200 kt／a 甲醇精馏系统的优化设计

第40卷第2期化工设计通讯2014年4月Chemical Engineering Design Communications●57●200kt/a甲醇精馏系统的优化设计姜涛'，金学坤，陈凤娟“(1.新疆化工设计研究院有限责任公司，新疆乌鲁木齐830006 ;2.新疆大学物理科学与技术学院，新疆乌鲁木齐830046)摘要:以粗甲醇为原料， 采用四塔精馏工艺，基于Aspen Plus工艺模拟软件，对甲醇精馏系统进行模拟优化设计及塔器水力学计算;运用EDR换热器设计软件,对本装置的换热器进行选型计算。模拟计算结果表明，精甲醇产品纯度为99. 99% (wt)、甲醇收率为99. 67%、蒸汽单耗为1. 09t、循环冷却水单耗为83.24t,产品质量符合GB 338 - -2011国标优等品及美国联邦AA级标准质量要求,装置能耗水平达到国内先进水平。关键词:甲醇精馏; AspenPLUS软件; EDR软件;模拟计算;设备选型中图分类号: TQ223. 12+1文献标志码: A文章编号: 1003-6490(2014 )02-0057-04Design Optimization of 200 kt/ a Methanol Distillation UnitJIANG Tao' JIN Xue-kun' CHEN Feng-juan(1. Xinjang Chemical Engineering & Design Research Institute Co . ,Ltd ..U rumqi Xinjiang 830006 ,China ;2. School of Physics Science and Technology , Xinjiang U niversity，Urumqi Xinjiang 830046 ,China)Abstract :Refine the crude methanol with the four-column distillation process . Using the A spenPLUS simulation softw are to simulate the design optimization and tow er hy draulics calculation for themethanol distillation unit . Use EDR heat exchanger design softw are to calculate the device option ofheat exchanger . The simulation results show that the refined methanol purity is 99. 99% ( wt)，methanol yield is 99. 67% ,steam consumption is 1.09 t/t refined methanol ,and circulating coolingwater consumption is 83.24 t . The methanol quality meets GB 338- -2011 international superiorproduct and the U .S . Federal Grade AA standard . Also the unit energy consumption level reachesdomestic advanced level .Key words amethanol distillation ; AspenPLUS ; EDR ; simulation calculation ; equipment selection塔温、塔压、塔顶回流比、进料位置、进料温度0前言进行优化分析以确定其最佳操作参数;提出双效甲醇是- -种基础化工原料，在本研究中，作精馏模型，将加压塔塔顶气用作常压塔再沸器热为甲基化剂生产甲醛，以供应下游BDO装置。源，将各再沸器凝水用于塔进料预热，优化其换.在甲醛生产过程中，甲醇原料的质量是其关键控热网络;并运用EDR软件，对装置中的换热器制因素;鉴于此，本文探讨200 kt/a甲醇装置精进行选型计算。馏系统的优化设计，以期满足甲醛生产对原料甲1设计基础资料醇品质的要求。在甲醇精馏工艺模拟过程中，产品甲醇质量参考取值范围比较苛刻的GB338一(1)产品规模200kt/a精甲醇2011国标优等品及美国联邦AA级标准。(2)年操作时间7200 h本文针对装置的实际要求，基于Aspen(3)生产方式连续生产Plus软件对四塔精馏过程进行全流程模拟;对(4)操作弹性60%~ 110% (负荷)收稿日期: 2014-03-15作者简介:姜涛(1964-)， 男，山东昌邑人，高级工程师，主要从事化工工程设计工作。，58●化工设计通讯第40卷(5)原料粗甲醇成分(见表1)2甲醇精馏系统模拟计算表1原料粗甲醇成分表% (wt)2.1工艺流程(图 1 )概述组分含量粗甲醇经预热器加热后进人预精馏塔，塔顶.一氧化碳0.0119正丁醇不凝气冷却后送出装置，塔底出料进人加压塔。二氧化碳0. 5327二甲基丙醇0. 012加压塔塔顶气相温度约127C，去常压塔再沸器氢气0. 0021乙酸甲酯0.008水5. 5373甲酸0. 0341作热源，冷凝液部分回流，另- -部分作为精甲醇甲烷甲酸甲酯0.018产品送出。加压塔塔底出料进入常压塔，常压塔氮气0. 004丙酮0. 0031塔底排出废水，塔顶精甲醇产品送出。常压塔侧氩气0. 2388丁酮0. 0014线采出液进人回收塔，回收塔塔底废水送出装甲醇93. 539 8庚烷.0. 0007置，回收塔侧线采出杂醇油送出装置，塔顶甲醇二甲醚0. 0006二甲基庚烷). 0007蒸气冷却后送回常压塔。常压塔塔底0.8 M Pa乙醇0.0143四甲基庚烷0. 0008(G)蒸汽冷凝液作为预精馏塔和加压塔预热器热.正丙醇0. 0154辛烷0. 0004源，以回收能量。脱盐水不凝气精甲醇.-✧预塔一冷预塔二冷精甲醇冷却器210%碱液(回流罐)→2 300 kg/h冷凝器冷凝器(回流罐)(回流罐)粗甲醇原料常D-09精馆塔日-收粗甲醇↑塔预热器|塔0.4 MPa蒸汽杂醇油冷却器0.8 MIPa燕汽o-杂醇油冷凝水J再沸器再沸器|再沸器0.4 MPa蒸汽L厂中L令9-✧!加压塔废水冷却器2回流罐a2精甲醇精甲醇冷却器1图1甲醇精馏 四塔工艺流程简图.2.2模型建 立及热力学方法运用AspenPlus软件对甲醇精馏四塔工艺粗甲醇属于非极性体系，可选的物性方法有过 程进行全流程模拟，结果见表2。WILSON、NRTL、UNIQUAC等。据文献及通过物料衡算，参照GB 338 - -2011 国标优现有装置模拟分析，预精馏塔及加压塔采用等品质量要求， 对本设计进行对标分析可以知UNIQUAC热力学方法，常压塔及回收塔选用道， 产品指标均达到要求;精甲醇产品纯度为NRTL热力学方法。精馏选用Radfrac 严格法精99. 99% (wt)、甲醇收率为99. 67%、蒸汽单耗.馏模型，换热器选用HeatX 模型，回流罐选用为 1. 09t、循环冷却水单耗为83. 24t,装置能耗Flash模型，输送泵选用Pump模型。水平达到国内先进水平。对标结果详见表3。计算过程采用Sensitivity及Optimization优3设备选型计算化工具对各塔塔板数、进料位置、温度、压力、回流比等操作参数进行优化设计。3.1精馏塔器2.3工艺过程模拟计算运用Aspen Plus软件Tray Sizing及Pack第2期姜涛等: 200kt/a甲醇精馏系统的优化设计●59●表2甲醇精馏装置工况及 物料平衡表物流号(对应图1)35791(温度/C39.680. 139. 6127.4122.040.097.5压力/kPa501. 3125. 0780. 5775.1779. 1819. 1104.0.129. 3159. 2气体分率0.01.0质量流量/kg/h29647.5 31624.5 323.0 47700.0 47700.0 15200.0 16424.5 12440.0 3804.5 180. 0.体积流量/m*/h177.171.922. 216. 13. 90.2密度/kg/m3739.7742.71.87. 5663.7774.8740.0774.8.978. 3948. 9组分(摩尔分率)-氧化碳0.00012 0. 00000 0. 01092 0. 00000 0. 00000 0. 00000 0. 00000 0. 00000 0. 00000 0. 00000二氧化碳0.00533 0. 00000 0. 48890 0. 00000 0. 0000 0. 00000 0. 00000. 00000 0. 00000. 000000.000020. 00000 0. 001930. 00000 0. 00000. 00000 0. 00000. 00000 0. 00000. 000 00水0.05537 0. 12464 0. 00008 0. 000000. 00000 0. 00000 0. 23999 0. 00000 0. 99435 0. 881 59甲烷0.000120. 00000 0.01101 0. 00000 0. 0000 0. 00000 0. 00000. 00000 0. 00000. 00000氮气0. 00040. 00000 0. 003670. 000000 0. 000000.00000 0. 00000 0. 00000 0. 00000 0. 00000.氩气0.00239 0. 00000 0. 219160. 000000. 00000 0. 00000 0. 00000 0. 00000 0. 00000 0. 00000甲醇0.93540 0.87452 0. 235150. 99999 0. 999 990.99990. 75841 0. 99990. 00001 0. 092 08二甲醚0.00001 0. 00000 0. 00055 0. 000000. 00000 0. 00000 0. 00000 0. 00000 0. 00000 0. 000000.000140. 00013 0. 00000. 00001 0. 000010. 00001 0. 000250. 00001 0. 000070. 020 99正丙醇0.00015 0.00014 0. 000000 0. 00000. 00000.00000. 00028 0. 00000.00111 0. 00188正丁醇0.000120. 000110. 00000. 00000 0. 0000 0. 00000 0. 000210. 00000 0. 000920. 000 15二甲基丙醇0.000120. 000110. 00000. 00000 0. 0000 0. 00000 0. 000220. 00000 0. 000930. 000 20乙酸甲酯.0.00008 0. 00000. 007340. 00000 0. 0000 0. 00000 0. 00000. 00000 0. 00000. 000 00甲酸0.00034 0. 00032 0. 00000. 00000 0. 0000 0. 00000 0. 000620. 00000 0. 002580. 00167甲酸甲酯0.00018 0. 00000. 016520. 000000 0. 00000.00000. 000000 0. 0000 0. 00000 0. 00000丙酮0.00003 0. 00001 0. 00232 0. 000000. 00000 0. 00000 0. 00001 0. 00001 0. 00000 0. 00000丁酮0.00001 0. 00001 0. 000050. 00000 0. 0000 0. 00000 0. 000020. 00000 0. 000030. 001 44庚烷0.00001 0. 00000 0. 00064 0. 000000. 00000 0. 00000 0. 00000 0. 000000. 00000 0. 00000二甲基庚烷0.00001 0. 00000 0. 000640. 00000 0. 0000 0. 00000 0. 00000. 00000 0. 00000. 00000四甲基庚烷0. 00001 0. 00000. 00073 0. 00000. 00000 0. 00000. 00000 0. 00000 0. 00000 0. 000 00辛烷0.00000 0. 00000 0. 00037 0. 000000. 00000 0. 00000 0. 00000 0. 000000. 00000 0. 00000Sizing模块对精馏塔器进行初步选型计算，结果表4甲醇精馏 塔器选型计算表见表4。项..目数值/规格预精馏塔表3甲醇精馏 装置模拟计算值对标表理论板数30. 00精馏段规整填料350Y ,总高度2.0m项目指标模拟计算值提馏段浮阀塔盘,共42块(实际值);总高度约18m产品指标塔高(切线)20 m塔径.8 m纯度/% (wt)≥99. 8599. 99加压塔乙醇/10- f(wt)≤1051两段规整填料350Y ,总高度10. 0m丙酮和乙醛/10 -°(wt)≤30浮阀塔盘,共32块;总高度约15m丙醛/10- 6(wt)塔高.30 m游离酸(HAC计)/10 -6(wt)2.6m常压塔碱度/10-“(wt)≤30.15水分% (wt)≤0.10浮阀塔盘,共73块;板间距0.45m废水中甲醇含量/10-6(wt)塔高40 m甲醇收率/%≥99. 299.672.2m回收塔甲醇产量/kg/h27 640. 0024进装置甲醇量/kg/h27 732.21两段规整填料350Y ,总高度6.0m燕汽单耗/t1.21.09两段规整填料350Y ,总高度6. 0m18 m循环冷却水单耗/L83. 24).8m60●化工设计通讯第40卷3.2换热器(3)方案设计过程中，采用双效精馏及换热运用EDR软件,对换热器进行初步选型计网络优化，降低了再沸器蒸汽用量，保证了蒸汽算，结果见表5。单耗低于l.2t的限额。表5换热器选型计算表(4)精馏塔器及换热器选型计算，提供了可序号设备名称型号供参考的设备选型方案。总而言之，本研究可为1粗甲醇预热器1 BEM400-4/4 -30.5-4.5/25 -41甲醇精馏系统的设计提供较为完备的工艺包。2预塔再沸器BEM1200-4/4-179.2-2. 5/32 -11参考文献:3预塔主冷凝器1BEM800-4/4-194.2-6/25-214预塔次冷凝器1 BEM550-4/4 -70.3-4.5/25 -41[1]董华.高硫煤综合利用甲醇生产危险有害性分析评价及预5加压塔第一预热器 1 BEM800-4/4 -234.5-6/25-11控[D].天津:天津大学学生论文，2012.6加压塔第二预热器 1 AEM300-4/4 -13.7-3/25 -21[2]褚立志，甲醇三塔精馏工艺[J].河北化工，2010，33加压塔再沸器2 BEM1400-4/4-289 -3/32 -11(6): 50~52.8加压塔顶后冷器1 BEM500-4/4-37.5-3/25 -21[3]黄风林，向小凤.甲醇精馏过程四塔流程模拟分析[J].9常压塔再沸器? BEM1800-4/4 -491.3-3/32 -11石油与天然气化工，2007，36 (l): 18~21.10常压塔冷凝器BEM1200 -4/4 -509.5-6/25 -11[4]牛宝玉，吴红超，王玉斌。甲醇装置三塔精馏运行总结11回收塔再沸 器1 BEM400-4/4-16.9-2.5/32 -11[J].化工设计通讯，2012. 38 (4): 80~82.12 回收塔冷凝器l BEM400-4/4 -21.9-3/25 -41[5]刘源贵，马希凯，兰文礼.三塔精馏技术在甲醇工业精馏13废水冷却器BEM500-4/4-41.2-3/25 -21中的应用[J]. 石油化工应用，2009，29 (2): 113~114.14杂醇油冷却器1 AEM300-4/4-12.1-3/25-21[6]葛方晋.三塔流程甲醇精馏技术的应用[J].小氮肥，15精甲醇冷却器I1 BEM500-4/4 -67.8-6/25-212007.35 (12): 12~14.16精甲醇冷却器IIBEM600-4/4-129.5-6/25-11[7]减楠.甲醇精馏工艺模拟计算与优化及新工艺研究[D].注:换热器主要材质均为CS(碳钢)。西安:西安石油大学硕士论文，2011.[8]薛长征。精甲醇中水含量的优化控制[J]. 中国化工贸易，4总结2012，4 (9): 102.[9]陈金。焦炉掺烧甲醇弛放气提高甲醇产量的工艺及装备研(1)通过模拟优化设计，本四塔甲醇精馏装究[D]. 天津:河北工业大学硕士论文，2011.置生产的精甲醇纯度高、收率高;装置能耗低，[10] 田旭，刘小英，秦丽萍，等。甲醇精馏工艺流程分析蒸汽单耗仅为1.09t,循环冷却水单耗为83. 24[J].小氮肥，2011. 39 (11): 1~5.t;环保水平高，废水中甲醇含量仅为12X[11]孟旭光，张云玲，王剑锋。甲醇精馏过程节能降耗初探[J].化学工业与工程技术，2013, 34 (1); 36~39.10-°，远低于30X 10。的限额。[12]张锐.年产50万吨甲醇精馏装置的数值模拟计算及优化(2)全流程模拟中，选择了合适的热力学模[D].天津:天津大学研究生论文，2012.型及设备模型，采用优化工具对操作参数进行处[13] 王宗涛，杨龙慧.甲醇精馏操作优化[J]. 化工设计通理，以降低能耗，并得出了优化的设计方案。讯，2013，39 (2):70~71.(上接第47页)液，具有一定的利用价值。3.结语高洗器来循环加热器调温热水来在CO2汽提法尿素装置中，各冷却设备均XH自通过循环水换热，某些物料工艺上要求换热后温精热能回收段馆X度较高，这将会使换热后循环水温度较高，导致塔去调温|冷却设备内结垢，影响换热效果，进而影响到系水泵↓统的稳定运行。在实际生产中，据具体情况，对图2增加热能回收段后高压调温水流程换热后工艺上要求温度较高的物料,应对该部分中H2含量较高，在爆炸限以内，为了装置的安热量予以回收，以达到节能降耗的目的。以上是全运行，高压调温水温度控制在110~120 C之笔者对实际生产中装置热能回收的- -些认识，期间，此时回水温度在135 °C以上，利用它加热尿待与同行们进行交流，如有不足之处，请指正。