甲醇合成及精馏Aspen模拟和换热集成

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第八章 全流程模拟分析优化
Aspen Plus 是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系 统。本章应用 Aspen Plus 软件对甲醇生产的全程进行仿真模拟。
8.1 流程描述
该流程由合成气制造单元、合成气净化单元、甲醇合成单元和甲醇精制单元 组成。其中造气及净化单元与合成氨工艺相似,仅作简单的物料衡算计算,其流 程见图 8.1;本章主要以年产 33 万吨甲醇合成及精馏装置为研究对象,对整个 工艺流程进行模拟,其流程见图 8.2。 1)造气及净化单元
E0 4 1 0
0411
MC 4
0408
0404
MO 4 异丁基油
D0404
0421
0407
P0 4 0 6
0410
MW
P0 4 0 9
废水
图 8.2 合成及精馏流程图
3)甲醇精制单元 从甲醇合成工段来的粗甲醇加入少量稀碱以中和其中的有机酸(实际酸含量
相对工艺汽很低,模拟工艺忽略其含量),然后进入粗甲醇预热器(E-0401)进 行换热后进入预塔(D-0401)中部,经 D-0401 分离后,塔顶气相为二甲醚、甲 酸甲酯、CO2、甲醇等蒸汽,经二级冷凝后,不凝气通过高空排放,冷凝液中补 充脱盐水返回 D-0401 作为回流液,塔釜为甲醇水溶液,经 P-0403 增压后用 E-0405A 进行预热,然后进入 D-0402 中部进料。
合成气的制造工艺采用一段蒸汽转化法。蒸汽转化法是在催化剂存在及高温
条件下,使甲烷等烃类与水蒸气反应,生成 H2、CO、CO2 等混合气,其主反应 为:
������at.
CH4 + H2O ↔
������������ + 3������2
������at.
CH4 + 2H2O ↔
������������2 + 4������2
使用较多。ICI 冷激型甲醇合成塔是英国卜内门化学工业公司开发的多段间原料
气冷激型反应器,内有 4 段绝热催化床层,层间用冷原料气进行冷激。
本节以 CO、CO2 平行加氢反应作为甲醇合成的关键反应,CO 转化反应作辅 助反应,其速率可以通过实测数据整定速率模型参数来表达。
塔内发生的主要化学反应如下:
经 D-0402 分离后,塔顶气相为甲醇蒸汽,经塔顶冷却器后部分返回 D-0402 打回流,部分采出作为精甲醇产品,经 E-0407 冷却后送中间罐区产品罐,塔釜 出料液在 E-0405B 中与进料换热后作为 D-0403 塔的进料。
在 D-0403 中甲醇与轻、重组分及水得以彻底分离,塔顶气相为含微量不凝 气的甲醇蒸气,经冷凝后,不凝气通过高空排放,冷凝液部分返回 D-0403 作为 回流液,部分作为精甲醇产品,经 E-0410 冷却后送中间罐区产品罐,塔下部侧 线采出杂醇油作为回收塔(D-0404)的进料。塔釜出料液为含微量甲醇的水,经 P-0409 增压后送污水处理场。
−rCO2
=
������2
(������CO2 ���������3���2

1 ������������2
������������������3������������
������������2������
)
(1 + ������������������������������������ + ������������������2 ������������������2 + ������������2 ������������2 )4
表 8.2 进料物料组成表
压力 Mpa 温度 ℃ 流量 kg/h
wt%
IN-T 合成气
5.00 30.0 242282.55
FREWATER 脱盐水 0.60 40.0 4500.00
氮气 氢气 甲烷
水 甲醇 一氧化碳 二氧化碳
17.14 18.88 8.56 0.04 2.16 36.17 17.05
的物料组成如表 8.2。入塔气组分含量要求详见 8.2.1.2 节(2)。 整个流程的主要出料包括送罐区的粗甲醇,D-0402、D-0403、D-0404 塔顶汇
集的精甲醇,D-0401 塔顶的轻组分,D-0404 侧线采出的异丁基油(主要为 C3、 C4 醇),以及 D-0401 塔顶、D-0403 塔釜、 D-0404 塔釜的废水和 D-0403 塔顶、 D-0404 塔顶的不凝气。
1.1778 0.0121 93.6628 0.0000 0.0000 0.0000 2.6435 0.2047 1.7693 0.5297
WATER 100 0.1 1
1443.2193 26000
44343.532 -82.51705
0.0000 0.0000 0.0000 100.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
平衡常数:(P=5MPa)
������������
������������1
=
−75.707 +
1.3818
×
104
1 ������
+
3.2095
������������������
������������
������������2
=
−81.246 +
9.9079
×
103
1 ������
+
4.4263
可能发生的副反应在模拟中并未考虑,其余烃类全作为转化反应处理(产物
CO、H2)。
C3H6 + 3H2O ↔ 3 ������������ + 3������2 C3H8 + 3H2O ↔ 3 ������������ + 7������2
原料天然气和水蒸汽组分参数及需求量见表 8.1。
表 8.1 原料组分参数及需求量
8.2.1 合成单元
本单元由合成塔(BED-1/2/3/4)、气-气换热器(E-0301)、水冷器(E-0302)和甲 醇分离器(FS)器组成。其流程模拟连接如图 8.3。
合成气
FS P LIT IN-T
QUE -1
QUE -2
QUE -3
MAIN IN-1
B ED-1
OUT -1
MIX E R-1
������������������
������������
������������3
=
−4.5352 +
3.9105
×
103
1 ������
+
1.2163
������������������
吸附系数:
������������
������������������
=
5.35763

1.309
×
104
1 ������
E0 3 0 1
E0 3 0 2
FEED
IN -H X
H2R V FS
0308 P0 3 0 1
去罐 区
BY- R
OU T-4
脱盐 水
E0 4 0 1
E0 4 0 5 A
E0 4 0 7 0405
自罐 区
D0401
0402 P0 4 0 3
D0402
E0 4 0 5 B
D0403
MPR O
精甲 醇
0406
������������
������������������2
=
−21.64851

2.257
×
103
1 ������
������������
������������������
0.00 0.00 0.00 100.00 0.00 0.00 0.00
整个工艺流程模拟覆盖了合成与精馏主流程的主要工艺管线、设备,甲醇合
成的主要设备是合 成塔(BED)、气-气换 热器(E-0301)、水冷器(E-0302) 和甲醇分 离器(FS),精馏的主要设备是预塔(D-0401)、加压精馏塔(D-0402)、常压精馏塔
Temperature ℃ Pressure MPa Vapor Frac
Mole Flow kmol/h Mass Flow kg/h Volume Flow m3/h
Enthalpy Gcal/h wt% 氮气 氢气 甲烷 水 甲醇
一氧化碳 二氧化碳
硫化氢 丙烯 丙烷
CH4 30 0.1 1 1681.8221 28000 42319.131 -30.6476
此工段仅为了解原料的需求料,故仅作简单流程的物料衡算(包括合成工段 的循环气处理)。
EXGAS SEP2
H2RV
WATER CH4
M1
E1
IN1
IN2
R E2
OUT1
CH4O
SYNGAS1
M2 SYNGAS
SYNGAS2
OUT2
SEP1
H2S
P1 E3
SYNGAS3
IN-T
图 8.1 造气工段物料衡算模拟流程图
(kmol⁄������3 ∙ s) (kmol⁄������3 ∙ s)
速率常数:
������1 = 6.175 × 10−16 exp(5.043���������×��� 107)
������2
=
6.296
×
10−20
6.997 × exp( ������������
107 )
(������������������������⁄������3 ∙ ������ ∙ ������������3) (������������������������⁄������3 ∙ ������ ∙ ������������4)
������at.
CO + 2H2 ↔
������������3 ������������
(1)
������������������.
CO2 + 3H2 ↔
������������3������������ + ������2������
(2)
������������������.
CO + H2O ↔
净化处理采用“SEP”模块,分离除去杂质。SEP1:模拟脱硫工艺,脱除所 有 H2S,部分 H2、CH4 和水;SER2:甲烷气作为弛放气放出。合成气经压缩至 5MPa 送合成工段。 2)甲醇合成单元
ICI 冷激式甲醇合成塔采用四段绝热床层(BED-1/2/3/4),层间采取三次冷激。 由 H2、CO、CO2 及少量 CH4 组成的合成气经过变换反应以调节 CO/CO2 值,然 后用离心压缩机升压到 5 MPa,经换热(E0301)送入温度为 270℃、装有低温活性 铜系催化剂的冷激式反应器,反应后的气体进行冷却(E0302)分离出甲醇(FS),未 反应的气体经压缩升压与新鲜原料气混合再次进入反应器,反应中所积累的甲烷 气作为弛放气返回转化炉制取合成气(H2RV 处理见造气工段)。这种形式的甲醇 塔结构简单,生产能力较大,分段式冷激,避免了反应中局部温度过高烧坏催化 剂。
OU T-1
IN -2
FSPL IT
合成 气
QU E-1
QU E-2
QU E-3
MAIN IN -1
BED - 1 MIXER - 1
OU T-3 BED - 2
IN -3
OU T-2
MIXER - 2
BED - 3
BED - 4 IN -4
MIXER - 3
0403 V3
MVAPO R
Hale Waihona Puke Baidu去燃 烧
OU T-T
经 D-0404 分离后,塔顶产品为 99%wt 以上的甲醇,经塔顶冷却器后部分返 回 D-0404 回流,部分送粗甲醇罐,塔中部侧线采出异丁基油送中间罐区副产品 罐,底部的少量废水与 D-0403 塔底废水合并。
8.2 流程模拟及结果分析
整个流程的主要进料包括合成塔的合成气原料和精馏系统的脱盐水。需输入
������������2 + ������2
(3)
动力学方程:
−r������������
=
(1
+
������1
(������������������ ���������2���2

1 ������������1
������������������3������������
)
������������������������������������ + ������������������2 ������������������2 + ������������2 ������������2 )3
(D-0403)和回收塔(D-0404)。本章重点对采用的四段冷激式合成塔以及塔设备进
行校核计算,即按原设计规定的结构型式、相关尺寸,通过控制计算来揭示合成
塔和塔设备的操作状态。在实际流程中,出甲醇分离器的循环合成气(H2RV)仍需
经过复杂的净化处理,才能达到进入循环的要求,考虑到其工段设备的复杂性, 在此循环气并不在系统中参与循环。
B ED-2 IN-3
OUT -2
MIX E R-2
OUT -T
E -0 301
E -0 302
FE E D
IN-HX
H2RV FS
B Y-R
03 08
P -0 301
B ED-3 IN-4
MIX E R-3 OUT -3
OUT -4
B ED-4
04 01
去罐区
图 8.3 合成部分流程图
8.2.1.1 四段段间冷激式间接换热甲醇合成器 多段绝热式反应器,由于结构简单,且单塔生产能力大,目前在工业上仍然
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