煤气化净化工艺资料课件

煤气净化工艺设计与优化煤气净化工艺设计与优化低温甲醇洗低温甲醇洗主要内容主要内容1234研究背景研究背景设计思路设计思路工艺设计工艺设计 结论与展望结论与展望1.研究背景研究背景 我国的能源结构特点：我国的能源结构特点：“富煤、贫油、少气富煤、贫油、少气”，能能源供应过度依赖煤炭源供应过度依赖煤炭。1.研究背景研究背景 煤气化是现代化工的核心技术，煤气化生成合煤气化是现代化工的核心技术，煤气化生成合成气成气(主要成份是主要成份是CO+HCO+H2 2)，是化工生产中的大宗基础原，是化工生产中的大宗基础原料料合成甲醇与合成氨的原料气。合成甲醇与合成氨的原料气。空分空分煤气化煤气化尿素尿素合成氨合成氨甲醇甲醇聚丙烯聚丙烯聚甲醛聚甲醛汽油汽油MTP甲醛甲醛脲醛树脂脲醛树脂煤煤 煤化工产品工业链煤化工产品工业链1.研究背景研究背景 合成气中向下游转化过程中必须脱除其中合成气中向下游转化过程中必须脱除其中杂质，否则会危害后续工艺流程，造成环境的污杂质，否则会危害后续工艺流程，造成环境的污染和资源的浪费。染和资源的浪费。低温甲醇洗净化技术的不断发展。低温甲醇洗净化技术的不断发展。1.1煤气净化的分类煤气净化的分类N-2甲基吡咯烷酮甲基吡咯烷酮(NMP)吸收法吸收法物理吸收法物理吸收法化学吸收法化学吸收法物化吸收法物化吸收法低温甲醇洗（低温甲醇洗（Rectisol）聚乙二醇二甲醚法聚乙二醇二甲醚法(NHD)乙醇胺法乙醇胺法(MEA)热钾碱法热钾碱法(如如Benfield)常温甲醇洗法常温甲醇洗法(Amisol)N-甲基二乙醇胺法甲基二乙醇胺法(MDEA)1.2 煤气净化典型工艺比较煤气净化典型工艺比较 表表1-2 Rectisol、NHD、MDEA工艺比较工艺比较 项 目目RectisolNHDMDEA吸收吸收剂有好的化学和有好的化学和热稳定性，不起泡，定性，不起泡，价格便宜价格便宜挥发性小、不起泡，性小、不起泡，好的化学和好的化学和热稳定定性，价格性，价格较贵蒸汽蒸汽压较低，在水溶液中低，在水溶液中呈弱碱性，呈弱碱性，稳定性好，需定性好，需检测以防止起泡和腐以防止起泡和腐蚀吸收能力吸收能力低温下低温下对CO2、H2S、COS等气体等气体吸收能力极吸收能力极强强H2S、CO2等气体等气体吸收能力吸收能力强强，部分，部分吸收吸收COS对H2S吸收能力很大，吸收能力很大，活活化的化的MDEA水溶液水溶液CO2有有较好的吸收效果好的吸收效果净化程度化程度净化化质量好，量好，净化度高化度高净化度低于低温甲化度低于低温甲醇洗，醇洗，净化度化度较高高溶液循溶液循环循循环量很小量很小循循环量量较少少循循环多多能耗能耗功耗功耗较低低热耗耗较低低较高高硫回收装置硫回收装置克克劳修斯装置修斯装置克克劳修斯装置修斯装置不适合克不适合克劳修斯装置修斯装置净化化产品品产品品纯度高度高产品品纯度高度高CO2产品品纯度度较低低,大型化装置大型化装置适合大型化适合大型化适合小型化适合小型化-1.2 煤气净化典型工艺比较煤气净化典型工艺比较表表1-3 低温甲醇洗和聚二甲醚乙二醇的比较低温甲醇洗和聚二甲醚乙二醇的比较 11.4相相对值投投资41相相对值气提气气提气,N231相相对值有效气有效气损失失4.51相相对值电11.6相相对值冷冷冻量量4.51相相对值循循环水水11相相对值蒸汽蒸汽NHD低低温温甲甲醇醇洗洗单位位项c-目目1.2 煤气净化典型工艺比较煤气净化典型工艺比较 所以本论文针对所以本论文针对100吨甲醇生产净化工段选择吨甲醇生产净化工段选择低温甲醇洗工艺进行设计。低温甲醇洗工艺进行设计。更适合大型化装置上更适合大型化装置上能耗低能耗低流程合理，操作简便流程合理，操作简便运行操作费用底运行操作费用底溶剂热稳定性和化学稳定性好，不降解、不起泡溶剂热稳定性和化学稳定性好，不降解、不起泡气体净化度高气体净化度高 从以上两表分析低温甲醇洗与从以上两表分析低温甲醇洗与NHD、MDEA相比的优点：相比的优点：更适合大型化装置上更适合大型化装置上能耗低能耗低流程合理，操作简便流程合理，操作简便运行操作费用底运行操作费用底溶剂热稳定性和化学稳定性好，不降解、不起泡溶剂热稳定性和化学稳定性好，不降解、不起泡气体净化度高气体净化度高 更适合大型化装置上更适合大型化装置上能耗低能耗低流程合理，操作简便流程合理，操作简便运行操作费用底运行操作费用底溶剂热稳定性和化学稳定性好，不降解、不起泡溶剂热稳定性和化学稳定性好，不降解、不起泡气体净化度高气体净化度高 更适合大型化装置上更适合大型化装置上能耗低能耗低流程合理，操作简便流程合理，操作简便运行操作费用底运行操作费用底溶剂热稳定性和化学稳定性好，不降解、不起泡溶剂热稳定性和化学稳定性好，不降解、不起泡气体净化度高气体净化度高 更适合大型化装置上更适合大型化装置上能耗低能耗低流程合理，操作简便流程合理，操作简便运行操作费用底运行操作费用底溶剂热稳定性和化学稳定性好，不降解、不起泡溶剂热稳定性和化学稳定性好，不降解、不起泡气体净化度高气体净化度高 更适合大型化装置上更适合大型化装置上能耗低能耗低流程合理，操作简便流程合理，操作简便运行操作费用底运行操作费用底溶剂热稳定性和化学稳定性好，不降解、不起泡溶剂热稳定性和化学稳定性好，不降解、不起泡气体净化度高气体净化度高 更适合大型化装置上更适合大型化装置上能耗低能耗低流程合理，操作简便流程合理，操作简便运行操作费用低运行操作费用低溶剂热稳定性和化学稳定性好，不降解、不起泡溶剂热稳定性和化学稳定性好，不降解、不起泡气体净化度高气体净化度高 1.3 选题目的及意义选题目的及意义|煤气净化作为合成甲醇、氨等化工原料的重要步骤，煤气净化作为合成甲醇、氨等化工原料的重要步骤，这对这对后续的工艺路线后续的工艺路线有重要影响，直接影响有重要影响，直接影响产品的产品的产量产量。|低温甲醇洗工艺低温甲醇洗工艺技术成熟技术成熟，具有其它吸收方法，具有其它吸收方法难以难以比拟比拟的优点，被广泛应用于合成气的净化，尤其是的优点，被广泛应用于合成气的净化，尤其是大型化工装置上。大型化工装置上。|现有低温甲醇洗工艺还存在一定的问题（如现有低温甲醇洗工艺还存在一定的问题（如甲醇毒甲醇毒性强性强，设备材质要求高，保冷要求高，吸收剂回收，设备材质要求高，保冷要求高，吸收剂回收1.3 选题目的及意义选题目的及意义 要求高）要求高），仍然需要进一步分析和改进，而且发，仍然需要进一步分析和改进，而且发展潜力很大。展潜力很大。|本论文针对净化工段采用本论文针对净化工段采用林德林德低温甲醇洗工艺，低温甲醇洗工艺，以脱除甲醇合成气中的酸性气体。对该工艺中的以脱除甲醇合成气中的酸性气体。对该工艺中的几个单元过程进行了简单的物料和热量衡算，对几个单元过程进行了简单的物料和热量衡算，对吸收塔的工艺尺寸做了简单的计算和设计，以期吸收塔的工艺尺寸做了简单的计算和设计，以期对低温甲醇洗工艺过程有更全面、更深入的认识，对低温甲醇洗工艺过程有更全面、更深入的认识，从而为合成气的净化提供一定的依据。从而为合成气的净化提供一定的依据。2.设计思路设计思路了解工艺流程了解工艺流程提出设计方法提出设计方法分析影响因素分析影响因素提出解决方法提出解决方法物料衡算物料衡算能量衡算能量衡算塔设备计算与选型塔设备计算与选型完善流程完善流程简单模拟简单模拟确定工艺流程确定工艺流程工艺设计工艺设计 确定本设计的工艺流程。确定本设计的工艺流程。进行工艺过程的设计计算，包括物料衡算、能进行工艺过程的设计计算，包括物料衡算、能量衡算和塔设备的选型与计算。重点主要是变换量衡算和塔设备的选型与计算。重点主要是变换气的脱硫，脱碳。气的脱硫，脱碳。.变换之后的脱硫、脱碳处理工艺。变换之后的脱硫、脱碳处理工艺。.脱硫脱碳后的冷量回收，及富甲醇的再生脱硫脱碳后的冷量回收，及富甲醇的再生利用。利用。绘制工艺流程图和主要设备图。绘制工艺流程图和主要设备图。2.1 研究内容研究内容2.2 2.2 低温甲醇洗工艺原理低温甲醇洗工艺原理基本原理：基本原理：以以拉乌尔拉乌尔定律和定律和亨利亨利定律为基础定律为基础；是一个物理吸收和解吸的过程；是一个物理吸收和解吸的过程；吸收过程中的控制因素是温度、压力和吸收过程中的控制因素是温度、压力和浓度；浓度；工艺操作条件为工艺操作条件为低温、高压低温、高压。2.2 2.2 低温甲醇洗工艺原理低温甲醇洗工艺原理 低温低温状态下的甲醇对状态下的甲醇对H H2 2S S和和COCO2 2等酸性气体的等酸性气体的选择性吸收选择性吸收，来脱除粗变换气中的酸性气体。来脱除粗变换气中的酸性气体。吸收后的甲醇经过吸收后的甲醇经过减压加热减压加热再生，分别释放再生，分别释放CO2、H2S气体，即物理解析过程。气体，即物理解析过程。富甲醇通过用再沸器中产生的蒸气进行富甲醇通过用再沸器中产生的蒸气进行闪蒸闪蒸和和汽提再生汽提再生。甲醇水分离塔保持甲醇循环中的甲醇水分离塔保持甲醇循环中的水平衡水平衡。尾气洗涤塔使随尾气的尾气洗涤塔使随尾气的甲醇损耗降低到甲醇损耗降低到最大限度。最大限度。酸性气体通到克劳斯气体装置进行进一步净化。酸性气体通到克劳斯气体装置进行进一步净化。2.3 低温甲醇洗工艺流程低温甲醇洗工艺流程低温甲醇洗工艺一般具有三个任务低温甲醇洗工艺一般具有三个任务:净化原料气净化原料气 回收副产品回收副产品 进行环保进行环保工艺流程工艺流程 在以煤为原料，气化工艺采用冷激流在以煤为原料，气化工艺采用冷激流一步法：一步法：程时，同时脱除变换气中二氧化碳、程时，同时脱除变换气中二氧化碳、硫化物和氢氰酸等杂质硫化物和氢氰酸等杂质。原料气气化工艺采用废锅流程时，先原料气气化工艺采用废锅流程时，先 在在CO变换前用了吸收了二氧化碳的变换前用了吸收了二氧化碳的两步法：两步法：低温甲醇脱除原料气中硫化物、氢氰低温甲醇脱除原料气中硫化物、氢氰 酸等杂质，然后在变化后用低温甲醇酸等杂质，然后在变化后用低温甲醇 贫液脱除变换气中贫液脱除变换气中CO2 2.3 低温甲醇洗工艺流程低温甲醇洗工艺流程2.3 低温甲醇洗工艺流程低温甲醇洗工艺流程2.3 低温甲醇洗工艺流程低温甲醇洗工艺流程V1-V1-原料气气液分离器原料气气液分离器 C1-C1-甲醇洗涤塔甲醇洗涤塔 C2-COC2-CO2 2解析塔解析塔C3-HC3-H2 2S S浓缩塔浓缩塔 C4-C4-甲醇热再生塔甲醇热再生塔 C5-C5-甲醇甲醇/水分离塔水分离塔 V2-V2-气液分离塔气液分离塔图图2-3 2-3 低温甲醇洗净化工艺流程示意图低温甲醇洗净化工艺流程示意图3.工艺设计工艺设计3.1 低温甲醇洗的主要产品流为：低温甲醇洗的主要产品流为：变换气：变换气：CO2浓度浓度32.1%，CO浓度浓度19.02%，H2S浓浓度度0.23%，H2浓度浓度46.02%。甲醇合成气：甲醇合成气：CO2浓度浓度1.83.0%（mol），总硫），总硫0.1ppm(mol)。放空尾气：几乎无硫，主要为放空尾气：几乎无硫，主要为CO2和和N2。酸性气体：主要由酸性气体：主要由CO2和和H2S组成。组成。甲醇水分离塔排放废水组成：甲醇含量甲醇水分离塔排放废水组成：甲醇含量0.5%（wt）3.2 3.2 工艺流程的设计工艺流程的设计3.3 物料衡算物料衡算气液分离器气液分离器 相平衡相平衡 yi=kixi(i=1，2，c)组分物料平衡组分物料平衡 Fzi=Vyi+Lxi(i=1，2，c-1)整体物料平衡方程整体物料平衡方程 F=V+L热量平衡热量平衡 HFF=HVV+HLL摩尔分数的约束方程摩尔分数的约束方程 zi=1，xi=1,yi=13.3 物料衡算物料衡算 气液分离器气液分离器 表表3-2进气液分离器原料气气液分离器原料气组分表分表组分H2COCO2H2SCOSCH4N2H2OArCH3OH含量%46.0518.8531.830.2210.0090.080.911.380.13054组分H2COCO2H2SCOSCH4N2H2OAr含量%46.0219.0232.100.230.010.090.941440.15表表3-1 变换气组分表变换气组分表3.3 物料衡算物料衡算表表3-3 气液分离器塔顶产物组分表气液分离器塔顶产物组分表组分H2COCO2H2SCOSCH4N2Ar含量%46.9519.2232.450.230.0090.080.9280.133 表表3-4 气液分离器塔底产物组分表气液分离器塔底产物组分表组分H2OCH3OH含量%71.8828.12对整个单元过程进行物料衡算对整个单元过程进行物料衡算F=FEED=19864.61Kmol/hD=LIQUID+VAPOR=365.9062+19483.21=19864.61kmol/h气液分离器气液分离器3.3 物料衡算物料衡算酸性气体吸收塔酸性气体吸收塔混混合合气气体体（A+B）吸吸收收塔塔吸收尾气吸收尾气吸收剂吸收剂YXV,Y2L,X2mn图图3-3逆流吸收塔的物料衡算逆流吸收塔的物料衡算Fig3-3MaterialBalanceofAdverseCurrentAbsorptionColumn图图3-2逆流操作的吸收塔的示意图逆流操作的吸收塔的示意图Fig3-2AbsorptionColumnofAdverseCurrent3.3 物料衡算物料衡算酸性气体吸收塔酸性气体吸收塔 对单位时间内进出吸收塔的对单位时间内进出吸收塔的A物质量作衡算，可写出物质量作衡算，可写出下式：下式：VY1+LX2=VY2+LX1 为计算方便，把为计算方便，把COS并入并入H2S中考虑；并把混合气中中考虑；并把混合气中所含的非主要组分（如微量的所含的非主要组分（如微量的Ar、N2、CH4、CO等）并等）并入入H2中一道考虑。中一道考虑。表表3-5综合考合考虑后后组分分组成表成表组分分H2CO2H2S含量含量%67.31132.450.239G（Kmol/h）13114.346322.3046.553.3 物料衡算物料衡算酸性气体吸收塔酸性气体吸收塔表表3-6综合考虑后综合考虑后C1塔进出物料平衡表塔进出物料平衡表项目目H2H2SCO2CH3OH总量量进塔塔物料物料塔底塔底进料料G含量含量%67.3110.23932.450100流量流量Kmol/h13114.3446.556322.30019483.21塔塔顶进料料L含量含量%-100100流量流量Kmol/h-8756.438756.43出塔出塔物料物料塔塔顶出料出料G2含量含量%97.150.0041.980.966100流量流量Kmol/h13114.460.54267.28130.413499.19上塔底上塔底出料出料L1含量含量%1.58-46.0352.39100流量流量Kmol/h106.9-3114.723545.086766.71塔底塔底出料出料LN含量含量%1.2370.58432.4165.769100流量流量Kmol/h98.6446.572584.295244.257973.743.3 物料衡算物料衡算二氧化碳解析塔二氧化碳解析塔C2V202V201201富富CO2贫贫液进料液进料富富H2S贫液进贫液进料料来自来自C3塔塔204205206207202203去去C3塔塔图图3-4 二氧化碳解析塔流程图二氧化碳解析塔流程图 物料衡算物料衡算二氧化塔解析塔二氧化塔解析塔 表表3-7 二氧化碳解析塔的进出口物流数据二氧化碳解析塔的进出口物流数据流股流股201202203204205206207温度，温度，K233.15256.72259.25233.15233.15236.34258.13压力，力，MPa0.120.150.140.120.120.240.23总流量流量kmol/h6983.345325.264215.347432.242467.671500.825123.21摩摩尔尔分率，分率，%CH3OH52.3965.79973.6760.095754.07850.34582.531CO246.0332.4124.5698.48845.24449.39216.455H21.581.2371.0890.57510.53210.00120.4125H2S-0.5840.675-0.14570.36180.6023.4 能量衡算能量衡算热量恒算遵循以下公式：热量恒算遵循以下公式：Q+W=Hin-Hout气液分离器气液分离器 表表3-8 气液分离器热量衡算表气液分离器热量衡算表FEEDLIQUIDVAPORTemperatureC-12.7-12.7-12.7PressureMPa5.65.65.6VaporFrac0.979801LiquidFrac0.020210Enthalpycal/sec-198893208-85569201-1133240083.4 能量衡算能量衡算酸性气体吸收塔酸性气体吸收塔表表3-9 吸收塔热量衡算吸收塔热量衡算流股流股塔底塔底进料料塔塔顶进料料塔塔顶出料出料下塔下塔净流出流出塔底出料塔底出料TemperatureC-20-48-27.6-12-13.9PressureMPa5.65.65.75.65.6VaporFrac10100EnthalpyMMBtu/hr-721.833-514.611-193.778-553.344-498.846能量衡算能量衡算二氧化碳解析塔二氧化碳解析塔表表3-10 CO2解吸塔热量衡算表解吸塔热量衡算表CO2LIINH2SLIINLIQOUTFANGKONGFENH2STemperatureC-23.000003-31.500003-37.49753-46.53433-31.5PressureMPa0.090.208000020.2080.080.208VaporFrac0.323939870.27987598010.1504255LiquidFrac0.676060130.72021402100.8495745Enthalpycal/sec-199733688-181697613-2.15E+08-35232667-1310283903.5 吸收塔的设计计算吸收塔的设计计算设计项目：设计项目：1.1.塔板数塔板数2.2.塔径塔径3.3.溢流装置溢流装置4.4.塔板分布、塔板分布、浮法数目浮法数目 与排列与排列塔板的设计塔板的设计1.1.气相通过浮气相通过浮 阀塔板塔的阀塔板塔的 压降压降 2.掩塔掩塔3.液沫夹带液沫夹带塔板流体力学计算塔板流体力学计算1.接管接管2.筒体与封头筒体与封头3.除沫器除沫器4.裙座裙座5.吊柱吊柱6.人孔人孔 塔附件设计塔附件设计 塔体总高的设计塔体总高的设计3.5 吸收塔的设计吸收塔的设计表表3-11 吸收塔设备计算结果简表吸收塔设备计算结果简表CO2吸收段吸收段H2S吸收段吸收段CO2吸收段吸收段H2S吸收段吸收段理理论塔板数塔板数621截面截面积AF0.3020.302实际塔板数塔板数1553宽度度WD0.2990.299空塔气速空塔气速U0.3760.363停留停留时间6.9312.06塔径塔径D2.62.6底隙高度底隙高度0.080.05板板间距距HT0.60.6堰高堰高hw0.03660.0500塔截面塔截面积AT5.305.30浮浮阀数目数目n11721183实际空塔气速空塔气速u0.3630.349鼓泡区面鼓泡区面积Aa1.581.58板上清液板上清液层高高hl0.080.08开孔率开孔率%23.2724.07堰堰长lw1.561.56压降降Pp667.28674.423.5 吸收塔的设计吸收塔的设计3.6 酸性气体吸收塔的模拟酸性气体吸收塔的模拟图图3-5 酸性气体吸收塔流程模拟图酸性气体吸收塔流程模拟图 酸性气体吸收塔酸性气体吸收塔酸性气体吸收塔模拟结果酸性气体吸收塔模拟结果3.7 二氧化碳解析塔流程模拟图二氧化碳解析塔流程模拟图二氧化碳解析塔二氧化碳解析塔图图3-6 二氧化塔吸收塔模拟流程图二氧化塔吸收塔模拟流程图3.8 硫化氢浓缩塔流程模拟图硫化氢浓缩塔流程模拟图硫化氢浓缩塔硫化氢浓缩塔图图3-7 硫化氢浓缩塔流程模拟图硫化氢浓缩塔流程模拟图3.9 甲醇再生塔的模拟流程图甲醇再生塔的模拟流程图图图3-8 甲醇再生塔的模拟流程图甲醇再生塔的模拟流程图3.10 甲醇水分离塔的模拟流程图甲醇水分离塔的模拟流程图图图3-9 甲醇水分离塔的模拟流程图甲醇水分离塔的模拟流程图3.11 全流程工艺流程模拟图全流程工艺流程模拟图3-10 全流程工艺流程模拟图全流程工艺流程模拟图 3.12 带控制点的低温甲醇洗工艺流程图带控制点的低温甲醇洗工艺流程图 4、结论与展望、结论与展望 4.1 结论结论本设计净化工段选用低温甲醇洗工艺（林德），来脱除甲醇合本设计净化工段选用低温甲醇洗工艺（林德），来脱除甲醇合成中的酸性气体，经分析，相对其他净化方法而言，低温甲醇成中的酸性气体，经分析，相对其他净化方法而言，低温甲醇洗具有吸收好，净化度高，能耗较低，操作费用也较低等优点。洗具有吸收好，净化度高，能耗较低，操作费用也较低等优点。本论文针对年产本论文针对年产100万吨甲醇生产过程中合成气净化进行设计，万吨甲醇生产过程中合成气净化进行设计，在初步确定工艺流程后，进行工艺设计：对低温甲醇洗工段的在初步确定工艺流程后，进行工艺设计：对低温甲醇洗工段的气液分离器，吸收塔，解吸塔等做了计算，并在此计算基础上气液分离器，吸收塔，解吸塔等做了计算，并在此计算基础上做了带控制点的工艺流程图，主要设备图，以及各塔和全塔的做了带控制点的工艺流程图，主要设备图，以及各塔和全塔的简单流程模拟图，得到要求的净化产品。简单流程模拟图，得到要求的净化产品。由于低温甲醇洗工艺含多流股的循环，该工艺仍在调优中，同由于低温甲醇洗工艺含多流股的循环，该工艺仍在调优中，同时对一些个别因素的影响未予考虑，致使设计不很完善，请各时对一些个别因素的影响未予考虑，致使设计不很完善，请各位老师予以指正。位老师予以指正。4.2 展望展望当前，我国合成氨、甲醇与碳一化工正处于大规模当前，我国合成氨、甲醇与碳一化工正处于大规模快速发展时期，装置规模越来越大，原料气的高效快速发展时期，装置规模越来越大，原料气的高效率、低消耗净化显得非常重要。低温甲醇洗正是这率、低消耗净化显得非常重要。低温甲醇洗正是这样一种优良的净化工艺技术。样一种优良的净化工艺技术。掌握低温甲醇洗的基本工艺，设计出自己的流程掌握低温甲醇洗的基本工艺，设计出自己的流程,这是一条正在行进中的道路。我坚信这是一条正在行进中的道路。我坚信,低温甲醇洗低温甲醇洗工艺全面国产化是完全可以实现的。工艺全面国产化是完全可以实现的。