蝶阀在煤制甲醇工艺系统的应用

发布日期:2020年08月01日   作者:admin

▲现场图片来自于网络

如今煤化工产业线遍布全世界各地,煤化工产业链的产品和我们生活息息相关。
煤化工是以煤为原料,通过各种工艺对煤进行深、浅加工获得不同的煤化工制品。
据统计,和煤化工相关的产品有数千种,知名企业神华包头煤化工煤制烯烃产线是把煤变成甲醇,再把甲醇转化成烯烃,煤制甲醇是一个中间环节产品;另有陕西榆林煤制甲醇项目,煤制甲醇时最终产品。
在煤制甲醇产线中需要用到各种设备,如泵,阀门,压缩机等等,本文具体讨论蝶阀在煤制甲醇工艺的应用。

煤制甲醇生产工艺
甲醇是一种重要的有机化工原料,而煤是甲醇一个重要原料,甲醇下游产品有甲醛、醋酸、甲胺、对苯二甲酸二甲脂、甲基叔丁基醚等一系列有机化工产品,在石油资源日益紧张大环境下,甲醇还可作为石化原料来源,当前甲醇生产工艺路线主要有如下四种:

1)木材或者木质素干馏法
此工艺方法是传统工艺方法,需要消耗大量的木材,这和当前我们提倡退耕还林,保护环境趋势不符,而且生产效率极其低下,因此此工艺很少应用。

2)氯甲烷水解法
氯甲烷水解生产效率较高,产品纯度也高,但是生产成本昂贵,应用场合有限。

3)甲烷部分氧化法
当前此方法生产技术难度不大,但产品纯度不高,因此应用较少。

4)合成气化学法
合成气来源于煤,焦炉煤气,天然气,生产效率高,甲醇纯度高,成本不高,是当前主流生产甲醇工艺方法。
本文讨论合成气化学法,合成气化学法制甲醇是德国巴斯夫发明的工艺方法。合成气化学法生产甲醇的工艺流程如下:


▲甲醇生产流程图


原料气制备

甲醇合成的原料气主要成分是C0, C02, H2以及少量的CH4和N2,来源于煤炭,焦炭等,主要步骤如下:
1)煤与空气中的氧气在煤气化炉内制得高CO含量的粗煤气;
2)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。

在合成甲醇气体工艺中,影响合成气制甲醇有两大因素。
第一大因素是催化剂因素:工业应用中常用催化剂有铜基催化剂,此外还有未工业化的钯系催化剂,低温液相催化剂。
第二大因素是空速:空速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、反应温度以及原料气体组成有关。


净化

工业净化甲醇从两个方面净化

1)脱除对甲醇合成不利的杂质
例如硫化物类杂质,工业生产甲醇要求进入反应塔的硫含量需小于0.2PPm,脱硫方法有干法和湿法。

2)调节原料气的组成
氢气和氮气需要调配成合成甲醇所需的比例,调节方法有两种:第一种方法是把原料气体中含量过高的一氧化碳通过蒸汽部分转换方法获得更多的氢气。第二种方法是把原料气体中含量过高二氧化碳通过溶液吸收方法脱碳。


压缩

通过压缩机将净化后的合成气压缩成合成甲醇所需的压力,高压法需要25-30MPa的压力,中压法需要10-15MPa的压力,低压法需要5MPa的压力。


合成

通过催化剂在不同压力温度下合成甲醇,因为在合成甲醇中不可避免产生一些副反应,所以合成的产品是甲醇,水以及其他的有机杂质混合物,即本环节生产的甲醇属于粗甲醇。


精馏

在上一环节的合成的粗甲醇里面包含的水和其他的有机杂质需要除去,我们可通过精馏法除去杂质,值得注意的是经过精馏后的甲醇仍然会含有少量的水和其他有机物杂质。
当前工业上精馏甲醇采用两塔流程和三塔流程,两塔流程已经可以精馏出纯度很高的甲醇,但是能耗大,三塔流程将以往的主精馏塔分为加压精馏塔和常压精馏塔,将加压精馏塔塔顶出来的甲醇蒸汽作为常压精馏塔的热源,降低了蒸汽消耗,通常情况下可降低能耗30%。

煤制甲醇工艺系统对蝶阀的要求

煤制甲醇工艺中用到离心泵、压缩机、蝶阀,球阀等设备,蝶阀在工艺线中实现开关截流和流量控制功能,那么蝶阀需要满足哪些应用要求呢?下文从几个方面讲述。

1)优良的密封性
因为煤制甲醇有氢气介质,氢气是易燃易爆物,所以对蝶阀有非常高的密封要求。比如符合EN12266 P12, ISO15848等密封要求。

2)抗静电要求
氢气介质不仅需要远离火源,还需要防静电发生。

3)自动化趋势
传统的蝶阀是通过人工操作蝶阀,如通过手柄和手动齿轮机构操作,随着科技发展以及对生产效率和生产安全更高的要求,蝶阀需要自动化控制开关截流和流量调节,采用电动,气动,液压远程控制蝶阀。

4)高可靠性
在煤制甲醇生产线中,如果某个环节出了问题导致停产检修成本是相当大的,所以蝶阀需要优良的可靠性,减少维修停机成本。

5)良好的耐腐蚀性
众所周知甲醇对铅、镍、铜镍合金、铸铁和高硅铸铁除外,铜(或铜合金)、铝等金属有腐蚀,所以需要耐腐蚀性的蝶阀。

Garlock蝶阀在煤制甲醇工艺系统的应用案例
Garlock有4种类型衬里蝶阀,分别是GAR-SEAL®、SAFTY-SEAL®、MOBILE-SEAL®、STERILE-SEAL®,这4种蝶阀介绍请见如下:
Garlock每一台蝶阀出厂前都做了测试,确保阀座气密性符合EN 12266 P12 Leak rate A要求、阀体强度符合EN 12266 P10要求,阀体气密性EN 符合12266 P11要求。对于SAFETY-SEAL蝶阀需通过导电测试,确保蝶阀在运行期间静电荷是安全放电。下图是上文所述的EN 12266测试和导电测试。
应用案例:
某个煤制甲醇工艺中在合成气体进入压缩机增压前管线需要用到控制蝶阀,此阶段工艺系统压力低,但是所用蝶阀需要符合抗静电功能,并且需要密封性能满足EN 12266 P12 Leak rate A或同等密封等级,耐腐蚀性强,采用气动执行机构控制蝶阀。

应用工况:
压力:6bar
温度:135℃
介质:合成气
蝶阀尺寸:6''
最大流量:220 m3/h, 最小流量25 m3/h

根据以上要求,首先考虑抗静电,Garlock选用蝶阀方案是SAFETY-SEAL®蝶阀,匹配气动执行机构,电磁阀和定位器。

▲图1 流量与开度曲线

▲图2 防静电PTFE

此型号控制蝶阀的流量与开度关系如图1所示,阀体材质采用球墨铸铁,所用的PTFE衬里(图2)满足防静电要求,耐腐蚀性好,阀座气密性符合EN 12266 P12 Leak rate A要求,阀体强度符合EN 12266 P10要求,阀体气密性符合EN 12266 P11要求,所用PTFE的表面电阻≤106 Ω,体电阻≤106 Ωcm。

参考资料
1.  余双菊《合成气与甲醇工艺概述》
2.  房鼎业,姚佩芳,朱炳晨《甲醇生产技术及进展》
3.  刁玉玮,王立业《化工设备机械基础》
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