关于优化甲醇水溶液分离系统操作方案的研究

第５２卷第１期　化肥设计　Ｆｅｂ．２０１４　２０１４年２月　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　・１９・　关于优化甲醇水溶液分离系统　操作方案的研究　张信　（航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司，甘肃兰州７３００５０）　摘要：应用通用流程模拟软件，进行了低温甲醇洗装置中甲醇／水分离系统正常操作工况的模拟计算；在此基础　上，采用灵敏度分析方法，提出了甲醇／水分离系统高水含量工况（非正常工况）的操作方案。　关键词：甲醇／水溶液分离系统；流程模拟；灵敏度分析法；正常工况；高水含量工况；操作方案；优化　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４—８９０１．２０１４．Ｏ１．００６　中图分类号：ＴＱ２２３．１２１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—８９０１（２０１４）０ｌ一００１９—０３　Ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ　ａｂｏｕｔ　Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　Ｓｃｈｅｍｅ　ｉｎ　Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｍｅｔｈａｎｏｌ　Ｗａｔｅｒ　Ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ＺＨＡＮＧ　Ｘｉｎ　（Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｓｕｂ－ｃｏｍｐａｎｙ，Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｌｏｎｇ　Ｍａｒｃｈ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ－Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｔｏｃｋ　Ｃｏｍｐａｎｙ　Ｌｔｄ．，Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｇａｎｓａ　７３００５０　Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｐｐｌｙｉｎｇ　ｃｏｍｍｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｕｔｈｏｒ　ｈａｓ　ｍａｄｅ　ｔｈｅ　ｓｉｎｍｌａｔｉｏｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｍｅｔｈａｎｏｌ／ｗａｔｅｒ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｃ－　ｔｉｓｏｌ　ｐｌａｎｔ　ｕｎｄｅｒ　ｎｏｒｍａｌ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；ｏｎ　ｔｈｉｓ　ｂａｓｉｓ，ｈａｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ，ｈａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｓｃｈｅｍｅ　ｉｎ　ｍｅｔｈａｎｏｌ／　ｗａｔｅｒ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｎｄｅｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ　ｈｉｇｈ　ｗａｔｅｒ　ｃｏｎｔｅｎｔ（ｉｍｐｒｏｐｅｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｅｔｈａｎｏｌ／ｗａｔｅｒ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｒｏｃｅｓｓ；ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ；ｎｏｒｍａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ　ｈｉｇｈ　ｗａｔｅｒ　ｃｏｎｔｅｎｔ；ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｓｃｈｅｍｅ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４—８９０１．２０１４．Ｏ１．０００　低温甲醇洗工艺是由德国林德公司和鲁奇公　甲醇／水分离系统正常稳定低能耗地运行。　司在２０世纪５０年代共同开发的一种气体净化方　笔者应用通用流程模拟软件，采用合适的热力　法。该工艺采用低温甲醇作为吸收剂用物理吸收　学模型成功完成了低温甲醇洗甲醇／水分离系统的　的方法将原料气中的高浓度酸性气体（比如硫化氢　流程计算。首先，对低温甲醇洗装置中甲醇／水分　和二氧化碳）除去，适用于以煤、重油、沥青等重质　离系统正常操作工况进行模拟计算，在此基础上，　烃类为原料的合成氨、合成甲醇、煤制油、城市煤气　分析了实际运行工况下不同操作情况，采用灵敏度　等气体净化　。　分析方法提出了最优的操作方案。该工作有利于　低温甲醇洗工艺包含酸性气的吸收、中压闪蒸　掌握装置的运行状况，减少了对非正常工况操作方　系统、ＣＯ：气提再生、酸性气热再生、甲醇／水分离系　案的摸索时间，达到了工艺优化和节能降耗之　统以及尾气水洗系统。其中，酸性气吸收系统对所　目的。　需要的贫甲醇的水含量是有要求的，如果水含量不　１　甲醇／水分离系统正常工况的模拟计算　达标，将影响低温甲醇吸收效果，增大循环量，导致　能耗升高；而甲醇／水分离系统承担着整个甲醇洗　甲醇／水分离系统主要设备是热再生塔和甲醇　装置甲醇与水分的分离任务；在非正常工况下，甲　水分馏塔，为了便于优化设计，把酸性气的热再生塔　醇洗系统中富甲醇的水含量可能会比较高，因此，　作者简介：张信（１９８４年一），男，ＩＩＩ东临沂人，２００６年毕业于大连理　对这种非正常工况进行研究非常有必要，从而保证　工大学化学工艺专业，工程师，从事煤化工工程的设汁工作。　・２０・　化肥设计　２０１４年第５２卷　放在一起进行模拟计算。甲醇／水分离系统工艺流　程见图１。　图１　甲酉享／水分离系统工艺流程　１一热再生塔；２一甲醇／水分馏塔；３一热再生塔再沸器；　４一甲醇／水分馏塔再沸器；５一甲醇／水分流塔进料泵；６一回流泵　利用通用模拟软件，选择了合适的单元操　作模型，比如塔、闪蒸罐、压力变送器、换热器等，实　现了甲醇／水分离系统模拟。以工厂的设计数据　（工艺计算包）为基准，将模拟结果与设计数据进行　对比，详见表１。　表１模拟值与设计值的对比　序号物流　种类　温度压力　流量　摩尔分数／％　／℃／ＭＮ／ｋｍ　ｎｌ・ｈ～ＣＨ４０　ＣＯ２　Ｎ２　Ｈ２Ｓ　Ｈｅ０　通过模拟计算，将结果与原设计值对比发现，　甲醇水分馏塔塔顶及塔底温度、流量、组分吻合得　非常好，但是热再生塔塔顶温度偏差为１．４５％；组　分摩尔分数中硫化氢的含量稍微低一些。从这一　模拟结果来看，通过模拟软件选择的物性方程是可　靠的，基本上可以满足工程设计的要求，从而可以　进行其他非正常工况的研究。　２　甲醇／水分离系统高水含量工况的研究　甲醇洗装置在开车阶段或者是装置异常时，系　统水含量的积聚会超过设计值，是一种非正常工　况。取富甲醇进入热再生塔时的水含量为０．５％，　即为正常工况水含量的５．２６倍，此时，热再生后得　到的贫甲醇水含量仍为０．５％，在这个浓度下，再生　塔塔釜贫甲醇如果仍然进入甲醇水分馏塔塔顶作　为回流液，此时，塔顶水含量达到０．２５４％，远远大　于设计值要求的０．０４６％，因此再生塔塔釜贫甲醇　不能再作为甲醇水分馏塔的回流液了，需要进入塔　中间段的塔板；回流液则采用部分来自热再生塔回　流罐中的液体。　２．１　贫甲醇回流液流股不同流量最佳操作的研究　笔者首先利用灵敏度分析方法，研究了贫甲醇　回流液流股不同流量对热再生塔再沸器、甲醇／水　分馏塔再沸器热负荷的影响以及对甲醇／水分馏塔　塔顶气体水含量的影响。贫甲醇回流液流股不同　流量对再沸器热负荷的影响见表２。　表２贫甲醇回流液流股不同流量对再沸器热负荷的影响　贫甲醇回流量热再生塔再沸器　甲醇／水分馏塔甲醇蒸汽物流　／ｍ　・ｈ　热负荷／ＭＷ　再沸器热负荷／ＭＷ水含量／％　由表２可以看到，通过改变回流量，热再生塔　再沸器的热负荷在下降，而甲醇水分馏塔的热负荷　在增加，但是两者的热负荷之和是稍微下降的；另　外甲醇水分馏塔塔顶水含量是随着回流量的提高　而降低的，表明精馏效果变好了。从结果看，理论　上增大回流液的流量，可以减少消耗，提高分馏效　果；但是甲醇／水分馏塔再沸器的热负荷会增大。　为了满足换热需要，就需要设计换热面积较大的换　热器，而实际上，装置大部分时间在正常操作工况　下，即该回流通常是关闭的。因此，综合考虑，可以　选择３．０　ｍ。／ｈ左右的回流量作为高水含量工况下　甲醇水分馏塔的回流量。　２．２　分馏塔甲醇／水流股最佳进料位置的研究　采用灵敏度分析方法，研究了分馏塔甲醇／水　溶液流股不同进料位置对热再生塔再沸器、甲醇／　水分馏塔再沸器热负荷以及对甲醇／水分馏塔塔顶　甲醇蒸汽流股水含量的影响。不同进料位置对再　沸器总热负荷的影响见图２，对分馏塔及气体水摩　尔分数的影响见图３。　第１期　张信关于优化甲醇水溶液分离系统操作方案的研究　・２１・　从图２可以看出，进料位置在第１１块理论板之　３　≥　２　ｌ　４　９　８　７　６　５　前，热再生塔再沸器与甲醇／水分馏塔２个再沸器　枢　的总热负荷基本保持不变，当继续往下层板进料　时，热负荷降低很快，直到第１４块板时保持不变。　：鹭　从图３可以看出，甲醇水分馏塔塔顶水含量，　在第１１块理论板之前，分离效果是明显的，水含　量可以控制在０．０５％以下，否则，分离效果将　很差。　图２不同进料位置对再沸器总热负荷的影响　３　结论　０－３５　Ｏ－３　（１）对原装置设计工况的模拟结果表明，选用　Ｏ－２５　日　的热力学模型对甲醇／水分离系统的模拟是基本可　ｈ　Ｏ．２　噩ＩＩ　行的，可以应用于流程优化和实际生产工况。　如　Ｏ．１５　（２）对高水含量工况的研究结果表明，甲醇水　Ｏ．１　Ｏ．Ｏ５　分馏塔可以得到一种最佳的回流量和进料位置。　０　参考文献：　塔板位置　［１］孙漾，张凌波，顾幸生．　ｒｅｘａｃｏ水煤浆气化装置配煤模型及其优　化［Ｊ］．化工学报，２０１０，６１（８）：１９６５—１９７０．　图３不同进料位置对分馏塔塔顶气体水摩尔分数的影响　收稿日期：２０１３—１１－２６　（上接第１５页）　６　总结　气压力，ＭＰａ（Ａ）；　为喷淋甲醇中甲醇的质量分　数；Ｋ为常数，鲁奇工艺Ｋ为０．１２６４，林德工艺　为　（１）根据以上分析结果，忽略甲醇蒸气分压的　０．５５６４；　影响并进行适当简化处理，在设计和操作过程中　（２）在生产过程中，喷淋甲醇的量建议保持为　低温甲醇洗工艺防结冰甲醇用量可用下式进行　装置满负荷运行时用量，尽量不随装置生产负荷的　计算：　变动而调整。　Ｑ　＝　（７）　参考文献：　［１］宋维端，肖任坚．甲醇工学［Ｍ］．北京：化学工业出版社，１９９１．　式中，Ｑ　为喷淋甲醇的质量流量，ｋｇ／ｈ；Ｇ为进低温　［２］Ｊ．Ａ．迪安．兰氏化学手册［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９１．　甲醇洗变换气流量，ｋｍｏｌ／ｈ；ｐ为进低温甲醇洗变换　收稿日期：２０１３－０９－０５　五环公司自主开发的尿素专利技术　首次工业化应用获得成功　２０１４年１月７日，由中国五环工程有限公司提供专利技术许可和工程设计的四川美丰化工绵阳分公司合成氨尿素装置　环保隐患治理搬迁改造项目１５万ｔ／ａ尿素装置一次性投料成功，造粒塔底部出料口产出合格尿素产品，装置运行平稳，各项　工艺参数接近设计指标，标志着由中国五环工程有限公司开发的“高效冷凝、低安装高度ＣＯ：气提法尿素生产工艺及高压管　式全冷凝器”首次工业化应用获得成功。　“高效冷凝、低安装高度ＣＯ：气提法尿素生产工艺及高压管式全冷凝器”专利技术由中国五环工程有限公司自主开发，并　于２０１２年获得国家知识产权局发明专利授权。该工艺技术在工艺安全、技术经济及主要耗能方面均优于国外已有专利技术，　达到并处于国际先进水平。　（本刊通讯员）