年产20万吨煤制甲醇生产工艺初步设计
2.5.1 冷激式绝热反应器
这类反应器把反应床层分为若干绝热段，段间直接加入冷的原料气使反应气体冷却，故称之为冷激式绝热反应器。图11-5是冷激式绝热反应器的结构示意图，反应器主要由塔体、气体喷头、气体进出口、催化剂装卸口等组成。催化剂由惰性材料支撑，分成数段。反应气体由上部进入反应器，冷激气在段间经喷嘴喷入，喷嘴分布于反应器的整个截面上，以便冷激气与反应气混合均匀。混合后的温度正好是反应温度低限，混合气进入下一段床层进行反应。段中进行的反应为绝热反应，释放的反应热使反应气体温度升高，但未超过反应温度高限，于下一段间再与冷激气混合降温后进人再下一段床层进行反应。
冷激式绝热反应器在反应过程中流量不断增大，各段反应条件略有差异，气体的组成和空速都不一样。
这类反应器的特点是:结构简单，催化装填方便，生产能力大，但要有效控制反应温度，避免过热现象发生，冷激气体和反应气体的混合及均匀分布是关键。冷激式绝热反应器的温度分布如图11-6所示。
喷嘴
T/℃
0 1 2 3 4 图
催化剂床层 图11-6 冷激式反应器温度分布
11-5 冷激式绝热反应器结构示
意图
20
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2.5.2 列管式等温反应器
该类反应类似于列管式换热器，其结构如图11-7所示。催化剂装填于列管中，壳程走冷却水 (锅炉给水)。反应热由管外锅炉给水带走，同时
气体出口
低压法合成甲醇 图11-7
列管式等温反应器
产生高压蒸汽。通过对蒸汽压力的调节，可以方便地控制反应器内反应温度，使其沿管长温度几乎不变，避免了催化剂的过热延长了催化剂的使用寿命。
列管式等温反应器的优点是温度易于控制，单程转化率较高，循环气量小，能量利用较经济，反应器生产能力大，设备结构紧凑。
2.5.3 反应器材料
合成气中含有氢和一氧化碳，氢气在高温下会和钢材发生脱碳反应(即氢分子扩散到金属内部，和金属材料中的碳发生反应生成甲烷逸出的现象)，会大大降低钢材的性能。一氧化碳在高温高压下易和铁发生作用生成五碳基铁，引起设备的腐蚀，对催化剂也有一定的破坏作用。因此，反应器材质要求有抗氢蚀和抗一氧化碳腐蚀的能力。为防止反应器被腐蚀，保护反应器机械强度，一般采用在反应器内壁衬铜，铜中还含有1.5%～2%锰，但衬铜的缺点是在加压膨胀时会产生裂缝。当一氧化碳分压超过3.0Mpa时，必须采用耐腐蚀的特种不锈钢(如lCrl8Nil8Ti)加工制造。
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第三章 工艺计算
3.1物料衡算
入塔气新鲜气弛放气出分离器气体循环气粗甲醇出塔气图10 合成物料流程图
合成塔中发生的反应：
主反应 CO+2H2=CH3OH （1）
CO2+3H2=CH3OH +H2O （2）
副反应 2CO+4H2=（CH3O）2+H2O （3） CO+3H2=CH4+H2O （4）
4CO+8H2=C4H9OH+3H2O （5） 8CO+17H2=C18H18+8H2O （6）
CO2+H2=CO+H2O （7）
工业生产中测得低压时，每生产一吨粗甲醇就会产生1.52 m3（标态）的甲烷，即设计中每小时甲烷产量为1.90 kmol/h ，42.38m3/h。
由于甲醇入塔气中水含量很少，忽略入塔气带入的水。由反应（3）、（4）、（5）、（6）得出反应（2）、（7）生成的水分为；
86.72－1.90－2.54－0.98×3－0.78×8 =73.06 kmol/h
由于合成反应中甲醇主要由一氧化碳合成，二氧化碳主要发生逆变反应生成一氧化碳，且入塔气中二氧化碳的含量一般不超过5%，所以计算中忽略反应（2）。则反应（7）
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中二氧化碳生成了73.06 kmol/h，即1636.54 m3/h的水和一氧化碳。
3.2 热量衡算
（1）计算任务：合成塔的热平衡计算
全塔热平衡方程式为：∑Q1 + ∑Qr = ∑Q2 + ∑Q3+ Q （1） 式中： Q1——入塔气各气体组分焓，kJ/h；
Qr ——合成反应和副反应的反应热，kJ/h； Q2 —— 出塔气各气体组分焓，kJ/h； Q3 ——合成塔热损失，kJ/h； Q——沸腾水吸收热量，kJ/h。
∑Q1=∑（G1×Cm1×Tm1） （2） 式中：G1——入塔气各组分流量，m3/h；
Cm1 ——入塔各组分的比热容，kJ/（m3.k）； Tm1——入塔气体温度，k；
∑Q2=∑（G2×Cm2×Tm2） （3）
式中：G2——出塔气各组分流量m3/h；
Cm2 ——出塔各组分的热容，kJ/（m3.k）； Tm2—— 出塔气体温度，k；
∑Qr= Qr1 +Qr2 +Qr3+ Qr4+ Qr5 +Qr6+ Qr7 （4）
式中：Qr1、Qr2 、Qr3、 Qr4、 Qr5 、Qr6、——分别为甲醇、二甲醚、异丁醇、甲烷、
辛烷的生成热，kJ/h；
Qr7——二氧化碳逆变反应的反应热，kJ/h
Qr=Gr×△H （5） 式中：Gr——各组分生成量，kmol/h；
△ H——生成反应的热量变化，kJ/mol （2）入塔热量计算
通过计算可以得到5.14Mpa，225℃时各入塔气气体的热容，根据入塔气各气体组
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分量，算的甲醇合成塔入塔热量如下表：
表24 甲醇合成塔入塔热量
气体 CH3OH H 2 CO CO2 N2 Ar CH4
热容kJ/（kmol.k） 67.04 29.54 29.88 44.18 29.47 25.16 46.82
气量kmol /h 8.88 12318.08 1896.64 493.24 424.14 108.54 249.66
入塔热量kJ/（h.k） 595.32 363876.08 56673.92 21791.34 12499.40 2731.86 11689.08
入塔热量合计为479856.00 kJ/（h.k）
所以 ∑Q1=479856.00×498.15=234058766.40 kJ/h （3）塔内反应热的计算
忽略甲醇合成塔中的反应(2)生成的热量，按反应(1) (3) (4) (5) (6) (7)生成的热量如下表:
表25 甲醇合成塔内反应热
气体 CH3OH ( CH3 )2O C4H9OH C8H18 CO
生成热kJ/mol 102.37 49.62 200.39 957.98 115.69 －42.92
生成量kmol /h 813.50 2.54 0.98 0.76 86.72 73.04
反应热kJ/h 83277995.00 126034.80 196382.20 747224.40 10032636.80 －3135735.20
反应热合计=91244538.00 kJ/h （4） 塔出口气体总热量计算
表26 甲醇合成塔出塔气体组分热容和热量
气体 H
2
CH4
CO CO2 N2 Ar
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