甲醇精餾系統模擬與優(yōu)化

9什算機與座用化學(xué)ol,27,No.9010年9月28日Computers and Applied Chemistryber,2010甲醇精餾系統模擬與優(yōu)化常虹',王永勝2,王東巖),張述偉(1.大連理工大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工藝教研室,遼寧,大連,11012;2.河南煤化集團新鄉中新化工有限責任公司,河南,新鄉,4538003.陜西延長(cháng)石油(集團)煉化公司,陜西,榆林,719000摘要:本文應用過(guò)程模擬軟件 Aspen Phus,采用 Wilson和PSRK相結合的物性方法,實(shí)現了對某廠(chǎng)甲醇四塔雙效精餾系統的模擬。為降低生產(chǎn)成本,本文通過(guò)對系統模擬與分析,對生產(chǎn)的工藝流程進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn),并提出3個(gè)優(yōu)化方案:(1)增加加壓精餾塔側線(xiàn)采出送常壓精餾塔作為進(jìn)料;(2)對常壓精餾塔塔底和回收塔塔底部分廢水進(jìn)行循環(huán):(3)采用加壓精餾塔與預精餾塔雙效精餾。經(jīng)過(guò)模擬計算,改進(jìn)后的新工藝流程在保證甲醇產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量的前提下,共能節省公用工程熱量21173kW,節省公用工程冷量16268kW,節省工業(yè)用水10375kg/hr,污水處理量減少10375kgh本文所選用的單元操作模型及物性方法對于模擬甲醇精餾系統是準確可靠的,因此本文所提出的優(yōu)化方案能為甲醇工業(yè)生產(chǎn)節能、節水以及減少廢水排放的改造和新工藝流程的開(kāi)發(fā)提供理論依據關(guān)鍵詞:甲醇精餾;過(guò)程模擬:系統優(yōu)化中圖分類(lèi)號:TQ0159;TQ028文獻標識碼:A文章編號:1001-4160(201009-1283-1288引言醇、醛、酮、醚、酸、烷烴等近20種有機物,如正戊醇正庚烷、異丁醇、正丁醇等。甲醇的潛在耗用量十分巨大,尤其在當前世界石油乙醇:某些有機產(chǎn)品對精甲醇中乙醇的含量有特殊資源日益減少,甲醇單位生產(chǎn)成本降低的背景下,使用的要求,如以甲醇和一氧化碳合成醋酸,甲醇中若含有甲醇作為新的燃料已經(jīng)成為一種趨勢。同時(shí),甲醇是許乙醇,能與一氧化碳生成內酸,影響醋酸的質(zhì)量多有機產(chǎn)品的基本原料和重要溶劑,被廣泛應用于有機水:水含量與副反應有關(guān),含量?jì)H次于甲醇,能與合成、燃料、醫藥、涂料和國防等工業(yè)。通常合成的粗甲醇濃度達不到使用要求,需要進(jìn)行甲醇的精餾。甲醇甲醇和有機物形成多元恒沸物,給精餾帶來(lái)困難。表1是本文在甲醇精餾系統模擬中所采用的粗甲醇精餾工藝對整個(gè)甲醇生產(chǎn)流程的生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量能量消耗、原料消耗,以及環(huán)境保護都有重大影響。據的組成,范圍涵蓋了一般工藝單位和設計單位技術(shù)評定統計,石油和化學(xué)工業(yè)的能耗占工業(yè)總能耗的很大部分的范圍。其中約有60%就是用于精餾過(guò)程。因此研究甲醇精餾粗甲醇含有多種有機雜質(zhì)和水,需根據用途對其質(zhì)過(guò)程中的節能減耗有著(zhù)重要的實(shí)際意義量的要求進(jìn)行加工處理。凈化過(guò)程包括精餾和化學(xué)處理?；瘜W(xué)處理主要用堿破壞在精餾過(guò)程中難以分離的雜質(zhì),2粗甲醇雜質(zhì)分析及精制原理并調節pH值;精餾主要是根據各成分沸點(diǎn)的不同,利用物理方法脫除易揮發(fā)組分如二甲醚,以及難揮發(fā)的重組甲醇生產(chǎn)無(wú)論采用何種催化劑,都會(huì )因為其在不同條件下選擇性的限制,發(fā)生多種副反應。甲醇合成工藝的不同以分如乙醇、高碳醇、水等4。及工藝復雜性造成粗甲醇組成也比較復雜,用色譜分析或色3工藝流程譜一質(zhì)譜聯(lián)合分析測定粗甲醇的組成有40多種叮,包含了醇、醛、酮、醚、酸、烷烴等。如有氮存在,還會(huì )產(chǎn)生易揮甲醇四塔精餾工藝流程,包括預精餾塔、加壓精餾發(fā)的胺類(lèi)。另外還含有少量生產(chǎn)系統中帶來(lái)的羰基鐵及微量塔(以下簡(jiǎn)稱(chēng)加壓塔)、常壓精餾塔(以下簡(jiǎn)稱(chēng)常壓塔)的催化劑等雜質(zhì)。為了便于處理精餾過(guò)程,將雜質(zhì)分為4類(lèi):以及回收塔。這樣的設置在提高甲醇質(zhì)量同時(shí),也提高輕組分:以二甲醚為代表。包含沸點(diǎn)比甲醇低的醇、了甲醇收率;此外,加壓塔與常壓塔雙效耦合也為流程醛、酮、醚、酸、烷烴等10余種有機物,如二甲醚、乙節省能量做出了重要貢獻。圖1為本文模擬甲醇四塔精酯、二乙醚、醋酸甲酯、丙酮等。餾系中國煤化工重組分:以異丁基油為代表。包含沸點(diǎn)比甲醇高的YHCNMHG之后在1級冷凝器收稿日期:2009-12-23;修回日期:2010-04-27作者簡(jiǎn)介:常虹(1984-),女,山西人,碩土研究生,Email:anniechangh@yahoo.com.cn.聯(lián)系人:張述偉(1963-),男,遼寧人,研究生,教授,E-mail:zwei(@chem.dlut.edu.cn.1284計算機與應用化學(xué)2010,27(9)表1粗甲醇的組成omponents of crude methanol.含量(質(zhì)量分率)含量(質(zhì)量分率)mass fractionass fraction氫氣 hydrog正戊烷 n-pentane50047e05氮氣 nitrogen正己烷 n-hexane50047c05一氧化 carbon monoxide1.8369e05甲酸甲酯 methyl formate000028000二氧化碳 carbon dioxid0.01689347新戊烷 neopentane5.0047e05甲烷 methane0.00010520正辛烷0047e-05空氣air0.00014408甲胺0.000285070.07860435新戊醇 neopentyl alcohol0.00028507甲醇 methanol89763981正戊醇 n-pentano000028507乙醇 ethanol0.00160277甲酸 formic acid000028507丙醇 n-propyl alcohol000070002甲乙酮 methyl ethyl ketone000028507正丁醇n- butanol0000348乙酸 acetic acid異丁醇 isobutane!3.9911e-05異丙醚 isopropyl ether0.00028507異戊醇 isoamyl alcohol79822c05正壬烷 n-nonanc0.00026924丙酮 acetone000013493正辛烷 n-octane000028507二甲醚DME0.00039910注1:如無(wú)特殊說(shuō)明,本文所涉及的組分組成均以質(zhì)量分率計S回產(chǎn)s003S400W2中與預精餾塔CI塔頂蒸汽S101進(jìn)行換熱,隨后將送入加壓塔塔頂冷凝器W6與甲醇蒸汽S204換熱,粗甲醇經(jīng)W4、W5加熱至近泡點(diǎn)后送入預精餾塔C1中在W7中被加熱至接近泡點(diǎn)溫度后送入加壓精餾塔上部進(jìn)行精餾操作。在此過(guò)程中加入少量氫氧化鈉溶液部,這樣可以使該塔精餾段與提餾段負荷接近。S140中和粗甲醇中酸性物質(zhì)。加壓塔C2塔頂的甲醇蒸汽一部分(S201)作為加壓預精餾塔塔頂蒸汽在1級冷凝器W2中部分冷凝:塔產(chǎn)品,另一部分(s203)送入常壓塔C3再沸器充當其冷凝溫度控制在η0℃左右,冷凝后不凝氣體大部分熱源并作為C2塔回流,這就使2塔之間形成雙效精餾模(Sl14)進(jìn)入2級冷凝器W3被冷卻到38℃~40℃,2式。在加壓塔進(jìn)行精餾分離后,塔底釜液S202送入常壓級冷凝器不凝氣去火炬,冷凝液同一級冷凝器產(chǎn)生的冷塔進(jìn)行進(jìn)一步分離。凝液一起經(jīng)回流罐F3回流至塔頂。在2個(gè)冷凝回流罐中國煤化工主要采出雜醇)引入F1、F2之間加入工藝萃取水S120,改變罐內液相組成(降甲醇CNMHG醇S301可以達到美低甲醇含量),達到除去輕組分雜質(zhì)的目的并調節預精國“肽孟∠土要成分是水,這使得餾后甲醇水溶性。常壓塔底部溫度較高。由于常壓塔再沸器的熱源為加壓預精餾后甲醇SI02在進(jìn)入加壓塔C2之前由泵P2塔塔頂的甲醇蒸汽S203,為使常壓塔再沸器的熱交換能2010,27(9)常虹,等:甲醇精餾系統模擬與優(yōu)化夠正常進(jìn)行,加壓塔必須在較高壓力下操作以維持常壓從表2和表3中可以看出,模擬值與設計值吻合較塔冉沸器冷熱流體間足夠的傳熱溫差,從而使2塔形成好,特別是乙醇和丙酮含量的模擬結果準確且達到了工雙效精餾。雙效精餾在節省蒸汽消耗量同時(shí)也節省了冷業(yè)甲醇美國聯(lián)邦標準(OM232G)“AA”級。模擬結卻水用量,從而有效地利用了能量。果表明,應用 Aspen Plus對此甲醇四塔精餾系統的模擬為提高甲醇回收率,降低污水中甲醇等污染物的含是成功的,所選的物性方法及單元操作模型是準確的量,常壓塔C3的側線(xiàn)采出直接經(jīng)泵P4送入回收塔C4進(jìn)因此可以用于對該系統的優(yōu)化。步回收甲醇。同時(shí)在回收塔進(jìn)料板附近設有2條側線(xiàn)S403與S404,主要采出雜醇油,確保甲醇產(chǎn)品質(zhì)量表3常壓塔模擬結果Table 3 The simulation results of normal pressure column.常壓塔塔頂常壓塔塔底4設計工況模擬top of normalbottom of normal物流4.1物性方法選擇stream設計值模擬值甲醇精餾過(guò)程中涉及常規精餾、加壓精餾等分離技術(shù),design simulat設計值模擬值design valuc而系統相平衡關(guān)系是進(jìn)行分離過(guò)程模擬的基礎。因此,根溫度,℃據相關(guān)體系的熱力學(xué)平衡數據,建立可靠的熱力學(xué)模型,temperature對于全過(guò)程的準確模擬是十分重要的。物性方法的選擇往pressurc往因系統的操作情況比如溫度、壓力、組成等參數而異流量,kghr49668494711826418264甲醇精餾體系屬于極性體系,在通用化工模擬軟件NRTL、 UNIQUAC及其變型、PSRK、 PRMHV2。甲醇cm1×1036×1040940989中初步選定適合甲醇精餾的物性方法有 WILSON、9910×1065×10精餾工藝中塔是核心設備,因此物性計算方法的選擇可在模擬塔設備時(shí)進(jìn)行。如果模擬結果與實(shí)驗值以及設計fraction) ethanol10×10°34×10°295×1095×10°值吻合較好,那么該方法就是適合于甲醇精餾過(guò)程模擬內削1×1063×106acetone計算的熱力學(xué)模型。對工藝模擬后1,將各個(gè)物性方法的計算結果與設5系統優(yōu)化計值對比分析后,本文選擇用 Wilson物性方法對全流程本文提出①在加壓塔增加側線(xiàn)采出;②廢水循環(huán)進(jìn)行模擬,同時(shí)考慮到加壓塔壓力較高,故用PSRK物③換熱網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化3個(gè)優(yōu)化方案,并對優(yōu)化改造的新流程性方法對加壓塔進(jìn)行模擬。進(jìn)行模擬分析0。改造工況下甲醇精餾工藝流程簡(jiǎn)圖42設計工況模擬結果與分析本文利用教學(xué)版 Aspen Plus軟件,采用Won方程如圖2所示5.1甲醇四塔精餾加壓塔側線(xiàn)改造和PSRK方程相結合的方法對某廠(chǎng)甲醇精餾系統進(jìn)行了模擬,模擬值與設計值比較如表2,表3。本文中設計值原流程雖然實(shí)現了雙效耦合,但是能量的消耗量還是某廠(chǎng)提供的工藝數據是很大的,因此如何有效的節能就成為甲醇精餾過(guò)程中的關(guān)鍵。本文通過(guò)分析加壓塔和常壓塔的負荷及流量發(fā)表2加壓塔模擬結果Table 2 The simulation results of pressurized colum現:原流程中,加壓塔進(jìn)料中甲醇含量為93358kghr,加壓塔塔頂加壓塔塔底而同樣為主分離塔的常壓塔結構與加壓塔相當,其進(jìn)料物流pressurized column pressurized column中的甲醇含量卻只有4928kg/hr,為加壓塔的53.%左計值模擬值設計值模擬值右。對于關(guān)鍵組分甲醇來(lái)講,在較低壓力下氣化比較經(jīng)濟。design simulation design simulatie通過(guò)以上分析,新流程提出了在加壓塔增加側線(xiàn)采度,℃出的改造方案。從加壓塔進(jìn)料板上部采出中等濃度甲醇mperature132512781403142.3壓力,kPa送入常壓塔,一方面同樣可以防止過(guò)多雜質(zhì)和堿性物質(zhì)pressure進(jìn)入常壓塔,另一方面也使這部分甲醇不必經(jīng)過(guò)加壓塔流量,kghr3208433876926169143精餾段分離就進(jìn)入常壓塔,節省了一部分能量2×1061×1060.269新流程增加側線(xiàn)采出后,系統會(huì )變得更加復雜。塔組成內的099960.99990.7240.722THa中國煤化工出而改變,增加的操methanol作變外部的物料平衡。最0) ethanol5×l067×10重要CNMHG作來(lái)講,加壓塔側線(xiàn)6×10°5×101×1062×106采出量的多少將關(guān)系到耦合能否實(shí)現。加壓塔側線(xiàn)采出量如果過(guò)大,一方面常壓塔的塔內總流量會(huì )增大,使塔算機與用化學(xué)2010,279)底冉沸器所需負荷大大增加。另一方面,加壓塔増加側需要另加公用工程來(lái)維持常壓塔的運轉。雖然在實(shí)際生線(xiàn)采出后,塔頂的甲醇蒸汽量相應減少,這樣使塔頂蒸產(chǎn)中常壓塔另備有再沸器,但是雙效的目的就在于節能,汽可以提供的熱量減小。若采出量不合理,會(huì )使加壓塔因此應該盡量使2塔實(shí)現雙效耦合,以降低費用,簡(jiǎn)化塔頂蒸汽提供熱量不足以滿(mǎn)足常壓塔再沸器所需熱量,操作5人W91S205醇產(chǎn)品qS208SIDE廢水Fig2 Process flow diagram of methanol dIstillation of improvement project圖2改造工況下甲醇精餾工藝流程簡(jiǎn)圖模擬計算結果表明:由加壓塔進(jìn)料位置之上3塊板從表5中可以看出,引入側線(xiàn)改造方案后,甲醇產(chǎn)處采出中等濃度的甲醇直接送常壓塔,當側線(xiàn)采出量為品的總流量以及甲醇的濃度和設計工況基本一致,甲醇1500kghr的時(shí)候,加壓塔塔頂冷凝負荷為-41865kW,產(chǎn)品的產(chǎn)量及質(zhì)量均無(wú)下降。因此在原流程中引入側線(xiàn)常壓塔塔底再沸器的負荷為4865kW。此時(shí)加壓塔C2改造方案來(lái)節省能量是可行的。的塔頂冷凝器的甲醇蒸汽進(jìn)口溫度為1279℃,出口溫52甲醇四塔精餾的水循環(huán)改造度為124.0℃,常壓塔C3塔底釜液溫度為110.6℃,滿(mǎn)粗甲醇在進(jìn)入預精餾塔C1前加入的工藝萃取水足換熱要求,可以實(shí)現雙效耦合。增加側線(xiàn)采出后,常(s120)為10375kghr,大約為粗甲醇總量的10%。對塔進(jìn)料中甲醇流量達到54195kghr,占總進(jìn)料量的全流程進(jìn)行綜合分析可知常壓塔C3和回收塔C4塔釜t料S302、S402主要成分為水,含量分別達到0989從表4可以看出,加壓塔增加側線(xiàn)采出后,在滿(mǎn)足0850,其流量分別為18058kg和515kghr,總流量加壓塔和常壓塔雙效耦合的基礎上,加壓塔塔底再沸器的為18573kghr,大于工藝水S20的加入量10374kghr負荷由63128kW減少為5288kW,常壓塔塔頂冷凝器因此,將廢水流股分流,一部分取代S20引入工藝流程的熱負荷由51573W減少為46238W,回收塔塔頂冷作為萃取水,另一部分送污水處理系統,這樣在節約工凝器和塔底再沸器負荷也有小幅的減少,系統總共節省公業(yè)用水的同時(shí)降低了水的處理量,從而大大降低了生產(chǎn)用工程冷量5361kW,節省公用工程熱量10266kW成本新流程引入側線(xiàn)采出后,各塔塔頂甲醇濃度及甲醇以下本文將對具有水循環(huán)改造的新流程進(jìn)行模擬,產(chǎn)品的流量如表5中所列模擬結果如表6。4甲醇精餾各塔能量(kW)消耗Table 4 The energy cost of預精餾塔C1加壓塔C2中國煤化工回收塔C4re-distillationpressurized columnry column塔頂CNMHGbottomtop設計515734186552884623841865385838702010,27(9)常虹,等:甲醇精餾系統模擬與優(yōu)化表5各塔甲醇產(chǎn)品濃度及流量(kg/hrTable 5 The conce%壓塔c3of theduct of each column加壓塔C2回收塔C4甲醇產(chǎn)品pressurized columnnormal pressure columnrecovery columnproduct濃度流量濃度流量流量設計工況93305改造工況09990999注1:表中所列甲醇濃度為質(zhì)量分率表6甲醇精餾水循環(huán)下關(guān)鍵流股的模擬結果Table 6 The simulation results of key streams with the water recycled.流量組成(質(zhì)量分率)composition(mass fractionstream3934645X1010×10甲醇 product9327141×104×106廢水 waste water108.5146189000.963603×10°0.002從模擬結果來(lái)看在引用了水循環(huán)方案后各塔分離效果(2)提出了增加加壓塔側線(xiàn)采出送常壓塔的方案,新基本不變,可以得到滿(mǎn)足分離要求的甲醇產(chǎn)品。引入水循流程中從加壓塔進(jìn)料板之上3塊板處采出中等濃度甲醇送環(huán)后廢水中水的含量為0.963,甲醇含量?jì)H為603×10°,送入常壓塔分離,使加壓塔節約高壓蒸汽10240kW,比原流污水處理的量?jì)H為8525kg/hr,約為改造前的46%。廢程節約162%,系統總共節省公用工程冷量5361kW,節水流股中各雜質(zhì)組分含量都略有升高,但由于數量級都省公用工程熱量10266kW,其能量消耗大大減少很低,并不會(huì )給水處理帶來(lái)太大的影響。與原流程相比,(3)對系統進(jìn)行分析,提出了水循環(huán)的改造方案新流程可以節省工業(yè)用水10375kg/hr,在很大程度上節新流程節約工業(yè)用水10375kgh,同時(shí)使廢水排放量降約了生產(chǎn)成本。低為原流程的46%,約為8525kghr,大大降低了污水53換熱網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化處理負荷在引入側線(xiàn)采出和水循環(huán)改造后,加壓塔C2塔頂冷(4)分析了加壓塔與常壓塔雙效耦合特點(diǎn),通過(guò)換凝器w8和常壓塔C3再沸器的熱負荷接近,換熱溫差為熱網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化,進(jìn)一步提出加壓塔與預精餾塔雙效精餾,10.4℃,滿(mǎn)足雙效耦合的要求。同時(shí)也發(fā)現,預精餾塔從而節省公用工程熱量10907kW,節省公用工程冷量Cl再沸器負荷比常壓塔再沸器負荷要小,溫度比常壓塔10907kW要低,因此考慮將預精餾塔也列入雙效精餾范圍。加壓(5)采用改造流程后,甲醇產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量均無(wú)下塔產(chǎn)品甲醇S201為127.8℃,經(jīng)換熱器W9冷卻后,出降,能達到工業(yè)甲醇美國聯(lián)邦標準(O-M-232G)“AA口溫度為124.0℃,提供熱量11750.7kW,能夠滿(mǎn)足預級要求。新流程共節省公用工程熱量21173kW,節省公精餾塔再沸器的熱負荷10907kW和溫度76℃的要用工程冷量16268W,節約工業(yè)用水10375kghr,污求。因此,用s201的部分熱量為預精餾塔再沸器提供熱水處理量減少10375kghr,達到了節能減耗目的量(w9-1),形成雙效精餾。經(jīng)模擬計算,可以節省References:公用工程熱量10907kW,節省公用工程冷量10907kWI Song Weiduan, Xiao Renjian, Fang Dingye. 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In order to reduce the production cost, it provided 3 optimized solutions toprove the production process by simulating and analyzing the system has been developed: (1)increase pressurized column side stream output as thefeed for the normal pressure column, (2)recycling part of the waste water at the bottom of the normal pressure column and recovery column, and (2)utilizing double-effect distillation between pressurized column and pre-distillation column By simulating calculation, newly improved process flowcan save public project amount of heat 21 173 kW, public proing capacity 16 268 kW, industrial water 10 375 kg/hr, and decrease waste watertreatment 10 375 kg/hr. The unit operation model and equation of state model used in this paper are accurate and reliable to simulate of the methanoldistillation system. So the optimized solution in this paper can provide theoretical basis to the improvement of saving energy, water and decreasingscharge, and to the development of theKeywords: methanol distillation, process simulation, system optimization中國煤化工CNMH G2-23; Revised: 2010-04-27