年產(chǎn)20萬噸煤制甲醇生產(chǎn)工藝設(shè)計

本文格式為Word版，下載可任意編輯——年產(chǎn)20萬噸煤制甲醇生產(chǎn)工藝設(shè)計年產(chǎn)20萬噸煤制甲醇生產(chǎn)工藝初步設(shè)計

吉林大學(xué)畢業(yè)設(shè)計

設(shè)計說明書

題目：年產(chǎn)20萬噸煤制甲醇生產(chǎn)工藝初步設(shè)計學(xué)號：20230202姓名：柳市年級：4

學(xué)院：材料與化工學(xué)院系別：材料系專業(yè)：材料科學(xué)與工程指導(dǎo)教師：李布完成日期：20231201

1

摘要

甲醇是一種極重要的有機(jī)化工原料，也是一種燃料，是碳一化學(xué)的基礎(chǔ)產(chǎn)品，在國民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位。近年來，隨著甲醇下屬產(chǎn)品的開發(fā)，特別是甲醇燃料的推廣應(yīng)用，甲醇的需求大幅度上升。為了滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展對甲醇的需求，開展了此20萬t/a的甲醇項(xiàng)目。設(shè)計的主要內(nèi)容是進(jìn)行工藝論證，物料衡算和熱量衡算等。本設(shè)計本著符合國情、技術(shù)先進(jìn)和易得、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的原則，采用煤炭為原料；利用GSP氣化工藝造氣；NHD凈化工藝凈化合成氣體；低壓下利用列管均溫合成塔合成甲醇；三塔精餾工藝精制甲醇；此外嚴(yán)格控制三廢的排放，充分利用廢熱，降低能耗，保證人員安全與衛(wèi)生。

1總論

1.1概述

1.1.1甲醇性質(zhì)

甲醇俗稱木醇、木精，英文名為methanol，分子式CH3OH。是一種無色、透明、易燃、有毒、易揮發(fā)的液體，略帶酒精味；分子量32.04，相對密度0.7914(d420)，蒸氣相對密度1.11(空氣=1)，熔點(diǎn)-97.8℃，沸點(diǎn)64.7℃，閃點(diǎn)（開杯）16℃，自燃點(diǎn)473℃，折射率(20℃)1.3287，表面張力（25℃）45.05mN/m，蒸氣壓（20℃）12.265kPa，粘度（20℃）0.5945mPa?s。能與水、乙醇、乙醚、苯、酮類和大多數(shù)其他有機(jī)溶劑混溶。蒸氣與空氣形成爆炸性混合物，爆炸極限6.0％～36.5﹪（體積比）?；瘜W(xué)性質(zhì)較活潑，能發(fā)生氧化、酯化、羰基化等化學(xué)反應(yīng)。1.1.2甲醇用途

甲醇是重要有機(jī)化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料，廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工，塑料，醫(yī)藥，林產(chǎn)品加工等領(lǐng)域。甲醇主要用于生產(chǎn)甲醛，消耗量要占到甲醇總產(chǎn)量的一半，甲醛則是生產(chǎn)各種合成樹脂不可少的原料。用甲醇作甲基化試劑可生產(chǎn)丙烯酸甲酯、對苯二甲酸二甲酯、甲胺、甲基苯胺、甲烷氯化物等；甲醇羰基化可生產(chǎn)醋酸、醋酐、甲酸甲酯等重要有機(jī)合成中間體，它們是制造各種染料、藥品、農(nóng)藥、炸藥、香料、噴漆的原料，目前用甲醇合成乙二醇、乙醛、乙醇也日益受到重視。甲醇也是一種重要的有機(jī)溶劑，其溶解性能優(yōu)于乙醇，可用于調(diào)制油漆。作為一種良好的萃取劑，甲醇在分析化學(xué)中可用于一些物質(zhì)的分開。甲醇還是一種很有前景的清潔能源，甲醇燃料以其安全、廉價、燃燒充分，利用率高、環(huán)保的眾多優(yōu)點(diǎn)，替代汽油已經(jīng)成為車用燃料的發(fā)展方向之一；另外燃料級甲醇用于供熱和發(fā)電，也可達(dá)到環(huán)保要求。甲醇還可經(jīng)生物發(fā)酵生成甲醇蛋白，富含維生素和蛋白質(zhì)，具有營養(yǎng)價值高而成本低的優(yōu)點(diǎn)，用作飼料添加劑，有著廣闊的應(yīng)用前景。1.1.3甲醇生產(chǎn)工藝的發(fā)展

甲醇是醇類中最簡單的一元醇。1661年英國化學(xué)家R.波義耳首先在木材干餾后的液體產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)甲醇，故甲醇俗稱木精、木醇。在自然界只有某些樹葉或果實(shí)中含有少量的游離態(tài)甲醇，絕大多數(shù)以酯或醚的形式存在。1857年法國的M·貝特洛在試驗(yàn)室用一氯甲烷在堿性溶液中水解也制得了甲醇。

5

1923年德國BASF公司首先用合成氣在高壓下實(shí)現(xiàn)了甲醇的工業(yè)化生產(chǎn)，直到1965年，這種高壓法工藝是合成甲醇的唯一方法。1966年英國ICI公司開發(fā)了低壓法工藝，接著又開發(fā)了中壓法工藝。1971年德國的Lurgi公司相繼開發(fā)了適用于自然氣－渣油為原料的低壓法工藝。由于低壓法比高壓法在能耗、裝置建設(shè)和單系列反應(yīng)器生產(chǎn)能力方面具有明顯的優(yōu)越性，所以從70年代中期起，國外新建裝置大多采用低壓法工藝。世界上典型的甲醇合成工藝主要有ICI工藝、Lurgi工藝和三菱瓦斯化學(xué)公司(MCC)工藝［1］。目前，國外的液相甲醇合成新工藝［2］具有投資省、熱效率高、生產(chǎn)成本低的顯著優(yōu)點(diǎn)，特別是LPMEOHTM工藝，采用漿態(tài)反應(yīng)器，特別適用于用現(xiàn)代氣流床煤氣化爐生產(chǎn)的低H2／(CO＋CO2)比的原料氣，在價格上能夠與自然氣原料競爭。

我國的甲醇生產(chǎn)始于1957年，50年代在吉林、蘭州和太原等地建成了以煤或焦炭為原料來生產(chǎn)甲醇的裝置。60年代建成了一批中小型裝置，并在合成氨工業(yè)的基礎(chǔ)上開發(fā)了聯(lián)產(chǎn)法生產(chǎn)甲醇的工藝。70年代四川維尼綸廠引進(jìn)了一套以乙炔尾氣為原料的95kt/a低壓法裝置，采用英國ICI技術(shù)。1995年12月，由化工部第八設(shè)計院和上?；ぴO(shè)計院聯(lián)合設(shè)計的200kt/a甲醇生產(chǎn)裝置在上海太平洋化工公司順利投產(chǎn)，標(biāo)志著我國甲醇生產(chǎn)技術(shù)向大型化和國產(chǎn)化邁出了新的一步。2000年，杭州林達(dá)公司開發(fā)了擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的JW低壓均溫甲醇合成塔技術(shù)

［3］

，打破長期來被ICI、Lurgi

等國外少數(shù)公司所壟斷擁的局面，并在2023年獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎。2023年，該技術(shù)成功應(yīng)用于國內(nèi)首家焦?fàn)t氣制甲醇裝置上。1.1.4甲醇生產(chǎn)原料

合成甲醇的工業(yè)生產(chǎn)是以固體（如煤、焦炭）、液體（如原油、重油、輕油）或氣體（如自然氣及其它可燃性氣體）為原料，經(jīng)造氣、凈化（脫硫）變換，除二氧化碳，配制成一定配比的合成氣。在不同的催化劑存在下，選用不同的工藝條件可單產(chǎn)甲醇（分高、中、低壓法），或與合成氨聯(lián)產(chǎn)甲醇（聯(lián)醇法）。將合成后的粗甲醇經(jīng)預(yù)精鎦脫除甲醚，再精鎦而得成品甲醇。

自1923年開始工業(yè)化生產(chǎn)以來，甲醇合成的原料路線經(jīng)歷了很大變化。20世紀(jì)50年代以前多以煤和焦碳為原料；50年代以后，以自然氣為原料的甲醇生產(chǎn)流程被廣泛應(yīng)用；進(jìn)入60年代以來，以重油為原料的甲醇裝置有所發(fā)展。對于我國，從資源背景看，煤炭儲量遠(yuǎn)大于石油、自然氣儲量，隨著石油資源緊缺、油價上漲，因此在大

6

力發(fā)展煤炭清白利用技術(shù)的背景下，在很長一段時間內(nèi)煤是我國甲醇生產(chǎn)最重要的原料［4］。

1.2設(shè)計的目的和意義

由于我國石油資源短缺，能源安全已經(jīng)成為不可回避的現(xiàn)實(shí)問題，尋求替代能源已成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵。甲醇作為石油的補(bǔ)充已成為現(xiàn)實(shí)，發(fā)展甲醇工業(yè)對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。煤在世界化石能源儲量中占有很大比重（我國狀況更是如此），而且煤制甲醇的合成技術(shù)很成熟。隨著石油和自然氣價格的迅速上漲，煤制甲醇更加具有優(yōu)勢。本設(shè)計遵循“工藝先進(jìn)、技術(shù)可靠、配置科學(xué)、安全環(huán)保〞的原則；結(jié)合甲醇的性質(zhì)特征設(shè)計一座年產(chǎn)20萬噸煤制甲醇的生產(chǎn)車間。

通過設(shè)計可以穩(wěn)定、深化和擴(kuò)大所學(xué)基本知識，培養(yǎng)分析解決問題的能力；還可以培養(yǎng)創(chuàng)新精神，樹立良好的學(xué)術(shù)思想和工作作風(fēng)。通過完成設(shè)計，可以知道甲醇的用途；基本把握煤制甲醇的生產(chǎn)工藝；了解國內(nèi)外甲醇工業(yè)的發(fā)浮現(xiàn)狀；以及甲醇工業(yè)的發(fā)展趨勢。

1.3設(shè)計的依據(jù)

1.3.1海南大學(xué)材料與化工學(xué)院2023屆畢業(yè)設(shè)計選題

《年產(chǎn)20萬噸煤制甲醇生產(chǎn)工藝初步設(shè)計》任務(wù)書，見附件。1.3.2設(shè)計的基礎(chǔ)資料（1）工藝流程資料

參閱某化學(xué)工程公司的甲醇合成廠的工藝流程資料和參考由房鼎業(yè)主編的《甲醇工學(xué)》。

（2）合成工段的工藝參數(shù)

參閱某化學(xué)工程公司的甲醇合成廠的工藝參數(shù)資料。具體數(shù)據(jù)為入塔壓力5.14MPa，出塔壓力4.9MPa，副產(chǎn)蒸汽壓力3.9MPa，入塔溫度225℃，出塔溫度255℃。

1.4設(shè)計的指導(dǎo)思想

以設(shè)計任務(wù)書為基礎(chǔ)，適應(yīng)我國甲醇工業(yè)發(fā)展的需要。加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際，擴(kuò)大知識面；培養(yǎng)獨(dú)立思考、獨(dú)立工作的能力。整個設(shè)計應(yīng)貫徹節(jié)省基建投資，充分重視技術(shù)進(jìn)步，降低工程造價，節(jié)能環(huán)保等思想，設(shè)計生產(chǎn)高質(zhì)量甲醇產(chǎn)品。

7

1.5設(shè)計的范圍﹑裝置組成及建設(shè)規(guī)模

1.5.1設(shè)計的范圍

（1）年產(chǎn)20萬噸甲醇生產(chǎn)工藝流程的設(shè)計（2）物料衡算、熱量衡算

（3）主要生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計計算與選型（4）環(huán)保措施（5）編寫設(shè)計說明書（6）繪制設(shè)計圖紙設(shè)計重點(diǎn)：

工藝流程的設(shè)計，工藝計算，合成塔設(shè)計計算與選型1.5.2生產(chǎn)和輔助車間設(shè)置(1)設(shè)生產(chǎn)車間4個

煤氣化車間：包括原料煤的貯存、備煤加工處理、粉煤氣化和空分。

凈化車間：包括脫硫（常壓粗煤氣脫硫、變換氣脫硫）、一氧化碳變換、脫二氧化碳及精脫硫。

合成車間：包括壓縮、甲醇合成。精餾車間：甲醇精餾和甲醇貯罐區(qū)。

動力車間：包括全廠供排水、鍋爐供熱、軟水脫鹽水、供電。(2)設(shè)輔助車間3個

機(jī)修車間：包括機(jī)修、電儀修理。

綜合樓：包括中心化驗(yàn)室、質(zhì)量檢驗(yàn)、安全環(huán)保。綜合倉庫1.5.3建設(shè)規(guī)模生產(chǎn)能力：

年產(chǎn)20萬噸甲醇，年開工日為330天，日產(chǎn)為606.06噸，建設(shè)期2年。工作制度：

合成車間日工作小時為24小時，每日3班輪番替換，每班8小時連續(xù)生產(chǎn)，共4個班。

8

廠址選擇

該廠建設(shè)在某煤礦附近，計劃占地約140畝；廠房基建部分由某工程設(shè)計院設(shè)計。

1.6原料煤規(guī)格

原料煤的元素分析為：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產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

本產(chǎn)品（精甲醇）執(zhí)行國家《GB338—92》標(biāo)準(zhǔn)，具體指標(biāo)見下表

表1甲醇《GB338—92》

指標(biāo)項(xiàng)目優(yōu)等品色度（鉑—鈷），號≤密度（200C），g/cm3溫度范圍(0℃,101325Pa)，℃沸程（包括64.6±0.10C），℃≤高錳酸鉀試驗(yàn)，min≥水溶性試驗(yàn)水分含量，%≤酸度（以HCOOH計），%≤或堿度（以NH3計），%≤羰基化合物含量（以CH2O計），%≤蒸發(fā)殘渣含量，%≤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工藝流程設(shè)計

煤制合成氣合成氣凈化甲醇合成甲醇精餾圖1煤制甲醇的簡單工藝流程

首先是采用GSP氣化工藝將原料煤氣化為合成氣；然后通過變換和NHD脫硫脫

9

碳工藝將合成氣轉(zhuǎn)化為滿足甲醇合成條件的原料氣；第三步就是甲醇的合成，將原料氣加壓到5.14Mpa，加溫到225℃后輸入列管式等溫反應(yīng)器，在XNC-98型催化劑的作用下合成甲醇，生成的粗甲醇送入精餾塔精餾，得到精甲醇。然后利用三塔精餾工藝將粗甲醇精制得到精甲醇。

2.1煤氣化技術(shù)路線的選擇

煤氣化技術(shù)按氣化反應(yīng)器的形式，氣化工藝可分為移動床（固定床）、流化床、氣流床三種。2.1.1移動床氣化

采用一定粒度范圍的碎煤（5mm～50mm）為原料，與氣化劑逆流接觸，爐內(nèi)溫度分布曲線出現(xiàn)最高點(diǎn)，反應(yīng)殘渣從爐底排出，生成氣中含有可觀量的揮發(fā)氣。典型的氣化爐為魯奇（Lurgi）爐。

移動床氣化，是目前世界上用于生產(chǎn)合成氣的主要方法之一。在大型煤制甲醇的裝置中，固定床的優(yōu)點(diǎn)是投資低，可是它有好多不足：（1）對原料煤的黏結(jié)性有一定有一定要求：（2）氣化強(qiáng)度低：（3）環(huán)境污染負(fù)荷大，治理較麻煩。2.1.1流化床氣化

采用一定粒度分布的細(xì)粒煤（＜10mm）為原料，吹入爐內(nèi)的氣化劑使煤粒呈連續(xù)隨機(jī)運(yùn)動的流化狀態(tài)，床層中的混合和傳熱都很快。所以氣體組成和溫度均勻，解決了固定床氣化需用煤的限制。生成的煤氣基本不含焦油，但飛灰量很大。發(fā)展較早且比較成熟的是常壓溫克（Winkler）爐。

它的缺點(diǎn)是：（1）在常壓或接近于常壓下生產(chǎn)，生產(chǎn)強(qiáng)度低、能耗高、碳轉(zhuǎn)化率只有88%～90%。（2）對煤的氣化活性要求高，僅適合于氣化褐煤和高活性的煙煤。（3）缺少大型使用經(jīng)驗(yàn)；要在大型甲醇裝置中推廣，受一定限制。2.1.3氣流床氣化

氣流床采用粉煤為原料，反應(yīng)溫度高，灰分是熔融狀態(tài)。典型代表為GSP,Shell,Texaco氣流床氣化工藝。

氣流床氣化優(yōu)點(diǎn)好多，它是針對流化床的不足開發(fā)的。氣流床氣化具有以下特點(diǎn)［5］：(1)采用

4.1.3.2變換氣和調(diào)理CO濃度的水解氣的確定

水解氣體積百分含量為：H235.39%；CO45.91%；CO217.87%N20.15%；

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

變換氣體積百分含量為：H252.58%；CO6.00%；CO240.06%N20.35%；

Ar0.17%；NH30.07%；CH40.03%；H2S0.47%；COS0.01%。假設(shè)變換氣氣量為x，調(diào)理CO濃度的水解氣氣量為y，

x+y=調(diào)理CO濃度后的變換氣氣量，即x+y=62826.12（1）再由CO的守衡可得式：6%x+45.91%y=12401.88（2）聯(lián)合（1）（2）可算的x=41196.66m3/h；y=21629.44m3/h

所以變換氣氣量為41196.66m3/h，調(diào)理CO濃度的水解氣氣量為21629.44m3/h。

表20變換氣組成

氣體H2COCO2N2Ar組成52.85%6.00%40.06%0.35%0.17%氣量m3/h21773.322471.8016501.04143.4868.70氣體NH3CH4H2SCOS組成0.07%0.03%0.47%0.01%氣量m3/h26.8812.16193.424.12

4.1.3.3水解氣和預(yù)變換氣組成的確定

在變換爐中CO的轉(zhuǎn)化率為85.88%，已知預(yù)變換氣中CO的百分率和變換氣中CO的含量，設(shè)預(yù)變換氣為x，則可得式：

x0.7×28.02%×（1-85.88%）=2471.80

解得x=89250.88m3/h，即預(yù)變換氣氣量為89250.88m3/h。

脫硫過程中Ar也不變，30%預(yù)變換氣中Ar=89220.78×0.3×0.11%=29.44m3/h，水解氣中Ar的百分率為0.06%，所以，水解氣氣量=29.44/0.06%=49071.42m3/h。

用來發(fā)電的水解氣氣量=水解氣－用來調(diào)理CO濃度的水解氣氣量，即

發(fā)電水解氣氣量=49071.42－21629.44=27441.98m3/h，

已知了水解氣和預(yù)變換氣的氣量和兩者的個組分含量，通過計算可得水解氣和預(yù)變換氣組成如下兩個表：

45

表21水解氣的組成

氣體H2COCO2N2Ar組成35.39%45.91%17.87%0.15%0.06%氣量m/h17366.3822528.688769.0673.6029.44氣體NH3CH4H2SCOS組成0.05%0.06%0.5%0.01%氣量m3/h24.5429.44245.364.90

表22預(yù)變換氣組成

氣體H2COCO2N2Ar組成43.87%28.02%28.32%0.24%0.11%氣量m/h39139.4425000.4825272.10217.0898.14氣體NH3CH4H2SCOS組成0.06%0.05%0.49%0.01%氣量m3/h51.4241.60438.789.02

33

4.1.3.4水煤氣的確定

由GSP氣化工藝（原料煤為銅川煤）的氣化指標(biāo)可以知道水煤氣組成為：H234.30%；CO45.43%；CO218.98%；N20.18%；Ar0.09%；NH30.24%；CH40.05%；H2S0.70%；COS0.03%。

在預(yù)變換爐中CO的轉(zhuǎn)化率為49.56%，設(shè)水煤氣氣量為y，由水煤氣和預(yù)變換氣的組成，可得式；y×45.43%×（1-49.56%）=25000.48解得y=109044.44m3/h，即水煤氣氣量為19044.44m3/h算的水煤氣組成如下表：

46

表23水煤氣組成

氣體H2COCO2N2Ar組成34.30%45.43%18.98%0.18%0.09%氣量m/h37402.2449560.7020696.64196.2898.14氣體NH3CH4H2SCOS組成0.24%0.05%0.7%0.03%氣量m3/h261.7054.52763.3232.72

3

4.1.4氣化工段

4.1.4.1原料煤用量的確定

水煤氣中C元素的量=（49560.70+20696.64+32.72+54.52）/22.4=3140.38kmol/h。原料煤選用的是銅川煤，煤的元素分析為/%：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

每噸精甲醇用煤量=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煤用于發(fā)電。4.1.4.2氧氣用量的確定GSP氣化工藝：

碳轉(zhuǎn)化率為99.5%；

原料：1000m3（CO+H2）；原煤（熱值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煤發(fā)電量

每噸煤發(fā)電1200kw.h

0.65×1200×26.04=20311.20（kw.h）/h

47

4.2.2合成工段

4.2.2.1合成塔的熱平衡計算（1）計算公式

全塔熱平衡方程式為：∑Q1+∑Qr=∑Q2+∑Q3+Q（1）式中：Q1——入塔氣各氣體組分焓，kJ/h；

Qr——合成反應(yīng)和副反應(yīng)的反應(yīng)熱，kJ/h；Q2——出塔氣各氣體組分焓，kJ/h；Q3——合成塔熱損失，kJ/h；Q——沸騰水吸收熱量，kJ/h。

∑Q1=∑（G1×Cm1×Tm1）（2）式中：G1——入塔氣各組分流量，m3/h；

Cm1——入塔各組分的比熱容，kJ/（m3.k）；Tm1——入塔氣體溫度，k；

∑Q2=∑（G2×Cm2×Tm2）（3）

式中：G2——出塔氣各組分流量m3/h；

Cm2——出塔各組分的熱容，kJ/（m.k）；Tm2——出塔氣體溫度，k；

∑Qr=Qr1+Qr2+Qr3+Qr4+Qr5+Qr6+Qr7（4）

式中：Qr1、Qr2、Qr3、Qr4、Qr5、Qr6、——分別為甲醇、二甲醚、異丁醇、甲烷、

辛烷的生成熱，kJ/h；

Qr7——二氧化碳逆變反應(yīng)的反應(yīng)熱，kJ/h

Qr=Gr×△H（5）式中：Gr——各組分生成量，kmol/h；

△H——生成反應(yīng)的熱量變化，kJ/mol（2）入塔熱量計算

通過計算可以得到5.14Mpa，225℃時各入塔氣氣體的熱容，根據(jù)入塔氣各氣體組分量，算的甲醇合成塔入塔熱量如下表：

48

3

表24甲醇合成塔入塔熱量

氣體CH3OHH2COCO2N2ArCH4熱容kJ/（kmol.k）67.0429.5429.8844.1829.4725.1646.82氣量kmol/h8.8812318.081896.64493.24424.14108.54249.66入塔熱量kJ/（h.k）595.32363876.08