年產20萬噸煤制甲醇生產工藝初步設計(專業版)

　　

【正文】 轉化氣同樣與酸性氣燃燒爐出口的二級高溫摻合閥（ TV6002）熱口進來的高溫氣體摻合提溫到 220℃進入二級 Claus 轉化器（ R6001）發生催化轉化反應，然后進入三級冷凝器（ E6007）冷卻到 150℃分離出液硫，同時冷凝器殼程產生 （ G）的低壓蒸汽。 來自脫硫工段的脫硫氣（溫度 ℃、壓力 (A)、 CO 34%含 COS＋ H2S 80ppm）進入脫碳塔（ T4001）下塔，氣體自下而上與從下塔頂部而來的 NHD 溶劑逆流接觸，下塔塔內有三層 QH1 型碳鋼扁環散堆填料，氣體中的 CO2 被溶劑吸收，部分 H2S、 COS 被吸收。 由第一水分離器（ V2021）、第四水分離器（ V2021）分離出的高溫冷凝液和來自氨吸收制冷、脫硫系統的冷凝液進入冷凝液閃蒸槽（ V2021），閃蒸出的閃蒸氣進入冷凝液汽提塔（ T2021），冷凝液由閃蒸槽底部排出直接送至氣化工段。 該塔傳質效率高，傳質空間利用率好 ，處理能力大，操作彈性大，結構簡單可靠，投資小，板液面梯度小，液面橫向混合好無流動傳質死區。而雙塔精餾技術僅在生產規模低于 5 萬 t/ a 時具有一定得優勢。生產中加壓塔和常壓塔同時采出精甲醇，常壓塔的再沸器熱量由加壓塔的塔頂氣提供，不需要外加熱源。雙塔精餾工藝流程見下圖。所以粗甲醇必須提純。 （ 3） 氣體組成 : 對于甲醇合成原料氣， 即 合成工序的新鮮氣，應維持 f=（ H2CO2） /(CO+CO2)=～,并保持一定的 CO2。 50%負荷下 ， C 型催化劑 CO2加入量最高不超過 670kg/h， 而 XCN98 型催化劑則最高可達 900kg/h。 XNC98 甲醇 合成 催化劑 簡介 ： XNC98 型催化劑是四川天一科技股份有限公司研制和開發的新 產品。日前各工程公司的氨合成塔均采用二床 (四床 )內換熱式合成塔。這種塔型碳轉化率較高但僅能在出塔氣中副產 0. 4MPa 的低壓蒸汽。甲醇合成工藝中 最重要的工序是甲醇的合成，其 關鍵技術是合成甲醇催化劑的和反應器，設計采用用的是低壓合成工藝。 (4)溶劑對碳鋼等金屬材料無腐蝕性 。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，變換后經過多次換熱和氣液分離后去了脫硫系統；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，部分去調節變換爐出口 CO含量，部分去發電系統發電。由于氣化溫度高，故對煤種的適應性更為廣泛 ，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。 (6)但投 資 相對較高 ，尤其是 Shell 粉煤氣化 。 在大型煤制甲醇的裝置中，固定床的優點是投資 低 ，可是它有很多不足： （ 1）對原料煤的黏結性有一定有一定要求：（ 2） 氣化強度低 ：（ 3）環境污染負荷大，治理較麻煩。 合成車間：包括壓縮、甲醇合成 。 設計的目的和意義 由于我國石油資源短缺 ，能源 安全已經成為不可回避的現實問題 ，尋求替代能源已成為我國經濟發展的關鍵。 1971 年德國的 Lurgi 公司相繼開發了適用于天然氣－渣油為原料的低壓法工藝。蒸氣與空氣形成爆炸性混合物，爆炸極限 ％ ～ ﹪（體積比）。年產 20 萬噸煤制甲醇生產工藝初步設計 1 X X 大 學 畢 業 設 計 設計說明書 題 目： 年產 20 萬噸煤制甲醇生產工藝初步設計 學 號： XXXX 姓 名： XXXX 年 級： XXXX 學 院： 材料與化工學院 系 別： 材料系 專 業： XX 指導教師： XXXXXXX 完成日期： XXXXXXXXXX 年產 20 萬噸煤制甲醇生產工藝初步設計 1 摘要 甲醇是一種極重要的有機化工原料，也是一種燃料，是碳一化學的基礎產品，在國民經濟中占有十分重要的地位 。 化學性質較活潑，能發生氧化、酯化、羰基化等化學反應 。由于低壓法比高壓法在能耗、裝置建設和單系列反應器生產能力方面具有明顯的優越性，所以從 70 年代中期起，國外新建裝置大多采用低壓法工藝。甲醇作為石油的補充已成為現實，發展甲醇工業對我國經濟發展具有重要的戰略意義。 精餾車間：甲醇精餾和 甲醇貯罐區 。 流化 床 氣化 采用一定粒度分布的細粒煤（ ＜ 10mm）為原料，吹入爐內的氣化劑使煤粒呈連續隨機運動的流化狀態， 床 層中的混合和傳熱 都 很快。 從技術先進性、能耗、環保等方面考慮，對于大型甲醇煤氣化應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 。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。 工藝條件的確定 ： （ 1） 溫度 變換反應是一個可逆放熱反應，對應于一定的組成和一個最佳溫度。 (6)溶劑本身不起泡 。 甲醇合成塔的選擇 「 8」「 9」 甲醇合成反應器實際是甲醇合成系統中最重要的設備。日前大型裝置很少使用。針對甲醇合成的特點采用四床（或五床 )內換熱式合成塔。 目前已在國內 20 多套大、中、小型工業甲醇裝置上使用 ,運行情況良好。 75%負荷時 ， 使用 XCN98 型催化劑 ， 當入塔氣中 CO2組分體積分數高達 5%時 ， 生產運行情況仍良好 ， 收率和物耗都較低 ， 催化劑仍能保持較高的活性 ， 產品質量符合質量標準的要 求。 由于新鮮氣中 （ H2CO2） /(CO+CO2)略大于 2，而反應過程中氫與一氧化碳、二氧化碳的化學計量比分別為 2:1和 3:1，因此循環氣中（ H2CO2） /(CO+CO2)遠大于 2。 精餾 原理 精餾是將沸點不同的組分所組成的混合液，在精餾塔中，同時多次部分氣化和 多次 部分冷凝，使其分離成純態組分的過程。來自合成工段含醇 90%的粗甲醇，經減壓進入粗甲醇貯槽。粗甲醇預熱器的熱量由精甲醇提供 ， 也不需要外供熱量。本設計中甲醇產量為 20 萬 t/a， 遠大于 5 萬 t/a，綜合考慮各項因素，所以設計采用三塔精餾工藝。 綜合比較上面四種塔，可以知道填料塔和新型垂直篩板性質更加優越，同時考慮到新型垂直篩板是一種新型塔，目前使用很少，技術難得，而填料塔使用較普遍，技術非常成熟，所以設計選用了填料塔。 由第三水分離器（ V2021）、第七水分離 器（ V2021）分離出的冷凝液進入冷凝液汽提塔的上部，由第二水分離器（ V2021）、第五水分離器（ V2021）、第六水分離器（ V2021）分離出的冷凝液進入冷凝液汽提塔的中部，汽提塔采用垂直篩板塔，冷凝液閃蒸槽閃蒸出的閃蒸氣（ 156℃， ）進入冷凝液汽提塔的底部，低壓蒸汽進入塔的底部進行汽提冷凝液，塔的操作壓力為 ～ (A)。從下 塔頂出來的凈化氣（ CO24%(V)、溫度 ℃）直接進入脫碳塔上塔底部與從脫硫工段過來的被氨冷器 I（ E4002）冷卻至 0℃的 NHD 貧液逆相接年產 20 萬噸煤制甲醇生產工藝初步設計 30 觸，從上塔頂出來的凈化氣（ CO2約 2～ 3%(V)、 COS 和 H2S5ppm、溫度 ℃），經凈化氣分離器（ V4002）除去少量霧沫夾帶的 NHD 后，進入氣 氣換熱器（ E4001A），溫度升至 30℃，壓力 (A)，然后將凈化氣送去精脫硫。三級冷凝器（ E6007）出口氣體進入尾氣分液罐（ V6005）進一步分離出氣體中夾帶的 液硫，從尾氣分液罐（ V6005）頂部出來的就是Claus 尾氣。其中主要反應： 2H2S + SO2 → 3/2 S 2 + 2H2O + Q 反應后的氣體進入二級冷凝器（ E6006），冷卻到 150℃分離出液硫，同時冷凝器殼程年產 20 萬噸煤制甲醇生產工藝初步設計 32 產生 （ G）的低壓蒸汽。 出再生塔（ T3003） 填料段的再生氣經塔上部的旋流板，用塔頂回流的 40℃的冷凝液洗滌冷卻到 106℃左右進入酸性氣水冷器（ E3006）冷卻到 40℃，經酸性氣分離器（ V3005）分離掉酸性氣中夾帶水分，使酸性氣中含 H2S25%，進入硫回收工段。 來自脫硫系統的發電煤氣，溫度 80℃，壓力 ，進入發電氣加熱器（ E2021），溫度升至 230℃，然后去發電系統發電用。 （ 4）新型垂直篩板 新型垂直篩板的傳質單元，是 由塔板開有升氣孔及罩于其上的帽罩組成。隨著三塔精餾生產規模的擴大 ， 能耗還有進一步下降的空間。如作為特殊需要，則再經過常壓精餾塔的進一步提純。 雙塔精餾工藝 國內中、小甲醇廠大部分都選用雙塔精餾工藝傳統的主、預精餾塔幾乎都選用板式結構。甲醇的純度直接影響下游產品的質量、 消耗 、安全生產及生產過程中所用的催化劑的壽命。設采用的是 低 壓法（入塔壓強為 ）合成甲醇。 (5)可適用于含高濃度 CO2的合成氣。制備工藝合理，使該年產 20 萬噸煤制甲醇生產工藝初步設計 18 催化劑的活性、選擇性、使用壽命和機械強度均達到國外同類催化劑的先進水平 ， 并且價格較低。 （ 5）多床內換熱式合成塔 這種合成塔由大型氨合成塔發展而來。如 1984年 ICI公司提出的逆流式冷管型及 1993年提出的并流冷管 TCC型合成塔和國內林達公司的 U形冷管型。 年產 20 萬噸煤制甲醇生產工藝初步設計 15 合成甲醇工藝 的選擇 甲醇合成的典型工藝主要是： 低壓工藝（ ICI 低壓 工藝、 Lurgi 低壓 工藝 ） 、中壓工藝、高壓工藝。 (3)溶劑不氧化、不降解，有良好的化學和熱穩定性 。設計中的變換工藝是一種全新的設計，該工藝采用的是部分氣變換。 GSP 氣化技術的主要特點如下 ［ 6］ ： (1)采用干粉煤 (水份含量 2%)作為氣化原料，根據后續化工產品的要求，煤粉可用年產 20 萬噸煤制甲醇生產工藝初步設計 12 氮氣或一氧化碳輸送，故操作十分安全。 (5)氣化強度大 。 移動床氣化，是目前世界上用于生產合成氣的主要方法之一。 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。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 20 萬噸煤制甲醇生產工藝初步設計 7 力發展煤炭潔凈利用技術的背景下，在很長一段時間內煤是我國甲醇生產最重要的原料 ［ 4］ 。 1966 年英國 ICI 公司開發了低壓法工藝，接著又開發了中壓法工藝。能與水、乙醇、乙醚、苯、酮類和大多數其他有機溶劑混溶。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。 甲醇用途 甲醇 是重要有機化工原料 和優質燃料 ， 廣泛應用于精細化工，塑料，醫藥，林產品加工等領域 。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公司(MCC)工藝 ［ 1］ 。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很成熟。 動力車間：包括全廠供排水、鍋爐供熱、軟水脫鹽水、供電。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。 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。 (2)氣化溫度高，一般在 1450～ 1600℃ ，煤氣中甲烷體積分數小于 %， (CO+H2)體積分數高達 90%以上。為了讓反應年產 20 萬噸煤制甲醇生產工藝初步設計 13 沿著最佳溫度曲線進行，必須移走反應熱以降 低反應溫度。 (6)具有選擇性吸收 H2S 的特性，并且可以吸收 COS 等有機硫 。從操作結構，材料及維修等方面考慮，甲醇合成反應器應具有以下要求： （ 1） 催化劑床層溫度易于控制，調節靈活，能有效移走反應熱，并能以較高位能回收反應 熱； （ 2）反應器內 部 結構合理，能保證氣體均勻通過催化劑床層，阻力小，氣體處理量 大， 合成轉化率高，催化劑生產強度大； （ 3）結構緊湊，盡可能多填裝催化劑，提高高壓空間利用率；高壓容器及內件間無滲漏；催化劑裝御方便；制造安裝及維修容易。 （ 3）水管式合成塔 將床層內的傳熱管由管內走冷氣改為走沸騰水。各床層是絕熱反應，在 各床出口將熱量移走。它是一種高活性、高選擇性的新催化劑。 綜上所述，催化劑的活性、選擇性和使用壽命等主要技術經濟指標均優于進口催化劑 及國產 C 型催化劑，所以本設計選用四川天一科技股份有限公司研制的 XNC98型催 化劑 。合成塔中氫氣過量，對減少副反 應是有利的。其分離的原理如下： 對于由沸點不同的組分組成的混合液，加熱到一定溫度，使其部分氣化，并將氣年產 20 萬噸煤制甲醇生產工藝初步設計 21 相與液相分離。經粗甲醇預熱器加熱到 45℃后進入預精餾塔。因此 .該工藝技術生產能力大 ，節能效果顯著，特別適合較大規模的精甲醇生產。 精餾塔的選擇 精餾塔市粗甲醇精餾工序