60万ta煤制甲醇项目co变换工段初步设计毕业设计.docx

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60万ta煤制甲醇项目co变换工段初步设计毕业设计

摘要

本设计是年产60万吨煤制甲醇项目一氧化碳变换工段的初步设计。

它的主要任务是调整C/H比，以满足后续的合成需求。

本设计以非饱和塔型全低温耐硫不完全变换为基础，采用钴钼系催化剂对来自煤直接气化的粗煤气进行CO变换。

设计的原则是技术先进、工艺成熟、经济合理、安全环保，在充分论证国内外各种先进生产方法、工艺流程和设备配置基础上，选用煤气化来的粗煤气进行CO变换，设计的内容包括生产工艺设计论证、工艺计算、设备设计选型及流程图、平面布置图、设备图的绘制；此外，在设计中充分考虑环境保护和劳动安全等非工艺部分。

最后通过经济评估，本设计能够达到要求的经济效益。

关键词：

煤制甲醇CO变换碳氢比

Abstract

Thisdesignistheannualoutputof60milliontonsofcoalmethanolcarbonmonoxideshiftconversionsectionofthepreliminarydesign.ItsmaintaskistoadjusttheC/Hratio,thesynthesisofthefollow-uptomeetdemand.Thedesignprocessfortheworkofallnon-saturatedlow-temperaturesulfur-toleranttowerisnotcompletelytransformedintodiscussion,theuseofcobalt-molybdenumcatalystsGasificationofcoaldirectlyfromcoalgasforCOconversion.

Designprinciplesaretechnologicallyadvanced,maturetechnology,economical,safeenvironment,fullydemonstratedathomeandabroadinavarietyofadvancedproductionmethods,processanddeviceconfigurationbasedontheuseofcoalgasificationtotransformthecrudegastoCO,thedesignincludesproductionprocessdesignargument,processcalculation,equipmentselectionanddesignofflowcharts,floorplans,equipment,mapping;Inaddition,fullconsiderationinthedesignofenvironmentalprotectionandlaborsafetyandothernon-processpart.Finally,economicevaluation,designedtomeettherequirementsoftheeconomicbenefits.

Keywords:

coaltomethanolcarbonmonoxidetransformratioofcarbonandhydrogen

第1章总论

1.1概述

1.1.1煤制甲醇的可行性

甲醇的原料来源早期是木材。

木材的主要成分是纤维、半纤维和木质素。

把木材置入密闭的设备中，隔绝空气加热可生成木炭、一氧化碳、甲醇、醋酸等产品。

随着木材资源的愈来愈宝贵，各国科学家都在寻求制造甲醇的新方法和新原料。

1923年德国开发出在高温、高压以及锌络催化剂的作用下，用CO和H2合成甲醇的方法,并实现了工业化生产。

随着技术的进步和研究的深入，中温、中压催化合成和低温低压催化合成甲醇等新技术和新工艺，节约了能耗，扩大了单系列装置的生产能力，为煤制甲醇的产业化、规模化提供了技术基础。

50年代初，石油的大量发现和开发，天然气成为制取甲醇的主要原料，煤制甲醇技术一度停滞。

但随着时间的推移，70年代的石油危机和现今的原油价格的直线飚升，给依赖石油和天然气生产甲醇带来了困难，因而甲醇原料的来源又转向了蕴藏丰富、价格低廉的煤炭资源，而且任何品种的煤，都可生产甲醇。

在科学技术的不断进步下，更新改造的新型气化炉（水煤浆加压气化的德士古炉、粉煤加压气化的谢尔炉等）为各种煤的气化提供了先进的设备；液相超临界萃取、纳米高活性高选择性催化剂，为提高甲醇转化率和甲醇下游产品的合成提供了技术条件；甲醇汽车的研制成功和逐步推广，为煤制甲醇提供了巨大的潜在市场。

因此，煤炭成为生产甲醇的主要的、可靠的、经济的原料，煤制甲醇在经济和技术上都是可行的[1]。

1.1.2设计的目的和意义

1.设计目的

变换工段的主要目的：

（1）调节氢碳比使（H2-CO2）/（CO+CO2）=2左右。

是指甲醇合成时新鲜合成气的氢碳比，也就是净化之后、合成之前的氢碳比，该比例的达到还要借助于净化工段二氧化碳的吸收、排除（以水煤浆等煤气化的）或补充（以焦炉煤气或天然气为原料的），单是在变换工段达不到此比例。

（2）将合成气中的有机硫变成无机硫（H2S）更有利于其吸收。

2.设计意义

变换工段的主要意义：

变换在煤化工行业中无论是甲醇还是合成氨都是必须的，因为造气不可能没有CO，对于合成氨和甲醇来说这种气体的成分是有限制的。

所以大多会结合自己工艺的特点选择深度和浅度变换。

对于甲醇厂或联醇单位由于适当的CO可以增加企业效益以及节约蒸汽，降低产品的能耗，以及耐硫低变催化剂的工业化生产，所以现在全低变工艺比较流行。

不过在实际的生产中，如果是联醇，如果甲醇工号的触媒活性好，同时甲醇市场特别好，比如前段时期，甲醇价格到4000左右时，可以适当降低变换负荷，提高出口的CO，增加甲醇产量，来达到最大的企业利益。

1.1.3变换气的要求

由水煤浆、天然气、渣油、制取的粗原料气中，总是含有一定量的CO，例如，水煤浆、重油气化制得的半水煤气含一氧化碳40%～45%，天然气蒸汽转化法制得的半水煤气含一氧化碳12%～14%，固体燃料气化制得的半水煤气含一氧化碳25%～40%,但因原料气的用途不同，对CO的含量要求也不同。

这就需要通过一氧化碳变换工艺来调整原料气中CO的比例。

一氧化碳变换是指一氧化碳与水蒸气反应生成氢气的过程。

即

CO+H2O→CO2+H2+41.17KJ/mol

反应后的气体称为变换气。

这样，既能把一氧化碳变为易于清除的二氧化碳，同时又能制得与反应了的一氧化碳等摩尔的氢，而所消耗的只是廉价的水蒸气。

工业上CO变换反应都是在催化剂存在条件下进行，六十年代以前，在合成氨工业中，都是将原料气中的H2S和SO2等硫化物在被脱除的情况下，用以Fe2O3为主体的催化剂，在350℃～550℃的条件下进行变换反应，但约有2%～4%的CO存在于变换气中。

六十年代以后，研究出了活性更高的一氧化碳变换催化剂，但这些催化剂的抗毒性差。

随着渣油、水煤浆气化工艺的发展，针对直接回收热能的激冷流程，如果仍然用传统的先脱硫、后脱碳的方法，势必将以蒸汽状态回收的大量热能损失掉。

为了充分发挥利用水煤浆气化反应热，有必要使一氧化碳变换直接串于水煤浆加压气化制取原料气之后，而将硫在一氧化碳变换之后脱除。

因而开发了活性更高的以Co-Mo系为主体的中温变换催化剂，操作温度在220℃～450℃的条件下进行变换反应[2]。

1.2工艺比较

随着甲醇应用市场的开拓，化工企业对甲醇生产的投入逐步加大，旧装置的改造、新装置的建成，甲醇产量日益增加。

从1912年将铁系催化剂应用于变换反应，从而实现工业化生产，它在工业上的应用显得更为重要。

开始人们只不过把变换得氢气用于点灯、焊接、冶炼等方面。

随着合成氨、合成甲醇、合成汽油等工业的发展，变换反应就成为制备廉价氢气和调节CO和H2的比例的主要方法和手段。

20世纪80年代中期以前，国内设计的变换工艺均为中温（高温）变换，随着1986-1987年湖北省化学研究院和上海化工研究院相继开发出CO-MO系低温催化剂，变换工艺发展为中串低，现在又发展中低低工艺，使得变换工段进行变革有了物质基础。

传统的变换工艺全部使用Fe-Cr系中变催化剂，由于起活温度高（一般为280-300℃），因此该工艺存在能耗高及净化度低等问题。

为了改变这种状况，经过近20年的不断开发与工业实践，以下两类较为先进的中变串低变和全低变工艺已基本取代了传统的高温变换工艺[3]。

实际上中低低是全低变工艺上得一种改良，因全低变需要有脱氧、脱水的保护层，而中低低工艺可避免全低变的这样的要求。

因此，现在大多数企业使用的是节能的中低低工艺或是全低变工艺，而且多数中小氮肥厂使用的是热水塔流程，大，中化肥厂使用的是换热器流程。

我国是煤丰富的国家,甲醇原料采用天然气和煤的较多。

目前产量几乎各占一半。

生产工艺有单产甲醇和联产甲醇两种。

联产甲醇除在合成氨装置联产甲醇外,还可利用化工厂尾气或结合城市煤气联产甲醇。

1.2.1全低变工艺

1.高串低或高低低工艺

流程设置原理

由于一氧化碳变换反应是放热反应，显然低温有利于反应的进行和节能降耗，催化剂的终态温度又是反应的键因素和设计的重要技术指标。

当变换气中CO含量为3%时，终态温度与蒸汽用量的关系见表1-1。

表1-1变换气中CO为3%时不同温度下蒸汽用量

出口温度（℃）

220

250

300

350

400

入炉汽气比（R）

0.307

0.338

0.424

0.569

0.794

入炉蒸汽用量（kg﹒t）

838.8

925.5

1158.4

1554.6

2169.4

显然，变换反应出口温度愈低，对平衡愈有利，蒸汽用量也愈低。

传统的变换流程为高温变换工艺，在流程设置上一般是一个变换炉，炉内装填Fe—Cr系催化剂，分两段或三段，半水煤气从上到下依次通过各段催化剂后即完成变换过程，变换炉入口温度一般控制在300～420℃。

由于催化剂的终态温度较高，蒸汽消耗也就很大。

为此利用Co-Mo系催化剂的低温活性好的性能开发了部分低温变换工艺，在原高变降温后串上Co-Mo催化剂的高串低工艺，根据催化剂的低温性能，低变炉（段）入口气体温度一般可控制在180～230℃左右，出口在210～260℃。

这样由于催化剂的终态温度降低，可以减少蒸汽添加量，达到节能效果。

低变后气体中一氧化碳含量比传统的中变工艺可降低一个百分点，从而减轻了后工段（如铜洗）净化负荷。

另外，由于变换率的提高，合成氨的产量可相对增加。

显然Co-Mo催化剂的低温性能愈好，进口温度愈低，其节能效果也愈好。

2.高串低

在高变后串一个低变炉（段）也称高串低。

中变炉有冷激则低变炉可直接串在主热交换器后；中变炉有中间换热则在主热交换器后配置一个调温水加热器，再串上低变炉。

该法处理简单，可随时进行，将低变炉、调温水加热器配置好，并入系统即可。

该流程也称为炉外串低变。

另一种高串低是将高变炉的第三段作低变段用，将主热交位置从三段移至二段出口，一、二段为水冷激则热交出口直接进三段（低变段），否则增设一个调温水加。

该法省去一个低变炉．投资省，但改造费时，需要在大修时进行。

由于高变催化剂的空速较大，要注意对高变催化剂的维护，该流程也称为炉内串低变。

中串低工艺串一个低变炉（段）也称中串低，在原中变炉的后面串上一个低变炉，中变炉有冷激可直接串在主热交换器后，中变炉为中间换热则在主热交后配置一个调温水