年产20万吨煤制甲醇生产工艺初步设计
一、概述
1.1 甲醇性质
甲醇俗称木醇、木精，是最饱和醇中最简单的一元醇，分子式CH3OH。在通常条件下是一种无色、透明、易燃、有毒、易挥发的液体，略带酒精味；分子量32.04，熔点-97.8℃，沸点64.7℃，闪点16℃，自燃点473℃，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。
1.2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离。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
1.3 甲醇的生产方法
工业上生产甲醇曾有过许多方法，早期用木材或木质素干馏法制甲醇，此法需耗用大量木材，而且产量很低，现早已被淘汰。氯甲烷水解法也可以生产甲醇，但因水解法价格昂贵，没有得到工业上的应用。甲烷部分氧化法可以生产甲醇，而且原料便宜，工艺流程简单，但因生产技术比较复杂，副反应多，产品分离困难，原料利用率
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低，工业上尚未广泛采用。
目前，工业生产上主要是采用合成气(CO+H2)为原料的化学合成法。
CO+2H2?CH3OH
此法已有五十多年的历史。由于所使用的催化剂不同，反应温度和反应压力的不同，又分为高压法、低压法和中压法。
1.4 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（我国情况更是如此），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。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。
通过设计可以巩固、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；以及甲醇工业的发展趋势。
1.5 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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二、低压法合成甲醇工艺流程
2.1 反应原理及特点
1．主反应
??CO+2H2????CH3OH
当反应物中有二氧化碳存在时，二氧化碳按下列反应生成甲醇：
???CO2＋3H2???CH3OH＋H2O
2．副反应
又可分为平行副反应和连串副反应 ① 平行副反应
CO＋3H2?CH4＋H2O
2CO＋2H2?CH4＋CO2
4CO＋8H2?C4H9OH＋H2O 2CO＋4H2?CH3OCH3＋H2O
当有金属铁、钴、镍存在时，还可能有下列反应发生：
2CO?CO2＋C
② 连串副反应
2CH3OH?CH3OCH3＋H2O
CH3OH＋?nCO+2nH2?CnH2n+1CH2OH＋nH2O
CH3OH＋?nCO+2(n?－）1H2?CnH2n+1COOH＋（n?－）1H2O
这些副反应的产物还可以进一步发生脱水、缩合、酰化或酮化等反应，生成烯烃、醋类、酮类等副产物。当催化剂中含有碱类时，这些化合物的生成更快。
副反应不仅消耗原料，而且影响甲醇的质量和催化剂寿命。特别是生成甲烷的反一个强放热反应，不利于反应温度的控制，而且生成的甲烷不能随产品冷凝，甲烷在
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循环系统中循环，更不利于主反应的化学平衡和反应速率
2.2 原料气的生产方法
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（如天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。
目前，合成氨生产原料按状态主要有固体原料（煤或焦炭），气体原料（天然气、油田气、炉气、石油废气、有机合成废气），液体原料（石脑油、重油）。生产方法主要有固体燃料气化法（煤或焦炭）、烃类蒸汽转化法（气态烃、石脑油）重油部分氧化法（重油）。
2.2.1 固体燃料气化法
固体燃料气化过程是以煤或焦炭为原料，在一定的高温条件下通入空气、水蒸气或富氧空气-水蒸气混合气，经过一系列反应生成含有一氧化碳、二氧化碳、氢气、氮气及甲烷等混合气体的过程。
煤或焦炭气化因采用不同的气化剂，可以生产出下列几种不同用途的工业煤气： ①空气煤气。以空气作为气化剂所制得的煤气。 ②水煤气。以水蒸气作为气化剂所制得的煤气。
③混合煤气。以空气和适量水蒸气的混合物作气化剂所制得的煤气。
④半水煤气。分别以空气和水蒸气作气化剂，然后将分别制得的空气煤气和水煤气，两者按混合后气体中（CO+H2）与N2的摩尔比为3.1~3.2的比例进行掺配，这种混合煤气称为半水煤气。
目前，工业上固体燃料为原料制取合成氨原料气的方法，根据气化方式不同，主要有固定床间歇气化法、固定床连续气化法、沸腾床连续气化法和气流床连续气化法。
1. 固定床间歇气化法
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固定床间歇气化过程是先将空气送入煤气发生炉燃烧燃料，放出热量，提高燃料层温度，以供气化所需（因此，固定床间歇气化法也称蓄热法），生成的吹风气经回收热量后大部分放空。然后将蒸汽送入炉与碳层进行气化反应，生成水煤气。由于气化反应是吸热反应，使燃料层温度下降，故需重新通入空气以提高炉温，如此重复交替进行，制得半水煤气。
工业上在间歇气化过程中，将自上一次开始送入空气至下一次再送入空气时为止，称为一个工作循环，间歇式制半水煤气的工作循环。每个工作循环包括下列五个阶段。
①吹风阶段。空气从炉底吹入，自下而上以提高煤层温度，然后将吹风气经回收热量后放空。
②蒸汽一次上吹。水蒸气自下而上送入煤层进行气化反应，此时煤层下部温度下降，而上部温度升高，被煤气带走的显热增加。
③蒸汽下吹。水蒸气自上而下吹入煤层继续进行气化反应。使煤层温度趋于均匀。制得煤气从炉底引出系统。
④蒸汽二次上吹。蒸汽下吹制气后煤层温度已显著下降，且炉内尚有煤气，如立即吹入空气势必引起爆炸。为此，先以蒸汽进行二次上吹，将炉子底部煤气排净，为下一步吹风创造条件。
⑤空气吹净。目的是回收存在炉子上部及管道中残余的煤气，此部分吹风气应加以回收，作为半水煤气中N2的来源。
以常压固定床间歇式气化煤气制取工艺对煤种要求苛刻，仅适用优质无烟煤和冶金焦，而且产气量低、总能耗高。。
2.气流床连续气化法
即德士古造气技术，德士古煤气化炉为直立圆筒形结构，分为上中下三部分，上部为反应室，中部为激冷室或废热锅炉，下部为灰渣锁斗。
为了降低水煤浆的粘度，易于输送，将直径小于l0mm的煤磨碎，按比例加入水量。由于我国煤的灰熔点普遍偏高，为使其灰熔点能降至1350~1365℃以下，加入适量的添加剂和助熔剂，而后将煤水混合物充分湿磨后，送至振动筛，除去大煤粒和机械杂质，即可制成70％的水煤浆，用高压泵将其送入烧嘴，同时将来自空分的高压氧也送入烧嘴，二者充分混合，一起由烧嘴喷入气化炉中。在1350~1400℃温度下进行气化
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