年产1万吨甲醇工艺设计毕业设计

年产1万吨甲醇工艺设计毕业设计内容摘要：

Tops￠ e法甲醇生产中的变换工艺，以及国内的以重油为原料的全气量部分变换工艺。 设计中的变换工艺是一种全新的设计，该工艺采用的是部分气变换。 该工艺的简单流程为：气化工段来的水煤气首先进入预变换炉，出炉后分为两部分：一部分进入另一变换炉，变换后经过多次换热和气液分离后去了脱硫系统；另一部分先进入有机硫水解槽脱硫，出来后气体又分为两部分，部分去调节变换炉出口 CO 含量，部分去 发电系统发电。 (1)工艺条件的确定： 温度 设计中的变换炉（ R2020）内装两段耐硫变换触媒，两段间配有煤气激冷管线，采用连续换热式来降低温度，控制温度在 393℃左右。 预变换炉温度控制在 240℃左右。 压力 设计中是将气体压缩到 后送入变换炉的。 压力对反应的化学平衡没有影响，但对反应速率影响显著，在 ～ 范围内反应速率大约与压力的 次方而成正比，故加压操作可提高设备生产能力。 现代甲醇装置采用加压变换可以节约压缩合成气的能量，并可充分利用变换气中过剩蒸汽的能量。 最终变换率 最终变换率由合成甲醇的原料气中氢碳比及一氧化碳和二氧化碳的比例决定的。 当全气量通过变换工序时，此时要求最终变换率不太高，必须保证足量的 CO 作为合成甲醇的原料；设计中采用的是部分气量变换，其余气量不经过变换而直接去合成，这部分气体可以调节变换后甲醇合成原料气中 CO的含量，所以通过的气体变换率达 90%以上。 催化剂粒度 为了提高催化剂的粒内有效因子，可以减少催化剂粒度，但相应地气体通过催化剂床的阻力就将增加，变换催化剂的适宜直径为 6～ 10mm，工业上一般压制成圆柱状，粒度￠ 5 5或 ￠ 9 9mm。 设计中采用催 化剂粒度为 ￠ 14 9 9mm。 NHD 脱硫脱碳 (1) NHD溶剂的物理性质和应用性能 NHD 溶剂主要组分是聚乙二醇二甲醚的同系物，分子式为 CH3O(C2H4O)nCH3, 式中 n=2～ 8，平均分子量为 250～ 280。 物理性质 (25℃ )： 密度 蒸汽压 表面张力 粘度 比热 2100J/(kg/K) 导热系数 (m/K) 冰点 22℃ ～ 29℃ 闪点 151℃ 燃点 157℃ 应用性能： 表 1 各种气体在 NHD 溶剂中的相对溶解度 组分 H2 CO CH3 CO2 COS H2S CH3SH4 CS2 H2O 相对溶解度 100 233 892 2270 2400 73300 (2) NHD 溶剂吸收机理 甲醇生产要求净化气含硫量低， NHD 溶剂 脱硫 (包括无机硫和有机硫 )溶解度大，对二氧化碳选择性好，而且， NHD 脱硫后串联 NHD 脱碳，仍是脱硫过程的延续。 NHD 脱硫脱碳的甲醇装置的生产数据表明，经 NHD 法净化后，净化气总硫体积分数小于 ，再设置精脱硫装置，总硫体积分数可小于 106，满足甲醇生产的要求。 综上所述， NHD 法脱硫脱碳净化工艺是一种高效节能的物理吸收方法。 且在国内某些装置上己成功应用，有一定的生产和管理经验，本着节约投资、采用国内先进成熟的净化技术这一原则，设计采用了 NHD 脱硫脱碳净化工艺。 合成甲醇工艺 的选择 甲醇合成的典型工艺主要是：低压工艺（ ICI 低压工艺、 Lurgi 低压工艺）、中压工艺、高压工艺。 甲醇合成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的和反应器，设计采用用的是低压合成工艺。 甲醇合成塔的选择 15 目前，国内外的大型甲醇合成塔塔型较多，归纳起来可分为五种： 冷激式合成塔：这是最早的低压甲醇合成塔，是用进塔冷气冷激来带走反应热。 该塔结构简单，也适于大型化。 但碳的转化率低，出塔的甲醇浓度低，循环量大，能耗高，又不能副产蒸汽，现已经基本被淘汰。 冷管式合成塔：这种合成塔 源于氨合成塔，在催化剂内设置足够换热面积的冷气管，用进塔冷管来移走反应热。 冷管的结构有逆流式、并流式和 U 型管式。 由于逆流式与合成反应的放热不相适应，即床层出口处温差最大，但这时反应放热最小，而在床层上部反应最快、放热最多，但温差却又最小，为克服这种不足，冷管改为并流或 U 形冷管。 这种塔型碳转化率较高但仅能在出塔气中副产 的低压蒸汽。 日前大型装置很少使用。 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。 这样可较大地提高传热系数，更好地移走反应热，缩小传热面积，多装催化剂，同时可副产— 的中压蒸汽，是大型化较理想的塔型。 固定管板列管合成塔：这种合成塔就是一台列管换热器，催化剂在管内，管间（壳程 )是沸腾水，将反应热用于副产 ～ 的中压蒸汽。 固定管板列管合成塔虽然可用于大型化，但受管长、设备直径、管板制造所限。 在日产超过 2020t 时，往往需要并联两个。 这种塔型是造价最高的一种，也是装卸催化剂较难的一种。 随着合成压力增高，塔径加大，管板的厚度也增加。 管板处的催化剂属于绝热段。 管板下面还有一段逆传热段，也就是进塔气 225℃，管外的沸腾水却是 248℃ ，不是将反应 热移走而是水给反应气加热。 这种合成塔由于列管需用特种不锈钢，因而是造价非常高的一种。 多床内换热式合成塔：这种合成塔由大型氨合成塔发展而来。 日前各工程公司的氨合成塔均采用二床 (四床 )内换热式合成塔。 针对甲醇合成的特点采用四床（或五床 )内换热式合成塔。 各床层是绝热反应，在各床出口将热量移走。 这种塔型结构简单，造价低，不需特种合金钢，转化率高，适合于大型或超大型装置，但反应热不能全部直接副产中压蒸汽。 典型塔型有 Casale 的四床卧式内换热合成塔和中国成达公司的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 16 产 1 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。 催化剂的选用 （ 1） 甲醇合成催化剂 经过长时间的研究开发和工业实践，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基催化剂，一种是以氧化锌为主体的锌基催化剂。 锌基催化剂机械强度好 .耐热性好，对毒物敏感性小，操作的适宜温度为 350～400℃， 压力为 25～ 32MPa(寿命为 2～ 3 年 )；铜基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 220～ 270℃， 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。 （ 2） XNC98 甲醇合成催化剂简介： XNC98 型催化剂是四川天一科技股份有限公司研制和开发的新产品。 目前已在国内 20 多套大、中、小型工业甲醇装置上使用 ,运行情况良好。 用于低温、低压下由碳氧化物与氢合成甲醇，具有低温活性高、热稳定性好的特点。 常用操作温度 200～ 290℃ ,操作压力 ～。 催化剂活性和寿命： 在该催化剂质量检验规定的活性检测条件下，其活性为： 230℃时：催化剂的时空收率≥ kg/() 250℃时：催化剂的时空收率≥ kg/() 在正常情况下，使用寿命为 2 年以上。 综上所述，催化剂的活性、选择性和使用寿命等主要技术经济指标均适合，所以本设计选用四川天一科技股份有限公司研制的 XNC98 型催化剂。 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。 所得产品除甲醇为，还有水、醚、醛、酮、酯、烷烃、有机酸等几十种有机杂质。 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。 甲醇的纯度直接影响下游产品的质量、消耗、安全生产及生产过程中所用的催化剂的寿命。 所以粗甲醇必须提纯。 精馏原理 精馏是将沸点不同的组分所组成的混合液，在精馏塔中，同时多次部分气化 17 和多次部分冷凝，使其分离成纯态组分的过程。 其分离的原理如下： 对于由沸点不同的组分组成的混合液，加热到一定温度，使其部分气化，并将气相与液相分离。 因低沸点组分易于气化，则所得气相中低沸点组分含量高于液相中的含量，而液相中高沸点组分含量，较气相中高。 若将气相混合蒸汽再部分冷凝下来，将冷凝液再 加热到一定温度，使其部分气化，并将气相与液相分离，则所得气相冷凝液中的低沸点组分又高于原气相冷凝液。 如此反复，低沸点组分不断提高。 到最后制得接近纯态的低沸点组分。 精馏工艺和精馏塔的选择 甲醇精馏按工艺主要分为三种：双塔精馏工艺技术、带有高锰酸钾反应的精馏工艺技术和三塔精馏工艺技术。 （ 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 %以上的符合国家指标的精甲醇产品。 水甲醇 1 预精馏塔 2 主精馏塔 图 2 甲醇双塔工艺流程 （ 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。 18 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。 粗甲醇甲醇甲醇釜液 1 预精馏塔 2 加压精馏塔 3 常压精馏塔 图 3 三塔工艺流程 （ 3） 双塔与三塔精馏技术比较 工艺流程 三塔精馏与双塔精馏在流程上的区别在于三塔精馏采用了 2 台主精馏塔 (其中 1台是加压塔 )和 1 台常压塔，较双塔流程多 1台加压塔。 这样，在同等的 生产条件下，降低了主精馏塔的负荷，并没常压塔利用加压塔塔顶的蒸汽冷凝热作为加热源，所以三塔精馏既节约蒸汽，又节省冷却水。 蒸汽消耗 在消耗方面 ,由于常压塔加压塔的蒸汽冷凝热作为加热源，所以三塔精馏的蒸汽消耗相比双塔精馏要低。 产品质量 三塔精馏与双塔精馏在产品质量上最大的不同是三塔精馏制取的精甲醇中乙醇含量低，一般小于 50 106,而双塔精馏制取的精甲醇中乙醇含量为 400 106～ 500 106，三塔精馏制取的精甲醇纯度可达 %，含有的有机杂质相对较少。 19 设备投资 三塔精馏的流程较双塔精 馏流程要复杂，所以在投资方面，同等规模三塔精的设备投资要比双塔精馏高出 20%～ 30%。 操作方面 由于双塔精馏具有流程简单 ,运行稳定的特点 ,所以在操作上较三塔精馏要方便简单。 通过上述比较可知，虽然三塔精馏技术的一次性投入要比双塔精馏高但是从能源消耗、精甲醇质量上都要优于双塔精馏，所以设计采用三塔精馏工艺。 （ 4） 精馏塔的选择 精馏塔是粗甲醇精馏工序的关键设备，它直接制约着生产装置的产品质量、消耗、生产能力及对环境的影响。 目前常用的精馏塔主要有四种塔型：泡罩塔，浮阀塔，填料塔和新型垂直筛板塔。 其各自结 构及特点如下： 泡罩塔 泡罩塔十多层板式塔，每层塔板上装有一个活多个炮罩。 该类型塔塔板效率高，操作弹性大，塔阻力小，但单位面积的生产能力低，设备体积大，结构复杂，投资较大。 该塔已经逐渐被其他塔代替。 浮阀塔 浮阀塔的塔板结构与泡罩相似，致使浮阀代替了泡罩及其伸气管。 该类型塔板效率高，操作弹性大，操作适应性强，单位面积生产能力大，造价较低。 但浮阀易损坏，维修费用高，安装要求高。 目前该塔仍被广泛使用，但有使用逐渐减少的趋势。 填料塔。