年产60万吨煤制甲醇初步工艺设计

1、设计总说明甲醇是一种非常重要化工原料，工业应用非常广泛。国内甲醇的需求量逐 年增大，针对我国贫油少气的能源现状，煤制甲醇生产工艺充分利用了我国煤 炭资源丰富的优势，近年来在国内得到了广泛应用。通过查阅资料及分析，本设计采用 Lurgi低压法合成甲醇，以长焰煤煤作 为原料，进行年产60万吨的煤制甲醇初步工艺设计，包括煤的选用、原料气制 备工艺的设计、原料气的变换及净化工艺设计，合成工艺设计以及粗甲醇的精 制工艺设计，并绘制了工艺流程图。同时，进行了物料衡算，对气化工段和合 成塔进行了热量衡算。设计了甲醇合成塔和预精储塔，并绘制出相应的设备简 图。关键词：德士古气化炉，鲁奇低压法，甲醇，设计Des

2、ign DescriptionMethanol is a very important chemical raw material, which is widely used in industrial applications. The demand for the domestic methanol increased year by year, in view of the current situation of our country less oil and less gas in the energy, coal to methanol production process ma

3、kes full use of the advantage of abundant coal resources in our country, in recent years in domestic has been widely used.By means of data and analysis, the design uses Lurgi low-pressure synthesis to produce methanol,taking long flame coal as raw material, designing preliminary process of the coal

4、to methanol with the annual output of 600000 tons ,Including the selection of coal, raw material gas preparation process design, raw gas transformation and purification process design, synthesis process design and crude methanol refining process design, and drawing the process flow chart.At the same

5、 time, it finished the material balance calculation, the heat value calculation of the gasification process and the Synthetic tower .it completed the design of the methanol synthesis reactor and distillation distillation tower, finally drawed the corresponding diagram of equipment.Key word : Texaco

6、gasifier, Lurgi low pressure, methanol, design TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 1绪论 1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 甲醇简介 1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 物化性质 1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 包装及储运 1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 毒性和防

7、护 2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 质量要求 2 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 甲醇的用途 4 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 甲醇合成工艺技术 5 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document DAVY甲醇技术特点 5 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document Lurgi 甲醇技术 5 HYPERLINK l bookmark24 o Current D

8、ocument TOPSOE的甲醇技术特点 5 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document TEC甲醇技术特点 5 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 三菱重工业公司甲醇技术特点 6 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 林德公司甲醇技术的特点 6 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 甲醇的生产工艺 6 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 生产工艺的发展历史 6 HY

9、PERLINK l bookmark36 o Current Document 天然气制甲醇 7 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 油制甲醇 9 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 联醇生产 9 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 煤制甲醇 10 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 甲醇生产的发展趋势 12 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 本次设计的目

10、的和意义 14 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 2设计要求及设计依据 15 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 设计题目 15 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 设计原则 15 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 设计要求 15 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 设计依据 15 HYPERLINK l bookmark58 o Current Doc

11、ument 3初步工艺设计 16 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 煤气化工段 16 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 煤的选用 16 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 煤气化过程 17 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 气化工艺原理 17 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 气化工艺流程 19 HYPERLINK l bookmark70 o Cu

12、rrent Document 煤气变换工段 21 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 煤气变换原理 21 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 变换工艺流程 22 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 煤气净化工段 23 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 煤气净化方法 23 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 工艺流程概述 25 HYPERLINK l boo

13、kmark82 o Current Document 甲醇合成工段 28 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 合成原理 28 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 合成工艺流程 30 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 甲醇精制工段 32 HYPERLINK l bookmark90 o Current Document 精制工艺 32 HYPERLINK l bookmark92 o Current Document 精制要求 32 HYPERLINK

14、 l bookmark94 o Current Document 三塔精储工艺流程 33 HYPERLINK l bookmark96 o Current Document 4工艺计算 35 HYPERLINK l bookmark98 o Current Document .物料衡算 35 HYPERLINK l bookmark100 o Current Document 精微工段物料衡算 35合成工段物料衡算 36 HYPERLINK l bookmark102 o Current Document 变换工段物料衡算 42 HYPERLINK l bookmark104 o Curren

15、t Document 气化工段物料衡算 42综合计算 47热量衡算 48气化工段热量衡算 48合成塔热量衡算 535重要设备设计 57甲醇合成反应器的设计 57催化剂的使用量 57换热面积的确定 57换热管数的确定 57合成塔直径 58合成塔的壁厚设计 58壳体设计液压强度校核 58合成塔封头设计 59折流板和管板的选择及设计 59支座 59甲醇精储工段预精储塔的设计 59进料组成 60加碱量的计算 60清晰分割法取出二甲醴 60预精储塔塔釜温度计算 62理论板数的计算 636总结 64参考文献 65致谢 671绪论1.1甲醇简介1.1.1物化性质甲醇（Methanol, dried, CH3

16、OH）是结构最为简单的饱和一元醇，因在干 储木材中首次发现，故又称“木醇”或“木精”。纯甲醇为无色透明略带酒精 气味的易挥发液体，CAS号有67-56-1、170082-17-4,甲醇分子式：CH3OH, 分子量32.04,沸点64.5C ,熔点-97.8C,和水相对密度0.7915,闪点 12.22C,自燃点 463.89人口服中毒最低剂量约为100mg/kg体重，经口摄入0.31g/kg可致死。用 于制造甲醛和农药等，并用作有机物的萃取剂和酒精的变性剂等 TOC o 1-5 h z 甲醇能和水以任意比相溶，但不形成共沸物，能和多数常用的有机溶剂（乙醇、乙醴、丙酮、苯等 ）混溶，并形成恒沸点

17、混合物。甲醇能和一些盐如 CaCl2、MgCl2等形成结晶化合物，称为结 晶醇，如 CaCl2 CH3OH MgC12 6cH3OH。和盐的结晶水合物类似，甲醇遇热、明火或氧化剂易着火，遇明火会爆炸，蒸汽与空气混合物爆炸下限6%-36.5% （体积）。燃烧时无烟，火焰呈蓝色。甲醇具有脂肪族伯醇的一般性质，连有羟基的碳原子上的三个氢原子 均可被一一氧化，或脱氢生成甲醛，再氧化成甲酸，甲酸氧化的最终产物是二氧 化碳和水。试剂甲醇常密封保存在棕色瓶中置于较冷处1。甲醇由甲基和羟基组成的，具有醇所具有的化学性质。甲醇可以在纯氧中 剧烈燃烧，生成水蒸气和二氧化碳。另外，甲醇也和氟气会产生猛烈的反应。 甲

18、醇能与水、乙醇、乙醴、苯、酮、卤代姓和许多其他有机溶剂相混溶，遇 热、明火或氧化剂易燃烧。燃烧反应式为：CH30H O2 CO2 H2O具有饱和一元醇的通性，由于只有一个碳原子，因此有其特有的反应。例 如：1）与氯化钙形成结晶状物质 CaC12 4cH3OH,与氧化钢形成 BaO2CH30H 的分子化合物并溶解于甲醇中；类似的化合物有MgCl2 6CH3OH、 CuS04 2cH30H、 CH3OH CH30H、 AlC13 4cH30H、 AlC13 6cH30H、 AlC13 10cH30H等；2）与其他醇不同，由于-CH20H基与氢结合，氧化时生成 的甲酸进一步氧化为C02； 3）甲醇与

19、氯、澳不易发生反应，但易与其水溶液作 用，最初生成二氯甲醴（CH2CD2O,因水的作用转变成 HCHO与HC1; 4）与 碱、石灰一起加热，产生氢气并生成甲酸钠；CH3OH+NaOHfHCOONa+2H2；5）与锌粉一起蒸储，发生分解，生成 C0和H20。包装及储运工业甲醇应用干燥、清洁的铁制槽车、船、铁桶等包装，并定期清洗和干 燥。工业甲醇应贮存在干燥、通风、低温的危险品仓库中，避免日光照射并隔 绝热源、二氧化碳、水蒸汽和火种，贮存温度不超过30C,贮存期限6个月 工业甲醇产品包装容器上应涂有牢固的标志 2,其内容包括：生产厂名称、产 品名称、本标准编号以及符合 GB 190-2009规定的

20、“易燃液体”和“有毒品” 标志等0工业甲醇的远距离运输，常采用装有甲醇槽车的火车，槽车、船、铁桶在 装运甲醇过程中应在螺丝口加胶皮垫密封，防止甲醇漏损，严防明火，运输工具应有接地设施。一般短途运输通常用装有卧式甲醇贮槽的汽车，目前汽车运输 槽车型号比较复杂，普遍大型槽车为 43.5吨（按照安全充装标准，充装量应该 为容积的85%,受季节因素影响，冬夏季不同）；铁路运输，铁路运输槽车为 国家铁道部指定的包头一机，由哈尔滨重工和锦西机务等单位生产，设计规格 统一为30m3 （折合48吨，至少留有5%的空隙）；水路运输，水陆运输方面 拥有各类载重吨位运输甲醇船舶（专业甲醇运输船舶45000吨，综合运

21、输船舶运输甲醇能力各吨位不等）。内河水运主要为1000- 2000吨船舶。毒性和防护工业甲醇液体及气体都是剧毒的，应避免接触皮肤和吸入蒸汽，如果溅到 皮肤上和眼睛里应迅速用大量清水冲洗，在工业甲醇作业处应有防毒面具、橡 皮手套、防护眼镜等安全用具以备需用，包装容器应有“易燃”、“剧毒”等 危险品标志。质量要求一般工业上出于对甲醇产品的要求，规定了精甲醇中含杂质量的指标。我 国现行检测精甲醇质量的标准，系根据我国甲醇的工业生产与使用实际情况于 2011年修订，国家技术监督局发布的甲醇国家标准 4 （GB 338-2011）。该标准 适用于以煤、焦油、天然气、轻油、重油等为原料合成的工业甲醇，主要

22、用于 化学工业、医药工业、农药行业，也可作为燃料使用。该标准规定了工业用甲 醇的要求、试验方法、检验规则及标志、包装、运输、贮存和安全等。该标准将甲醇分为优等品、一等品和合格品，质量指标包括色度、密度、沸程、高钮酸钾试验、水混溶性试验等 11个。其技术要求如下：1）工业甲醇为无特殊异臭气味，无色透明液体，无可见杂质； 2）工业甲醇技术指标见表1-1。表1-1工业甲醇质量技术指标项目优等品合格品色度/Hzaen单位（珀-钻色密度(p 20) /(g/cm 3)沸程(0C、101kPa, 64.0-65.5 C范围内，包括64.6 C 土0.1 C) / 水混溶性实验1水的质量分数/%酸的质量分数

23、（以HCOOH）/%碱的质量分数（以计）/% NH 3染基化合物的质量分数（以HCHOf） /%蒸发残渣的质量分数/% 硫酸洗涤试验/Hazen单位（珀-钻色号）乙醇的质量分数/% CO2 + 2H2CH4 + 1/2O2 CO + 2H2该转化气的H2/CO比在1.8左右，不适合直接作甲醇合成用，须经 CO变 换和CO2脱除才可用于甲醇合成。本工艺和前文所述自热式催化部分氧化工艺相似，反应温度高 ，反应器要 采用耐高温材料,其操作压力可从1.93MPa提高至3.79 MPa运行，节约了转化 气的压缩功耗。3)热交换型转化工艺通过前人研究发现，在甲醇装置中两段转化的一段炉所需热量与离开二段 炉

24、工艺气所携带热量相差不多，利用来自二段自热式转化炉的热量替代向管式 蒸气转化炉供热的直接燃烧方式，既可较好地利用热能，又能节省投资。换热 型转化工艺以ICI和凯洛格公司的两种流程最具代表性。(1)转化交换器系统该系统构想是基于凯洛格开式管式转化交换器，在单元设备的冷端设一管 板，物料进入单元设备的顶部，向下轴向通过填有催化剂的管内，从管内出来与从自热式转化炉来的气体混合，混合后的物流作为壳层的加热介质向上通过单 元设备的壳层。本工艺最大的优点是操作弹性大，容易调节合成气的气质，减 少了占地面积以及 NOx的排放量和对环境的破坏，从而大大减轻了操作强度 和维修强度。(2)换热型LCA流程在ICI

25、的换热型LCA流程中，天然气转化反应所需热量由二段高温转化 气提供。此流程的关键设备是一个热交换器，在管内装有转化催化剂，管外为 二段炉来的高温工艺气。工艺特点是投资省，热利用率高，一段转化炉的温度较低，占地面积小。 因降低了直接用于加热用的燃料气，其节能效果十分明显。油制甲醇工业上用油来制取甲醇的油品主要有两类：一类是石脑油，一类是重油。原油精储所得的220c以下的储分称为轻油，又称石脑油。以石脑油为原料 生产合成气的方法有加压蒸汽转化法，催化部分氧化法、加压非催化剂部分氧 化法、间接催化转化法等。目前用石脑油生产甲醇原料气的主要方法是加压蒸 汽转化法。石脑油的加压蒸汽转化需在结构复杂的转化

26、炉中进行。转化炉设置 有辐射室与对流室，在高温、催化剂存在下进行姓:类蒸汽转化反应。石脑油经 蒸汽转化后，其组成恰可满足合成甲醇之需要。既无虚在转化前后补加二氧化 碳或设二段转化，也无需经变换、脱碳调整其组成。重油是石油炼制过程中的一种产品，根据炼制方法不同，可分为常压重 油、减压重油、裂化重油及他们的混合物。以重油为原料制取甲醇原料气有部 分氧化法与高温裂解法两种途径。裂解法需在1400c以上的高温下，在蓄热炉中将重油裂解，虽然可以不用氧气，但设备复杂，操作麻烦，生成的炭黑量 多。重油部分氧化是指重质烧类和氧气进行燃烧反应，反应放热，使部分碳氢 化合物发生热裂解，裂解产物进一步发生氧化、重整

27、反应，最终得到以H2、CO为主，及少量CO2、CH4的合成气供甲醇合成使用。重油部分氧化法所生产 的合成气，由于原料重油中碳氢比高，合成气中CO与CO2含量过高，需将部分合成气经过变换，使一氧化碳和水蒸气作用生成氢气和二氧化碳，然后脱出 二氧化碳，以达到合成甲醇所需的组成。合成后的粗甲醇需经过精制，出去杂 质与水，得到精甲醇。联醇生产合成氨和甲醇同出一源，工艺流程和设备几乎完全相同。当合成氨转产甲 醇时，只需调整部分工艺指标，更换合成反应器及反应催化剂即可实现。合成 氨联产甲醇时，也只需增加甲醇合成系统，即可实现同一装置得到两种产品。合成氨联产甲醇是利用合成氨生产中有害气体 （CO、CO2）和

28、H2,采用铜 基催化剂，在5.0 -15.0MPa压力下生产甲醇。甲醇合成系统串联在合成氨工艺 的铜洗塔前，醇后气部分循环，其余经铜洗压缩进人氨合成系统。联醇生产降 低了合成氨变换转化 CO和铜洗脱除微量CO的负荷；止匕外，由于甲醇合成是 体积缩小反应，增加压力对甲醇合成也有利，因此利用合成氨现有设备，在铜 洗压力下联产甲醇具有投资省、能耗低的优点120针对我国中小合成氨装置的特点，尤其是遍布全国以煤为原料的合成氨厂 有利条件，利用合成氨工业来发展合成甲醉，即可发挥氮肥厂以肥为主、多种 经营的积极性，又为企业从甲醇出发，发展一系列高附加值下游产品奠定了基 础。联醇生产是我国化肥企业开展多种经营

29、，提高经济效益的重要途径之一。煤制甲醇以煤为原料生产甲醇的工艺过程包括空气分离、煤气化、一氧化碳变换、 合成气净化、甲醇合成、甲醇精储等工艺单元13。.甲醇合成法的化学过程1）煤的气化煤在高温常压下，与气化剂反应转化为 CO、H2等可燃性气体的过程，称为 煤的气化。气化剂主要是水蒸气、空气或它们的混合气。从煤的气化得到甲醇 合成的工业原料一一CO和H2的混合物（合成气），通常将水蒸气直接通人炽 热的煤层，具转化为合成气的化学反应如下：C+H 201co+H2H=118.8KJ/molC 2H2O,CO2 2H2 H=75.2KJ/molCO2 C 2CO H=162.4KJ/mol以上反应均是

30、吸热反应，因连续通入水蒸气将使煤层温度下降，为保持煤 层温度，须交替向炉内通入水蒸气和空气，通人空气时，主要是煤的燃烧反 应，具放出热量，加热煤层14。煤气代表性成分组成：H248.4%、CO38.5%、 N26.4%、CO26.0%、O20.2%、CH40.5%。制甲醇所需 H2/CO 值为 2.13,合成 气中H2与CO的摩尔比可以在350-400C Fe3O4作催化剂条件下调节，使其 比值达到要求，即：CO + H20T%理巴T CO2 + H2生成的CO2用高压水吸收法去除。2）甲醇合成CO与H2合成甲醇是种可逆反应:CO +2H 2 H CH 3OH （气） H= -908J/mol

31、为减少合成甲醇过程中的副反应，提高甲醇产率，须选择适当的温度、压 力和催化剂，一般温度 300-400C ,压力20MPa左右。合成甲醇的反应温度 低，所需压力低，能耗也低，但温度低，反应速度变慢，所以催化剂是关键因 素。合成甲醇原料气 H2/CO的化学计量比是2: 1。CO含量过高对温度控制 有害，且能引起好基铁在催化剂上的积聚，使催化剂失掉活性，故采用H2过量，H2/CO摩尔比为2.052.15较好15。.工业化生产工艺及设备甲醇合成工艺的简单流程为：煤炭-加压气化-合成气净化-合成反应- 甲醇-甲醇精制16。相应的煤制甲醇生产工艺主要包括造气、净化、合成和精 制四个工艺流程。)造气工艺煤

32、炭气化工艺为甲醇生产的首要环节，对煤炭产气效率及后续工艺产生影 响，并最终影响产品质量和产量。煤炭气化工艺及气化炉设备可按压力、气化 剂、供热方式等分类，通常按炉内煤料与气化剂接触方式区分，主要有固定 床、流化床与气流床3种主要形式。固定床气化是气化过程中，气化剂与煤逆 流接触，气化过程比较完全，灰渣残碳少，出口煤气同时部原料煤进行干燥和干 储，煤气出口温度低，现有加压固定床气化最成熟的炉型是Lurgi;流化床气化是将气化剂自炉底部鼓入炉内，气化剂吹起炉内煤的细小颗粒，使其呈流态化 状态，发生燃烧和气化反应生成煤气，加压流化床气化炉主要有 Winkler/HTW、 KRW 等；气流床气化是气化

33、过程中，气化剂将煤粉带入气化 炉，两者均匀混合，再通过喷嘴进入反应室，瞬间着火，发生火焰反应，温度 达1600c以上，煤中碳在高温下几乎全部转化，所有干储产物迅速分解、转变 为水煤气的组分，加压气流床气化炉主要有 Texaco(德士古)、GSP等。目前国内感兴趣的气化炉工艺是 Shell、Texaco和Lurgi。Shell工艺在碳转 化率、有效气体成分、单炉产能、运行周期和变负荷能力等方面具有明显优 点，有环保和资源综合利用方面优势，具有技术发展前景，但设备投资较大， 目前国内还没有比较成熟的技术应用经验；Texaco、Lurgi工艺技术成熟，运行可靠，国产化率高，但 Lurgi工艺存在一些

34、缺陷，具合成工艺流程复杂，废 水处理困难，环境污染严重，相比之下，Texaco工艺具有明显的优势，其水冷激流程特别适用于合成氨、甲醇生产，是目前合成氨、甲醇生产优选工艺。)净化工艺气化装置产生的粗煤气中除含H2、CO、CO2外，还有少量 COS、H2S、CH4及微量的Cl、NH3等。硫化物、氯和重金属锲等会引起甲醇合成催化剂中 毒。净化工艺的主要任务是脱除变换气中的 H2S、COS、CO2等酸性气体。煤气净化工艺主要有低温甲醇洗技术(rectisol)和聚乙二醇二甲醴法 NHD(selexol)。低温甲醇洗工艺是使用物理吸收法的酸性气体净化技术，使用 冷甲醇作为酸性气体吸收液，利用甲醇在 -6

35、0 C左右的低温下对酸性气体溶解度 极大的特性，分段选择性地吸收原料气中的H2S、CO2及各种有机硫等杂质，低温甲醇洗工艺有林德和鲁奇两种，二者基本原理没有根本区别，且技术都很 成熟，只是在工艺流程设计、设备设计和工程实施上各有特点。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。具对H2S、CO2等均有较强的吸收能力。低温甲醇洗工艺技术成熟可靠、气体净化度高，能耗较低，可将合成气中 的CO2体积分数脱至1.0 M0-5以下，H2s体积分数小于1.0汉0-7,且溶剂吸收能力大、循环量小、能耗省、价格便宜，操作费用低也是此法的优点，缺点是 要在低温下

36、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,但对COS吸收能力差，需增加水解装置， 且脱硫和脱碳必须分开，使流程变得复杂，同时其溶剂昂贵，吸收能力比甲醇 低，因此溶剂循环量大，操作费用较高，具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。）甲醇合成工艺国内外使用的甲醇合成塔主要有冷激式、冷管式、水管式、固定管板列管 式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

37、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2.5MPa4.0MPa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，管间（壳程）是沸腾水，将反应热用于副产 3.0MPa4.0MPa的中压蒸汽，代表塔型有 Lurgi公司 的合成塔和三菱公司套管超级合成塔，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

38、）内换热式合成塔。大型装置不宜选用冷激式和冷管式塔；目前列管式合成塔国内用得最多， 但价格昂贵；大规模生产宜采用水管式合成塔、多床内换热式合成塔和固定管 板的列管式合成塔，串塔流程或双级流程中也可采用两种塔型组合。）精制工艺将粗甲醇气体送入精制塔精制，一般采用 23个精储塔，从后一个塔上部 取出纯甲醇，含量为 99.85%。甲醇精储工艺，有两塔流程和三塔流程之分。两 者主要区别在于三塔流程多设置有一个加压操作（压力0.60.7MPa）的主精储塔，加压塔塔顶甲醇蒸汽冷凝热用作常压精储塔塔底再沸器热源，减少蒸汽 和冷却水消耗，目前在三塔精储的基础上又增加了回收塔，进一步回收常压精 储塔塔底排出的含

39、少量甲醇的废水，提高产品收率并减少废水污染物产生量。 二塔工艺流程简单、装置投资省，但能耗高；三塔流程相对较长，但操作能耗 较双塔工艺低，从能耗和投资综合考虑，大、中型规模生产三塔流程工艺具有 优越性，同时三塔精储工艺环保效益优于二塔。1.4.6甲醇生产的发展趋势.甲醇生产发展很快，近20年来，在原料路线，生产规模，节能降耗，过 程控制与优化，产品市场及与其他化工产品联合生产等各方面都有新的突破与 进展。主要趋向为：1）原料路线多元化甲醇生产的原料大致有煤、石油、天然气和含氢气、一氧化碳或二氧化碳 的工业废气等。20世界从50年代开始，天然气逐步成为制造甲醇的更主要原 料，因为它简化了流程，便

40、于输送，降低了成本，目前世界甲醛总产量中约有 70%左右是以天然气为原料的。随着我国经济社会持续快速发展，必须调整煤 气油使用结构，以缓解能源紧张。但 2007年8月31日经国务院同意，发改委 颁发了发改能源【2007】 2155号天然气利用政策，明确规定禁止新建或扩 建以天然气为原料生产甲醇。所以今后的一段时期，我国仍将以煤作为生产甲 醇的主要原料。如何有效地开发煤炭资源，这是个从未中断过的研究课题，煤 气化技术奖迅速发展，除传统的固定床 UGI炉、鲁奇炉气化技术、流化床温克 勒气化炉、气流床K-T炉、德士古炉气化技术以及 Shell干煤粉、Texaco水煤 浆、灰融聚煤气化技术的开发均取得

41、进展，并都在工业上得到使用。从长远的 战略观点来看，世界上煤的储藏量远远超过天然气和石油，我国情况更是如 此，将来以煤制取甲醇的原料路线终将占主导地位。2）生产规模大型化甲醇生产技术发展趋势之一是单系列、大型化。由于高压设备尺寸的限 制，20世纪50年代以前，甲醇合成塔的单塔生产能力一般不超过100-200t/d,60年代不超过200-300t/d。但近几十年来，单系列大型甲醇合成塔不断被开发，并在工业生产中使用。Lurgi管壳式甲醇合成塔单塔能力可达 1000-1500t/d, ICI 多段冷激型甲醇合成塔单塔生产能力可达2500t/d。随着油汽轮机驱动和燃气轮机驱动的大型离心压缩机研制成功

42、，为合成气压缩机、循环机的大型化提供了 条件。国内的甲醇装置的规模偏小，今后必须不断创造条件，增大单系列甲醇装 置的生产规模。规模扩大后，可降低单位产品的投资和成本。3 ）节能降耗系统化甲醇成本中能源费用占较大比重，目前，甲醇生产的技术改进重点放在采 用低能耗工艺、充分回收与合理利用能量等方面。主要方向是研制性能更好的 转化与合成催化剂，降低甲醇合成压力，开发新的净化方法，降低燃料消耗， 采用节能型精储工艺与设备，高、中、低位热能的合理配置与低位热能的合理 使用等措施。充分回收系统的热量，以驱动压缩机及锅炉给水泵、循环水泵的透 平，实现热能的综合利用。还可以采用新型副产中压蒸汽的甲醇合成塔，降

43、低能耗。采用节能技术，如氢回收技术、预转化、工艺冷凝液饱和技术、燃烧空气预 热技术等，降低甲醇消耗。4）过程控制智能化甲醇生产是连续操作、技术密集的工艺，目前正向高度自动化操作水平发 展。化工过程优化控制在甲醇生产中得到推广与应用。国内甲醇装置的过程控制水平还停留在仪表显示与单参数控制的水平，采 用数学模拟方法对系统进行分析，也已有初步成果，引进国外先进控制技术， 进一步提高自控水平，对发展我国甲醇工业很有意义。5）生产工艺联产化国内外大多数甲醇装置都是与其他化工产品实现联合生产的，甲醇装置成 为大型化肥厂或石油化工厂的一个组成部分，其中具有代表性的是合成氨联产 甲醇与城市煤气联产甲醇。止匕外

44、，还有利用含一氧化碳和氢气的尾气、废气生 产甲醇，目前已投产的有乙烘尾气制甲醇、乙烘裂解废气制甲醇等 17。2.国内甲醇生产分析国内甲醇生产始于1957年，以小甲醇起家。2004年全国生产能力已超过 6000kt/a。规本g在200kt/a的仅两套，分别在上海焦化有限公司和陕西榆林天 然气公司，另外，内蒙古苏里格天然气化工股份有限公司建有一套180kt/a装置。100kt/a规模的有9套。40-100kt/a（不含100 kt/a舰模白有22套。其余 小甲醇均为联醇装置。近年来，我国甲醇产量有较大的增长，19982005年，年均增长率为19.8%。虽然国内甲醇产量增长很快，但装置开工率一直较低

45、，尤其是在1998-2002年，开工率一直在 40%-55%。 2003、2004和2005年由于 甲醇需求旺盛、价格高，开工率上升到近年来的高峰，达到62%、73%和77%。国内甲醇装置开工率低的主要原因是我国联醇装置产能约占总产能的 50%左右，多数联醇装置规模小、产品成本高、缺乏竞争力，造成开工严重不 足。近年来因甲醇利润高，投资者对大型甲醇项目十分关注，特别是煤产地和 天然气产地，在积极研究建设大型甲醇项目的可能，有的已经开工建设。据不完全统计，国内甲醇在建项目产能达到 4000kt以上，在2008年前后都可以形 成生产能力。届时，我国甲醇生产能力将达到 10000kt/a左右。考虑到

46、不具备 竞争能力的小型甲醇装置将逐步淘汰的发展趋势， 2008年，国内实际甲醇生产 能力约为9000kt/a。1.5本次设计的目的和意义甲醇作为主要的化工原料，发展甲醇工业对我国经济发展具有重要的战略 意义18。我国的资源现状是：富煤贫油少气，而且煤制甲醇的合成技术很成 熟。随着石油和天然气价格的迅速上涨，煤制甲醇更加具有优势。煤制甲醇的 方法在我国注定将来占主导地位。本设计遵循“工艺先进、技术可靠、配置科学、安全环保”的原则，结合 甲醇的性质特征设计一座年产 60万吨煤制甲醇的生产车间。通过完成设计，可 以知道甲醇的用途，掌握煤制甲醇的生产工艺；了解国内外甲醇工业的发展现 状； 以 及 甲

47、醇 工 业 的 发 展 趋 势。2设计要求及设计依据设计题目设计任务书给定的本设计题目为60万吨/年煤制甲醇初步工艺设计”设计原则本课题遵循以下设计原则和指导思想：(1)按技术先进、成熟可靠、经济合理的原则对技术方案进行论证，以确 定最佳方案；(2)尽可能采用节能工艺和高效设备，充分发挥规模效应，降低能耗、物 耗和生产成本，提高项目经济效益和社会效益；(3)主体工程与环境保护、劳动安全和工业卫生同时考虑，以减少“三 废”排放，加强“三废”治理，确保安全生产，消除并尽可能减小化工生产对 环境的不良影响和对职工及周边居民健康的危害。设计要求(1)查阅有关甲醇生产技术、煤制备甲醇等方面的文献，写出文

48、献综述；(2)设计出60万吨/年煤制甲醇初步生产工艺流程；(3)工艺计算及主要设备设计计算；(4)绘制工艺流程图及2张主要设备简图；(5)撰写本科毕业论文。设计依据(1)甲醇生产技术手册；(2)西安建筑科技大学化工教研室下发的“本科毕业设计(论文)任务 书”；(3)中华人民共和国煤、甲醇行业标准；(4)中华人民共和国化工行业标准；(5)中华人民共和国国家钢制压力容器标准 GB150-1998(6)钱颂文.热换热器设计手册.北京：化学工业出版社，2002;(7)常用化工单元设备设计.华南理工大学出版社，2006;(8)路秀林，王者相.化工设备设计全书一塔设备.北京：化学工业出版 社，2004.3

49、初步工艺设计工业上煤制甲醇的成熟生产方法是：煤要先气化生成原料气，接下来经过 变换保证氢碳比，再净化除去杂质，然后合成甲醇，最后按要求纯度进行精 制。本设计年产60万吨煤制甲醇初步工艺设计也选用上述方法，主要从煤气化 工段、煤气变换工段、煤气净化工段、甲醇合成工段和甲醇精制工段等五个工 段进行设计。煤气化工段煤气化主要是指煤在特定设备内，在一定温度及压力下使没中有机质与气 化剂（如蒸汽、氢气或氧气）发生一系列化学反应，将固体煤转化为含有一氧 化碳（CO）、氢气（H2）、甲烷（CH4）等可燃气体以及二氧化碳（CO2）、氮气 （N2）等非可燃气体的过程。煤气化主要通过煤气发生炉进行转换而实现。这

50、其中，煤气化的主要任务是制得原料气。煤的选用煤是由古代植物转变而来的大分子有机化合物。煤中除了含有碳、氢、 氧、氮、硫五种元素之外，还含有水分、灰分及焦油的等挥发性物质。煤的选 择标准要考虑以下几个方面：.水分。煤中的水分是指煤所含有的游离水（开采、运输、堆放过程所沾 上的水）、吸附水（凝胶水、表面吸附水、毛细孔吸附水和矿物质结晶水）和 化合水，它关系到煤的热值和实用价值。原料煤的水分高，有效成分降低，气 体产率降低。气化过程中水蒸气带出的热量增加，煤消耗定额增加。.挥发分。挥发分是半焦或煤在隔绝空气的条件下，加热而挥发出来的碳 氢化合物，在氢化过程中能分解变成氢气、甲烷和焦油蒸汽等。挥发分与

51、煤的 变质过程有关，挥发分高，制得的煤气的甲烷等碳氢化合物的含量高。其影响 如下：1）甲烷含量高，降低了外送有效气体的含量，增加合成放空量，直接影响 原料消耗定额和甲醇的合成能力；2）焦油含量高，煤粒相互粘结成焦拱，破坏透气性，增大床层阻力。妨碍 气化剂均匀分布，炉况会逐步恶化，严重时灭炉打靶。且易沉积在管道、设备 填料和罗茨机转子和机内壳上，更严重时，会沉积在一段压缩机入口管边和活 门上，影响输气量，给生产带来极大不利。.硫分。硫在煤中主要以有机硫、单质硫、硫化物和硫酸盐四种形式存 在。在气化的过程中硫变成硫化氢和有机硫存在于煤气中，对设备会产生腐 蚀，并使催化剂中毒。故原料其中硫含量越低越

52、好。.灰分。煤的灰分是指煤中所有可以燃烧以及矿物质在高温下产生分解、 化合等复杂反应后剩下来的残渣，其主要成分是金属与非金属的氧化物和盐。.化学活性。煤的化学活性是指其与气化剂如氧、水蒸气、二氧化碳反应的能力。化学活性高， 有利于气化能力和气体质量的提高190此次设计采用煤气化的技术，综合考虑各方面因素，采用的原料煤为长焰煤20,长焰煤属于低灰低硫的低变质煤种，常被用作化工用煤，组分见下表: 表3-1入炉长焰煤的元素分析(为项目(C)(H)(O)(N)(S)(A)(M)空气干虫 基(ad)7 78.723.425.170.831.357.762.75100煤气化过程从节能及效率方面考虑，一般煤

53、气化技术多采用自热法，即气化过程所需 的热量由燃烧部分煤炭过程产生的热量所提供。气化炉中的气化反应所包含的 类别较多。煤的结构复杂，其中含有C、H、O和其他元素，一般只考虑煤中的主要元素C,将其反应过程简单地分为：氧化反应、还原反应、甲烷生成反 应和水煤气平衡反应等。.氧化反应：C+O2=CO2 (1)2C+O2=2CO (2)2CO+O2=2CO2 (3)上述反应均为放热反应。.还原反应：C+CO2=2CO (4)C+H2O=CO+H2 (5)C+2H2O=CO2+2H2 (6)其中，式(4)称为CO2还原反应，该反应属于较强吸热反应，需在高温 条件下才能进行；式(5)、(6)是制造水煤气的

54、主要反应，也称为水蒸气分 解反应。反应生成的CO可进一步和水蒸气发生如下反应：CO+H2O=CO2+H2(7)该反应称为CO变换反应，也称为均相水煤气反应或水煤气平衡反应，为 放热反应。在有关工艺过程中，为了把 CO全部或部分转化为 H2 ,往往利用 这个反应来加以实现。.甲烷生成反应煤气中的甲烷，一部分由煤中挥发物经热分解而得到，另一部分是气化炉 内的碳与煤气中的氢气反应以及其他产物之间的反应的结果。C+2H2=CH4CO+3H2=CH4+H2O2CO+2H2=CH4+CO2CO2+4H2=CH4+2H2O上述甲烷生成反应，均属于放热反应类型。本设计采用GE水煤浆加压气化技术21,即德士古水

55、煤浆加压气化技术。 德士古加压水煤浆气化技术是一种以水煤浆为进料、氧气为气化剂的加压气流 床并流气化工艺，属于气流床湿法加料、液态排渣的加压气化技术。具有生产 能力大；碳转化率高，达 96-98%,排水中不含焦油、酚等污染物，煤气质量 好，有效气(CO+H2)高达80%左右，甲烷含量低，适宜做合成气等优点，是 较成熟的煤气化技术，缺点是专利费用高，喷嘴的使用寿命较短，前期投资大气化工艺原理制浆原理煤制备高浓度水煤浆工艺是针对原料煤的矿物特性和水煤浆产品 质量要求，采用“分级研磨”的方法，能够使煤浆获得较宽的粒度分布，从而明显改善煤浆中煤颗粒的堆积效率，进而提高煤浆的质量浓度。从界区外的煤 预处

56、理工段来的碎煤加入料斗中，料斗中的煤经过煤称重给料机送入粗磨煤来自废浆槽的水通过粗磨煤机给水泵和细磨煤机给水泵送入到粗磨煤机前 稀释搅拌桶。所用冲洗水直接来自生产水总管，这里我们不考虑其储存和运 输。添加剂从添加剂槽中通过添加剂泵送到粗磨煤机中。在磨煤机上装有控制 水煤浆pH值和调节水煤浆黏度的添加剂管线。经过细浆制备系统后的细浆通 过泵计量输送到磨煤机。破碎后的煤、细浆、添加剂和水一同按照设定的量加入到粗磨煤机入口 中，经过粗磨煤机磨矿制备后的为水煤浆产品，然后进入设在磨煤机出口的滚 筒筛，滤去较大的颗粒，筛下的水煤浆进入磨煤机出料槽，由搅拌槽自流入高 剪切处理桶，经过剪切处理后的煤浆质量得

57、到较大改善。高剪切后的大部分煤 浆泵送煤浆储存槽，以便后续气化用；少部分煤浆泵送细磨煤机粗浆槽，并加 入一定比例的水进行稀释搅拌，配制成浓度约为40%的煤浆，然后又泵送至磨矿，细磨煤机磨制后的煤浆自流入旋振筛，除去大颗粒后的细浆用泵送入磨煤 机。制浆单元的水煤浆制备工艺是以长焰煤为原料，采用分级研磨方法通过 粗、细磨煤机上制备出气化水煤浆。2.气化工艺原理德士古水煤浆加压气化过程属于气流床并流反应过程。水煤浆通过喷嘴在 氧气流作用下破碎、雾化喷入气化炉。氧气和雾状水煤浆在炉内受到耐火衬里 的高温辐射作用，迅速经历着预热、水分蒸发、煤的干储、挥发物的裂解燃烧 以及碳的气化等一系列复杂的物理、化学

58、过程。最后，生产以一氧化碳、氢 气、二氧化碳和水蒸气为主要成分的湿煤气及熔渣，一起并流而下，离开反应 区，进入炉子底部极冷室水中，落入渣罐，经排渣系统定时排放。煤气和所含 饱和蒸汽进入煤气冷却净化系统。气化炉内的气化过程包括：干燥（水煤浆中的水气化）、热解以及由热解 生成的碳与气化剂反应三个阶段。主要是碳与气化剂 O2制浆的反应。1）裂解区和挥发分燃烧区当煤粒喷入炉内高温区域即被迅速加热，并释放出挥发分。挥发产物数量 与煤粒大小、升温速度有关，裂解产生的挥发物会讯速与氧气发生反应，因为 这一区域的氧浓度高，所以挥发物实现的是完全燃烧过程，同时产生大量热 量。2）燃烧-气化区这一区域内，脱去挥发

59、物的煤焦，一方面可与残余的氧反应（产物是CO和CO2的混合物），另一方面煤焦与水蒸气和二氧化碳反应可生成CO和H2,产物CO和H2又可以在气相中与残余的氧反应，产生更多的热量。3）气化区燃烧物进入气化区后，发生下列反应：煤焦和CO2反应，煤焦和水蒸气的反应，甲烷转化反应和水煤浆转化反应，较大的综合反应如下：CnHm n/2O2 nCO m/2H2CM nO2 nCO (n m/2)H2CH4 C 2H2CH4 (n m/4)O2 nCO2 m/2H2C CO2 2COCH 4 H2O CO 3H 2CO H 2O CO2 H2上述反应产物主要为 CO和H2 (一股在74%以上)和少量的水蒸气及

60、 CO2、H2s等，以上这些反应会因煤浆浓度不同气体成分也会有所不同；在相 同的反应条件下，煤浆浓度越高，一氧化碳加氢的浓度会越高。其主要原因在 于水煤浆中的水在气化反应过程要消耗大量的热，这部分热量要看煤完全燃烧 来维持，所以二氧化碳浓度相对要高。一般 CO+CO2的量为66%o气化炉为一直立圆筒形钢制耐压容器，炉膛内壁衬以高质量的耐火材料， 以防热渣和煤气的侵蚀。气化炉近似绝热容器，故热损失很少。气化炉内部无 结构件，维修简单，运行可靠性高。3.1.4气化工艺流程气化工艺流程包括煤浆制浆和输送系统、气化和废热回收系统、粗煤气洗 涤系统、锁斗系统22,具体工艺流程图见图3-1。.煤浆制浆和输