甲醇合成工艺仿真软件.doc

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仿真培训系统操作说明书
北京东方仿真控制技术有限公司
仿真教学事业部
二OO七年四月
目录
第一章甲醇概述1
第二章合成工段介绍4
第一节概述4
第二节工艺路线及合成机理5




第三节主要工艺控制指标7



第三章岗位操作11
第一节开车准备11


第二节冷态开车12







第三节正常停车14






第四节紧急停车16




第四章事故列表17
第一节分离罐液位高或反应器温度高联锁17
第二节汽包液位低联锁17
第三节混和气入口阀FRCA6001阀卡17
第四节透平坏18
第五节催化剂老化18
第六节循环压缩机坏18
第七节反应塔温度高报警19
第八节反应塔温度低报警19
第九节分离罐液位高报警20
第十节系统压力PI6001高报警20
第十一节汽包液位低报警21
第五章评分细则22
第六章下位机画面设计23
第一节DCS用户画面设计23
第二节现场操作画面设计23


第一章甲醇概述
甲醇(分子式:CH3OH)又名木醇或木酒精,是一种透明、无色、易燃、有毒的液体,略带酒精味。熔点-℃,℃,℃,自燃点47℃,,爆炸极限下限6%,%,能与水、乙醇、***、苯、***和大多数有机溶剂相混溶。它是重要有机化工原料和优质燃料。主要用于制造甲醛、醋酸、***甲烷、甲氨、硫酸二甲脂等多种有机产品,也是农药、医药的重要原料之一。甲醇亦可代替汽油作燃料使用。
生产甲醇的方法有多种,早期用木材或木质素干馏法制甲醇的方法,今天在工业上已经被淘汰了。***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,这种制甲醇的方法工艺流程简单,建设投资节省,但是,这种氧化过程不易控制,常因深度氧化生成碳的氧化物和水,而使原料和产品受到很大损失,因此甲烷部分氧化法制甲醇的方法仍未实现工业化。
目前工业上几乎都是采用一氧化碳、二氧化碳加压催化氢化法合成甲醇。典型的流程包括原料气制造、原料气净化、甲醇合成、粗甲醇精馏等工序。
天然气、石脑油、重油、煤及其加工产品(焦炭、焦炉煤气)、乙炔尾气等均可作为生产甲醇合成气的原料。天然气是制造甲醇的主要原料,主要组分是甲烷,还含有少量的其他烷烃、烯烃与氮气。以天然气生产甲醇原料气有蒸汽转化、催化部分氧化、非催化部分氧化等方法,其中蒸汽转化法应用得最广泛,它是在管式炉中常压或加压下进行的。由于反应吸热必须从外部供热以保持所要求的转化温度,一般是在管间燃烧某种燃料气来实现,转化用的蒸汽直接在装置上靠烟道气和转化气的热量制取。由于天然气蒸汽转化法制的合成气中,氢过量而一氧化碳与二氧化碳量不足,工业上解决这个问题的方法一是采用添加二氧化碳的蒸汽转化法,以达到合适的配比,二氧化碳可以外部供应,也可以由转化炉烟道气中回收。另一种方法是以天然气为原料的二段转化法,即在第一段转化中进行天然气的蒸汽转化,只有约1/4的甲烷进行反应;第二段进行天然气的部分氧化,不仅所得合成气配比合适而且由于第二段反应温度提高到800℃以上,残留的甲烷量可以减少,增加了合成甲醇的有效气体组分。天然气进入蒸汽转化炉前需进行净化处理清除有害杂质,要求净化后气体含硫量小于
。转化后的气体经压缩去合成工段合成甲醇。
煤与焦炭是制造甲醇粗原料气的主要固体燃料。用煤和焦炭制甲醇的工艺路线包括燃料的气化、气体的脱硫、变换、脱碳及甲醇合成与精制。用蒸汽与氧气(或空气、富氧空气)对煤、焦炭进行热加工称为固体燃料气化,气化所得可燃性气体通称煤气是制造甲醇的初始原料气,气化的主要设备是煤气发生炉,按煤在炉中的运动方式,气化方法可分为固定床气化法、流化床气化法和气流床气化法。国内用煤与焦炭制甲醇的煤气化——般都沿用固定床间歇气化法,煤气炉沿用UCJ炉。在国外对于煤的气化,目前已工业化的煤气化炉有柯柏斯-托切克(Koppers-Totzek)、鲁奇(Lurge)及温克勒(Winkler)三种。还有第二、第三代煤气化炉的炉型主要有德士古(Texaco)及谢尔-柯柏斯(Shell-Koppers)等。用煤和焦炭制得的粗原料气组分中氢碳比太低,故在气体脱硫后要经过变换工序。使过量的一氧化碳变换为氢气和二氧化碳,再经脱碳工序将过量的二氧化碳除去。原料气经过压缩、甲醇合成与精馏精制后制得甲醇。
工业上用油来制取甲醇的油品主要有二类:一类是石脑油,另一类是重油。原油精馏所得的220℃以下的馏分称为轻油,又称石脑油。目前用石脑油生产甲醇原料气的主要方法是加压蒸汽转化法。石脑油的加压蒸汽转化需在结构复杂的转化炉中进行。转化炉设置有辐射室与对流室,在高温、催化剂存在下进行烃类蒸汽转化反应。重油是石油炼制过程中的一种产品。以重油为原料制取甲醇原料气有部分氧化法与高温裂解法两种途径。裂解法需在1400℃以上的高温下,在蓄热炉中将重油裂解,虽然可以不用氧气,但设备复杂,操作麻烦,生成炭黑量多。重油部分氧化是指重质烃类和氧气进行燃烧反应,反应放热,使部分碳氢化合物发生热裂解,裂解产物进一步发生氧化、重整反应,最终得到以H2、CO为主,及少量CO2、CH4的合成气供甲醇合成使用。
与合成氨联合生产甲醇简称联醇,这是一种合成气的净化工艺,以替代我国不少合成氨生产用铜氨液脱除微量碳氧化物而开发的一种新工艺。联醇生产的工艺条件是在压缩机五段出口与铜洗工序进口之间增加一套甲醇合成的装置,包括甲醇合成塔、循环机、水冷器、分离器和粗甲醇贮槽等有关设备,工艺流程是压缩机五段出口气体先进人甲醇合成塔,大部分原先要在铜洗工序除去的一氧化碳和二氧化碳在甲醇合成塔内与氢气反应生成甲醇,联产甲醇后进入铜洗工序的气体一氧化碳含量明显降低,减轻了铜洗负荷;同时变换工序的一氧化碳指标可适量放宽,降低了变换的蒸汽消耗,而且压缩机前几段气缸输送的一氧化碳成为有效气体,压缩机电耗降低。联产甲醇后能耗降低较明显,可使每吨氨节电
,,折合能耗为200万kJ。联醇工艺流程必须重视原料气的精脱硫和精馏等工序,以保证甲醇催化剂使用寿命和甲醇产品质量。
甲醇生产中所使用的多种催化剂,如天然气与石脑油蒸气转化催化剂、甲醇合成催化剂都易受硫化物毒害而失去活性,必须将硫化物除净。气体脱硫方法可分为两类,一类是干法脱硫,一类是湿法脱硫。干法脱硫设备简单,但由于反应速率较慢,设备比较庞大。湿法脱硫可分为物理吸收法、化学吸收法与直接氧化法三类。
粗甲醇中存在水分、高级醇、醚、***等杂质,需要精制。精制过程包括精馏与化学处理。化学处理主要用碱破坏在精馏过程中难以分离的杂质,并调节pH。精馏主要是除去易挥发组分,如二甲醚、以及难以挥发的组分,如乙醇高级醇、水等。
第二章合成工段介绍
第一节概述
甲醇生产的总流程长,工艺复杂。甲醇的合成是在高温、高压、催化剂存在下进行的,是典型的复合气-固相催化反应过程。随着甲醇合成催化剂技术的不断发展,目前总的趋势是由高压向低、中压发展。
高压工艺流程一般指的是使用锌铬催化剂,在300-400℃,30MPa高温高压下合成甲醇的过程。自从1923年第一次用这种方法合成甲醇成功后,差不多有50年的时间,世界上合成甲醇生产都沿用这种方法,仅在设计上有某些细节不同,例如甲醇合成塔内移热的方法有冷管型连续换热式和冷激型多段换热式两大类;反应气体流动的方式有轴向和径向或者二者兼有的混合型式;有副产蒸汽和不副产蒸汽的流程等。近几年来,我国开发了25-27MPa压力下在铜基催化剂上合成甲醇的技术,出口气体中甲醇含量4%左右,反应温度230-290℃。
ICI低压甲醇法为英国ICI公司在1966年研究成功的甲醇生产方法。从而打破了甲醇合成的高压法的垄断,这是甲醇生产工艺上的一次重大变革,它采用51-1型铜基催化剂,合成压力5MPa。ICI法所用的合成塔为热壁多段冷激式,结构简单,每段催化剂层上部装有菱形冷激气分配器,使冷激气均匀地进入催化剂层,用以调节塔内温度。低压法合成塔的型式还有联邦德国Lurgi公司的管束型副产蒸汽合成塔及美国电动研究所的三相甲醇合成系统。20世纪70年代,我国轻工部四川维尼纶厂从法国Speichim公司引进了一套以乙炔尾气为原料日产300吨低压甲醇装置(英国ICI专利技术)。20世纪80年代,齐鲁石化公司第二化肥厂引进了联邦德国Lurgi公司的低压甲醇合成装置。
中压法是在低压法研究基础上进一步发展起来的,由于低压法操作压力低,导致设备体积相当庞大,不利于甲醇生产的大型化。因此发展了压力为10MPa左右的甲醇合成中压法。它能更有效地降低建厂费用和甲醇生产成本。例如ICI公司研究成功了51-2型铜基催化剂,其化学组成和活性与低压合成催化剂51-1型差不多,只是催化剂的晶体结构不相同,制造成本比51-1型高贵。由于这种催化剂在较高压力下也能维持较长的寿命,从而使ICI公司有可能将原有的5MPa的合成压力提高到l0MPa,所用合成塔与低压法相同也是四段冷激式,其流程和设备与低压法类似。
本仿真系统是对低压甲醇合成装置中管束型副产蒸汽合成系统的甲醇合成工段进行的。
第二节工艺路线及合成机理

由于本仿真系统主要以仿DCS操作为主,因而,在不影响操作的前提下,对一些不很重要的现场操作进行简化,简化主要内容为:不重要的间歇操作,部分现场手阀,现场盲板拆装,现场分析及现场临时管线拆装等等。另外,根据实际操作需要,对一些重要的现场操作也进行了模拟,并根据DCS画面设计一些现场图,在此操作画面上进行部分重要现场阀的开关和泵的启动停止。对DCS的模拟,以化工厂提供的DCS画面和操作规程为依据,并对重要回路和关键设备在现场图上进行补充。

采用一氧化碳、二氧化碳加压催化氢化法合成甲醇,在合成塔内主要发生的反应是:
CO2+3H2CH3OH+H2O+49kj/mol
CO+H2OCO2+H2+41kj/mol
两式合并后即可得出CO生成CH3OH的反应式:
CO+2H2CH3OH+90kj/mol

甲醇合成装置仿真系统的设备包括蒸汽透平(T-601)、循环气压缩机(C-601)、甲醇分离器(F-602)、精制水预热器(E-602)、中间换热器(E-601)、最终冷却器(E-603)、甲醇合成塔(R-601)、蒸汽包(F-601)以及开工喷射器(X-601)等。甲醇合成是强放热反应,进入催化剂层的合成原料气需先加热到反应温度(>210℃)才能反应,而低压甲醇合成催化剂(铜基触媒)又易过热失活(>
280℃),就必须将甲醇合成反应热及时移走,本反应系统将原料气加热和反应过程中移热结合,反应器和换热器结合连续移热,同时达到缩小设备体积和减少催化剂层温差的作用。-,在本仿真中,。
蒸汽驱动透平带动压缩机运转,提供循环气连续运转的动力,并同时往循环系统中补充H2和混合气(CO+H2),使合成反应能够连续进行。反应放出的大量热通过蒸汽包F-601移走,合成塔入口气在中间换热器E-601中被合成塔出口气预热至46℃后进入合成塔R-601,合成塔出口气由255℃依次经中间换热器E-601、精制水预热器E-602、最终冷却器E-603换热至40℃,与补加的H2混合后进入甲醇分离器F-602,分离出的粗甲醇送往精馏系统进行精制,气相的一小部分送往火炬,气相的大部分作为循环气被送往压缩机C-601,被压缩的循环气与补加的混合气混合后经E-601进入反应器R-601。
合成甲醇流程控制的重点是反应器的温度、系统压力以及合成原料气在反应器入口处各组分的含量。反应器的温度主要是通过汽包来调节,如果反应器的温度较高并且升温速度较快,这时应将汽包蒸汽出口开大,增加蒸汽采出量,同时降低汽包压力,使反应器温度降低或温升速度变小;如果反应器的温度较低并且升温速度较慢,这时应将汽包蒸汽出口关小,减少蒸汽采出量,慢慢升高汽包压力,使反应器温度升高或温降速度变小;如果反应器温度仍然偏低或温降速度较大,可通过开启开工喷射器X601来调节。系统压力主要靠混和气入口量FRCA6001、H2入口量FRCA6002、放空量FRCA6004以及甲醇在分离罐中的冷凝量来控制;在原料气进入反应塔前有一安全阀,,安全阀会自动打开,,安全阀自动关闭,从而保证系统压力不至过高。合成原料气在反应器入口处各组分的含量是通过混和气入口量FRCA6001、H2入口量FRCA6002以及循环量来控制的,冷态开车时,由于循环气的组成没有达到稳态时的循环气组成,需要慢慢调节才能达到稳态时的循环气的组成。调节组成的方法是:,应开大FRCA6002、增大循环量并减小FRCA6001,经过一段时间后,循环气中H2含量会明显增大;,应关小FRCA6002、减小循环量并增大FRCA6001,经过一段时间后,循环气中H2含量会明显减小;,应关小FRCA6002并增加循环量,经过一段时间后,入口气中H2含量会明显增大;,应开大FRCA6002并减小循环量,经过一段时间后,入口气中H
2含量会明显增大。循环量主要是通过透平来调节。由于循环气组分多,所以调节起来难度较大,不可能一蹴而就,需要一个缓慢的调节过程。调平衡的方法是:通过调节循环气量和混和气入口量使反应入口气中H2/CO(体积比)在7-8之间,同时通过调节FRCA6002,使循环气中H2的含量尽量保持在79%左右,同时逐渐增加入口气的量直至正常(FRCA6001的正常量为14877NM3/H,FRCA6002的正常量为13804NM3/H),达到正常后,新鲜气中H2与CO之比(FFR6002)~。

透平T-601:功率655KW,,,正常工作转速13700r/m,最大转速14385r/m。
循环压缩机C-601:,。
汽包F-601:,长度5m,,,正常温度250℃,最高温度270℃。
合成塔R-601:列管式冷激塔,直径2m,长度10m,,,正常温度255℃,最高温度280℃;塔内布满装有催化剂的钢管,原料气在钢管内进行合成反应。
分离罐F-602:,高5m,,正常温度40℃,最高温度100℃。
输水阀V6013:当系统中产生冷凝水并进入疏水阀时,内置倒吊桶因自身重量处于疏水阀的下部。这时位于疏水阀顶部的阀座开孔是打开的。允许冷凝水进入阀体并通过顶部的孔排出阀体。当蒸汽进入疏水阀。倒吊桶向上浮起,关闭出口阀,不允许蒸汽外泄。当全部蒸汽通过吊桶顶部的小孔泄出,倒吊桶沉入水中,循环得以重复。
第三节主要工艺控制指标

序号
位号
正常值
单位
说明