年产20万吨煤制甲醇生产工艺毕业设计样本样本.docx
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年产20万吨煤制甲醇生产工艺毕业设计样本样本
届毕业设计阐明书
年产20万吨煤制甲醇生产工艺设计
系、部:
材料与化学工程系
学生姓名:
刘芳
指引教师:
王金银职称:
专家
专业:
化学工程与工艺
班级:
化本0801班
完毕时间:
5月
摘要
甲醇是一种极重要有机化工原料,也是一种燃料,是碳化学基本产品,在国民经济中占有十分重要地位。
近年来,随着甲醇下属产品开发,特别是甲醇燃料推广应用,甲醇需求大幅度上升。
为了满足经济发展对甲醇需求,开展了此20万t/a甲醇项目。
设计重要内容是进行工艺论证,物料衡算和热量衡算等。
本设计本着符合国情、技术先进和易得、经济、环保原则,采用煤炭为原料;运用GSP气化工艺造气;NHD净化工艺净化合成气体;低压下运用列管均温合成塔合成甲醇;三塔精馏工艺精制甲醇;此外严格控制三废排放,充分运用废热,减少能耗,保证人员安全与卫生。
核心词:
甲醇合成;气体精馏;工艺流程
ABSTRACT
Methanolisakindofveryimportantorganicchemicalrawmaterials,isalsoakindoffuel,isachemicalcarbonbasedproducts,inthenationaleconomyoccupiesveryimportantposition.Inrecentyears,withthedevelopmentofmethanolsubordinateproducts,especiallythepopularizationandapplicationofthemethanolfuel,methanoldemandincreases.Inordertomeettheneedsofeconomicdevelopment,methanol,carriedoutthe00t/aofmethanolproject.Thedesignofthemaincontentisprocessdemonstration,andthematerialbalancecalculationsandheatbalancecalculations,etc.ThisdesignwiththesituationofChina,withadvancedtechnologyandareeasy,economy,environmentprotectionprinciple,thecoalforrawmaterials;UseofGSPgasificationprocessthegasification;NHDpurificationprocesssynthesisgaspurification;Lowvoltageofmeantemperaturetubesynthesistowermethanolsynthesis;Threetowerdistillationprocessrefinedmethanol;Inadditiontostrictlycontrolthe"threewastes"emissions,makefulluseofwasteheat,reducetheenergyconsumptionandensuresafetyandhealthpersonnel.
Keywords:
methanolsynthesis;gasdistillation;processflow
1概论……………………………………………………………………………6
1.1概述………………………………………………………………………6
1.2设计目和意义………………………………………………………7
1.3设计根据…………………………………………………………………7
1.4设计指引思想…………………………………………………………8
1.5原料煤规格……………………………………………………………8
2工艺论证………………………………………………………………………9
2.1煤气化路线选取………………………………………………………9
2.2净化工艺方案选取…………………………………………………11
2.3合成甲醇工艺选取………………………………………………………12
2.4甲醇精馏…………………………………………………………………14
3工艺流程………………………………………………………………………18
3.1GSP气化工艺流程………………………………………………………18
3.2净化装置工艺流程………………………………………………………19
3.3甲醇合成工艺流程………………………………………………………25
3.4甲醇精馏工艺流程………………………………………………………26
3.5氨吸取制冷流程…………………………………………………………27
4工艺计算……………………………………………………………………29
4.1物料衡算…………………………………………………………………29
4.2能量衡算…………………………………………………………………35
5重要设备工艺计算及选型…………………………………………………41
5.1甲醇合成塔设计………………………………………………………41
5.2水冷器工艺设计………………………………………………………43
5.3循环压缩机选型………………………………………………………46
5.4甲醇合成厂重要设备一览表…………………………………………46
6三废解决………………………………………………………………………47
6.1甲醇生产对环境污染…………………………………………………47
6.2解决办法…………………………………………………………………47
设计成果评价……………………………………………………………………48
参照文献…………………………………………………………………………49
道谢………………………………………………………………………………50
1总论
1.1概述
1.1.1甲醇性质
甲醇俗称木醇、木精,英文名为methanol,分子式CH3OH。
是一种无色、透明、易燃、有毒、易挥发液体,略带酒精味;分子量32.04,相对密度0.7914(d420),蒸气相对密度1.11(空气=1),熔点-97.8℃,沸点64.7℃,闪点(开杯)16℃,自燃点473℃,折射率(20℃)1.3287,表面张力(25℃)45.05mN/m,蒸气压(20℃)12.265kPa,粘度(20℃)0.5945mPa·s。
能与水、乙醇、乙醚、苯、酮类和大多数其她有机溶剂混溶。
蒸气与空气形成爆炸性混合物,爆炸极限6.0%~36.5﹪(体积比)。
化学性质较活泼,能发生氧化、酯化、羰基化等化学反映。
1.1.2甲醇用途
甲醇是重要有机化工原料和优质燃料,广泛应用于精细化工,塑料,医药,林产品加工等领域。
甲醇重要用于生产甲醛,消耗量要占到甲醇总产量一半,甲醛则是生产各种合成树脂不可少原料。
用甲醇作甲基化试剂可生产丙烯酸甲酯、对苯二甲酸二甲酯、甲胺、甲基苯胺、甲烷氯化物等;甲醇羰基化可生产醋酸、醋酐、甲酸甲酯等重要有机合成中间体,它们是制造各种染料、药物、农药、炸药、香料、喷漆原料,当前用甲醇合成乙二醇、乙醛、乙醇也日益受到注重。
甲醇也是一种重要有机溶剂,其溶解性能优于乙醇,可用于调制油漆。
作为一种良好萃取剂,甲醇在分析化学中可用于某些物质分离。
甲醇还是一种很有前景清洁能源,甲醇燃料以其安全、便宜、燃烧充分,运用率高、环保众多长处,代替汽油已经成为车用燃料发展方向之一;此外燃料级甲醇用于供热和发电,也可达到环保规定。
甲醇还可经生物发酵生成甲醇蛋白,富含维生素和蛋白质,具备营养价值高而成本低长处,用作饲料添加剂,有着辽阔应用前景。
1.1.3甲醇生产工艺发展
甲醇是醇类中最简朴一元醇。
1661年英国化学家R.波义耳一方面在木材干馏后液体产物中发现甲醇,故甲醇俗称木精、木醇。
在自然界只有某些树叶或果实中具有少量游离态甲醇,绝大多数以酯或醚形式存在。
1857年法国M·贝特洛在实验室用一氯甲烷在碱性溶液中水解也制得了甲醇。
国内甲醇生产始于1957年,50年代在吉林、兰州和太原等地建成了以煤或焦炭为原料来生产甲醇装置。
60年代建成了一批中小型装置,并在合成氨工业基本上开发了联产法生产甲醇工艺。
70年代四川维尼纶厂引进了一套以乙炔尾气为原料95kt/a低压法装置,采用英国ICI技术。
1995年12月,由化工部第八设计院和上海化工设计院联合设计200kt/a甲醇生产装置在上海太平洋化工公司顺利投产,标志着国内甲醇生产技术向大型化和国产化迈出了新一步。
,杭州林达公司开发了拥有完全自主知识产权JW低压均温甲醇合成塔技术,打破长期来被ICI、Lurgi等国外少数公司所垄断拥局面,并在获得国家技术创造二等奖。
,该技术成功应用于国内首家焦炉气制甲醇装置上。
1.1.4甲醇生产原料
合成甲醇工业生产是以固体(如煤、焦炭)、液体(如原油、重油、轻油)或气体(如天然气及其他可燃性气体)为原料,经造气、净化(脱硫)变换,除二氧化碳,配制成一定配比合成气。
在不同催化剂存在下,选用不同工艺条件可单产甲醇(分高、中、低压法),或与合成氨联产甲醇(联醇法),将合成后粗甲醇经预精馏脱除甲醚,再精馏而得成品甲醇。
1.2设计目和意义
由于国内石油资源短缺,能源安全已经成为不可回避现实问题,谋求代替能源已成为国内经济发展核心。
甲醇作为石油补充已成为现实,发展甲醇工业对国内经济发展具备重要战略意义。
煤在世界化石能源储量中占有很大比重(国内状况更是如此),并且煤制甲醇合成技术很成熟。
随着石油和天然气价格迅速上涨,煤制甲醇更加具备优势。
本设计遵循“工艺先进、技术可靠、配备科学、安全环保”原则;结合甲醇性质特性设计一座年产20万吨煤制甲醇生产车间。
通过设计可以巩固、深化和扩大所学基本知识,培养分析解决问题能力;还可以培养创新精神,树立良好学术思想和工作作风。
通过完毕设计,可以懂得甲醇用途;基本掌握煤制甲醇生产工艺;理解国内外甲醇工业发呈现状;以及甲醇工业发展趋势。
1.3设计根据
1.3.1湖南工学院材料与化学工程系毕业设计选题
《年产20万吨煤制甲醇生产工艺毕业设计》任务书
1.3.2设计基本资料
(1)工艺流程资料
参阅某化学工程公司甲醇合成厂工艺流程资料和参照由房鼎业主编《甲醇工学》。
(2)合成工段工艺参数
参阅某化学工程公司甲醇合成厂工艺参数资料。
详细数据为入塔压力5.14MPa,出塔压力4.9MPa,副产蒸汽压力3.9MPa,入塔温度225℃,出塔温度255℃。
1.4设计指引思想
以设计任务书为基本,适应国内甲醇工业发展需要。
加强理论联系实际,扩大知识面;培养独立思考、独立工作能力。
整个设计应贯彻节约基建投资,充分注重技术进步,减少工程造价,节能环保等思想,设计生产高质量甲醇产品。
1.5原料煤规格
原料煤元素分析为:
C67.5%;H4.0%;O10.2%;N0.65%;S(可燃)1.73%;S(不可燃)0.34%;Cl/(mg/kg)229;F/(mg/kg)104;Na/(mg/kg)2180;K/(mg/kg)292。
2工艺流程设计
一方面是采用GSP气化工艺将原料煤气化为合成气;然后通过变换和NHD脱硫脱碳工艺将合成气转化为满足甲醇合成条件原料气;第三步就是甲醇合成,将原料气加压到5.14Mpa,加温到225℃后输入列管式等温反映器,在XNC-98型催化剂作用下合成甲醇,生成粗甲醇送入精馏塔精馏,得到精甲醇。
然后运用三塔精馏工艺将粗甲醇精制得到精甲醇。
2.1煤气化技术路线选取
煤气化技术按气化反映器形式,气化工艺可分为移动床(固定床)、流化床、气流床三种。
2.1.1移动床气化
采用一定粒度范畴碎煤(5mm~50mm)为原料,与气化剂逆流接触,炉内温度分布曲线浮现最高点,反映残渣从炉底排出,生成气中具有可观量挥发气。
典型气化炉为鲁奇(Lurgi)炉。
移动床气化,是当前世界上用于生产合成气重要办法之一。
在大型煤制甲醇装置中,固定床长处是投资低,可是它有诸多局限性:
(1)对原料煤黏结性有一定规定:
(2)气化强度低:
(3)环境污染负荷大,治较麻理烦。
2.1.1流化床气化
采用一定粒度分布细粒煤(<10mm)为原料,吹入炉内气化剂使煤粒呈持续随机运动流化状态,床层中混合和传热都不久。
因此气体构成和温度均匀,解决了固定床气化需用煤限制。
生成煤气基本不含焦油,但飞灰量很大。
发展较早且比较成熟是常压温克(Winkler)炉。
它缺陷是:
(1)在常压或接近于常压下生产,生产强度低、能耗高、碳转化率只有88%~90%。
(2)对煤气化活性规定高,仅适合于气化褐煤和高活性烟煤。
(3)缺少大型使用经验;要在大型甲醇装置中推广,受一定限制。
2.1.3气流床气化
气流床采用粉煤为原料,反映温度高,灰分是熔融状态。
典型代表为GSP,Shell,Texaco气流床气化工艺。
气流床气化长处诸多,它是针对流化床局限性开发。
气流床气化具备如下特点:
(1)采用<0.2mm粉煤。
(2)气化温度达1400~1600℃,对环保很有利,没有酚、焦油,有机硫很少,且硫形态单一。
(3)气化压力可达3.5~6.5MPa,可大大节约合成气压缩功。
(4)碳转化率高,均不不大于90%,能耗低。
(5)气化强度大。
(6)但投资相对较高,特别是Shell粉煤气化。
从技术先进性、能耗、环保等方面考虑,对于大型甲醇煤气化应选用气流床气化为宜。
从流程分,可分为冷激式流程和废热锅炉流程。
前者在煤气离开气化炉后用激冷水直接冷却,它适合于制造氨气或氢气。
由于这种流程易于和变换反映器配套,激冷中产生蒸汽可满足变换反映需要。
后者热煤气是经辐射锅炉,再送往对流锅炉,产生高压蒸汽可用于发电或作热源。
当前,惯用、技术较成熟气流床重要有干粉和水煤浆两种。
干粉气流床:
该技术特点是碳转化率高,气化反映中,所产煤气中CO含量高,H2含量较低,这种煤气热值较高。
此外,这种气化炉均采用水冷壁而不是耐火砖,炉衬使用寿命长。
水煤浆气流床:
水煤浆气化技术特点是煤浆带35%~40%水入炉,因而氧耗比干粉煤气化约高20%;炉衬是耐火砖,冲刷严重,每年要更换一次;生成CO2量大,碳转化率低,有效气体成分(CO+H2)低;对煤有一定规定,如规定灰分<13%,灰熔点<1300℃,含水量<8%等,虽然具备气流床煤气化共同长处,仍是美中局限性。
通过比较可懂得大型甲醇煤气化应当优先考虑干粉煤气化。
设计采用是GSP冷激气化工艺,其兼有shell和Texaco技术长处。
代表着将来气流床加压气化技术发展方向。
2.1.4GSP工艺技术简介
GSP工艺技术是20世纪70年代末由GDR(原民主德国)开发并投入商业化运营大中型煤气化技术。
与其她同类气化技术相比,该技术因采用了气化炉顶干粉加料与反映室周边水冷壁构造,因而在气化炉构造以及工艺流程上有其先进之处。
GSP气化技术重要特点如下:
(1)采用干粉煤(水份含量<2%)作为气化原料,依照后续化工产品规定,煤粉可用氮气或一氧化碳输送,故操作十分安全。
由于气化温度高,故对煤种适应性更为广泛,从较差褐煤、次烟煤、烟煤到石油焦均可使用,也可以两种煤掺混使用。
对煤灰熔点合用范畴比其她气化工艺更宽,虽然是高水份、高灰分、高硫含量和高灰熔点煤种也能使用。
(2)气化温度高,普通在1450~1600℃,煤气中甲烷体积分数不大于0.1%,(CO+H2)体积分数高达90%以上。
(3)氧耗较低,与水煤浆加压气化工艺相比,氧耗低约15%~20%,可减少配套空分装置投资和运营费用。
(4)气化炉采用水冷壁构造,无耐火材料衬里。
水冷壁设计寿命按25年考虑。
正常使用时维护量很少,运营周期长。
(5)只有一种联合喷嘴(开工喷嘴与生产喷嘴合二为一),喷嘴使用寿命长,为气化装置长周期运营提供了可靠保障。
(6)碳转化率高达99%以上,冷煤气效率高达80%以上。
(7)对环境影响小,气化过程无废气排放。
(8)投资省,粗煤气成本较低。
2.2净化工艺方案选取
净化工艺涉及;变换、脱硫脱碳、硫回收三个某些。
2.2.1变换工序
变换工艺重要有:
鲁奇低压甲醇生产中变换工艺,Tops¢e法甲醇生产中变换工艺,以及国内以重油为原料全气量某些变换工艺。
设计中变换工艺是一种全新设计,该工艺采用是某些气变换。
该工艺简朴流程为:
气化工段来水煤气一方面进入预变换炉,出炉后分为两某些:
一某些进入另一变换炉,变换后通过多次换热和气液分离后去了脱硫系统;另一某些先进入有机硫水解槽脱硫,出来后气体又分为两某些,某些去调节变换炉出口CO含量,某些去发电系统发电。
(1)工艺条件拟定:
温度设计中变换炉(R)内装两段耐硫变换触媒,两段间配有煤气激冷管线,采用持续换热式来减少温度,控制温度在393℃左右。
预变换炉温度控制在240℃左右。
压力设计中是将气体压缩到3.8Mpa后送入变换炉。
压力对反映化学平衡没有影响,但对反映速率影响明显,在0.1~0.3Mpa范畴内反映速率大概与压力0.5次方而成正比,故加压操作可提高设备生产能力。
当代甲醇装置采用加压变换可以节约压缩合成气能量,并可充分运用变换气中过剩蒸汽能量。
最后变换率最后变换率由合成甲醇原料气中氢碳比及一氧化碳和二氧化碳比例决定。
当全气量通过变换工序时,此时规定最后变换率不太高,必要保证足量CO作为合成甲醇原料;设计中采用是某些气量变换,别的气量不通过变换而直接去合成,这某些气体可以调节变换后甲醇合成原料气中CO含量,因此通过气体变换率达90%以上。
催化剂粒度为了提高催化剂粒内有效因子,可以减少催化剂粒度,但相应地气体通过催化剂床阻力就将增长,变换催化剂适当直径为6~10mm,工业上普通压制成圆柱状,粒度¢5×5或¢9×9mm。
设计中采用催化剂粒度为¢9×9mm。
2.2.2NHD脱硫脱碳
(1)NHD溶剂物理性质和应用性能
NHD溶剂重要组分是聚乙二醇二甲醚同系物,分子式为CH3O(C2H4O)nCH3,
式中n=2~8,平均分子量为250~280。
物理性质(25℃):
密度1.027kg/m3
蒸汽压0.093Pa
表面张力0.034N/m
粘度4.3mPa.s
比热2100J/(kg/K)
导热系数0.18W/(m/K)
冰点-22℃~-29℃
闪点151℃
燃点157℃
应用性能:
表1各种气体在NHD溶剂中相对溶解度
组分H2COCH3CO2COSH2SCH3SH4CS2H2O
相对溶解度1.32.86.71002338922270240073300
(2)NHD溶剂吸取机理
甲醇生产规定净化气含硫量低,NHD溶剂脱硫(涉及无机硫和有机硫)溶解度大,对二氧化碳选取性好,并且,NHD脱硫后串联NHD脱碳,仍是脱硫过程延续。
NHD脱硫脱碳甲醇装置生产数据表白,经NHD法净化后,净化气总硫体积分数不大于0.1x10-6,再设立精脱硫装置,总硫体积分数可不大于0.05×10-6,满足甲醇生产规定。
综上所述,NHD法脱硫脱碳净化工艺是一种高效节能物理吸取办法。
且在国内某些装置上己成功应用,有一定生产和管理经验,本着节约投资、采用国内先进成熟净化技术这一原则,设计采用了NHD脱硫脱碳净化工艺。
2.3合成甲醇工艺选取
甲醇合成典型工艺重要是:
低压工艺(ICI低压工艺、Lurgi低压工艺)、中压工艺、高压工艺。
甲醇合成工艺中最重要工序是甲醇合成,其核心技术是合成甲醇催化剂和反映器,设计采用用是低压合成工艺。
2.3.1甲醇合成塔选取
当前,国内外大型甲醇合成塔塔型较多,归纳起来可分为五种:
冷激式合成塔:
这是最早低压甲醇合成塔,是用进塔冷气冷激来带走反映热。
该塔构造简朴,也适于大型化。
但碳转化率低,出塔甲醇浓度低,循环量大,能耗高,又不能副产蒸汽,现已经基本被裁减。
冷管式合成塔:
这种合成塔源于氨合成塔,在催化剂内设立足够换热面积冷气管,用进塔冷管来移走反映热。
冷管构造有逆流式、并流式和U型管式。
由于逆流式与合成反映放热不相适应,即床层出口处温差最大,但这时反映放热最小,而在床层上部反映最快、放热最多,但温差却又最小,为克服这种局限性,冷管改为并流或U形冷管。
这种塔型碳转化率较高但仅能在出塔气中副产0.4MPa低压蒸汽。
日前大型装置很少使用。
水管式合成塔:
将床层内传热管由管内走冷气改为走沸腾水。
这样可较大地提高传热系数,更好地移走反映热,缩小传热面积,多装催化剂,同步可副产2.5Mpa—4.0MPa中压蒸汽,是大型化较抱负塔型。
固定管板列管合成塔:
这种合成塔就是一台列管换热器,催化剂在管内,管间(壳程)是沸腾水,将反映热用于副产3.0MPa~4.0MPa中压蒸汽。
固定管板列管合成塔虽然可用于大型化,但受管长、设备直径、管板制造所限。
在日产超过t时,往往需要并联两个。
这种塔型是造价最高一种,也是装卸催化剂较难一种。
随着合成压力增高,塔径加大,管板厚度也增长。
管板处催化剂属于绝热段;管板下面尚有一段逆传热段,也就是进塔气225℃,管外沸腾水却是248℃,不是将反映热移走而是水给反映气加热。
这种合成塔由于列管需用特种不锈钢,因而是造价非常高一种。
多床内换热式合成塔:
这种合成塔由大型氨合成塔发展而来。
日前各工程公司氨合成塔均采用二床(四床)内换热式合成塔。
针对甲醇合成特点采用四床(或五床)内换热式合成塔。
各床层是绝热反映,在各床出口将热量移走。
这种塔型构造简朴,造价低,不需特种合金钢,转化率高,适合于大型或超大型装置,但反映热不能所有直接副产中压蒸汽。
典型塔型有Casale四床卧式内换热合成塔和中华人民共和国成达公司四床内换热式合成塔。
合成塔选用原则普通为:
反映能在接近最佳温度曲线条件下进行,床层阻力小,需要消耗动力低,合成反映反映热运用率高,操作控制以便,技术易得,装置投资要底等。
综上所述和借鉴大型甲醇合成公司经验,(大型装置不适当选用激冷式和冷管式),设计选用固定管板列管合成塔。
这种塔内甲醇合成反映接近最佳温度操作线,反映热运用率高,虽然设备复杂、投资高,但是由于这种塔在国内外使用较多,具备丰富管理和维修经验,技术也较容易得到;外加考虑到设计是年产20万吨甲醇合成塔,塔塔径和管板厚度不会很大,费用也不会很高,因此本设计采用了固定管板列管合成塔。
2.3.2催化剂选用
(1)甲醇合成催化剂
通过长时间研究开发和工业实践,广泛使用合成甲醇催化剂重要有两大系列:
一种是以氧化铜为主体铜基催化剂,一种是以氧化锌为主体锌基催化剂。
锌基催化剂机械强度好.耐热性好,对毒物敏感性小,操作适当温度为350~400℃,压力为25~32MPa(寿命为2~3年);铜基催化剂具备良好低温活性,较高选取性,通惯用于低、中压流程。
耐热性较差,对硫、氯及其化合物敏感,易中毒。
操作适当温度为220~270℃,压力为5~15MPa(普通寿命为2~3年)。
通过操作条件对比分析,可知使用铜基催化剂可大幅度节约投资费用和操作费用,减少成本。
(2)XNC-98甲醇合成催化剂简
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