毕业设计甲醇制丙烯项目.docx
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1、目录毕业设计任务书 开题报告 指导教师审查意见 评阅教师评语 答辩会议记录 中文摘要 英文摘要 1 前言 11.1 项目建设的目的和意义 11.2 项目建设的范围 31.3 前人研究情况 32 选题背景 43 方案论证 73.1 设计目标 73.2 反应机理 73.3 工艺方案的选择 83.4 工艺条件的选择 103.5 合成方案的选择 123.6 压缩方案的选择 133.7 碱洗方案的选择 143.8 精馏方案的选择 153.9 工艺流程 153.10 论证结果 174 过程论述 174.1 概述 174.2 物料衡算 184.3 热量衡算 394.4 设备设计选型 445 结果分析 546
2、.结论与总结 55参考文献 55致谢 57附录 58前言煤制烯烃项目生产工艺设计(烯烃预分馏工段)1 前言乙烯和丙烯是现代化学工业的重要基础原料,是衡量一个国家综合国力的具体体 现。随着国民经济的发展和人们生活水平的提高,人类对乙烯和丙烯的需求与日俱增。 石油裂解是生产乙烯和丙烯的传统工艺,由于石油储量有限,且近年来石油价格更是 连年攀升,通过石油裂解生产低碳烯烃的经济可行性开始受到质疑,其工艺方法越来 越受到石油资源紧缺的局限,所以世界各国开始致力于非石油路线获取乙烯和丙烯类 低碳烯烃的开发。其中,以煤为原料经甲醇化制备低碳烯烃的工艺(MTP)由于污染小、产品收率高而备受世界各国所重视,尤其
3、是像我国煤炭资源如此丰富的国家。1.1 项目建设的目的和意义(1) 以煤炭资源替代部分石油资源,是我国经济建设可持续发展的必由路。我国能源结构的特点是缺油少气而煤炭资源相对丰富,2001 年,我国探明的石 油剩余可采储量约为 33 亿吨。预计到 2010 年 ,由新增探明储量,每年可形成新的生 产能力 0.180.25 亿吨 。到 2010 年,若我国石油产量保持在 1.681.82 亿吨之间, 则只能满足需求的 5155%,石油短缺高达 1.501.62 亿吨 。由此可见,除寻求新的 石油来源外,寻求石油的替代能源也是我国经济发展与能源战略安全的当务之急。我 国探明天然气剩余可采储量约为 1
4、.83 万亿立方米 。预计到 2010 年,我国天然气的年 需求量约 7801200 亿立方米,而供气量可达 1300 亿立方米,供大于求 。但由于我 国天然气价格昂贵,天然气离开原产地,大都作为民用燃料使用,民用价值大于工业价值。仅从生产丙烯的角度出发, 以石脑油为原料,生产 1 吨丙烯约需石脑油 3.5 吨, 以甲醇为原料,生产 1 吨丙烯约需甲醇 3.1 吨,折合标煤约 4.34 吨。无论是从能源的品质还是从能源的稀缺性来看, 以煤炭替代石油馏分生产烯烃都是可取的。我国是世界煤炭资源大国,2001 年探明资源量为 1 万亿吨,居世界第三位 。当 年产量约 11.6 亿吨,估计到 2010
5、 年消费量为 1819 亿吨/年。本项目采用内蒙锡林浩 特胜利煤田原煤,煤质属低硫、低灰和高挥发性的褐煤,经干燥处理后,符合干粉煤 气化生产工艺对原料的要求。该矿资源丰富,地质储量达 224 亿吨,开采成本低,坑口煤价低廉,为建设煤基烯烃项目提供了可靠的资源保证与效益保证。第 1 页 (共 58 页)煤制烯烃项目生产工艺设计(烯烃预分馏工段)(2) 中间产品甲醇既是基本有机化工原料,又可用做汽车或民用的代用原料。我国对汽油掺烧甲醇已经进行了长期的试验,并取得了成功的经验。汽油掺烧甲 醇被世界公认是可行的、经济的、安全的、环保的。为了在全国推广汽车用汽油掺烧 甲醇, 国家标准局在国家经贸委各有关
6、司局的配合下正积极制订汽油中掺甲醇 5% 、 10%和 15%的各项标准规范和实施细则 。由于石油资源的短缺,使得发达国家对如何 更好、更经济地利用天然气或煤给予极大关注 。近年来 UOP 和鲁奇公司分别开发出 由甲醇制造烯烃的工艺技术。甲醇的这两大用途,为其工业发展开拓了广阔的发展空 间。我国缺少石油,进口原油逐年递增,仅去年我国进口原油就高达 1 亿 1 千余万吨。 无论是将甲醇作为燃料还是作为化工原料,本项目的建设和投产都可替代部分进口石 油,派生出高附加值的烯烃、汽油、液化气、精甲醇等产品,既满足了市场需要,缓 解了供需矛盾,又减少了我国石油进口量及石油供应风险,符合国家石油安全战略和
7、产业发展政策。本项目煤气化采用的壳牌煤气化技术,与其它的煤气化工艺相比,安全洁净、热 效率高,具有明显的技术和环保优势,是目前最先进的第三代煤气化技术。采用成熟 可靠、运转稳定的先进生产技术,对节约能源、降低生产成本,对促进和实现企业的可持续发展具有重要的意义。(3)项目建设是贯彻党中央西部大开发战略,发展地方经济的需要。党中央、国务院明确指出,不失时机地实施西部大开发战略,直接关系到扩大内 需、促进经济增长,关系到民族团结、社会稳定和边防巩固,关系到东西部协调发展 和最终实现共同富裕 。强调要抓住机遇,把西部地区的发展潜力转换为现实生产力, 把潜在市场转换为现实市场,把资源优势转换为经济优势
8、,为国民经济提供更广阔的空间和巨大的推动力 。党中央的决策,为西部地区的经济发展提供了契机。本项目的建设充分发挥内蒙锡林浩特煤炭资源优势,生产的聚丙烯产品可以缓解 国内聚丙烯产品供需矛盾,改善当地的基础设施,增加地方就业机会,增加税收,推 动地区社会经济的发展,缩小东西部发展差距,实现东西部地区优势互补,共同发展,把资源优势转换为经济优势,为西部大开发做出贡献。(4)发展煤化工制取烯烃,是煤炭行业优化产业结构,提高附加值 ,谋求可持续发展的客观选择。以煤为原料制取甲醇,进而制取烯烃技术的工业化,为煤炭的化工利用开辟了潜第 2 页 (共 58 页)前言力巨大的前景, 为煤炭企业提供了新的发展机遇
9、和发展空间,将有利于煤炭行业优化产业结构,提高附加值,谋求可持续发展,提高煤炭行业的综合实力。本项目建成后,每年消耗煤 621.2 万吨(收到基) ,生产聚丙烯 46 万吨,精甲醇 23.98 万吨,汽油 12.95 万吨,液化气 6.66 万吨 , 回收硫磺 2.68 万吨;年均销售收入 为 404998 万元(含税),年均销售税金 57245 万元,年均利润总额 131973 万元。敏感性分析表明本项目具有一定的抗风险能力。总而言之,本项目的兴建,充分发挥了企业的资源优势。根据市场需求,应用现 代高新技术进入新的产业领域,促进了企业产品链的发展,培育了新的经济增长点。具有良好的经济效益和社
10、会效益。(5)本项目采用的系列工艺技术,有效而清洁地利用了煤炭资源,在为国民经济作 出重大贡献的同时,有效地保护了当地环境。符合对煤炭的利用要按 “集约化、大规模、多联产、清洁利用和有效利用” 的现代洁净煤技术模式。1.2 项目建设的范围本项目可行性研究范围为生产装置、公用工程、辅助生产设施、办公设施及部分与生产配套的生活设施,厂外配套工程等。1.3 前人研究情况甲醇制烯烃工艺技术为各大公司和研究机构所关注 。自 20 世纪 80 年代以来,世 界上许多著名的石油化学公司,包括埃克森美孚公司(ExxonMobil) 、美国环球石油 公司(UOP)和挪威海德鲁公司(NorskHydro)等, 纷
11、纷致力于非石油资源合成低碳烯烃 的技术路线研究,例如以煤或天然气为原料生产甲醇直至乙烯和丙烯的研究,并取得相当进展 。 目前,许多工业化装置正在建设或正在拟建设之中。世界上现行的由甲醇制丙烯的方法主要有两种: 一是 MTO5 技术(Methanol to Olefin , 甲醇制烯烃) ,即由合成气首先生产出甲醇,然后将甲醇转化为乙烯和丙烯混 合物的工艺; 二是 MTP 技术(Methanol to Propylene, 甲醇制丙烯) , 即由合成气首先 生产出甲醇,然后将甲醇转化成丙烯的工艺。上述两种技术均是从天然气或煤转化成甲醇开始,然后再将甲醇转化成烯烃。德国 Lurgi 公司开发的 M
12、TP 工艺,其主要产物为丙烯7,同时得到市场容量巨大的副产物汽油、液化石油气(LPG)以及燃料气等 。Lurgi 的 MTP 工艺流程反应装置主第 3 页 (共 58 页)煤制烯烃项目生产工艺设计(烯烃预分馏工段)要由 3 个绝热固定床反应器(3x50能力)组成 ,其中 2 个在线生产, 1 个在线再生, 这样可保证生产的连续性和催化剂的活性。每个反应器内分布 6 个催化剂床层,各床 层布置若干激冷喷嘴,定量注入冷的甲醇水一二甲醚物流来控制床层温度达到稳定 反应条件、获得最大丙烯收率的目的 。MTP 反应压力接近常压,反应温度 450 470 。工艺过程为: 原料甲醇预热到 260后进入固定床
13、绝热式二甲醚(DME)预反 应器,采用高活性、高选择性的催化剂将 75甲醇转化为二甲醚和水,该反应的转 化率几乎达到热力学平衡程度 。甲醇、水二甲醚物流进入分凝器,气相受热到反应 温度后进入 MTP 反应器,液相作为控温介质经流量控制仪通过激冷喷嘴进入 MTP 反应器 。 甲醇一二甲醚的转化率约为 99, 丙烯是主要产物 。反应产物经冷却后, 进入分离工段8。相对于甲醇制烯烃流化床工艺,甲醇制丙烯固定床工艺只用于生产丙烯,在工业 放大过程中风险较小。流化床工艺放大一般要经过复杂的逐级放大过程,而固定床工 艺放大却成熟简单得多。但固定床的反应温度需要复杂的温控装置来控制,而流化床 的反应温度控制
14、就容易得多。通过 MTO 和 MTP 技术产品方案比较可知,MTO 工艺 的主要产物是乙烯和丙烯,而 MTP 工艺的主要产品是丙烯,MTP 是满足丙烯需求快速 增长的理想方案 。Lurgi 公司目前正在积极推进其 MTP 技术的工业化 。采用该技术, 2001 年在挪威 Statoil 工厂建立了一套示范装置 ,该装置正常运转了 11000h,证实了 Lurgi MTP 技术的可靠性和先进性。专利显示在压力 130kPa160kPa ,温度 420 450 , 甲醇空速 1hd 条件下甲醇转化率 99以上,丙烯单程选择性达到 466,P/E 比为 10。采用 Lu,gi MTP 技术的大唐多伦
15、煤基烯烃项目,预计 2009 年 10 月投产甲醇(168 万吨a) 、12 月投产烯烃产品。该项目主产聚丙烯(46 万吨a),联产汽油(20 万吨/ a) 、液化气(3 6 万吨a)等多种副产品,项目总计划投资 180 亿元。神华宁煤宁东 167 万吨甲醇、50 万吨聚丙烯项目,也采用鲁奇公司 MTP 技术,预计于 2010 年建成。2 选题背景能源是经济和社会发展的基础 , 能源的生产与供应一直受到各国政府的高度重 视,而石油更是能源中各国关注的焦点,为争夺石油资源的战争时有发生 。近年来,石油价格持续攀升,通过石油裂解生产低碳烯烃的传统方法已不再受青睐,世界各国第 4 页 (共 58 页
16、)选题背景开始致力于非石油路线制低碳烯烃的开发。我国石油资源人均占有量很少,按目前开采量计算仅能开采 20 年,煤炭则可开 采 100 年以上。我国解决能源供应的立足点主要是煤炭,这是由能源资源所决定的无 可争议的事实 。因此, 国家提出“节能优先、效率为本、煤为基础、多元发展” 的能源 战略方针。此外,中国石油消费增长很快,原油生产增长缓慢,石油供应面临严峻形 势。我国从 1993 年由石油出口国变为石油净进口国以来。石油进口量增长很快,2003 年进口原油 9112 万吨,出口 813.33 万吨,净进口量 8298.67 万吨,比 02 年增长 33.4%; 2004 年原油进口量为 1
17、2281.54 万吨, 比上年增长 34.8% 。成品油净进口量为 3054.5 万吨, 比上年增长 1 倍多,原油加成品净进口量达到 14786.9 万吨 。中国已成为仅次 于美国的第二大石油进口国和石油消费国 。2004 年中国自产原油 17450 万吨,石油 总消费量 32236.9 万吨,对外依存度达到 45.87% 。专家预测到 2020 年中国石油对外 依存度将达到 60%62%,一旦石油进口受阻,将对中国经济安全和国防安全造成重 大影响 。因此,充分利用我国丰富的煤炭资源优势,大力发展煤化工高新技术产业, 以煤化工产品替代石油化工产品,对于优化我国能源结构,降低石油进口依存度,保
18、 证我国石油安全,保证国民经济的可持续发展,迫在眉睫,势在必行。为应对石油供 应的严峻局面,国家正在研究多方案、多元化解决石油的问题,其中煤液化制油、煤制甲醇、MTO 、MTP 技术正是适应了这一需要。丙烯是仅次于乙烯的一种重要有机石油化工基本原料,它主要用于生产聚丙烯、 苯酚、丙酮、醇、辛醇、丙烯腈、环氧丙烷、丙烯酸以及异丙醇等,其他用途还包括 烷基化油、催化叠合和二聚,高辛烷值汽油调合料等 。其中大约有 37的丙烯被用 于生产聚丙烯。据统计预测,2009 年世界丙烯产能达 88.90Mt,年均增长率为 3.4%: 需求达到 77.70Mta ,年均增长率为 3.9。 尤其中东聚丙烯产能将快
19、速提高,2015 年产能将是目前的 3.6 倍,达到 10Mta 。随着全球石油化工的快速发展, 中国丙烯 的生产能力有了较大幅度的增长 。2006 年总生产能力突破千万吨大关 ,达 10.07Mt / a 。总产量为 9.15Mt ,年均增长率分别为 10.5和 12.6。 近年来, 国内丙烯供需 矛盾十分突出,丙烯工业都是以进口为主,2008 年 1 12 月,中国丙烯进口量 0.917Mt。 进口均价 1233.8 美元t较 2007 年的 1121.1 美元t 增长 1.0。 到 2010 年, 国内 丙烯当量需求达到 19.05Mt,年均增长率达到 7.6, 当量需求供需缺口达到 8
20、.25Mt,届时,聚丙烯仍是丙烯最大的消费衍生物,约占丙烯消费量的 76左右 。到 2011 年第 5 页 (共 58 页)煤制烯烃项目生产工艺设计(烯烃预分馏工段)中国的丙烯产能达到 13.80Mta 。而中东可出口的供应当量仅 4.40Mt , 中国丙烯开发利用前景广阔。由于丙烯需求量的迅速增长,致使以甲醇为原料的 MTP 工艺引起广泛关注 。有 报道称,2000 年全球乙烯需求量为 890Mt,20002007 年均需求增长率约 4.6。2001 年全球丙烯需求量约 560Mt ,年均需求增长率为 55.5, 超过乙烯需求增长率。 但目前丙烯 65来自蒸汽裂解制乙烯装置 ,30左右来自炼
21、厂流化催化裂化(FCC) 装置 。以丙烯为目的产物的丙烷脱氧所占比例甚微,大约不到 5。 因而导致丙烯价 格上涨(2002 年 7 月 5 日丙烯为 450460 美元吨, 己烯为 320340 美元吨)。 增产丙烯已成为全球石化工业重要生产技术发展动向 。而 MTP 工艺则为增产丙烯的重要手段之一。MTP 技术制丙烯,可以不用石油而是以甲醇为原料生产烯烃和含氧化合物,再 进一步加工成各种石油化工产品,可使烯烃价格摆脱石油价格的影响 。MTP 技术将 利用中国丰富的煤炭资源,发展石油化工提供新的可供选择的技术路线。随着石油价 格的上涨,石油裂解制乙烯丙烯的成本急剧上升,使得煤化工生产烯烃具有很
22、强竞争力。MTP 工艺由德国 Lurgi 公司在 20 世纪 90 年代开发成功。该工艺采用稳定的分子 筛催化剂和固定床反应器,催化剂由南方化学(SudChemie)公司提供。第一个反应器 中甲醇转化为二甲醚,第二个反应器中转化为丙烯,反应一再生轮流切换操作。从甲 醇装置来的精甲醇送至二甲醚(DME)预反应器 ,在高选择 、高活性、几乎符合热 力学平衡的条件下,精甲醇被转化为 DME 和水, 甲醇、水、DME 蒸气和循环的烯 烃、蒸气一起被送往 MTP 反应器中,超过 99%的甲醇、DME 被转化为主导碳氢化合 物产品丙烯,每个反应器有 56 个催化剂床层,每个床层的工艺条件接近性能担保 值,
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