大型煤化工甲醇精馏模拟与仿真研究

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煤制甲醇已经成为新时期甲醇生产转型升级的主流趋势。而在煤制甲醇项目开展过程中，需有效控制甲醇精馏质量以保证甲醇生产质量与生产品质。基于煤化工业现代化、自动化、智能化程度的不断提升，甲醇精馏过程模拟与仿真系统应用重要性愈发显著，成为推动大型煤化工甲醇生产优化发展的重要手段。以下是笔者对其研究的几点认知，意在抛砖引玉。

1.过程模拟与仿真在大型煤化工甲醇精馏中的作用分析

甲醇精馏是煤制甲醇工艺流程（如图1所示）中的重要组成部分，主要是将甲醇合成后的粗甲醇转换为精制甲醇，以满足甲醇生产对甲醇品质的要求。图1煤制甲醇工艺流程简图通常情况下，在甲醇精馏过程中，由于粗甲醇含有大量的有机杂质（醇、醚、醛等）、还原性杂质（异丁醛、甲酸等）、水、金属等[1]。因此，对甲醇精馏技术具有较高要求，需要企业以及相关工作人员在实践操作中能够加强甲醇精馏控制，将影响甲醇品质的杂质从粗甲醇中科学分离。基于煤化工业自动化水平、现代化水平、智能化水平的不断提升，各类先进设备、技术广泛应用到甲醇生产工艺优化、管控中，过程模拟与仿真则是典型代表。就甲醇精馏而言，过程模拟与仿真能够借助计算机网络技术、人工智能技术、数据库技术、视频显示技术等，构建甲醇精馏工艺流程数据模型，通过数据模型求解探寻最优工艺参数与生产工艺运行风险，从而在为甲醇精馏工艺流程优化、甲醇精馏工艺风险防控、甲醇精馏工艺技术培训等工作的组织开展提供信息与技术支持，推动甲醇生产科学化、大型化、自动化、系统化发展。

2.大型煤化工甲醇精馏过程模拟与仿真系统的构建

在大型煤化工甲醇精馏过程模拟与仿真系统构建过程中，为保证系统构建的准确与科学，促进过程模拟与仿真作用的有效发挥，需做好如下工作。(1)准确掌握甲醇精馏工艺流程在甲醇精馏过程中，甲醇双塔精馏、甲醇三塔精馏与甲醇四塔精馏是较为常见的几种工艺流程。其中甲醇双塔精馏工艺流程相对简单，通过第一塔轻组分杂质去除与第二塔重馏分杂质去除，获得精制甲醇。该工艺流程具有建设周期短、资金投入少、能源消耗大、甲醇产品纯度低等特征，多用于小规模甲醇生产精馏中，在大型煤化工甲醇精馏中的实用性不强。甲醇三塔精馏工艺流程在甲醇双塔精馏工艺流程的基础上增加了一个加压精馏塔，能够充分利用甲醇蒸汽热量进行精馏，实现甲醇精馏能耗的节约。但在实践过程中，如果常压精馏塔塔顶产品控制不到位，则将降低甲醇纯度，制约甲醇精馏质量的提升。与此同时，也要加强塔釜废水指标控制。因此，在大型煤化工甲醇精馏中，三塔精馏操作难度相对较大，综合效益并不显著。而甲醇四塔精馏则可有效改善甲醇双塔精馏与甲醇三塔精馏工艺流程不足，在预精馏塔、加压精馏塔、常压精馏塔、回收塔共同作用下达到提升甲醇精馏质量与效率，满足节能降耗生产需求。在本次研究中，主要对甲醇四塔精馏工艺流程进行模拟，构建相应仿真系统。(2)立足工艺流程进行稳态模拟在甲醇精馏工艺流程模拟过程中，设计选用AspenPlus大型流程模拟软件（具有丰富物性数据库，包括燃料数据库、固体数据库、无机物数据库、电解质水溶液数据库等，能够满足煤化、石化等工业制造企业多数产品生产工艺流程模拟需求；具有多样化单元操作模块，可有效满足数据模型构建要求；具备高集成能力与高分析能力，可准确、快速找到合理模拟参数，为工艺流程最优化设计提供依据；支持序贯算法与联立方程算法，可有效提升大型工艺流程计算准确性、时效性，其结构如图2所示，进行稳态模拟。①根据煤制甲醇生产过程中粗甲醇组成成分，进行物性方法科学选择。在本次研究中确定物性方法主要为UNIFAC（UniversalQuasi-ChemicalFunctionalGroupActivityCoeffient，通用基团活度系数模型）、UNIQUAC（UniversalQuasi–ChemicalModel，通用准化学模型）、NRTL（Non-RandomTwoLiquids，局部双流体模型）等。②根据甲醇四塔精馏工艺流程，结合甲流精馏过程模拟本质要求，进行模块科学选择。由于甲流精馏过程中塔设备操作是基础操作，也是核心操作。对此，为简化模拟文件，提升模拟计算与分析速度，确定稳态模拟模块主要为精馏塔模块（RadFrac）、换热器模块（Heater）、闪蒸模块（Flash2）等。③有针对性运行工艺流程模拟，并根据模拟运行结果探寻甲醇四塔精馏过程中存在的不足，为工艺流程改进与调整提供信息依据[2]。以甲醇精馏回收塔为研究对象，对其常压操作下运行情况进行模拟分析，得出如表1所示回收塔物流模拟结果（部分）。(3)基于稳态模拟搭建仿真系统①系统设计思路大型煤化工甲醇精馏仿真系统的开发目的在于：提高甲醇精馏过程模拟准确度，为甲醇精馏实践操作提供有益指导，便于工艺流程模拟在甲醇生产中的推广与应用。因此，在仿真系统开发过程中，以AspenPlus稳态模拟文件为仿真系统地层模型，在以人为本理念、科学创新理念等指导下设计了友好型交互仿真界面。②系统结构分析大型煤化工甲醇精馏仿真系统主要由AspenPlus模拟文件、VB接口程序与仿真界面三部分构成。其中AspenPlus模拟文件位于系统底层，用以向系统提供甲醇精馏过程机理模型；VB接口程序将仿真界面与底层模型进行科学连接，满足数据传输与利用需求；仿真界面为人机交互界面，用于数据信息显示、设置、调整、管理与利用。③系统开发核心技术仿真系统功能的实现离不开技术支撑。就本文所研究的系统而言，应用到的核心技术主要有以下几种：A.自动化技术，包括自动化服务器技术与自动化控制器技术。自动化服务器是ActiveX组件系统中的重要组成部分，受应用程序编程影响，能够为仿真系统软件构件通信提供平台，并在通信接口支持下，进行输入数据、输出数据的有效传递。自动化控制器是自动化服务器中的重要应用程度，大型煤化工甲醇精馏仿真系统中所应用到的自动化控制器为VisualBasic，可向自动化服务器提供对象。B.自动化控制器与自动化服务器链接技术。在仿真系统开发过程中进行接口程序编写时，需自动化控制器（VisualBasic）中配置AspenPlus类型库引用，便于在对象浏览器中准确查找自动化服务器提供的对象，实现自动化控制器与自动化服务器有效链接。C.接口程序编写技术。接口程序是实现仿真界面与AspenPlus底层模型互通互联的核心要素。其编写质量直接关系系统整体运行稳定性、合理性。对此，应科学运用接口程序编写技术进行接口程序编写。例如，要想在仿真界面文本框（Text1）中进行精馏塔模块输入变量的更改，需编写“Simulation.Tree.FindNode（‘\Data\Blocks\精馏塔模块名称\Input\输入变量’）Value=Text1.Text”接口程序来实现。

3.结论

总而言之，大型煤化工甲醇精馏过程模拟与仿真系统的开发与应用是推动甲醇生产科学化、自动化、智能化、环保化、系统化发展的重要手段。我们在明确认知其作用与需求的基础上，应提高对甲醇精馏过程模拟与仿真的重视程度，能够在“科技驱动一切创新发展”理念指导下，不断探索模拟与仿真策略，以便进一步提升系统应用科学性、有效性。

【参考文献】

[1]李少波,宋兵兵.基于DCS的甲醇精馏控制方案的分析与实现[J].化工管理,2019(11):167-169.

[2]张秋利,罗敏,李凤英.甲醇合成反应过程的模拟与优化[J].天然气化工(C1化学与化工),2019,44(01):95-100.

[3]周凯,侯国安,马少宁.基于Aspenplus对甲醇精制工段的模拟与优化[J].山东化工,2017,46(22):114-118+122.

作者:张先春 单位:兖矿国宏化工有限责任公司