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节能型甲醇精馏工艺研究点击：1783 日期：[ 2014-04-26 21:35:32 ] |
| 节能型甲醇精馏工艺研究 刘保柱，章渊昶，陈平，姚克俭 （浙江工业大学化学工程与材料学院，浙江杭州310032） 摘要：提出两种节能型甲醇精馏新工艺。在改进的三塔双效精馏工艺中，加压塔的蒸汽不仅用作常压塔的热源，还同时供给预塔的再沸器。四塔双效精馏工艺在传统三塔流程中新增一个加压塔，它的蒸汽用于预塔的再沸器，新增加压塔的塔顶得到精甲醇产品，塔底排出废水。对两种新工艺进行了稳态模拟，结果表明各换热器的两侧有合适的温差，换热器可以正常工作，对3种工艺的对比表明，改进的三塔工艺比传统三塔工艺节能16.67%，四塔工艺比传统三塔工艺节能16.17%。 关键词：甲醇；精馏；节能；模拟 中图分类号：TQ 053.5文献标识码：A文章编号：1000–6613（2007）05–0739–04 甲醇是重要的化工原料，以其为原料可生产甲基叔丁醚、甲醛、乙酸、甲酸甲酯、甲胺、二甲醚等，甲醇制烯烃的技术最近也取得了一定进展。甲醇还是一种清洁的燃料，除了直接掺入汽、柴油作为燃料外，燃料电池技术正越来越受到人们的关注[1－2]。在合成甲醇生产过程中，粗甲醇的精馏提纯是十分关键的一环，不仅决定着甲醇产品的质量，而且该工序的能耗对甲醇生产成本有很大影响。为了降低精馏工序的能耗，目前较大规模的甲醇装置大多采用三塔双效精馏工艺[3－4]。 现有三塔双效精馏工艺一般由预塔、加压塔、常压塔及预塔和加压塔的进料预热器等组成，其中加压塔和常压塔组成顺流双效精馏流程，而预塔仍使用水蒸气作为热源[5－8]。本文提出两种新工艺，目的是使预塔使用二次蒸气作为热源，通过运用计算机对现有工艺和新工艺进行稳态模拟和对比，证实了新工艺的可行性，同时得到了新工艺节能的定量数据，为进一步的工业应用提供依据。 1·节能精馏新工艺 1.1现有三塔双效精馏工艺 现有三塔双效精馏工艺流程如图1所示。该工艺主要包含预塔C1、加压塔C2、常压塔C3及预塔预热器E1、加压塔预热器E2等设备。粗甲醇首先利用加压塔的精甲醇产品进行预热，然后进入预塔，预塔塔顶除去绝大部分的低沸物，塔底得到主要含甲醇和高沸物的物料，与加压塔底物料换热后进入加压塔。加压塔顶得到精甲醇产品，塔底物料则经加压塔预热器后继续进入常压塔。常压塔顶得到精甲醇产品，塔底得到含甲醇较少的废水，排出系统。该流程中加压塔顶的蒸气作为常压塔再沸器的热源形成双效精馏，该工艺仅有预塔和加压塔需要消耗水蒸气，从而达到节能目的。 对以上三塔双效精馏流程分析发现，常压塔使用加压塔的塔顶蒸气作为热源，而塔底温度比常压塔还低的预塔却直接使用了水蒸气作为热源，这从能量合理利用的角度上考虑不尽合理，因此可考虑对现有流程进行改进，使预塔也使用二次蒸气作为热源，以提高节能的幅度。 1.2改进的三塔双效精馏新工艺 根据现有三塔双效精馏各塔顶底的温位，提出了改进的三塔双效精馏工艺，其流程如图2所示。该流程相比现有三塔流程，改变了加压塔和常压塔采出精甲醇的比例，使得加压塔的蒸气供给常压塔后还有富余，富余的这部分蒸气则送至预塔再沸器作为热源，从而将预塔也纳入双效精馏的范围，节约更多的热量。该流程能否正常运行的一个关键问题是要保证各换热器的能量匹配并有合适的传热温差，故需要对改进的流程进行严格稳态模拟以验证其可行性。 1.3四塔双效精馏新工艺 让预塔使用二次蒸气的另外一个途径是新增一个加压塔C4向预塔提供蒸气，两者组成双效精馏，而原有加压塔和常压塔流程保持不变。由于预塔塔底温度低于常压塔，故新增加压塔的操作压力低于现有加压塔，甲醇和水的分离难度也低于现有加压塔，新增加压塔在塔顶得到精甲醇的同时塔底直接得到废水，不需要再经过常压塔处理。该流程中原有加压塔和常压塔压力和温度不发生变化，仅仅是处理量有所减少，而减少的这部分处理量则由新增加压塔承担。该流程中新增加压塔不仅要能向预塔提供热源，而且还要保证塔底得到废水，故该工艺的关键是为新增加压塔选择合适的操作压力，使水蒸气与该塔塔底、该塔塔顶与预塔塔底都有合适的温差。 2·新工艺的稳态模拟及讨论 2.1工况条件及模拟方法 选取某100 kt/a甲醇厂的精馏工序作为研究对象，其粗甲醇进料F0流量为16 000 kg/h，温度为25℃，组成如表1所示。 工厂使用的热源为0.6 MPa(绝对压力，下同)压力的饱和水蒸气，饱和温度为158.7℃。使用冷却介质为循环水，进水温度为30℃，升温至36℃返回。 对流程进行稳态模拟，用NRTL方法计算其相平衡。预塔冷凝器的出口温度（即不凝性废气的温度）按40℃计算，为了减少废气中的甲醇含量，该塔需稍微加压操作，加压塔顶压力则按其再沸器和冷凝器都具有较合适温差的原则确定，三塔的压降都按填料塔估算。用于预热的换热器按逆流考虑，设定其最小温差为15℃。 根据实际生产情况，预塔运行时回流量与进料量的比值一般为0.5～0.8，此处按0.6计算。精甲醇产品的甲醇含量要求为99.99%（质量分数），废水中的甲醇含量要求为0.5%，加压塔和常压塔的回流比都按照此分离要求进行计算。加压塔底去往常压塔物料中的甲醇含量则按照组成双效精馏的冷凝器和再沸器热负荷匹配要求确定。 2.2模拟结果 运用计算机对各流程进行稳态模拟，各塔数据及主要物流数据模拟结果分别见表2和表3。 2.3改进的三塔工艺结果讨论 由模拟计算结果可知改进的三塔工艺中除加压塔底温度从131.6℃升高到133.9℃外其他各塔的塔顶和塔底温度皆没有变化。加压塔底温度升高的原因是加压塔为了向预塔提供蒸汽，比现有三塔工艺生产了更多的精甲醇，使得加压塔底物料的甲醇含量降低，从而使温度升高。加压塔底温度升高后水蒸气与它的温差从27.1℃下降至24.8℃，对再沸器有一定不利影响，但仍处于正常温差范围。加压塔顶与预塔塔底的温差高达47℃，远高于原双效精馏中加压塔顶与常压塔底的21.3℃，故该换热器可正常运行。分析可知，改进的三塔工艺中各处温差皆可满足双效精馏的要求。 现有流程中预塔和加压塔再沸器都需要水蒸气，而改进的三塔工艺中只有加压塔再沸器需要消耗水蒸气，模拟结果显示其水蒸气消耗量比现有三塔流程节省了16.67%。 2.4四塔工艺结果讨论 由模拟结果可知四塔工艺中预塔、原加压塔及常压塔的塔顶塔底温度皆保持不变。水蒸气与新增加压塔的塔底温差为22.5℃，新增加压塔顶与预塔塔底的温差为20.8℃，也达到了基本的温差要求。新增加压塔塔顶和塔底分别得到精甲醇和废水，故它的顶底温差远高于原加压塔，所以只适合和塔底温度较低的预塔组成双效精馏，而不能与常压塔组成双效精馏。 四塔工艺中虽然仍旧有新增加压塔、原加压塔两个塔需要水蒸气，但是新增加压塔消耗的能量基本相当于原预塔，同时却将部分粗甲醇分离成精甲醇和废水，使得加压塔和常压塔的处理量减少。模拟结果显示该流程比现有三塔流程节能16.17%。四塔工艺中预塔的负荷基本保持不变，而加压塔和常压塔的负荷同比降低至现有工艺的73.92%。根据这一特点，保持现有流程中投资较大的加压塔和常压塔不变，新增一较小的加压塔并对预塔进行必要改造，即可达到扩产35%以上和节能16.17%的效果。 3·结论 （1）提出了改进三塔流程和四塔流程两种节能型甲醇双效精馏新工艺。 （2）改进的三塔双效精馏工艺中将加压塔塔顶蒸气分出一部分用于加热预塔，各换热器仍能保持合理的传热温差。 （3）四塔双效精馏工艺中新增一个加压塔与预塔组成双效精馏，不改变原加压塔和常压塔的压力和温度参数，新增加压塔和预塔的双效换热器也有合适的温差。 （4）对实例的计算表明，改进的三塔双效精馏工艺比现有三塔双效精馏工艺节能16.67%，改进的四塔双效精馏工艺比现有三塔双效精馏工艺节能16.17%。 （5）四塔工艺中原加压塔和常压塔的负荷下降，故可以在保持此两塔不变的条件下新增加压塔和改造预塔，能在节能的同时扩产35%以上。 参考文献 [1]沈佩芝，雷玉萍．甲醇市场状况及科技开发进展[J]．化工进展，2003，22（1）：94–98． [2]程立泉，沈佩芝．甲醇热点下游产品的开发应用[J]．化工进展，2004，23（10）：1138–1141． [3]黄洁，高燕如，张振欧，等．甲醇精馏加压双效三塔流程初探[J]．石油化工设计，2004，21（3）：6–8． [4]林长青，张振欧．甲醇三塔精馏工艺中加压塔与常压塔工作状态的优化[J]．化肥工业，2005，32（6）：18–20． [5]吴嘉，陈露．具有热集成和水集成的甲醇精馏新工艺及其模拟[J]．化工学报，2005，56（3）：477–481． [6]刘生鹏，何寿林．甲醇精馏的模拟与分析[J]．湖北化工，1999（5）：36–38． [7]唐锦文．甲醇精馏工艺模拟计算及分析[J]．化工设计，2006，16（2）：13–17． [8]陆文斌，时正兴．新型高效规整填料塔在甲醇精馏生产中的应用[J]．现代化工，2005，25（12）：54–57. |
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