Energy Savings 文献中文翻译

1、节能技术在甲醇合成中：运用热集成技术和模拟工具摘要：源于生产甲醇的经典工艺流程，使用转化和合成步骤，并应用仿真模型和最新合成方式的联合法，名为效率模型和优化（EMO），曾用于工艺流程的能效优化。这种方法已经从提高工艺流程能效的各个方面得到验证。这种转变涉及到合成反应器和转化反应器设计，开发由天然气的净化流股来满足工艺需求并且将之集成到透平机中。EMO法针对的目标是工艺能量消耗的全局工艺改进，包括联合生产热量和机械功率的燃气轮机和蒸汽网络。从过去的经典系统60%的甲烷转化率，当我们确定的总体甲烷转化率高达93解决方案时，我们把净机械功率转化为国家级的甲烷储蓄。该方法的兴趣是尽可能通过计算对工厂的

2、整体能量平衡的热级联模型的分析表明该工艺改进的影响，而不必在许多细节来模拟蒸汽与热交换器网络。关键词： 能源效率， 优化， 蒸汽系统， 合成工艺， 甲醇产品引言目前的产品被重视的甲醇是最重要的化学品之一。作为汽车燃料或汽油添加剂如甲基叔丁基醚（MTBE）的合成的基本化学品，其应用仍增加改善其生产的经济兴趣。目前甲醇工艺大多依靠天然气，并且生产每摩尔的甲烷能生产接近0.6-0.65的甲醇。该平衡被作为能量供应来用作流程可行和操作压力及精馏塔。甲醇的生产是基于碳氧化物和氢气的催化转化。高选择性的铜催化剂是用在现代的单元。它的活性需要温度高于210°C。由于反应是放热的和有限的化学平衡，收

3、率随着温度的升高而减小。以实现高速率和显著转换，反应器的压力（4MPa以上）下操作。然而平衡限制了转化和未转化的反应物，必须回收并再循环到经济地使用原料。甲醇被冷凝分离，并进一步通过蒸馏纯化。副反应的程度产生例如乙醇和二甲醚是有限的，但蒸馏是仍然需要时高纯度甲醇是必需的。未反应的气体必须被再压缩，并循环到反应器入口前再加热。合成气可以通过蒸汽重整来生产，合成气可以通过蒸汽转化来生产，涉及如下方程：另一种方式是部分氧化，这需要纯氧的来源。甲醇合成所需化学计量比：只要是违背这个比例就意味着反应物过量，则需要进入循环合成气中净化使用。图1:参考I.C.I低压甲醇合成工艺流程图蒸汽转化产生的合成气也富

4、集氢气（比值接近3）。这能通过相同的蒸汽转化操作部分氧化来纠正。如果二氧化碳的来源是可用的，它可以帮助调节化学计量比。另一种方法是净化过量的氢，并最好找到一种方法来稳定它。最简单的方法是将它燃烧，以供应热给转化器，提高蒸汽量。最近出版（1993 Westerterp）验证是无需回收，用于生产甲醇的替代工艺。该RSIPR（反应器系统的级间产物去除）允许增加甲醇转化至使得回收是没有更多的必要的程度，这使得大量节省了投资费用和能量消耗，但需要高温气体吸收剂的设计。在本文中，我们研究如何节能减排可以通过改善能量集成和现有反应器类型的净价值增值来获得。技术经济比较将基于ICI低压工艺，具有良好的市场认可

5、。参考I.C.I工艺该I.C.I.低压法（罗杰森1973）使用一系列绝热的填料床反应器。入口温度的床层通过注入冷的合成气调节。床层之间无需换热器，这使得反应器比有竞争力的反应堆设计，如鲁奇工艺（多管反应器，沸水冷却管）或凯洛格过程（余热锅炉带走每床热量后）更简单。图1展示了参考工艺的简单工艺流程。模拟模型使用状态RKS方程进行了估计的物理性能在合成气制备部分和甲醇合成循环所有混合物。对于净化段，UNIQUAC模型已被用于对预测液相活度系数和二元交互参数进行了优化，重现汽液平衡中由水，甲醇，乙醇，二甲醚的混合物。二氧化碳在水中的溶解度，H2，CO和N2中的水和甲醇已校正的亨利常数为每对调节。Le

6、e-Kesler状态方程已经被用来预测焓变。转化管使用“动态平衡”逼近作为模型。在管中的压力被设置为10bar，和出口温度设定为850。蒸汽与碳的比设定为2.68。甲醇合成发生在85巴。该反应器已被建模为一系列的四个绝热平推流反应器。采用伪均质速率方程来描述动力学模型，它是基于Skrzypek等人（1991）公布的数据。频率因子的速率方程已经调整，以更好地再现I.C.I.甲醇合成反应器的操作条件类型（罗杰森1973）。该工艺已调整为年产2000吨每天甲醇。用于合成循环和反应器系统关键数据有：合成气进料流量：3.655kmol/s合成气循环流量：16.14 kmol/s净化率：7催化剂生产率：0

7、.3 kg CH3OH/kg cata/hr 催化剂量：287m3（55 +70 +78 +84）床层相对流率：0.60，0.72，0.86，1.00转换率：40.8% for CO, 25% for CO2在反应器出口甲醇摩尔分数；4.36（CH4 + N2）（CH4+N2）占反应器出口量分率：11.2选择性：99.5蒸馏塔已经被模拟成平衡级系列，通过不断校正单板效率。第一个塔移除轻质杂质。轻关键组分是二甲醚。第二塔除去较重组分（乙醇和水）。蒸出的甲醇的纯度被规定为99.9（质量分率）。对应于图1中的流程的仿真模型允许评估过程的质量和能量平衡。但是这种简化的模型没有考虑能量及其环境之间交换过

8、程的方式：能量只使用加热器或冷却器转移。能源集成将允许匹配适当的冷热流，从而降低整体能源需求。热集成分析从仿真结果，复合曲线可以很容易地得出。从这些信息中，我们已经使用了EMO（效应建模和优化）策略（马雷夏尔和Kalitventzeff，1995）目标的过程中最低能量需求（MER）和事后的能源需求的最低成本（MCER）。 EMO上的做法是基于对参与这一过程的每个单位的基本热，机械等功效识别新的建模和合成策略。它允许在整个系统中的能量分布模型。该方法的能量模型被用不同模块（“效率”）。热效应定义的冷热流的理想换热网络的过程中来算，即热级联。蒸汽网络包括不同的集成连接热冷流（蒸汽产品和消耗）和所述

9、机械功率的制作（蒸汽膨胀）。机械动力效应（机械动力生产和消耗）定义了电气进出口限制。这种方法允许以确定能源节约和过程改进的地方。该方法的总复合曲线上给出图2中（曲线1）。它表示对应于所述重整炉的需求高的温度要求。我们应该注意到，这一要求修复了燃料流量。它导致了烟道气中的过量能量。这部分能量可以通过热电联产的蒸汽管网进行增值。蒸汽管网的压力水平已被设置为85bar，12bar，3bar和0.065bar。凝结水平被认为是通过产生机械动力，以最大限度地提高能量过剩的烟道气中的能量回收。由涡轮机产生的机械功率用于满足压缩机的需求，剩余的被输出到换热网络中。对于所研究的甲醇的工艺，对能量积蓄的第一区是

10、合成循环。原合成反应器设计（the ICI one）给出的图3，配置A.应用到合成反应器的EMO方法的主要思想是分离不同的床之间的热和重大影响。无需改变反应器的操作条件下，床之间的注射已经被一个冷流表示降温和一个热气流来加热随后的等温混合器（图3，配置B）。通过这种表示冷热流的热负荷是相同的，但它们的电能质量，即它们的温度，被认为是当新的MER和GCC计算（图2，曲线2）。的MER是减少了5.8，这是由于考虑到反应器的入口温度低于夹点而混合温度是上面所解释的。因此，热阱的热量的一部分用于热源。这将创建一个能量损失：“越近 - 越小”。此外，当我们考虑到可以在系统中由热电联产产生的机械动力，阱在

11、GCC增加相当于增加要由蒸汽膨胀产生的机械功率产生的。图3的结构C给出了通过该分析获得的最好的反应器设计。该反应器构型是ICI设计（急冷）和凯洛格设计（废热锅炉中间冷却）之间的折衷。原料是用下面提供的夹紧点的热量和随后由反应热预热，部分被用于注入预热。剩余的热量被用来产生MP蒸汽在蒸汽网络进行扩展。为了减少反应器的复杂性，建议图3中，其中所述蒸汽的生产已经从反应器中除去的设计的配置D。有了这个配置，我们不减少的能量，但是我们少产生机械动力，因为GCC阱的尺寸更小。不同的（3730千瓦）是如果采用更为复杂的设计具有较高的投资成本来平衡。我们坚持的预热温度取决于过程夹点的事实，它是这样的特定的工厂

12、位置。在我们的例子中，夹点由第二净化塔的锅炉所决定。在压缩机部分（图1），引入再循环注入之前的中间冷却器的允许减少能量需求。这个建议由EMO的方法：物流离开压缩机具有冷却热阱，它起着热效应的作用则是与热源的循环混合以达到下一个阶段的入口温度的压缩机。这允许以减少压缩机的机械功率消耗和另一个2.4的整体MER。能源效率改进的另一个方面是吹扫气流的剥削。我们建议扩大通过四个阶段涡轮使用其压力（85bar）。产生的机械功率的最大化是基于GCC分析（图2），这表明引入级间再热器。的热量用于再加热正在采取热源，因此，它定义了最大的再加热温度。当整体的净化流被膨胀到大气压力时，机械功率由该溶液中回收对应于

13、压缩段所需要的总的工作的32.6。由于净化气流包含H2和CH4中，我们选择使用它作为燃料，以满足工艺的MER 。这是唯一的被采用作示范用途的可能途径之一。根据重整部分的高温能量需求的燃料气体的流量已经被确定。这导致了烟道气中的过量的能量，这将通过在蒸汽网络热电联产生产进行增值。在这种情况下，该方法能够电力输出到电网。压力水平在蒸汽管网采用的Marechal酒店和Kalitventzeff描述的方法定义（1996b） 。公司生产的机械功率进行了优化，它允许针对能源需求在Marechal酒店和Kalitventzeff （1996a）中描述的最小成本。机械动力生产效率的最优化导致的结论是，净化气流

14、和空气的燃烧有进入炉内之前被预热。这允许恢复可用热源的热量以及在烟道气中的过量的能量可用。当CHP被使用时，夹点考虑是不是进程夹点了，但第一蒸汽排料的膨胀涡轮机的温度。这是由空气预热和燃烧行为作为热泵（ Marechal酒店和Kalitventzeff （1996c），蒸汽的能量被用来预热，产生更多的高压蒸汽，说明是什么导致增加机械功率产生的空气的事实。考虑膨胀净化流和预热，净机械功率生产是从11122千瓦增加至26840千瓦。第二个备选公用系统也对燃气轮机进行了研究。这项计划也采取GCC的工艺的分析建议。它所对应的净化气流的压力的有效使用率。燃气轮机的操作压力为10bar，对应于典型的工业燃

15、气轮机。燃气涡轮机和蒸汽网络的最优整合的最佳结合是使用EMO方法计算出来的。考虑的影响是一个与燃料燃烧和一个与所述燃气轮机用于将烟道气冷却至膨胀涡轮机的入口温度的过量空气相连。第一个效果对应于热气流被冷却下来，所述第二对应于冷流进行加热。两个效果被示于图4中。用于能量集成，我们确定在燃气涡轮机所需的理想空气流量，从而可能与工艺的其它物流热交换。在计算出最优的情况下，燃烧的燃气轮机的热被用来满足燃气涡轮机的空气预热器的重整反应器和的需要。空气流量是由回收所述燃气轮机排气的热空气预热最大化。最终配置上给出如图5所示。当整体净化是用在燃气涡轮机，该过程的净电力输出上升到47259千瓦。表1给出了另一

16、种工艺配置我们建议的方法的比较。他们已经计算了日产2000吨甲醇。该效率被定义为生产甲醇（千摩尔/小时）的对甲烷消耗（千摩尔/小时）的比率。如果我们只考虑用作反应物甲烷时，甲烷转化为甲醇的75.2。以占使用甲烷作为燃料的过程和用于净发电的效率定义被扩展为：要转换的等效总储蓄甲烷换算输出到电网的电，我们用设置为14.2千摩尔CH4/MWh的转换系数。这个值是由比利时公用事业（燃气电厂每千瓦时天然气消费量）公布的平均效率的数字计算。在基准情景下，我们认为能源需求得到满足燃烧多余的甲烷;获得的效率则是61，考虑换热器网络的最佳整合方案，但既不是燃气轮机，也不是反应器的集成。这对应于当前甲醇过程的典型

17、效率值（1993 Westerterp）。第一种选择（在表1中第一行）认为所有的净化物流被用作燃料，和额外的能量被转换为电能。相应的效率，基于式（1）中，提出了以78.7。效率数字的所有其他方法表示在表1。当变换的电力生产成等价的甲烷减排的最大化的益处，甲醇过程的效率可以从61增加至93.1。这与已发表的替代设计，其中效率高达80-85的预期（Westerterp1993年，1995 DECHEMA）数字比较好。然而，在情况下，我们认为，更高的效率使用的是经典的工艺路线来实现。改进工艺的建议达到目标阶段后，最终处理结构具有被定义。当使用效果建模策略时，不仅必须限定的换热网络结构，而且包括反应器

18、，燃气涡轮和蒸汽网络的设计。两方面用于转化反应器工作在10bar，我们建议拆分反应器中的设计类似的燃气轮机的燃烧器，但与内部的转化管几个平行的反应器。用于合成反应器，图3的配置， C和D已经被提出。应以定义该反应器的结构紧凑，合理设计来执行该反应器内部设计进行仔细评估。换热网络和蒸汽管网系统是相当复杂的，因为这些都被设计最大限度地提高机械动力方面的能量回收。换热网络包括22个换热器和蒸汽管网的特殊设计和回收锅炉是必要的。蒸汽和换热网络的优化是超出了本文的范围。我们只是想说明该方法的能力和有效性产生替代工艺流程在设计阶段，为了找到稍后优化很好的候选方案。结论效应建模和优化（ EMO）的方法是基于对所涉及的过程中的每个单元的基本作用的识别新的建模策略。基于采用经典的方法（在我们的案例序贯模块法）基本情况过程模拟的结果，在EMO策略的应用允许给予一定的见解或方向应遵循优化过程中的能源消耗。该方法突出了过程夹点的重要性，并且GCC的模型推动流程优化设计。