粗甲醇精餾脫水熱集成過程模擬與能耗分析

王　君，嚴(yán)　麗，馮培良，李多松

(安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽　淮南　232001)

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粗甲醇精餾脫水熱集成過程模擬與能耗分析

王君，嚴(yán)麗，馮培良，李多松

(安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽淮南232001)

摘要：粗甲醇精餾脫水是一個能耗很高的過程，研究該過程的熱集成對于節(jié)能降耗具有重要意義。對進(jìn)料分割熱集成(FS)、輕組分分割正向熱集成(LSF)和輕組分分割反向熱集成(LSR)三種流程進(jìn)行了設(shè)計和嚴(yán)格模擬，計算結(jié)果表明：與單塔分離相比，F(xiàn)S熱集成流程節(jié)能效果最明顯，熱公用工程節(jié)約55.3%，LSR次之，節(jié)約45.7%，LSF最差，節(jié)約28.1%；三種熱集成流程的冷公用工程也有不同程度的節(jié)約，F(xiàn)S節(jié)約27.4%，LSR節(jié)約11.0%，LSF節(jié)約36.4%；還對各種流程精餾塔的總效率和塔徑進(jìn)行了估算。

關(guān)鍵詞：甲醇；精餾；熱集成；模擬；能耗

資助項目：安徽省教育廳基金重點資助項目(kj2012A084)

隨著能源價格的不斷提升，化工企業(yè)的節(jié)能降耗成為緊迫必行的任務(wù)。各種節(jié)能技術(shù)運(yùn)應(yīng)而生[1-3]，精餾塔是最常用的以能量為代價的分離設(shè)備，其能耗在化工過程中所占的比例通常很大，因此，精餾塔熱集成對于化工過程節(jié)能降耗具有重要意義[4-6]。二氧化碳直接加氫制備的粗甲醇為接近等摩爾組成的甲醇和水二元混合物，為了得到無水甲醇，通常采用精餾過程脫水。本文對粗甲醇脫水的三種精餾熱集成流程進(jìn)行了分析與模擬，并將模擬結(jié)果與單塔精餾的模擬結(jié)果比較，考察各種集成流程的節(jié)能效果。

1粗甲醇單塔分離過程模擬

以2 700 kmol/h的粗甲醇(等摩爾組成的甲醇和水)進(jìn)料為計算基準(zhǔn)，分離要求為塔頂甲醇和塔底水的摩爾濃度分別達(dá)到96%以上。首先采用簡捷設(shè)計法(ASPEN PLUS流程模擬軟件中DSTWU模塊，物性方程采用UNFAC)計算達(dá)到分離要求所需要的理論板數(shù)和其它操作條件，再采用嚴(yán)格模擬得到單塔分離所需要的能耗和塔徑，計算結(jié)果作為與熱集成方案的比較基準(zhǔn)。單塔分離在常壓下進(jìn)行，進(jìn)料為常溫常壓。設(shè)計的進(jìn)料條件、操作參數(shù)和設(shè)計結(jié)果如表1所示。

2三種熱集成方案模擬

首先合成熱集成流程，再根據(jù)分離要求采用簡捷設(shè)計法對熱集成流程的高、低壓塔分別進(jìn)行設(shè)計計算(設(shè)計的進(jìn)料條件、操作參數(shù)和設(shè)計結(jié)果如表1所示)，得到理論板數(shù)和其它操作條件，在此基礎(chǔ)上調(diào)整操作參數(shù)實現(xiàn)熱集成。

2.1　三種熱集成方案流程

精餾塔熱集成的基本思想是采用高壓塔塔頂需要冷卻的高溫氣相物流作為低壓塔再沸器的加熱物流，這樣既節(jié)約了低壓塔的熱公用工程，又節(jié)約了高壓塔的冷公用工程。三種熱集成方案流程如圖1-3所示。圖1進(jìn)料分割熱集成把總進(jìn)料F分割成兩股分別進(jìn)入高壓塔(3 900 mmHg)和低壓塔(760 mmHg)；圖2輕組分分割正向熱集成總進(jìn)料F先進(jìn)入高壓塔蒸餾出一部分甲醇，塔底出料作為低壓塔進(jìn)料，在低壓塔中完成分離過程；圖3輕組分分割反向熱集成總進(jìn)料F先進(jìn)入低壓塔蒸餾出一部分甲醇，塔底出料作為高壓塔進(jìn)料，在高壓塔中完成分離過程。

3.2　簡捷法設(shè)計

簡捷法設(shè)計條件：給定分離要求為塔頂甲醇和塔底水的摩爾濃度分別達(dá)到96%以上，設(shè)計結(jié)果如表1所示。在簡捷法設(shè)計中，F(xiàn)S高低壓塔進(jìn)料流量均為單塔進(jìn)料流量的一半，而LSF-L和LSR-H設(shè)計采用的進(jìn)料和組成(1 997 kmol·h-1和0.338)分別為LSF-H 和LSR-L設(shè)計完成后塔底進(jìn)料的參數(shù)。設(shè)計結(jié)果為后面熱集成和嚴(yán)格模擬提供必要參數(shù)。

表1　粗甲醇脫水簡捷法設(shè)計參數(shù)

注：BB為四流比；Fstage為進(jìn)料位置；D/F為塔頂產(chǎn)品與進(jìn)料流量比。

2.3　熱集成的實現(xiàn)與能耗分析

保持簡捷法設(shè)計的理論板數(shù)和進(jìn)料位置不變，通過適當(dāng)調(diào)整進(jìn)料流量、回流比、塔頂出料與進(jìn)料比等參數(shù)，使高壓塔塔頂物流冷凝所需要熱量與低壓塔塔底物料再沸所需的冷量相等，同時使各塔最終產(chǎn)品純度滿足設(shè)計要求。精餾塔總效率計算采用O’Connell關(guān)聯(lián)式：Eo=50.3(αμ)-0.226，相對揮發(fā)度α采用塔頂、塔底和進(jìn)料板條件下的幾何平均值，μ為進(jìn)料粘度；塔板內(nèi)徑計算中采用Fair關(guān)聯(lián)式計算液泛速率，接近液泛分率取0.8。調(diào)整后的熱集成流程模擬結(jié)果如表2所示。其中ΔT為熱集成后高壓塔頂出料溫度與低壓塔底出料溫度之差，xD、xB均為塔和塔底頂甲醇摩爾分?jǐn)?shù)，μ為進(jìn)料動力學(xué)粘度，冷凝器熱負(fù)荷取負(fù)值表示需要移走熱量。

由于熱公用工程(蒸汽)價格遠(yuǎn)大于冷公用工程(冷卻水)價格，所以公用工程費(fèi)用主要由前者決定。表2中給出了熱集成后所需要的冷熱公用工程以及熱集成熱量匹配。為了更直觀表示出熱集成的公用工程需求以及節(jié)能效率，利用表2中的最后兩欄作出了圖4-5，從中可以清楚地看出節(jié)能效果。與SC相比，F(xiàn)S節(jié)能效果最好，熱公用工程節(jié)約55.3%，LSR次之，節(jié)約45.7%，LSF最差，節(jié)約28.1%；三種熱集成流程的冷公用工程也有不同程度的節(jié)約，F(xiàn)S節(jié)約27.4%，LSR節(jié)約11.0%，LSF節(jié)約36.4%。

熱集成流程雖然節(jié)能效果可觀，但需要增加分離塔的數(shù)目，但每個熱集成分離塔的塔板直徑較單塔小，就經(jīng)濟(jì)性而言，單塔分離與各熱集成流程分離的優(yōu)劣尚不能確定，需要對項目成本和利潤作詳細(xì)估算才能確定，在能源價格昂貴時熱集成流程的經(jīng)濟(jì)性會明顯提升；另外需要注意：熱集成增加了過程控制的難度。Chiang等[7]研究表明，F(xiàn)S流程雖然節(jié)能效果好，但其可控性最差。

表2　單塔和熱集成流程嚴(yán)格模擬結(jié)果

注：Na為實際塔板數(shù)；QC為冷公用工程量；QR為熱公用工程用量。

4結(jié)論

對粗甲醇單塔分離和三種熱集成流程進(jìn)行設(shè)計和嚴(yán)格模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行了能耗分析，得出如下結(jié)論：與單塔分離(SC)相比，就熱公用工程而言，進(jìn)料分割熱集成流程(FS)節(jié)能效果最好，節(jié)約55.3%，輕組分分割反向熱集成流程(LSR)次之，節(jié)約45.7%，輕組分分割正向熱集成流程(LSF)最差，節(jié)約28.1%；三種熱集成流程的冷公用工程也

有不同程度的節(jié)約，F(xiàn)S節(jié)約27.4%，LSR節(jié)約11.0%，LSF節(jié)約36.4%；由于熱公用工程(蒸汽)價格遠(yuǎn)大于冷公用工程(冷卻水)價格，所以綜合考慮FS流程節(jié)能效果最好。

參考文獻(xiàn)：

[1]TANTIMURATHA， L，ASTERIS， G，ANTONOPOULOS D K，et al.A conceptual programming approach for the design of flexible HENs[J]. Computers and Chemical Engineering，2001，25(4)：887-892.

[2]LINNHOFF B， HINDMARSH E. Pinch design method for heat exchanger network[J].Chem. Eng. Sci.，1983，38：745-752.

[3]CIRIC A R，F(xiàn)LOUDAS C A. Heat exchanger network synthesis without decomposition[J]. Computers and Chemical Engineering，1991，14： 751-756.

[4]都健.化工過程分析與綜合. [M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2009：124-125.

[5]WARREN D SEIDER，J D SEADER，DANIEL R LEWIN.Process Design Principles(Synthesis，Analysis，and Evaluation)[M].America John Wiley&Sons，Inc. 1999：32-34.

[6]姚平經(jīng).過程系統(tǒng)分析與綜合[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2004：203-204.

[7]CHIANG T ，W L LUYBEN.Comparison of the Dynamic Performances of Three Heat-integrated Distillation Configurations[J].Ind.Eng. Res.，1988(27)：99-104.

(責(zé)任編輯：李麗，范君)

Simulation and Energy Analysis for Heat Integrated Crude Methanol Distillation Dehydration Process

WANG Jun, YAN Li, FENG Pei-liang, LI Duo-song

(School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

Abstract:The dehydration of crude methanol distillation is a process with high energy consumption and the study of the heat integration for the process is of great importance in terms of saving energy and reducing consumption. Design and rigorous simulation of the three heat integrated flowsheets, i.e., feed split(FS) heat integration, light split forward(LSR) heat integration and light split reverse(LSR) heat integration, were conducted. Compared with single column separation, the FS heat integration flowsheet performed the most prominent energy saving effect, saving 55.3% of heating utility and the LSR heat integration flowsheet performed the second best saving 45.7% of heating utility, whereas the LSF heat integration flowsheet performed he worst, saving 28.1% of heatng utility. Various amounts of cooling utility were saved in the three heat integrated flowsheets and 27.4%,11.0% and 36.4% of cooling utility were saved for FS, LSR and LSF respectively. In addition, the overall efficencies and diameters for all the columns were estimated.

Key words:methanol; distillation; heat-integration; simulation; energy consumption

作者簡介：王 君(1971-)，男，安徽金寨人，教授，博士，研究方向：化工模擬。

收稿日期：2015-01-15

中圖分類號：TQ021

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-1098(2015)04-0019-04