焦爐煤氣合成甲醇建模與優(yōu)化

焦爐氣合成甲醇建模與優(yōu)化化工過程系統(tǒng)分析與合成大作業(yè)化工2班肖惠瑜黃幸童張婷婷鄭龍2015/5/91研究背景甲醇是一種久用的傳統(tǒng)化工產(chǎn)品。在農(nóng)藥，醫(yī)藥，染料，香料，涂料以及三大合成材料生產(chǎn)中都需要甲醇作為原料或作為溶劑。因此，甲醇是一種有著廣泛用途的重要的有機化工原料，甲醇工業(yè)生產(chǎn)對其他相關(guān)工業(yè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展都有著重要意義。隨著經(jīng)濟全球化進程的發(fā)展,21世紀的化學(xué)工業(yè)，其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)正在不斷調(diào)整，日益突出了精細化工的主體地位。近幾十年來，特別是我國甲醇工業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模逐漸擴大，下游產(chǎn)品種類不斷增加，社會需求越來越大。因此,迫切要求對甲醇合成過程進行優(yōu)化操作和控制?；瘜W(xué)工業(yè)的巨大變遷也使得化學(xué)產(chǎn)品設(shè)計變得日益重要。甲醇是一種符合現(xiàn)代“清潔工藝”要求的環(huán)保型化工原料，受到了國內(nèi)外化工界的廣泛重視，可以作為一種新型的燃料，因此甲醇項目的建設(shè)對于如今能源短缺的問題，也起到一個緩沖的過程。合成甲醇的工業(yè)生產(chǎn)是以固體（如煤、焦炭）、液體（如原油、重油、輕油）或氣體（如天然氣及其它可燃性氣體）為原料，經(jīng)造氣、凈化（脫硫）變換，除二氧化碳，配制成一定配比的合成氣。在不同的催化劑存在下，選用不同的工藝條件可單產(chǎn)甲醇（分高、中、低壓法），或與合成氨聯(lián)產(chǎn)甲醇（聯(lián)醇法）。將合成后的粗甲醇經(jīng)預(yù)精餾脫除甲醚，再精餾而得成品甲醇。自1923年開始工業(yè)化生產(chǎn)以來，甲醇合成的原料路線經(jīng)歷了很大變化。20世紀50年代以前多以煤和焦碳為原料；50年代以后，以天然氣為原料的甲醇生產(chǎn)流程被廣泛應(yīng)用；進入60年代以來，以重油為原料的甲醇裝置有所發(fā)展。對于我國，從資源背景看，煤炭儲量遠大于石油、天然氣儲量，隨著石油資源緊缺、油價上漲，因此在大力發(fā)展煤炭潔凈利用技術(shù)的背景下，在很長一段時間內(nèi)煤是我國甲醇生產(chǎn)最重要的原料。焦爐煤氣，又稱焦爐氣，屬于高熱值煤氣，粗煤氣或荒煤氣。是指用幾種煙煤配制成煉焦用煤，在煉焦爐中經(jīng)過高溫干餾后，在產(chǎn)出焦炭和焦油產(chǎn)品的同時所產(chǎn)生的一種可燃性氣體，是煉焦工業(yè)的副產(chǎn)品。其主要成分為氫氣和甲烷，另外還含有少量的一氧化碳、C2以上不飽和烴、二氧化碳、氧氣、氮氣。各組分含量見下表。組分H2COCO2N2CH4CHnm組成/%(體積分數(shù))55-596-8.51.5-2.53-3.524-262-2.5表1-1典型焦爐煤氣主要成分O20.3-0.8主反應(yīng):CO2+3H2=CH3OH+H2OCO+2H2=CH3OH焦爐煤氣中的CH4可在轉(zhuǎn)化爐中經(jīng)部分催化氧化轉(zhuǎn)變?yōu)镃O,最后調(diào)整碳氫比，使CO：H2>2即得到合成氣。組分COCO2H2CH4N2含量％18.486.3171.560.692.96表1-2新鮮合成氣的組成HO20同時，焦爐煤氣可以合成LNG，我小組旨在建立焦爐煤氣合成甲醇的化工模型，并通過分析提出優(yōu)化方案，合理配置LNG與焦爐煤氣的生產(chǎn)。2合成方法選用2.1常用的合成方法當今甲醇生產(chǎn)技術(shù)主要采用中壓法和低壓法兩種工藝，并且以低壓法為主，這兩種方法生產(chǎn)的甲醇約占世界甲醇產(chǎn)量的80%以上。高壓法：(19.6-29.4Mpa)是最初生產(chǎn)甲醇的方法，采用鋅銘催化劑，反應(yīng)溫度360-400°C，壓力19.6-29.4Mpa。高壓法由于原料和動力消耗大，反應(yīng)溫度高，生成粗甲醇中有機雜質(zhì)含量高，而且投資大，其發(fā)展長期以來處于停頓狀態(tài)。低壓法：(5.0-8.0Mpa)是20世紀60年代后期發(fā)展起來的甲醇合成技術(shù)，低壓法基于高活性的銅基催化劑，其活性明顯高于鋅銘催化劑，反應(yīng)溫度低(240-270C)。在較低壓力下可獲得較高的甲醇收率，且選擇性好，減少了副反應(yīng)，改善了甲醇質(zhì)量，降低了原料消耗。此外，由于壓力低，動力消耗降低很多，工藝設(shè)備制造容易。

中壓法：(9.8-12.0Mpa)隨著甲醇工業(yè)的大型化，如采用低壓法勢必導(dǎo)致工藝管道和設(shè)備較大，因此在低壓法的基礎(chǔ)上適當提高合成壓力，即發(fā)展成為中壓法。中壓法仍采用高活性的銅基催化劑，反應(yīng)溫度與低壓法相同，但由于提高了壓力，相應(yīng)的動力消耗略有增加。目前，甲醇的生產(chǎn)方法還主要有①甲烷直接氧化法：2CH4+O2-2CH3OH.②由一氧化碳和氫氣合成甲醇，③液化石油氣氧化法2.2本設(shè)計所采用的合成方法比較以上三者的優(yōu)缺點，以投資成本，生產(chǎn)成本，產(chǎn)品收率為依據(jù)，選擇低壓法為生產(chǎn)甲醇的工藝，用CO和H2在加熱壓力下，在催化劑作用下合成甲醇。2.3合成工藝焦爐氣經(jīng)過處理后得到合成氣，進一步合成甲醇。圖2-1焦爐氣制甲醇合成氣流程1.氣柜2.煤氣壓縮機3.鐵鉬反應(yīng)器4.脫硫槽5.加熱爐6.部分氧化爐7.氧壓機8.分離器9.脫硫槽甲醇的合成是可逆放熱反應(yīng)，為使反應(yīng)達到較高的轉(zhuǎn)化率，應(yīng)迅速移走反應(yīng)熱，本設(shè)計采用Lurgi管殼式反應(yīng)器，管程走反應(yīng)氣，殼程走4MPa的沸騰水。

圖2-2Lurgi低壓法甲醇合成工藝流程1.透平壓縮機2.熱交換器3.鍋爐水預(yù)熱器4.水冷卻器5.甲醇合成塔6.氣包7.甲醇分離器8.粗甲醇貯槽得到粗甲醇后，經(jīng)過三塔精餾制得精甲醇產(chǎn)品。3化工建模由于化工過程系統(tǒng)的復(fù)雜性，一般情況下需要對真實的化工系統(tǒng)進行一定的簡化?；つＰ偷闹饕攸c是對客觀過程的物理實質(zhì)進行抽象、概況和合理的簡化。簡化的目的是使建立的模型能過用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)工具進行求解。將復(fù)雜的化工過程簡化為模型，有利于分析和優(yōu)化。建模前要分析系統(tǒng)的物料流、能量流、設(shè)備流以及信息流，此處建模主要從物料量和設(shè)備流入手，只對三塔精餾部分建模。圖3-1甲醇合成流程圖

CO循環(huán)氣反應(yīng)預(yù)熱馳放氣不凝氣圖3-2三塔精餾示意圖3.1數(shù)學(xué)建模CO循環(huán)氣反應(yīng)預(yù)熱馳放氣不凝氣圖3-2三塔精餾示意圖數(shù)學(xué)模型的特點是簡化，用數(shù)學(xué)模型模擬實際過程變量關(guān)系。它的近似程度的關(guān)鍵是簡化的合理性，即簡化的物理模型是否合理。圖3-3精餾過程流程簡圖對圖中各部分進行物料衡算:方冉淑批，c.對1%|-佛I璀1初jRx護用枷吒所\F」X由吁典xmM加\FiXc疽Fm粘*十「#您.JRXw，=FtfacingIFi戲4f~F坷7c■料成—瓦—Kx*/sl菖*從lF心3*壽｝3玉京:I￥￡qIJ-FmXiffjf?今鈉JfwXcffjil-知X[HF”明M=h?XHi以'珀二Rvn港.)FkXa—=FhX臉I(yè)F/jx^/?=Ff^a/?F，，n-ftjXcu對*.樣滯儲5、F$加沛。g+H?fsjR燦吁「以加上+F&如、Fw心七*左"代'果拉富冉潞?'■Fit沛

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加e￥琳J圖3-4物料衡算(列出約束方程)經(jīng)分析共56個獨立方程，共21股物流，計算得自由度為22,故所建模型合理。3.2結(jié)構(gòu)建?；は到y(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，要求把系統(tǒng)各單元設(shè)備之間的相互關(guān)系以及物流或能流的輸入輸出關(guān)系表示出來。這種關(guān)系可以用結(jié)構(gòu)單元圖表示，結(jié)構(gòu)單元圖也可稱為有向圖，有向圖用數(shù)學(xué)的形式表示，就得到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型。有向圖的數(shù)學(xué)表示常有關(guān)系矩陣、過程矩陣和鄰接矩陣。采用鄰接矩陣表示有向圖，可進一步找出回路，確定序貫?zāi)Ｐ偷挠嬎愦涡颉D3-5精餾部分有向圖圖3-6鄰接矩陣圖?斯膈回路Ej*II3I；件&以u日％0V9D&0o090000j*II30]0『（？Q。Iop#。。D-ft也m-圖3-7選擇切斷物流示意圖假談愕一知L3］段詢成曰冬ST糧藹，—沏』產(chǎn)4分析優(yōu)化4.1生產(chǎn)配置優(yōu)化假設(shè)該廠除了生產(chǎn)甲醇，還利用焦爐煤氣生產(chǎn)LNG,兩種產(chǎn)品共用一個倉庫。通過優(yōu)化分析確定兩種產(chǎn)品每天生產(chǎn)的桶數(shù)，使得該系統(tǒng)每天的利潤最大。產(chǎn)品（桶）A甲醇BLNG所需焦爐氣（m3/桶）5020儲存面積（m2/桶）1.264生產(chǎn)速度（桶/小時）550利潤（元/桶）26507415假設(shè)每天可用焦爐氣為1000m3，儲存面積為50m2，每天最多生產(chǎn)10小時。設(shè)每天生產(chǎn)甲醇％桶，生產(chǎn)LNGx2桶列出優(yōu)化方程：MaxJ=2650xi+7415x250x1+20x2W10001.26x1+5x2W50x1/5+x2/50W10計算得當x】=17,x2=7時，MaxJ=96955,每天共需要焦爐氣990m3,共需要儲存面積49.42m2,每天只需要生產(chǎn)3.54小時。4.2再沸器負荷優(yōu)化（思路）通過改變塔2塔頂?shù)牧髁渴顾?塔底再沸器的熱量可完全由塔2提供。優(yōu)化方法：在aspen中輸入目標函數(shù)（塔2再沸器熱負荷Q2），使塔3的產(chǎn)品符合要求。作業(yè)心得：實際的化工生產(chǎn)過程比書本上的復(fù)雜很多，且難以做實驗，如果要模擬整個過程或者做一些改進只能在計算機上進行。因此化工過程系統(tǒng)分析與合成這門課意義重大，有助于我們解決實際問題。建?？煞譃楹铣珊头治鰞纱箢悾覀兪前凑蘸铣傻乃悸穪硗瓿勺鳂I(yè)。首先要建立模型，該流程設(shè)計到的物料較多，建模過程復(fù)雜，但我們還是沉下心來認真地建立了數(shù)學(xué)模型，并通過自由度分析確保了模型的可行性。繼而是建立結(jié)構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)模型與數(shù)學(xué)模型相比較為簡單，使用ASPEN模擬過程時，可根據(jù)回路矩陣法確定撕裂物流，有利于收斂。在做分析優(yōu)化時，我們了解到焦爐煤氣還能作為LNG的生產(chǎn)原料，于是假定有LNG和甲醇這兩種產(chǎn)品，通過列方程和exce