采用AspenPlus软件对德士古煤气合成甲醇工艺中CO变换工段的模拟

第 2 2卷第 6期 2 0 0 5年 1 2月 皮 革 化 工 LEATH ER CH EM I CALS VoI 2 2 No 6 De c 2 00 5 采用 A s p e n P l u s 软件对德士古煤气合成 甲醇工艺中 C O变换工段的模拟 陈银 生 ， 应于舟 ( 上海 焦化有 限公 司， 上 海 2 0 0 2 4 1 ) 摘要 ： 采用 As p e n P l u s 工程 软件 对利用德 士古煤气 生产 甲醇过程 中的 C O变换 工段进行模拟 。根据德士古煤 气组成 及 C O变换工段 的高温高压条件 ， 采用 R KA S P E N 物性方 法和 E L E C N RT L物 性方法 ， 出 C O变换 工段的混合 气体中 NH 摩尔含量从进工段 的 0 0 6 1 2 下降到 0 0 0 1 1 。采用 R S T OI C反应器模型模拟 C O 变换炉 ， 当 C O变换 率为 7 0 9 3 2 时 ， 出变换炉气体干气 中的 C O摩尔含量 可以控制 为 1 O 。当进 入变换炉 的煤气 占总煤 气量的 6 8 9 8 时 ， 出变换工段的混合 气体中 C O摩尔含量为 l 9 2 O 。当汽提塔 的进塔液 汽 比为 2 1 时 ， 溶解到 冷凝 液中的多种可燃气 体如 C O、 C O 及 H 等的回收率 高达 9 9 以上 。 关键词 ： As p e n P l u s 工程 软件； 德士古煤气 ； 甲醇生产 ； C O变换 ； 模拟计算 中图分类号 ： TQ1 1 6 2 9 文献标识码 ： C 文章编号 ： 1 0 0 4 8 9 6 0 ( 2 0 0 5 ) 0 6 0 0 3 4 一O 4 Aool i c a t i o n o f As g Pl uAool i c a t i o n As p e n l u s Eng “ “ g S o f t wa r eEng i ne e r i ng 0 a r e o n S i mu l a t i o n o f C0 S hi f t Co n v e r s i o n S e c t i o n o f M e t h a n o l Pr o du c t i o n Pr o c e s s f r o m Te x a c o Ga s CHEN Yi n s h e ng， YI NG Yu z h ou ( S h a n g h a i Co k i n g a n d Ch e mi c a l Co r p o r a t i o n，S h a n g h a i 2 0 0 2 4 1 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ：The C0 s h i f t c on v e r s i o n s e c t i o n o f t he m e t ha n o l pr o d uc t i o n pr o c e s s f r om t e x a c o g a s i s s i m ul at e d wi t h t he As pe n Pl us e ng i ne e r i ng s o f t wa r e Ac c o r d i ng t O t he c o mpo ne n t s o f t h e t e x a c o ga s a nd t he hi gh t e mpe r at ur e a n d h i g h p r e s s ur e o pe r a t i o na l c o nd i t i o n i nv ol ve d， t h e RK ASPEN pr o pe r t y m e t ho d a nd t h e ELECNRTL pr o pe r t y me t hod s ho ul d be u s e d i n t h e s i m ul a t i o n o f t h e CO s hi f t c o n ve r s i o n s e c t i o nThe N H3 mo l a r pe r c e nt a ge i n t he o ut l e t g a s o f t he s hi f t c on v e r t i o n s e c t i o n d e c r e a s e s f r o m 0 06 1 2 o f t he t e x a c o ga s t O 0 00 11 Th e RSTOI C r e a c t or mod e l c a n s i mul a t e t h e CO s h i f t c o nv e r t e r The CO mol a r pe r c e nt a ge o f t he d r y g a s of t he o ut l e t g a s o f t he CO s hi f t c o nv e r t e r c a n b e c o nt r o l l e d i n 1 0 wh e n t he CO c o nv e r s i o n i n t he s hi f t c o nv e r t e r i s s p e c i f i e d a t 70 93 2 W he n t h e q ua n t i t y of g as i n put t O t he s h i f t c o nv e r t e r i s 6 8 98 o f t he t o t a l t e x a c o g a s，t he CO m o l a r p e r c e nt a ge i n t he o ut l e t ga s of t he s hi f t c o nv e r t i o n s e c t i o n r a n ge s f r om 1 9 t O 2 0 The r e c ov e r y o f s e v e r a l ki n ds o f c o m bu s t i bl e ga s e s s u c h a s CO ，CO2，a n d H2 f r om t h e c o nde ns a t e i s u p t O 9 9 whe n t he mo l a r r a t i o o f c o nd e n s a t e t O s t e am i n put t o t he s t r i pp i n g c o l umn i s 21 Ke y wo r d s ： A s pe n Pl u s e n g i ne e r i ng s o f t wa r e；t ex a c o ga s ；me t h a no l pr od u c t i on；CO s h i f t c on ve r s i o n；s i m u l a t i o n 收 稿 日期 ： 2 0 0 5 0 8 1 6 作者简介 ： 陈银生 ( 1 9 7 4 一) ， 男 ， 博士 ， 研究方向 ； 化学工程与工艺 。共发表论文 4 0余篇 ， 申请授 权专利 7项 维普资讯 第 6期 陈银 生 ， 等 ： 采 用 As p e n P l u s 软件 对德 士 古煤 气合 成 甲醇 工 艺中 C O 变换 工段 的模 拟3 5 在世 界基础 有 机 化 工原 料 中 ， 甲 醇消 费 量仅 次 于 乙烯 、 丙烯 、 苯 ， 居 第 四位 。生产 甲醇 的原 料 可 以 是 天然 气 、 煤 炭 、 焦炭 、 渣 油 、 石脑 油 、 乙炔 尾 气 等 L 1 一 。本公 司 以煤 为 原 料 采 用 Te x a c o ( 德 士 古 ) 煤气 低 压法生 产 甲醇 。 由于德 士 古煤 气 中 的 C O、 C O 、 H 和 I _ I 0等 的组成不 能满 足 甲醇合 成 的需 要 ， 必 须 通 过 C O 变换工 段对德 士 古煤气 进行 组 成调 整 。本 文 借 助 As p e n P l u s 工 程 软 件 对 C O 变 换 工 段 进 行 模 拟和校 核 。 1 CO变换工艺流程图及模拟设计要 求 1 1 C O变换工 艺 流程 见图 1 。 经过 除尘 的德 士古 煤 气 分成 两 股 ， 一 股经 过 换 热后 输送 到 C O 变 换 炉 中进行 变换 ， 另 一 股 与 变换 后冷却过的变换气汇合。汇合后 经过换热器 C O 2 回收热量后经过气液分离器 F O 1分离出液体 ， 气 相经 过换 热器 C O 3回收 热量后 经 过分离 器 F O 2 分离 出液 体 。气 相 经过 换 热器 CO 4 、 CO 5回收 热量 后 去 气 液 分 离 器 FO 3进 行 气 液 分 离 。气 相 通过 换热 器 C O 6将从 F O 4来 的冷凝 液 加 热 ， 再 经过 换热 器 CO 7将 脱 盐 水 加 热 ， 再 经过 水 冷 器 C O 8 后温度降至 4 O左右。气液混合物去分离器 F O 4 ， 气相出变换工段去脱硫脱碳工段 。出 F O 4 的冷凝液 经过换 热 器 CO 6预热 后进 人汽 提塔 E O 1回收其 中溶解 的气 体 。出分 离 器 F一0 1 、 F O 2 和 F O 3的冷 凝液 汇集 后 去德 士古气 化装 置 。 1 2 煤气组成、 变换反应及工艺要求 从德 士 古气化装 置来 的煤 气 经过 除尘 过滤后 各 组 分 的含 量如 表 1 。 表 1 德 士古煤气组成 ( m o l 。 下 同J 图 1 C O变换 工艺流程 图 换热器 ： C一0 1 、 c一0 2 、 c一0 3 、 c一0 4 、 c一0 5 、 c一0 6 、 C一0 7 、 c一0 8 c 0变换炉 ： D一0 1 汽提塔 ： E -0 1 气液分离器 F 一0 1 、 F 一0 2 、 F 一0 3 、 F 一0 4 、 F A N A L 在 一定 的温 度下 ， 煤 气 中 的 C O 与 水 蒸 汽借 助 于催 化 剂发 生 变 换 反应 生 成 H 和 C O ， 与 此 同时 有 部分 C OS转 化 为 H S ， 主 要 发 生 的化 学 反 应 如 下 ： CO+ H2 0DH2 + C O2 ( 1 ) C OS+ H2 DH 2 S + CO ( 2 ) COS 十 H2 ODH2 S 十 CO2 ( 3 ) 为 了 满 足后 续 脱 硫 脱 碳 及 甲醇 合 成 工 艺 的要 求 ， 出 C O 变换 炉 D一0 1的 变换 气 干 气 中 的 C O摩 尔含 量必须 控 制在 1 O ， 出 C O 变 换 工段 的气 体 中 C O摩 尔 含量必 须 控 制在 1 9 2 O ， NH 摩 尔 含 量低 于 0 0 1 。 维普资讯 皮革化 工L E A T H E R C I - L ME C A L S 第 2 2卷 2结果与讨论 2 1 模 型物性 方法 的选 取 2 1 1 RKAS PE N 物性 方法 As p e n P l u s 参 考 手册认 为 ， RK S OAVE状态 方 程适用 于 除 了液 体 摩 尔 体 积外 的 所 有 热 力 学 性 质 ， 可应 用于非 极性 或 中极性 混合 物 ， 如 碳氢 化合 物 和轻气体 如 C O 2 、 H2 S和 H2等 口 。RKAS P E N 状态 方程是 R KS OAVE状 态方 程 的拓展 ， 利 用此 状态方程提供的极性参数可拟合极性化合物的气相 压力 3 ， 应 用于 更 多的极 性组 分和 碳氢化 合 物的混 合 ， 以及中高压条件下 的轻气体 。德士古煤气属 于由上述 状态方 程涉 及 的多种 非极 性和 极性碳 氢化 合 物和轻 气体组 分构 成 的混合 物 。 由于本 工 段 中涉 及 到的气 体压力 高 达 3 6 8 a t m， 温度 高达 4 5 0 ， 属 于典 型 的高温高 压 系统 ， 完全 符 合 RKAS P E N 状 态方程 ， 可适用于高温、 高压 系统 的范围， 因此本工 艺中在气液分离器 Fo 4之前 的所有设备 的模拟 均采 用 R KAS P E N 物 性方法 。 2 1 2 EI ECNRTL物性 方法 进 入气液 分离 器 F O 4的混合 物温 度为 4 O ， 含有大 量 的液体 。德士 古 煤气 中含有 的 c O：和 H 等会部 分溶解 于 以水 为 主要 成分 的液 体 中 ， 溶 解 的 C O： 和 NH。会 在 水 分 子 作 用 下 发 生 化 学 反 应 。 由于 C O 。 浓 度 比 NH 浓 度 高得 多 ， 水 溶 液 中 将主要 生成 碳酸 氢铵 。由于碳 酸氢铵 在水 溶 液 中发 生 电离 ， 因此 气液 分 离器 FO 4应 该 采用 电解质 物 性方 法 。 由于 气 液 分 离 器 F一 0 4前 的所 有 设 备 的 操作 温度都 不低 于 1 0 0 ， 溶解 于液 相 中 的 C O： 和 H 的量都 很 小 ， 发 生 化 学 反应 的几 率 不 高 ， 因此 不采 用 电解 质物 性方 法 ， 只采 用 RKAS P E N 物 性 方法 。由于冷凝 液 F一0 4 L属 于 电解 质 ， 因此 换 热 器 C O 6的冷流 一 侧 和 汽 提 塔 E一0 1的物 性也 采 用 电解质 物性 方 法 。E L EC NRTL是 最 通用 的电解 质物 性方法 ， 处 理 的浓度 范 围较宽 ， 能够 处理 水溶 液 和混 合溶 剂系统 ， 因此 气 液 分 离 器 F一0 4 、 汽提 塔 E O 1和 CO 6的冷 流 一 侧 的物 性 方 法 均采 用 E L E C NR TL物 性方 法 。 2 2 变换 炉类 型 和模 拟 设定 在 C O 变换 过 程 中 选 用 R S TOI C 反 应 器 模 型 模拟 C O变换 炉 。模拟 时 为 了控 制变换 炉 D O 1出 口干 气 中的 C O 摩尔 含 量 不 高 于 1 O ， 将 出变换 炉 的物流 3 分成两股 ， 一股按照工艺要求 流向换热器 c o 1 ， 进行后续的换热、 分离。另一股流向一个人 为加 入 的 气 液分 离 器 F ANAL， 将 分 离 器 的操 作 参数设定为分析干气时的温度和压力， 一般为 3 o 和一 个大气 压 ， 可认 为 出 气 液分 离 器 F ANAL的 气 体 3 一G 的 组 成 与分 析 样 品时 的 干气 组 成 一 致 。 在模 拟设定 时 以 干气 3 一G 中 的 C O 摩 尔含 量 为 因 变量 ， 目标设 定 为 1 O ， 以变 换炉 DO 1中反应 ( 1 ) 的转化率为 自变量。在处理变换炉 Do 1时， 由于 C OS和 Hz S的入 口浓 度 很 低 ， 反 应 ( 2 ) ： ( 3 ) 的反 应 绝对量很小 ， 只需对其转化率进行大概的设定即可。 为 了将 出 C O 变换 工 段 的气 体 中 C O摩 尔含 量 控制 在 1 9 2 O ， 在 模 拟 设 定 时 以 物 流 5中 的 C O摩 尔含 量 为因变 量 ， 目标设 定 为 1 9 5 ( 误 差为 0 5 ) 。以分 流器 S P L I T1的分配率 为 自变量 。 2 3 模 拟计 算结 果 2 3 1 变换 炉 转化率 及干 气组 成 运 算 结果 表 明 ， 当设定 变换 炉 出 口气 干气 中 的 C O摩 尔含 量为 1 O 时 ， 变换 炉 中反应 ( 1 ) 的 C O 转 化 率 为 7 0 9 3 2 。 当反 应 ( 2 ) 、 ( 3 ) 的 C OS转 化 率 分 别设 定为 5 O 和 4 7 时 ， 出变 换 炉 的变 换气及 其 干 气 的组成 如表 2 。 表 2 变换气及干气组成 ( too l ) 表 3 出变换工段的气体组分组成( too l ) 维普资讯 第 6期 陈银 生， 等 ： 采 用 As p e n P l u s 软件 对德 士 古煤 气合 成 甲醇 工艺 中 C O 变换 工段 的模 拟3 7 衰 4汽 提 塔 进 出 物 流 的 组成 及 回 收 率 ( too l ) 2 3 2 分配器 分 配率及 出工 段变换 气 组成 当出变换工段气 体 ( 物流 5 ) 中的 C O控制 在 1 9 2 0 时 ， 分 配器 S P L I T1的分 配情 况为 ： 进 入 变换炉 的气 体( 物 流 1 1 ) 的流量 占德士 古 煤 气 ( 物 流 1 ) 总流量的 6 8 9 8 。出变换工段的气体 中各组 分 的组 成如表 3 。 由表 3可见 ， 在 对 C O 变 换 工 段 进 行 模 拟 计 算 时气液 分离 器 F一0 4采用 E L E C NR TL物性 方法 可 以使 出 变 换 工 段 的气 体 中 的 氨 气 含 量 降 到 0 O 0 l 1 ， 与 现场运 行 情 况 十 分 吻合 。这 说 明本 文 选 择的物性方法是合理可靠的。 2 3 3汽 提塔 的汽提效 果 采用 水蒸汽 在 汽提 塔 内与 冷 凝 液 ( 物 流 F一0 4 L ) 进行 逆流 接 触 可 以 对 冷 凝 液 中溶 解 的 多 种 气 体 进行 回收利用。当汽提塔的操作压力 为 0 3 5 Mp a 、 理论 塔板 数 为 8 、 进塔 液 汽 比为 2 1时 ， 汽 提塔 的汽 提效果 见 表 4 。 由表 4可见 ， 出塔 液相 成分 主要 是水 ， 溶解 到冷 凝液 中的多种可燃 气 体能 够高效 地 回收 到 出塔 气相 中 ， 从而得 到充 分 的利 用 。 3 结 论 3 1 针对含有 C O、 C O 、 H O、 NH。 等组分的煤气 第 1 1 届 印度 国际皮 革展 传来 好消 息 印度皮革 出口委 员会主席 R a fi q Ah me d先生 在 9月 3日开幕的第 l 1 届 国际皮革制品展 览会开 幕式上很高兴地 宣布 ， 2 0 0 5年印度 皮革工业超额 完成 了皮革和皮革制品的出口任务 ， 如果按照 当前 的良好 出口形势继续发展 下去的话 ， 2 0 1 0年 ， 印度 的皮 革及 其制 品的 出口额 将达 到 5 2亿 美元 。 每年都有 4 0余家来 自印度和其他 国家的皮革 和皮 革制 品 出 口商 参 加 I L G F， 来 自澳 大 利 亚 、 孟 加 拉 、 意 大利 、 日本 、 台 湾省 、 英 国和 美 国的 贸 易商 都十 分看 中这一 世 界 著 名 的 重要 展 览 会 ， 当然 ， 生 产厂商会在此有 良好的商机 。 系统 ， 对 C O 变 换 工 艺 进 行 A s p e n p l u s模 拟 时 ， 应 该采 用 R K AS P E N 物 性 方 法 和 E L E C NRTL电 解质物性方法 。出变换工段的气体中的 NH。 摩尔 含量 可 以控制 到 0 0 0 1 1 。 3 2 采 用 R S TOI C 反应 器 模 型 模 拟 C O 变 换 炉 ， 当 C O变换率为 7 0 9 3 2 时， 出变换炉气体干气 中 的 c o摩 尔含 量可 以控 制为 1 0 。 3 3 当进入到变换炉 中的煤气 占总煤气量 的 6 8 9 8 时 ， 出变换 工 段 的气 体 中的 CO含 量 可 以控 制 在 1 9 2 0 。 3 4当汽提塔的进塔液汽比为 2 1时， 溶解 到冷凝 液 中 的多种气 体能 够得 到有 效 的 回收和再利 用 。 参考 文献 ： 1- 1 - 钱 伯章 国内外