煤制甲醇工藝中甲醇合成塔的設計研究

韓學琴

（同煤廣發化學工業有限公司,山西 大同 037000）

引 言

甲醇合成反應器,即為甲醇合成塔。它是甲醇制作裝置的核心設備之一,也是甲醇合成中的關鍵環節。甲醇合成塔為立式絕熱體,內部儲存甲醇催化劑。本文針對25wt/年的焦爐氣體制造甲醇項目進行壓力、溫度、體積等方面的探討,確定甲醇合成塔的具體設計。

1 甲醇工業的發展現狀

甲醇在我國有機合成工業中,處于第四位。其被廣泛運用在農藥、醫學等工業中。因此,甲醇化工已經成為一個非常重要的領域［1］。英國化學家在1660年,發現了甲醇。而德國BASF公司,在1920年時,通過高壓條件進行了對甲醇的提取。直到1966年,英國ICI公司開發了低壓甲醇合成法。我國于1954年,開展甲醇工業。直到19世紀50年代,我國在吉林等地建立了生產甲醇的裝置。19世紀60年代,我國更新了甲醇生產方法。19世紀90年代,我國甲醇生產裝飾順利投產。20世紀初期,我國焦爐制造甲醇裝置得到了更新。隨著甲醇市場的不斷擴大,甲醇制造工業和工業也在不斷發展,其中甲醇合成塔作為甲醇合成環節中重要的因素,一直被人們所關注著。

2 甲醇合成工藝

煤炭合成工藝中,可以按照壓力將其劃分為三個種類,高壓、中壓和低壓。高壓合成法是借助催化劑鋅鉻,對甲醇進行合成。這種合成方法不僅成本高,且其產出質量不能達到預期的效果。因此在當前的煤制甲醇工藝中,已經不再使用。而低壓合成法是通過銅鋅基催化劑對煤制甲醇進行合成,因其具備程序簡單,能量消耗少的特點,成為當前主要的甲醇合成方法。因此,在煤制甲醇工藝中,選用立式催化反應器。并在管內填充銅鋅基催化劑,從而促進煤制甲醇在5MPa,230℃的環境下,合成一氧化碳、二氧化碳和氫氣［2］。根據相關要求,甲醇合成塔需要選用固定催化反應器進行合成催化。將合成氣管內填充NC305銅鋅基作催化劑。當合成的氣體從塔頂部進入床層后,在5MPa,230℃的環境下,將一氧化碳、二氧化碳和氫氣進行合成。從而獲取甲醇和水,以及其他雜質。在反應發生的過程中,需要運用流動水將熱能運輸走。從合成塔出來之后的氣體與溫度較低的氣體進行交換,從而得到冷卻,使得甲醇液化。再通過分離器,將粗甲醇分離出來。通過這種反應,可以獲得甲醇。在整個合成過程中,屬于劇烈的化學反應。在這個合成工藝中,其在低壓和銅鋅基催化劑作用下發生的化學反應見式（1）～式（2）：

3 甲醇合成塔工藝

甲醇合成塔是甲醇生產的核心設備,應嚴格控制其結構和材料。傳統的甲醇合成塔反應管是通過固定的方式放置在上下管板上,再將上下管板焊接在合成塔殼體上。這種方式會使反應管與管板連接口產生溫差,引起反應管破裂,從而造成泄露,產生安全事故。因此,在甲醇合成塔設計中,應該注重對其相關數據的把握,從而增加其性能,保證甲醇合成塔的安全性。

3.1 計算合成塔物性系數

甲醇在合成的過程中,處于吸熱的狀態。所以要使甲醇發生反應,就可以將溫度設定在260℃。則在此溫度下的物性參數［3］如下。

水的汽化熱為27 341J/mol,熱導率為0.732 W/（m·k）,比熱容為4.931kJ/（kg·k）。合成氣的密度為6.538kg/m3,比熱容為4.638kJ/（kg·k）,熱導率為0.297 3W/（m·k）。

3.2 計算氣體積

在本次設計中,采用兩套設備進行生產。其中,兩套設備生產任務共為25wt。設定生產時間為350d,按照甲醇95%的回收率,計算氣體積流量qm：

由此可以得出q＝570kmol/h。根據氣體狀態方程,可以計算出在5MPa,230℃的摩爾流量為Vm＝0.73L/mol,其 混 合 氣 體 流 量 為qv＝8 354.7m3/h。

3.3 計算氣熱量

甲醇合成中,反應熱量與溫度的關系。

則合成中,產生的熱量為：

因此,爐內水需要降低16 945.13kW的熱量。

3.4 計算沸騰水

根據該設計,可以算出出口氣化率為Xe＝0.021,則循環水流量qm見式（1）：

3.5 估算換熱面積

確定溫差為：

設定傳熱系數為K＝593W/m2·k,則傳熱面積AP見式（2）：

3.6 確定管參數

在本次設計中,選用無縫鋼管,其規格為35×3mm。將其管長設定為3 800mm,并選用單管程。則傳熱管數目確定為見式（3）：

3.7 確定殼體

根據合成塔內部結果,則可以計算出殼內直徑見式（4）～式（6）：

則可以得出a＝25,b＝51,鋼管采用雙相不透剛換熱管,t＝45mm,D＝2 731mm,則D應該取2 500mm,則氣體流速為見式（7）：

3.8 確定內流板和接管

在煤制甲醇的殼內設計中,為了保證其傳熱效率,需要將內折流板設計成弓形,并將其高度數值確定在殼體直徑的四分之一左右,則可以確定高度h為：h＝700mm；折流板間距為800mm,數量為4個。按照合成塔殼子流體設計,可以確定接管規格,并設定水流速為2.3m/s,則接管直徑為式（8）：

根據上述公式,可以確定管接口流速為15m/s,則管接口直徑D2見式（9）：

則根據上述結果,確定規格為450mm×20mm。

4 塔體工藝設計計算

通過塔體的設計,可以有效避免泄露現象的產生,從而減少安全危險系數。因此,甲醇反應塔的設計離不開對其塔體的設計計算。

4.1 計算傳熱參數

根據廣外傳熱公式,可以得知管外傳熱系數為421.3W/（m2·K）,而管內傳熱系數為157.5W/（m2·K）,則可以算出總傳熱系數見式（10）：

可以得出KC＝691.7W/（m2·℃）。

4.2 計算傳熱面積

在傳熱面積計算中,Ac＝731.5m2,則實際傳熱為A實1 013.1m2,可以求得適宜面積H為式（11）：

4.3 計算催化劑

在本次合成塔設計的11 000h－1為空氣速,則氣量為273 153.41m3/h,所以催化劑劑量應該為：

5 結語

本文對25wt/年的甲醇合成塔進行工藝分析,從而為其他合成塔設備的設計提供了理論支持,這不僅能夠推動煤制甲醇工藝的進步,還能夠保證甲醇合成塔的實用性。在本文的甲醇合成塔設備工藝計算中,輔助運用anspen進行計算,其不僅能夠精確數值,還能夠保證計算準確性。

參考文獻：

［1］ 姜浩.煤制甲醇工藝甲醇合成塔的工藝設計探討［J］.石油和化工設備,2014,41（2）：24－26.

［2］ 王建輝,王林.年產50萬噸煤制甲醇裝置工藝優化與技術改進［J］.大氮肥,2016,39（6）：386－388.

［3］ 朱建力.煤制甲醇合成工藝設備的選型分析［J］.山西化工,2016,36（6）：93－94.