论文部分内容阅读
[摘 要]甲醛作为当前工业领域较为常用的化学品，在各个行业的生产过程中发挥着巨大的作用。本文将会以聚甲醛工艺为基础，通过Aspen Plus来选用UNIFAC来模拟甲醇制甲醛工艺，计算结果显示其数据与现场相互吻合。本文利用夹点技术的方式来对其节能潜力做出分析，并提出有效的能量优化方案，这种方案的应用下可以有效解决18.7%的冷公用工程以及10.4%的热公用工程，相信对于国内生产工艺的发展有一定的借鉴意义。
[关键词]甲醛；计算机模拟；优化方案
中图分类号：TG44 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）20-0058-01
引言
甲醛是如今工业领域使用中较为重要的碳一化学品，在木材加工、医药、涂料等领域发挥着重要的作用。而通过计算机模拟来优化甲醛制备工艺与能效，在提升其能量回收效益、降低能耗、增加产品质量等方面有着较大的帮助。在国内研究领域，有不少学者对甲醛工艺的研究提出了自己的想法，研究虽各有不同，但大多没有将甲醇、水和甲醛之间的化学作用考虑进去。所以，本文在探讨甲醛制作过程中是，会以上述三者的化学反应来制作相应的模拟模型，且模型所计算出的结果与工业现场制作的数据相互吻合。
一、制作工艺介绍
本文将会采用夹点技术来对工艺制作中的节能性进行思考，优化换热网络，形成一项全新的能量回收方法，达到节能的目的。下文在阐述甲醛制备工艺过中，会以尾气循环银法为制作背景。整个系统的反映都是以热反应为主，加热后的甲醇、水蒸气、空气、循环尾气等会逐步传送至反应器，通过银催化剂来反应成甲醛，方程式如下所示：
制作工艺的完成主要会通过水蒸气的形式来进行，通过控制各类气体储存的反应器的温度来进行操作，这其中通过循环尾气的方式可以在一定程度上减少水蒸气的使用量。一般反应之后出来的含甲醛浓度质量分数在10%到17%之间，经过吸收塔、脱甲醇塔等方式来得到最终含量在60.5%的甲醛产品。
二、计算机模型的建立
本文在甲醛制备工艺研究中会考虑到甲醇、水、甲醛等的化学反应，并利用Aspen Plus来建立制备甲醛的计算机模型。
（一）三者化学反应
（二）热力学方法的选择
由于在Aspen软件的数据库中没有对甲醛、甲醇、水等产生的低聚反映交互参数，且气液平衡的现象也相对特殊，因此，本文将会采用UNIFAC方程唉计算其活度系数。在气相分子的低聚反映下，需要通过HaydenO’Connell来体现其热力学特征；而在蒸发器中只有甲醇、水，不会有化学反应，因此E01选用NRTL的物性方法；而在E02空气预热器中则以SRK作为物性方法。
（三）建立模型
通过Rstoic模型来模拟建立甲醛合成塔，利用RadFrac来模拟脱醇塔与甲醛吸收塔，然后采用SEP模块模拟甲醛浓缩器，Heater模块则用作冷却器和加热器，以此搭建成整个甲醛制备流程。
（四）模拟计算结果
计算机通过模拟会后产生的结果以及尾气循环与现场数据的比较如下表4和表5所示，结果显示模拟得出的结论与实际运作的数据相互吻合。
三、能效优化
（一）提取物流数据
在E06到E09的换热器中，由于物流的温度相对较低，消耗热量较少。针对这部分的优化不能集中在降低能耗，否则容易让热网络优化问题复杂化，因此不需要提取这部分的物流数据。这其中热公用工程是0.15MPa蒸汽，而冷公用工程则是循环冷却水。
（二）夹点分析
通过对设备操作、投资等费用的考虑，研究中选择的最小换热温差在10℃。通过Aspen软件分析出冷热物流中的夹点温度唉79.9℃，并描绘出相应的组合曲线以及最小能耗目标。基于此，通过对换热网络的模拟，可以获取其能源消耗情况，并以最小能耗来对比其换热网络的节能可能性。【3】
（三）当前换热网不合理的换热匹配设计
在夹点方法的设计中，超出夹点的部分不应在使用工程冷却器，而低于家电的部分则不需要用公用工程加热器，且在换热器的使用中不应该跨越夹点。因此，根据这项原理，我们可以发现以下几个方面还存在不合理之处：第一，在超过夹点的部分依然采用了公用工程冷却器。H1冷却器中为E03的反映产物，且热物流的温度高于夹点，但是却通过冷却水来完成冷却流程。第二，该方案执行的过程中，低于夹点的部分使用了公用工程加热器。E01为甲醇，而E02为空气预热器，两者的初始温度都低于夹点，但是却通过0.15Mpa蒸汽来进行加热，这也有悖于夹点方法的原则【4】。
（四）能效优化方案
根据循环尾气制备流程，我们发现这项工艺操作的问题主要是H1反应产物并没有得到有效的利用，这种情况下会同时增加热公用工程与冷公用工程的能耗，不利于企业实现节能效益的最大化。因此，在能效优化的方案中，这也将是换热网络改造最主要考虑的因素。具体的安排措施需要包含以下几个方面：第一，保持E03的能耗不变，维持原有的换热匹配，但是提升其热物流初始温度，将其变为75.97摄氏度。第二，C2空气的预热公用工程将其变为通过H1反应来进行维持。第三，加入新的换热器N01，以此来对甲醇C4实施预热，并逐步回收H1反应后产生的剩余能量【5】。
四、结束语
综上所述，本文的研究主要是在考虑甲醇、甲醛、水三项化学反应的基础上来通过UNIFAC来模拟。但是由于数据库中缺少了三者相互作用的二元交互参数，因此需要利用Aspen Plus来建立新的模拟模型，经过了一系列数据的获取与工艺设置，结果显示模拟计算出的结果与工艺现场所获取的数据相互吻合。除此之外，上文也提出了当前换热网络中存在的不合理之处，并针对性的提出换热网络的优化方案，形成了一套新型的能量回收措施，对热公用工程与冷公用工程的能量使用进行了优化，分别降低了10.4%与18.7%的比例，对于当前工业领域来说，不仅可以有效提升其工作效率，也能降低其能耗的成本，为响应国家节能减排的政策作出贡献。
参考文献
[1] 石胜启，吴凤明.甲醇制烯烃技术工业化进展[J].现代化工，2016，36（04）：38-41.
[2] 楊靖，张迪，王家琪.年产3.5万吨甲醇制甲醛工艺模拟[J].山东化工，2016，45（18）：90-92.
[关键词]甲醛；计算机模拟；优化方案
中图分类号：TG44 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）20-0058-01
引言
甲醛是如今工业领域使用中较为重要的碳一化学品，在木材加工、医药、涂料等领域发挥着重要的作用。而通过计算机模拟来优化甲醛制备工艺与能效，在提升其能量回收效益、降低能耗、增加产品质量等方面有着较大的帮助。在国内研究领域，有不少学者对甲醛工艺的研究提出了自己的想法，研究虽各有不同，但大多没有将甲醇、水和甲醛之间的化学作用考虑进去。所以，本文在探讨甲醛制作过程中是，会以上述三者的化学反应来制作相应的模拟模型，且模型所计算出的结果与工业现场制作的数据相互吻合。
一、制作工艺介绍
本文将会采用夹点技术来对工艺制作中的节能性进行思考，优化换热网络，形成一项全新的能量回收方法，达到节能的目的。下文在阐述甲醛制备工艺过中，会以尾气循环银法为制作背景。整个系统的反映都是以热反应为主，加热后的甲醇、水蒸气、空气、循环尾气等会逐步传送至反应器，通过银催化剂来反应成甲醛，方程式如下所示：
制作工艺的完成主要会通过水蒸气的形式来进行，通过控制各类气体储存的反应器的温度来进行操作，这其中通过循环尾气的方式可以在一定程度上减少水蒸气的使用量。一般反应之后出来的含甲醛浓度质量分数在10%到17%之间，经过吸收塔、脱甲醇塔等方式来得到最终含量在60.5%的甲醛产品。
二、计算机模型的建立
本文在甲醛制备工艺研究中会考虑到甲醇、水、甲醛等的化学反应，并利用Aspen Plus来建立制备甲醛的计算机模型。
（一）三者化学反应
（二）热力学方法的选择
由于在Aspen软件的数据库中没有对甲醛、甲醇、水等产生的低聚反映交互参数，且气液平衡的现象也相对特殊，因此，本文将会采用UNIFAC方程唉计算其活度系数。在气相分子的低聚反映下，需要通过HaydenO’Connell来体现其热力学特征；而在蒸发器中只有甲醇、水，不会有化学反应，因此E01选用NRTL的物性方法；而在E02空气预热器中则以SRK作为物性方法。
（三）建立模型
通过Rstoic模型来模拟建立甲醛合成塔，利用RadFrac来模拟脱醇塔与甲醛吸收塔，然后采用SEP模块模拟甲醛浓缩器，Heater模块则用作冷却器和加热器，以此搭建成整个甲醛制备流程。
（四）模拟计算结果
计算机通过模拟会后产生的结果以及尾气循环与现场数据的比较如下表4和表5所示，结果显示模拟得出的结论与实际运作的数据相互吻合。
三、能效优化
（一）提取物流数据
在E06到E09的换热器中，由于物流的温度相对较低，消耗热量较少。针对这部分的优化不能集中在降低能耗，否则容易让热网络优化问题复杂化，因此不需要提取这部分的物流数据。这其中热公用工程是0.15MPa蒸汽，而冷公用工程则是循环冷却水。
（二）夹点分析
通过对设备操作、投资等费用的考虑，研究中选择的最小换热温差在10℃。通过Aspen软件分析出冷热物流中的夹点温度唉79.9℃，并描绘出相应的组合曲线以及最小能耗目标。基于此，通过对换热网络的模拟，可以获取其能源消耗情况，并以最小能耗来对比其换热网络的节能可能性。【3】
（三）当前换热网不合理的换热匹配设计
在夹点方法的设计中，超出夹点的部分不应在使用工程冷却器，而低于家电的部分则不需要用公用工程加热器，且在换热器的使用中不应该跨越夹点。因此，根据这项原理，我们可以发现以下几个方面还存在不合理之处：第一，在超过夹点的部分依然采用了公用工程冷却器。H1冷却器中为E03的反映产物，且热物流的温度高于夹点，但是却通过冷却水来完成冷却流程。第二，该方案执行的过程中，低于夹点的部分使用了公用工程加热器。E01为甲醇，而E02为空气预热器，两者的初始温度都低于夹点，但是却通过0.15Mpa蒸汽来进行加热，这也有悖于夹点方法的原则【4】。
（四）能效优化方案
根据循环尾气制备流程，我们发现这项工艺操作的问题主要是H1反应产物并没有得到有效的利用，这种情况下会同时增加热公用工程与冷公用工程的能耗，不利于企业实现节能效益的最大化。因此，在能效优化的方案中，这也将是换热网络改造最主要考虑的因素。具体的安排措施需要包含以下几个方面：第一，保持E03的能耗不变，维持原有的换热匹配，但是提升其热物流初始温度，将其变为75.97摄氏度。第二，C2空气的预热公用工程将其变为通过H1反应来进行维持。第三，加入新的换热器N01，以此来对甲醇C4实施预热，并逐步回收H1反应后产生的剩余能量【5】。
四、结束语
综上所述，本文的研究主要是在考虑甲醇、甲醛、水三项化学反应的基础上来通过UNIFAC来模拟。但是由于数据库中缺少了三者相互作用的二元交互参数，因此需要利用Aspen Plus来建立新的模拟模型，经过了一系列数据的获取与工艺设置，结果显示模拟计算出的结果与工艺现场所获取的数据相互吻合。除此之外，上文也提出了当前换热网络中存在的不合理之处，并针对性的提出换热网络的优化方案，形成了一套新型的能量回收措施，对热公用工程与冷公用工程的能量使用进行了优化，分别降低了10.4%与18.7%的比例，对于当前工业领域来说，不仅可以有效提升其工作效率，也能降低其能耗的成本，为响应国家节能减排的政策作出贡献。
参考文献
[1] 石胜启，吴凤明.甲醇制烯烃技术工业化进展[J].现代化工，2016，36（04）：38-41.
[2] 楊靖，张迪，王家琪.年产3.5万吨甲醇制甲醛工艺模拟[J].山东化工，2016，45（18）：90-92.