【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 年產(chǎn) 20 萬噸煤制甲醇生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì) 目 錄 1 總論 1 11 概述 1 12 設(shè)計(jì)的目的和意義 3 13 設(shè)計(jì)依據(jù) 3 14 設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想 4 15 設(shè)計(jì)的范圍裝置組成及建設(shè)規(guī)模 4 16 原料煤的規(guī)格 5 17 產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 5 2 工藝論證 6 21 煤氣化路線的選擇 6 22 凈化工藝方案的選擇 8 23 合成甲醇工藝選擇 11 24 甲醇精餾 17 3 工藝流程 22 31 GSP 氣化工藝流程 22 32 凈化裝置工藝流程 23 33 甲醇合成工藝流程 31 34 甲醇精餾工藝流程 32 35 氨吸收制冷流程 34 4 工藝計(jì)算 35 41 物料衡算 35 42 能量衡算 45 5 主要設(shè)備的工藝計(jì)算及選型 50 51 甲醇合成塔的設(shè)計(jì) 50 52 水冷器的工藝設(shè)計(jì) 54 53 循環(huán)壓縮機(jī)的選型 57 54 氣化爐的選型 57 55 甲醇合成廠的主要設(shè)備一覽表 58 6 合成車間設(shè)計(jì) 59 61 廠房的整體布置設(shè)計(jì) 59 62 合成車間設(shè)備布置的設(shè)計(jì) 59 7 非工藝專業(yè)要求 59 71 公用工程 59 72 安全衛(wèi)生 60 8 三廢處理 62 81 甲醇生產(chǎn)對環(huán)境的污染 62 82 處 理方法 63 9 設(shè)計(jì)結(jié)果評價(jià) 64 10 參考文獻(xiàn) 66 附工程圖紙 1 甲醇合成廠總工藝流程圖 2 主設(shè)備結(jié)構(gòu)圖 3 輔設(shè)備結(jié)構(gòu)圖 4 生產(chǎn)車間設(shè)備布置圖 1 總論 11 概述 質(zhì) 甲醇俗稱木醇木精英文名為 methanol 分子式 CH3OH 是一種無色透明易燃有毒易揮發(fā)的液體略帶酒精味分子量 3204 化學(xué)性質(zhì)較活潑能發(fā)生氧化酯化羰基化等化學(xué)反應(yīng)是重要有機(jī)化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工塑料醫(yī)藥林產(chǎn)品加工等領(lǐng)域主要用于生產(chǎn)甲醛消耗量要占到總產(chǎn)量的一半甲醛則是生產(chǎn)各種合成樹脂不可少的原料用甲醇作甲基化試劑可生產(chǎn)丙烯 酸甲酯對苯二甲酸二甲酯甲胺甲基苯胺甲烷氯化物等羰基化可生產(chǎn)醋酸醋酐甲酸甲酯等重要有機(jī)合成中間體它們是制造各種染料藥品農(nóng)藥炸藥香料噴漆的原料目前用甲醇合成乙二醇乙醛乙醇也日益受到重視甲醇是一種重要的有機(jī)溶劑其溶解性能優(yōu)于乙醇可用于調(diào)制油漆作為一種良好的萃取劑甲醇在分析化學(xué)中可用于一些物質(zhì)的分離甲醇是一種能源甲醇燃料以其安全廉價(jià)燃燒充分利用率高環(huán)保的眾多優(yōu)點(diǎn)替代汽油已經(jīng)成為車用燃料的發(fā)展方向之一甲醇還可經(jīng)生物發(fā)酵生成甲醇蛋白富含維生素和蛋白質(zhì)具有營養(yǎng)價(jià)值高而成本低的優(yōu)點(diǎn)用作飼料添加劑有著廣闊的應(yīng)用前景甲醇是醇類 中最簡單的一元醇 1661 年英國化學(xué)家 R 波義耳首先在木材干餾后的液體產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)甲醇故甲醇俗稱木精木醇在自然界只有某些樹葉或果實(shí)中含有少量的游離態(tài)甲醇絕大多數(shù)以酯或醚的形式存在 1857 年法國的 M貝特洛在實(shí)驗(yàn)室用一氯甲烷在堿溶液中水解也制得了甲醇 1923年德國 BASF公司首先用合成氣在高壓下實(shí)現(xiàn)了甲醇的工業(yè)化生產(chǎn)直到 1965 年這種高壓法工藝是合成甲醇的唯一方法 1966 年英國 ICI 公司開發(fā)了低壓法工藝接著又開發(fā)了中壓法工藝 1971 年德國的 Lurgi 公司相繼開發(fā)了適用于天然氣－渣油為原料的低壓法工藝由于低壓法比高壓 法在能耗裝置建設(shè)和單系列反應(yīng)器生產(chǎn)能力方面具有明顯的優(yōu)越性所以從 70 年代中期起國外新建裝置大多采用低壓法工藝世界上典型的甲醇合成工藝主要有 ICI 工藝 Lurgi 工藝和三菱瓦斯化學(xué)公司 MCC 工藝目前國外的液相甲醇合成新工藝具有投資省熱效率高生產(chǎn)成本低的顯著優(yōu)點(diǎn)尤其是LPMEOHTM 工藝采用漿態(tài)反應(yīng)器特別適用于用現(xiàn)代氣流床煤氣化爐生產(chǎn)的低 H2／ CO＋ CO2 比的原料氣在價(jià)格上能夠與天然氣原料競爭我國的甲醇生產(chǎn)始于 1957年 50年代在吉林蘭州和太原等地建成了以煤或焦炭為原料來生產(chǎn)甲醇的裝置 60年代建成了一批中 小型裝置并在合成氨工業(yè)的基礎(chǔ)上開發(fā)了聯(lián)產(chǎn)法生產(chǎn)甲醇的工藝 70年代四川維尼綸廠引進(jìn)了一套以乙炔尾氣為原料的 95 kta低壓法裝置采用英國 ICI技術(shù) 1995年 12月由化工部第八設(shè)計(jì)院和上海化工設(shè)計(jì)院聯(lián)合設(shè)計(jì)的200 kta 甲醇生產(chǎn)裝置在上海太平洋化工公司順利投產(chǎn)標(biāo)志著我國甲醇生產(chǎn)技術(shù)向大型化和國產(chǎn)化邁出了新的一步 2021 年杭州林達(dá)公司開發(fā)了擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的 JW低壓均溫甲醇合成塔技術(shù)打破長期來被 ICILurgi等國外少數(shù)公司所壟斷擁的局面并在 2021年獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎 2021年該技術(shù)成功應(yīng)用于國內(nèi)首家 焦?fàn)t氣制甲醇裝置上 甲醇原料自 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(jì) 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(jìn)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(yuǎn)大于石油天然氣儲量隨著石油資源緊缺油價(jià)上漲因此在大力發(fā)展煤炭潔凈利用技術(shù)的背景下在很長一段時(shí)間內(nèi)煤是我國甲醇生產(chǎn)最重要的原料能源安全已經(jīng)成為不可回避的現(xiàn)實(shí)問題 ≤ 5 10 密度 200Cgcm3 0791～ 0792 0791～ 0793 溫度范圍 0 ℃101325Pa ℃ 沸程包括 646177。 010C℃ ≤ 640655 08 10 15 高錳酸鉀試驗(yàn) min ≥ 50 30 20 水溶性試驗(yàn) 澄清 水分含量 ≤ 010 015 酸度以 HCOOH計(jì) ≤ 或堿度以 NH3 計(jì) ≤ 00015 0003 0005 00002 00008 00015 羰基化合物含量以 CH2O 計(jì) ≤ 0002 0005 001 蒸發(fā)殘?jiān)? ≤ 0001 0003 0005 2 工藝流程設(shè)計(jì) 甲醇合成 合成氣凈化 煤制合成氣 甲醇精餾 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 514Mpa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 21 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 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(diǎn)反應(yīng)殘?jiān)鼜臓t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(diǎn)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(qiáng)度低 3 環(huán)境污染負(fù)荷大治理較麻煩 氣化 采用一定粒度分布的細(xì) 粒煤＜ 10mm 為原料吹入爐內(nèi)的氣化劑使煤粒呈連續(xù)隨機(jī)運(yùn)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(diǎn)是 1 在常壓或接近于常壓下生產(chǎn)生產(chǎn)強(qiáng)度低能耗高碳轉(zhuǎn)化率只有88～ 902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(yàn)要在大型甲醇裝置中推廣受一定限制 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GSPShellTexaco 氣流床氣化工藝 氣 流床氣化優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)〔 5〕 1 采用 02mm 的粉煤 2 氣化溫度達(dá) 1 400～ 1 600℃對環(huán)保很有利沒有酚焦油有機(jī)硫很少且硫形態(tài)單一 3 氣化壓力可達(dá) 35～ 65MPa 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(qiáng)度大 6 但投資相對較高尤其是 Shell 粉煤氣化 從技術(shù)先進(jìn)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?yàn)檫@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(diǎn)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(diǎn)是煤漿帶 3540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(yán)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 COH2 低對煤有一定要求如要求灰分 13 灰熔點(diǎn) 1300℃含水量 8 等雖然具有氣流床煤氣化的共同優(yōu)點(diǎn)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(jì)采用的是 GSP 冷激氣化工藝其兼有 shell 和 Texaco 的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)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(jì) 70年代末由 GDR 原民主德國 開發(fā)并投入商業(yè)化運(yùn)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(jìn)之處GSP 氣化技術(shù)的主要特點(diǎn)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)品的要求煤粉可用氮?dú)饣蛞谎趸驾斔凸什僮魇职踩捎跉饣瘻囟雀吖蕦γ悍N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(diǎn)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(diǎn)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?jǐn)?shù)小于 01 COH2 體積分?jǐn)?shù)高達(dá) 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(yùn)行費(fèi)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(jì)壽命按 25 年考慮正常使用時(shí)維護(hù)量很少運(yùn)行周期長 5 只有一個(gè)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(yùn)行提供了可靠保障 6 碳轉(zhuǎn)化率高達(dá) 99 以上冷煤氣效率高達(dá) 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 22 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(gè)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(gè)方面的作用通過變換調(diào)整氫碳比和使有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為無機(jī)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(jì)中的變換工藝是一種全新的設(shè)計(jì)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(jìn)入預(yù)變換爐出爐后分為兩部分一部分進(jìn)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(jìn)入有機(jī)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(gè)可逆 放熱反應(yīng)對應(yīng)于一定的組成和一個(gè)最佳溫度為了讓反應(yīng)沿著最佳溫度曲線進(jìn)行必須移走反應(yīng)熱以降低反應(yīng)溫度設(shè)計(jì)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(yù)變換爐溫度控制在 240℃左右 2 壓力 設(shè)計(jì)中是將氣體壓縮到 38Mpa 后送入變換爐的壓力對反應(yīng)的化學(xué)平衡沒有影響但對反應(yīng)速率影響顯著在 01～ 03Mpa 范圍內(nèi)反應(yīng)速率大約與壓力的 05 次方而成正比故加壓操作可提高設(shè)備生產(chǎn)能力現(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(dāng)全氣量通過變換工序時(shí)此時(shí)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(jì)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(dá) 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(jì)中采用催化劑粒度為￠ 9 9mm NHD 脫硫脫碳 1NHD 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 CH3O C2H4O nCH3 式中 n