煤化工课程设计.docx
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1、课程设计煤化工工艺学设计题目:130万吨/年煤制甲醇合成工段设计学院:石油化工学院学生姓名:学号:专业班级:指导教师:银川能源学院课程设计(煤化工工艺学)评审意见表指导教师评语:第一名小组成员成绩:第二名小组成员成绩:指导教师:年月日课程设计总成第一名小组成员成绩:绩第二名成员小组成绩:课程设计任务书设计题目130万吨/年煤制甲醇合成工段设计学生姓名所在学院石油化工学院专业、年级、班设计要求1、根据设计要求选择煤制甲醇的工艺流程并绘制工艺流程图(合成工段)2、根据设计参数(原料气组成、粗甲醇组成等)进行合成塔的物料衡算、热量衡算3、根据设计参数进行合成塔的设计并绘制合成塔设备简图4、根据设计参
2、数进行水冷器和换热器的设计学生应完成的工作1、根据设计要求选择工艺流程并绘制工艺流程图合成工段)2、根据处理量及产品组成确定各产品收率,作出物料平衡3、根据产品收率,进行合成反响中各物质的消耗和生成量确实定4、根据新鲜气中惰性气体百分数,确定新鲜气、弛放气、循环气的气量,以及入塔气、出塔气、甲符别离器出口气体组成5、根据物料平衡以及各组分比热容和反响生成热,进行合成塔、换热器、水冷器的热量衡算6、根据热量衡算进行合成塔的换热面积、换热管数、直径、壁厚、封头等设计7、根据热量衡算进行水冷器的换热面积、换热管数、直径、壁厚、封头等设计(选作)参考文献1、谢克昌,房鼎业.甲醇工艺学M.北京:化学工业
3、出版社,2010.6.2、候侠、王建强.煤化工生产技术.北京:中国石化出版社,2014.1.3、郭树才.煤化工生产技术.北京:化学工业出版社,2012.工作计划笫1-2天:查阅文献,收集资料,根据设计要求选择煤制甲醇的工艺流程并绘制工艺流程图;第3-4天:根据处理量及产品组成确定各产品收率,作出物料平衡,确定合成反响各物质消耗量和生成量,确定新鲜气、弛放气、循环气的气量,以及入塔气、出塔气、甲醉别离器出口气体组成;第5-6天:根据各组分比热容和反响生成热,进行合成塔、换热器、水冷器的热量衡算;第7-8天:根据热量衡算数据,进行合成塔和水冷器的换热面积、换热管数、直径、壁厚、封头等设计,并绘制合
4、成塔设备装配简图;第9天:整理设计资料,制作PPT,准备辩论;第10天:辩论。任务下达日期:2017年5月22日任务完成日期:2017年6月2日指导教师(签名):学生(签名):130万吨/年煤制甲醇合成塔摘要:甲醇合成塔是甲醇装置的核心设备之一,也是合成工段最关键的设备,合成塔为立式热管壳式型反响器,本设计按照130万吨/年煤制甲醇合成塔工程依照参数进行物料衡算和热量衡算,然后设计出合成塔并绘制工艺流程图。关键词:煤制甲醛;合成塔;工艺设计;工艺流程图。1.1 选题背景11.1.1 设计目的及意义11.1.2 国内外煤制甲醇开展现状11.2 设计技术参数21.3 方案31. 1设计要求32.
5、2设计方案32. 2.1煤制甲醇工艺流程33工艺计算531物料衡算53. 1.1合成塔的物料衡算53.2热量衡算113. 3合成塔的设计143. 3.1换热管数确实定153. 3.2合成塔直径153. 3.3合成塔壁厚设计153. 3.4壳体设计液压强度校核163. 3.5合成塔封头设计164. 3.6折流板和管板的选择设计173.4水冷器设计173. 4.1换热面积确实定174. 4.2换热管数175. 4.3水冷器壁厚设计176. 4.4壳体设计液压强度校核177. 4.5水冷器封头设计188. 4.6折流板和管板的选择及设计184设计结果185致谢196参考文献191设计背景1.1 选题
6、背景我国是煤炭资源丰富的国家然而在煤炭生产、使用和运输过程中也给环境带来了诸多危害。为减少煤炭对环境造成的负面影响采用合理的生产工艺是非常必要的。煤电联产是一条途径洁净煤技术和煤化工技术也为人们日益关注。本世纪世界煤化工开展的主流方向是开展煤炭洁净利用技术它包括气化技术、合成燃料技术(包括醇燃料和燃燃料)及多联产工艺技术等。其中采用煤制甲醇技术较为成熟有较好的开展前景而且随着甲醇下游工艺的研究不断深入如由甲醇制备低碳烯烧工艺等市场对甲醇的需求必将越来越多该工艺的生产能力也会逐渐提高。1.1.1 设计目的及意义由于我国石油资源短缺,能源平安已经成为不可回避的现实问题,寻找替代能源已经成为我国以及
7、全世界开展的关键,甲醇作为石油补充一斤成为现实,开展甲醇工业对我国经济开展具有战略意义。煤在世界化石能源储存中占有很大的比重,而煤制甲醇合成技术更加成熟。本设计遵循“工艺先进、技术可靠、配置科学、平安环保”的环保的原那么。通过设计可以稳固、深化、和扩大所学的根本知识,培养分析解决问题的能力,还可以培养创新精神,树立良好的学术思想和工作作风。通过完成设计,可以知道甲醵的一些应用,根本掌握煤制甲醇的工艺流程,了解甲醇工业的开展趋势。1.1.2 国内外煤制甲醇开展现状我国自86年就开发了低压甲醇合成和精储技术,目前国内广泛采用的管壳式副产蒸汽合成塔和两塔精储就源于该开发,后又推广了“U”形冷管合成塔
8、精储也从两塔开展到三塔,既可生产GB338-2004优等品精甲醇,又可生产美国0-M-232KAA级精甲醇,含醇污水的处理工艺已取得突破性进展,污水处理后可回收利用,故甲醇装置在正常生产时实现了无含醇污水排放。甲醛的大规模的工业化生产是从20世纪20年代高压法合成甲醵的工业化实现开始的。1913年,德国BASF在其高压合成氨的实验装置上进行了一氧化碳和氢合成含氧化合物的研究,于1923年在德国Leuna建成了世界世界上第一座年产3000t合成甲醇的生产装置,并成功投资。英国I.C.I和德国Lurgi公司分别成功地研制出中低压甲醇合成催化剂,降低了反响的压力促进甲醇生产的高速开展。1966年,
9、I.C.I公司使用了Cu-Zn-Al氧化物催化剂成功的实现了压力为5MPa的Co和氢气的合成工艺该过程称为LC.I低压法。1972年I.C.I公司又成功地实现了IOMPa地中压甲醇合成工艺。到2010年,世界各国甲醇生产能力约为6400万吨,预计到2015年世界各国甲醇总的生产能力将到达7200万吨,而采用I.C.I技术生产甲醇年产生产能力约占世界总甲醇量的50%以上,装置规模为年产(5.0-82.5)万吨;采用Lurgi低压法已经建成和正在建设甲醇生产装置能力到达600万吨。1.2设计技术参数1、处理量:130万吨/年2、开工时间:按开工330天/年计3、通过精储,精甲醇的纯度可到达99.9
10、符合精甲醇国家一级标准。二塔精储工艺中甲醇的收率达93.89%o4、合成反响的工艺参数:根据某化学公司甲醇合成装置数据,人塔气温度为225,出塔气温度为255,反响温度240-260,甲醇合成压力为5MPa。工业生产中测得低压时,每生产一吨粗甲醇就会产生1.52i113(标况),即0.068kmol的甲烷。根据测定,40C时液态甲醇中释放CO、CO2、H2等混合气中每立方米含37.14g甲醇。新鲜气(合成气)中惰性气体(N2+Ar+CHJ百分比保持在0.41%;合成塔出塔气甲醇含量为5.84%0表IT粗甲醇组分质量百分数组成CH3OH(CH3)2OC4H9OHH2O含量/%92.990.1
11、980.0286.784表1-2每吨粗甲醇中合成气溶解情况组分H2CCO2N2ArCH4溶解量INm3/t粗甲醇)4.3640.8157.7800.3650.2431.680表1-3驰放气组成气体CH5OHH2COCO2N2ArCH4Mol%0.6178.316.293.513.192305.79表1-4新鲜气(合成气)组成气体CH4H2COCO2N2Ar组成0.0567.9928.453.080.2510.1792设计方案2.1设计要求以设计任务书为根底,适应我国甲醇工业开展的需要。加强理论联系实际,扩大知识面;培养独立思考、独立工作的能力。整个设计应贯彻节省基建投资,充分重视技术进步,降低
12、工程造价,节能环保等思想,设计生产高质量甲醇产品。2.2设计方案2.2.1煤制甲醇工艺流程1.气化a)煤浆制备煤浆制备由煤运系统送来的原料煤干基(mCO+(n2-r)H2+rH2SCO+H2OH2+CO2反响在6.5MPa、13501400C下进行。气化反响在气化炉反响段瞬间完亦生成CO、H2、Co2、H2O和少量CH八H2S等气体。离开气化炉反响段的热气体和熔渣进入激冷室水浴,被水淬冷后温度降低并被水蒸汽饱和后出气化炉;气体经文丘里洗涤器、碳洗塔洗涤除尘冷却后送至变换工段。气化炉反响中生成的熔渣进入激冷室水浴后被别离出来,排入锁斗,定时排入渣池,由扒渣机捞出后装车外运。气化炉及碳洗塔等排出的
13、洗涤水(称为黑水)送往灰水处理。c)灰水处理本工段将气化来的黑水进行渣水别离,处理后的水循环使用。从气化炉和碳洗塔排出的高温黑水分别进入各自的高压闪蒸器,经高压闪蒸浓缩后的黑水混合,经低压、两级真空闪蒸被浓缩后进入澄清槽,水中参加絮凝剂使其加速沉淀。澄清槽底部的细渣浆经泵抽出送往过滤机给料槽,经由过滤机给料泵加压后送至真空过滤机脱水,渣饼由汽车拉出厂外。闪蒸出的高压气体经过灰水加热器回收热量之后,通过气液别离器别离掉冷凝液,然后进入变换工段汽提塔。闪蒸出的低压气体直接送至洗涤塔给料槽,澄清槽上部清水溢流至灰水槽,由灰水泵分别送至洗涤塔给料槽、气化锁斗、磨煤水槽,少量灰水作为废水排往废水处理。洗
14、涤塔给料槽的水经给料泵加压后与高压闪蒸器排出的高温气体换热后送碳洗塔循环使用。变换,在本工段将气体中的CO局部变换成H2。2 .变换在本工段将气体中的CO局部变换成CO2o本工段的化学反响式变换方程式是:CoH汨H2+C0203 .低温甲醇洗本工段采用低温甲醇洗工艺除变换气中Co2、全部硫化物、出0和其他的杂质。4 .甲醇的合成以及精偏3工艺计算3.1 物料衡算3.1.1 合成塔的物料衡算1 .粗甲醇产量计算设计产量:精甲醛130万吨/年开工时间:330天/年通过精储,精甲醇的纯度可到达99.9%,符合精甲醇国家一级标准。精储工艺中甲醇的收率达93.89%粗甲醇总产量(ta)粗甲醇产量(ta)
15、二粗甲醇(ta)纯度收率130000099.9%=13836532H493.86%表3-1粗甲醇组分质量百分数组分CH3OH(CH3)2OC4H9OHH2O含量/%92.990.1980.0286.784摩尔质量g/mol32467418工业生产中测得低压时,每生产一吨粗甲醇就会产生L52(标况),即0.068kmol的甲烷。故CE每小时产量为:1383656.5x1000x0.00198)c山木。八十由4寸帆楼Rn,r1C=7.52kmolh表3-2合成反响中生成物情况%)2。3302446组成CH3OH(CHs)2OCsHgHH2OCH4含量/%92.990.1980.0286.784产
16、量kgh162457.6345.9248.8411851.2190.08产量kmolh5076.87.520.66658.411.882 .合成反响中各气体消耗和生成量由于合成反响中甲醇主要由一氧化碳合成,二氧化碳主要发生逆变反响生成一氧化碳,且入塔气中二氧化碳的含量一般不超过5%,所以计算中忽略反响(3-2)表3-3合成反响中各物质的消耗和生成情况消耗原料气组分kmolh生成生成物kmolCOCO2H2H2OCH4反响1-15076.810153.6反响1-315.0430.087.52反响1-411.8835.6411.8811.88反响1-52.645.281.98反响1-6(-636.
17、85)636.85636.85636.85注:反响1-1项不包括扩散甲醵和弛放气中甲醇消耗的原料气量表3-4每吨粗甲醇中合成气溶解情况组分H2COC02N2ArCH4溶解量(Nm3t4.3640.8157.7800.3650.2431.680粗甲醇)表3-5每吨粗甲醇中合成气溶解情况组分H2COCO2N2ArCH4溶解量(Nm7t) 4.3640.8157.7800.3650.2431.680溶解量(kmolh)34.06.3660.662.851.9013.10根据测定,40时液态甲醇中释放CO、CO2、H2等混合气中每立方米含EqEa(NH + Nro + Nrn +N + NAr + N
18、ch )*22.4 * 37.14损失甲醇(kmol/h) = -空安-匈37.14g甲醇,假定溶解气全部释放,那么甲醇扩散损失为:IoOo*32(34+6.36+6.07+2.85+1.90+13.10)*22.4*37.141000*32=3.Ikmol/h查甲醇工艺学,驰放气组成如下表3-6驰放气组成组分CH3OHH2COCO2N2ArCH4Mol%0.6178.316.293.513.192.305.79消耗项H2CO消耗原料气组分CH&CO2N2Ar粗甲醇中溶34.06.366.072.851.913.1解扩散的甲醉6.23.1-驰放气0.7831G0.0629G0.0351G0.0
19、319G0.023G0.0579G驰放气中甲0.0122G0.0061G-醇反响1-110153.65076.8-反响1-330.0815.04-反响1-435.6411.88-反响1-55.282.64-反响1-6636.85636.85636.85-10898.45+0.794477.36+0.0697.51+0.0352.85+0.0311.9+0.02313.1+0.057合计53G69GIG9GG9G新鲜气(合成气)中惰性气体(N2+Ar+CH4)百分比保持在0.41%,反响过程中惰性气体的量保持不变,(N2+Ar+CH4)=17.85+0.1128G,那么表3-8驰放气组成气体CH
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