甲醇與苯烷基化生產(chǎn)裝置換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)優(yōu)化

徐勤保，胡 博

（華陽新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽泉 045008）

近年來，我國甲醇和苯的產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，利用甲醇和苯進(jìn)行烷基化反應(yīng)得到混合芳烴可以延長甲醇和苯的產(chǎn)業(yè)鏈，是化解甲醇和苯過剩產(chǎn)能的有效途徑[1-2]。甲醇和苯烷基化是氣固催化反應(yīng)，反應(yīng)會放出大量熱量，為保證裝置穩(wěn)定運(yùn)行，需要消耗大量能量保證反應(yīng)體系的熱平衡。

夾點(diǎn)技術(shù)以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，與系統(tǒng)工程相結(jié)合，優(yōu)化工程系統(tǒng)的能量配置，達(dá)到明顯節(jié)能和降低成本的效果[3]。本文利用夾點(diǎn)技術(shù)對1000t/a 甲醇與苯烷基化中試裝置換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以能量最小為目標(biāo)，優(yōu)化烷基化反應(yīng)系統(tǒng)能量配置，降低公用工程消耗，優(yōu)化工藝流程，對工業(yè)生產(chǎn)裝置的節(jié)能方案進(jìn)行檢驗(yàn)，為今后生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)建設(shè)提供參考。

1 甲醇與苯烷基化工藝

1.1 甲醇與苯烷基化反應(yīng)流程簡述

甲醇與苯烷基化反應(yīng)系統(tǒng)復(fù)雜，發(fā)生的副反應(yīng)較多，反應(yīng)過程中可能發(fā)生的主、副反應(yīng)如式（1）～式（15）所示[4]。

甲醇與苯烷基化反應(yīng)初步設(shè)計(jì)的工藝流程為：甲醇和苯在25 ℃、常壓下按照物質(zhì)的量比1∶1 進(jìn)料，根據(jù)中試裝置1 000 t/a 混合芳烴的產(chǎn)量核算，甲醇和苯的進(jìn)料摩爾流率為1.51 kmol/h[5]。甲醇和苯分別經(jīng)過甲醇泵和苯泵輸送至甲醇?xì)饣鱁102 和苯氣化器E101，氣化壓力為0.2 MPa（G），氣化熱源采用1.3 MPa（G）飽和蒸汽。氣化后的甲醇和苯分別經(jīng)苯換熱器E103 和甲醇換熱器E104 與反應(yīng)器R101 出來的反應(yīng)產(chǎn)物混合芳烴換熱升溫，再經(jīng)過甲醇加熱器E106 和苯加熱器E105 加熱至380 ℃，其后原料氣甲醇與苯經(jīng)靜態(tài)混合器X101 混合后進(jìn)入主反應(yīng)器R101 在催化劑作用下發(fā)生烷基化反應(yīng)，反應(yīng)得到的產(chǎn)品在一系列換熱后剩余的熱量經(jīng)換熱器E107 換熱后進(jìn)入反應(yīng)物冷卻器E108 冷卻，最后經(jīng)氣液分離器將C5 以下的氣態(tài)烯烴分離后得到最終產(chǎn)品。反應(yīng)器采用熔鹽換熱，并用熔鹽加熱甲醇和苯，多余熱量用循環(huán)水帶走，初步設(shè)計(jì)的生產(chǎn)工藝流程如第90 頁圖1所示。

圖1 初步設(shè)計(jì)的生產(chǎn)流程示意圖

1.2 甲醇與苯烷基化換熱物流情況

根據(jù)工藝要求，利用ASPEN PLUS 軟件建立甲醇與苯烷基化過程模擬模型，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行校核，物性方法為PR-BM，模擬所得物料平衡如第90 頁表1所示[4-6]。為了進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，首先需要提取物流，物流提取準(zhǔn)則是有熱量變化而無組成變化[7]，表2為甲醇與苯烷基化反應(yīng)各換熱物流數(shù)據(jù)。其中，熱物流為不同溫度下的產(chǎn)品氣混合芳烴，冷物流為不同溫度和相態(tài)下的原料甲醇和苯，各物流的定壓比熱容利用ASPEN PLUS 軟件中Analysis 功能計(jì)算得到[8]，熱容流率CP 為定壓比熱容和質(zhì)量流率的乘積，熱通量為熱容流率和溫差的乘積。

表1 甲醇與苯烷基化物料平衡表

表2 甲醇與苯烷基化換熱物流參數(shù)

2 甲醇與苯烷基化夾點(diǎn)分析及換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1978 年，Linnhoff 和Umeda 首次提出換熱網(wǎng)絡(luò)中溫度夾點(diǎn)問題，說明夾點(diǎn)會限制換熱網(wǎng)絡(luò)的最大熱回收。夾點(diǎn)是冷物流復(fù)合曲線和熱物流復(fù)合曲線中傳熱溫差ΔT 最小的地方，夾點(diǎn)將整個換熱網(wǎng)絡(luò)分成兩部分：夾點(diǎn)之上和夾點(diǎn)之下。夾點(diǎn)之上是熱端，只有換熱和加熱公用工程，沒有熱量流出，可以當(dāng)作一個凈熱阱；夾點(diǎn)之下是冷端，只有換熱和冷卻公用工程，沒有熱量流入，可以當(dāng)作一個凈熱源。為使熱公用工程和冷公用工程的消耗量最小，夾點(diǎn)之上不宜有任何冷公用工程，夾點(diǎn)之下不宜有任何熱公用工程，且換熱不應(yīng)跨越夾點(diǎn)。夾點(diǎn)分析的方法有溫焓圖和問題表法，換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)目標(biāo)包括能量目標(biāo)、換熱單元數(shù)目標(biāo)、換熱網(wǎng)絡(luò)面積目標(biāo)、經(jīng)濟(jì)目標(biāo)等[7]。

由于甲醇與苯烷基化反應(yīng)換熱系統(tǒng)涉及物流較多，因此本文使用問題表法以能量最小為目標(biāo)進(jìn)行夾點(diǎn)分析，取冷、熱物流之間最小傳熱溫差ΔTmin=20 ℃。夾點(diǎn)分析步驟如下[9]：

1）根據(jù)表2 中的物流參數(shù)，將系統(tǒng)劃分為10 個溫區(qū)，如表3 所示。

表3 溫區(qū)劃分表

2）利用公式ΔH=∑iCP（jTi-Ti+1）在各溫區(qū)進(jìn)行熱平衡計(jì)算，其結(jié)果命名為“虧缺熱量”。計(jì)算外界無熱量輸入時各溫區(qū)之間的熱通量，稱為“累計(jì)熱量”，第一溫區(qū)的輸入熱量為零，其余各溫區(qū)的輸入熱量等于上一溫區(qū)的輸出熱量，每一溫區(qū)的輸出熱量等于本溫區(qū)輸入熱量減去本溫區(qū)的虧缺熱量。結(jié)果如表4所示。

表4 問題表

從表4 中看到，當(dāng)外界無熱量輸入時，高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞的熱量均＞0，符合熱力學(xué)第二定律。第十一溫區(qū)的輸出熱量為9 518.2 kW，說明產(chǎn)品氣所攜帶的熱量能夠?qū)⒃蠚饧訜嶂猎O(shè)計(jì)溫度，產(chǎn)品氣剩余熱量應(yīng)用循環(huán)水帶走，循環(huán)水的消耗量即為9 518.2 kW。從表4 可知，該換熱網(wǎng)絡(luò)僅需要冷卻公用工程，不需要熱公用工程，因此該換熱網(wǎng)絡(luò)不存在夾點(diǎn)，屬于閾值問題，設(shè)計(jì)時應(yīng)從高溫側(cè)開始，保證較高溫度的原料氣能夠從產(chǎn)品氣獲得熱量[10]。通過上述分析計(jì)算得到的本工藝流程最小冷、熱公用工程消耗量和初步設(shè)計(jì)估算的所需冷、熱公用工程量對比如表5 所示。

表5 冷、熱公用工程對比表

通過表3 可以看出，利用夾點(diǎn)分析計(jì)算得到的低壓蒸汽消耗量比原先降低了100%，循環(huán)水消耗量比原先降低了97.47%，大大降低了操作費(fèi)用。

因此，經(jīng)優(yōu)化后的工藝流程為：甲醇和苯分別經(jīng)過甲醇泵和苯泵輸送至甲醇?xì)饣骱捅綒饣鳎卯a(chǎn)品氣的熱量分別將苯和甲醇加熱氣化，氣化后的苯和甲醇分別經(jīng)苯換熱器和甲醇換熱器與產(chǎn)品氣換熱升溫，將甲醇加熱至380℃，將苯加熱至200℃，再利用熔鹽將苯加熱至380℃，其后原料氣甲醇與苯經(jīng)靜態(tài)混合器混合后進(jìn)入主反應(yīng)器在催化劑作用下發(fā)生烷基化反應(yīng)。經(jīng)換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后得到的工藝流程如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化后的生產(chǎn)工藝流程示意圖

通過夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的工藝流程充分利用了從反應(yīng)器出來的混合芳烴攜帶的熱量，產(chǎn)品氣混合芳烴將甲醇和苯分別氣化后，還可將甲醇加熱至380 ℃，將苯加熱至200 ℃，然后利用熔鹽將苯加熱至380 ℃。優(yōu)化后的工藝流程可以減少一臺甲醇加熱器，充分利用了產(chǎn)品氣熱量，工藝流程更加簡單，降低了投資。

3 結(jié)論

1）以能量最低為原則，通過夾點(diǎn)分析得到熱公用工程低壓蒸汽的消耗量比經(jīng)驗(yàn)值降低了100%；冷公用工程循環(huán)水的消耗量為283 kg/h，比經(jīng)驗(yàn)值降低了97.47%，大大降低了操作費(fèi)用。

2）通過夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分利用了產(chǎn)品氣攜帶的熱量，減少了一臺甲醇加熱器，工藝流程更加簡單，降低了投資。