1800Nm3-h甲醇制氢装置设计依据

11800Nm3/h甲醇制氢装置设计依据甲醇蒸汽转化制氢和二氧化碳技术１前言氢气在工业上有着广泛的用途。近年来，由于精细化工、蒽醌法制双氧水、粉末冶金、油脂加氢、林业品和农业品加氢、生物工程、石油炼制加氢及氢燃料清洁汽车等的迅速发展，对纯氢需求量急速增加。对没有方便氢源的地区，如果采用传统的以石油类、天然气或煤为原料造气来分离制氢需庞大投资，“相当于半个合成氨”，只适用于大规模用户。对中小用户电解水可方便制得氢气，但能耗很大，每立方米氢气耗电达～6度，且氢纯度不理想，杂质多，同时规模也受到限制，因此近年来许多原用电解水制氢的厂家纷纷进行技术改造，改用甲醇蒸汽转化制氢新的工艺路线。西南化工研究设计院研究开发的甲醇蒸汽转化配变压吸附分离制氢技术为中小用户提供了一条经济实用的新工艺路线。第一套600Nm3/h制氢装置于1993年在广州金珠江化学有限公司首先投产开车，在得到纯度99.99%氢气同时还得到食品级二氧化碳，该技术属国内首创，取得良好的经济效益。此项目于93年获得化工部优秀设计二等奖94年获广东省科技进步二等奖。2２工艺原理及其特点本工艺以来源方便的甲醇和脱盐水为原料，在220～280℃下，专用催化剂上催化转化为组成为主要含氢和二氧化碳转化气，其原理如下：主反应：CH3OH＝CO＋2H2+90.7KJ/molCO＋H2O＝CO2＋H2-41.2KJ/mol总反应：CH3OH＋H2O＝CO2＋3H2+49.5KJ/mol副反应：2CH3OH＝CH3OCH3＋H2O-24.9KJ/molCO＋3H2＝CH4＋H2O-+206.3KJ/mol上述反应生成的转化气经冷却、冷凝后其组成为H273～74％CO223～24.5％CO～1.0％CH3OH300ppmH2O饱和该转化气很容易用变压吸附等技术分离提取纯氢。广州金珠江化学有限公司600Nm3/h制氢装置自93年7月投产后，因后续用户双氧水的扩产，于97年4月扩产1000Nm3/h制氢装置投产，后又扩产至1800Nm3/h，于2000年3月投产。本工艺制氢技术给金珠江化学有限公司带来良好的经济效益。目前国内应用此技术的企业已近百家，通过几年来的运转证明，3本工艺技术成熟、操作方便，运转稳定、无污染。本工艺技术有下列特点：1.甲醇蒸汽在专用催化剂上裂解和转化一步完成。2.采用加压操作，产生的转化气不需要进一步加压，即可直接送入变压吸附分离装置，降低了能耗。3.与电解法相比，电耗下降90%以上，生产成本可下降40～50%，且氢气纯度高。与煤造气相比则显本工艺装置简单，操作方便稳定。煤造气虽然原料费用稍低，但流程长投资大，且污染大，杂质多，需脱硫净化等，对中小规模装置不适用。4.专用催化剂具有活性高、选择性好、使用温度低，寿命长等特点。5.采用导热油作为循环供热载体，满足了工艺要求，且投资少，能耗低，降低了操作费用。３工艺过程工艺流程如图所示。甲醇和脱盐水按一定比例混合后经换热器预热后送入汽化塔，汽化后的水甲醇蒸汽经锅热器过热后进入转化器在催化剂床层进行催化裂解和变换反应，产出转化气含约74%氢气和24%二氧化碳，经换热、冷却冷凝后进入水洗吸收塔，塔釜收集未转化完的甲醇和水供循环使用，塔项气送变压吸附装置提纯。根据对产品气纯度和微量杂质组分的不同要求，采用四塔或四塔4以上流程，纯度可达到99.9～99.999%。设计处理能力为1500Nm3/h转化气、纯度为99.9%的变压吸附装置，其氢气回收率可达90%以上。转化气中二氧化碳可用变压吸附装置提纯到食品级，用于饮料及酒类行业。这样可大大降低生产成本。流程设置先经变压吸附装置分离二氧化碳后，富含氢气的转化气经加压送入变压吸附装置提纯。本工艺原料简单，配套的公用工程要求较低，极易满足。集多年的的工业化装置运转数据，得出其原料及动力消耗如下：甲醇0.57吨脱盐水0.32吨电220V/380V150度仪表空气80Nm3/h5生产成本：每Nm3纯氢车间成本为2.0～3.0元，若二氧化碳能回收销售，则产品成本可下降至1.5～2.0元。（车间成本根据装置规模和甲醇市场价格波动稍有不同。）５环保5.1废气：本技术采用物料内部自循环工艺流程，故正常开车时基本上无三废排放，仅在原料液贮罐有少量含CO2和CH3OCH3释放气排出，以1000Nm3/h制氢装置为例，其量为1.0～1.7Nm3/h，气体组成如下：组份组成％CO284.03CH3OCH32.66～1.00H23.24CH3OH11.38H2O因气量小，基本上无毒，可直接排入大气。变压吸附工艺驰放气经阻火器后排入大气，其中含大量的二氧化碳气和少量的氢气及微量的一氧化碳和水汽，对环境不造成污染。5.2废液：本工艺仅汽化塔塔底不定期排出少量废水，其中含甲醇0.5%以下，经稀释后可达到GB8978-88中第二类污染物排放标6准，直接排入下水。5.3废渣：导热油锅炉房有一定量的燃烧煤渣，可集中处理。(只有以煤为燃料的导热油系统有废渣。)６推广应用情况现已技术转让或提供成套装置的单位列表如下：西南化工研究院目前可提供20～5000Nm3/h范围内各种规模的甲醇蒸汽转化制氢装置。可负责设计、安装指导、人员培训、开车等技术工作，也可提供成套工程装置如设备、电气、仪表等的硬件装备。装置投产后，长期实行技术回访等跟踪运行服务，保证装置稳定运行。7结论工业化实践证明本技术工艺先进，技术成熟；装置简单，操作容易，运转稳定。此工艺特别对中小规模需氢用户，有较好的市场前景。该工艺专用催化剂不断进行改进，不仅保持了高活性、高选择性的优点，在催化剂寿命上亦有较大突破，广州金珠江化学有限公司使用的催化剂寿命已超过4年。工艺过程说明7甲醇催化转化造气生产工艺过程可分为：原料液预热、汽化、过热、转化反应、产品气冷却冷凝、产品气净化等四个过程。本装置为两套完全独立的系统，在以下叙述过程中设备、阀门、调节阀等位号省去系统。1工艺过程1.1原料液预热、汽化、过热工序将甲醇和脱盐水按规定比例混和，经泵加压送入系统进行预热、汽化过热至反应温度的过程。其工作范围是：甲醇计量罐、循环液贮槽、原料进料泵、换热器、汽化塔、过热器等设备及其配套仪表和阀门。1.2催化转化反应工序在反应温度和压力下，原料蒸汽在转化炉中完成气固相催化转化反应。工作范围是：转化炉一台设备及其配套仪表和阀门。该工序的目的是完成化学反应，得到主要组分为氢气和二氧化碳的转化气。1.3转化气冷却冷凝工序将转化炉下部出来的高温转化气经过冷却、冷凝降到40℃以下的过程。其工作范围是：换热器、冷却器二台设备及其配套仪表和阀门。1.4转化气净化工序含有氢气、二氧化碳以及少量一氧化碳、甲醇和水的低温转化气，进入水洗塔用脱盐水吸收未反应甲醇的过程。其工作范围8是：水洗塔、脱盐水中间罐、气体缓冲罐、脱盐水进料泵五台设备及其配套仪表和阀门。2.0工艺过程主要控制指标2.1原料汽化过热2.1.1原料甲醇流量1134kg/h(2380立方米/小时)1900万立方米/年;2.1.2原料液流量～2590Kg/h2.1.3汽化过热塔进料温度～165℃2.1.4汽化过热塔塔釜压力(表压)1.1MPa2.2转化反应2.2.1进料温度200～260℃2.2.2反应温度220～280℃2.2.3导热油温度235～290℃2.2.4换热器出口转化气温度110~140℃2.2.5冷却器出口转化气温度＜40℃2.2.6反应压力(表压)～1.1MPa2.3水洗分离2.3.1进塔脱盐水量636Kg/h2.3.2循环液量(出塔)～1469Kg/h循环液组成(wt％)：甲醇0～25％2.3.3出塔转化气量～3135Nm3/h9转化气组成(V％)：氢73～74.5％二氧化碳23～24.5%一氧化碳～0.8%甲醇0.03%甲烷0.20%2.4催化剂还原2.4.1还原循环气量~2100Nm3/h2.4.2还原气氢含量0.5～10％2.4.3还原温度110～230℃2.4.4还原压力～0.05MPa2.5其它2.5.1进工段冷却水压力0.3MPa2.5.2进工段仪表空气压力0.4~0.60MPa2.5.3导热油流量～160m3/h化学反应原理甲醇与水蒸汽混合物在转化炉中加压催化完成转化反应，反应生成氢气和二氧化碳，其反应式如下：主反应：CH3OH＋H2O＝CO2＋3H2+49.5KJ/mol副反应：CH3OH＝CO＋2H2+90.7KJ/mol2CH3OH＝CH3OCH3＋H2O－24.90KJ/molCO＋3H2＝CH4＋H2O－206.3KJ/mol10主反应为吸热反应，采用导热油外部加热。转化气经冷却、冷凝后进入水洗塔，塔釜收集未转化完的甲醇和水供循环使用，塔顶转化气经缓冲罐送变压吸附提氢装置分离。原料和产品性质1.1原料性质⑴原料甲醇性质化学名称为甲醇，别名甲基醇、木醇、木精。分子式CH3OH，分子量32.04。是有类似乙醇气味的无色透明、易燃、易挥发的液体。比重为0.7915。熔点-97.80℃，沸点64.7℃，20℃时蒸汽压96.3mmHg，粘度0.5945厘泊，闪点11.11℃，自燃点385℃，在空气中的爆炸极限为6.0～36.5％。甲醇是最常用的有机溶剂之一，能与水和多种有机溶剂互溶。甲醇有毒、有麻醉作用，对视神经影响很大，严重时可引起失明。⑵原料脱盐水性质(省略)1.2产品性质本装置生产的产品甲醇催化转化气，其主要组份为氢气和二氧化碳，性质分述如下：⑴氢气性质分子式H2，分子量2.0158，无色无臭气体。无毒无腐蚀性。气体密度0.0899Kg/m3，熔点-259.14℃，沸点-252.8℃，自燃点400℃，极微溶于水、醇、乙醚及各种液体，常温稳定，高温11有催化剂时很活泼，极易燃、易爆，并能与许多非金属和金属化合。⑵二氧化碳性质化学名称二氧化碳，别名：碳酸酐、碳酐、碳酸气。分子式CO2，分子量44.01，无色无臭气体。有酸味，气体密度1.977Kg/m3，熔点-56.6℃，沸点-78.5℃(升华)，易溶于水成碳酸，可溶于乙醇、甲醇、丙酮、氯仿、四氯化碳和苯，属不燃气体，可作灭火剂。原料和产品规格2.1原料规格甲醇：符合国标GB338-92一级品标准要求。建议用30Kt/y以上规模合成甲醇装置产品，运输过程无污染；严禁使用回收甲醇。脱盐水：符合国家GB12145-89P（直流炉）要求，且氯离子含量小于或等于3ppm2.2产品规格⑴转化气组成：H273～74.5％CO223～24.5％CO＜0.8％CH3OH300ppmH2O饱和12⑵压力：1.1MPa⑶温度：＜40℃操作程序1开车前的准备工作1.1一般准备和检查1、检查水、电、汽、软水、仪表空气、氮气、氢气、燃料等的供应情况，并与有关部门联系，落实供应数量和质量要求。2、关闭所有排液阀、排污阀、放空阀、进料阀、取样阀。开启冷却水、仪表空气等进工段总阀。3、通知导热油锅炉房准备开车，并联系确定开车的具体时间和质量数量要求(压力、温度、流量等)。4、通知分析室准备生产控制分析工作。5、检查动力设备的完好情况，检查所有仪表电源、气源、信号是否正常。6、落实产品用户。因转化催化剂不希望中途频繁停车，如用户没落实不要急于开车。7、检查消防和安全设施是否齐备完好。8、操作人员、分析人员、管理和维修人员经技术培训，并考核合格方能上岗。2开车操作程序投料开车程序应在催化剂还原结束后进行，无时间间隔。开车时序一般为：水冼塔开车、汽化塔开车、转化炉开车、系统升压。13还原结束后，关闭还原系统阀，开启转化炉后直到放空管线间所有阀门，关闭有关阀门，准备系统开车。注意：开车负荷一般采用30%～60%满负荷量，待系统稳定后逐渐加大到满负荷量。2.1准备1、检查工具和防护用品是否齐备完好。2、检查动力设备是否正常，对润滑点按规定加油，并盘车数圈。3、检查各测量、控制仪表是否失灵，准确完好，并打开仪表电源、气源开关。4、通知甲醇库和脱盐水站向本装置送原料。使甲醇中间罐和脱盐水中间罐的液位达～90％，停止送料。5、催化剂还原系统所有阀门、仪表维持原开车状态不变。6、通知导热油炉工序，做好开车