甲醇合成工艺PPT课件.ppt

甲醇工艺学 矿业与环境工程学院 罗乐 1 焦炉煤气制甲醇 甲醇性质 用途和市场甲醇生产工艺原理焦炉煤气的精制甲醇合成工艺原理甲醇合成工艺流程甲醇合成工艺条件关于补碳安全相关知识 2 甲醇的发现 水解 锌铬催化剂 1966英 1857法 1661英 300吨 年 高压 1923德 铜催化剂低压 甲醇 木醇或木精 甲醇 甲醇 甲醇 8 1甲醇性质 用途及市场 3 我国甲醇工业 高压法锌铬 50年代 60至70年代 中压法铜 70至80年代 低压法铜 90年代 兰州 吉林 太原 渣油 上海吴泾化工厂 焦炭和石脑油 山东齐鲁石化公司 渣油 四川维尼纶厂 乙炔尾气 低压法铜 上海焦化厂 中小氮肥厂联醇 甲醇 4 甲醇作为有机化工原料 是一种大宗有机化学品 仅次于乙烯 丙烯和苯 主要用来生产甲醛 甲基叔丁基醚 MTBE 醋酸 甲酸甲酯 氯甲烷 甲胺 硫酸二甲酯 丙烯酸甲酯和二甲醚等有机化工产品 甲醇还是一种重要的有机溶剂 可以掺入汽油或者直接作为燃料 近年来随着甲醇汽车 二甲醚汽车的推广 甲醇已从单一的化工原料拓展为液体燃料 需求量成倍增长 甲醇用途 5 分子量为32 04 纯甲醇是无色的 易流动的 易挥发的可燃液体并带有与乙醇相似的气味 密度 g cm3 0 8100粘度 cp 厘泊 0 817沸点 64 7 0 5熔点 97 68蒸气在空气中的爆炸范围 体积 上限 6下限 34 8闪点 8自燃点 464 甲醇的物理性质 6 A甲醇的氧化制甲醛和甲酸甲醇在空气中可被氧化为甲醛 进而氧化为甲酸 CH3OH 1 2O2HCHO H2OHCHO 1 2O2HCOOH B甲醇的氨化制甲胺CH3OH NH3CH3NH2 H2O2CH3OH NH3 CH3 2NH 2H2O3CH3OH NH3 CH3 3N 3H2O Ag 甲醇的化学性质 Ag 活性氧化铝 370 420 5 0 20 0MPa 7 C甲醇的酯化制甲酯类 1 甲醇与甲酸反应生成甲酸甲酯CH3OH HCOOHHCOOCH3 H2O 2 甲醇与硫酸反应生成硫酸二甲酯2CH3OH H2SO4 CH3 2SO4 2H2O 3 甲醇与硝酸反应生成硝酸二甲酯CH3OH HNO3CH3NO3 H2O 甲醇的化学性质 8 D甲醇的氯化制氯甲烷 甲醇与氯气 氢气混合 在130 150 通过金属氯化物作催化剂的水溶液 或在300 350 通过沉积在硅胶单体上的氯化锌 铜 铝 催化剂 可生成一 二 三氯甲烷和四氯化碳CH3OH Cl2 H2CH3Cl HCl H2OCH3Cl Cl2CH2Cl2 HClCH3Cl Cl2CH2Cl2 HClCH3Cl Cl2CH2Cl2 HCl 9 E甲醇的羰基化制醋酸 甲醇与一氧化碳在250 50 70MPa下通过碘化钴均相催化剂 或在180 3 4MPa下通过铑的碳基化合物为催化剂 以碘为助催化剂 能合成醋酸 CH3OH COCH3COOH 甲醇的化学性质 F甲醇的脱水制二甲醚 二甲醚 10 二甲醚 甲醇的大宗用户 燃料二甲醚用途广 代替液化气作民用燃料 代替柴油为车用燃料 作为生产乙烯 丙稀原料 作为联合循环发电的调峰燃料使用性能好 16烷值50 55 高于柴油 噪音低10分贝 直排可达欧洲3号标准 单位里程耗用量与柴油相当 11 二甲醚与石油液化气性质比较 12 二甲醚与F T合成产物分配 二甲醚 F T合成 二甲醚作为煤基液体燃料可显著节约资源 能源 13 二甲醚在柴油机的消耗情况 14 2003年全国有150万吨甲醇不知去向 实际上直接加到了汽油中 甲醇直接作燃料 15 乙醇 甲醇的竞争者 我国在一些省份开始使用乙醇汽油 吉林省建设一座60万吨 年的乙醇工厂 每生产1吨无水乙醇需要3 5吨玉米 180万吨玉米 年 巴西的乙醇汽油之所以广泛推广是因为那里一年四季都盛产甘蔗 美国的使用是因为有转基因玉米且粮食过剩 每生产1吨国家补贴500元 乙醇生产成本高于甲醇 16 日消耗玉米5000吨 吉林燃料乙醇有限责任公司 年产60万吨乙醇 17 乙烯代表了一个国家石油化工的水平和能力 石油 50年 催化裂解 乙烯 丙烯 煤 200年 18 煤 合成气 甲醇 新型分子筛催化剂 乙烯丙稀 铜基催化剂 气化 成熟 MTO MTO MethanoltoOlefin 关键在于催化剂 SAPO 34分子筛催化剂 19 下行DTO裂解制烯烃反应器 提升管Riser 20 3mm 高2 9m下行床Downer 20 3mm高0 8m原料油进料速率FeedRateofOil 200 1800g h Thehighestcarbonresidue 5 催化剂总藏量CatalystReserve 4000 10000g screeningcatalyst 反应温度ReactionTemperature 300 600 再生温度RegenerationTemperature 600 750 进料预热温度FeedPreheatingTemperature 150 420 剂油比Cat OilRatio 2 5 12wt 油气停留时间GasResidentTime 1 5s 20 Sr SAPO 34催化剂活性测定 活性评价 21 用作碳一化学的基础原料直接添加到汽油中制取二甲醚的原料化学溶剂 甲醇 甲醇价格持续走高 22 土地短缺 资金短缺 高新技术短缺 资源环境能源短缺 以物质短缺为特征的社会发展史 封建社会 地主 资本主义社会 资本家 国家安全 劳动力短缺 奴隶制社会 奴隶主 23 4121980222331843514520161 石油煤天然气铝铜铅水银镍锡锌铁矿石 保证程度 年 矿产名称 24 2003年我国占世界份额GDP4 物耗 钢铁27 原煤31 氧化铝25 水泥40 石油7 4 我国GDP与物耗占世界的份额 25 能源消耗水平比较 1美元GDP所消耗的能源 相对值 26 日本2081美国5142 47中国504524 25 水资源消耗水平比较 1万美元GDP所消耗的水 立方米 27 我国资源与能源状况 矿业资源 总量居世界第五位人均产量居世界第53位2 3矿种短缺化石资源 原油储量占世界的2 43 天然气储量占世界的1 20 煤储量为世界人均的45 淡水资源 相当世界人均的1 4 居世界第110位 28 原油 LNG 海水 煤 铁矿石25万吨 催化裂解 燃气发电 焦化炉 炼钢炉 催化裂化 超临界发电 蒸汽 冷凝水 干气 焦炭 燃料油1000万吨 年 海水淡化 乙烯100万吨 年 聚乙烯 其他化工产品 电能2 30万千瓦 淡水 卤水 氯碱工业 电能4 100万千瓦 粗苯 精制 煤焦油30万吨 年 炭黑 石墨 精苯 高炉煤气 焦炉煤气 合成 甲醇 二甲醚 精品钢1000万吨 年 炉渣 超细粉240万吨 年 水泥 29 2007年中国新建甲醇装置统计 公司产能 万吨 年 中海油 建滔60山东聊城鲁西化工20华鲁恒升20河南峰峰集团10内蒙古庆华集团20内蒙古博源联合化工100黑龙江宝泰隆煤化工10神华集团25重庆建滔45湖北三宁8 5湖北宜化20南京惠生20 30 2007年中国新建甲醇装置统计 唐山中润10河北旭阳焦化14山东明水大化10安徽临泉15陕西榆林煤化科技10山东兖矿国宏50云南云维20山西孝义10山西丰喜20 公司产能 万吨 年 31 2008年中国新建甲醇装置统计 希望集团20河南峰峰集团10安阳化学20内蒙古乌拉山化肥厂15山西焦化20大连大化30兰花晋城20唐山中润10山东滕州凤凰化肥公司36上海焦化公司45河南永煤集团中原大化50河南开祥一期25陕西神木40福建富宝11四川达州钢铁集团有限公司30凯跃集团20山西大川中天70 32 山西孝义10苏里格天然气公司17山东鲁西化工25山西原平20河北建滔10山东鲁南化肥厂60贵州贵化20旭阳焦化集团甲醇二期10河南延化化工有限责任公司18唐山中润公司二期15宁夏宝丰投资集团20山西兰花清洁能源公司20中煤能源25陕西榆林煤化科技新建10 2008年中国新建甲醇装置统计 33 8 2甲醇的生产工艺原理 在常温常压下不会发生 在高温高压下也不会反应 触媒 使用催化剂 媒婆 CO 催化剂催化剂CO催化剂CO H2CH3OH 催化剂 34 催化剂的两大特点 1 而反应前后其物理 化学性质不变 2 改变了反应历程 加快反应速度 催化剂种类 1 锌 铬系Zn Cr分子式 xZnO yZnCrO4 zH2O典型组成 ZnO 55 0 1 5 CrO3 34 0 1 0 2 铜基催化剂Cu Zn Al Cu Zn Cr活性组分 Cu载体 Al2O3特点 活性温度低 对生成甲醇的平衡有利 选择性好 可在较低压力下使用 甲醇催化剂 35 每个催化剂都有一个活性温度 在这个温度范围内 催化剂才能与反应物结合 发挥作用 锌 铬系Zn Cr 385 420 Cu Zn Al 240 400 需要对反应物加热 到催化剂的活性温度 36 在常压下 即使有催化剂反应速度仍然很慢 由于反应器过大 而难以在工业上实现 加压下操作 加压下操作 实质上是增加反应物的浓度 常压 40atm 37 高压工艺流程 在300 400 30MPa高温高压下合成甲醇 一般指的是使用锌铬催化剂 自从1923年第一次用这种方法合成甲醇成功后 差不多有50年的时间 世界上合成甲醇生产都沿用这种方法 目前使用已不多 ICl低压甲醇法 英国ICl公司在1966年研究成功 是甲醇生产工艺上的一次重大变革 在5MPa低压下 220 260 一般使用Cu基催化剂 能耗低 是目前普遍采用的工艺 38 是在低压法研究基础上进一步发展起来的 由于低压法操作压力低 导致设备体积相当庞大 不利于甲醇生产的大型化 发展了压力为10MPa左右的甲醇合成中压法 它能更有效地降低建厂费用和甲醇生产成本 这种流程目前主要用于联醇工艺 单醇大都采用低压甲醇法 而联醇采用中压甲醇法 中压甲醇法 压力大小取决于催化剂的活性 设备投资 操作费用和工艺流程设置 39 由此可见 甲醇合成反应 须在催化剂存在下 在高温 240 400 和高压 5MPa 下进行 焦炉煤气中不只含有CO CO2和H2 还含有CH4 硫化物等杂质 将CH4转化成CO和H2 脱除硫化物等杂质 40 焦炉煤气中不只含有CO CO2和H2 还含有CH4 硫化物等杂质 将CH4转化成CO和H2 脱除硫化物等杂质 铜锌催化剂对硫化物非常敏感 中毒失效 原料气精制 河北旭阳厂景 41 焦炉煤气生产甲醇 压缩 原料精制 甲醇精馏 压缩 甲醇合成 焦炉煤气 2 0MPa CO H2 5 0MPa 42 河北旭阳甲醇生产中控室 显示工艺流程的大屏幕 43 请给出两类甲醇合成反应需要的催化剂主要活性组分采用铜基催化剂 给出甲醇合成反应的反应温度和压力焦炉煤气合成甲醇过程中 为什么要进行精脱硫和转化工序 44 2 3原料气精制 甲烷水蒸气转化 甲烷含量小于0 5 精脱硫 硫含量小于0 1ppm 45 原料气精制工艺流程 46 2 3 1脱硫工艺 焦炉气中含无机硫20mg Nm3 有机硫400mg Nm3 且有机硫形态复杂 湿法脱硫难以将有机硫脱除 为此采用干法脱硫 一级加氢转化 精脱硫 二级加氢转化 粗脱硫 48 焦炉煤气 去转化预热器 一级加氢转化 二级加氢转化 49 50 铁钼转化法 铁钼预转化器铁钼转化器操作温度 300 450 所有的有机硫化物在铁钼 或镍钼 催化剂的作用下 能全部加氢转化成容易脱除的硫化氢 然后再用中温脱硫剂除去 所以铁钼加氢转化法是脱除有机硫化物十分有效的预处理措施 51 钴钼加氢脱硫催化剂 组成 主成分 CoO MoO3载体 Al2O3 52 钴钼加氢脱硫剂 原理 在300 400 温度下 采用钴钼加氢脱硫催化剂 使有机硫与氢反应生产容易脱除的硫化氢和烃 再用氧化锌吸收硫化氢 即可达到较好的脱硫效果 反应 RSH H2 RH H2SRSR 2H2 RH R H H2SCOS H2 CO H2SCS2 4H2 CH4 2H2S 53 氧化铁法 中温脱硫Fe2O3 H2 2Fe3O4 H2OFe3O4 H2S H2 3FeS 4H2O温度 300 54 氧化锌法 氧化锌为主体 其余为三氧化二铝 还有的加入氧化铜 三氧化钼 二氧化钴和氧化镁 氧化锰等以增进脱硫效果 氧化锌含量在80 一90 一般制成3 6mm的球状 片状或条状 呈灰白或浅黄色 常用的型号有T302 T304 T305等 55 温度压力对脱硫性能的影响 脱硫的反应工艺指标 温度350 400 加入氧化铜助剂的可作为常温脱硫剂使用 脱硫效果 0 5 0 05cm3 m3 ZnO H2S ZnS H2O COS ZnO CO2 ZnSCS2 2ZnO CO2 ZnS C2H5SH ZnO ZnS C2H4 H2O 56 2 3 2甲烷蒸汽转化 化学反应方程式 属强吸热反应 且需要在1100 下操作 给热 管式炉内煤气直接燃烧加热反应气体 炉内喷氧 炉外加热 57 58 来自精脱硫的焦炉气 温度约350 与废锅来的蒸汽混合 进入预热炉预热到660 进入转化炉 来自空分装置的氧气加入安全蒸汽后经氧气预热器预热到300 进入转化炉 在转化炉顶部与焦炉气蒸汽混合 混合气体中氧首先与可燃气体反应产生反应热 为甲烷转化反应提供热量 气体进入床层后 在催化剂的作用下 甲烷及少数多碳烃转化为一氧化碳和氢 炉内温度最高达1100 出转化炉的转化气约980 入废热锅炉副产2 7MPa g 的饱和蒸汽后 经过焦炉气预热器 氧气预热器 锅炉给水预热器 脱盐水预热器回收热量后用水冷却到40 分离冷凝液经氧化锌脱硫槽把关后送合成气压缩机 59 管式加热炉和转化炉 废热锅炉 60 61 转化反应催化剂 主催化剂NiO 4 30 促进剂 Al2O3 MgO CaO TiO2 K2O载体 铝酸钙连接型和氧化铝烧结型装填 过筛 均匀 下降落差不能太大 62 催化剂还原 还原剂CO或H2NiO H2 Ni H2O H2S COS CS2 硫醇 噻吩 砷 氯使用中 总硫 氯根含量分别小于0 5ppm 催化剂中毒 63 思考题 焦炉煤气精脱硫后 其中硫含量应该满足什么样的含量要求 焦炉煤气精脱硫的工艺流程主要包括哪几部分 铁钼加氢和钴钼加氢转化的目的是什么 甲烷蒸汽转化的目的是什么 甲烷蒸汽转化所用催化剂的活性组分是什么 甲烷蒸汽转化的最高反应温度是多少 64 2 4甲醇合成工艺流程 在铜基催化剂上 在240 300 5MPa下 CO和H2发生甲醇合成反应 需要进一步加压至5MPa 压缩机 需要加热到反应温度 换热器 反应器 粗甲醇冷凝 水洗和分离器 粗甲醇与合成气的分离 65 甲醇合成反应须在催化剂存在下 在高温 240 400 和高压 5MPa 下进行 即使这样的条件下 甲醇合成反应的收率也只有5 10 合成气的循环使用 且在循环前须将甲醇分离下来 循环机的使用 压缩机与循环机合而为一 66 67 合成反应器 气气换热器 废热锅炉 水洗塔 水冷却器 68 工艺流程简述 来自合成气压缩机的合成气压力6 0MPa 温度约400 进入气气换热器用出塔气升温后进入甲醇合成塔 在催化剂作用下 进行甲醇合成反应 CO 2H2 CH3OH QCO2 3H2 CH3OH H2O Q此外还有微量的副反应发生 产生少量的杂质 较典型的副反应为 2CO 4H2 CH3CH2OH H2O Q2CH3OH CH3 2O H2O Q 69 甲醇合成塔为管壳式反应器 管内装有甲醇合成触媒 壳程为沸腾热水 反应中产生的热量用来生产中压饱和蒸汽 连续换热管式反应器 70 出合成塔的气体入气气换热器 在此与合成塔入口气体换热 把入塔气加热到触媒活性温度 出气气换热器的气体经水冷器用循环水冷却到40 此时气体中大部分甲醇和水蒸汽被冷凝 然后在甲醇分离器内进行气液分离 分离出的气体进入水洗塔 将微量的甲醇洗下来 然后作为循环气进入循环机 升压后与原料气混合去合成甲醇 进行下一个循环 71 粗甲醇滤油器 气气换热器 水洗塔加液泵 72 思考题 甲醇合成所用的催化剂主要活性组分是什么 操作压力和温度分别为多少 甲醇合成反应器采用什么样的结构形式 靠什么载热体将反应放出的热量移走 合成工序中为什么要进行合成气的循环 合成气中甲醇靠什么方式被分离出来 73 1 温度 2 5合成甲醇工艺条件 由H2与CO反应生成甲醇和H2与CO2生成甲醇的反应 均为可逆放热反应 对于可逆放热反应而言 升高温度 虽然可使反应速率常数增大 但平衡常数的数值降低 当反应混合物的组成一定而改变温度时 反应速率受着这两种相互矛盾的因素影响 因此这就存在一个最佳的操作温度 74 催化剂使用初期 活性较好 反应温度可低些 催化剂使用后期 温度要适当提高 对铜基催化剂而言 在初期 使用温度在220 240 中期在250 左右 后期使用温度可提高到260 270 75 2 压力 1 甲醇反应是分子数减少的反应 增加压力对正反应有利 如果压力升高 组分的分压提高 因此催化剂的生产强度也随之提高 2 对于合成塔的操作 压力的控制是根据催化剂不同时期 不同的催化活性 做适当的调整 当催化剂使用初期 活性好 操作压力可较低 催化剂使用后期 活性降低 往往采用较高的操作压力 以保持一定的生产强度 一般来说 反应压力每提高10 合成塔生产能力增加10 3 压力增大 动力消耗大 对设备的要求也高 76 1 从反应式看 CO2也参加生成甲醇的反应 2 CO2的存在 一定程度上抑制了二甲醚的生成 因为二甲醚是2分子甲醇脱水反应的产物 CO2与H2合成甲醇的反应生1分子H2O H2O的存在对抑制甲醇脱水反应起到了积极的作用 3 CO2对反应的影响 合成甲醇的原料气中含有少量的CO2对合成甲醇的有利影响 77 3 阻止CO转化成CO2 这个反应在H2O存在时会发生 4 有利于调节温度 防止超温 保护铜基催化剂的活性 延长使用寿命 5 能防止催化剂结碳 与CO相比 生成1千克甲醇多耗0 7m3的H2 粗甲醇中的含水量增 甲醇浓度降低 导致蒸汽消耗升高 因此 原料气中CO2一般控制在3 左右 不利影响 78 1 冷激多层绝热式甲醇合成反应器 在各段催化剂床层之间设一冷激分布器 通过冷激分布器使冷气体与热气体在其内直接混合 达到降低反应气温度的目的 2 6其它型式甲醇合成反应器 79 2 均温型冷管甲醇合成反应器 采用螺旋式冷管或U形冷管 目的是为了消除冷管的热应力 埋于催化剂床层中 通过管内的冷却介质与管外的催化剂进行连续间接热交换 以达到及时移出反应热的目的 冷却介质为锅炉水或未反应气 80 均温操作 减少了对催化剂的热应力 从而提高了它的使用寿命 单位体积催化剂床层的传热面积相对较大 床层温差变化小 操作较平稳 主要缺点 结构复杂 加工制造困难 焊点较多 易泄漏 由于冷管束的存在 催化剂装填均匀度难以保证 另外 由于该类型塔为全轴向塔 因此塔阻力较大 大型化的潜力相对较小 主要优点 81 4 轴径向多层绝热式甲醇合成反应器 间接换热与直接换热相结合 轴向流与径向流相结合 在催化剂床层的一 二段之间采用直接换热式 提高了换热效率 简化了结构 在催化剂床层的二 三段及三 四段之间采用间接式换热 避免了冷激式换热对反应气的 冲稀 作用 提高了合成率 在反应器内气体的流动方式上 采用轴向流与径向流相结合的特点 使整塔的阻力仅为全轴向合成反应器的40 60 82 没有冷管 运行周期长 反应器寿命比冷管型高一倍以上生产弹性大单塔生产能力大 特别适用于装置大型化易于实现多个反应器串联 降低工程投资 83 2 7关于补碳 CO 2H2 CH3OHCO2