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Aspen在煤化工生产中的应用(以甲醇精馏系统为例)

Aspen在煤化工生产中的应用(以甲醇精馏系统为例)

甲醇精馏系统的主要任务是将甲醇合成工段反应器送来的粗甲醇进行提纯去杂质操作,以得到满足市场所需纯度的精甲醇产品。 甲醇精馏系统按工艺选择有单塔,双塔,三塔及四塔,按工艺操作有常压塔侧线出料以及塔底出料,按精馏塔设备形式分有板式塔,填料塔和板式塔与填料塔结合。如果在生产 装置上进行工艺条件的现场优化,不仅费时,费力,同时会影响安全生产,因此对系统进行准确、有效的模拟,分析物流的流率、组成和性质,产品质量,操作条件十分必要。

下面针对甲醇精馏工段,采用四塔双效精馏进行模拟,以寻求最优操作条件,获取最佳产品质量。

单元操作模型及物性方法的选择

Aspen plus 中有多种精馏塔模块,如 DSTWU、Distil、RadFrac、Extract、MultiFrac 和 BatchFrac 等。RadFrac是一个 严格精馏模型,可用于模拟多种类型的多级汽液精馏操作, 主要包括: 精馏、吸收以及萃取等。RadFrac 的适用范围非常 的广泛,它适用于两相精馏体系、三相精馏体系和具有非理 性强的液相精馏体系等。在本文中,所有的精馏塔模块都采用RadFrac 精馏塔模块。

在模拟过程中,为了简化模拟计算,使得模拟流程的快 速收敛,对泵、换热器等简单设备进行设计型模拟,即用这些设备的工艺参数设计值来进行模拟,并且这些参数的设定值不随操作负荷等条件的变化而改变。

预精馏塔的模拟

预精馏塔的主要作用是分离掉粗甲醇中残余溶解气体 以及二甲醚、甲酸甲酯等轻于甲醇的低沸点物质。如图 1,粗甲醇预热后进入预塔( T2101) 。残留在粗甲醇中的溶解气 ( 如: CO2、CH4 等) 和低沸点的副产物( 如: 二甲醚、甲酸甲酯) 同大量的甲醇蒸气一起从塔顶出来,再经过预塔冷凝器冷凝,大部分甲醇冷 凝后并收集到预塔塔顶回流罐 ( V2109) ,并通过预塔回流泵送回塔顶,作为预塔的回流液。 不凝气通过尾气冷凝器( E2103) 进一步冷却。

流程模拟说明:

(1) 预精馏塔选用带有再沸器的精馏塔,替代工厂中的换热器 E2101,简化模拟流程。

(2) 设有双级冷凝器E2102、E2103,E2102 将塔内上升气中的甲醇大部分冷凝下来,部分未冷凝的甲醇蒸汽、不凝气及轻组分进入二级冷凝器 E2103,进一步冷凝,回收甲醇,可降低驰放气中甲醇含量。

(3) 进料补充一定量的水,不但可以对精馏段的部分甲醇进行萃取回收,可提高甲醇的回收率,也可降低塔顶冷凝 器的负荷。

加压塔与常压塔的模拟

加压塔与常压塔的主要任务是:将甲醇组分与水和重组分分离,得到精甲醇产品;常压塔设有侧线物流出口,采出富 含乙醇及其他杂醇的甲醇水溶液,可进一步提高甲醇回收率  。

模拟说明:

(1) 选用加压精馏塔是通过加压操作使其塔顶气具有较高温度,保证常压塔塔底再沸器有足够的传热温差。

(2) 加压塔与常压塔采用双效精馏的模式,加压塔的塔顶气体作为常压塔的加热热源,这种双效过程,一方面可以降低加压塔需要的冷却水,一方面又可节省常压塔所需的热源。

(3) 常压塔需要分离出剩余绝大部分的精甲醇,且塔底要分离出符合要求的废水,所以需要较高的塔板,在实际操作中,为了保证精馏效果,以及侧线采出,现场常压塔采用上段填料下端板式塔的结合,在 Aspen具体模拟中,将 T2103 拆分为 T2103-1代表现场填料部分,T2103-2代表现场板式塔部分进行模拟。

回收塔模拟

甲醇合成过程中因催化剂老化等诸多不利因素的影响, 粗甲醇进料中乙醇及其他杂醇含量增大,为保证精甲醇产品的收率,利用甲醇回收塔对常压精馏塔侧线抽出物及塔底废水进行进一步的甲醇分离 。

模拟说明:

(1) 在常压塔后增设汽提塔或甲醇回收塔,可进一步改善废水水质或减小废水排量,增加甲醇收率。

(2) 工厂实际操作中,回收塔上段装有两段填料,中段为22层塔板,下段装有一段填料,在Aspen模拟操作中,将T2104分为3部分进行模拟,如图T2104-1、T2104-2、T2104-3所示。

(3) 塔底废水需达到要求净化指标排放,可作为预精馏塔进料水进一步循环利用。


各塔主要参数模拟结果

主要产品模拟结果

通过与实际生产数据的对比,确定最终模拟结果的符合现场要求,并且精甲醇 产品达到要求指标。此 Aspen Plus模拟文件将作为后续开发的仿真系统的底层数据库,模拟参数可作为大型甲醇厂的理论指导和数据依据。


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