煤制甲醇半实物仿真工厂实习实训项目.docx

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煤制甲醇半实物仿真工厂实习实训项目

附件2

2018年度国家虚拟仿真实验教学项目申报表

学校名称

]

安徽师范大学

实验教学项目名称

煤制甲醇半实物仿真工厂实习实训项目

所属课程名称

化学工程与工艺

所属专业代码

081301

）

实验教学项目负责人姓名

张小俊

实验教学项目负责人电话

有效链接网址

教育部高等教育司制

!

二〇一八年七月

填写说明和要求

1.以Word文档格式，如实填写各项。

!

2.表格文本中的中外文名词第一次出现时，要写清全称和缩写，再次出现时可以使用缩写。

3.所属专业代码，依据《普通高等学校本科专业目录（2012年）》填写6位代码。

4.涉密内容不填写，有可能涉密和不宜大范围公开的内容，请特别说明。

5.表格各栏目可根据内容进行调整。

#

1.实验教学项目教学服务团队情况

…

1-1实验教学项目负责人情况

姓名

张小俊

性别

男

出生年月

`

学历

研究生

学位

博士

电话

专业技

《

术职务

教授

行政

职务

副院长

手机

院系

化学与材料科学学院

地址

安徽省芜湖市弋江区安徽师范大学化学与材料科学学院

邮编

241000

；

教学研究情况：

主持的教学研究课题（含课题名称、来源、年限，不超过5项）；作为第一署名人在国内外公开发行的刊物上发表的教学研究论文（含题目、刊物名称、时间，不超过10项）；获得的教学表彰/奖励（不超过5项）。

自2007年起，一直承担本科生《物理化学》及研究生《电极过程动力学》等专业课的教学工作。

教学上尽职尽责，热爱学生，真诚对待学生，深受学生及同行专家的好评。

主持项目：

1、“化学实验班教学改革与探索”，2013年安徽省本科教学提升计划

2、“安徽师范大学化学化工与材料虚拟仿真实验教学中心”，2016年获批省级虚拟仿真中心

教学奖励：

1、2012年获安徽师范大学教学优秀奖

~

2、2012年获安徽师范大学“第二届青年教师教学基本功大赛”二等奖

学术研究情况：

近五年来承担的学术研究课题（含课题名称、来源、年限、本人所起作用，不超过5项）；在国内外公开发行刊物上发表的学术论文（含题目、刊物名称、署名次序与时间，不超不超过5项）；获得的学术研究表彰/奖励（含奖项名称、授予单位、署名次序、时间，不超过5项）

自2007年进校以来，围绕材料电化学研究方向，在超级电容器和电化学传感两个方面开展工作，并取得了系列研究成果。

主持项目：

1、“金属基复合材料电极的构建及其在肼类化合物中的检测应用”，国家自然科学基金，、“金属基异质结构纳米材料的合成及其在糖尿病检测中的应用”，国家自然科学基金，、“柔性超级电容器电极的可控合成及电化学性能”，国家自然科学基金，、“材料电化学”，安徽省杰出青年基金，、“高能量密度车用超级电容器材料研发”，安徽省科技攻关项目，发表论文：

1、High-PowerandHigh-Energy-DensityFlexiblePseudocapacitorElectrodesMadefromPorousCuONanobeltsandSWCNTs,ACSNano3,2013-2019,2011（第一作者）

2、ConstructionofuniqueCo3O4@CoMoO4Core/ShellNanowireArraysonNiFoambyactionexchangemethodforElectrochemicalEnergyStorage,JournalofMaterialsChemistryA,3,14578–14584,2015（通讯作者）

：

3、NiCo2O4@MnMoO4core–shellflowersforhighperformancesupercapacitors,JournalofMaterialsChemistryA,4,8249-8254,2016（通讯作者）

4、One-stepultrasonicsynthesisofgraphenequantumdotswithhighquantumyieldanditsapplicationinsensingofalkalinephosphatase,ChemicalCommunications,51,948-951,2015（通讯作者）

5、EffectiveElectrocatalysisBasedonAg2ONanowireArraysSupportedonCuSubstrate,ACSAppliedMaterials&Interfaces5,,2013（通讯作者）

学术奖励：

1、“功能纳米材料的可控合成、性能及应用”，2012年度安徽省自然科学二等奖

1-2实验教学项目教学服务团队情况

*

1-2-1团队主要成员（5人以内）

序号

姓名

所在单位

专业技术职务

行政职务

承担任务

）

备注

1

张小俊

化材学院

教授

副院长

虚拟仿真中心主任、团队负责人

$

2

罗时忠

化材学院

教授

化学工程实训/团队负责人

…

3

高峰

化材学院

教授

院长

科研成果转化实验/团队负责人

】

4

许发功

化材学院

讲师

仿真实训教学负责人

）

在线

教学

服务

5

赵成安

化材学院

实验师

》

仿真实训维护/责任人

1-2-1团队其他成员

序号

姓名

所在单位

专业技术职务

行政职务

承担任务

备注

1

王伟智

化材学院

副教授

·

仿真实训教学

2

云瑞瑞

化材学院

副教授

？

仿真实训教学

3

张小璇

化材学院

副教授

'

仿真实训教学

4

何心伟

化材学院

副教授

<

仿真实训教学

5

王俊

化材学院

讲师

，

仿真实训教学

6

王露

化材学院

讲师

！

仿真实训教学

7

戴文涛

上海华谊能源化工有限公司副总经理、安徽华谊化工公司总经理

高级工程师

&

化学工程、科研成果转化

8

沈浩

安徽六国化工股份有限公司

正高级工程师

~

化学工程、科研成果转化

9

王方银

安徽美佳新材料股份有限公司

高级工程师

￥

化学工程、科研成果转化

10

阮树勇

芜湖榕树影像公司

"

软件设计、科研成果转化

11

赵志博

北京欧倍尔软件技术开发有限公司

》

软件设计、科研成果转化

技术支持人员

12

夏建华

安徽省化学教研员

中学特级教师

（

中学化学实验研究、科研成果转化

项目团队总人数：

17（人）高校人员数量：

11（人）企业人员数量：

5（人）

注：

1.教学服务团队成员所在单位需如实填写，可与负责人不在同一单位。

2.教学服务团队须有在线教学服务人员和技术支持人员，请在备注中说明。

2.实验教学项目描述

？

2-1名称

煤制甲醇半实物仿真工厂实习实训项目

2-2实验目的

目前化工专业学生生产实习，从设备安全角度以及实料生产中存在有害物考虑，普遍存在学生动手少，观察见习多，学生实操机会不多，对工艺流程认识往往仅局限于实习的部分工段上。

缺乏整体观。

项目依托实习单位的煤制甲醇工艺，模拟60万t/a煤制甲醇生产全过程，采用德士古气化工艺，包括气化、变换、净化、甲醇合成和甲醇精馏五个工段，具有工厂情景化、操作实际化、控制网络化（DCS）、故障模拟真实化，实训安全化等特点。

利用半实物装置及虚拟现实技术再现工厂环境，构建“实物现场站+3D虚拟现场站+DCS中控室”相结合的模式。

虚（不走实料，避免变换工段CO有毒气体）实结合，实物现场与真实工厂布置一致，提高学生对化工厂的工艺流程、设备布置、化工生产技术的理解能力，巩固所学的理论知识，加强学生的工程设计能力。

]

2-3实验原理（或对应的知识点）

知识点数量：

5（个）

（1）煤原料气化技术

（2）一氧化碳变换

（3）炉气净化技术

（4）甲醇合成原理

（5）精馏分离提纯原理

<

装置基于煤制甲醇生产工艺，模拟60万t/a煤制甲醇生产全过程，采用德士古气化工艺，包括气化、变换、净化、甲醇合成和甲醇精馏五个工段。

工艺流程叙述：

气化→变换→净化→合成→精制。

煤气化工艺原理：

水煤浆与氧气经工艺烧嘴混合后进入气化炉，在4MPa、1200℃下进行气化反应，生成以CO、H2、CO2为主要成分的粗合成气。

气化炉内的反应很复杂，一般认为分三步：

a、煤的裂解与挥发份的燃烧

水煤浆与氧气进入燃烧室后，水分迅速蒸发为水蒸气，煤粉发生热裂解并释放出挥发份。

裂解产物及挥发份在高温、高氧下迅速完全燃烧，同时煤粉变为煤焦，放出大量反应热。

因此，在合成气中不含有焦油、酚类和高分子烃类。

这个过程相当短暂。

b、燃烧及气化反应

，

煤裂解后生成的煤焦一方面与剩余的氧气发生燃烧反应，生成CO、CO2等气体，放出反应热；另一方面，煤焦又和水蒸气、CO2发生气化反应，生成CO、H2。

c、气化反应

经过前面两步的反应，气化炉内的氧气完全耗尽。

这是主要进行的是煤焦、甲烷等与水蒸汽、CO2发生的气化反应，生成CO和H2。

煤制甲醇变换原理

把气化工序送来的经过洗涤冷却后合格的粗煤气送入变换工段，经部分耐硫变换，调节有效气组成H2/CO=左右的变换气，同时回收热和部分脱盐水等物料。

净化技术-低温甲醇洗工艺原理：

低温甲醇洗，脱除对甲醇合成有害成分H2S、CO2等。

采用吸收-解析分离技术。

在T301吸收塔中进行分别吸收，并在后续的甲醇再生过程中，分别解析出来，进行回收利用。

CO2送往CO2产品单元，H2S送入到硫回收单元。

甲醇合成工艺原理：

·

模拟甲醇合成工段，原料气通过加压送入反应器反应合成甲醇

主反应：

CO+2H2=CH3OH+90kJ/mol

副反应CO+H2→（CH3）2O+H2O

CO+3H2→CH4+H2O

4CO+8H2→C4H9OH+3H2O

18CO+27H2→C18H18+18H2O

CO2+H2→CO+H2O

&

产品精制-精馏工艺原理：

精馏是将挥发度不同的组分组成的混合液，在精馏塔内通过同时而且多次进行部分汽化和部分冷凝，使其分离成几乎纯组分的过程。

精制工段采用四塔（3+1）精馏工艺，包括预塔、加压塔、常压塔及甲醇回收塔。

预塔的主要目的是除去粗甲醇中溶解的气体（如CO2、CO、H2等）及低沸点组分（如二甲醚、甲酸甲酯），加压塔及常压塔的目的是除去水及高沸点杂质（如异丁基油），同时获得高纯度的优质甲醇产品。

另外，为了减少废水排放，增设甲醇回收塔，进一步回收甲醇，减少废水中甲醇的含量。

三塔精馏加回收塔工艺流程的主要特点是热能的合理利用：

采用双效精馏方法：

将加压塔塔顶气相的冷凝潜热用作常压塔塔釜再沸器热源。

废热回收：

其一是将天然气蒸汽转化工段的转化气作为加压塔再沸器热源；

其二是加压塔辅助再沸器、预塔再沸器冷凝水用来预热进料粗甲醇；

:

其三是加压塔塔釜出料与加压塔进料充分换热。

2-4实验仪器设备（装置或软件等）

本项目主要包括六部分：

仿真工厂整体框架，

仿真工厂所需仪表机泵，

仿真工厂所需静设备，

中控室硬件及DCS控制系统，

@

设备支撑仿真软件学习系统

机房整体建设

该装置是在约长22m×宽×高10m（一半区域层高15m）的建设场地内，基于煤制甲醇生产工艺，模拟60万t/a煤制甲醇生产全过程，采用德士古气化工艺，该工艺包括气化、变换、净化、甲醇合成和甲醇精馏五个工段，选用无毒、无害物料，符合化工生产要求，实现正常生产过程，满足国家环保标准。

该实训系统所配套的仿真软件如下：

软件名称

品牌型号

/

甲醇工艺3D虚拟现实仿真软件

欧倍尔、

北京/北京欧倍尔软件技术开发有限公司

合成氨3D虚拟现实仿真软件

欧倍尔、

北京/北京欧倍尔软件技术开发有限公司

大型分析仪器3D仿真软件

~

气相色谱仿真软件

欧倍尔、

北京/北京欧倍尔软件技术开发有限公司

核磁共振仿真软件

欧倍尔、

北京/北京欧倍尔软件技术开发有限公司

同步热分析仪仿真软件

欧倍尔、

北京/北京欧倍尔软件技术开发有限公司

化工实训3D仿真软件

3D流体输送综合实训装置仿真软件

欧倍尔、

-

北京/北京欧倍尔软件技术开发有限公司

3D传热过程综合实训装置仿真软件

欧倍尔、

北京/北京欧倍尔软件技术开发有限公司

3D精馏实训装置仿真软件

（

欧倍尔、

北京/北京欧倍尔软件技术开发有限公司

3D吸收与解吸实训装置仿真软件

欧倍尔、

北京/北京欧倍尔软件技术开发有限公司

2-5实验材料（或预设参数等）

>

包含煤制甲醇生产的五个工段

工艺流程叙述：

气化→变换→净化→合成→精制

A.气化系统

a、气化炉系统

来自煤浆槽浓度为%的水煤浆，由高压煤浆泵加压，投料前经煤浆循环阀循环至煤浆槽。

投料后经煤浆切断阀送至主烧嘴的环隙。

空分装置送来的纯度为%的氧气，由控制阀控制氧气压力为～，在准备投料后由氧气调节阀控制氧气流量经氧气上、下游切断阀分别送入主烧嘴的中心管、外环隙。

水煤浆和氧气在工艺烧嘴中充分混合雾化后进入气化炉的燃烧室中，在约、1200℃条件下进行气化反应。

生成以CO和H2为有效成份的粗煤气。

粗煤气和熔融态灰渣一起向下，经过均匀分布激冷水的激冷环沿下降管进入激冷室的水浴中。

大部分的熔渣经冷却固化后，落入激冷室底部。

粗煤气从下降管和导气管的环隙上升，出激冷室去洗涤塔。

在激冷室合成气出口处设有工艺冷凝液冲洗，以防止灰渣在出口管累积堵塞。

由冷凝液冲洗水调节阀控制冲洗水量为23m3/h。

\

激冷水经激冷水过滤器滤去可能堵塞激冷环的大颗粒，送入位于下降管上部的激冷环。

激冷水呈螺旋状沿下降管壁流下进入激冷室。

激冷室底部黑水，经黑水排放阀送入黑水处理系统，激冷室液位控制在60--65%。

在开车期间，黑水经黑水开工排放阀排向沉降槽。

在气化炉预热期间，激冷室出口气体由开工抽引器排入大气。

开工抽引器底部通入低压蒸汽，通过调节预热烧嘴风门和抽引蒸汽量来控制气化炉的真空度，气化炉配备了预热烧嘴。

b、粗煤气洗涤系统

从激冷室出来的粗煤气与激冷水泵送出的激冷水充分混合，使粗煤气夹带的固体颗粒完全湿润，以便在洗涤塔内能快速除去。

水蒸汽和粗煤气的混合物进入洗涤塔，沿下降管进入塔底的水浴中。

合成气向上穿过水层，大部分固体颗粒沉降到塔底部与粗煤气分离。

上升的粗煤气沿下降管和导气管的环隙向上穿过四块冲击式塔板，与冷凝液循环泵送来的冷凝液逆向接触，洗涤掉剩余的固体颗粒。

粗煤气在洗涤塔顶部经过丝网除沫器，除去夹带气体中的雾沫，然后离开洗涤塔进入变换工序。

粗煤气水气比控制在～之间，含尘量小于1mg/Nm3。

在洗涤塔出口管线上设有在线分析仪，分析合成气中CH4、O2、CO、CO2、H2等含量。

在开车期间，粗煤气经背压前阀和背压阀排放至开工火炬来控制系统压力在。

火炬管线连续通入LN使火炬管线保持微正压。

当洗涤塔出口粗煤气压力温度正常后，经压力平衡阀使气化工序和变换工序压力平衡，缓慢打开粗煤气手动控制阀向变换工序送粗煤气。

!

洗涤塔底部黑水经黑水排放阀排入高压闪蒸罐处理。

除氧器的灰水由高压灰水泵加压后进入洗涤塔，由洗涤塔的液位控制阀控制洗涤塔的液位在60%。

工艺冷凝液缓冲罐的冷凝液由工艺冷凝液循环泵加压后经洗涤塔补水控制阀控制塔板上补水流量，另外当工艺冷凝液缓冲罐液位高时，由洗涤塔塔板下补水阀来降低工艺冷凝液缓冲罐液位。

当除氧器的液位低时，由除氧器的补水阀来补充工业水（PW2），用除氧器压力调节阀控制低压蒸汽量从而控制除氧器的压力。

从洗涤塔中下部抽取的灰水，由激冷水泵加压作为激冷水和进入洗涤塔的洗涤水。

气化工段流程图

-

B.变换系统

由气化碳洗塔来的粗水煤气（、232℃）经1＃气液分离器（V201）分离掉气体夹带的水分后，其中一部分进入原料气预热器（E201）与变换气换热至285℃左右进入变换炉（R201）,与自身携带的水蒸气在耐硫变换催化剂作用下进行变换反应，变换气出口CO含量约为％，出变换炉的高温气体（449℃）经原料气预热器（E201）与进变换的粗水煤气换热后，温度降为381℃与另一部分未进入变换炉（R201）的水煤气（约76％）汇合，然后进入1＃低压蒸汽发生器（E202）,副产蒸汽，温度降至200℃之后进入2＃气液分离器（V202），进行气液分离，分离的气体进入2＃低压蒸汽发生器（E203）副产的低压蒸汽，温度降至180℃，然后进入3＃气液分离器进行气液分离，之后气体进入1＃除盐水预热器（E204）最终冷却到40℃进入4＃气液分离器（V204），气液分离器顶部喷入冷密封水洗涤气体中的NH3，然后气体送至净化系统，甲醇合成气。

…

1＃气液分离器（V201）排出的冷凝液送至3＃气液分离器（V203），2＃气液分离器（V202）排出的冷凝液也送至3＃气液分离器（V203），从3＃气液分离器（V203）排出的工艺热冷凝液出口分为两路：

一路通过工艺热冷凝液泵（P201）送至气化工段；另一路送至外界。

变换工段工艺流程图

，

C.净化

\

装置包括：

原料变换气冷却、酸性气体H2S/CO2吸收、甲醇溶液闪蒸再生与有用气体H2、CO等的回收、CO2解吸与CO2产品气回收、H2S浓缩（N2气提）、甲醇溶液热再生与H2S回收、甲醇/水分离、尾气水洗回收甲醇。

来自变换单元的变换气（温度：

40℃，压力：

（G），流量：

97256kg/h），先喷射少量甲醇（流量：

663kg/h），经E301与合成气、CO2气和尾气换热后，温度降至-13℃,并在V301罐分离甲醇/水混合物后，进入吸收塔T301脱硫段，其中T301分为四段，最下段为脱硫段（称为下塔），上面的三段为脱碳段（称为上塔）。

在脱硫段变换气经富含CO2的甲醇液洗涤，脱除H2S、COS和部分CO2等组分后进入脱碳段，进入脱碳段的气体不含硫，在T301塔顶用贫甲醇液（温度：

℃，流量212362kg/h）洗涤。

净化气（CO2≤20PPm，H2S≤PPm，温度：

℃，压力：

（G），流量：

7301kg/h），由塔顶引出送入液氮洗单元。

其中吸收塔T301设有两个中间冷却器E302和E303，用来移走甲醇因吸收CO2所产生的溶解热。

吸收了H2S和CO2后，从T301塔脱硫段出来的含硫富甲醇液经过换热器E304、E305、E306，分别与CO2气、V304罐底甲醇、液氨换热器换热降温再减压至（G）后，在V302罐闪蒸出溶解的氢气、CO气及少量CO2、H2S等气体。

同样，从吸收塔脱碳段出来的不含硫的甲醇液经过换热器E301、E305、E306，分别与来自600单元的合成气、V304罐底甲醇、氨冷器换热降温再减压至（G）后，在V303罐闪蒸出溶解的氢气、CO气及少量CO2等气体。

两部分闪蒸气体混合后排出系统。

从V302罐出来的含硫甲醇减压至MPa（G）后，一部分送入T302塔下部，闪蒸出溶解的CO2，同时溶解的H2S也部分闪蒸出来；另一部分含硫甲醇从V302罐出口直接送入T303塔上段，二者的流量根据CO2产品气量的要求调节。

从V303罐出来的不含硫甲醇液进入T302塔顶，闪蒸出溶解的CO2气，液相部分回到T302塔内洗涤塔内的含硫气体后，在T302塔一层塔盘处，一部分靠压差送入T303塔顶部，另一部分作为回流液，洗涤T302塔二段含硫气体。

T302塔顶得到CO2产品气（36732kg/h），与含硫甲醇及变换气换热后送入产品单元。

从T302塔二层采出的液体靠压差送入T303塔上段下部，再进一步闪蒸出部分溶解的CO2，同时溶解的H2S也部分闪蒸出来，T303塔顶用从T302塔来的不含硫甲醇液洗涤，以吸收气体中的硫化物，塔顶得到不含硫的尾气。

尾气经E308、E301与贫甲醇液、变换气换热升温后，尾气中甲醇含量<190mg/m3，总硫<20mg/Nm3时在50米高度排放。

从T303塔上段下部采出的含硫的甲醇液，作为系统温度最低的冷源用泵P301送至E308、E303与贫甲醇换热升温后进入V304罐，闪蒸出部分溶解的CO2等气体，送入T302塔下部；液体经P302泵送至E305与不含硫甲醇、含硫甲醇，进一步换热升温后也进入T302塔底部，闪蒸出溶解的气体。

从T302塔下部的甲醇，靠压差送入T303塔下段，用气提氮气提后得到CO2含量较低而且温度也较低的甲醇液，用P303泵送至换热器E309与从热再生塔T304来的贫甲醇换热后进入T304塔，经塔釜再沸器E310（采用（G）蒸汽加热）进行热再生，塔底得到贫甲醇，塔顶得到富含H2S的气体（H2S≥25%），送至硫回收单元。

*

贫甲醇从T304塔釜采出，经E309、E308换热降温至℃后，送到吸收塔T301顶部，作为T301塔洗涤甲醇。

T304塔顶得到的H2S浓度较高的气体，经过水冷器E311冷却后，进入到V305罐中，气液分离后，液相用P306泵送回T404作为回流液，气相回到T503塔下塔。

T304塔底的甲醇液经过P305泵后，经V301罐来的甲醇/水混合液换热后，进入T305塔顶部。

从V301罐分离出来的含水甲醇还含有CO2，经E512换热后进入到甲醇/CO2闪蒸罐V306分离后，气相返回到T303塔下塔，液相送入甲醇水分离塔T305中部；从尾气水洗塔T306塔底来的含有少量甲醇的水溶液也进入T305塔中部。

来自V301罐甲醇/水混合液、T304塔底的甲醇液及T306塔底来的含有少量甲醇的水溶液进入T305塔，进行甲醇/水分离（塔釜再沸器E313，用蒸汽加热），得到较纯的甲醇蒸汽，被送回T304塔。

T305塔底得到废水，排至水处理单元。

净化工段工艺流程图：

】

D.甲醇合成

甲醇合成装置仿真系统的设备包括循环气压缩机（C401）、甲醇分离器（V402）、中间换热器（E401）、冷却器（E402）、甲醇合成塔（R401）、蒸汽包（V401）以及开工喷射器（X401）等。

甲醇合成是强放热反应，进入催化剂层的合成原料气需先加热到反应温度（>210℃）才能反应，而低压甲醇合成催化剂（铜基触媒）又易过热失活（>280℃），就必须将甲醇合成反应热及时移走，本反应系统将原料气加热和反应过程中移热结合，反应器和换热器结合连续移热，同时达到缩小设备体积和减少催化剂层温差的作用。

低压合成甲醇的理想合成压力为，在本仿真中，假定压力低于时反应即停止。

蒸汽驱动透平带动压缩机运转，提供循环气连续运转的动力，并同时往循环系统中补充H2和混合气（CO+H2），使合成反应能够连续进行。

反应放出的大量热通过蒸汽包V401移走，合成塔入口气在中间换热器E401中被合成塔出口气预热至46℃后进入合成塔R601，合成塔出口气由255℃依次经中间换热器E401、冷却器E402换热至40℃，与补加的H2混合后进入甲醇分离器V402，分离出的粗甲醇送往精馏系统进行精制，气相的一小部分送往火炬，气相的大部分作为循环气被送往压缩机C401，被压缩的循环气与补加的混合气混合