2012年8月（中）
科技创新
浅谈煤制甲醇合成设备的工艺设计
谢世英
（吉林石化工程设计有限公司，吉林吉林132013）
摘
要：甲醇是工业生产和民用生活中很重要的有机化工原料，在国民经济中占有十分重要的地位。近年来，随着社会各个产业
对甲醇的需求大幅度增加，提高甲醇生产效率就显得很重要。为了满足经济发展对甲醇的需求，采用煤炭为原料设计生产甲醇
工艺被广泛推广。本文利用GSP气化工艺造气；NHD净化工艺净化合成气体；低压下利用列管均温合成塔合成甲醇，充分利用废热，降低能耗，保证人员安全与卫生。关键词：甲醇；合成；低压法；合成塔1甲醇合成的工艺流程
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。
本设计的合成工艺以投资成本，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+H2→CH3OH
经过净化的原料气，经预热加压，于5Mpa、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。
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。
甲醇合成工艺流程采用管壳式反应器，催化剂装在管内，反应热由管间沸腾水放走，并副产高压蒸汽，甲醇合成原料在离心式透平压缩机内加压到5.2MPa循环，混合气体在进反应器前先与反应后气体换热，升温到220℃左右，然后进入管壳式反应器反应，反应热传给壳程中的水，产生的蒸汽进入汽包，出塔气温度约为250℃，含甲醇7%左右，经过换热冷却到40℃，冷凝的粗甲醇经分离器分离。分离粗甲醇后的气体适当放空，控制系统中的惰性气体含量。
甲醇合成塔的选择
甲醇合成反应器是合成系统中的重要的设备。从操作结构，材料及维修等方面考虑，合成塔的选用原则一般为：反应能在接近最佳温度曲线条件下进行，床层阻力小，需要消耗的动力低，合成反应的反应热利用率高，操作控制方便，技术易得，装置投资要底等。借鉴大型甲醇合成
这种塔内甲醇合成反应接企业的经验，设计选用固定管板列管合成塔。
近最佳温度操作线，反应热利用率高，虽然设备复杂、投资高，但是由于这种塔在国内外使用较多，具有丰富的管理和维修经验，技术也较容易得到；外加考虑到设计的是年产20万吨的甲醇合成塔（日产量为650吨左右），塔的塔径和管板的厚度不会很大，费用也不会很高，所以本设计采用了固定管板列管合成塔。
2甲醇合成主要设备设计选取2.1甲醇合成塔的设计2.1.1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
2（m.℃）。数取为289.78W/
由公式Q=KA△Tm得A=Q/（K△Tm）=68435174.95/（3.6×289.78×10）=6362m22.1.2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
3
积为3487585.82/12000=290.55m。
2.1.3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。
2.1.4合成塔壳体直径的确定
壳体直径：合成塔内管子分布采用正三角形排列，管间距a=40mm，
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4300mm。
2.1.5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。
2.2水冷器的工艺设计2.2.1传热面积的确定
冷35←20℃。两股流体的进出口温度为：热60.8→40℃；
故传热推动力：
△Tm=（（60.8－35）－（40－20））/ln（60.8－35）（/40－20））=22.78℃
2
总传热系数为K=890.57W/（m.℃）由公式Q=AK△Tm可得A=Q/（K△Tm）=5274663.12/（22.78×
2
890.57）=260m
2.2.2管子数n的确定
材质20号钢，管长6m，由公式A=设计选用Ф25×2.5的无缝钢管，
3.14dLn
（3.14dL）=260/（3.14×0.02×6）=690根，其中安排拉杆需要减少4n=A/
根，实际管数为686根。
2.2.3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。2.2.4壳体直径的确定壳体直径：Di=a（b-1）+2L式中：Di-换热器内径，mm；b-正六角形对角线上的管子数查有关
L-最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取L=2do表取为29；所以，Di=32×（29-1）+2×2×25=996mm，取Di=1000mm2.2.5壳体厚度的计算
计算壁后的公式为：S=PcDi/（2[σ]tФ-Pc）；式壳体材料选用20R钢，
中：Pc-计算压力，取Pc为4.9×1.1=5.39Mpa；Di=1000mm；Ф=0.85。
2.2.6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20R钢。
2.2.7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。
2.2.8管子拉脱力的计算
a在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力；qp=pf/（3.14×do×L）
式中：f=0.866a2-（3.14/4）×d02=0.866×322-（3.14/4）×252=396P=0.74；L=50；qp=0.74×396/（3.14×25×50）=0.075MPa温差应力导致的每平方米胀接周边上的拉脱力qtb、qt=σ（tdo2-di2）（/4×do×L）；式中：σt=aE（tt-ts）（/1+At/As）2.2.9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。
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]李大尚.GSP技术是煤制合成气(或H2)工艺的最佳选择[J].煤化工,2005，（3）:1
[2]李琼玖,唐嗣荣,顾子樵,周述志,赵沛华.近代甲醇合成工艺与合成塔技术(下)[J].化肥设计,2004,42(1):3～8.
[3]李琼玖,唐嗣荣,顾子樵,周述志,赵沛华.近代甲醇合成工艺与合成塔技术(上)[J].化肥设计,2003,41(6):5～10.
[4]唐志斌,王小虎,付超,于新玲.新型低压甲醇合成催化剂XNC-98的工业应用.石化技术与应用,第5期,第23卷.
-38-
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容