焦炉煤气合成甲醇建模与优化.docx
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焦炉煤气合成甲醇建模与优化
焦炉气合成甲醇建模与优化
化工过程系统分析与合成大作业
化工2班肖惠瑜黄幸童张婷婷郑龙
2015/5/9
1研究背景
甲醇是一种久用的传统化工产品。
在农药,医药,染料，香料,涂料以及三大合成材料生产中都需要甲醇作为原料或作为溶剂。
因此,甲醇是一种有着广泛用途的重要的有机化工原料,甲醇工业生产对其他相关工业和国民经济的发展都有着重要意义。
随着经济全球化进程的发展,21世纪的化学工业,其产业结构正在不断调整,日益突出了精细化工的主体地位。
近几十年来,特别是我国甲醇工业的发展,生产规模逐渐扩大,下游产品种类不断增加,社会需求越来越大。
因此,迫切要求对甲醇合成过程进行优化操作和控制。
化学工业的巨大变迁也使得化学产品设计变得日益重要。
甲醇是一种符合现代“清洁工艺”要求的环保型化工原料，受到了国内外化工界的广泛重视，可以作为一种新型的燃料，因此甲醇项目的建设对于如今能源短缺的问题，也起到一个缓冲的过程。
合成甲醇的工业生产是以固体（如煤、焦炭）、液体（如原油、重油、轻油）或气体（如天然气及其它可燃性气体）为原料，经造气、净化（脱硫）变换，除二氧化碳，配制成一定配比的合成气。
在不同的催化剂存在下，选用不同的工艺条件可单产甲醇（分高、中、低压法），或与合成氨联产甲醇（联醇法）。
将合成后的粗甲醇经预精馏脱除甲醚，再精馏而得成品甲醇。
自1923年开始工业化生产以来，甲醇合成的原料路线经历了很大变化。
20世纪50年代以前多以煤和焦碳为原料；50年代以后，以天然气为原料的甲醇生产流程被广泛应用；进入60年代以来，以重油为原料的甲醇装置有所发展。
对于我国，从资源背景看，煤炭储量远大于石油、天然气储量，随着石油资源紧缺、油价上涨，因此在大力发展煤炭洁净利用技术的背景下，在很长一段时间内煤是我国甲醇生产最重要的原料。
焦炉煤气，又称焦炉气，属于高热值煤气，粗煤气或荒煤气。
是指用几种烟煤配制成炼焦用煤，在炼焦炉中经过高温干馏后，在产出焦炭和焦油产品的同时所产生的一种可燃性气体，是炼焦工业的副产品。
其主要成分为氢气和甲烷，另外还含有少量的一氧化碳、C2以上不饱和烃、二氧化碳、氧气、氮气。
各组分含量见下表。
表1-1典型焦炉煤气主要成分
组分
H2
CO
CO2
N2
CH4
CnHm
O2
组成/%（体积分数）
55-59
6-8.5
1.5-2.5
3-3.5
24-26
2-2.5
0.3-0.8
主反应：
CO2+3H2=CH3OH+H2O
CO+2H2=CH3OH
焦炉煤气中的CH4可在转化炉中经部分催化氧化转变为CO，最后调整碳氢比，使CO：
H2>2即得到合成气。
表1-2新鲜合成气的组成
组分
CO
CO2
H2
CH4
N2
H2O
含量%
18.48
6.31
71.56
0.69
2.96
0
同时，焦炉煤气可以合成LNG，我小组旨在建立焦炉煤气合成甲醇的化工模型，并通过分析提出优化方案，合理配置LNG与焦炉煤气的生产。
2合成方法选用
2.1常用的合成方法
当今甲醇生产技术主要采用中压法和低压法两种工艺，并且以低压法为主，这两种方法生产的甲醇约占世界甲醇产量的80%以上。
高压法：
（19.6-29.4Mpa）是最初生产甲醇的方法，采用锌铬催化剂，反应温度360-400℃，压力19.6-29.4Mpa。
高压法由于原料和动力消耗大，反应温度高，生成粗甲醇中有机杂质含量高，而且投资大，其发展长期以来处于停顿状态。
低压法：
（5.0-8.0Mpa）是20世纪60年代后期发展起来的甲醇合成技术，低压法基于高活性的铜基催化剂，其活性明显高于锌铬催化剂，反应温度低（240-270℃）。
在较低压力下可获得较高的甲醇收率，且选择性好，减少了副反应，改善了甲醇质量，降低了原料消耗。
此外，由于压力低，动力消耗降低很多，工艺设备制造容易。
中压法：
（9.8-12.0Mpa）随着甲醇工业的大型化，如采用低压法势必导致工艺管道和设备较大，因此在低压法的基础上适当提高合成压力，即发展成为中压法。
中压法仍采用高活性的铜基催化剂，反应温度与低压法相同，但由于提高了压力，相应的动力消耗略有增加。
目前，甲醇的生产方法还主要有①甲烷直接氧化法：
2CH4+O2→2CH3OH.②由一氧化碳和氢气合成甲醇，③液化石油气氧化法
2.2本设计所采用的合成方法
比较以上三者的优缺点，以投资成本，生产成本，产品收率为依据，选择低压法为生产甲醇的工艺，用CO和H2在加热压力下，在催化剂作用下合成甲醇。
2.3合成工艺
焦炉气经过处理后得到合成气，进一步合成甲醇。
图2-1焦炉气制甲醇合成气流程
1.气柜2.煤气压缩机3.铁钼反应器4.脱硫槽5.加热炉
6.部分氧化炉7.氧压机8.分离器9.脱硫槽
甲醇的合成是可逆放热反应，为使反应达到较高的转化率，应迅速移走反应热，本设计采用Lurgi管壳式反应器，管程走反应气，壳程走4MPa的沸腾水。
图2-2Lurgi低压法甲醇合成工艺流程
1.透平压缩机2.热交换器3.锅炉水预热器4.水冷却器5.甲醇合成塔
6.气包7.甲醇分离器8.粗甲醇贮槽
得到粗甲醇后，经过三塔精馏制得精甲醇产品。
3化工建模
由于化工过程系统的复杂性，一般情况下需要对真实的化工系统进行一定的简化。
化工模型的主要特点是对客观过程的物理实质进行抽象、概况和合理的简化。
简化的目的是使建立的模型能过用现有的数学工具进行求解。
将复杂的化工过程简化为模型，有利于分析和优化。
建模前要分析系统的物料流、能量流、设备流以及信息流，此处建模主要从物料量和设备流入手，只对三塔精馏部分建模。
图3-1甲醇合成流程图
图3-2三塔精馏示意图
3.1数学建模
数学模型的特点是简化，用数学模型模拟实际过程变量关系。
它的近似程度的关键是简化的合理性，即简化的物理模型是否合理。
图3-3精馏过程流程简图
对图中各部分进行物料衡算：
图3-4物料衡算（列出约束方程）
经分析共56个独立方程，共21股物流，计算得自由度为22，故所建模型合理。
3.2结构建模
化工系统结构模型，要求把系统各单元设备之间的相互关系以及物流或能流的输入输出关系表示出来。
这种关系可以用结构单元图表示，结构单元图也可称为有向图，有向图用数学的形式表示，就得到系统的结构模型。
有向图的数学表示常有关系矩阵、过程矩阵和邻接矩阵。
采用邻接矩阵表示有向图，可进一步找出回路，确定序贯模型的计算次序。
图3-5精馏部分有向图
图3-6邻接矩阵图
图3-7选择切断物流示意图
4分析优化
4.1生产配置优化
假设该厂除了生产甲醇，还利用焦炉煤气生产LNG，两种产品共用一个仓库。
通过优化分析确定两种产品每天生产的桶数，使得该系统每天的利润最大。
产品（桶）
A甲醇
BLNG
所需焦炉气（m3/桶）
50
20
储存面积（m2/桶）
1.26
4
生产速度（桶/小时）
5
50
利润（元/桶）
2650
7415
假设每天可用焦炉气为1000m3，储存面积为50m2,每天最多生产10小时。
设每天生产甲醇x1桶，生产LNGx2桶
列出优化方程：
MaxJ=2650x1+7415x2
50x1+20x2≤1000
1.26x1+5x2≤50
x1/5+x2/50≤10
计算得当x1=17，x2=7时，MaxJ=96955，每天共需要焦炉气990m3，共需要储存面积49.42m2，每天只需要生产3.54小时。
4.2再沸器负荷优化（思路）
通过改变塔2塔顶的流量使塔3塔底再沸器的热量可完全由塔2提供。
优化方法：
在aspen中输入目标函数（塔2再沸器热负荷Q2），使塔3的产品符合要求。
作业心得：
实际的化工生产过程比书本上的复杂很多，且难以做实验，如果要模拟整个过程或者做一些改进只能在计算机上进行。
因此化工过程系统分析与合成这门课意义重大，有助于我们解决实际问题。
建模可分为合成和分析两大类，我们是按照合成的思路来完成作业。
首先要建立模型，该流程设计到的物料较多，建模过程复杂，但我们还是沉下心来认真地建立了数学模型，并通过自由度分析确保了模型的可行性。
继而是建立结构模型，结构模型与数学模型相比较为简单，使用ASPEN模拟过程时，可根据回路矩阵法确定撕裂物流，有利于收敛。
在做分析优化时，我们了解到焦炉煤气还能作为LNG的生产原料，于是假定有LNG和甲醇这两种产品，通过列方程和excel求解确定最佳生产配置方案。
总的来说，要学好这门课，完整地完成化工问题分析不仅需要微机化工的知识，也需要化工原理、化工技术经济、化工物流等多门课程的灵活运用，这对我们提出了较高的要求，所以完成作业的过程中不可避免地遇到了许多障碍。
例如，生产配置优化不够详细，三塔精馏可以节约能耗，但是具体的优化过程需要用到ASPEN操作，我们暂时还无法给出确切的数据。
希望以后还有机会深入学习化工中的计算机应用，为未来解决生产实际问题打下良好的基础。
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