王 剛

（寧夏工業(yè)設(shè)計院有限責(zé)任公司 寧夏 銀川 750001）

0 引言

在糠醛生產(chǎn)中，從水解鍋出來的醛蒸汽經(jīng)冷凝后變成含醛冷凝液，含醛冷凝液是中間產(chǎn)物，而最終要獲得高純度的糠醛產(chǎn)品還需要經(jīng)過一系列的工藝處理。被中和后的含醛冷凝液稱為原液，含4%～6%的糠醛，含水90%以上，低沸點雜質(zhì)的含量約為糠醛含量的5%～15%，其中主要是甲醇、丙酮等。目前國內(nèi)處理原液以獲得合格糠醛產(chǎn)品的工藝主要如下：原液首先進入粗餾塔，經(jīng)塔釜加熱后，塔頂獲得糠醛與水的恒沸產(chǎn)物，該恒沸物經(jīng)冷凝后進入分醛器靜置分層。分層后水層含水約90%，含醛約10%，水層作為回流液返回塔頂，醛層含醛約90%，含水約10%，醛層經(jīng)高位槽進入脫水塔，真空蒸餾去除水分及輕組分，再進入精制塔，真空蒸餾除去甲基糠醛等重組分，在精制塔塔頂獲得合格的糠醛產(chǎn)品（糠醛含量不低于99.5%）。

1 現(xiàn)有糠醛精餾工藝的模擬

1.1 糠醛精制系統(tǒng)的熱力學(xué)方程

熱力學(xué)方程是流程模擬中計算物料平衡和熱量平衡的基礎(chǔ)，熱力學(xué)方程的準(zhǔn)確程度在很大程度上決定了模擬結(jié)果的可靠性。熱力學(xué)方程對物系的物性估算越準(zhǔn)確，模擬的結(jié)果才越可靠。在該分離系統(tǒng)中，所要處理的物系為糠醛和水的混合物，其中糠醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為6%，水為93%，另外還包含一些雜質(zhì)，低沸點雜質(zhì)的含量約為糠醛含量的10%，其中主要是甲醇和丙酮等，高沸點雜質(zhì)的含量約為0.4%，其中主要是5-甲基糠醛。對于這樣一個極性混合物的體系，PRO/II中適用的熱力學(xué)方程有NRTL和UNIFAC。

現(xiàn)以某公司年產(chǎn)3000噸糠醛的裝置為基礎(chǔ)，本文分別選取NRTL和UNIFAC等熱力學(xué)方程對流程進行模擬，并對結(jié)果進行比較，模擬結(jié)果見表1。

表1 不同熱力學(xué)方程模擬的結(jié)果對比

糠醛精制系統(tǒng)中以糠醛的指標(biāo)為核心，且水與糠醛易形成共沸，因此將各塔糠醛含量作為衡量熱力學(xué)方程是否合適的標(biāo)志。從表1中可以看出UNIFAC模型的計算值能夠較好地符合實際的生產(chǎn)運行指標(biāo)。而采用NRTL模型進行計算時，NRTL模型對雜質(zhì)5-甲基糠醛的物性估算的不夠準(zhǔn)確，使得5-甲基糠醛在初餾塔中被一次性地除掉，因此在后續(xù)的精制塔中完全不存在5-甲基糠醛，這不符合實際，使得糠醛濃度的計算值與實際偏差較大，不符合實際生產(chǎn)運行的特點。因此本文選取UNIFAC模型作為此次模擬的熱力學(xué)方程。

1.2 現(xiàn)有工藝的模擬

為了研究糠醛精制系統(tǒng)的節(jié)能問題，我們首先要對現(xiàn)有的常規(guī)工藝進行模擬研究，來反映實際的運行情況，在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進行優(yōu)化才是比較可靠的。本文采用PRO/II建立模擬流程，選用UNIFAC作為基本的熱力學(xué)方程。以某公司的生產(chǎn)實際工況為例，年產(chǎn)糠醛3000噸，粗糠醛進料12噸/h，進料溫度75℃，壓力為120kPa,具體的模擬數(shù)據(jù)與實際運行數(shù)據(jù)（見表2）。

表2 模擬數(shù)據(jù)與實際運行數(shù)據(jù)的比較

經(jīng)過模擬計算，并將計算結(jié)果與工藝值進行比較，得出以下結(jié)論：

1）初餾塔和精制塔的溫度與實際值比較相符，脫水塔的塔頂溫度低于實際值；

2）各塔塔頂糠醛的濃度與實際相符，其中初餾塔塔釜的糠醛濃度比實際值偏高。此外精制塔塔釜的糠醛計算值比實際值偏高，這是由于實際生產(chǎn)中糠醛易發(fā)生聚合反應(yīng)而損失掉一部分；

3）初餾塔、脫水塔和精制塔的流股流量與實際值吻合較好；

4）最終產(chǎn)品糠醛的濃度和流量都能符合實際工藝參數(shù)。

綜上所述，可以判定本文模擬中所選用的熱力學(xué)方程和計算方法是正確的，因此可以在此基礎(chǔ)上進行工藝分析以及改進的研究。

2 改進工藝的研究

2.1 工藝的分析

以上這類精制流程是我國絕大部分糠醛廠采用的流程，該流程的特點是：設(shè)備簡單，投資少，投資回報快，適宜于鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)興辦中、小型糠醛廠，但是同時也存在污染嚴(yán)重、能耗大的問題。隨著工業(yè)的發(fā)展，污染和能耗問題日益突出，逐漸成為行業(yè)實現(xiàn)長遠發(fā)展的瓶頸。對此，很多學(xué)者也進行過許多研究，并提出了一些改進措施諸如：從水解鍋出來的醛汽壓力約為0.8～1.0MPa，帶有很大的能量，曾試過用氣相入塔蒸餾，從而減少初餾塔再沸器的負(fù)荷，但因為糠醛的濃度波動較大，使得初餾塔的操作很不穩(wěn)定，到現(xiàn)在仍用液相入塔。然而醛汽的冷凝會耗用大量的冷卻水，為了回收醛汽的熱量，目前該廠將醛汽直接通入塔釜換熱器作為熱源。

這樣做存在兩個問題：一方面，從塔釜出來的的醛汽冷凝液仍然具有一定的熱量，該廠采用冷凝器將醛汽冷卻到70℃，然后入初餾塔進行蒸餾，這樣就有一部分熱量由公用工程中冷卻水帶走，白白浪費掉；另一方面，醛汽含酸且?guī)в须s質(zhì)，容易造成堵塞，影響初餾塔順利運行。

因此本文考慮增加一臺廢熱鍋爐，廢熱鍋爐由換熱器和汽包兩部分組成，讓高溫的醛汽在廢熱鍋爐內(nèi)產(chǎn)生0.3MPa的二次蒸汽，供糠醛蒸餾使用，這樣不僅可以提高能量的利用率，而且可以將醛汽腐蝕及堵塞設(shè)備的問題與初餾塔分離開來，保證初餾塔的正常運轉(zhuǎn)。

經(jīng)過核算以后，利用上述方法，醛汽產(chǎn)生的二次蒸汽并沒有被充分利用，因此本文提出將廢熱鍋爐副產(chǎn)的二次蒸汽的一部分用于甲醇丙酮的分離回收，第一可以提高醛汽能量的利用率，第二可以不額外增加塔釜供熱而實現(xiàn)廢氣零排放以及有用物質(zhì)回收的目標(biāo)，第三減輕蒸餾塔釜的腐蝕堵塞問題，保證蒸餾塔順利運行。

2.2 能量的核算

從水解鍋出來的醛汽流量為12000kg／h，壓力為0.8～1.0MPa，其中90%以上為水蒸汽。將醛汽按0.9MPa的飽和水蒸汽計算，溫度為175.4℃，比焓為2773.6kJ／kg。下面分別對改進前和改進后的醛汽熱量利用率進行核算。

1）原始工藝能量核算

在原始工藝中醛汽直接進入初餾塔塔釜作熱源，隨后進入冷卻器被冷卻到70℃，熱量的利用情況如下。其中醛汽所提供的熱量為Q1=W （H1－H2）， 式中 Q1為醛汽所提供的熱量，kJ／h；W 為醛汽的質(zhì)量流量，kg／h；H1為 175℃飽和水蒸氣的比焓，kJ／kg；H2為 70℃飽和水的比焓，kJ／kg。

被初餾塔塔釜所利用的熱量為Q2，則原始工藝醛汽熱量的利用率為η=Q2/Q1，式中η1為原始工藝醛汽熱量的利用率；Q1為醛汽所提供的熱量，kJ/h；Q2為被初餾塔塔釜所利用的熱量，kJ/h。

2）改進工藝能量核算

在改進后的工藝中醛汽首先進入廢熱鍋爐產(chǎn)蒸汽，從廢熱鍋爐出來的醛汽仍攜帶了較多熱量，因此可進入換熱器預(yù)熱將要供給廢熱鍋爐產(chǎn)蒸汽的冷水，從而在實現(xiàn)冷卻醛汽的同時回收這一部分熱量。其中醛汽所提供的熱量為Q3=W（H1－H2），式中Q3為醛汽所提供的熱量，kJ/h；W為醛汽的質(zhì)量流量，kg/h；H1為175℃飽和水蒸氣的比焓，kJ/kg；H2為 70℃飽和水的比焓，kJ/kg。

被新系統(tǒng)所利用的熱量為 Q4=｛W（H1-H2）（H3-H4）·ω ｝／（H3－H5），式中Q4為被新系統(tǒng)所利用的熱量，kJ/h；W為醛汽的質(zhì)量流量，kg/h；H1為 175℃飽和水蒸氣的比焓，kJ/kg；H2為 70℃飽和水的比焓，kJ/kg；H3為 133℃飽和水蒸氣的比焓，kJ/kg；H4為 133℃飽和水的比焓，kJ/kg；H5為20℃飽和水的比焓，kJ/kg；ω為換熱器的效率。

則改進工藝后醛汽熱量的利用率為η2=Q4/Q3，式中η2為改進工藝后醛汽熱量的利用率；Q3為醛汽所提供的熱量，kJ/h；Q4為被新系統(tǒng)所利用的熱量，kJ/h。

比較以上兩種工藝系統(tǒng)的熱量利用率可知，改進后醛汽熱量利用率由原來的43.44%提高到61.5%，比改進前提高了18%。同時被利用到的能量也能同時滿足初餾塔和廢氣回收系統(tǒng)的負(fù)荷，使得廢氣回收系統(tǒng)無需額外增加能耗，具體結(jié)果比較如下表3所示。

表3 能量核算表

4 結(jié)束語

對改進前后的能量利用進行了核算與比較，得出如下結(jié)論：

4.1 改進后所回收的熱量不僅能滿足初餾塔的負(fù)荷，而且能滿足廢氣回收系統(tǒng)的負(fù)荷，實現(xiàn)了廢氣零排放及有用物質(zhì)回收且無需額外增加塔釜供熱。

4.2 醛汽熱量的利用率由改進前的43.44%提高至61.5%。

4.3 減輕蒸餾塔釜的腐蝕堵塞問題，保證蒸餾塔順利運行。

［1］華超，白鵬，李鑫鋼.改進的UNIFAC模型在萃取精餾溶劑選擇的應(yīng)用[J].天然氣化工，2005(30)：74-78.

［2］經(jīng)文魁.化工過程穩(wěn)態(tài)模擬技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代化工，1995(2)：17-20.