甲醇合成中雙效精餾節能研究

第34卷第2期華北電力大學(xué)學(xué)報Vol.34, No.22007年3月Journal of North China Electric Power UniversityMar., 2007甲醇合成中雙效精餾節能研究石海濤，張麗2，王黎2(1.中國石化揚子石油化工股份有限公司，江蘇南京210048; 2. 西安交通大學(xué)化學(xué)工程系,陜西西安710049)摘要:針對目前國內精餾能耗偏大的情況，以穩態(tài)數學(xué)模型為基礎,對生產(chǎn)能力為8萬(wàn)t/年的甲醇生產(chǎn)過(guò)程中的雙效精餾的3種流程(并流型、逆流型、平流型)進(jìn)行了計算。分別得到3種流程所需最小蒸汽量與蒸汽品質(zhì)和冷水量。通過(guò)對不同流程所需的加熱蒸汽的費用比較，提出了精餾設計的最佳節能優(yōu)化方案。結果表明:在相同生產(chǎn)能力下，逆流型流程實(shí)現了較好的節能效果，比單塔流程節約蒸汽加熱費用約30.3 %，比目前國內最常用的雙效并流流程節約蒸汽加熱費用約16.6 %。關(guān)鍵詞:甲醇;雙效精餾;節能中圖分類(lèi)號: TQ015文獻標識碼: A文章編號: 1007-2691 (2007)02-0098-04Energy conservation of methanol production process withdouble-effect distillationSHI Hai-tao', ZHANG LR, WANG L;2(1.SINOPEC Yangzi Petrochemical Co.，Ltd. , Nanjing 210048, China;2.Department of Chemical Engineering, Xi' an jiaotong University, Xi' an 710049, China)Abstract: Three double-effect disilation processes (forward feed, back feed and dual feed) with 80 thousand tonmethanol production per year are calculated based on steady state mathematic modeling. The minimum consumption ofsteam and cold water are obtained. By comparing the costs of the steam in different processes, the optimal energy con-servation method is obtained. It indicates that the cost of the double efet dilltion with back feed process is30.3% less than that of the singletowver process. Its steam cost is 16.6% less than that of the forward-feed process.Key words: methanol; double effect disillation; energy conservation節能情況。多效精餾是通過(guò)擴展工藝流程來(lái)實(shí)現0引言的,用多塔代替單塔并將各塔按壓力高低的順序精餾過(guò)程是化學(xué)工業(yè)中耗能較大的單元過(guò)組合,依次用壓力高的塔的塔頂汽相產(chǎn)品冷凝釋程。在整個(gè)化學(xué)工業(yè)中分離過(guò)程的能耗占總能耗放的潛熱作為相鄰低壓塔塔釜再沸器熱源。按照的40%，而其中95%是精餾過(guò)程消耗的。雙效進(jìn)料方向與操作壓力梯度雙效精餾可分為3大精餾是- -種有效的節能，尤其是對電力供應緊張類(lèi):并流型、平流型和逆流型[2~41 ,見(jiàn)圖1~3。的地區，因熱泵精餾節能技術(shù)受到諸多限制，使得雙效精餾技術(shù)更具有實(shí)用性。2雙效精餾數學(xué)模型甲醇是現代工業(yè)中重要的化工原料，也是清潔能源的- -種，應用十分廣泛。但同時(shí)在甲醇生二元連續精餾過(guò)程中的總物料衡算為產(chǎn)過(guò)程中能耗較大，浪費現象嚴重，這使得節能F=D+ w(1)的意義尤為突出。目前，我國國內甲醇生產(chǎn)中的易揮發(fā)組分的物料衡算[5]為精餾流程雖然采用并流型雙效精餾，但其節能效Fxp= Dxp+ Wxw(2)果還不顯著(zhù)。本文就甲醇生產(chǎn)過(guò)程中精餾流程的精餾過(guò)程中的熱量衡算為節能問(wèn)題進(jìn)行探討。F.Hp+Q= D.Hp+(R +1)D.0H+ W.Hw1多效精餾簡(jiǎn)介(3)早在1975年文獻[1]就開(kāi)始研究多效精餾的式中: Q為外加熱量，即精餾塔熱負荷; Hp 為進(jìn)料焓值; Hp為塔頂產(chǎn)品焓值; Hw為塔底產(chǎn)收稿月朔數糖09-30.品焓值; 0H為塔頂產(chǎn)品的氣化潛熱。第2期石海濤等:甲醇合成中雙效精餾節能研究99低壓塔高壓塔溫差不小于最小傳熱溫差?；诩僭O分別進(jìn)行物w、料衡算、兩個(gè)精餾塔的熱量衡算,得到3種流型的數學(xué)模型。D2.1并流型數學(xué)模型系統總物料衡算為1F=D1+ D2+ W2(4)高壓塔的物料衡算為F=D1+ W1(5)系統總熱量衡算為F.Hp+Q=D1.Hpr+D2 [Hn2+ (R2+1)W0H2] + W2* Hwz(6)困1并流流程低壓塔的熱量衡算為Fig.1 Flow chart of distllation of forward feedW:.Hwn +0.95D[(R1 + 1).0H;]=D2[Hp2+ (R2+ 1)0H2]+ W2:Hw2 (7)2.2逆 流型數學(xué)模型F=D1+D2+ W2(8)低壓塔的物料衡算為(9)F.Hp+ Q= DI[Hp1 +(R1+ 1)0H]+D2:Hpe+ W2* Hw2(10)D2 WF.Hp+ 0.9SD2[(R2 + 1).0H2]=D[Hp +(R1+ 1)0H]+ W:.HwI (11)日2 逆流流程2.3平 流型數學(xué)模型Fig.2 Flow chart of disillation of back feed process系統中塔i的物料衡算為低壓堵F;=D;+ W;(12)W、Fxp,= Dxp,+ Wxw,(13)FA.Fr +0.95D2(R2+ 1)AH2= D[Hpr+一F(R1+ 1)0H]+ W. Hwn(14)高壓塔的熱量衡算為F2.Hn+ Q= D2[Ho2+ (R2 + 1)0H2]+W2* Hw2(15)EEL結合其他約束條件，如泡露點(diǎn)、最小回流D2 Wz比、理論塔板數等，即可對上述模型進(jìn)行求解計困3平 流流程算。Fig.3 Flow chart of disillation of dual feed process根據上述原理對雙效精餾流程進(jìn)行模擬計3計算實(shí)例算,現進(jìn)行幾點(diǎn)假設:(1)換熱中的熱損失為5 %;某廠(chǎng)生產(chǎn)能力8萬(wàn)t/年的甲醇生產(chǎn)裝置以合(2)低壓塔塔底再沸器所需熱量全部由高壓塔塔成氣為原料氣采用Lurgi低壓法雙塔合成甲醇。頂產(chǎn)品冷凝的熱量提供;(3)換熱器中冷熱物流的運用上述數學(xué)模型對其生產(chǎn)過(guò)程中的精餾流程進(jìn)100華北電力大學(xué)學(xué)報2007年行了計算[5],分別模擬了單塔流程、雙效并流流表3甲醇雙效逆流流程計算結果程、雙效逆流流程和雙效平流流程，計算結果見(jiàn)Tab.3 Calculation results of methanol double effect distilla-表1~4。tion with back feed process表1甲醇單塔流程計算結果低壓塔項目進(jìn)料塔頂產(chǎn)品塔底產(chǎn)品Tab.1 Calculation results of methanol single tower溫度心5685進(jìn)米塔頂產(chǎn)品.壓力AkPa140108溫度/C866104CHOH/kmol:h-1354.53168.58185.95120H2OAkmol:h-'81 .900.3081.60CH2OHAkxmol.h-1349.654.88物流總量Akmolh~1 436.43168.88 .267.55H20/kmol.h-I81.900.6281.28回流比2.2物流總量Amol.h-1 436.43350.2786.16熱負荷Aj.h~11.5燕汽流量Atg:.h~熱負荷AkJ.h~135 949 122.2冷水量/m2.h-144.2蒸汽流量/kgh~116 951.5冷卻水溫度差C= 10冷水量n.h-152.25高壓塔冷卻水溫度差心10從表1中可看出，在換熱最小溫差為10 C ,95143400塔頂產(chǎn)品中甲醇含量(摩爾濃度)≥99.8 %時(shí),CHOH/kmolh- I181.07操作壓力為120 kPa的精餾塔對加熱蒸汽消耗量H20Akmol'h~ '0.32物流總量Akmol.h"1181.39較大，約為16 951.5 kg/h,所需冷卻水用量為52.25 m3 /h。.熱負荷A&J.h-121 798 030.11蒸汽流量Akg*h-10 278.7表2甲醇雙效并流流程計算結果冷水量/m3.h~1Tab.2 Calculation results of methanol double efect distllaation with forward feed process甲醇雙效逆流流程同樣也采用高壓塔與低壓塔串連,與雙效并流流程不同的是該流程由低壓塔進(jìn)料。表3數據表明,雙效逆流所需的加熱蒸汽量83121700674為10 278.7 kg/h, 較單塔流程節約了39.4 %。冷CHgOH/xmol+h~184.19170.34水消耗量為44.2 m2/h,與單塔流程相比節約8.05H20Akmol.h~ 10.3381.57物流總量Akmol.h- 1436.43184.52251.91m2/h。2.8表4甲醇雙效平流流程計算結果26 134 908.86Tab.4 Calculation results of methanol double efet disilla-蒸汽流量/kg.h-112 323.7冷水量/m3.h-1tion with dual feed process130611108153壓力APaCH0HAkmol.h191.27CHgOH/amol+h-165.46H20/kmol+h~44.290.3843.91H2O/amol':h-10.29物流總量Akamol'h-1 235.56189.0046.56物流總量/kmolh-1 251.91165.75熱負荷AkJ.h-1蒸汽流量，冷水量/m2.h~ I42.4蒸汽流量/kg*h-'52.84溫度/心321165雙效并流流程采用一個(gè)高壓塔與一一個(gè)低壓塔725CHyOH/kmol+h163.11 .160.842.26串連，由高壓塔進(jìn)料。表2中的數據顯示，該流H20/kmol-h-~37.7637.44程對甲醇進(jìn)行精餾時(shí)所需加熱蒸汽量為12 323.7物流總量/1kmol.h-1 200.87161.17 .39.702.1kg/h,較單塔流程減少了27.3 %，節能效果顯1 973 190.89著(zhù)。冷水消耗量為52.84 m3/h,與單塔流程的冷蒸汽流量/kg.h~9 304.4冷水量/m'.h-1水消耗量太致相當。第2期石海濤等:甲醇合成中雙效精餾節能研究雙效平流流程也由高壓塔與低壓塔構成，且相比節約費用449.5萬(wàn)元/a，占單塔流程蒸汽費雙塔同時(shí)進(jìn)料。由表4可以得到，雙效平流流程用的30.3%;與雙效并流流程的蒸汽費用相比所需的加熱蒸汽量為9 604.4 kgAh,較單塔流程節約206.0萬(wàn)元/a，占雙效并流流程蒸汽費用的節約蒸汽45.0 %。冷水消耗量為42.4 m'/h,比16.6 %。平流流程與并流流程的蒸汽費用分別為單塔流程節約冷水量9.85 m3/h。1 059.6萬(wàn)元/a與1 241.5萬(wàn)元/a，與單塔流程根據以上計算結果將3種雙效流程與單塔流的蒸汽費用相較分別節約28.6 %與16.4 %。程相比較見(jiàn)表5。表5單塔流程及 3種雙效流程消耗蒸汽t、4結論冷水的比較Tab.5 Comparison of steam and c∞old water consumption of通過(guò)對生產(chǎn)能力為8萬(wàn)t/a甲醇精餾塔的數single tower with double effect distlltions of three processes值模擬計算可得到以下結論:雙效井流項目單塔高壓塔低壓塔.(1)雙效精餾是- -種理想的節能措施，其中操作壓力AkPa700120并流流程較單塔流程節約蒸汽量27.3 %，逆流蒸汽流量Akg.h~'16 951.512 323.7流程節約39.4 %，平流流程節約45 % ;蒸汽壓力MPa0.451.25(2) 3種雙效精餾中平流節能效果最佳，逆冷水量/m3.h-152.352.8流次之，并流第三;雙效逆流雙效平流低壓塔(3)從經(jīng)濟角度看，逆流流程節能效果最380佳，蒸汽費用為1 035.5萬(wàn)元a，比單塔流程節10 278.79 304.4約蒸汽加熱費用約30.3 %，比雙效并流流程節2.3244.242.4約蒸汽加熱費用約16.6 %。由表5可看出，(1)不同流型的雙效精餾流(4)冷水消耗量來(lái)看，雙效流程與單塔流程程中高壓塔操作壓力不同，其中并流流程與平流相比節能效果不顯著(zhù)。流程高壓塔的操作壓力均為700 kPa，而逆流流本文從穩態(tài)的角度對甲醇雙效精餾節能方案程的高壓塔操作壓力較低，僅為380 kPa; (2) 3進(jìn)行優(yōu)化設計，得出逆流流程為最佳方案的結種流程所需的加熱蒸汽量有所不同，其中平流流論。在考慮多效精餾優(yōu)化設計節能方案時(shí)，若從程用量最少，逆流次之，并流第三; (3) 3種雙系統的穩態(tài)和動(dòng)態(tài)過(guò)程兩方面出發(fā),進(jìn)行更加全效精餾流程所用加熱蒸汽壓力不同，其中并流與面地分析、評估，將能選擇出更優(yōu)的流程方逆流流程的蒸汽壓力為1.25 MPa,而平流流程案[6]。所需蒸汽壓力為2.32 MPao參考文獻:不同精餾流程所需蒸汽有品位及價(jià)格上的差別，單塔流程及3種雙效精餾流程所需蒸汽費用[1] Tyreus R L, Luyben W L. Hydrocarbon Process,1975，54 (7): 93-95. .見(jiàn)圖4。[2] 王蕆，高維平.多效精餾流程的優(yōu)化設計計算[J].6001 485計算機與應用化學(xué)，1996， 13 (4): 282 -288.! 400[3] 武吳宇，項曙光，韓方煜.多效精流優(yōu)化設計的研2001035.5 1 059.61000究進(jìn)展[J].計算機與應用化學(xué)，2005, 22 (7):800491 - 494.600[4] 馮霄，李勤凌.化工節能原理與技術(shù)[M]. 北京:00 t化學(xué)工業(yè)出版社，1998. 95 -99.[5]何潮洪，馮霄.化工原理[M].北京:科學(xué)出版單塔系統雙效并流雙效逆流雙效平流社，2001. 404-432.■蒸汽費用1(萬(wàn)元年)[6] Agrawal R. Muleiffect dillation for thermally coupled圍4單塔流程及雙效精餾流程的加 熱蒸汽費用比較configurations [J]. AICHE Jourmal, 2003, 46 (11):Fig.4 Comparison of the steam cost of single tower with2211 - 224.double efete dilltians of three proesses圖4顯示，雙效逆流流程蒸汽費用支出最作者簡(jiǎn)介:張麗(1982-),女,西安交通大學(xué)化學(xué)工程系少，為1035.5萬(wàn)元/a，與單塔流程的蒸汽費用碩士研究生。.