焦?fàn)t煤氣制甲醇裝置循環(huán)氣量的優(yōu)化

李慧林

(山西焦煤集團(tuán)五麟煤焦開發(fā)有限責(zé)任公司，山西 汾陽 032200)

引 言

甲醇作為當(dāng)前工業(yè)中不可或缺的有機(jī)原料，其生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量備受關(guān)注。以往制備甲醇的主要原料為煤。隨著甲醇制備技術(shù)不斷改進(jìn)以及相應(yīng)催化劑的應(yīng)用，焦?fàn)t煤氣制甲醇(CTM)成為制備甲醇的新型方法[1]。該方法不僅提升了焦?fàn)t煤氣的利用率，而且該方法制備甲醇還具有成本較低、污染較小的優(yōu)勢。

在實際焦?fàn)t煤氣制備甲醇的過程中發(fā)現(xiàn)，甲醇合成反應(yīng)的單程轉(zhuǎn)化率較低，大量未反應(yīng)的焦?fàn)t煤氣經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)進(jìn)入甲醇合成器中。而經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)進(jìn)入甲醇合成器中的焦?fàn)t煤氣不僅增加了壓縮機(jī)的功耗，而且對壓縮機(jī)進(jìn)口物流組成造成一定的影響[2]。本文基于Aspen Plus軟件對焦?fàn)t煤氣制備甲醇的工藝進(jìn)行模擬分析，并定量分析循環(huán)氣量對設(shè)備性能、產(chǎn)品產(chǎn)量以及設(shè)備能耗等方面的影響，最終以降低壓縮機(jī)功耗為目標(biāo)實現(xiàn)對焦?fàn)t煤氣制備甲醇循環(huán)氣量的優(yōu)化。

1 研究背景及手段

焦?fàn)t煤氣制備甲醇反應(yīng)主要包括預(yù)處理、甲烷轉(zhuǎn)化、甲醇合成以及甲醇精餾4個階段，其工藝流程圖如圖1所示。

焦?fàn)t煤氣經(jīng)過上述一系列工藝后進(jìn)入六級循環(huán)壓縮機(jī)，并將其所得產(chǎn)物壓力提升至6.8 MPa后送至甲醇合成塔。流經(jīng)甲醇合成塔后的氣體經(jīng)閃蒸處理后分離成閃蒸氣和液體粗甲醇[3]。上述所得閃蒸氣去向分為兩部分，一部分循環(huán)且提壓后進(jìn)入合成塔中，另一部分排放至系統(tǒng)之外。本文所優(yōu)化的項目為上述循環(huán)至甲醇合成塔中的閃蒸氣。

圖1 焦?fàn)t煤氣制備甲醇工藝流程圖

2 焦?fàn)t煤氣制甲醇模型的搭建與驗證

2.1 焦?fàn)t煤氣制甲醇模型的搭建

參考圖1所示的制備甲醇工藝流程圖，采用Aspen Plus軟件搭建焦?fàn)t煤氣制備甲醇模擬流程圖(如第48頁圖2所示)。

完成模型的搭建后，對各個工序的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。由于焦?fàn)t煤氣制備甲醇的系統(tǒng)為高溫高壓系統(tǒng)，故模型主要采用PR-BM物性方法；FLASH1選用的物性方法為NRTL-RK；精餾工藝采用的物性方法為NRTL-RK[4]。

2.2 焦?fàn)t煤氣制甲醇模型的驗證

為確保2.1中所搭建的模型與實際生產(chǎn)的模型相匹配，采用現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)值與模型所得數(shù)據(jù)值進(jìn)行對比，對比結(jié)果如第48頁表1所示。

經(jīng)驗證可知，上述所搭建的焦?fàn)t煤氣制備甲醇的模型與實際工藝相符。

2.3 壓縮機(jī)性能曲線分析方法

焦?fàn)t煤氣制備甲醇所采用壓縮機(jī)的形式為離心壓縮機(jī)，對該型號離心壓縮機(jī)性能曲線的分析需采

圖2 焦?fàn)t煤氣制備甲醇模擬流程圖

表1 焦?fàn)t煤氣制甲醇模型驗證統(tǒng)計表 %

用壓縮機(jī)性能曲線換算方法實現(xiàn)[5]。具體分析手段為采用壓縮機(jī)基本計算公式、壓比換算式以及軸功率換算公式得出在不同條件下離心壓縮機(jī)的性能曲線。

基本計算公式如式(1)～(3)所示。

ε=P2/P1

(1)

Z=P/ρRT

(2)

m=(lgP2/P1)/(lgP2/P1-lgT2Z2/T1Z1)

(3)

3 參數(shù)優(yōu)化分析

根據(jù)實際焦?fàn)t煤氣制備甲醇工藝條件，設(shè)定循環(huán)氣量大小為323 786 m3/h，循環(huán)氣體密度為16.5 g/mL，壓縮入口氣體分子質(zhì)量大小為9.22。

3.1 循環(huán)氣量參數(shù)的優(yōu)化分析

經(jīng)對某廠焦?fàn)t煤氣制甲醇工藝流程中CO和CO2單程轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行測試可知，其轉(zhuǎn)化效率僅為53%和20%。故，需將閃蒸氣提壓后循環(huán)送至甲醇合成塔中。若在實際生產(chǎn)中的循環(huán)量不足，會由于利用不充分而造成資源浪費；若循環(huán)量過大，則會造成壓縮機(jī)的功耗增大，增加生產(chǎn)成本。

合成氣體、第六級壓縮機(jī)入口氣體分子質(zhì)量、甲醇產(chǎn)量以及壓縮機(jī)能耗隨著循環(huán)氣流量的變化趨勢如第49頁圖3所示。

分析圖3可知，隨著循環(huán)氣流量的增加，合成氣中CO、CO2以及N2含量逐漸降低，H2含量逐漸升高，且變化趨勢如3a)所示；合成氣的分子質(zhì)量變化趨勢如3b)所示；如3c)所示，精甲醇的產(chǎn)量隨著循環(huán)氣流量的增加而增加，反之粗甲醇產(chǎn)量降低，即說明循環(huán)氣量的增加在一定程度上提高甲醇精餾單元的能耗。

3.2 壓縮機(jī)性能優(yōu)化分析

由圖3d)中的曲線可知，隨著循環(huán)氣流量的增加，壓縮機(jī)的能耗逐漸增加，但是在實際生產(chǎn)中壓縮機(jī)能耗變化并非如此，故采用性能曲線換算方法對壓縮機(jī)的性能進(jìn)行分析，并校正壓縮機(jī)的能耗。

首先，將壓縮機(jī)入口的各個參數(shù)帶入公式中，得出MW=9.83和MW=10.52情況下的壓比曲線和軸功率性能曲線，并與原始條件下MW=9.22的曲線進(jìn)行對比，如第49頁圖4所示。

分析圖4可知，入口氣體分子質(zhì)量的增加導(dǎo)致壓比和軸功率的曲線上移。由于循環(huán)氣量的增加會導(dǎo)致入口氣體分子質(zhì)量的降低。因此，循環(huán)氣量的增加會使得壓縮機(jī)性能曲線的下移。

圖3 循環(huán)氣流量對產(chǎn)量、能耗以及性能的影響

其次，根據(jù)軸功率換算公式得出在不同循環(huán)氣量下壓縮機(jī)的功率曲線，并對壓縮機(jī)的功耗進(jìn)行校正。如圖5所示為不同循環(huán)氣量下壓縮機(jī)功耗校正值與模擬值的對比曲線。

分析圖5可知，壓縮機(jī)的功耗隨著循環(huán)量的增加呈現(xiàn)上凸型曲線增長。當(dāng)循環(huán)氣量小于323 786 m3/h時，校正值大于模擬值；當(dāng)循環(huán)氣量大于323 786 m3/h，校正值小于模擬值。隨著循環(huán)量的增加使得壓縮機(jī)軸功率達(dá)到其上限值，此時電機(jī)不能滿足生產(chǎn)需求。因此，將循環(huán)氣量的優(yōu)化上限設(shè)定為323 786 m3/h。

3.3 經(jīng)濟(jì)優(yōu)化分析

不斷循環(huán)氣量下的新增收入如圖6所示。

以企業(yè)新增收入為目標(biāo)函數(shù)，以循環(huán)氣量的優(yōu)化上限為限制條件，不斷優(yōu)化設(shè)備的循環(huán)氣量。其中，目標(biāo)函數(shù)如式(4)所示。

圖4 壓縮機(jī)性能曲線

圖5 壓縮機(jī)功耗校正曲線圖

圖6 循環(huán)氣量與新增收入的關(guān)系曲線

(4)

式中：Y、Y0為優(yōu)化后和原始的甲醇馳放氣的產(chǎn)量，kg/h；P為甲醇馳放氣的價格，元；E、E0表示優(yōu)化后和原始設(shè)備能耗，kW；PE表示單位設(shè)備能耗的價格，元。

基于上述分析可得，本系統(tǒng)焦?fàn)t煤氣制甲醇設(shè)備的最有循環(huán)氣量為390 000 m3/h，且其每天的新增收入可達(dá)365萬元。

4 結(jié)語

本文以Aspen Pluse軟件為平臺，搭建焦?fàn)t煤氣制甲醇的模型，并根據(jù)現(xiàn)場所測數(shù)據(jù)對所搭建模型進(jìn)行驗證。依據(jù)該模型研究循環(huán)氣量與合成氣體積分?jǐn)?shù)、氣體分子質(zhì)量、能耗以及產(chǎn)量之間的關(guān)系。此外，基于該模型對壓縮機(jī)的性能曲線進(jìn)行分析和校驗，并最終以新增收入為目標(biāo)函數(shù)實現(xiàn)了對循環(huán)氣量的優(yōu)化。