甲醇精馏系统模拟与优化

9什算机与座用化学ol,27,No.9010年9月28日Computers and Applied Chemistryber,2010甲醇精馏系统模拟与优化常虹',王永胜2,王东岩),张述伟(1.大连理工大学化工学院化学工艺教研室,辽宁,大连,11012;2.河南煤化集团新乡中新化工有限责任公司,河南,新乡,4538003.陕西延长石油(集团)炼化公司,陕西,榆林,719000摘要:本文应用过程模拟软件 Aspen Phus,采用 Wilson和PSRK相结合的物性方法,实现了对某厂甲醇四塔双效精馏系统的模拟。为降低生产成本,本文通过对系统模拟与分析,对生产的工艺流程进行进一步改进,并提出3个优化方案:(1)增加加压精馏塔侧线采出送常压精馏塔作为进料;(2)对常压精馏塔塔底和回收塔塔底部分废水进行循环:(3)采用加压精馏塔与预精馏塔双效精馏。经过模拟计算,改进后的新工艺流程在保证甲醇产品的产量与质量的前提下,共能节省公用工程热量21173kW,节省公用工程冷量16268kW,节省工业用水10375kg/hr,污水处理量减少10375kgh本文所选用的单元操作模型及物性方法对于模拟甲醇精馏系统是准确可靠的,因此本文所提出的优化方案能为甲醇工业生产节能、节水以及减少废水排放的改造和新工艺流程的开发提供理论依据关键词:甲醇精馏;过程模拟:系统优化中图分类号:TQ0159;TQ028文献标识码:A文章编号:1001-4160(201009-1283-1288引言醇、醛、酮、醚、酸、烷烃等近20种有机物,如正戊醇正庚烷、异丁醇、正丁醇等。甲醇的潜在耗用量十分巨大,尤其在当前世界石油乙醇:某些有机产品对精甲醇中乙醇的含量有特殊资源日益减少,甲醇单位生产成本降低的背景下,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为新的燃料已经成为一种趋势。同时,甲醇是许乙醇,能与一氧化碳生成内酸,影响醋酸的质量多有机产品的基本原料和重要溶剂,被广泛应用于有机水:水含量与副反应有关,含量仅次于甲醇,能与合成、燃料、医药、涂料和国防等工业。通常合成的粗甲醇浓度达不到使用要求,需要进行甲醇的精馏。甲醇甲醇和有机物形成多元恒沸物,给精馏带来困难。表1是本文在甲醇精馏系统模拟中所采用的粗甲醇精馏工艺对整个甲醇生产流程的生产能力、产品质量能量消耗、原料消耗,以及环境保护都有重大影响。据的组成,范围涵盖了一般工艺单位和设计单位技术评定统计,石油和化学工业的能耗占工业总能耗的很大部分的范围。其中约有60%就是用于精馏过程。因此研究甲醇精馏粗甲醇含有多种有机杂质和水,需根据用途对其质过程中的节能减耗有着重要的实际意义量的要求进行加工处理。净化过程包括精馏和化学处理。化学处理主要用碱破坏在精馏过程中难以分离的杂质,2粗甲醇杂质分析及精制原理并调节pH值;精馏主要是根据各成分沸点的不同,利用物理方法脱除易挥发组分如二甲醚,以及难挥发的重组甲醇生产无论采用何种催化剂,都会因为其在不同条件下选择性的限制,发生多种副反应。甲醇合成工艺的不同以分如乙醇、高碳醇、水等4。及工艺复杂性造成粗甲醇组成也比较复杂,用色谱分析或色3工艺流程谱一质谱联合分析测定粗甲醇的组成有40多种叮,包含了醇、醛、酮、醚、酸、烷烃等。如有氮存在,还会产生易挥甲醇四塔精馏工艺流程,包括预精馏塔、加压精馏发的胺类。另外还含有少量生产系统中带来的羰基铁及微量塔(以下简称加压塔)、常压精馏塔(以下简称常压塔)的催化剂等杂质。为了便于处理精馏过程,将杂质分为4类:以及回收塔。这样的设置在提高甲醇质量同时,也提高轻组分:以二甲醚为代表。包含沸点比甲醇低的醇、了甲醇收率;此外,加压塔与常压塔双效耦合也为流程醛、酮、醚、酸、烷烃等10余种有机物,如二甲醚、乙节省能量做出了重要贡献。图1为本文模拟甲醇四塔精酯、二乙醚、醋酸甲酯、丙酮等。馏系中国煤化工重组分:以异丁基油为代表。包含沸点比甲醇高的YHCNMHG之后在1级冷凝器收稿日期:2009-12-23;修回日期:2010-04-27作者简介:常虹(1984-),女,山西人,硕土研究生,Email:anniechangh@yahoo.com.cn.联系人:张述伟(1963-),男,辽宁人,研究生,教授,E-mail:zwei(@chem.dlut.edu.cn.1284计算机与应用化学2010,27(9)表1粗甲醇的组成omponents of crude methanol.含量(质量分率)含量(质量分率)mass fractionass fraction氢气 hydrog正戊烷 n-pentane50047e05氮气 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空气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异丁醇 isobutane!3.9911e-05异丙醚 isopropyl ether0.00028507异戊醇 isoamyl alcohol79822c05正壬烷 n-nonanc0.00026924丙酮 acetone000013493正辛烷 n-octane000028507二甲醚DME0.00039910注1:如无特殊说明,本文所涉及的组分组成均以质量分率计S回产s003S400W2中与预精馏塔CI塔顶蒸汽S101进行换热,随后将送入加压塔塔顶冷凝器W6与甲醇蒸汽S204换热,粗甲醇经W4、W5加热至近泡点后送入预精馏塔C1中在W7中被加热至接近泡点温度后送入加压精馏塔上部进行精馏操作。在此过程中加入少量氢氧化钠溶液部,这样可以使该塔精馏段与提馏段负荷接近。S140中和粗甲醇中酸性物质。加压塔C2塔顶的甲醇蒸汽一部分(S201)作为加压预精馏塔塔顶蒸汽在1级冷凝器W2中部分冷凝:塔产品,另一部分(s203)送入常压塔C3再沸器充当其冷凝温度控制在η0℃左右,冷凝后不凝气体大部分热源并作为C2塔回流,这就使2塔之间形成双效精馏模(Sl14)进入2级冷凝器W3被冷却到38℃~40℃,2式。在加压塔进行精馏分离后,塔底釜液S202送入常压级冷凝器不凝气去火炬,冷凝液同一级冷凝器产生的冷塔进行进一步分离。凝液一起经回流罐F3回流至塔顶。在2个冷凝回流罐中国煤化工主要采出杂醇)引入F1、F2之间加入工艺萃取水S120,改变罐内液相组成(降甲醇CNMHG醇S301可以达到美低甲醇含量),达到除去轻组分杂质的目的并调节预精国“肽孟∠土要成分是水,这使得馏后甲醇水溶性。常压塔底部温度较高。由于常压塔再沸器的热源为加压预精馏后甲醇SI02在进入加压塔C2之前由泵P2塔塔顶的甲醇蒸汽S203,为使常压塔再沸器的热交换能2010,27(9)常虹,等:甲醇精馏系统模拟与优化够正常进行,加压塔必须在较高压力下操作以维持常压从表2和表3中可以看出,模拟值与设计值吻合较塔冉沸器冷热流体间足够的传热温差,从而使2塔形成好,特别是乙醇和丙酮含量的模拟结果准确且达到了工双效精馏。双效精馏在节省蒸汽消耗量同时也节省了冷业甲醇美国联邦标准(OM232G)“AA”级。模拟结却水用量,从而有效地利用了能量。果表明,应用 Aspen Plus对此甲醇四塔精馏系统的模拟为提高甲醇回收率,降低污水中甲醇等污染物的含是成功的,所选的物性方法及单元操作模型是准确的量,常压塔C3的侧线采出直接经泵P4送入回收塔C4进因此可以用于对该系统的优化。步回收甲醇。同时在回收塔进料板附近设有2条侧线S403与S404,主要采出杂醇油,确保甲醇产品质量表3常压塔模拟结果Table 3 The simulation results of normal pressure column.常压塔塔顶常压塔塔底4设计工况模拟top of normalbottom of normal物流4.1物性方法选择stream设计值模拟值甲醇精馏过程中涉及常规精馏、加压精馏等分离技术,design simulat设计值模拟值design valuc而系统相平衡关系是进行分离过程模拟的基础。因此,根温度,℃据相关体系的热力学平衡数据,建立可靠的热力学模型,temperature对于全过程的准确模拟是十分重要的。物性方法的选择往pressurc往因系统的操作情况比如温度、压力、组成等参数而异流量,kghr49668494711826418264甲醇精馏体系属于极性体系,在通用化工模拟软件NRTL、 UNIQUAC及其变型、PSRK、 PRMHV2。甲醇cm1×1036×1040940989中初步选定适合甲醇精馏的物性方法有 WILSON、9910×1065×10精馏工艺中塔是核心设备,因此物性计算方法的选择可在模拟塔设备时进行。如果模拟结果与实验值以及设计fraction) ethanol10×10°34×10°295×1095×10°值吻合较好,那么该方法就是适合于甲醇精馏过程模拟内削1×1063×106acetone计算的热力学模型。对工艺模拟后1,将各个物性方法的计算结果与设5系统优化计值对比分析后,本文选择用 Wilson物性方法对全流程本文提出①在加压塔增加侧线采出;②废水循环进行模拟,同时考虑到加压塔压力较高,故用PSRK物③换热网络优化3个优化方案,并对优化改造的新流程性方法对加压塔进行模拟。进行模拟分析0。改造工况下甲醇精馏工艺流程简图42设计工况模拟结果与分析本文利用教学版 Aspen Plus软件,采用Won方程如图2所示5.1甲醇四塔精馏加压塔侧线改造和PSRK方程相结合的方法对某厂甲醇精馏系统进行了模拟,模拟值与设计值比较如表2,表3。本文中设计值原流程虽然实现了双效耦合,但是能量的消耗量还是某厂提供的工艺数据是很大的,因此如何有效的节能就成为甲醇精馏过程中的关键。本文通过分析加压塔和常压塔的负荷及流量发表2加压塔模拟结果Table 2 The simulation results of pressurized colum现:原流程中,加压塔进料中甲醇含量为93358kghr,加压塔塔顶加压塔塔底而同样为主分离塔的常压塔结构与加压塔相当,其进料物流pressurized column pressurized column中的甲醇含量却只有4928kg/hr,为加压塔的53.%左计值模拟值设计值模拟值右。对于关键组分甲醇来讲,在较低压力下气化比较经济。design simulation design simulatie通过以上分析,新流程提出了在加压塔增加侧线采度,℃出的改造方案。从加压塔进料板上部采出中等浓度甲醇mperature132512781403142.3压力,kPa送入常压塔,一方面同样可以防止过多杂质和碱性物质pressure进入常压塔,另一方面也使这部分甲醇不必经过加压塔流量,kghr3208433876926169143精馏段分离就进入常压塔,节省了一部分能量2×1061×1060.269新流程增加侧线采出后,系统会变得更加复杂。塔组成内的099960.99990.7240.722THa中国煤化工出而改变,增加的操methanol作变外部的物料平衡。最0) ethanol5×l067×10重要CNMHG作来讲,加压塔侧线6×10°5×101×1062×106采出量的多少将关系到耦合能否实现。加压塔侧线采出量如果过大,一方面常压塔的塔内总流量会增大,使塔算机与用化学2010,279)底冉沸器所需负荷大大增加。另一方面,加压塔増加侧需要另加公用工程来维持常压塔的运转。虽然在实际生线采出后,塔顶的甲醇蒸汽量相应减少,这样使塔顶蒸产中常压塔另备有再沸器,但是双效的目的就在于节能,汽可以提供的热量减小。若采出量不合理,会使加压塔因此应该尽量使2塔实现双效耦合,以降低费用,简化塔顶蒸汽提供热量不足以满足常压塔再沸器所需热量,操作5人W91S205醇产品qS208SIDE废水Fig2 Process flow diagram of methanol dIstillation of improvement project图2改造工况下甲醇精馏工艺流程简图模拟计算结果表明:由加压塔进料位置之上3块板从表5中可以看出,引入侧线改造方案后,甲醇产处采出中等浓度的甲醇直接送常压塔,当侧线采出量为品的总流量以及甲醇的浓度和设计工况基本一致,甲醇1500kghr的时候,加压塔塔顶冷凝负荷为-41865kW,产品的产量及质量均无下降。因此在原流程中引入侧线常压塔塔底再沸器的负荷为4865kW。此时加压塔C2改造方案来节省能量是可行的。的塔顶冷凝器的甲醇蒸汽进口温度为1279℃,出口温52甲醇四塔精馏的水循环改造度为124.0℃,常压塔C3塔底釜液温度为110.6℃,满粗甲醇在进入预精馏塔C1前加入的工艺萃取水足换热要求,可以实现双效耦合。增加侧线采出后,常(s120)为10375kghr,大约为粗甲醇总量的10%。对塔进料中甲醇流量达到54195kghr,占总进料量的全流程进行综合分析可知常压塔C3和回收塔C4塔釜t料S302、S402主要成分为水,含量分别达到0989从表4可以看出,加压塔增加侧线采出后,在满足0850,其流量分别为18058kg和515kghr,总流量加压塔和常压塔双效耦合的基础上,加压塔塔底再沸器的为18573kghr,大于工艺水S20的加入量10374kghr负荷由63128kW减少为5288kW,常压塔塔顶冷凝器因此,将废水流股分流,一部分取代S20引入工艺流程的热负荷由51573W减少为46238W,回收塔塔顶冷作为萃取水,另一部分送污水处理系统,这样在节约工凝器和塔底再沸器负荷也有小幅的减少,系统总共节省公业用水的同时降低了水的处理量,从而大大降低了生产用工程冷量5361kW,节省公用工程热量10266kW成本新流程引入侧线采出后,各塔塔顶甲醇浓度及甲醇以下本文将对具有水循环改造的新流程进行模拟,产品的流量如表5中所列模拟结果如表6。4甲醇精馏各塔能量(kW)消耗Table 4 The energy cost of预精馏塔C1加压塔C2中国煤化工回收塔C4re-distillationpressurized columnry column塔顶CNMHGbottomtop设计515734186552884623841865385838702010,27(9)常虹,等:甲醇精馏系统模拟与优化表5各塔甲醇产品浓度及流量(kg/hrTable 5 The conce%压塔c3of theduct of each column加压塔C2回收塔C4甲醇产品pressurized columnnormal pressure columnrecovery columnproduct浓度流量浓度流量流量设计工况93305改造工况09990999注1:表中所列甲醇浓度为质量分率表6甲醇精馏水循环下关键流股的模拟结果Table 6 The simulation results of key streams with the water recycled.流量组成(质量分率)composition(mass fractionstream3934645X1010×10甲醇 product9327141×104×106废水 waste water108.5146189000.963603×10°0.002从模拟结果来看在引用了水循环方案后各塔分离效果(2)提出了增加加压塔侧线采出送常压塔的方案,新基本不变,可以得到满足分离要求的甲醇产品。引入水循流程中从加压塔进料板之上3块板处采出中等浓度甲醇送环后废水中水的含量为0.963,甲醇含量仅为603×10°,送入常压塔分离,使加压塔节约高压蒸汽10240kW,比原流污水处理的量仅为8525kg/hr,约为改造前的46%。废程节约162%,系统总共节省公用工程冷量5361kW,节水流股中各杂质组分含量都略有升高,但由于数量级都省公用工程热量10266kW,其能量消耗大大减少很低,并不会给水处理带来太大的影响。与原流程相比,(3)对系统进行分析,提出了水循环的改造方案新流程可以节省工业用水10375kg/hr,在很大程度上节新流程节约工业用水10375kgh,同时使废水排放量降约了生产成本。低为原流程的46%,约为8525kghr,大大降低了污水53换热网络优化处理负荷在引入侧线采出和水循环改造后,加压塔C2塔顶冷(4)分析了加压塔与常压塔双效耦合特点,通过换凝器w8和常压塔C3再沸器的热负荷接近,换热温差为热网络优化,进一步提出加压塔与预精馏塔双效精馏,10.4℃,满足双效耦合的要求。同时也发现,预精馏塔从而节省公用工程热量10907kW,节省公用工程冷量Cl再沸器负荷比常压塔再沸器负荷要小,温度比常压塔10907kW要低,因此考虑将预精馏塔也列入双效精馏范围。加压(5)采用改造流程后,甲醇产品产量和质量均无下塔产品甲醇S201为127.8℃,经换热器W9冷却后,出降,能达到工业甲醇美国联邦标准(O-M-232G)“AA口温度为124.0℃,提供热量11750.7kW,能够满足预级要求。新流程共节省公用工程热量21173kW,节省公精馏塔再沸器的热负荷10907kW和温度76℃的要用工程冷量16268W,节约工业用水10375kghr,污求。因此,用s201的部分热量为预精馏塔再沸器提供热水处理量减少10375kghr,达到了节能减耗目的量(w9-1),形成双效精馏。经模拟计算,可以节省References:公用工程热量10907kW,节省公用工程冷量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中国煤化工CNMH G2-23; Revised: 2010-04-27