工藝甲醇合成塔的工藝設(shè)計

2.1甲醇合成塔物性參數(shù)的確定

以低壓合成甲醇法為例，在煤制甲醇工藝中其工藝流程如下圖所示：

圖1 低壓合成甲醇工藝流程

由于低壓合成法的壓力與溫度要求為5MPa、275℃，為了滿足低壓合成甲醇法的工藝要求，可利用列管式反應(yīng)器殼層的沸水進(jìn)行供熱，保證一氧化碳與氫氣在發(fā)生反應(yīng)過程中能夠有較高的反應(yīng)速率，在沸騰水溫度設(shè)定值為270℃時，其物性參數(shù)如下：

水的汽化熱γ0=28855J/mol、黏度η0=0.010ps.s、熱導(dǎo)率λ0=0.590w（m·k）、表面張力σ0=25.355kg/m3、比熱容Cp0=5.126kJ（kg·k）、液相密度 ρ0=768kg/m3。合成氣主要成分為一氧化碳和氫氣，其平均密度為6.734kg/m3、比熱容為Cpi=4.585kJ（kg·k）、熱導(dǎo)率λi=0.3576w（m·k）、黏度 ηi=0.074635（ps·s）。

2.2甲醇合成塔溫度控制改造

在甲醇合成他工藝設(shè)計過程中，需要了解能夠影響其反應(yīng)溫度的因素，然后對其進(jìn)行改造，降低溫度對甲醇合成工藝的影響。第一，氣體合成過程中引起速度過快，導(dǎo)致合成氣快速進(jìn)入，在催化劑表層發(fā)生合成反應(yīng)，進(jìn)而生成大量熱，且無法及時移出，使得床層超溫；第二，氣體構(gòu)成成分對合成塔床層溫度的影響。系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整時，新入氣體中CO2含量不穩(wěn)，時高時低，當(dāng)其含量較低時CO與H2反應(yīng)加劇，引起催化劑床層溫度過高；第三，合成塔內(nèi)惰性氣體體積分?jǐn)?shù)控制過低（低于8%），使得催化劑在初期反應(yīng)時活性較大，導(dǎo)致反應(yīng)劇烈，生成大量熱，床層溫度超溫。

2.3合成塔塔體的確定

在煤制甲醇合成塔工藝設(shè)計中，塔內(nèi)的管束可以采用同心圓進(jìn)行排列，其殼體內(nèi)徑按下列方法進(jìn)行計算：

列管選用ψ38*2mm無縫鋼管，鋼管材質(zhì)可選用鎘鎳不銹鋼，管長設(shè)定為4000mm，采用單程管，則根據(jù)傳熱面積以及管長來確定傳熱管數(shù)目 Nr，其計算公式如下：

，代入數(shù)據(jù)可得到：

在傳熱過程中，其傳熱效率并不能達(dá)到百分之百，因此，考慮到傳熱時的熱損失和傳熱裕度，可以取Nr為2500。在確定傳熱管數(shù)目的同時，也需要對其管內(nèi)的氣體流速進(jìn)行計算， ，將設(shè)計參數(shù)帶入到式中可得 為1.14m/s。

2.4殼體內(nèi)折流板和接管的確定

為了提高換熱管的傳熱效率，殼程應(yīng)設(shè)置折流板，型式采用弓形折流板，為防止形成換熱死區(qū)，折流板圓缺高度取殼體直徑的25%，則去除的高度 為：750mm；折流板間距確定為900mm，折流板數(shù)N13為3.4，取 為5，調(diào)整折柳板間距為800mm。確定合成塔殼程流體進(jìn)出口接管規(guī)格。設(shè)定管內(nèi)水的流速為u1=2.5m/s，則接管內(nèi)徑尺寸D1為： ，代入數(shù)據(jù)可得D1=0.273m。管程流體進(jìn)出管接口流速u2=17m/s，則接管內(nèi)徑 代入數(shù)據(jù)可得D2=0.439m。

2.5傳熱系數(shù)的計算

管外傳熱系數(shù)α0的確定：

，代入相應(yīng)的數(shù)據(jù)可得，α0=415.5w/（m2·k）。

管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)α1，αi=0.023 ，代入相應(yīng)的數(shù)據(jù)可得：α1=160.3W/（m2·k），則總傳質(zhì)系數(shù)Kc計算公式如下：

，得到Kc為707.06W（m2·℃）

結(jié)束語：

綜上所述，甲醇作為一種有機化工原料，其在社會中的應(yīng)用較為廣泛，能夠緩解能源緊缺的現(xiàn)象。對此，為了提高甲醇的生產(chǎn)效率，保證其生產(chǎn)純度，企業(yè)在甲醇生產(chǎn)過程中，需對其合成塔的工藝設(shè)計進(jìn)行研究與分析，確定其工藝參數(shù)及合成塔塔體，對甲醇合成塔溫度進(jìn)行控制，保證甲醇合成工藝效果。

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