李慧林

(山西焦煤集團五麟煤焦開發(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)壓縮機進入甲醇合成器中。而經(jīng)循環(huán)壓縮機進入甲醇合成器中的焦?fàn)t煤氣不僅增加了壓縮機的功耗，而且對壓縮機進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入六級循環(huán)壓縮機，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 壓縮機性能曲線分析方法

焦?fàn)t煤氣制備甲醇所采用壓縮機的形式為離心壓縮機，對該型號離心壓縮機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 %

用壓縮機性能曲線換算方法實現(xiàn)[5]。具體分析手段為采用壓縮機基本計算公式、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，則會造成壓縮機的功耗增大，增加生產(chǎn)成本。

合成氣體、第六級壓縮機入口氣體分子質(zhì)量、甲醇產(chǎn)量以及壓縮機能耗隨著循環(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，壓縮機的能耗逐漸增加，但是在實際生產(chǎn)中壓縮機能耗變化并非如此，故采用性能曲線換算方法對壓縮機的性能進行分析，并校正壓縮機的能耗。

首先，將壓縮機入口的各個參數(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)氣量下壓縮機的功率曲線，并對壓縮機的功耗進行校正。如圖5所示為不同循環(huán)氣量下壓縮機功耗校正值與模擬值的對比曲線。

分析圖5可知，壓縮機的功耗隨著循環(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軸功率達到其上限值，此時電機不能滿足生產(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 壓縮機性能曲線

圖5 壓縮機功耗校正曲線圖

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)對所搭建模型進行驗證。依據(jù)該模型研究循環(huán)氣量與合成氣體積分數(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的性能曲線進行分析和校驗，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。