合成氨聯醇工藝的模擬計算及分析

趙霄鵬，朱偉娜，蘇春生，申改燕

(晉煤集團煤化工研究院，山西 晉城 048006)

合成氨聯醇工藝的模擬計算及分析

趙霄鵬，朱偉娜，蘇春生，申改燕

(晉煤集團煤化工研究院，山西 晉城 048006)

以某化工廠合成氨系統中的聯醇生產裝置為模擬對象，使用ASPEN PLUS模擬軟件對聯醇工藝的主要單元設備進行了模擬計算。計算結果表明，該工藝模型與實際運行工藝吻合良好。利用該模型的計算結果可以簡單快捷地計算出造氣工段(H2+CO)/N2的比值。同時，也分析了第一甲醇塔的副線開度對第二甲醇塔床層溫度及氣體出口中CO含量的影響和甲醇洗滌塔進水量對出口氣體中甲醇含量的影響。這為聯醇工藝的穩定運行提供了幫助和指導。

聯醇工藝；模擬計算；分析；甲醇

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.04.007

在大部分以煤為原料生產合成氨的氮肥廠，為了降低產品消耗、增加產品種類，在生產氨的同時，利用部分氫氣、CO和CO2生產甲醇，既達到了降低消耗的目的，又可以獲得甲醇產品，一般把這種副產甲醇的工藝稱為聯醇工藝[1]。國內中小型合成氨廠普遍聯產甲醇，不但可以大大降低變換工段的變換難度和蒸汽消耗，還可以靈活調整氨醇產量，增加了經濟效益，提高了企業的抗風險能力。為了保證合成氨主工藝生產的平穩，需要對聯醇生產進行仔細地調整和分析。因此，利用ASPEN PLUS模擬軟件對聯醇工藝進行模擬計算，優化操作，為生產工藝的平穩運行提供指導。

1 合成氨工藝串聯甲醇合成工藝

CO、CO2在合成氨生產中是無用的，需要轉換和去除。CO在變換工段與水蒸氣發生反應生產H2和CO2，CO變換生成的CO2與原料氣中原有的CO2在脫碳工段得到脫除。由于在聯醇生產中，需要用到部分CO和CO2，因此在變換工段中CO的變換程度可以大大降低，出口 CO 一般控制在 4%～6%[1]，這個指標可以根據系統的甲醇產量進行調整。聯醇在合成氨生產系統中一般位于精脫硫之后、甲烷化之前(即“雙甲流程”)。至于聯醇的生產操作條件，與各廠實際的生產條件有關，山西某中型合成氨廠聯產甲醇的生產工藝見圖1。

圖1 山西某合成氨廠聯產甲醇的生產工藝

2 聯醇工藝模擬流程介紹

2.1 工藝流程

山西某中型合成氨廠的合成氨生產能力為18萬t/a，甲醇生產能力為2萬t/a。其聯醇工藝設置了2個甲醇合成塔，即B2和B10塔，B2塔為等溫列管換熱式反應器，B10塔為絕熱反應。B2塔為主反應塔，主要為了生產甲醇；B10塔為副反應塔，主要為了進一步降低氣體中的CO和CO2含量，起到凈化氣體的作用，聯醇工藝模擬流程見圖2。

圖2 聯醇工藝模擬流程注：B1—第一甲醇合成塔進出口換熱器；B2—第一甲醇合成塔；B3—物流分離器；B4—脫鹽水預熱器；B5—第一水冷器；B6—甲醇混合器；B7—物流分離器；B8—第二甲醇合成塔進出口換熱器；B9—蒸汽加熱器；B10—第二甲醇合成塔；B11—第二水冷器；B12—甲醇水洗塔；B13—物流混合器；B14—甲醇閃蒸槽

新鮮合成氣首先進入第一甲醇塔進出口換熱器(B1)殼側進行預熱，再進入等溫列管式第一甲醇合成塔(B2)，合成塔殼側副產中壓飽和蒸汽。

出第一甲醇合成塔(B2)的氣體進入第一進出口換熱器管側進行冷卻之后，進入脫鹽水預熱器(B4)回收熱量，經脫鹽水預熱器回收熱量后，合成氣進入第一水冷器(B5)，進一步冷卻后進甲醇分離器(B6)分離出液體粗甲醇。

甲醇分離器(B6)出口合成氣進入第二甲醇塔進出口換熱器(B8)殼側進行預熱，然后進入調節合成氣溫度的蒸汽加熱器(B9)，進行加熱后進入絕熱式固定床第二甲醇合成塔(B10)。

出第二甲醇合成塔(B10)的氣體經過第二甲醇塔進出口換熱器(B8)管側進行冷卻，然后進入第二水冷器(B11)進一步冷卻后，進甲醇水洗塔(B12)塔底分離甲醇，氣相經精餾廢水或脫鹽水洗滌，保證合成氣中甲醇含量合格。

從甲醇分離器(B5)和甲醇水洗塔(B12)中來的粗甲醇混合并減壓后進入粗甲醇閃蒸槽(B14)進行閃蒸。閃蒸后粗甲醇送甲醇精餾工序得到產品精甲醇，閃蒸汽可作為燃料送吹風氣回收。

2.2 系統建模說明

在模擬計算中，2個甲醇合成塔均選用平推流反應器模型，有兩點不同：第一甲醇反應器采用逆流換熱類型，管間采用沸騰水移熱；第二甲醇塔采用絕熱式類型。在流程模擬中，系統建模所用的ASPEN PLUS模塊見表1。

表1 系統建模所用的ASPEN PLUS模塊

3 模擬計算條件和結果分析

3.1 原料組成及操作條件

該廠來自精脫硫的原料氣組成見表2。該原料氣進入壓縮機進行加壓，進入第一甲醇合成塔的壓力為7.9MPa(a)，溫度為230℃，催化劑床層溫度不超過250℃。要求甲醇水洗塔出口氣體中的甲醇含量小于100mg/m3(使用銅基催化劑，二甲醚的生成量比較少，在工業模擬計算中可以忽略。因此，反應器的主反應僅考慮了CO和CO2與H2的反應。)。

表2 原料氣組成表

3.2 模擬結果與實際運行值對比

下面僅選取主物流4、13、16進行模擬計算值與實際運行值的對比，物料1是模擬計算的輸入值，對比結果見表3。

表3 模擬結果與實際運行值對比

在表3中，通過計算值與運行值的對比，可以看出該模擬流程計算結果與實際運行值吻合良好，這也說明了該聯醇工藝模型是可行的，可以用該模型對不同的操作工況進行模擬計算，給實際生產提供指導和幫助。

4 模擬結果分析

利用該模型的計算結果，可以簡單地通過進甲醇合成塔的原料氣中CO含量計算造氣工段(H2+CO)/N2的比值，對第一甲醇塔副線開度、第二甲醇塔的床層溫度和出口氣體中CO含量的影響，及甲醇洗滌塔進水量對出口氣體中甲醇含量的影響進行分析。

4.1 計算造氣(H2+CO)/N2的比值

在生產合成氨聯產甲醇(以合成氨為主，甲醇生產為輔)的系統中，想要調整進入甲醇合成塔原料氣中CO的含量，不僅要對造氣工段進行微調，還要調整變換工段出口氣中CO含量。造氣工段的微調，是在不影響正常制氣的前提下，既要保證氣體組分穩定，還要對(H2+CO)/N2比值進行調整。變換工段的調整要滿足(H2+CO變換進口-2CO變換出口)/N2=3/1的要求。因此，可通過甲醇合成塔的原料氣中CO含量來確定造氣(H2+CO)/N2的比值。

由模擬計算可知，甲醇合成塔進料中90%的CO反應生成了甲醇，而且CO2生成的甲醇量可以忽略。以現有進料條件進行舉例分析：物流16中的N2的摩爾流量為918.665kmol/h，反應生成的甲醇量為108.177kmol/h，進料中CO的摩爾流量為108.177/0.9=120.197kmol/h，由式(H2+CO變換進口-2CO變換出口)/N2=3/1可以算出在造氣工段(H2+CO)/N2的比值應控制在3.262左右。

因此，在甲醇合成塔生產能力允許的情況下，若想調節甲醇的產量，就可以利用計算模型，計算出不同的組分流量，方便快捷地確定造氣工段的(H2+CO)/N2的比值之后，再合理調整變換工段出口的CO含量，基本就可實現裝置的平穩過渡，盡量減少裝置運行的波動。

4.2 第一甲醇塔副線開度對第二甲醇塔的影響

由模擬計算結果可知，反應掉的CO中大約有75%是在第一甲醇反應塔內反應生成甲醇，剩余的氣體在第二甲醇塔內反應生成甲醇。為了防止第二甲醇塔進口氣中的CO含量過低，不能維持正常反應(特別是在催化劑前期)，特設置了一個副線(即圖2中的物料9)，使有一部分氣體未經第一甲醇反應塔，直接進入第二甲醇塔進行反應。第二甲醇塔床層的最高溫度應控制在250℃以下，以防催化劑超溫。同時，還要對第二甲醇塔出口氣體中的CO含量進行控制，指標控制在0.25%(mol)以下，以防增加后續甲烷化工段的負荷。

為了更好地掌握副線的開度，在該模擬計算中采用ASPEN PLUS靈敏度分析工具，對該控制要求進行模擬分析，并繪制了流量與床層最高溫度、出口CO含量的關系，見圖3。

圖3 不同副線流量與出口溫度、出口CO含量的關系注：第二甲醇塔出口溫度； 第二甲醇塔CO含量

從圖3可看出，要想同時滿足床層溫度<250℃和出口n(CO)<0.25%的要求，副線流量應控制在0～400kmol/h。因此，可以確定將副線的閥門開度控制在0～10%左右(總流量大約為4 095kmol/h)，即可滿足要求。

4.3 甲醇洗滌塔進水量對出口氣體中甲醇含量的影響

甲醇水洗塔出口氣體中CH3OH的含量控制在100mg/m3以下。利用ASPEN PLUS靈敏度分析工具，對該控制要求進行模擬分析，并繪制了水洗塔進水量對出口氣體中CH3OH含量的影響(見圖4)。由圖4可以看出，進口水流量需要控制在1 700kg/h以上時，才能滿足控制要求。

圖4 甲醇水洗塔進口水流量與出口氣體中CH3OH含量的關系

5 結語

(1)本文利用ASPEN PLUS對合成氨系統聯醇工藝流程的主要單元設備進行了模擬計算，對主要物料組分的計算值與運行值進行了對比。結果表明，該工藝模型與實際運行工藝吻合良好。

(2)利用該模型的計算結果，可以方便可靠地計算出當前甲醇產量下造氣工段(H2+CO)/N2的比值，為合成氨聯產甲醇系統的平穩運行提供了指導。

(3)利用ASPEN PLUS軟件中的靈敏度分析功能，分析了第一甲醇副線開度對第二甲醇塔床層溫度和出口CO含量的影響和甲醇洗滌塔進水量對出口氣體中甲醇含量的影響。分析結果表明，在當前的生產能力下，第一甲醇塔副線開度在0～10%時，可同時滿足第二甲醇塔床層溫度<250℃和出口氣體中n(CO)<0.25%的控制要求；當甲醇水洗塔進口水流量控制在1 700kg/h以上時，才能滿足出口氣體中φ(CH3OH)<100mg/m3的控制要求。

[1]曾建橋，魯煜坤.聯醇變換工藝的選擇[J].化學工程師，2010，183(13)：54-58.

Simulation and Analysis for the Methanol Co-production with Synthetic Ammonia Process

ZHAO Xiao-peng，ZHU Wei-na，SU Chun-sheng，SHEN Gai-yan

(Jin Cheng Coal Group Coal Chemical Research Institute，Jincheng Shanxi 048006，China)

This research stimulates a methanol co-production facility in a synthetic ammonia system of a chemical plant.By utilizing the ASPEN PLUS simulation software，major components and parts of the methanol co-production process are simulated and calculated.According to the calculation result，this technical model matches well with actual process flow.The calculation results of this model can be used for simple and fast calculation of the (H2+CO)/N2ratio in gasification section.Meanwhile，this paper also analyzes the impact of by-pass opening of the first methanol reactor on the bed temperature of the second methanol reactor as well as on the CO percentage of outlet gas.The impact of water inflow on methanol scrubber on the methanol content in outlet gas is also studied.These researches will provide guidelines for stable operation of methanol co-production process.

methanol co-production process；simulation and calculation；analysis；methanol

趙霄鵬(1975年—)，男，河北張家口人，2003年畢業于太原理工大學工商管理專業，碩士，工程師，現主要從事煤氣化工藝技術研究工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.04.007

TQ113.2

A

1004-8901(2017)04-0023-04

2017-05-02