最新年产20万吨煤制醋酸的工艺过程设计讲课讲稿.docx
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最新年产20万吨煤制醋酸的工艺过程设计讲课讲稿
分类号：
TQ54单位代码：
108
密级：
一般学号：
1080709014023
本科毕业论文（设计）
题目:
20万吨/年煤制甲醇工艺过程设计
专业：
化学工程与工艺（煤化工方向）
姓名：
刘志琴
指导老师：
高晓明
职称：
讲师
答辩日期：
二Ｏ一三年五月二十五日
延安大学学士学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
作者签名：
日期：
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保密论文注释：
本学位论文属于保密范围，在2年解密后适用本授权书。
非保密论文注释：
本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。
作者签名：
日期：
导师签名：
日期：
20万吨/年煤制甲醇工艺过程设计
摘要：
甲醇是重要的有机化工产品与原料，替代燃料已成为一种必然趋势，甲醇的需求大幅度上升。
本论文进行了20万t/a的煤制合成气合成甲醇的设计。
通过对各工艺流程各方法进行对比分析，采用了干粉煤气流床气化工艺造气，低温甲醇洗工艺净化合成气体，低压下利用列管均温合成塔合成甲醇，三塔精馏工艺精制甲醇工艺过程，并对各工艺过程进行了物料衡算、热量衡算、工艺论证以及主要设备的选型计算。
此外本论文以减少投资为原则，充分利用废热，降低能源消耗。
关键词：
煤炭气化；合成气；甲醇合成；工艺流程；物料衡算；热量衡算
TheDesignofProcessof200000Tons/AnnumMethanol
Abstract:
Methanolwastheorganicchemicalproductsandimportantrawmaterials.Thedemandofmethanolwasgreatlyincreasedduetoalternativefuelshasbecomeaninevitabletrend.Thispaperisthedesignofprocessof200000t/amethanolsynthesizedbycoalsynthesisgas.Comparatedtosynthesisprocessofmethanol,thegasflowbedwasselected,thelow-temperaturemethanolwashprocesspurificationofsynthesisgas,tubularaverage-temperaturereactionwasutilizedtosynthesizemethanolkeepinginlowpressure,therectificationcraftofthreetowerswasutilizedtorectifymethanol,andtheprocessoftheselectioncalculationofmaterialbalance,heatbalance,technologydemonstrationandmainequipment.Inaddition,theprincipleofthedesigninlinewithreducingtheinvestment,fullyutilizeusedheat,reducingenergyconsumption.
Keywords:
coalgasification;synthesisgas;methanolsynthesis;processflow;materialbalance;heatbalance
第一章总论
1.1概述
1.1.1甲醇性质
甲醇俗称木醇，分子式CH3OH。
是一种无色、透明、易燃、有毒、易挥发的液体，略带酒精味。
能与水、乙醇、乙醚、苯、酮类和大多数其他有机溶剂混溶；蒸气与空气形成的混合物易爆炸。
化学性质较活泼，能发生氧化、酯化、羰基化等化学反应。
甲醇的性质见表1.
表1甲醇的性质
摩尔质量
32.04
沸点（℃）
64.7
熔点（℃）
-97.8
折光率（20℃）
1.3287
饱和蒸汽压（kPa）
12.265（20℃）
燃烧热（kJ/mol）
726.5
闪点（℃）
16
引燃温度（℃）
473
爆炸上限（V%）
36.5
爆炸下限（V%）
6.0
相对空气密度（空气=1）
1.11
粘度（mPa•s）
0.5945（20℃）
1.1.2甲醇用途
甲醇有很多用途，它是生产塑料、合成橡胶、农药和医药的原料。
甲醇主要用于生产甲醛，消耗量要占到甲醇总产量的一半，甲醛则是生产各种合成树脂不可少的原料。
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、药品、农药、炸药、香料、喷漆的原料，目前用甲醇合成乙二醇、乙醛、乙醇也日益受到重视。
甲醇也是一种重要的有机溶剂，其溶解性能优于乙醇，可用于调制油漆。
作为一种良好的萃取剂，甲醇在分析化学中可用于一些物质的分离。
甲醇还是一种很有前景的清洁能源，甲醇燃料以其安全、廉价、燃烧充分，利用率高、环保的众多优点，替代汽油已经成为车用燃料的发展方向之一；另外燃料级甲醇用于供热和发电，也可达到环保要求；也可以从甲醇出发合成乙醇，然后进行乙醇脱水生产乙烯，代替石油生产乙烯的原料路线。
以甲醇为原料还可以合成人造蛋白，是很好的禽畜饲料。
1.2设计的目的和意义
我国是一个相对少气、缺油、煤炭资源相对丰富的国家，充分利用资源优势，取得最大效益，是国家一直在努力解决的问题。
近年来，我国能源问题日益突出，甲醇作为重要的化工产品与原料，并定位于未来清洁能源之一，随着世界石油资源的减少和甲醇生产成本的降低，发展使用甲醇等新的替代燃料，煤制甲醇是石油替代的最优选择，这已成为一种趋势。
从我国能源需求及能源环境的现实看，生产甲醇为新的替代燃料，减少对石油的依赖，也是大势所趋。
大力发展煤化工，合理开发利用煤炭资源已成共识。
发展煤制甲醇，以煤代替石油，是国家能源安全的需要，也是化学工业高速发展的需求。
通过设计可以巩固、深化和扩大所学基本知识，培养分析解决问题的能力；还可以培养创新精神，树立良好的学术思想和工作作风。
通过完成设计，基本掌握煤制甲醇的生产工艺，以及甲醇工业的发展趋势。
1.3设计的依据
1.3.1设计题目
20万吨/年煤制甲醇的化工工艺过程设计
1.3.2设计的基础资料
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设计任务
（1）工艺方案的选择及论证
（2）工艺流程的设计
（3）编制物料衡算、热量衡算
（4）主要设备计算与选型
1.5原料煤规格
原料煤的元素分析为：
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。
第二章工艺流程的确定
煤制甲醇的工艺流程主要包括煤气化、合成气净化、甲醇合成和甲醇精馏。
首先将原料煤气化为合成气；然后通过变换和脱硫脱碳工艺将合成气转化为满足甲醇合成条件的原料气；第三步就是甲醇的合成，将原料气加压加温到一定条件后输入等温反应器，在催化剂的作用下合成甲醇，生成的粗甲醇送入精馏塔精馏，得到精甲醇。
2.1煤气化技术路线的选择
煤气化按气化反应器的形式，气化工艺可分为固定床、流化床、气流床三种。
2.1.1固定床气化
固定床气化一般使用块煤或煤焦为原料，筛分范围为6mm～50mm，煤或煤焦与气化剂在炉内进行逆向流动，固相原料由炉上部加入，气化剂自气化炉底部鼓入，含有残炭的灰渣自炉底排出。
炉内温度分布曲线在氧化层出现最高点，生成气中含有可观量的挥发气。
典型的气化炉为鲁奇（Lurgi）炉。
固定床气化，是目前世界上用于生产合成气的主要方法之一。
在大型煤制甲醇的装置中，固定床的优点是投资低，可是它有很多不足：
（1）对原料煤的黏结性有一定要求；
（2）气化强度低；（3）环境污染负荷大，治理较麻烦。
2.1.1流化床气化
加入炉中的原料煤粒度一般为3mm~5mm左右，这些细粒煤料在自下而上的气化剂的作用下保持着连续不断和无秩序地沸腾和悬浮状态运动，迅速地进行着混合和热交换，其结果导致整个床层温度和组成的均一，解决了固定床气化需用煤的限制，同时导出的煤气中基本不含焦油类物质，但热解时，挥发分很易逸出，粒子不发生很大膨胀，原料粒度太细及颗粒间的摩擦形成细粉，则易使产生的煤气中带出物增多。
它的缺点是：
（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）对煤的气化活性要求高，仅适合于气化褐煤和高活性的烟煤。
（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
将粉煤用气化剂输入炉中，以并流方式在高温火焰中进行反应，其中部分灰分以熔渣方式分离出来，反应可在所提供的空间连续地进行，炉内温度很高。
所产生的煤气和熔渣在接近炉温的条件下排除，煤气中不含焦油等物质，部分灰分结合未反应的燃料可能被产生的煤气所携带出来。
气流床气化优点很多，它是针对流化床的不足开发的。
气流床气化具有以下特点：
（1）生产能力大
（2）采用<0.2mm的粉煤。
（3）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。
（4）气化压力可达3.5～6.5MPa，可大大节省合成气的压缩功。
（5）碳转化率高，均大于90%，能耗低。
（6）气化强度大。
（7）但投资相对较高，尤其是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。
本设计采用气流床气化。
目前，常用的、技术较成熟的气流床主要有干粉和水煤浆两种。
干粉气流床：
该技术的特点是碳的转化率高，气化反应中，所产煤气中CO含量高，H2含量较低，这种煤气的热值较高。
另外，这种气化炉均采用水冷壁而不是耐火砖，炉衬的使用寿命长。
水煤浆气流床：
水煤浆气化技术的特点是煤浆带35%~40%水入炉，因此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，碳的转化率低，有效气体成份（CO+H2）低；对煤有一定要求，如要求灰分<13%，灰熔点<1300℃，含水量<8%等，虽然具有气流床煤气化的共同优点，仍是美中不足。
通过比较可知道20万吨/年煤制甲醇的煤气化的应该优先考虑干粉煤气化。
设计采用的是干粉气流床。
2.2净化工艺方案的选择
从国内外煤气化装置中所采用的变换和脱除酸性气体的工艺来看，煤气净化工艺主要有低温甲醇洗技术（Rectisol）和聚乙二醇二甲醚法（NHD）。
2.2.1低温甲醇洗技术
低温甲醇洗工艺是采用物理吸收法的一种酸性气体净化工艺。
该工艺使用冷甲醇作为酸性气体吸收液，利用甲醇在-60℃左右的低温下对酸性气体溶解度极大的物理特性，同时分段选择性地吸收原料气中的H2S、CO2及各种有机硫等杂质。
国内已有多套大型酸性气体净化装置采用了低温甲醇洗工艺，有的装置已运行近20年，在设计、施工、安装、操作等方面都积累了丰富的经验。
2.2.2NHD技术
NHD法是南化集团研究院和天辰化学工程公司等单位联合开发成功的新技术，属于物理吸收净化技术。
其对CO2、H2S等均有较强的吸收能力，但对COS的吸收能力较弱。
NHD净化可将CO2体积分数脱至0.1％以下，H2S体积分数小于1.0×10-6。
一般在NHD净化后增加精脱硫装置，这样才能保证合成气中含硫体积分数小于1.0×10-7。
2.2.3低温甲醇洗与NHD工艺的比较
低温甲醇洗工艺技术成熟可靠、能耗较低、气体净化度高，可将合成气中的CO2体积分数脱至1.0×10-5以下，H2S体积分数小于1．0×10-7。
，而且溶剂吸收能力大、循环量小、能耗省、价格便宜。
此外，操作费用低亦是此法的优越性所在。
该法缺点是在低温下操作，设备对低温材料要求较高，整个工艺投资较高。
NHD技术虽然对CO2、H2S等均有较强的吸收能力，可将合成气中CO2体积分数脱至0.1％以下，H2S体积分数小于1.0×10-6。
但该工艺对COS吸收能力差，需增加水解装置，而且脱硫和脱碳必须分开，从而使流程变得复杂。
另外，其溶剂昂贵，吸收能力比甲醇低，因此溶剂循环量大，操作费用较高。
该法的优点在于对设备无腐蚀，可采用碳钢设备，整个工艺投资较少。
表3低温甲醇洗和NHD工艺相对值的比较
项目
低温甲醇洗
NHD
蒸汽
1.0
1.0
循环水
1.0
4.5
冷冻量
1.6
1.0
电
1.0
4.5
有效气损失
1.0
3.0
气提气（N2）
1.0
4.0
投资
1.4
1.0
从表3中可以看出，虽然NHD的投资低于低温甲醇洗，但其运行费用较高。
低温甲醇洗在国内具有丰富的生产操作经验，除部分低温材料需引进外，设备设计和制造等均可在国内解决。
NHD工艺最主要的问题是项目规模大，溶液循环量大，液相管道较粗，因此配管和支撑等工程问题难以解决。
本设计采用低温甲醇法。
2.3合成甲醇工艺的选择
合成甲醇工艺中最重要的工序是甲醇的合成，其关键技术是合成甲醇催化剂和反应器。
2.3.1反应器的选择
目前国内外使用的甲醇合成塔主要有冷激式合成塔、冷管式合成塔、水管式合成塔、固定管板列管式合成塔和多床内换热式合成塔。
冷激式合成塔碳转化率和出塔甲醇浓度低，循环量大，能耗高，不能副产蒸汽，已基本淘汰：
冷管式合成塔碳转化率较高但仅能在出塔气中副产0.4MPa的低压蒸汽，大型装置中很少采用；水管式合成塔将床层内的传热管由管内走冷气改为走沸腾水，较大地提高传热系数，更好地移走反应热，缩小传热面积，能多装催化剂，同时可副产2.5MPa~4.0MPa的中压蒸汽，是大型化较理想的塔型，在国外60万t以上大型装置广为采用；固定管板列管合成塔是一台列管换热器，催化剂在管内，壳程是沸腾水，将反应热用于副产3.0MPa~4.0MPa的中压蒸汽，由于列管需用特种不锈钢，因而造价最高；多床内换热式合成塔由大型氨合成塔发展而来，目前氨合成塔均采用三床（四床）内换热式合成塔。
合成塔的选用原则一般为：
反应能在接近最佳温度曲线条件下进行，床层阻力小，需要消耗的动力低，合成反应的反应热利用率高，操作控制方便，技术易得，装置投资要底等。
综上所述和借鉴大型甲醇合成企业的经验，（大型装置不宜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应接近最佳温度操作线，反应热利用率高，虽然设备复杂、投资高，但是由于这种塔在国内外使用较多，具有丰富的管理和维修经验，技术也较容易得到；外加考虑到设计的是年产20万吨的甲醇合成塔塔的塔径和管板的厚度不会很大，费用也不会很高，所以本设计采用了固定管板列管合成塔。
2.3.2催化剂的选用
2.3.2.1甲醇合成催化剂
合成甲醇工业的进展，很大程度上取决于新催化剂的研制成功以及质量的改进，广泛使用的合成甲醇催化剂主要有两大系列：
一种是以氧化铜为主体的铜系催化剂，一种是以氧化锌为主体的锌系催化剂。
锌系催化剂机械强度好.耐热性好，对毒物敏感性小，操作的适宜温度为320～400℃，压力为25～32MPa（寿命为2～3年）；铜系催化剂具有良好的低温活性，较高的选择性，通常用于低、中压流程；耐热性较差，对硫、氯及其化合物敏感，易中毒。
操作的适宜温度为230～280℃，压力为5～15MPa（一般寿命为2～3年）。
通过操作条件的对比分析，可知使用铜基催化剂可大幅度节省投资费用和操作费用，降低成本。
随着脱硫技术的发展，使用铜基催化剂己成为甲醇合成工业的主要方向，锌基催化剂已于80年代中期淘汰。
因此本设计采用铜系催化剂。
2.3.2.2合成工序工艺操作条件
为了减少副反应，提高甲醇产率，除了选择适当的催化剂外，选定合适的温度、压力、空速及原料组成也是很重要的。
采用铜系催化剂时，适宜的反应温度为230~280℃；适宜的反应压力为5.0~10.0MPa。
为使催化剂有较长的寿命，一般在操作初期采用较低温度，反应一定时间后再升至适宜温度，其后随着催化剂老化程度增加，相应的提高反应温度。
由于合成甲醇是强放热反应，需及时移出反应热。
否则易使催化剂温升过高，不仅影响反应速率，且会增大副反应，甚至导致催化剂因过热溶结而活性下降。
本设计入塔压力为5.14MPa，入塔温度为225℃。
合成甲醇反应器中空速的大小将影响选择性和转化率，直接关系到生产能力和单位时间放热量，首先甲醇合成塔内的气体空速必须满足催化剂的使用要求，国产铜基催化剂，一般要求气体空速在8000～20000h-1之间。
空速过低，结炭等副反应加剧，空速过高，系统阻力加大或合成系统投资加大，能耗增加，催化剂的更换周期缩短。
空速的选择需要根据每一种催化剂的特性，在一个相对较小的范围内变化。
本设计空速定为12000h-1.
合成甲醇原料气n（H2）/n（CO）的化学反应物质的量之比为2:
1。
CO含量高不仅对温度控制不利，而且引起催化剂上集聚羰基铁，使催化剂失活，低CO含量有助于避免此问题，故一般采用H2含量n（H2）/n（CO）比为2.0~3.0。
氢气过量，可改善甲醇质量，提高反应速度，有利于导出反应热。
2.4粗甲醇的精馏
在甲醇合成时，因合成条件如压力、温度、合成气组成及催化剂性能等因素的影响，在产生甲醇反应的同时，还伴随着一系列的副反应。
所得产品除甲醇外，主要含有两类杂质：
一类是溶于其中的气体和易挥发的轻组分，如H2、CO、CO2气体，二甲醚、乙醛、丙酮和甲酸甲酯等；另一类是难挥发的重组分，如乙醇、高级醇和水分等。
由于甲醇作为有机化工的基础原料，用它加工的产品种类很多，因此对甲醇的纯度均有一定的要求，所以粗甲醇必须提纯。
2.4.1精馏原理
甲醇精馏是多个简单蒸馏的组合。
由于液体混合物中所含组分的沸点不同，当其在一定温度下部分气化时，低沸点物在气相中的浓度高于其在液相中的浓度，反之液相中高沸点物的浓度较高，这就改变了气液两相的组成。
当对部分气化所得的蒸汽进行部分冷凝时，因高沸点物易于冷凝，使冷凝液中高沸点物浓度较高，未冷凝气中低沸点物的浓度较高。
如此不断地气化、冷凝，最后使混合液中的组分几乎以纯甲醇组分被分离出来。
2.4.2精馏工艺的选择
目前，国内甲醇精馏工艺主要分为双塔精馏工艺、带有高锰酸钾反应的精馏工艺和三塔精馏工艺。
带有高锰酸钾反应的精馏工艺需要对粗甲醇中的还原性物质进行处理后再精馏，工艺复杂，该工艺主要用于对甲醇质量要求相当严格的场合。
由于双塔精馏和三塔精馏工艺完全能够保证工业上对精甲醇质量的要求，因此一般不必采用带高锰酸钾反应的精馏工艺。
下面就甲醇生产的最终工序粗甲醇的双塔精馏和三塔精馏进行剖析和比较。
2.4.2.1双塔精馏工艺
国内中、小甲醇厂大部分都选用双塔精馏工艺传统的主、预精馏塔几乎都选用板式结构。
双塔精馏工艺流程见下图。
来自合成工段含醇90%的粗甲醇，经减压进入粗甲醇贮槽。
经粗甲醇预热器加热到45℃后进入预精馏塔。
甲醇的精馏分2个阶段：
先在预塔中脱除轻馏分，主要是二甲醚；后进入主精馏塔，进一步把高沸点的重馏分杂质脱除，主要是水、异丁基油等。
从塔顶或侧线采出,经精馏甲醇冷却器冷却至常温后，就可得到纯度在99.9%以上的符合国家指标的精甲醇产品。
该工艺具有流程简单，运行稳定，操作方便，一次投资少的特点。
该工艺适合于原料粗甲醇中二甲醚等轻组分、还原性杂质量较低的粗甲醇加工。
1预精馏塔；2主精馏塔
图1甲醇双塔工艺流程
2.4.2.2三塔精馏工艺
近年来，许多企业原有甲醇双塔精馏装置己不能满足企业的需要。
随着生产的强化，不仅消耗大幅度上升，而且残液中的甲醇含量也大大超过了工艺指标。
对企业的达标排放构成了较大的威胁。
甲醇三塔精馏工艺技术是为了减少甲醇在精馏过程中的损耗，提高甲醇的收率和产品质量而设计的。
预精馏塔后的冷凝器采用一级冷凝，用以脱除二甲醚等低沸点的杂质，控制冷凝器气体出口温度在一定范围内。
在该温度下，几乎所有的低沸点馏分都为气相，不造成冷凝回流。
脱除低沸点组分后，采用加压精馏的方法，提高甲醇气体分压与沸点，减少甲醇的气相挥发，从而提高了甲醇的收率。
作为一般要求的精甲醇经加压精馏塔后就可以达到合格的质量。
如作为特殊需要，则再经过常压精馏塔的进一步提纯。
生产中加压塔和常压塔同时采出精甲醇，常压塔的再沸器热量由加压塔的塔顶气提供，不需要外加热源。
粗甲醇预热器的热量由精甲醇提供，也不需要外供热量。
因此.该工艺技术生产能力大，节能效果显著，特别适合较大规模的精甲醇生产。
图2三塔工艺流程
1预精馏塔2加压精馏塔3常压精馏塔
2.4.2.3双塔与三塔精馏技术比较
表4双塔精馏与三塔精馏的投资与操作费用比较表
项目
双塔精馏
三塔精馏
生产规模t/a
10
5
2.5
10
5
2.5
投资
100
100
100
113
122.3
129
操作费用
100
100
100
64
66.7
71
能耗
100
100
100
60
60.4
61.2
注：
投资、操作费用、能耗为相对数
通过上表比较可知，虽然三塔精馏技术的一次性投入要比双塔精馏高出20%~30%,但是从能源消耗、精甲醇质量上都要优于双塔精馏，特别是能耗低的优点十分突出。
随着三塔精馏生产规模的扩大，能耗还有进一步下降的空间。
而双塔精馏技术仅在生产规模低于5万t/a时具有一定得优势。
本设计中甲醇产量为20万t/a，远大于5万t/a，综合考虑各项因素，所以设计采用三塔精馏工艺。
2.4.2.4精馏塔的选择
甲醇精馏的工序关乎到产品的质量、能源消耗等问题，而精馏塔是精馏中的重要设备。
传统的精馏塔在使用当中，由于自身结构复杂、操作困难，而且传热效果差，所以导致产品的质量存在很大的问题。
随着对甲醇精馏要求的不断增加，新开发出的填料塔在精馏装置中的使用，可以降低能耗，提高产品的质量。
在目前的化工产业中，大部分的甲醇精馏都是采用了填料塔，内部采用了不锈钢的处理工艺，同时还安装了新型的气液分离器，所以就能够避免在精馏的过程中发生“壁流”的现象。
在实际的使用当中，传热效率高，而且维护和检修都非常的方便，与传统的板式塔相比，整体的高度降低了三分之一，但是设备的成本比较高。
填料塔使用较普遍，技术非常成熟，所以设计选用了填料塔。
2.4.2.5生产工艺参数
预塔：
入塔温度65℃，塔顶放空温度40℃，预精馏后甲醇比重维持在0.87，预精馏后甲醇pH值宜控制在8；加压塔：
塔底釜液压强
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