年产20万吨煤制甲醇生产工艺设计

本文格式为Word版，下载可任意编辑——年产20万吨煤制甲醇生产工艺设计年产20万吨煤制甲醇生产工艺初步设计

吉林大学毕业设计

设计说明书

题目：年产20万吨煤制甲醇生产工艺初步设计学号：20230202姓名：柳市年级：4

学院：材料与化工学院系别：材料系专业：材料科学与工程指导教师：李布完成日期：20231201

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摘要

甲醇是一种极重要的有机化工原料，也是一种燃料，是碳一化学的基础产品，在国民经济中占有十分重要的地位。近年来，随着甲醇下属产品的开发，特别是甲醇燃料的推广应用，甲醇的需求大幅度上升。为了满足经济发展对甲醇的需求，开展了此20万t/a的甲醇项目。设计的主要内容是进行工艺论证，物料衡算和热量衡算等。本设计本着符合国情、技术先进和易得、经济、环保的原则，采用煤炭为原料；利用GSP气化工艺造气；NHD净化工艺净化合成气体；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；此外严格控制三废的排放，充分利用废热，降低能耗，保证人员安全与卫生。

1总论

1.1概述

1.1.1甲醇性质

甲醇俗称木醇、木精，英文名为methanol，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；分子量32.04，相对密度0.7914(d420)，蒸气相对密度1.11(空气=1)，熔点-97.8℃，沸点64.7℃，闪点（开杯）16℃，自燃点473℃，折射率(20℃)1.3287，表面张力（25℃）45.05mN/m，蒸气压（20℃）12.265kPa，粘度（20℃）0.5945mPa?s。能与水、乙醇、乙醚、苯、酮类和大多数其他有机溶剂混溶。蒸气与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限6.0％～36.5﹪（体积比）。化学性质较活泼，能发生氧化、酯化、羰基化等化学反应。1.1.2甲醇用途

甲醇是重要有机化工原料和优质燃料，广泛应用于精细化工，塑料，医药，林产品加工等领域。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。用甲醇作甲基化试剂可生产丙烯酸甲酯、对苯二甲酸二甲酯、甲胺、甲基苯胺、甲烷氯化物等；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开。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。甲醇还可经生物发酵生成甲醇蛋白，富含维生素和蛋白质，具有营养价值高而成本低的优点，用作饲料添加剂，有着广阔的应用前景。1.1.3甲醇生产工艺的发展

甲醇是醇类中最简单的一元醇。1661年英国化学家R.波义耳首先在木材干馏后的液体产物中发现甲醇，故甲醇俗称木精、木醇。在自然界只有某些树叶或果实中含有少量的游离态甲醇，绝大多数以酯或醚的形式存在。1857年法国的M·贝特洛在试验室用一氯甲烷在碱性溶液中水解也制得了甲醇。

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1923年德国BASF公司首先用合成气在高压下实现了甲醇的工业化生产，直到1965年，这种高压法工艺是合成甲醇的唯一方法。1966年英国ICI公司开发了低压法工艺，接着又开发了中压法工艺。1971年德国的Lurgi公司相继开发了适用于自然气－渣油为原料的低压法工艺。由于低压法比高压法在能耗、装置建设和单系列反应器生产能力方面具有明显的优越性，所以从70年代中期起，国外新建装置大多采用低压法工艺。世界上典型的甲醇合成工艺主要有ICI工艺、Lurgi工艺和三菱瓦斯化学公司(MCC)工艺［1］。目前，国外的液相甲醇合成新工艺［2］具有投资省、热效率高、生产成本低的显著优点，特别是LPMEOHTM工艺，采用浆态反应器，特别适用于用现代气流床煤气化炉生产的低H2／(CO＋CO2)比的原料气，在价格上能够与自然气原料竞争。

我国的甲醇生产始于1957年，50年代在吉林、兰州和太原等地建成了以煤或焦炭为原料来生产甲醇的装置。60年代建成了一批中小型装置，并在合成氨工业的基础上开发了联产法生产甲醇的工艺。70年代四川维尼纶厂引进了一套以乙炔尾气为原料的95kt/a低压法装置，采用英国ICI技术。1995年12月，由化工部第八设计院和上海化工设计院联合设计的200kt/a甲醇生产装置在上海太平洋化工公司顺利投产，标志着我国甲醇生产技术向大型化和国产化迈出了新的一步。2000年，杭州林达公司开发了拥有完全自主知识产权的JW低压均温甲醇合成塔技术

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，打破长期来被ICI、Lurgi

等国外少数公司所垄断拥的局面，并在2023年获得国家技术发明二等奖。2023年，该技术成功应用于国内首家焦炉气制甲醇装置上。1.1.4甲醇生产原料

合成甲醇的工业生产是以固体（如煤、焦炭）、液体（如原油、重油、轻油）或气体（如自然气及其它可燃性气体）为原料，经造气、净化（脱硫）变换，除二氧化碳，配制成一定配比的合成气。在不同的催化剂存在下，选用不同的工艺条件可单产甲醇（分高、中、低压法），或与合成氨联产甲醇（联醇法）。将合成后的粗甲醇经预精镏脱除甲醚，再精镏而得成品甲醇。

自1923年开始工业化生产以来，甲醇合成的原料路线经历了很大变化。20世纪50年代以前多以煤和焦碳为原料；50年代以后，以自然气为原料的甲醇生产流程被广泛应用；进入60年代以来，以重油为原料的甲醇装置有所发展。对于我国，从资源背景看，煤炭储量远大于石油、自然气储量，随着石油资源紧缺、油价上涨，因此在大

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力发展煤炭清白利用技术的背景下，在很长一段时间内煤是我国甲醇生产最重要的原料［4］。

1.2设计的目的和意义

由于我国石油资源短缺，能源安全已经成为不可回避的现实问题，寻求替代能源已成为我国经济发展的关键。甲醇作为石油的补充已成为现实，发展甲醇工业对我国经济发展具有重要的战略意义。煤在世界化石能源储量中占有很大比重（我国状况更是如此），而且煤制甲醇的合成技术很成熟。随着石油和自然气价格的迅速上涨，煤制甲醇更加具有优势。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20万吨煤制甲醇的生产车间。

通过设计可以稳定、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，可以知道甲醇的用途；基本把握煤制甲醇的生产工艺；了解国内外甲醇工业的发浮现状；以及甲醇工业的发展趋势。

1.3设计的依据

1.3.1海南大学材料与化工学院2023届毕业设计选题

《年产20万吨煤制甲醇生产工艺初步设计》任务书，见附件。1.3.2设计的基础资料（1）工艺流程资料

参阅某化学工程公司的甲醇合成厂的工艺流程资料和参考由房鼎业主编的《甲醇工学》。

（2）合成工段的工艺参数

参阅某化学工程公司的甲醇合成厂的工艺参数资料。具体数据为入塔压力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设计的指导思想

以设计任务书为基础，适应我国甲醇工业发展的需要。加强理论联系实际，扩大知识面；培养独立思考、独立工作的能力。整个设计应贯彻节省基建投资，充分重视技术进步，降低工程造价，节能环保等思想，设计生产高质量甲醇产品。

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1.5设计的范围﹑装置组成及建设规模

1.5.1设计的范围

（1）年产20万吨甲醇生产工艺流程的设计（2）物料衡算、热量衡算

（3）主要生产设备设计计算与选型（4）环保措施（5）编写设计说明书（6）绘制设计图纸设计重点：

工艺流程的设计，工艺计算，合成塔设计计算与选型1.5.2生产和辅助车间设置(1)设生产车间4个

煤气化车间：包括原料煤的贮存、备煤加工处理、粉煤气化和空分。

净化车间：包括脱硫（常压粗煤气脱硫、变换气脱硫）、一氧化碳变换、脱二氧化碳及精脱硫。

合成车间：包括压缩、甲醇合成。精馏车间：甲醇精馏和甲醇贮罐区。

动力车间：包括全厂供排水、锅炉供热、软水脱盐水、供电。(2)设辅助车间3个

机修车间：包括机修、电仪修理。

综合楼：包括中心化验室、质量检验、安全环保。综合仓库1.5.3建设规模生产能力：

年产20万吨甲醇，年开工日为330天，日产为606.06吨，建设期2年。工作制度：

合成车间日工作小时为24小时，每日3班轮番替换，每班8小时连续生产，共4个班。

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厂址选择

该厂建设在某煤矿附近，计划占地约140亩；厂房基建部分由某工程设计院设计。

1.6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。

1.7产品质量标准

本产品（精甲醇）执行国家《GB338—92》标准，具体指标见下表

表1甲醇《GB338—92》

指标项目优等品色度（铂—钴），号≤密度（200C），g/cm3温度范围(0℃,101325Pa)，℃沸程（包括64.6±0.10C），℃≤高锰酸钾试验，min≥水溶性试验水分含量，%≤酸度（以HCOOH计），%≤或碱度（以NH3计），%≤羰基化合物含量（以CH2O计），%≤蒸发残渣含量，%≤0.100.00150.00020.0020.0010.850澄清0.150.0030.00080.0050.0030.791～0.79250.791～0.79364.0-65.51.0301.5200.0050.00150.010.005一等品合格品102工艺流程设计

煤制合成气合成气净化甲醇合成甲醇精馏图1煤制甲醇的简单工艺流程

首先是采用GSP气化工艺将原料煤气化为合成气；然后通过变换和NHD脱硫脱

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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，将原料气加压到5.14Mpa，加温到225℃后输入列管式等温反应器，在XNC-98型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。然后利用三塔精馏工艺将粗甲醇精制得到精甲醇。

2.1煤气化技术路线的选择

煤气化技术按气化反应器的形式，气化工艺可分为移动床（固定床）、流化床、气流床三种。2.1.1移动床气化

采用一定粒度范围的碎煤（5mm～50mm）为原料，与气化剂逆流接触，炉内温度分布曲线出现最高点，反应残渣从炉底排出，生成气中含有可观量的挥发气。典型的气化炉为鲁奇（Lurgi）炉。

移动床气化，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，可是它有好多不足：（1）对原料煤的黏结性有一定有一定要求：（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

采用一定粒度分布的细粒煤（＜10mm）为原料，吹入炉内的气化剂使煤粒呈连续随机运动的流化状态，床层中的混合和传热都很快。所以气体组成和温度均匀，解决了固定床气化需用煤的限制。生成的煤气基本不含焦油，但飞灰量很大。发展较早且比较成熟的是常压温克（Winkler）炉。

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

气流床采用粉煤为原料，反应温度高，灰分是熔融状态。典型代表为GSP,Shell,Texaco气流床气化工艺。

气流床气化优点好多，它是针对流化床的不足开发的。气流床气化具有以下特点［5］：(1)采用

4.1.3.2变换气和调理CO浓度的水解气的确定

水解气体积百分含量为：H235.39%；CO45.91%；CO217.87%N20.15%；

Ar0.06%；NH30.05%；CH40.06%；H2S0.5%；COS0.01%。

变换气体积百分含量为：H252.58%；CO6.00%；CO240.06%N20.35%；

Ar0.17%；NH30.07%；CH40.03%；H2S0.47%；COS0.01%。假设变换气气量为x，调理CO浓度的水解气气量为y，

x+y=调理CO浓度后的变换气气量，即x+y=62826.12（1）再由CO的守衡可得式：6%x+45.91%y=12401.88（2）联合（1）（2）可算的x=41196.66m3/h；y=21629.44m3/h

所以变换气气量为41196.66m3/h，调理CO浓度的水解气气量为21629.44m3/h。

表20变换气组成

气体H2COCO2N2Ar组成52.85%6.00%40.06%0.35%0.17%气量m3/h21773.322471.8016501.04143.4868.70气体NH3CH4H2SCOS组成0.07%0.03%0.47%0.01%气量m3/h26.8812.16193.424.12

4.1.3.3水解气和预变换气组成的确定

在变换炉中CO的转化率为85.88%，已知预变换气中CO的百分率和变换气中CO的含量，设预变换气为x，则可得式：

x0.7×28.02%×（1-85.88%）=2471.80

解得x=89250.88m3/h，即预变换气气量为89250.88m3/h。

脱硫过程中Ar也不变，30%预变换气中Ar=89220.78×0.3×0.11%=29.44m3/h，水解气中Ar的百分率为0.06%，所以，水解气气量=29.44/0.06%=49071.42m3/h。

用来发电的水解气气量=水解气－用来调理CO浓度的水解气气量，即

发电水解气气量=49071.42－21629.44=27441.98m3/h，

已知了水解气和预变换气的气量和两者的个组分含量，通过计算可得水解气和预变换气组成如下两个表：

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表21水解气的组成

气体H2COCO2N2Ar组成35.39%45.91%17.87%0.15%0.06%气量m/h17366.3822528.688769.0673.6029.44气体NH3CH4H2SCOS组成0.05%0.06%0.5%0.01%气量m3/h24.5429.44245.364.90

表22预变换气组成

气体H2COCO2N2Ar组成43.87%28.02%28.32%0.24%0.11%气量m/h39139.4425000.4825272.10217.0898.14气体NH3CH4H2SCOS组成0.06%0.05%0.49%0.01%气量m3/h51.4241.60438.789.02

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4.1.3.4水煤气的确定

由GSP气化工艺（原料煤为铜川煤）的气化指标可以知道水煤气组成为：H234.30%；CO45.43%；CO218.98%；N20.18%；Ar0.09%；NH30.24%；CH40.05%；H2S0.70%；COS0.03%。

在预变换炉中CO的转化率为49.56%，设水煤气气量为y，由水煤气和预变换气的组成，可得式；y×45.43%×（1-49.56%）=25000.48解得y=109044.44m3/h，即水煤气气量为19044.44m3/h算的水煤气组成如下表：

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表23水煤气组成

气体H2COCO2N2Ar组成34.30%45.43%18.98%0.18%0.09%气量m/h37402.2449560.7020696.64196.2898.14气体NH3CH4H2SCOS组成0.24%0.05%0.7%0.03%气量m3/h261.7054.52763.3232.72

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4.1.4气化工段

4.1.4.1原料煤用量的确定

水煤气中C元素的量=（49560.70+20696.64+32.72+54.52）/22.4=3140.38kmol/h。原料煤选用的是铜川煤，煤的元素分析为/%：C67.5；H4.0；S（可燃）1.73；S（不燃）0.34；O10.2；N0.65；Cl/（mg/kg）229；F/（mg/kg）104；Na/（mgkg）2180；K/（mg/kg）292。

原料煤中C=3140.38/0.995=3156.16kmol/h。原料煤用量=（3156.16×12）/0.675=56.10t/h

每吨精甲醇用煤量=56.10/26.04=2.15t（原煤）/t（精甲醇）其中2.15×0.7=1.51t煤用于合成甲醇；0.65t煤用于发电。4.1.4.2氧气用量的确定GSP气化工艺：

碳转化率为99.5%；

原料：1000m3（CO+H2）；原煤（热值Q=24870kJ/kg）645.3kg；O2（99.6%）：291.6m3；

O2（99.6%）用量=((37402.24+49560.70）/1000）×291.6=25358.40m3

4.2能量衡算

4.2.1煤发电量

每吨煤发电1200kw.h

0.65×1200×26.04=20311.20（kw.h）/h

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4.2.2合成工段

4.2.2.1合成塔的热平衡计算（1）计算公式

全塔热平衡方程式为：∑Q1+∑Qr=∑Q2+∑Q3+Q（1）式中：Q1——入塔气各气体组分焓，kJ/h；

Qr——合成反应和副反应的反应热，kJ/h；Q2——出塔气各气体组分焓，kJ/h；Q3——合成塔热损失，kJ/h；Q——沸腾水吸收热量，kJ/h。

∑Q1=∑（G1×Cm1×Tm1）（2）式中：G1——入塔气各组分流量，m3/h；

Cm1——入塔各组分的比热容，kJ/（m3.k）；Tm1——入塔气体温度，k；

∑Q2=∑（G2×Cm2×Tm2）（3）

式中：G2——出塔气各组分流量m3/h；

Cm2——出塔各组分的热容，kJ/（m.k）；Tm2——出塔气体温度，k；

∑Qr=Qr1+Qr2+Qr3+Qr4+Qr5+Qr6+Qr7（4）

式中：Qr1、Qr2、Qr3、Qr4、Qr5、Qr6、——分别为甲醇、二甲醚、异丁醇、甲烷、

辛烷的生成热，kJ/h；

Qr7——二氧化碳逆变反应的反应热，kJ/h

Qr=Gr×△H（5）式中：Gr——各组分生成量，kmol/h；

△H——生成反应的热量变化，kJ/mol（2）入塔热量计算

通过计算可以得到5.14Mpa，225℃时各入塔气气体的热容，根据入塔气各气体组分量，算的甲醇合成塔入塔热量如下表：

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表24甲醇合成塔入塔热量

气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4热容kJ/（kmol.k）67.0429.5429.8844.1829.4725.1646.82气量kmol/h8.8812318.081896.64493.24424.14108.54249.66入塔热量kJ/（h.k）595.32363876.08