煤制甲醇工藝甲醇合成塔的工藝設計探討

楊建軍+楊秦冬

摘要：近年來，隨著甲醇下屬產品的開發，特別是甲醇燃料的推廣應用，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，是碳化學的基礎產品，在國民經濟中占有十分重要的地位。為了保證甲醇產品規格與數量能夠滿足社會需求，對其合成塔工藝設計進行討論，對提高甲醇合成工藝水平有著重要意義。基于此，文章主要對甲醇合成塔工藝設計進行分析與研究，以期能夠為煤制甲醇合成反應的順利開展奠定堅實的基礎。

關鍵詞：煤制甲醇工藝；甲醇合成塔；工藝設計

引言

隨著現代化工科技的發展，化工生產中甲醇合成工藝也有了很大的進步。甲醇是日常的生產生活中較為重要的化工原料，比如在生產塑料、染料研制、醫藥配制等很多的方面，甲醇的需求量以及使用量都非常大。現代的化工生產中甲醇的研發主要還是將煤為反應的原料，煤制甲醇這種工藝是化工生產廠家最為常用的方法，同時也對這種工藝進行了不斷的改良和創新，很多更加優質的甲醇產品以及產出工藝率也在不斷進步。因此，對煤制甲醇工藝甲醇合成塔的工藝設計進行研究，對甲醇合成工藝技術的發展有著重要意義。

1、甲醇合成工藝概述

1.1合成甲醇的方法

目前，我國工業生產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

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行化學吸附，其中CO在Cu2+上吸附，H2在Zn2+上吸附并異裂；表面反應——化學吸附的反應物在活性表面上進行反應，生成產物；解析——反應產物脫附；擴散——反應產物氣體自催化劑界面擴散到氣相中去。其主要的化學反應如下所示：

2、煤制甲醇工藝甲醇合成塔的工藝設計

2.1甲醇合成塔物性參數的確定

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，可利用列管式反應器殼層的沸水進行供熱，保證一氧化碳與氫氣在發生反應過程中能夠有較高的反應速率，在沸騰水溫度設定值為270℃時，其物性參數如下：

水的汽化熱γ0=28855J/mol、黏度η0=0.010ps.s、熱導率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計過程中，需要了解能夠影響其反應溫度的因素，然后對其進行改造，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，導致合成氣快速進入，在催化劑表層發生合成反應，進而生成大量熱，且無法及時移出，使得床層超溫；第二，氣體構成成分對合成塔床層溫度的影響。系統進行負荷調整時，新入氣體中CO2含量不穩，時高時低，當其含量較低時CO與H2反應加劇，引起催化劑床層溫度過高；第三，合成塔內惰性氣體體積分數控制過低（低于8%），使得催化劑在初期反應時活性較大，導致反應劇烈，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計中，塔內的管束可以采用同心圓進行排列，其殼體內徑按下列方法進行計算：

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

，代入數據可得到：

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

2.4殼體內折流板和接管的確定

為了提高換熱管的傳熱效率，殼程應設置折流板，型式采用弓形折流板，為防止形成換熱死區，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N13為3.4，取 為5，調整折柳板間距為800mm。確定合成塔殼程流體進出口接管規格。設定管內水的流速為u1=2.5m/s，則接管內徑尺寸D1為： ，代入數據可得D1=0.273m。管程流體進出管接口流速u2=17m/s，則接管內徑 代入數據可得D2=0.439m。

2.5傳熱系數的計算

管外傳熱系數α0的確定：

，代入相應的數據可得，α0=415.5w/（m2·k）。

管內表面傳熱系數α1，αi=0.023 ，代入相應的數據可得：α1=160.3W/（m2·k），則總傳質系數Kc計算公式如下：

，得到Kc為707.06W（m2·℃）

結束語：

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

參考文獻：

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