合成气制甲醇概述课件.ppt

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1、合成气制甲醇,学 生：许 芬日 期：2015.4.15,内 容 导 览,甲醇的认识,甲醇的生产历史,煤气合成甲醇的原理,合成工艺与分析,一、甲醇的认识,1.1 基本性质,无色透明液体，易挥发，略带醇香气味,易吸收水分、CO2和H2S，与水无限互溶,溶解性能优于乙醇，不能与脂肪烃互溶,能溶解多种无机盐磺化钠、氯化钙,最简单的饱和脂肪醇,1.2 毒性,有毒性,侵害视觉神经网膜,4-10g纯甲醇可严重中毒7-8g可导致失明30-100g就会死亡,重度中毒：剧烈头疼、头晕、恶心、意识模糊、双目失明、抽搐、昏迷、死亡,轻度中毒：头疼、头晕、轻度失眠、乏力、咽干、胸闷、腹疼、恶心、呕吐、视力减退,中度中毒

2、：神志模糊、眼球疼痛、由于视神经萎缩可导致失明,防护措施呼吸系统防护：可能接触其蒸气时，应该佩戴过滤式防毒面罩(半面罩)。紧 急事态抢救或撤离时，建议佩戴空气呼吸器 眼睛防护：戴化学安全防护眼镜。身体防护：穿防静电工作服。手防护：戴橡胶手套。,急救措施皮肤接触：脱去被污染的衣着，用肥皂水和清水彻底冲洗皮肤。眼睛接触：提起眼睑，用流动清水或生理盐水冲洗。就医。吸入：迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难，要输氧。如呼吸停止，立即进行人工呼吸。就医。食入：饮足量温水，催吐，用清水或1%硫代硫酸钠溶液洗胃。就医,1.3 化学性质及应用,CH3OH,氧化脱氢,甲醛,羰基化,醋酸、甲酸甲酯

3、,化醚,甲基叔丁基醚,无机酸酯化,磷酸三甲酯硫酸二甲酯,脱水,二甲醚,氧化羰基化,碳酸二甲酯,裂解,氢气,氯化氢,氯代甲烷,生化,甲醇蛋白,甲醇是仅次于三烯和三苯的重要基础有机化工原料：,甲醇的用途,染料,塑料,合成橡胶,合成纤维,农药、杀虫剂,医药：磺胺类、合霉素,塑料,醋酸,甲醇燃料：,甲醇汽油混合燃料,合成醇燃料,(4)与异丁烯合成甲基叔丁基醚（MTBE）高辛烷值无铅汽油添加剂,(5)与甲基叔戊基醚（TAME）合成汽油含氧添加剂,二、甲醇的生产历史,早期的木材干馏法,就是木材在长时间的加热炭化过程中，产生可凝或不可凝的挥发性物质，通过精馏这些物质，可获得天然甲醇，俗称木醇。,工业方法：,

4、一、氯甲烷水解法,CH3Cl+H2O+NaOH CH3OH+NaCl+H2O,NaOH也可用消石灰代替烧结,在350，于流动系统中进行，所得到的甲醇产率为67%。氯甲烷的转化率达98%。水解速度慢，价格昂贵。该法中氯元素以氯化钠或氯化钙的形式损失掉，原料利用率低。（故没有被工业采用）,二、甲烷部分氧化法,2CH3+O2 2CH3OH,条件：在催化剂作用下，采用压力101.32 202.64105Pa，350500该法由于氧化过程不易控制，目前甲醇收率不高，但是，该法工艺流程简单，节省投资。随着技术的发展，收率的提高，这将来是一个重要的方法,三、由碳的氧化物与氢合成,目前工业上采用的合成方法,1

5、923年，德国巴斯夫BASF公司在合成氨的基础上，用铬锌催化剂在高温高压下，由CO和H2合成甲醇的工业化生产，压力2535MPa，温度3204001966年，英国帝国化学工业有限公司(ICI)使用铜基催化剂低压合成甲醇，压力510MPa，温度230280，后来又实现了中压法合成工艺的开发，帝国化学工业有限公司已被荷兰的阿克苏诺贝尔公司收购与此同时，德国Lurgi公司也成功开发了中低压合成的工艺,高压法合成甲醇劣势：,操作压力大动力消耗大设备复杂产品质量差,甲醇的生产原料,甲醇合成的原料气成分主要是CO、CO2、H2 及少量的N2 和CH4。主要有煤炭、焦炭、天然气、重油、石脑油、焦炉煤气、乙炔

6、尾气等。早期主要是以煤为原料生产的。,上世纪40年代以后随着天然气的大量发现,以煤为原料的甲醇生产受到冷落。天然气是生产甲醇、合成氨的清洁原料，具有投资少、能耗低、污染小等优势，世界甲醇生产有90以上是以天然气为原料，煤仅占 2%。但是在南非以煤为原料的甲醇工业化生产从未中断过。,考虑到未来能源的发展及环境保护等方面的因素,以煤为原料的甲醇生产工艺又重新受到人们的重视.我国由于受天然气资源和价格的制约，国家已经限制用天然气生产化工产品，而是把天然气优先用于城市作燃料，在我国,已建和在建的甲醇装置中以天然气为原料的约占三分之一左右。,生产原料-合成气的制备,气体原料生产合成气,水蒸气转化法,部分

7、氧化法,液体原料制取合成气,水蒸气转化法,部分氧化法,固体原料制取合成气,三、煤气合成甲醇的原理,3.1 合成气制备,煤与空气中的氧气在煤气化炉内制得高 CO 含量的粗煤气 经高温变换将 CO 变换为 H2 来实现甲醇合成时所需的氢碳比经净化工序将多余的 CO2 和硫化物脱除后即是甲醇合成气。由于煤制甲醇碳多氢少,必需从合成池的放气中回收氢来降低 煤耗和能耗。回收的氢气与净化后的合成气配得生产甲醇所需的合成气,即(H2-CO2)/(CO+CO2)2.002.05。,3.2 反应机理,CO2 存在时,H298=-90.8kJ/mol,H298=-49.5kJ/mol,主反应,副反应,增大压力、低

8、温有利于反应进行，但同时也有利于副反应进行 故通过加入催化剂，提高反应的选择性，抑制副反应的发生。,T300，T，反应易失控P低，T高时，H变化小，故选择20MPa，300400,反应易控,a.温度对平衡常数的影响,Kf只与温度有关,平衡常数,b.压力对平衡常数的影响,P，KN，xE，故应在高压下操作。,3.3 合成甲醇的工业催化剂,锌铬催化剂：1966年以前几乎所有厂家都使用该催化剂，目前逐渐被淘汰,铜基催化剂：铜铬铝系和铜锌铬系得到广泛应用,钯系催化剂：未工业化,低温液相催化剂：未工业化,催化剂及反应条件,催化剂,注意：为延长催化剂寿命，开始应用较低温度，过一定时间再升至适宜温度，其后随着

9、催化剂老化程度升高，反应程度也相应的变高。因反应放热，反应热应及时移出，否则副反应增加，催化剂易烧结，活性降低。故严格控制温度，及时有效地移走反应热是合成塔设计、操作的关键。,催化剂活化,低压合成甲醇的催化剂，其化学组成是CuO-ZnO-Al2O3，只有还原成金属铜才有活性。,还原过程为活化：氮气流升温、还原,CuO-ZnO-Al2O3,0.4MPa，99N2,缓慢地升温,20/h,CuO-ZnO-Al2O3160170,还原性气体（如H2）,Cu-ZnO-Al2O3,反应条件,a.反应温度及压力：,可逆放热反应，温度升高，反应速率增加，而平衡常数下降,反应温度,反应温度因催化剂种类而异 Zn

10、O-Cr2O3：380 400 CuO-ZnO-Al2O3：230 270,反应压力,与副反应相比，主反应是摩尔数减少最多而平衡常数最小的反应，因此增加压力合成甲醇有利,反应压力因催化剂种类而异 ZnO-Cr2O3：30 MPa CuO-ZnO-Al2O3：5 10MPa,b.空速,空速:影响选择性和转化率,直接关系到催化剂的生产能力和单位时间的放热量。,适宜的空速与催化剂的活性、反应温度及进塔气体的组成有关 ZnO-Cr2O3:20000-40000h-1 CuO-ZnO-Al2O3：10000h-1,增加空速在一定程度上能够增加甲醇产量,增加空速有利于反应热的移出，防止催化剂过热,空速太高

11、：转化率降低，循环气量增加，从而增加能量消耗；增加分离设备和换热负荷，引起甲醇分离效果降低；带出热量太多，造成合成塔内的催化剂温度难以控制,c.原料气组成,甲醇合成原料气化学计量比为 H2CO=21,实际生产,CO含量高不好：不利温度控制；引起羰基铁在催化剂上的积聚，使催化 剂失活，一般采用氢过量,H2过量:,抑制高级醇、高级烃和还原性物质的生成，提高甲醇的浓度和纯度;,氢导热性好，利于防止局部过热和催化剂床层温度控制,Zn-Cr2O3:H2与CO比为4.5左右；用铜基催化剂:H2与CO比为2.2-3.0,四、合成甲醇的基本工艺过程,1.原料气的制备,将天然气、石油、煤炭等原料转化为含CO、C

12、O2、H2的合成原料气,2.原料气的净化,净化后的气体压缩至合成甲醇所需要的压力，压力高低主要视催化剂的性能而定,3.压缩,去除合成原料气中的S等有害杂质；调整氢碳比:（H2-CO2)/(CO+CO2)=2,4.合成,5.蒸馏,在催化剂、高温、高压作用下合成，得到粗甲醇,粗甲醇通过蒸溜方法除去其中有机杂质和水，而制得符合一定质量标准的较纯的甲醇,工序中的中的原料制备和合成是决定性的工序工艺。其余的净化、压缩及精馏均为常规设计。,粗甲醇的精馏过程,粗甲醇首先在初精馏阶段除去二甲醚、甲酸甲酯及其他低沸点杂质塔底物进入第一精馏塔，50%的甲醇有塔顶出来，气体状态的精甲醇用来作为第二精馏塔再沸器的加热

13、源由第一精馏段出来的含重组分的甲醇在第二精馏塔内精馏，第二精馏塔出来的甲醇经冷凝得到纯甲醇。,常用的反应器：,气固催化反应器,气液固三相反应器,气固催化反应器,4.1气固催化反应器甲醇合成流程种类,高压法,中压法,低压法,锌铬催化剂,铜基催化剂,铜基催化剂,30MPa，400,10MPa，200300,45MPa，200300,投资及生产成本高,设备庞大,设备紧凑,联醇法,铜基催化剂,12MPa，240280,与中小型合成氨联合,高、中、低压法甲醇生产主要操作条件,低压操作意味着出口气中甲醇的浓度较低，故合成气的循环量增加，但是,要提高系统压力,设备的压力等级也得相应提高,这样将会造成设备投资

14、加大和压缩机的功耗提高，与高压法工艺相比，中、低压法工艺在投资和综合技术经济指标方面都具有显著优势。以天然气为原料的甲醇厂，高压法能耗达64.8GJ/t甲醇，而大型低压法装置为29.531.5GJ/t甲醇。,4.2气固催化反应器甲醇合成装置,国内外 30 万 t 以上装置使用的甲醇合成塔,虽然塔型较多,归纳起来主要有以下五类：,1.冷管式合成塔,这种合成塔源于氨合成塔,在催化剂内设置足够换热面积的冷气管,用进塔冷管来移走反应热。冷管的结构有逆流式、并流式和“U”型管式。由于逆流式与合成反应的放热不相适应,即床层出口处温差最大,但这时反应放热最小,而在床层上部反应最快、放热最多,但温差却又最小,

15、为克服这种不足,冷管为并流或 U 形冷管。如 1984 年 ICI 公司提出的逆流式冷管型及 1993 年提出的并流冷管 TCC 型合成塔和国内林达公司的“U”形冷管型。这种塔型碳转化率较高但仅能在出塔气中副产 0.4MPa 的低压蒸汽。目前大型装置中很少采用。,2.冷激式合成塔,这是最早的低压甲醇合成塔,是用进塔冷气冷激来带走反应热。我国在上世纪 70 年代引进的 ICI 的10 万 t/a 甲醇的 ARC 型和 哈煤气引进乌克兰 4 万t/a 甲醇均是冷激式合成塔。后 ICI 在 150 万 t/a 的甲 醇装置也采用过。该塔结构简单,也适于大型化。但碳的转化率低,出塔的甲醇浓 度低,循环

16、量大,能耗高,又不能副产蒸汽。现基本已淘汰。,3.多床内换热式合成塔,这种合成塔由大型氨合成塔发展而来。目前氨合成塔均采用三床(四床)内换热式合成塔。针对甲醇合成的特点采用四床(或五床)内换热式合成塔.各床层是绝热反应,在各床出口将热量移走。这种塔型结构简单,造价低,不需特种合金钢,转化率高,适合于大型或超大型装置,但反应热不能全部直接副产中压蒸汽。典型塔型有 卡萨利Casale 的四床卧式内换热合成塔和中国成达公司的四床内换热式合成塔。,4.固定管板列管合成塔,这种合成塔就是一台列管换热器,催化剂在管内,管间(壳程)是沸腾水,将反应热用于副产 3.0MPa4.0MPa 的中压蒸汽。代表塔型有

17、 Lurgi 公司的合成塔和三菱公司套管超级合成塔,该塔是在列管内再增加一小管,小管内走进塔的冷气。进一步强化传热,即反应热通过列管传给壳程沸腾水,而同时又通过列管中心的冷气管传给进塔的冷气。这样就大大提高转化率,降低循环量和能耗,然而使合成塔的结构更复杂。固定管板列管合成塔虽然可用于大型化,但受管长、设备直径、管板制造所限。在日产超过 2 000t时,往往需要并联两个。这种塔型是造价最高的一种,也是装卸催化剂较难的一种。随着合成压力增高,塔径加大,管板的厚度也增加。管板处的催化剂属于绝热段;管板下方还有一段逆传热段,也就是进塔气225,管外的沸腾水却是 248,不是将反应热移走而是水给反应气

18、加热。这种合成塔由于列管需用特种不锈钢,因而是造价最高的一种。,5.水管式合成塔,将床层内的传热管由管内走冷气改为走沸腾水。这样可较大地提高传热系数,更好地移走反应热,缩小传热面积,多装催化剂,同时可副产 2.5MPa 4.0MPa 的中压蒸汽,是大型化较理想的塔型。最近在国外 60 万 t 以上大型装置大为推广。如日本 TEL 的MRF(水管径向合成塔),Linde 公司的螺旋水管合成塔,Davy(I.C.I)的水管径向合成塔(SRC)。,综上所述,大型合成塔的选用原则是:大型装置不宜选用激冷式和冷管式塔;列管式合成塔虽目前国内用得最多,但价格昂贵;大型厂宜用水管式合成塔、多床内换热式合成塔

19、和固定管板的列管式合成塔;在串塔流程或双级流程中也可采用两种塔型组合。,气固催化反应器低压气相法缺点：,单程转化率低，一般只有1015%,大量未转化气体需要循环。反应气的H2/CO为510:1,而不是理论的2：1由于循环比较大（一般大于5），惰性组分有累计效应，新鲜原料气中的氮气含量不能过高。因此原料气只能依靠天然气蒸汽转化或纯氧分氧化工艺制造，而不能使用节能型的空气部分氧化法。蒸汽转化是整个工艺过程中能耗最大的工段，占总能耗的46%，压缩工段的能耗占24%，两者之和占70%。使用纯氧部分氧化，需要空分装置，额外增加设备投资和人工费用,气液固三相反应器,4.2.液相法甲醇合成工艺（气液固三相反

20、应器）,由于甲醇的合成是一个比较强的放热反应过程,从热力学的角度来看,降低温度有利于反应朝生成甲醇的方向移动。采用原料气冷激和列管式反应器很难实现等温条件的操作,反应器出口气中甲醇的含量偏低,一般体积分数只能维持在 4.5%6.0%。因而使得反应气的循环量加大,例如当出口气中甲醇体积分数为 5.5%时,循环气量几乎是新鲜原料气的6 倍。在70 年代初,英国的 IC I、丹麦的N issu i-Top soe 和日本的JGC 等几家公司试图在使用高性能的催化剂基础上提高合成反应的压力来提高甲醇的产率,但似乎都没能取得显著的效果受 F-T 浆态床的启发,Sherw in 和Blum 于1975 年

21、首先提出甲醇的液相合成方法。液相合成是在反应器中加入碳氢化合物的惰性油介质,把催化剂分散在液相介质中。在反应开始时合成气要溶解并分散在惰性油介质中才能到达催化剂表面,反应后的产物也要经历类似的过程才能移走。这是化学反应工程中典型的气-液-固三相反应。液相合成由于使用了热容高、导热系数大的石蜡类长链烃类化合物,可以使甲醇的合成反应在等温条件下进行,同时,由于分散在液相介质中的催化剂的比表面积非常大,加速了反应过程,反应温度和压力也下降许多。,气液固三相催化反应器有以下几种类型,2.三相床反应过程的主要特点2.1 床层的等温性 导热系数大、热容大的惰性液相热载体 高度湍动的气液固三相 导致反应热迅

22、速分散和传向冷却介质，使得床层接近等温。因而，优于气固催化法：不会出现床层温度不合理分布；不会出现局部过热；不会对催化剂和设备造成危害。,2.2 反应的高效性 细颗粒催化剂的采用；高浓度反应组分(CO、H2)采用的可能性；较佳温度的维持 催化剂内表面利用率极高；高浓度反应组分有利于正反应 速率；较佳的温度兼顾了平衡推动力，因此，可获得较大的原料气转化率和主产物选择性。,2.3 操作的可塑性 优良的传热性能与合理的产气配置 极低的床层压降 操作气速(或质量空速)可在较大范围内变化而反应器内仍能正常稳定操作。这是气固相催化法不可能的；主要取决于起始流化速度与床层节涌速度；与分布器的类型、设计参数和

23、反应器的结构设计有关。,由于气-液-固三相物料在过程中的流动状态不同,三相反应器主要有,滴流床,浆态床,搅拌釜,流化床,携带床,滴流床反应器在甲醇合成中应用,滴流床反应器与传统的固定床反应器的结构类似,由颗粒较大的催化剂组成固定层,液体以液滴方式自上而下流动,气体一般也是自上而下流动,气体和液体在催化剂颗粒间分布。滴流床兼有浆态床和固定床的优点,与固定床相类似。它的催化剂装填量大且无磨蚀,床层中的物料流动接近于活塞流且无返混现象存在,同时它又具备浆态床高转化率等温反应的优点,适合于低氢碳比的合成气。,浆态床工艺,操作过程 催化剂呈极细的粉末分布在溶中,进行甲CO和H2合成原料气经压缩，从反应器

24、以鼓泡方式进入催化剂浆态床中,气体在搅拌桨或是气流的搅动作用下形成分散的细小气泡在反应器内运动。醇的合成反应，反应热被液态烃所吸收，反应后的气体和液态烃从塔顶排出，进入初级气液分离器，分离出的液体烃经换热返回反应器。气体与原料气进行换热交换，并在次级气液分离器进一步分离，甲醇产品经冷却，分离和脱气后送甲醇储罐，未经转化的气体少部分放空，大部分循环使用。,注意：,浆态床反应器中催化剂悬浮量过大时,会出现催化剂沉降和团聚现象。要避免这些现象的发生,就得加大搅拌器功率,但这同时使得搅拌桨和催化剂的磨蚀加大,反应中的返混程度增加。这种料浆反应器催化剂的装填量有一定的限度,所以操作中空速不能太大,三相床

25、反应过程的主要特点 床层的等温性导热系数大、热容大的惰性液相热载体高度湍动的气液固三相 导致反应热迅速分散和传向冷却介质，使得床层接近等温。因而，优于气固催化法：不会出现床层温度不合理分布；不会出现局部过热；不会对催化剂和设备造成危害。,反应的高效性细颗粒催化剂的采用；高浓度反应组分(CO、H2)采用的可能性；较佳温度的维持 催化剂内表面利用率极高；高浓度反应组分有利于正反应速率；较佳的温度兼顾了平衡推动力，因此，可获得较大的原料气转化率和主产物选择性。,原料的适应性优良的传热性能合理的副产蒸汽配置 使得液相合成气制甲醇和二甲醚的三相床反应器原料气适应性强，反应物主要组分CO可在大范围内变化，

26、可用副产蒸汽量的大小来调节，床层仍可维持恒温在设定的较佳温度。而这对于气固相催化法是不可能的。,操作的可塑性优良的传热性能与合理的产汽配置极低的床层压降 操作气速(或质量空速)可在较大范围内变化而反应器内仍能正常稳定操作。这是气固相催化法不可能的；主要取决于起始流化速度与床层节涌速度；与分布器的类型、设计参数和反应器的结构设计有关。,节能的现实性对二甲醚，原料气转化率高(75)，选择性好（85%)副产中压蒸汽 循环气量减少，热效率高。因而，合成工序可节能2530左右。,联产的可行性原料气适应性强可不经变换 因而，原则上可与各种有合成气的工业过程联合生产。特别是可使发电和化工联产，形成多联供，可同时改善经济效益和生产可调性。,谢谢大家！,