利用流程模拟技术对乙二醇反应水合比的研究

计算机·自动化石化技术,2008,15(3):45PETROCHEMICAL INDUSTRY TECHNOLOGY利用流程模拟技术对乙二醇反应水合比的研究马淑娟1刘照辉2杨昌南3(1.中国石油吉林石化分公司,吉林,132022;2.中国石油天然气股份有限公司炼油与化工分公司,北京,10001;3.中国石油工程公司东北分公司,吉林,132000摘要:针对乙二醇装置环氧乙烷水合生成乙二醇反应过程中,不同的水与环氧乙烷摩尔比值(水合比)对产品分布及蒸汽用量有明显的变化,直接影响着装置经济效益的T艺特点,采用 ASPEN PLUS软件,对乙二醇装置T艺进行流程模拟计算建立基础模型。以乙:醇反应器进料为研究对象,选取乙二醇反应器及多效蒸发器进行分析研究,确定不同水合比进料时,乙二醇反应蒸发单元消耗高压蒸汽的流率、乙二醇及二乙二醇的产率;给出水合比与蒸汽消耗欹、产品流率的关系趋势图,并进行经济效益分析用于指导装置的节能降耗操作关鵪词:流程模拟乙二醇水合比乙二醇是一种重要的石油化工基本有机原模拟输入的依据与模拟结果验证的基准料,主要用于生产聚酯纤维、不饱和聚酯树脂、防22模型所采用的物性计算方法冻剂等。目前,国内乙二醇的工业生产方法是环氧模型所采用的物性计算方法主要根据该体系乙烷直接水合法。由于在环氧乙烷反应单元操作的热力学特点有针对的进行选择。对于极性体系负荷不变的情况下,不同的水与环氧乙烷摩尔比要选择活度系数方法,对于非极性体系要选择状值(水合比)进料对产品乙二醇、二乙二醇和三乙态方程方法。常见的活度系数方法有NRTL、醇分布和蒸汽用量有着明显的影响,本工作采 WILSON、 UNIQUAC、 UNIFAC等以及基于这些方用 ASPEN PLUS软件开发出乙二醇装置流程模法而衍生出来的方法M2;状态方程方法有PENG-型,选取乙二醇反应器及多效蒸发器进行分析,研ROB、 RK-Soave以及基于这两种方法而衍生出来究不同的水合比对蒸汽消耗量、产品流率的影响,的方法。并提出优化解决方案,实现装置的节能降耗。乙二醇生产装置涉及到环氧乙烷反应及乙二醇反应2个反应过程,同时涉及到二氧化碳的脱1装置简介除;环氧乙烷的洗涤汽提及再吸收;乙二醇的浓乙二醇生产工艺主要分两大部分:第一步为缩与精制等单元。针对环氧乙烷汽提与冉吸收、乙乙烯在银催化剂上用纯氧氧化生成环氧乙烷;第二醇反应与蒸发单元(简称500单元)以及乙二步为环氧乙烷水溶液在一定压力和温度下水解醇精制单元(简称600单元)热力学特点,采取热生成乙二醇。在这两大部分的基础上把整个装置学方法为NRTL-RK方程,对多乙二醇分离单分成若干工序。中国石油吉林石化分公司乙二醇元(简称700单元)模拟采取的热力学方法为装置设计年产乙二醇150kt,同时联产二乙二醇14355kua以及三乙二醇660ta,并副产多乙收稿日期:200802-2醇18937ta。年开工时间7560h修改稿收到日期:2008-04-18作者简介:马淑姻,女,工程师,1996年毕业于吉林工学院高分子化工专业,现在中国石油吉林石化分公司乙二2模型的建立醇厂从事乙二醇装置的T艺管理、技术开发及能源管理21模型的数据依据的工作。E-mil;h_mass@petrochina.com.cn;联系电话:根据装置物料平衡图提供的数据,作为模型0432-3988199转306。石化技术2008年第15卷第3期UNIFAC方程。对个别的塔设备,根据该塔的特点,成、密度、焓值等采用了更为恰当的模型方法。23450°、600和70矿换热器模块的定义2.3模型模块定义乙二醇反应器进料预热器(E-520)、一级反应确定模型模块包括乙二醇反应工艺系统、乙器进料加热器(E-522)、二级反应器进料加热器二醇脱水工艺系统、500单元、600单元以及700(E-523)及五效再沸器(E-531、E-532、E-533、元共5个。利用 ASPEN PLUS对这些系统分别E-534E-535);脱水塔侧线再沸器(E-612进行模拟,其中有的精馏设备涵盖了冷凝器和再乙二醇产品冷却器(E-622);二乙二醇产品冷却沸器模块。器(E-712)和三乙二醇产品冷却器(E-72)。23.1500°、600"及700°各塔的模块的定义物流输入参数:压力、组成、流量;500、600°包括乙二醇反应进料汽提塔(T510)、脱醛塔进口物流的温度,70的冷热进料物流的温度(T560)、零至五效蒸发器(T530、T531、T532设备输入参数:出口压力、500"、600的出口T533、T534、T535);脱水塔(T610)、一乙二醇塔温度;700°的冷侧、热侧压力或压降、冷侧物流出(T620)及一乙二醇回收塔(T630)、二乙二醇塔口气相分率、总传热系数。(T710)、三乙二醇塔(T720A/B)。ASPEN PLUS模块类型: HEATER(500单元、物流输入参数:进料物流的温度、压力、组成、600单元); HEATX(700单元)。流量。输出结果:换热负荷;出口物流温度(冷、热侧设备输入数据:理论板数、进塔物流的进料位出口物流温度)、压力、流量、气相分率组成、焓、熵置、塔压、冷凝器和再沸器类型、塔顶塔底出料物等结果数据。流的相态侧线出料的位置和相态。23.5冷凝器的模块的定义ASPEN PLUS模块类型: RADFRAC包括脱水塔冷凝器(E-61|A/B、E62A/B)和输出结果:塔顶、塔底产品的温度、压力流乙二醇回收塔冷凝器(E-631)量、组成;各塔板的温度、压力、气液相组分组成物流输入参数:冷、热进料物流的温度、压力分布;回流量,回流比;冷凝器和再沸器热负荷组成、流量。23.2500°600"和70°各泵的模块的定义换热器输入数据:冷侧、热侧压力或压降包括乙二醇反应进料泵(C-510);脱水塔釜侧或热侧出口温度;总传热系数。液泵(G-610A/B)、脱水塔问流泵(G-61|A/B)、一ASPEN PLUS模块类型: HEATX乙二醇塔釜液泵(G-620A/B)、一乙二醇产品泵输出结果:换热负荷;需要换热面积;冷、热侧(G-623A/B);二乙二醇塔釜液泵(G-710)、二乙出口物流温度、压力、流量、气相分率组成焓、熵二醇产品输送泵(G-730)、三乙二醇产品输送泵等结果数据。(G-740)和三乙二醇塔回流泵(C-721)。24模型计算收敛容差定义物流输人参数:进料物流的温度、压力、组成、闪蒸、蒸馏塔和循环流的选代计算相对允许流量。误差为1.0×104设备输人参数:泵出口压力ASPEN PLUS模块类型:PUMP3模拟计算结果及分析输出结果:泵功率;出口物流温度、压力、流3,1计算条件量、组成等。实际生产中,各效蒸发器的操作压力较设计233各回流罐的模块的定义数据偏低,从零效蒸发器到五效蒸发器操作压力包括三效、四效、五效再沸器凝液罐(D533、分别为0.920,0.770,0.570,0.410,0.270,0.117D534、D535)和一乙二醇塔问流罐(D621)。MPa;高压蒸汽是2060MPa的饱和蒸汽;从零效物流输入参数:进料物流的温度、压力组成、蒸发器到五效蒸发器各自的回流量分别为401,流量420,4.30,4.50,480,4.80h;反应器进料温度为设备输人数据:出口压力;热负荷150℃。ASPEN PLUS模块类型: FLASH32计算结果与分析输出结果:出口物流的温度、压力、流量、组按照实际工况的各个操作参数,利用 ASPEN马淑娟等,利用流程模拟技木对乙二醇反应水合比的研究PLUS对各单元流程进行模拟。取环氧乙烷的流率消耗的蒸汽量等参数模拟计算结果见表1将表为基准,水流量为变量,实际操作条件下进行工况中不同的水合比分别对蒸汽消耗量、乙二醇流速研究。不同水合比时反应器出口温度产品流率、二乙二醇流率和反应器出口温度作图,见图1~4。衰1汽消耗、产品流率、反应温度随水合比变化情况水合比乙二醇/(kgh)二乙二醇(kgh)三乙二醇/(kgh2)反应器出口温度r高压蒸汽(th)中压蒸汽(th19338682041886113.76014.59194555159742345671884.58995286%9173495219637441813.7498732518.71108719723.28193.2520071686.2352144162897722.82149319945.321575.6656226781888024.2016.292000887152600658.032187511764202224262830水合比水合比图1水合比与对应的高压蒸汽消耗量关系图2乙二醇产量随水合比变化趋势口丑理时水合比水合比醇产量随水合比变化趋势图4反应器出口温度随水合比变化趋势从表1和图1-4可以看出:二醇产量减少幅度逐渐变缓1)在乙二醇装置中,水合比变化对生产影响4)水合比与反应器出口温度存在着一定的对很大。随着水合比的增加高压蒸汽的消耗也相应应关系,可根据反应器出口温度反推算出水合比增加,并且变化趋势呈线性关系,导致多效蒸发系的大小。统的负荷加大,装置消耗增加。33装置水合比优化及经济效益分析2)环氧乙烷转化成乙二醇的选择性随水合比根据以上计算结果及分析,对装置水合比工的增加而增加,可得到更多的乙二醇产品。但水合艺参数进行优化。比到一定程度,乙二醇产量增加的幅度变缓。优化前,为了保证安全运行,装置采取了较大3)副产物二乙二醇和三乙二醇产量随着水合的水合比(水合比为26),在反应器进料温度150比的增加逐渐减少,水合比增加到一定程度,二乙℃下,反应器出口温度控制在190℃左右。操作中石化技术2008年第15卷第3期根据五效蒸发器T535塔底温度调节进入多效蒸合比的增加,可提高环氧乙烷转化成乙二醇的选发系统的蒸汽流量,使得实际高压蒸汽消耗量比择性,增加乙二醇产量,降低副产物二乙二醇、三设计负荷多10h左右。乙二醇产量,但高压蒸汽的消耗也相应增加装置水合比工艺参数进行优化调整后,反应2)水合比的调整需要根据产品的市场价格来器出口温度控制在194.6℃左右(水合比为23),确定。当提高乙二醇产量所带来的效益比增加蒸这样,T320塔的循环水流率由150h降低到134汽消耗付出的成本要小时,应采取较小的水合比th左右,每小时减少了26t,相应的高压蒸汽消而当提高乙二醇产量所带来的效益比增加蒸汽消耗量由278hh下降到236th,减少了42h。高耗付出的成本要大时,应采取较大的水合比。因压蒸汽消耗量减小的相对数值也与模拟计算结果此,要权衡产品收益与能耗这两者之间的利益,以中水合比从26减小到23的相对数值吻合。及乙二醇和二乙二醇市场价格变化合理调节水合以乙二醇的市场价格8200-8300元∧、二乙比,达到节能增效的目的二醇价格11000元∧、高压蒸汽的价格为134元/t计,取年运行时间为7560h,取热损失为005,对参考文獻水合比为23和水合比为26的两种工况进行经济[ RENON H, PRAUSNITZ J M. Local compositions in therm效益计算。若不考虑其他分离因素影响,经过计dynamic excess functions for liquid mixtures[] AIChE J, 1968算,水合比为23时比26时每年可以增加收益I4(1):135-144.450万元左右。[2]HANSEN H K, RASMUSSEN P, FREDENSLUND A, et al.Vapo-liquid equilibria by UNIFAC group contribution. 54结论Revision and Extension [L Ind Eng Chem Res, 1991(30):1)水合比与反应器出口温度存在对应的关系,2352-2355.可根据反应器出口温度反推出水合比的大小;水(蝙:谷彦丽)Research on Hydration Ratio in Ethylene Glycol Preparedwith Process Simulation TechnologyMa Shujuan, Liu Zhaohui' and Yang Changnan(1. Jilin Petrochemical Company, Petro China, Jilin, 132022;2. Refining Chemical Company, CNPC, Beijing, 1000113. Northeast Branch of China Petroleum Engineering Company, Jilin, 132000)AbstractThe process of ethylene glycol (EG )plant was simulated, and the basis model built with ASPEN PLUSbased on the different hydration ratio, which was depended on product distribution, steam consumption andeconomic benefit, in reaction of ethylene oxide hydrated with water to ethylene glycol. The feeding of EGreactor as research object, EG reactor and multiple effect evaporation system were investigated, the relationbetween the ratio and high pressure steam flow rate in the evaporation system, and the productive rate of EGor diethylene glycol revealed, the figure between the ratio and steam consumption, productivity indicated. Inorder to realize operating in energy saving the economic benefit was analyzedKey words: process simulation, ethylene glycol, hydration ratio