7-设备与流程优化

年产10万吨MMA副产1万吨MAA异丁烯资源化利用项目设备与流程优化报告目录1.流程优化32.设备优化32.3变压精馏双塔优化112.4 MMA精制塔优化141.流程优化模拟的最终目的是为了优化流程，以达到某方面的效益最佳，如经济效应最好，节能效果最佳等。在建立全流程分析过程中，采用Aspen Plus 中的Sensitivity analysis 模块对流程中的一些塔设备进行了参数优化和敏感性分析，有些参数是根据查找的文献所描述的最佳操作条件，这些参数无需优化。下面将对工艺模拟过程中的涉及的一些典型设备操作参数优化设计。其他设备优化结果见相关文件。2.设备优化2.1 B17-MAL吸收塔优化利用气体混合物在液体吸收剂中溶解度的不同，使易溶的组分溶于吸收剂中，并与其他组分分离的过程称为吸收。操作时，从塔顶喷淋的液体吸收剂与由塔底上升的气体混合物在塔中各层填料或塔盘上密切接触，以便进行吸收。吸收塔是实现吸收操作的设备。单塔吸收系统来说,液汽比(L/G)是整个设计过程的重要变量。吸收系统年总费用由设备投资费和操作费组成,如果液气比增大,那么吸收系统传质推动力增大,使得设备投资费减少,操作费增大;反之,液气比减小,那么吸收系统传质推动力减小,设备投资费增大,操作费减小。在相同设备尺寸下，液气比越大，吸收效果越好，同时也伴随着操作费的提高，因此，应在满足工艺操作要求的条件下，选择一个合适的液气比，使得设备费与操作费均较小。在吸收塔B17中，待吸收物料为闪蒸罐出口气相物流，为大量氮气氧气以及未转化的异丁烯和未除去的甲基丙烯醛，设置吸收塔以便用甲醇将甲基丙烯醛吸收下来，残余的甲醇以及异丁烯循环回反应器。工业上采用低温水吸收甲基丙烯醛，由于甲基丙烯醛在水中溶解度较低，因此未达到理想分离效果，需采用大量水进行吸收，且水温较低，水量过大造成操作费过高且增大了后续分离设备的体积以及分离难度，使生产成本大大加大。因此，我们选用甲醇进行吸收，对吸收塔的甲醇用量，温度以及塔板数进行了优化。图1 B17醇洗塔图2 B17温度-总板-醛回收图图3 B17气液比-总板-醛回收图图4 B17总板-气液比-塔顶醇含量图图5 B17温度-气液比-醛回收图图1位以塔板数位参变量，吸收剂温度为自变量，塔底醛摩尔流量图，吸收塔进口甲基丙烯醛量为130.022kmol/h，流程要求将甲基丙烯醛尽可能地吸收，塔底残余量控制在0.2kmol/h以下，以减少损失。可以看出，总板数越大，塔底MAL残留量越少，当塔板数为10时，达到吸收要求且吸收效果随温度波动较小，因此优选塔板数为10。接下来根据图2与图3分析气液比（吸收剂用量）对吸收效果的影响。为使塔底醛残留量尽可能接近于0，在总板数为10的前提下，甲醇用量应优选300320kmol/h，同时吸收剂用量的选择应确保塔顶醇含量不应过高，否则会加大后续水洗甲醇以及醇水分离塔的负荷，因此将吸收剂用量定为310kmol/h。通过图5可以看出，在吸收剂用量确定后，甲醇温度（4060）对吸收效果影响并不显著，因此将甲醇温度取为分离塔塔顶温度51。优化后的操作参数为：10理论板，310kmol/h甲醇用量，51甲醇温度。2.2 B26-醇醛共沸除水塔优化图6 醇醛共沸塔此塔为利用水甲基丙烯醛共沸与甲醇甲基丙烯醛共沸体系，通过外加甲醇控制塔顶温度的方法在塔顶采出甲基丙烯醛、甲醇以及少量水从而达到回收提纯甲基丙烯醛，降低氧化酯化反应进口物料水浓度，从而保证催化剂活性，相比于工业上常见的分离方法，由于甲醇亦为甲基丙烯醛氧化酯化的原料，所以选用甲醇进行共沸精馏来降低体系含水量，避免了将甲基丙烯醛分离提纯为纯组分的复杂过程。如不进行除水，为保证催化剂活性则需在氧化酯化反应中添加大量甲醇以稀释含水量，这不仅增大动力消耗，也使后续分离过程难度大大增大。通过灵敏度分析，对回流比、总板数、进料板位置进行优化，分析它们对塔顶水含量、塔底甲醇损失量以及塔顶醛回收率的影响。图7 B26回流比-水含量图图8 B26回流比-醇含量图图9 B26回流比-醛含量图图10 B26回流比-负荷图精馏塔进料共91.5kmol/h水，由图7看出，在R=0.5之前，随着回流比的增大，塔顶水含量迅速降低，之后速度变慢，由图8看出，回流比取0.6时损失量最低，由图9看出，回流比越大，甲基丙烯醛回收率越高，要求损失量在0.1kmol/h以下，回流比应大于0.5。由图10看出，随着回流比增大，冷凝器再沸器热负荷线性增大，回流比每增大0.1，冷凝器再沸器负荷均增加500kw左右，因此回流比不应过大。最后取回流比R=0.6以进料板为参变量，分析优化精馏塔总板数以及进料板位置，由于这两个参数对醛含量影响较小，故不在此分析。富醛物流优化：图11 B26富醛流股塔板-进料板-水含量图图12 B26富醛流股塔板-进料板-醇含量图由图看出，进料板为10时塔顶水含量最少，塔底醇含量最少，总板数为16时效果较优，之后增加塔板效果不再明显。因此选择此物流进料板为10，总板数优选15或16。图13 B26甲醇流股塔板-进料板-水含量图图14 B26甲醇流股塔板-进料板-醇含量图可以看出，总板数为15时，进料板为3时，塔顶水含量最少，塔底醇含量最少。总板数为16时，进料板为2时，塔顶水含量最少，塔底醇含量最少。总板数为16时效果较优，但从15或16块板水与甲醇含量在数值上相差并不大。最后取进料板为2。图15 B26甲醇循环流股塔板-进料板-水含量图图16 B26甲醇循环流股塔板-进料板-醇含量图可以看出，进料板为2时，塔顶水含量最少，塔底醇含量最少，总板数越多效果较优，但从15块板之后水与甲醇含量在数值上相差并不大。综合设备投资，甲醇原料价格较便宜，以及含水量、甲醇损失量在可接受的范围内的考虑，最后选取总板数为15。2.3变压精馏双塔优化图17变压精馏双塔第一工段B24与第二工段B44塔底得到的富甲基丙烯酸物流进行甲基丙烯酸的副产回收，作为全厂的副产品，年产量为1万吨。由于进料物流只含有少量甲醇而不含有其他杂质，体系接近酸水二元，因此采用双塔变压精馏方法分离精制得聚合级甲基丙烯酸。第一个塔操作压力6bar，他塔顶为甲基丙烯酸与水的共沸物以及甲醇，塔底为水，第二个塔在真空下操作，真空度为0.6bar，塔顶为酸水共沸物以及甲醇，塔底为产品甲基丙烯酸。图18 一塔回流比-产量图图19 一塔回流比-负荷图图20 一塔塔板-产量图从图18看出，在保证产品纯度前提下，随着回流比的增大，甲基丙烯酸产量快速上升，直到R=0.8变化不再明显。因回流比选择较低，对塔的热负荷影响不大。塔板数为10，进料板为6时，甲基丙烯酸的产量最大，所以选择回流比为0.8，塔板数为10，进料板为6。图21 二塔回流比-产品损失图图22 二塔回流比-负荷图图23 二塔塔板-产量图甲基丙烯酸损失有两部分，分别为一塔塔底以及放空损失，影响较大为放空损失，通过文献以及分析确定放空比优选0.10.2之间，考虑到产品损失以及分离能耗问题，选择放空比0.15，现分析回流比对损失量的影响。优化结果见图21。可以看出，在R=0.7之前，随着回流比的上升，甲基丙烯酸损失量迅速下降，之后不再变化。通过图22看出，因为回流比选择范围的回流比的绝对值较小，所以热负荷变化不大，故选择回流比为0.7。通过图23可以看出，在分析的总板数下，进料板为6时，酸产量最高，且随塔板数变化较小，所以选择总板数为9，进料板为6。2.4 MMA精制塔优化图24 MMA精制塔流程图此塔为MMA产品精制塔，底部采出产品，塔顶共沸物循环利用。体系中难免存在阻聚剂、焦油等重组分杂质，为保证产品达聚合级纯度要求，处增加回流比与总板数外，应尽量避免塔釜采出产品。因此，我们在靠近塔釜侧线处气相采出MMA产品，保证纯度，因此对回流比、总板数、进料板、侧线位置进行优化。图25