《年产60万吨煤制甲醇变换工段工艺设计》6300字（论文）

年产60万吨煤制甲醇变换工段工艺设计摘要：当下，国家能源安全和化学工业高速发展，甲醇作为一种重要的基础化工原料，不可或缺。一方面，随着国家大力提倡发展大型的煤制甲醇工艺，以及煤气化、甲醇合成和低温甲醇洗等技术的进步，甲醇生产装置的平均规模愈来愈大。另一方面，由于我国煤炭资源丰富、石油资源贫瘠且煤炭价格不是很高，生产甲醇的最佳方式逐渐发展为煤制甲醇。本设计前段介绍煤制甲醇变换工段的原理和目的，综合考虑后，选择钴钼系催化剂对煤气化工段产生的粗煤气，进行无饱和塔型、全低温、耐硫不完全变换工艺，并完成主要设备的工艺计算和设备选型。关键词：化学工业；煤制甲醇；变换工段目录TOC\o"1-3"\h\u27161总论 521571.1概述 5173081.1.1煤制甲醇的重要性 59911.1.2变换工段的原理 5324071.1.3设计目的和意义 6269051.2工艺比较 6128021.2.1全低变工艺 6134841.2.2无饱和塔型变换工艺 7287791.2.3Shell粉煤气化工艺 777201.2.4小结 8116402工艺详述 8173132.1本设计拟采用的工艺流程 8194022.2变换工段影响因素 9201132.2.1温度 9171302.2.2水汽比 9175412.2.3催化剂 9260303设计的前提条件 926814变换炉的工艺参数计算 10216864.11号变换炉 1060984.22号变换炉 12179114.33号变换炉 12323325设备选型 14208435.1前提条件 14221205.21号变换炉 14133985.32号变换炉 15235655.43号变换炉 16183846非工艺部分设计 1896016.1公用工程 1831796.2环保、安全与节能 18283946.2.1三废类型与来源 18317856.2.2安全生产问题 1817686.2.3节能 197466参考文献： 193348致谢 201总论1.1概述1.1.1煤制甲醇的重要性在化工生产中，木材是甲醇最初的原料来源，但随着木材资源越来越难以获取，各国开始致力于寻求制造甲醇的新方法和新原料。在人类发现并开发了石油资源后，人们开始使用天然气。但随着岁月的变迁，石油危机的出现，量大价廉的煤炭资源成为甲醇原料的来源[1]。当下，国家能源安全和化学工业高速发展，甲醇作为一种重要的基础化工原料，不可或缺。一方面，随着国家大力提倡发展大型的煤制甲醇工艺，以及煤气化、甲醇合成和低温甲醇洗等技术的进步，甲醇生产装置的平均规模愈来愈大。另一方面，由于我国煤炭资源丰富、石油资源贫瘠且煤炭价格不是很高，生产甲醇的最佳方式逐渐发展成煤制甲醇。在整个工艺过程中，变换工段需要得到合格的原料气，为后续合成工段的运行做准备。1.1.2变换工段的原理CO变换工段原理为：CO和H2O发生变换反应，产生H2和CO2，从而改变了自煤气化工段来的粗合成气成分，此外，H2和CO的比例要在甲醇合成工段需要的范围内[2]。变换反应方程式如下:CO+H2O→CO2+H2(Q=41.4kJ/mol)(1)除了主反应之外，在该工段还可能会发生多个副反应，反应方程式如下:CO+3H2=CH4+H2O(2)COS+4H2=H2S+CH4+H2O(3)HCN+3H2=NH3+CH4(4)COS+H2O=H2S+CO2(5)HCN+H2O=NH3+CO(6)1.1.3设计目的和意义变换工段的主要目的有两个方面：第一，要使（H2-CO2）/（CO+CO2）达到2.0左右。可通过调整碳氢比实现。此处的碳氢比是指在进行净化阶段后、合成阶段前的氢碳比，变换工段对于调节该比例十分重要。第二，将合成气中的有机硫转化成无机硫，即硫化氢，能够更有益于其吸收。变换工段的主要意义：变换工段的造气过程必然会产生CO，在煤制甲醇合成工段中，该气体的成分是有要求的，所以进行适度变换必不可少。适量的CO能减少蒸汽使用量，降低产品能耗，企业也能获得更大的效益。在实践中，如果催化剂活性好，且产品市场前景良好，就能减小变换负担，提高甲醇产量，使企业获益。1.2工艺比较1.2.1全低变工艺基于中温变换串低温变换工艺逐渐发展起来的全低变工艺一般有三段，典型的工艺流程如图1.1所示。图1.1全低变工艺流程图全低变技术主要有两种。若采用第一种喷水增湿型，依次设置：预变炉、低变炉、主反应器。在预变炉中喷水。喷水增湿型比较经济，几乎不需要额外的蒸汽。若采用第二种调温水加热器型，只需设置一到两个低变炉。该工艺换热复杂，不如前者经济，耗蒸汽量为150kg～200kg[3,4]。使用该工艺时，需要注意：一段Co-Mo催化剂在管理不佳时易缩短使用寿命，增加系统阻力。1.2.2无饱和塔型变换工艺联醇工艺中回收变换气的显热有多种方式。有研究表明，如果采用喷水加湿，由于使用全低变技术，变换气中的过剩水蒸气将大大减少，回收潜热可用额外蒸汽替代，此时可以采用无饱和塔式工艺。目前，不仅仅是国内市场，而且是国外市场，都大力提倡取消饱和热水塔的工艺。通过各方面对比分析，我们可以得出这样的结论：采用饱和热水塔型全低变工艺，不仅要加大对基建投资的力度，而且加长了回收期，降低经济效益。而非饱和塔型全低变工艺没有以上弊端，仅操作费用比前者略高[5,6]。1.2.3Shell粉煤气化工艺在该变换工艺中，首先，经原料气分离器和过滤器的粗煤气，经过三种路线发生变换反应。第一种路线：先进入煤气预热器同第三变换炉出口气进行换热，再依次进入蒸汽混合器、煤气换热器、第一变换炉。第二种路线：在煤气换热器换热后的气体与粗煤气混合后，进入第一淬冷过滤器、第二变换炉。第三种路线：粗煤气与第二变换炉出口气混合后，依次进入第二淬冷过滤器、第三变换炉。反应完成后，在煤气预热器进行换热后的第三变换炉出口气，经多台预热器、分离器，去往低温甲醇洗装置[7]。由冷凝泵、管网分别提供整个工艺中所需的冷凝液、中压蒸汽。该工艺流程图如图1.2所示。图1.2Shell粉煤气化流程图该工艺的变换装置蒸汽用量低，三台变换炉出口一氧化碳含量均达到了生产要求，催化剂的使用寿命长，既达到节能降耗的要求，又收到了良好的经济效益，满足了高负荷生产的要求。1.2.4小结通过对以上三种变换工艺的比较和分析可知，不仅国内，而且国外，都较多采用非饱和塔型变换工艺。它经济节能，技术成熟。同时，由于新型触媒的产生，实现了由中、高温变换到低温变换的转变。2工艺详述2.1本设计拟采用的工艺流程本设计采用“无饱和塔型全低变”工艺。选用组分为：3.5%～4%CoO，8%～9%MoO3／γ／A12O3[8,9]的耐硫变换催化剂的主体钴钼系变换催化剂QCS-03，主要设备包括变换炉、废热锅炉等。本设计生产能力为：全年生产330天，年产量60万吨，日产1818吨。本设计采用分段变换工艺。粗气从煤气化装置出来后，进入气体加湿器，中、常压蒸汽与之混合升温后，进入原料气预热器继续升温，然后在改造前炉中进行适度变换反应。反应后的气体进入1号变换炉，进行深度CO变换反应。反应后1号变换炉出口的高温中变气有三种走向。第一种走向：蒸汽预热器管侧。第二种走向：在甲烷化入口加热器换热。第三种走向：1号废热锅炉管侧并进行传热。经过三种走向出来的气体通过降温加湿后，进入2号变换炉。然后在2号废热锅炉管侧传热给锅炉水，使气体温度再次降低。最后，进入3号变换炉，此时，气体的CO含量降为2.5%左右。同时，在3号废热锅炉管侧传热给锅炉水，有部分低压蒸汽产生[10,11]。流程如图2.1。图2.1变换系统流程2.2变换工段影响因素2.2.1温度变换工段的温度首先应在催化剂的活性温度范围内。其次，为达到反应要求，避免催化剂失活过早，在使用初期，温度不宜过高，而使用后期反之，以实现所要求的变换率。最后，可采用分段冷却，设置多个低变炉，使温度在最佳温度线附近。此外，低变炉的温度要高于气体在该压力和水汽比下的露点温度以上20℃[12,13]。2.2.2水汽比CO反应的变换率随着水汽比的增大而增大，变换反应进行的速度随着水汽比的增大而增大。但水汽比过高，一方面加大了催化剂床层的阻力，余热回收设备负荷重，另一方面，所用催化剂易失活，影响设备生产能力。因此，水汽比要适度选择，水汽比一般为1.0～1.5之间[14]。本设计选择水汽比为1.4。2.2.3催化剂随着使用时间的增加，床层热点的温度会降低，催化剂也会越容易失活，所以耐硫钴钼系变换催化剂成为进行变换工段的首选[15]。它的特点是耐硫区间大，能有效防止反硫化反应。它的有效成分为：3.5%～4%CoO，8%～9%MoO3／γ／A12O3[16]。3设计的前提条件本设计首先假定原始的粗气量为3.3×105m3/h，再假定此时的温度为150℃。进行设计前的干气、预变换气所占比例以及所选触媒的基本性能如下面三张表所示。表3.1干气组成表3.2预变换气占比表3.3触媒[17]性能4变换炉的工艺参数计算4.11号变换炉1.首先，由触媒的活性温度范围在220到500℃可知，1号变换炉的进口温度需要在此范围内，假定为280℃。其次，由于使用了水激冷技术，且蒸汽比在1.0到1.5之间最佳，故可以选择为1.2，此时应加入0.372m3蒸汽。最后，经过计算可得，加入蒸汽后的各气体成分占比如下：，，，，，，。2.已知：，式中A：预变气中CO初始浓度（%），B：预变气中H2O初始浓度（%），C：预变气中CO2初始浓度（%），D：预变气中H2初始浓度（%）。又因为，令，，，，，，通过公式计算可得下表：表4.1平衡曲线计算[18]3.由于热损失温降为15℃，即计算可得下表：表4.2出口气体组成4.冷激水量：。4.22号变换炉1.经过计算可得，2号变换炉中间变换气成分占比为：通过公式计算可得下表：表4.3平衡曲线计算2.由于热损失温降为5℃，即计算可得下表：表4.4出口气体组成3.冷激水量：。4.33号变换炉1.经过计算可得，3号变换炉中间变换气成分占比为：通过公式计算可得下表：表4.5平衡曲线计算2.计算可得下表：表4.6变换气组成由于热损失温降取5℃，即出口温度为265℃。检验280-265=15℃，满足要求。4.变换炉工艺参数如下表：表4.7变换炉的工艺参数5设备选型5.1前提条件1.已知操作压力为5MPa，1号炉的气流量：3.3×105×1.37=448264m3/h，出1号炉的气体中CO量：11.0%，2号炉的气流量：3.3×105×1.57=513704m3/h，出2号炉的气体中CO量：0.6%，3号炉的气流量：3.3×105×1.77=579144m3/h，出3号炉的气体中CO量：0.3%。5.21号变换炉1.已知气体的体积流量V1=448264m3/h，则:V11=0.06×448264=26896m3/h。选取变换气速度u=0.4m/s，选择Di1=6m，则:实际流速为4×26896÷180864=0.60m/s。2.已知PC=5.5MPa,[σ]500=88，φ=0.85，则mm，dn1=229.01+2+0.5+△=232mm。3.已知Di1=6m，则mm，mm，dn1′=110.30+2+0.5+△=113mm。4.已知筒身与炉宽按1.5：1，则高度为H01=6×1.5=9m，H1=H01+2h1=15m。5.裙式衬座高取3m。6.已知公式，则r1=k1ccocH2O=7980×0.19×0.28=418.2，，，触媒重量为88.99×800=71192kg。7.触媒床高：，重度：，气体重量流速：，已知：，则触媒床层阻力：5.32号变换炉1.已知气体的体积流量V2=513704m3/h，则:V22=0.06×513704=30822m3/h。选取变换气速度u=0.4m/s，选择Di2=6m，则:实际流速为4×30822÷199403=0.62m/s。2.已知PC=5.5MPa,[σ]450=104，φ=0.85，则，dn2=192.64+2+0.5+△=196mm。3.已知Di2=6m，则，，dn2′=92.33+2+0.5+△=95mm。4.已知筒身与炉宽按1.5：1，则高度为H02=6×1.5=9m，H2=H02+2h2=15m。5.裙式衬座高取3m。6.已知公式，则r2=k2cCOcH2O=13200×0.17×0.36=818.9，，，触媒重量为98.33×800=78664kg。7.触媒床高：，重度：，气体重量流速：，已知：，则触媒床层阻力：5.43号变换炉1.已知气体的体积流量V3=579144m3/h，则:V33=0.05×579144=28957m3/h。选取变换气速度u=0.4m/s，选择Di3=6m，则:实际流速为4×28957÷199403=0.58m/s。2.已知PC=5.5MPa,[σ]300=123，φ=0.85，则，dn3=162.08+2+0.5+△=165mm。3.已知Di3=6m，则，，dn3′=78.91+2+0.5+△=82mm。4.已知筒身与炉宽按1.5：1，则高度为H03=6×1.5=9m，H3=H03+2h3=15m。5.裙式衬座高取3m。6.已知公式，r3=k3ccocH2O=11200×0.18×0.35=703.2，，，触媒重量为119.57×800=95656kg。7.触媒床高：，重度：，气体重量流速:，已知：，则催化剂床层阻力：6非工艺部分设计6.1公用工程在进行土建工程项目的设计时，综合考虑后，占地面积设计如下：总占地面积为2500m2，厂房占地面积为1500m2，除厂房外其他建筑所占面积为500m2。在进行给水设计时需要注意：周边自来水厂以及地下水是整个生产周期和员工日常生活的主要水源，在开工后，设备需要使用厂房脱盐水区提供的二级脱盐水。而设备的排水主要通过污水、雨水排水系统，并且设备产生的清流和浊流需要分开处理。三个废热锅炉的存在，则是汽的来源，并使供热系统能正常维持与运行。电信系统主要由三部分组成。即：行政、调度电话和对讲系统。而粗煤气经过气化工段，进行脱硫处理后，通过发电提供电力来源。重点生产厂区和需要遵循国家相关规范的区域，要有工作照明，同时，还需要有应急照明，避免安全隐患以及疏散困难现象的出现。此外，工厂所有的路必须要有道路照明。6.2环保、安全与节能6.2.1三废类型与来源三废的类型主要有三种。第一种，由CO、粉尘和有机毒物造成的废气排放。第二种，由三个废热锅炉、气体增湿器产生的和员工日常生活中排放的浊流。第三种，由触媒、触媒保护剂在工艺中形成的固体废物。此外，在整个厂区，要合理控制噪声来源，如：各个循环泵、火警报警装置、排气阀等。对于三废的处理至关重要。对于废气，可送入火炬系统，进行灼烧处理后进入大气。避免大气中污染值陡然升高。对于排放的浊流，可送入厂区设置的污水处理区域。对于固体废物，由于所选触媒使用寿命为三至五年，且可再生回用，故触媒和触媒保护剂都由销售方回收。在设备选择时，对各个循环泵，可选择噪声不高的泵，同时要设置消音器，使噪声值达到国家标准，避免噪声对环境的污染。6.2.2安全生产问题1.生产中产生的有毒气体主要有四种，各气体最高允许浓度分别为：第一种，一氧化碳，30mg/m3。第二种，硫化氢，10mg/m3。第三种，氧化氮，5mg/m3。第四种，二氧化硫，10mg/m3。避免超标的举措基本上有三条。第一条，对整个装置及管道进行密闭管理，防止有毒气体液体跑出，尽全力使泄漏率降到千分之二以下，最好在万分之五以下。第二条，加大每日对相关厂区的车间的通风力度。第三条严格遵守工厂规定，按时并按点在重点区域检测尘毒，最好能装配有关毒物分析的报警器，早发现隐患早解决问题。2.由于该工段主要是对一氧化碳进行转换，而一氧化碳作为一种有毒气体，极易对人体造成伤害，所以要防止一氧化碳的逸出。一氧化碳中毒症状分两种情况。若是轻度中毒，则头痛、恶心、呕吐、全身乏力，甚至昏厥，若是重度中毒，则会抽搐，甚至死亡。预防举措基本上有三个方面。第一，在厂区中，要加大自然通风的力度，定期检查相关管道和排气阀门。第二，在重点车间中，整个操作流程要规范，并积极在员工中渗透预防观念。第三，若必须进入高浓度CO区域，要做好个人保护措施，如：准备好有氧气供应的防毒面具。3.由于实际生产中整个工段极易发生燃烧、爆炸和中毒事件，故必须做好避免火灾、爆炸事故以及中毒事件的举措。主要举措有五条:第一条，禁止厂区内出现明火。第二条，严格规定进行动火时，必须操作规范。第三条，预防静电。第四条，做好消防措施。第五条，做好泄漏处理工作。6.2.3节能要节约能源，积极响应国家的政策，本设计在节能方面也作出了举措，主要有两个方面。第一，采用了无饱和塔式全低变技术，在整个生产中，由于废热锅炉的使用，减少了泵的使用，在一定程度上，使热量和水量有所降低，同时，对三废进行了有效处理，故节约电力、热力和水资源，使生产获得更大的效益。第二，在所设计工段中，我们选择使用的变换催化剂为QCS-03触媒，此触媒寿命较长，可再生回收，故降低了整体的经济成本。参考文献：[1] 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