【正文】 。在不同的催化劑存在下，選用不同的工藝條件可單產(chǎn)甲醇（分高、中、低壓法），或與合成氨聯(lián) 產(chǎn)甲醇（聯(lián)醇法）。將合成后的粗甲醇經(jīng)預精鎦脫除甲醚， 再精鎦而得 成品甲醇。 自 1923 年開始工業(yè)化生產(chǎn)以來，甲醇合成的原料路線經(jīng)歷了很大變化。 20世紀50 年代以前多以煤和焦碳為原料； 50年代以后，以天然氣為原料的甲醇生產(chǎn)流程被廣泛應(yīng)用；進入 60 年代以來，以重油為原料的甲醇裝置有所發(fā)展。對于我國，從資源背景看，煤炭儲量遠大于石油、天然氣儲量，隨著石油資源緊缺、油價上漲，因此在大年產(chǎn) 20 萬噸煤制甲醇生產(chǎn)工藝初步設(shè)計 7 力發(fā)展煤炭潔凈利用技術(shù)的背景下，在很長一段時間內(nèi)煤是我國甲醇生產(chǎn)最重要的原料 ［ 4］ 。 設(shè)計的目的和意義 由于我國石油資源短缺 ，能源 安全已經(jīng)成為不可回避的現(xiàn)實問題 ，尋求替代能源已成為我國經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵。甲醇作為石油的補充已成為現(xiàn)實，發(fā)展甲醇工業(yè)對我國經(jīng)濟發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。煤在世界化石能源儲量中占有很大比重（我國情況更是如此），而且煤制甲醇的合成技術(shù)很成熟。隨著石油和天然氣價格的迅速上漲，煤制甲醇更加具有優(yōu)勢。本設(shè)計遵循“工藝先進、技術(shù)可靠、配置科學、安全環(huán)?！钡脑瓌t；結(jié)合甲醇的性質(zhì)特征設(shè)計一座年產(chǎn) 20 萬噸煤制甲醇的生產(chǎn)車間。 通過設(shè)計 可以 鞏固、深化和擴大所學基本知識， 培養(yǎng) 分析解決問題的能力 ；還可以培養(yǎng)創(chuàng)新 精神 ， 樹立良好的學術(shù)思想和 工作作風。通過完成設(shè)計，可以知道甲醇的用途；基本掌握煤制甲醇的生產(chǎn)工藝；了解國內(nèi)外甲醇工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀；以及甲醇工業(yè)的發(fā)展趨勢。 設(shè)計的依據(jù) 海南大學 材料與化工 學院 2021 屆 畢業(yè)設(shè)計選題 《 年產(chǎn) 20萬噸煤制甲醇生產(chǎn)工藝初步設(shè)計 》 任務(wù)書，見附件。 設(shè)計的基礎(chǔ)資料 （ 1） 工藝流程 資料 參閱某化學工程公司的甲醇合成廠的工藝流程資料和參考由 房鼎業(yè) 主編的 《甲醇工學》。 （ 2） 合成工段的工藝參數(shù) 參閱某化學工程公司的甲醇合成廠的工藝參數(shù)資料。具體數(shù)據(jù)為入塔壓力，出塔壓力 MPa，副產(chǎn)蒸汽壓力 MPa，入塔溫度 225℃，出塔溫度 255℃。 設(shè)計的指導思想 以設(shè)計任務(wù)書為基礎(chǔ)，適應(yīng)我國 甲醇 工業(yè)發(fā)展的需要。加強理論聯(lián)系實際，擴大知識面；培養(yǎng)獨立思考、獨立工作的能力。整個設(shè)計應(yīng)貫徹節(jié)省基建投資，充分重視技術(shù)進步，降低工程造價， 節(jié)能環(huán)保 等 思想 ， 設(shè)計 生產(chǎn)高質(zhì)量甲醇產(chǎn)品。 年產(chǎn) 20 萬噸煤制甲醇生產(chǎn)工藝初步設(shè)計 8 設(shè)計的范圍﹑裝置組成及建設(shè)規(guī)模 設(shè)計的范圍 （ 1） 年產(chǎn) 20 萬 噸甲醇生產(chǎn)工藝流程的設(shè)計 （ 2） 物料衡算、熱量衡算 （ 3） 主要生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計 計算與 選型 （ 4）環(huán)保措施 （ 5）編寫設(shè)計說明書 （ 6）繪制 設(shè)計圖 紙 設(shè)計重點： 工藝流程的設(shè)計 ，工藝計算，合成塔設(shè)計計算與選型 生產(chǎn)和輔助車間設(shè)置 (1)設(shè)生產(chǎn)車間 4 個 煤氣化車間：包括原料煤的貯存、備煤加工處理、粉煤氣化和空分。 凈化車間：包括脫硫（常壓粗煤氣脫硫、變換氣脫硫）、一氧化碳變換、脫二氧化碳及精脫硫。 合成車間：包括壓縮、甲醇合成 。 精餾車間：甲醇精餾和 甲醇貯罐區(qū) 。 動力車間：包括全廠供排水、鍋爐供熱、軟水脫鹽水、供電。 (2)設(shè)輔助車間 3 個 機修車間：包括機修、電儀修理。 綜合樓：包括中心化驗室、質(zhì)量檢驗、安全環(huán)保。 綜合倉庫 建設(shè)規(guī)模 生產(chǎn)能力 ： 年產(chǎn) 20 萬 噸甲醇，年開工日為 330 天，日產(chǎn)為 噸 ，建設(shè)期 2 年。 工作制度 ： 合成車間日工作小時為 24 小時，每日 3 班輪流替換，每班 8 小時連續(xù)生產(chǎn)，共 4個班。 年產(chǎn) 20 萬噸煤制甲醇生產(chǎn)工藝初步設(shè)計 9 廠址選擇 該廠建設(shè)在某煤礦附近，計劃占地約 140 畝 ；廠房基建部分由某工程設(shè)計院設(shè)計。 原料煤規(guī)格 原料煤的元素 分析為： C %； H % ； O %； N % ； S（ 可燃 ） %；S（不 可 燃） %； Cl/（ mg/kg） 229； F/（ mg/kg） 104； Na/（ mg/kg） 2180；K/（ mg/kg） 292 。 產(chǎn)品質(zhì)量標準 本產(chǎn)品（精甲醇）執(zhí)行國家 《 GB338— 92》 標準，具體指標見 下表 表 1 甲醇《 GB338— 92》 項 目 指標 優(yōu)等品 一等品 合格品 色度（鉑 — 鈷），號 ≤ 5 10 密度（ 200C）， g/cm3 ～ ～ 溫度 范圍 (0℃ ,101325Pa)， ℃ 沸程（包括 177。 ） ， ℃ ≤ 高錳 酸鉀試驗， min ≥ 50 30 20 水溶性試驗 澄清 水分含量， % ≤ 酸度（以 HCOOH 計）， % ≤ 或堿度（以 NH3計）， % ≤ 羰基化合物含量（以 CH2O 計）， % ≤ 蒸發(fā)殘渣含量， % ≤ 2 工藝 流程設(shè)計 圖 1 煤制甲醇的簡單工藝流程 首先是采用 GSP 氣化工藝將原料煤氣化為合成氣；然后通過變換和 NHD 脫硫脫甲醇合成 合成氣凈化 煤制合成氣 甲醇精餾 年產(chǎn) 20 萬噸煤制甲醇生產(chǎn)工藝初步設(shè)計 10 碳工藝將合成氣轉(zhuǎn)化為滿足甲醇合成條件的原料氣；第三步就是甲醇的合成，將原料氣加壓到 ，加溫到 225℃ 后輸入列管式等溫反應(yīng)器，在 XNC98 型 催化劑的作用下 合成 甲醇，生成的粗甲醇送入精餾塔精餾，得到精甲醇。然后利用三塔精餾工藝將粗甲醇精制得到精甲醇。 煤氣化技術(shù)路線的選擇 煤氣化技術(shù) 按氣化反應(yīng)器的形式，氣化工藝可分為移動床（固定床）、流化床、氣流床 三 種。 移動床 氣化 采用一定粒度范圍的碎煤（ 5mm～ 50mm）為原料，與氣化劑逆流接觸，爐內(nèi)溫度分布曲線出現(xiàn)最高點，反應(yīng)殘渣從爐底排出，生成氣中含有可觀量的揮發(fā)氣。典型的氣化爐為魯奇 （ Lurgi） 爐。 移動床氣化，是目前世界上用于生產(chǎn)合成氣的主要方法之一。 在大型煤制甲醇的裝置中，固定床的優(yōu)點是投資 低 ，可是它有很多不足： （ 1）對原料煤的黏結(jié)性有一定有一定要求：（ 2） 氣化強度低 ：（ 3）環(huán)境污染負荷大，治理較麻煩。 流化 床 氣化 采用一定粒度分布的細粒煤（ ＜ 10mm）為原料，吹入爐內(nèi)的氣化劑使煤粒呈連續(xù)隨機運動的流化狀態(tài)， 床 層中的混合和傳熱 都 很快。所以氣體組成和溫度均勻，解決了固定床氣化需用煤的限制。生成的煤氣基本不含焦油，但飛灰量很大。發(fā)展較早且比較成熟的是常壓溫克 （ Winkler） 爐。 它的缺點是： （ 1） 在常壓或接近于常壓下生產(chǎn)，生產(chǎn)強度低、能耗高、碳轉(zhuǎn)化率只有 88%～ 90%。（ 2）對煤的氣化活性要求高，僅適合于氣化褐煤和高活性的煙煤。（ 3）缺少 大型使用經(jīng)驗； 要在大型甲醇裝置中推廣，受一定限制。 氣流床氣化 氣流床采用粉煤為原料，反應(yīng)溫度高，灰分是熔融狀態(tài)。 典型代表為GSP,Shell,Texaco 氣流床氣化工藝 。 氣流床氣化 優(yōu)點 很多，它是針對流化床的不足開發(fā)的。氣流床 氣化具有以下特點 ［ 5］ ： (1)采用 。 (2)氣化溫度達 1 400～ 1 600℃ ，對環(huán)保很有利，沒有酚、焦油，有機硫很少，且硫年產(chǎn) 20 萬噸煤制甲醇生產(chǎn)工藝初步設(shè)計 11 形態(tài)單一 。 (3)氣化壓力可達 ～ ， 可大大節(jié)省合成氣的壓縮功 。 (4)碳轉(zhuǎn)化率高，均大于 90%，能耗低 。 (5)氣化強度大 。 (6)但投 資 相對較高 ，尤其是 Shell 粉煤氣化 。 從技術(shù)先進性、能耗、環(huán)保等方面考慮，對于大型甲醇煤氣化應(yīng)選用氣流床氣化為宜 . 從流程分，可分為冷激式流程和廢熱鍋爐 流程 。 前者在煤氣離開氣化爐后用激冷水直接冷卻，它適合于制造氨氣或氫氣。因為這種流程易于和變換反應(yīng)器配套，激冷中產(chǎn)生的蒸汽可滿足變換反應(yīng)的需要。后者熱煤氣是經(jīng)輻射鍋爐，再送往對流鍋爐，產(chǎn)生高壓蒸汽可用于發(fā)電或作熱源。 目前，常用的、技術(shù)較成熟的氣流床主要有干粉和水煤漿兩種 。 干粉氣流床 ： 該技術(shù)的特點是碳的轉(zhuǎn)化率高，氣化反應(yīng)中，所產(chǎn)煤氣中 CO 含量高， H2 含量 較低，這種煤氣的熱值較高。另外，這種氣化爐均采用水冷壁而不是耐火磚，爐襯的使用壽命長。 水煤漿氣流床 ： 水煤漿氣化技術(shù)的特點是煤漿帶 35%~40%水入爐，因此氧耗比干粉煤氣化約高20%； 爐襯是耐火磚，沖刷嚴重，每年要更換一次 。生成 CO2量大，碳的轉(zhuǎn)化率低，有效氣體成份 (CO+H2)低 ； 對煤有一定要求，如要求灰分 13%， 灰熔點 1300℃ ， 含水量8%等，雖然具有氣流床煤氣化的共同優(yōu)點，仍是美中不足。 通過比較可知道大型甲醇的煤氣化的應(yīng)該優(yōu)先考慮干粉煤氣化。設(shè)計采用的是GSP 冷 激 氣化工藝 ， 其 兼有 shell 和 Texaco 的 技術(shù) 優(yōu)點。 代表著未來氣流床加壓氣化技術(shù)的發(fā)展方向 。 GSP 工藝技術(shù)簡介 GSP 工藝技術(shù)是 20 世紀 70 年代末由 GDR(原民 主 德國 )開發(fā)并投入商業(yè)化運行的大中型煤氣化技術(shù)。與其他同類氣化技術(shù)相比，該技術(shù)因采用了氣化爐頂 干 粉加料與反應(yīng)室周圍水冷壁結(jié)構(gòu)，因而在氣化爐結(jié)構(gòu)以及工藝流程上有其先進之處。 GSP 氣化技術(shù)的主要特點如下 ［ 6］ ： (1)采用干粉煤 (水份含量 2%)作為氣化原料，根據(jù)后續(xù)化工產(chǎn)品的要求，煤粉可用年產(chǎn) 20 萬噸煤制甲醇生產(chǎn)工藝初步設(shè)計 12 氮氣或一氧化碳輸送，故操作十分安全。由于氣化溫度高，故對煤種的適應(yīng)性更為廣泛 ，從較差的褐煤、次煙煤、煙煤到石油焦均可使用，也可以兩種煤摻混使用。對煤的灰熔點的適用范圍比其他氣化工藝更寬，即使是高水份、高灰分、高硫含量和高灰熔點的煤種也能使用。 (2)氣化溫度高，一般在 1450～ 1600℃ ，煤氣中甲烷體積分數(shù)小于 %， (CO+H2)體積分數(shù)高達 90%以上。 (3)氧耗較低，與水煤漿加壓氣化工藝相比，氧耗低約 15%～ 20%，可降低配套空分裝置投資和運行費用。 (4)氣化爐采用水冷壁結(jié)構(gòu)，無耐火材料襯里。水冷壁設(shè)計壽命按 25 年考慮。正常使用時維護量很少，運行周期長。 (5)只有一個聯(lián) 合噴嘴 (開工噴嘴與生產(chǎn)噴嘴合 二 為一 )，噴嘴使用壽命長，為氣化裝置長周期運行提供了可靠保障。 (6)碳轉(zhuǎn)化率高達 99%以上，冷煤氣效率高達 80%以上。 (7)對環(huán)境影響小，氣化過程無廢氣排放。 (8)投資省，粗煤氣成本較低 。 凈化工藝方案的選擇 凈化工藝包括；變換、脫硫脫碳、 硫回收三個部分。 變換工序 以煤為原料制得的粗甲醇原料氣必須經(jīng)過一氧化碳變換工序。變換工序主要有兩個方面的作用：通過變換調(diào)整氫碳比和使有機 硫 轉(zhuǎn)化為無機硫。 變換工藝主要有：魯奇低壓甲醇生產(chǎn)中的變換工藝， Tops￠ e法甲 醇生產(chǎn)中的變換工藝，以及國內(nèi)的以重油為原料的全氣量部分變換工藝。設(shè)計中的變換工藝是一種全新的設(shè)計，該工藝采用的是部分氣變換。該工藝的簡單流程為：氣化工段來的水煤氣首先進入預變換爐，出爐后分為兩部分：一部分進入另一變換爐，變換后經(jīng)過多次換熱和氣液分離后去了脫硫系統(tǒng)；另一部分先進入有機硫水解槽脫硫，出來后氣體又分為兩部分，部分去調(diào)節(jié)變換爐出口 CO含量，部分去發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電。 工藝條件的確定 ： （ 1） 溫度 變換反應(yīng)是一個可逆放熱反應(yīng)，對應(yīng)于一定的組成和一個最佳溫度。為了讓反應(yīng)年產(chǎn) 20 萬噸煤制甲醇生產(chǎn)工藝初步設(shè)計 13 沿著最佳溫度曲線進行，必須移走反應(yīng)熱以降 低反應(yīng)溫度。設(shè)計中的變換爐（ R2021）內(nèi)裝兩段耐硫變換觸媒，兩段間配有煤氣激冷管線，采用連續(xù)換熱式來降低溫度，控制溫度在 393℃左右。預變換爐溫度控制在 240℃左右。 （ 2）壓力 設(shè)計中是將氣體壓縮到 。壓力對反應(yīng)的化學平衡沒有影響，但對反應(yīng)速率影響顯著，在 ～ 范圍內(nèi)反應(yīng)速率大約 與 壓力的 次方而成正比，故加壓操作可提高設(shè)備生產(chǎn) 能力 ?，F(xiàn)代甲醇裝置采用加壓變換可以節(jié)約壓縮合成氣的能量，并可充分利用變換氣中過剩蒸汽的能量。 （ 3）最終變換率 最終變換率由合成甲醇的原料 氣中氫碳比及一氧化碳和二氧化碳的比例決定的。當全氣量通過變換工序時，此時要求最終變換率不太高，必須保證足量的 CO 作為合成甲醇的原料；設(shè)計中采用的是部分氣量變換，其余氣量不經(jīng)過變換而直接去合成，這部分氣體可以調(diào)節(jié)變換后甲醇合成原料氣中 CO 的含量，所以通過的氣體變換率達90%以上。 （ 4）催化劑粒度 為了提高催化劑的粒內(nèi)有效因子，可以減少催化劑粒度，但相應(yīng)地氣體通過催化劑床的阻力就將增加，變換催化劑的適宜直徑為 6～ 10mm，工業(yè)上一般壓制成圓柱狀，粒度￠ 5 5 或 ￠ 9 9mm。設(shè)計中采用催化劑粒度為 ￠ 9 9mm。 NHD 脫硫脫碳 溶劑的物理性質(zhì)和應(yīng)用性能 NHD 溶劑主要組分是聚乙二醇二甲醚的同系物，分子式為 C