• •
收稿日期:
2024-05-23
修回日期:
2024-07-13
出版日期:
2024-07-15
通讯作者:
刘永忠
作者简介:
孔昕山(1998—),男,博士研究生,xskong@stu.xjtu.edu.cn
基金资助:
Xinshan KONG1(), Xin Gao1, Lixia KANG1,2, Yongzhong LIU1,2()
Received:
2024-05-23
Revised:
2024-07-13
Online:
2024-07-15
Contact:
Yongzhong LIU
摘要:
可再生甲醇是实现可持续发展目标的重要途径之一。可再生能源的波动性和间歇性导致二氧化碳加氢制甲醇过程工况频繁波动。为了适应可再生能源的波动,甲醇生产系统的灵活性亟需提升。本文提出一种可再生甲醇生产系统操作窗口调控策略,通过在工艺条件和操作约束下设计分析关键设备的操作窗口特性,建立设备数据库,并通过瓶颈设备识别与替换实现对生产系统中关键设备集的优化选择,有效调控和扩大生产系统的操作窗口。研究表明:本文所构建的甲醇生产系统操作窗口调控策略可以实现最大化生产系统操作上限,最小化生产系统操作下限以及最大化操作窗口范围三个目标,以有效调控操作窗口,并依据给定的操作窗口需求确定最优的设备组合及设计方案,从而为适应可再生能源波动的甲醇生产系统柔性提升提供计算依据。
中图分类号:
孔昕山, 高鑫, 康丽霞, 刘永忠. 可再生甲醇生产系统操作窗口特性分析与调控[J]. 化工学报, DOI: 10.11949/0438-1157.20240553.
Xinshan KONG, Xin Gao, Lixia KANG, Yongzhong LIU. Analysis and regulation on operating window of renewable methanol production system[J]. CIESC Journal, DOI: 10.11949/0438-1157.20240553.
设备单元 | 约束条件 |
---|---|
反应器 | 反应选择性、反应转化率、反应温度范围、压降 |
精馏塔 | 降液管液泛、雾沫夹带液泛、液相负荷上下限、漏液 |
换热器 | 换热面积余量、管程和壳程流速、管程和壳程压降、进出口ρv2 |
表1 不同设备单元约束表
Table 1 Constraints of different equipment units
设备单元 | 约束条件 |
---|---|
反应器 | 反应选择性、反应转化率、反应温度范围、压降 |
精馏塔 | 降液管液泛、雾沫夹带液泛、液相负荷上下限、漏液 |
换热器 | 换热面积余量、管程和壳程流速、管程和壳程压降、进出口ρv2 |
工艺参数 | 数值 |
---|---|
进料摩尔比 | CO2/H2=1/3 |
进料流量 | H2=0.22 t/h |
产量和产品规格 | 7600 ton/a 98.5 wt%甲醇 |
循环摩尔比 | 4.8 |
单程转化率 | 29.01% |
选择性 | 99% |
吹扫排空气体 | 1% |
表2 甲醇生产系统工艺参数表
Table 2 Process parameter of methanol production system
工艺参数 | 数值 |
---|---|
进料摩尔比 | CO2/H2=1/3 |
进料流量 | H2=0.22 t/h |
产量和产品规格 | 7600 ton/a 98.5 wt%甲醇 |
循环摩尔比 | 4.8 |
单程转化率 | 29.01% |
选择性 | 99% |
吹扫排空气体 | 1% |
约束条件 | 操作下限 | 操作上限 |
---|---|---|
转化率 | 28.5% | — |
选择性 | 98.5% | — |
压降(bar) | 0.1 | 0.4 |
表3 绝热固定床反应器约束条件
Table 3 Constraints for adiabatic fixed-bed reactor
约束条件 | 操作下限 | 操作上限 |
---|---|---|
转化率 | 28.5% | — |
选择性 | 98.5% | — |
压降(bar) | 0.1 | 0.4 |
长度(m) | 直径(m) | 长径比 | 催化剂(kg) | 操作窗口 |
---|---|---|---|---|
6.0 | 0.75 | 8 | 4705 | 68%-140% |
5.6 | 0.70 | 8 | 3825 | 61%-113% |
6.4 | 0.80 | 8 | 5710 | 74%-152% |
4.9 | 0.85 | 6 | 4935 | 98%-148% |
4.8 | 0.80 | 6 | 4282 | 87%-127% |
5.2 | 0.90 | 6 | 5871 | — |
7.0 | 0.70 | 10 | 4781 | 55%-112% |
6.5 | 0.65 | 10 | 3828 | 50%-100% |
7.5 | 0.75 | 10 | 5881 | 60%-124% |
表4 反应器设备数据库
Table 4 Reactor equipment database
长度(m) | 直径(m) | 长径比 | 催化剂(kg) | 操作窗口 |
---|---|---|---|---|
6.0 | 0.75 | 8 | 4705 | 68%-140% |
5.6 | 0.70 | 8 | 3825 | 61%-113% |
6.4 | 0.80 | 8 | 5710 | 74%-152% |
4.9 | 0.85 | 6 | 4935 | 98%-148% |
4.8 | 0.80 | 6 | 4282 | 87%-127% |
5.2 | 0.90 | 6 | 5871 | — |
7.0 | 0.70 | 10 | 4781 | 55%-112% |
6.5 | 0.65 | 10 | 3828 | 50%-100% |
7.5 | 0.75 | 10 | 5881 | 60%-124% |
工艺参数 | 换热器1 | 冷却器 |
---|---|---|
管程/壳程 | 1/1 | 1/1 |
壳径内/外 | 290/320 mm | 360/400 mm |
管长 | 3200 mm | 3000 mm |
折流板间距 | 120 mm | 120 mm |
管径内/外 | 10/14 mm | 15/19 mm |
管心距 | 18 mm | 25 mm |
折流板圆缺率 | 25% | 25% |
管根数 | 181 | 144 |
换热面积 | 24.5 m2 | 24.9 m2 |
表5 换热器设计结果
Table 5 Heat exchangers design parameter results
工艺参数 | 换热器1 | 冷却器 |
---|---|---|
管程/壳程 | 1/1 | 1/1 |
壳径内/外 | 290/320 mm | 360/400 mm |
管长 | 3200 mm | 3000 mm |
折流板间距 | 120 mm | 120 mm |
管径内/外 | 10/14 mm | 15/19 mm |
管心距 | 18 mm | 25 mm |
折流板圆缺率 | 25% | 25% |
管根数 | 181 | 144 |
换热面积 | 24.5 m2 | 24.9 m2 |
约束条件 | 操作下限 | 操作上限 |
---|---|---|
管程流速(m/s) | 0.6(液相)5(气相) | 3(液相)30(气相) |
壳程流速(m/s) | 0.3(液相)2(气相) | 1.5(液相)15(气相) |
进出口ρv2(kg/(m·s2)) | — | 5950 |
换热面积余量 | 0% | — |
表6 换热器约束条件
Table 6 Constraints for heat exchanger
约束条件 | 操作下限 | 操作上限 |
---|---|---|
管程流速(m/s) | 0.6(液相)5(气相) | 3(液相)30(气相) |
壳程流速(m/s) | 0.3(液相)2(气相) | 1.5(液相)15(气相) |
进出口ρv2(kg/(m·s2)) | — | 5950 |
换热面积余量 | 0% | — |
壳径(mm) | 管长(mm) | 长径比 | 换热面积(m2) | 操作窗口 |
---|---|---|---|---|
320 | 3200 | 10 | 24.5 | 72%-135% |
300 | 3100 | 10 | 19.9 | 59%-105% |
340 | 3400 | 10 | 29.5 | 81%-173% |
350 | 2600 | 8 | 24.1 | 88%-106% |
320 | 2600 | 8 | 19.7 | — |
370 | 2900 | 8 | 29.9 | 96%-150% |
310 | 3800 | 12 | 24.9 | 61%-154% |
290 | 3500 | 12 | 19.9 | 53%-116% |
320 | 3900 | 12 | 29.3 | 70%-190% |
表7 换热器HE1设备数据库
Table 7 Heat exchanger HE1 equipment database
壳径(mm) | 管长(mm) | 长径比 | 换热面积(m2) | 操作窗口 |
---|---|---|---|---|
320 | 3200 | 10 | 24.5 | 72%-135% |
300 | 3100 | 10 | 19.9 | 59%-105% |
340 | 3400 | 10 | 29.5 | 81%-173% |
350 | 2600 | 8 | 24.1 | 88%-106% |
320 | 2600 | 8 | 19.7 | — |
370 | 2900 | 8 | 29.9 | 96%-150% |
310 | 3800 | 12 | 24.9 | 61%-154% |
290 | 3500 | 12 | 19.9 | 53%-116% |
320 | 3900 | 12 | 29.3 | 70%-190% |
壳径(mm) | 管长(mm) | 长径比 | 换热面积(m2) | 操作窗口 |
---|---|---|---|---|
400 | 3000 | 7.5 | 24.9 | 58%-150% |
380 | 2800 | 7.5 | 19.9 | 97%-153% |
420 | 3100 | 7.5 | 29.0 | 62%-162% |
370 | 3700 | 10 | 24.2 | 55%-122% |
350 | 3400 | 10 | 19.5 | 47%-107% |
390 | 3800 | 10 | 30.2 | 57%-149% |
450 | 2300 | 5 | 25.5 | 76%-134% |
430 | 2100 | 5 | 21.1 | 67%-106% |
470 | 2400 | 5 | 30.8 | 75%-162% |
表8 冷却器C1设备数据库
Table 8 Cooler C1 equipment database
壳径(mm) | 管长(mm) | 长径比 | 换热面积(m2) | 操作窗口 |
---|---|---|---|---|
400 | 3000 | 7.5 | 24.9 | 58%-150% |
380 | 2800 | 7.5 | 19.9 | 97%-153% |
420 | 3100 | 7.5 | 29.0 | 62%-162% |
370 | 3700 | 10 | 24.2 | 55%-122% |
350 | 3400 | 10 | 19.5 | 47%-107% |
390 | 3800 | 10 | 30.2 | 57%-149% |
450 | 2300 | 5 | 25.5 | 76%-134% |
430 | 2100 | 5 | 21.1 | 67%-106% |
470 | 2400 | 5 | 30.8 | 75%-162% |
工艺参数 | 数值 |
---|---|
塔板类型 | NUTTER-BDP浮阀板 |
塔径 | 0.8 m |
板间距 | 0.6 m |
塔板数 | 24 |
堰长 | 0.64 m |
堰高 | 50 mm |
表9 精馏塔设计结果
Table 9 Distillation column design parameter results
工艺参数 | 数值 |
---|---|
塔板类型 | NUTTER-BDP浮阀板 |
塔径 | 0.8 m |
板间距 | 0.6 m |
塔板数 | 24 |
堰长 | 0.64 m |
堰高 | 50 mm |
约束条件 | 操作下限 | 操作上限 |
---|---|---|
液泛率 | — | 85% |
降液管停留时间(s) | 4 | — |
液相负荷(m3/h·m) | 3.07 | — |
表10 精馏塔约束条件
Table 10 Constraints for Distillation column
约束条件 | 操作下限 | 操作上限 |
---|---|---|
液泛率 | — | 85% |
降液管停留时间(s) | 4 | — |
液相负荷(m3/h·m) | 3.07 | — |
塔板数 | 进料板 | 塔径(m) | 操作窗口 |
---|---|---|---|
24 | 12 | 0.8 | 61%-125% |
27 | 14 | 0.8 | 73%-150% |
30 | 15 | 0.8 | 84%-162% |
24 | 12 | 0.9 | 69%-158% |
27 | 14 | 0.9 | 82%-189% |
30 | 15 | 0.9 | 94%-202% |
24 | 12 | 1.0 | 78%-194% |
27 | 14 | 1.0 | 92%-234% |
30 | 15 | 1.0 | - |
表11 精馏塔设备数据库
Table 11 Distillation column equipment database
塔板数 | 进料板 | 塔径(m) | 操作窗口 |
---|---|---|---|
24 | 12 | 0.8 | 61%-125% |
27 | 14 | 0.8 | 73%-150% |
30 | 15 | 0.8 | 84%-162% |
24 | 12 | 0.9 | 69%-158% |
27 | 14 | 0.9 | 82%-189% |
30 | 15 | 0.9 | 94%-202% |
24 | 12 | 1.0 | 78%-194% |
27 | 14 | 1.0 | 92%-234% |
30 | 15 | 1.0 | - |
设计情景 | 设计参数 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
名义设计 | 反应器 | 长度(m) | 直径(m) | 长径比 | 催化剂(kg) | 操作窗口 |
6.0 | 0.75 | 8 | 4705 | 68%-140% | ||
换热器HE1 | 壳径(mm) | 管长(mm) | 长径比 | 换热面积(m2) | 操作窗口 | |
320 | 3200 | 10 | 24.5 | 72%-135% | ||
冷却器C1 | 壳径(mm) | 管长(mm) | 长径比 | 换热面积(m2) | 操作窗口 | |
400 | 3000 | 7.5 | 24.9 | 58%-150% | ||
精馏塔 | 塔板数 | 进料板 | 塔径(m) | 操作窗口 | ||
24 | 12 | 0.8 | 61%-125% | |||
最低操作下限 | 反应器 | 长度(m) | 直径(m) | 长径比 | 催化剂(kg) | 操作窗口 |
7.5 | 0.75 | 10 | 5881 | 60%-124% | ||
换热器HE1 | 壳径(mm) | 管长(mm) | 长径比 | 换热面积(m2) | 操作窗口 | |
310 | 3800 | 12 | 24.9 | 61%-154% | ||
冷却器C1 | 壳径(mm) | 管长(mm) | 长径比 | 换热面积(m2) | 操作窗口 | |
400 | 3000 | 7.5 | 24.9 | 58%-150% | ||
精馏塔 | 塔板数 | 进料板 | 塔径(m) | 操作窗口 | ||
24 | 12 | 0.8 | 61%-125% | |||
最高操作上限/ 最大操作窗口 | 反应器 | 长度(m) | 直径(m) | 长径比 | 催化剂(kg) | 操作窗口 |
6.4 | 0.80 | 8 | 5710 | 74%-152% | ||
换热器HE1 | 壳径(mm) | 管长(mm) | 长径比 | 换热面积(m2) | 操作窗口 | |
320 | 3900 | 12 | 29.3 | 70%-190% | ||
冷却器C1 | 壳径(mm) | 管长(mm) | 长径比 | 换热面积(m2) | 操作窗口 | |
420 | 3100 | 7.5 | 29.0 | 62%-162% | ||
精馏塔 | 塔板数 | 进料板 | 塔径(m) | 操作窗口 | ||
24 | 12 | 0.9 | 69%-158% |
表12 不同情形中设备设计参数
Table 12 Parameters of equipment in various scenarios
设计情景 | 设计参数 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
名义设计 | 反应器 | 长度(m) | 直径(m) | 长径比 | 催化剂(kg) | 操作窗口 |
6.0 | 0.75 | 8 | 4705 | 68%-140% | ||
换热器HE1 | 壳径(mm) | 管长(mm) | 长径比 | 换热面积(m2) | 操作窗口 | |
320 | 3200 | 10 | 24.5 | 72%-135% | ||
冷却器C1 | 壳径(mm) | 管长(mm) | 长径比 | 换热面积(m2) | 操作窗口 | |
400 | 3000 | 7.5 | 24.9 | 58%-150% | ||
精馏塔 | 塔板数 | 进料板 | 塔径(m) | 操作窗口 | ||
24 | 12 | 0.8 | 61%-125% | |||
最低操作下限 | 反应器 | 长度(m) | 直径(m) | 长径比 | 催化剂(kg) | 操作窗口 |
7.5 | 0.75 | 10 | 5881 | 60%-124% | ||
换热器HE1 | 壳径(mm) | 管长(mm) | 长径比 | 换热面积(m2) | 操作窗口 | |
310 | 3800 | 12 | 24.9 | 61%-154% | ||
冷却器C1 | 壳径(mm) | 管长(mm) | 长径比 | 换热面积(m2) | 操作窗口 | |
400 | 3000 | 7.5 | 24.9 | 58%-150% | ||
精馏塔 | 塔板数 | 进料板 | 塔径(m) | 操作窗口 | ||
24 | 12 | 0.8 | 61%-125% | |||
最高操作上限/ 最大操作窗口 | 反应器 | 长度(m) | 直径(m) | 长径比 | 催化剂(kg) | 操作窗口 |
6.4 | 0.80 | 8 | 5710 | 74%-152% | ||
换热器HE1 | 壳径(mm) | 管长(mm) | 长径比 | 换热面积(m2) | 操作窗口 | |
320 | 3900 | 12 | 29.3 | 70%-190% | ||
冷却器C1 | 壳径(mm) | 管长(mm) | 长径比 | 换热面积(m2) | 操作窗口 | |
420 | 3100 | 7.5 | 29.0 | 62%-162% | ||
精馏塔 | 塔板数 | 进料板 | 塔径(m) | 操作窗口 | ||
24 | 12 | 0.9 | 69%-158% |
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