何建東

（拜城縣眾泰煤焦化有限公司，新疆 阿克蘇 842300）

0 引言

甲醇是有機化工的重要原料，在國民經(jīng)濟中占據(jù)著十分重要的地位，其年需求量不斷增加。甲醇在生產(chǎn)過程中需要根據(jù)其用途的不同進行精餾處理，精餾工藝直接決定著甲醇的提純效果和能耗。據(jù)統(tǒng)計，在甲醇提純過程中的能耗占據(jù)了甲醇生產(chǎn)能耗的30%左右，因此通過對甲醇提純工藝的優(yōu)化提升其提純效果、降低甲醇提純時的能耗，是提升化工企業(yè)市場競爭力的關(guān)鍵。

本文以三塔甲醇精餾為研究對象，提出了一種新的甲醇高效節(jié)能精餾技術(shù)，并通過仿真分析的方法對優(yōu)化前后的精餾和及節(jié)能效果進行了分析。根據(jù)實際應(yīng)用表明，新的高效節(jié)能技術(shù)能夠?qū)⒓状季s過程中的低壓蒸汽消耗量降低14.4%，將冷卻水的年消耗量降低61.6%，實現(xiàn)了甲醇的高效節(jié)能提純。

1 甲醇精餾節(jié)能原理

首先把甲醇精餾塔當(dāng)作一個穩(wěn)定的熱機，其精餾時只從熱源處吸收熱量，而且在這個過程中系統(tǒng)對外處于絕熱狀態(tài)并不對外進行機械做功。假設(shè)甲醇的精餾塔是可逆的熱機，而且系統(tǒng)中的冷凝器和再沸器處于恒溫狀態(tài)，則通過卡諾循環(huán)理論可知，在甲醇精餾的過程中凈能量消耗量為式（1）[1]：

式中：W 為甲醇精餾的過程中凈能量消耗；T1為外界環(huán)境溫度；Q1為高溫?zé)嵩刺巶鬟f的能量；T2為高溫?zé)嵩刺帨囟?；Q2為低溫?zé)嵩刺巶鬟f的能量；T3為低溫?zé)嵩刺帨囟取?/p>

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，在對甲醇精餾過程進行能量平衡計算后可得式（2）：

式中：Q3為原料液中所含的熱量；Q4為塔頂餾出液含有的熱量；Q5為塔釜中所含有的熱量；Q6為反應(yīng)過程中散發(fā)到環(huán)境中的熱量。

設(shè)定在反應(yīng)過程中塔頂是全冷凝模式，因此得出式（3）：

式中：R 為冷凝器中的熱交換常數(shù)；D 為冷凝器處吸收的熱量；hD為冷凝器處的熱量利用率。

將式（3）帶入到式（2）中，可獲取再沸器工作時的熱負(fù)荷，見式（4）：

式中：W 為再沸器處吸收的熱量；hw為再沸器處的熱量利用率；F 為再沸器處散發(fā)到外部的熱量；hF為散熱率。

根據(jù)反應(yīng)過程中的物料平衡可得式（5）[2]：

將式（4）和（5）進行聯(lián)立，可得式（6）：

將整個反應(yīng)過程假設(shè)為均衡反應(yīng)且自反應(yīng)過程中沒有熱量損失，則可得：Q1=Q2。

因此經(jīng)過系統(tǒng)的分析，發(fā)現(xiàn)在甲醇的精餾過程中冷凝器的熱量損失比再沸器中的熱量損耗要大，是在反應(yīng)過程中最大的熱量損失源。故可以通過優(yōu)化塔頂冷凝器的相變潛熱來提高系統(tǒng)中的能量利用效率，減少反應(yīng)過程中從外界獲取的能量，提高能量利用率。

2 甲醇節(jié)能精餾優(yōu)化

2.1 逆流雙效技術(shù)

目前甲醇精餾一般采用的是多效精餾工藝，在整個反應(yīng)過程中只有在兩側(cè)的精餾塔中反應(yīng)時才需要冷、熱反應(yīng)，因此可以推斷出多效精餾塔中再沸器的負(fù)載和非多效精餾反應(yīng)時要實現(xiàn)同等分離效果的熱負(fù)荷之間的聯(lián)系為式（7）[3]：

式中：Qf為多效精餾塔中再沸器中熱量；Qi為非多效精餾反應(yīng)時的熱量；k 為修正系數(shù)，一般取大于1；N為熱負(fù)荷效數(shù)。

根據(jù)在精餾反應(yīng)過程中的物料的方向與系統(tǒng)壓力梯度變化方向之間的關(guān)系，可以將其分為逆流雙效、順流雙效兩種。當(dāng)采用逆流雙效反應(yīng)時，由于在精餾塔中反應(yīng)時精餾塔底部的甲醇濃度是逐漸變化的，因此當(dāng)工作壓力一定時，系統(tǒng)中的沸點溫度是不斷升高的。若把第二精餾塔當(dāng)作是一個常壓塔，則在底部的溫度低于傳統(tǒng)順溜雙效流程時常壓塔塔底的溫度，可以減少第三精餾塔塔頂蒸汽溫度，進而使系統(tǒng)的操作壓力降低，實現(xiàn)節(jié)能運行。

2.2 隔板塔

在隔板塔內(nèi)設(shè)置一個垂直隔板，等于是把隔板塔分開形成兩個精餾塔，因此在系統(tǒng)中等于可以節(jié)省一組精餾塔、冷凝器及再沸器。而且隔板塔的應(yīng)用可以在塔內(nèi)實現(xiàn)熱耦合，提升系統(tǒng)中的熱量利用率。

3 高效節(jié)能精餾工藝模擬

3.1 模擬對象

以某年產(chǎn)40 萬t 的甲醇精餾設(shè)備為例，進料口的進料能力設(shè)置為69.6 t/h，溫度為40°，進料口處的甲醇料主要包括了約12 種成分，其包含了甲醇生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的所有雜質(zhì)情況，所使用的雜質(zhì)甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 500×10-6，以此為對象進行甲醇精餾效果的模擬。在模擬反應(yīng)過程中，系統(tǒng)的蒸汽壓力設(shè)置為500 kPa，循環(huán)水的溫度為30 ℃，系統(tǒng)中回水的溫度設(shè)置為39 ℃，系統(tǒng)逆流雙效換熱溫度控制在20 ℃。

3.2 模擬條件

以PROII 模擬軟件為核心，在進行模擬參數(shù)設(shè)置時采用氣液平衡計算法，在反應(yīng)過程中各個精餾塔的參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)正常工作時的參數(shù)（同“3.1”）保持一致。對反應(yīng)系統(tǒng)中冷凝器、再沸器及雙效精餾過程中能量集成的模擬采用了把換熱器依附在精餾塔上并一起引虛擬物料的方案。

在反應(yīng)中的隔板塔則是通過建立2 個獨立的塔并通過交叉管理相連的方式實現(xiàn)，保證其在反應(yīng)中物料的流向和實際的隔板塔一致，該隔板塔模擬結(jié)構(gòu)如圖1 所示[4]。

圖1 隔板塔模擬結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 模擬精餾工藝流程

根據(jù)以上分析，為了減少精餾過程中的能量消耗，對精餾系統(tǒng)進行了優(yōu)化，其采用了逆流并行雙效技術(shù)[5]，同時把預(yù)分餾塔更改為隔板塔。在優(yōu)化后的系統(tǒng)中包括了隔板塔、常壓精餾塔以及加壓精餾塔，其整體結(jié)構(gòu)和常用的三塔精餾系統(tǒng)基本類似。優(yōu)化后的節(jié)能精餾工藝流程如圖2 所示。

圖2 增加隔板塔的逆流雙效甲醇精餾工藝流程

在反應(yīng)過程中，系統(tǒng)中的粗甲醇先進入到隔板塔中，隔板塔最上面的冷凝器采用“二級冷凝”的模式，同時在塔頂處添加鹽水，保證系統(tǒng)中甲醇的水溶性以及反應(yīng)時的穩(wěn)定性。由于采用了隔板塔替代預(yù)精餾塔，此處的甲醇屬于中間沸點產(chǎn)物[6]，因此可以在隔板塔的中間處增加一個抽出管路，將反應(yīng)過程中產(chǎn)生的中間沸點甲醇抽出。在反應(yīng)系統(tǒng)中的甲醇側(cè)一次進入到常壓精餾塔以及加壓精餾塔，并在兩個塔的塔頂位置各獲取一部分精甲醇。

由于采用了新的反應(yīng)模式，因此加壓塔再沸器中的加熱熱源采用的是蒸汽，而其他兩個精餾塔內(nèi)則利用的是加壓塔塔頂?shù)恼羝麨闊嵩碵7]，其塔頂?shù)睦淠骼玫氖抢鋮s介質(zhì)來進行冷凝。

4 模擬結(jié)果分析

利用軟件自帶的數(shù)據(jù)模擬分析功能，對模擬分析的數(shù)據(jù)進行匯總對比，在相同工況下，優(yōu)化前后的對比結(jié)果如表1 所示。

表1 不同精餾工藝模擬結(jié)果對比匯總表

由表1 可知，和傳統(tǒng)的甲醇精餾反應(yīng)對比，采用增加隔板塔的逆流雙效甲醇精餾工藝流程能夠顯著減少反應(yīng)過程中的蒸汽消耗和冷卻水消耗。優(yōu)化后的蒸汽消耗量比優(yōu)化前降低了14.4%，冷卻水的消耗量比優(yōu)化前降低了61.6%。表明了新的高效節(jié)能精餾技術(shù)能夠有效地減少在反應(yīng)過程中的能量消耗，提升甲醇精餾的經(jīng)濟性和節(jié)能效果。

在系統(tǒng)改造成本方面，雖然在系統(tǒng)中增加了塔板的數(shù)量并增加了隔板塔的直徑，但所使用的常壓精餾塔和加壓精餾塔的直徑顯著低于優(yōu)化前的塔徑，因此總的成本相差不大。但由于新的反應(yīng)工藝采用了逆流雙效反應(yīng)模式，能夠減少系統(tǒng)中換熱器和管路的長度，因此在相同的工況和精餾能力情況下，新系統(tǒng)的整體成本和優(yōu)化前基本保持一致。

5 結(jié)論

采用增加隔板塔的逆流雙效甲醇精餾工藝流程能夠提高系統(tǒng)在反應(yīng)過程中的能量利用效率；

優(yōu)化后的甲醇蒸餾反應(yīng)，能夠把蒸汽消耗量降低14.4%，把冷卻水的消耗量降低61.6%，有效地提升系統(tǒng)在反應(yīng)過程中的經(jīng)濟性。