101.低温甲醇洗系统模拟与分析

一 第 l期 张述伟陆明亮辣志武低温甲醇洗系统模拟与分析 2 5 ( 大 连 大 学 大 连 市1 1 6 0 1 2 ) 。 2 z 掩赛舟绍了低温甲醇冼系统模扭软件 R P S 。 应用奉软件对低温甲醇洗系统进行了摸担计算， 设计工况的 计算结果与设计救据符台 良好， 实际工况的计算 ， 在生产流程与设计漉程有改动、 操作条件与设计值 嗡离较大 的情况下， 计算结果与现场实测值也符台 良好 ， 说明 R P S软件符音生产实际， 可 以用于工程设计中的工艺计算、 实际生产的模拟分析以厦操作条件的优化。 关 键 谓竺 兰 竺 模 担分 析计 算 ： S i m ul a t i o n a nd ana l y s i s 0 f Re c t i s o l pr o c e s s Zh a n g S h u we i Lu Mi n gl i a n g Xu Zh i wu At r a c t The a r t l c a I p r e en t s a$ o t wa r e f o r Re c t i s oI p r o c e ss S I mu 亡 0r ( RPS) Us i n g Th i s s 0wa r e i n s _血 u I a d c a l c u l a t i o n f o r t h e r e c t i s o l p r o c e s s，t he ob t a i n e d pr o c e s s e nd i t u i n s e f a i r l y a gr e e a bl e t o t ha n e 0 f d e - s n l1 g d n t a Mo r e o v e r ， e e n wh e n t h e a c t u n l p r o c e s s s c h e me a n d o p e r a t iot t r a t h e r c o s i d 灯a b J y d e v km f r o m de s ignt the c a l c ul a t c i l g ul t s ar e s t i l l_ ke e p l l g wi t h t ho e f r o m fie l d 虮e 蚪 r e me t Th e s e s t u di e s h av e d e m D n 5 t r 丑 0 e d t h a t t h e RP S s 0 t wa r c o n r m$t t3 p r o d u c t io n r e a l i t y a n d i s a p p l i c a b le t o t h e p r c c e s t a l e l 1 l a t i o n i n e ng i a e e r i ng de s i g ni n gt h e s _血 u d。 e a t ml ys ls f or p r a c t i c a l p r o du c t i o n a n d t he o pt i mi z ioa of o pe r a t i on a l c o n d t l o n s Ke y wo r ds Lo w t e mp er a t u me t ha ao l b_ n g( Re 0 I p r o c e s s )， RPS 0 nwa ，S i mu l Mioat Ana l ys i st Co m p ut a t iot 1 前吉 低 温 甲醇洗 净 化法 ( Re c t i s o 1 ) 是 由 德国 L i n d e公司和 L u r g i 公 司在 5 O 年代 共 同开 发 的一种气体净化方法。 由于它具有以下优点 ， 即 ： 可 以 同时 脱 除 H： S 、 C O 等 多 种 有 害 组 分 ； 净化度高 ， 净化气 中含硫 量小于0 1 p p m， C O： 含 量小于 1 0p p m 甲醇 吸收 能力大 ， 溶液 循环 量小 ， 能 耗较 低 ； 甲醇 又具有较好的热稳 定性和化学稳定性， 吸收酸性气体后不发生 降解 ； 在低温下 甲醇牯度 小 ， 具有 良好 的传热 和 传质性能 ； 甲醇选择性好 ， 同一条 件下 C O： 收修 改橱 日期l 9 9 2 l l l 8 本文作者还有来明秋、 范卫东、 俞褡国。 在 甲醇中的溶解度 比H。 、 N： 等惰性 气体大得 多 ， 而 甲酵 中 H： s比 C O： 有更 大 的溶解度 和 吸收速度 ， 这不 仅降低了 H。 、 N： 的损失 ， 而且 可用分级 膨胀 的方法得到高纯度 的 CO： 以满 足尿素生产的要求， 因而低温 甲醇洗净化法 被 广泛应 用于以渣油或煤 为原 料的制氨以及 城 市煤 气化 等工 业上 。 我 国引进 的以 渣油或 煤 为原 料 的制氯 装置都 采用这 种净 化 工艺 为了 消化 、 吸收和改进此工 艺 ， 我们开 发成功 了低温甲醇洗系统模拟分析软件 ( R P S ) 。 此 软件可用于工程设计中的工艺计算 、 实际生 产 的 模拟 分 析 ， 用来 指 导 生 产 、 降 低操 作 费 用 ， 也可用于操作条 件的优化 。 维普资讯 2 6 氮肥设计 1 9 9 4年 第 3 2卷 n 呻 h 2 0 l l l l r 古 1 n 解 r。 甲 一-I 6 _ 一 J 南 r c h 者 j 臣 罟 1 1 一 l r = 1 葛 I 。 帚 丑 苫 Id u l 2 l i - - 一 - L ； J 南 L J。 I r 1 昔 ： _ j 厂 I艨 J L l 斗 u斗 田一 【_h 兰 g 曼 至 1 r ： = 8 1 _ 一 l ： 重 一 1 煎 臻 姆 曹寒 孝 嚣 鼠窜_【西 维普资讯 睫 第 l期 张述 伟陆 明亮绦志武低媪甲醇洗系统横批与分蚜 2 7 2 低温甲醇洗工艺简介 低 温 甲醇 洗 系统 的信 息流程 图如 图 l 所 示 。 原料气在低温甲醇洗涤塔( C 1 ) 中用低 温 甲酵洗 涤 ， 脱除 H s和 C Oz 等组分 。 净化 气 由塔 顶 引出。 吸收 了 H： s和 c 的 甲醇 富渡 经减 压 闪 蒸解 吸 后在 CO 解 吸塔 ( C2 ) 顶 得 到纯 净的 C O 气体 供尿素生产用 解吸后 的 甲醇液 在 H s浓缩 塔 ( c3 ) 进 一 步 用氮气 提 解 吸 ， 提 高液相 H! s浓 度 ， 尾气 放空 I 得到 进 一 步解 吸后 的 甲醇液在 甲醇再 生 塔 ( c4 ) 进 行热 再生 塔 底得到贫 甲醇 ， 送 往低温 甲醇洗 涤塔 ( CI ) 循 环使 用 ， 热 再生塔 顶得到 Hz s浓 度较高 的气体 ， 遂克 劳斯 硫回收 系统进 行 硫 回收 脱水塔( c5 ) 用以脱除 甲醇中的水分 ； 系统中近二十台的换热器组成的换热阿络甩 以回收冷 量并保证 必要 的工艺条件 。 3 低 温 甲 醇 洗 工 艺 流 程 模 拟 系 统 ( RP S ) 的基本性能 低 温 甲醇洗工艺精 t 程模 拟系统 ( Re e t i s o l p r o c e s s S i mu l a t 0 r RP S ) 是 采用高级程序 设计技 术研 制成 的先进 专 用流程模 拟 系统 。 R PS的 开发 旨在 为工 程 师提 供 一 个能 进行 低 温 甲醇 洗工 艺流 程模拟计 算 的有力工 具 。 系统 的设 计具有 以下持点 ： 数学 模 型可靠 能 够进行全流程及流程中各单元设备的精确模 拟 计算 ； 具有友好的人机界面 ( 菜单驱动方 式) 对用 户的要求低 ； 系统 易于 扩充和改 进 。 RP S系统 是 由总 调度 程 序 、 数 据 库 、 单 元模 块 库、 热 力学 横塑 库 、 数学 方 法 厍 图形 库 、 输出工具库 以及 人机界面等部分组成 。 系 统 的总体结构如 图 2所示。 总 调 度 程 序及 用 户界 面 是 采 用 P R O L OG 语言编写的 。其它库 是采 用 F ORTR一 圈 2 RP S总 体 结 构 圈 A N语言以及 c语言编写的。数据库管理系 统 提供 了流程构型 、 物 流、 单元设备参数及模 拟结果 数据 的综台 管理功 能 ， 通过 用户 界面 用户可 以交 互式地 完成 上述数 据的编 辑 、 查 询等工作 ； 总调度程序在实现流程 目动切割 、 排定计茸顾 序 以及单 元模块调度等功能 的基 础 上 ， 允 许用 户在 启动模拟 任务 以后翘 时控 制计 算进 程 ， 即可 以暂停 正在运行 的进程 ， 允 许用 户查看 当前收 敛状 态 以及 修 改有 关 数 据 ， 然后 继续 执行 ， 这在计算 方案的调试中尤 其显得方便和必要 图形 库具有流程图与信 息流图以及重要单元设备简图包括它们的设 计参数等的显示功能； 单元模块库提供的多 级多组分分离模块可用于复杂塔计算， 多功 能 模块 可用于单级等温及绝热 闪蒸 、 节流 阀、 混合器、 冷却器、 加热器等的计算 ； 热力学模 型库 中存放 了系统模拟 计算 时所 采用的热力 学模型， 包括计算汽液相逸度与焓的 P R方 程 、 马丁 一 侯方 程和 L e e Ke s l e r状卷 方程 ； 输 出工 具库提供 了适用的输 出模块 。 本软 件 可 以完 成新 装 置 设 计 的工 艺 计 算 ； 生产厂标定工况的校核与操 作条件的模 拟分析 ， 寻 求最优操作条件 以及老 厂改造 中 不 同方案的 比较 与筛选 。 4 热力学摸型与计算方法 本软件采 甩热力学 模型 库中提供的状 态 维普资讯 2 8 氮肥设 计 1 9 9 4年 第 3 2卷 方 程计算 汽液相 的逸 度及焓 ， 并用 实验数 据 加 以改进 。 流程 回路 物 流 的切 割 采 用 文 献。 的方 法 ， 回路 的识 别 物 流切割及 排 序同 时完成 。 本系统采用序贯模块法进行模拟计算。 吸收 型塔 ( C1 、 C 2 、 C3 ) 采 用新 松 弛法和 流量加和 ( s R) 方法求 汽相组成 及流量分 布 ， 采用 Ne wt o n - Ra p h s o n法求 温度分 布 。 精 馏型塔 ( C4 、 C5 ) 采用新 松弛 法求液 相 组成， 泡点法求汽相组成、 温度分布。 换热 器 的计算 采 用传热 单元 数法 ， 给 定 冷 热物流的入 口温度 、 流量等 信息 ， 求 出冷 热 物流 的 出 口温度 ， 再根 据进 出 I= 1 温度计 算 其热负荷 。 泵的模拟简化为增加压差， 这种处理是 根据 甲醇洗流程 的实 际作出的 。 分割 器是 由一股物流分配成不 同流量 的 两股物流的设备 。本软件可指定分配 流量 的 比率或某 一流股的量 。 对于闪蒸、 混合、 节流等单元的模拟算 法 ， 考虑到这几 个单元过程都 涉及单级的汽一 渡平 衡 计算 问题 ， 所不 同的是进 出物料 的流 股数 不同 ， 因此将 这几 个单元过 程合 并 为同 一 模块采 用相 同的算法进 行计算， 即采 用 N e w t o n -R a p h s o n法来求解物料平衡、 热量 平衡、 汽液平衡以及分子分数加和方程。 5 设计工况及实际工况的模拟 计算与 分 析 为考 筷本软 件的 实际功 能 ， 以 引进的 渣 油 制氨 中的 甲醇洗装 置为背 景 ， 以设 计数 据 以及生产 厂实际生产 中标定工况 下的实测数 据 为基 础 ， 进 行 了全流程 所有单 元联 通计算 的严格考核 。 从 低温甲醇洗系统 的信息 流图 ( 图 1 ) 可 以看 出 ， 全 系统共 有 1 5个 回路 ， 6 2个 单元 近 1 0 0个 流 股 ， 物 流 主 要 组 分 为 C H OH、 C 0 2 、 H2 、 N2 、 H2 s 、 H2 O、 Ar 、 C H 与 c 0 等 9 种 ， 物 系的非理 想性 比较强 ， 操作条件 的特点 为低温 ( 最 低温度约 2 1 0 K) 、 高压 ( 最高压力 约 为 7 8 MP a ) ， 而 且 变 化 幅度_ 较 大 ( 温 度 2 1 O 3 8 0 K， 压力 0 1 8 MP a 7 8 MP a ) 。 按序贯模块法进行全流程 的模拟计算， 给定进入系统的原料气( 变换气) 以及气提氮 的条件 ， 各设备参数 ， 洗涤塔 甲醇循环量 以及 各氨冷器要求的冷却温度等， 计算出各单元 及各 流股的信 息 。 计算 中， c1塔分 四段 ， 自下 而 上 以 c1 A、 Cl B、 C1 C、 CI D表 示 ， c 3塔分 二段 ， 自下 而 上 以 C 3 A C3 B表 示。设 备参 数、 进料条件 、 初始值以及计算顺序等通过人 机 界面输入 。 5 1 设计工况 的考 桉 全流程部分计算结果 如表 1 所 示 。 计算结果与设计值吻合 良好。例如， c 1 塔顶气相流率( 3 号物流) 偏差为 0 0 7 、 温 度偏差 为 0 5 、 H： 气纯 度偏差 0 0 3 ， 塔 底 液 相 ( 1 3号 物流 ) 的流率 偏差 0 3 、 温度 偏差 0 2、 C O： 浓度偏差 0 4 ， 侧线 9号 物 流 流 率 偏 差 0 3 8 、 温 度 偏 差 1 8、 c0：浓度 偏差 0 3 C O：产品 ( 1 9号 物 流 ) 流 率偏差 为 1 1 、 纯 度偏差 0 5 ， 塔 底 液 相 ( 2 6号流股) 流率 偏差 为 0 0 1 、 温度偏差 0 8f 尾气( 2 9号物流) 流率偏差 0 1 、 温 度 偏差 0 1 、 c0 含 量 偏差 0 3 ； C3塔 塔 底 去 精 馏 的 甲醇 ( 4 1号 物 流 ) 流 率 偏 差 0 3 温 度 偏 差 2 6 甲 醇 浓 度 偏 差 0 1 ； c5塔 塔底水 ( 5 3号物流 ) 的流 率偏差 为 0 1千摩 尔 、 相 对偏差 为 1 4 、 温度 偏差 为 1 4 、 纯度偏差 0 3 各流股 的温度偏 差绝大多数在 1 2以下 。 5 2 实际工 况的考核 实际工况 的考 核 ， 是 以工厂 标定 工况下 实测数据 为基础 ， 与该厂设计工况 相 比， 此标 定 工况 具有 以下特点 ； (1) 原 料 气 负 荷 大 ， 为 设 计 值 的 维普资讯 第 1期 张述伟陆明亮椽志武低温甲醇洗系统模 与分析 2 9 1 0 3 6 f ( 2 )洗涤 甲醇 的循 环量 小 为设计 负荷 的 8 9 7 ； ( 3 ) 甲醇 中的水分 含量高 ， 为 1 5 ， 比 设计值太 4倍 ； ( 4 ) 操 作 温 度 低 ， C1塔 塔 顶 温 度 为 2 1 1 8 5 K， 比设 计 值 低 了 4多 C3 B的操 作 温 度 比设计 值 低 5 ， 达到 2 0 5 K 左 右 ； 而且流程与原设计相 比也有一些变动， 例如 C3塔顶 多一 股 洗涤 甲酵 ， 增 加 了一个 回路 ， C5塔 的流程改变 ， 增 加了 回流 。 计算 结果 如表 2和表 4所 示 。由于现场 实测 值 中关 于物 流组 成方 面 的信息不 全 故 表 中除主 要输 出物流 外 ， 重 点进 行 流股温 度 的考核。各流股温度的计算值与实测值比较 列于表 2 。 从 表 2可以看 出 ， 各流股 温度 计算值 与 实 测 值 的 偏差 大 部 分 ( 9 0 以上 ) 都 在 2 以下 ， 偏差 最 太的 3 7号物 流为 4 7， 由此 可见二者 符合 良好 。 又 C1塔 顶 净化气 、 C2塔 顶 C O： 气 、 c4 塔 顶 H： s气 、 以及 c3塔 顶 尾气 的计 算结 果 与实澳 值的比较如表 3 所示。 从表 3中可 以看 出， 净化气 中的 H 纯度 偏 差 0 2 产 品 C O 气 中 C O 纯 度 偏差 0 4 、 流 率 少 1 o 3千 摩 尔 、 相 对 偏 差 为 0 7 ， 尾 气 中 C O 浓度 偏差 3 3 H2 s气 体 流 率 偏 小 6 7 4千 摩 尔 ， H。 S浓 度 偏 高 0 8 7 个百分点， 由此可见计算结果与实测值 符合较好。 设计 工况和实际工况 的模 拟计算结 果表 明， 本软件的计算结果是符合生产实际的， 可 以用于 实际 生产 的模拟分 析 ， 进 一步确 定最 优操 作条件 。 5 3 问题分 析 根据标定工况 的计算 结果以及实测数 维普资讯 3 O 氮肥设计 1 9 9 4年 第 3 2卷 净化气 宴穗值 计算值 c o： 气 实潮值 甘算值 昆 气 宴测值 计算值 Ht s气 实测值 计算值 据 ， 与设计工 况对 比见 表 4 ， 有 以下 问题值得 进一步研 究和改 进 。 ( 1 ) C O 回收率稍 小 ， C O 产品量 约步 2 ( 2 ) C1塔 C O：吸收 的负荷 下 移 。 这 与 C1塔 的 温度 条 件 以及冷量 分布有 关。也 与 C O!回收率有 联系 ， 值 得进一 步研 究负荷 冷 量的 合理 分配 ( 3 ) C3气楗塔 的负荷增 大 ， 气提 N 量 明显 增加 ， 如 果 C2塔解 吸 改 善， 则 3 6号 和 2 6号 物流 中 的 C O 含 量 减少 ， 气提 负荷 也将相应改善 ； r 4 ) 人热再生塔 C 4塔 的甲醇中 C O 含量偏高而温度 偏低 。 能耗增 加 ， 说 明前面再 生效果欠佳 ， 热量 回收也不理 想 ； ( 5 ) C1塔 吸 收 的 液 气 比实 际 值 为 0 6 l l ， 设计 值 为 0 6 7 7 ， 液气 比减 小 ， 甲醇循 环 量减小 ， 温 度降低 ， 值得进 一步研 究 ； 维普资讯 第 1期 张述伟陆明亮绦志武低温甲醇洗系统模拟与分析 3 1 ( 6 ) 系统水分含量 偏高 。 实标操作 中系 统 中水含量 为 1 5 而设计值 为 0 3 5 ， 水 含量偏高会降低甲醇的吸收能力， 使得洗涤 甲醇温度不得不 降低 ， 设 计值 为 2 1 5 K， 实际 值为 2 l l K 增加系统冷量消耗。 因此应采取 措 施 防 止 系统 进 水 并 尽 可 能 增 加 c5塔 负 荷 ， 使 系统 中水 多排 出 ， 维持 系统水含量在较 低 水平 ， 有 利于操作 费用的进一步 降低 。 表 4实测 数据和计算结果 与设 计 值 对 比 设计值宴 值 从 以上分析 可 以看 出， 实际 生 产操 作有 进 一步 研究优 化 的必要 ， 可 以应 用本软 件进 一 步进行模拟 分析和优化 ， 降低能 耗 ， 提高经 济效益 。 6结论 ( 1 ) 应 用本软件 对 低温 甲醇洗 系统进 行 了模拟 计算 ， 设计 工况 计算结 果 与设 计数 据符合良好 。 ( 2 ) 实际标定工况 的计算 中， 在原料气 负荷 、 洗涤 甲醇 循环量 、 甲醇含 水量 、 以及 c1 塔 、 C 3塔 的操作 温度方面与设计值偏离较 太 而且生产流程与设计流程有变化的情况 下， 模拟计算结果与现场实测值也符合良好 说 明 所 开 发 的 甲 醇 洗 工 艺 流 程 模 拟 软 件 R