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甲醇-戊烷耦合芳构化工艺流程设计

liwan123
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今年化工设计大赛的题目是C5烷烃的资源化利用,赛题并未对产品做相关限制,想必大家已经有了很多想法了吧?正戊烷可以裂化产烯烃,可以氧化制酸酐,异戊烷可以脱氢制异戊二烯等等,可以设计出很多很棒的工艺路线来,小编今天也给大家介绍一种用甲醇和戊烷共芳构化来生产芳烃的工艺路线。

苯、甲苯、二甲苯(BTX)作为重要的有机化工原料,在制药、染料、涂料、纺织等许多行业中都起着举足轻重的作用,传统的芳烃生产主要依赖催化重整和裂化汽油工艺,但是我国石油资源供应的芳烃始终不足,这使我国积极探索可能的替代路线,例如煤经甲醇制备芳烃(MTA)技术。另一方面C5-C6烷烃这类低值化工原料成分复杂,单组分分离又困难,用于液化气太重用于汽油又太轻,如何有效进行资源化利用便成了一个难题。考虑到甲醇制芳烃是一个放热反应,而C5-C6制芳烃是一个吸热反应,如果用他们共芳构化,就可以实现热能耦合效应,解决工业生产中各自的高温移热和高温供热难题!

冯霄老师去年在顶刊CCE上发表的一篇论文,就是基于此想法进行了该流程的概念设计,为我们实现芳烃生产和C5资源化利用提供了一条全新的思路。(ps. 冯老师编著的《化工节能原料与技术》强烈建议做热集成的小伙伴们研读哦,这本书对夹点技术与换热网络做了很详细的讲解)

 

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这篇文章用Aspen Hysys模拟了甲醇和戊烷在五种进料条件下(1:0仅甲醇进料、3:1、2:1、1:1和0:1仅戊烷进料),生产得到苯、甲苯、二甲苯、C9+芳烃、干气、液化石油气(LPG)产品,整个工艺设计了四个单元:芳构化单元、芳烃非芳分离单元,BTX回收单元以及轻烃回收单元。最终在1:1进料下实现了最佳的经济效益。

 

 

在芳构化单元中,泵送的正戊烷和甲醇原料与来自轻烃回收单元的循环戊烷混合后进入芳构化反应器(CRV-100)中,转化为苯、甲苯、二甲苯、C9+芳烃、轻烃、氢气、一氧化碳、二氧化碳和水,高温下的反应器出料和进料热交换以回收热量,之后进入芳烃与非芳分离单元。

 

 

芳烃与非芳分离单元主要由两个三相分离器和一个精馏塔组成,反应器出料首先通过冷却器(E-101),然后进入三相分离器(V-100)中分为气相、油相和水相,其中气相经压缩机(K-100)压缩后进入另一三相分离器(V-101)中,以除去水和烃冷凝物,离开分离器(V-100)的油相由芳烃和一小部分轻烃组成,它和分离器(V-101)中的烃冷凝物一并进入精馏塔(T-100)中,塔顶气相出料和分离器(V-101)中的轻烃混合后进入轻烃回收单元,塔底液相出料进入BTX回收装置。

BTX回收单元由三个精馏塔组成,分别为苯分离塔(T-101)、甲苯分离塔(T-102)和二甲苯分离塔(T-103),C9+芳烃作为副产品由T-103塔底排出。进入轻烃回收单元的物流,经过压缩机(K-101)加压后进入戊烷塔(T-104)分离出戊烷,塔底分离出的戊烷循环回芳构化单元进行反应,塔顶气体经过压缩机(K-102)加压后通过干燥塔(X-100),再经过T-105精馏塔分离出干气和液化石油气(LPG),其中干气可部分用作芳构化反应器的燃料。

在用Aspen Hysys模拟完全流程后,文章还用Aspen Energy AnalyzerV10进行了能量分析,并就此概念设计进行了技术经济分析以评估其经济性能。能量分析与经济分析也是我们化工设计竞赛中非常重要的两部分内容,大家也可以在此学习一下。

在能量分析中,作者计算了公用工程用量以及以油当量衡量的总能耗。由于甲醇芳构化过程是强放热的,因此通过副产高压蒸汽来对大量的反应热进行回收。由于戊烷的转化会使流程中产生更多的轻烃,因此在轻烃回收装置中也会消耗更多的蒸汽和冷却剂,并消耗更多的电力用于气体压缩。

 

 

最后便是对此流程进行经济分析,文章分别计算了项目的总投资额、年销售额、年生产成本、净现值,并进行了敏感性分析(这五部分在比赛作品中都有要求哦)。具体的计算过程文章还在补充材料中进行了说明(材料中还给了国内市场上戊烷甲醇原料、轻烃芳烃各产品、冷却剂等公用工程的价格,这些数据对大家后续经济核算时也许会有帮助)。

 

 

投资额、销售额和生产成本很好理解,那净现值和敏感性分析是什么意思呢?净现值(NPV)其实是一项非常重要的获利能力量度,指的是方案在寿命期内各年的净现金流量,按照一定的折现率,折现到期初时点的现值之和。我们可以根据总投资额、销售额和生产成本计算净现值,并做出累计现金流量图:

 

 

第0年的时候累计现值为负,表示项目正处于投资期,工厂建设在第一年开始时完成并开始产生收益,从图中我们看到,甲醇戊烷进料比为1:1的方案在第二年便产生了正的累计现值,相比其他方案更快地收回了项目投资,表明该方案能顾获得最好的经济效益。

在动态的市场中,原材料和产品价格会不断波动,会对项目的经济可行性产生较大的影响。敏感性分析呢就是来分析外部条件变化对净现值的影响。

 

 

由上图的敏感性分析可知,甲醇价格在-18%~8%之间变化或者戊烷价格在-10%~18%之间变化,进料比1:1的方案仍然是最具经济吸引力的选择。

标签: 2020化工设计竞赛 化工设计竞赛 碳五利用

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