化工進(jìn)展2009年第28卷增刊CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS●341●甲醇合成及精餾單元的熱集成丁干紅，葉鑫,李延生(惠生工程(中國)有限公司，上海201203)摘要: 夾點(diǎn)技術(shù)是換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一種方法， 本文利用夾點(diǎn)技術(shù)對甲醇合成及精餾單元進(jìn)行了系統(tǒng)用能分析，找出了用能狀況不盡合理之處。將甲醇合成及精餾兩個(gè)單元作為一個(gè)系統(tǒng)整體考慮，提出了甲醇合成及精餾單元的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案.優(yōu)化后整個(gè)系統(tǒng)可以節(jié)約低壓蒸汽22.2%，節(jié)約循環(huán)冷卻水14.9%.關(guān)鍵詞:熱集成;夾點(diǎn)技術(shù);甲醇合成;甲醇精餾;節(jié)能甲醇是一種非常重要的有機(jī)化工原料，又是一出了其能量利用不合理的環(huán)節(jié)。基于夾點(diǎn)技術(shù)的種很有發(fā)展前途的新型能源燃料，在化工、輕工和設(shè)計(jì)原則，提出了一種節(jié)能效果顯著的換熱網(wǎng)絡(luò)清潔能源領(lǐng)域具有廣泛的用途。甲醇屬于低附加值優(yōu)化方案?；ぎa(chǎn)品，低成本是甲醇產(chǎn)品競爭的核心，也是甲1甲醇合成及精餾單元的物流數(shù)據(jù)醇生產(chǎn)企業(yè)采取的重要競爭策略。甲醇生產(chǎn)過程的能耗對甲醇生產(chǎn)成本有很大影響。近年來由于能源1.1 甲醇合成及精餾單元簡介逐漸匱乏，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，節(jié)能減排越來越受采用熱集成技術(shù)優(yōu)化系統(tǒng)能量, - -般來說，如果到人們的重視。因此，甲醇工業(yè)的節(jié)能降耗具有重系統(tǒng)選取得較大,包含的單元較多,則節(jié)能效果顯著,要的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。但由于進(jìn)行單元之間的熱集成受到單元之間距離等目前，人們紛紛從各種途徑[16尋找降低甲醇因素的制約，節(jié)能優(yōu)化方案的可操作性以及實(shí)際的節(jié)生產(chǎn)能耗的辦法，取得了很好的效果。熱集成是能效果都會打折扣8。因此,本文選擇在工藝流程上減少化工過程系統(tǒng)用能的手段之- -，但熱集成技屬于.上下游關(guān)系且裝置距離較近的甲醇精餾和合成術(shù)在甲醇工業(yè)的應(yīng)用研究，至今鮮有報(bào)道。夾點(diǎn)兩個(gè)單元作為一個(gè)，系統(tǒng)來進(jìn)行熱集成分析。技術(shù)四是目前應(yīng)用最廣泛的熱集成技術(shù)，夾點(diǎn)技本文以某30萬噸/年甲醇裝置為研究對象，其術(shù)將熱力學(xué)原理和系統(tǒng)工程相結(jié)合，對工程系統(tǒng)甲醇合成及精餾單元的工藝流程簡圖如圖1所示。的能量進(jìn)行優(yōu)化配置，提高系統(tǒng)的能量利用率,甲醇合成反應(yīng)器壓力為5MPa,屬于低壓甲醇從而降低能耗。合成。進(jìn)入甲醇合成裝置的原料氣與循環(huán)氣混合成本文利用夾點(diǎn)技術(shù)對某30萬噸/年甲醇裝置甲醇合成入塔氣,被甲醇合成出塔氣預(yù)熱后進(jìn)入甲甲醇合成及精餾單元的能量系統(tǒng)進(jìn)行了分析，找醇合成反應(yīng)器，甲醇合成出塔氣經(jīng)循環(huán)水冷卻器降勉做氣不氣-1.雜畔食戚氣'中1-5中央糖甲幕圖1甲醇合成及精餾單元的工 藝流程簡圖.1- _甲醇合成反應(yīng)器; 2- 甲醇閃蕪罐; 3-甲醇膨脹罐; 4甲醇預(yù)精餾塔; s- _甲醇加壓塔: 6- 甲醇常壓塔: 7-甲醇回收塔●342.化I進(jìn)展2009年第28卷溫至40°C后進(jìn)入甲醇閃蒸罐,氣相排放部分弛放氣算可知，在現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)中，甲醇合成單元消耗冷后加壓循環(huán);液相粗甲醇去甲醇膨脹罐。甲醇精餾公用工程22349kW;甲醇精餾單元消耗熱公用工程單元為四塔流程，來自甲醇膨脹罐的粗甲醇預(yù)熱后35086kW,冷公用工程44 634kW。去預(yù)精餾塔分離掉輕組分，預(yù)精餾塔塔頂采用二級2甲醇合成及精餾單元的夾點(diǎn)分析冷凝，經(jīng)甲醇加壓塔和常壓塔雙效精餾分離掉水和雜醇等重組分雜質(zhì)。精甲醇從加壓塔和常壓塔塔頂2.1對兩個(gè)單元單獨(dú)的夾點(diǎn)分析采出，廢水從常壓塔塔底采出，常壓塔中部采出含在夾點(diǎn)分析中，最小傳熱溫差影響熱回收量雜醇和水的甲醇去回收塔進(jìn)行回收。和設(shè)備投資的大小，根據(jù)甲醇生產(chǎn)的換熱器設(shè)計(jì)1.2甲醇合 成及精餾單元的物流數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)，本文將最小換熱溫差取為10C。用夾點(diǎn)技經(jīng)過對甲醇合成及精餾工藝流程的分析，從系術(shù)處理甲醇精餾單元的物流數(shù)據(jù)，得到圖2的組統(tǒng)中提取參與換熱的主要流股的物流數(shù)據(jù)。找到可合 曲線。甲醇精餾單元熱物流的夾點(diǎn)溫度為83.6構(gòu)造換熱網(wǎng)絡(luò)的9股熱物流和7股冷物流，如表1C，冷物流的夾點(diǎn)溫度為73.6"C, 最小熱公用工所示。表中的蒸汽冷凝液(H-8) 來自預(yù)精餾塔和程量為 29452kW, 最小冷公用工程量為39000加壓塔的再沸蒸汽冷凝，蒸汽冷凝液去脫鹽水站前kW。與甲醇精餾單元現(xiàn)有的換熱網(wǎng)絡(luò)相比，理論要被冷卻到常溫，可以回收大量熱量，若這些熱量上公用工程的節(jié)能潛力為5634kW,占現(xiàn)行甲醇精沒有被合理利用，就會多消耗循環(huán)冷卻水。因此在餾單元熱公共工程量的16.1%， 冷公用工程量的本文進(jìn)行夾點(diǎn)分析時(shí)將蒸汽冷凝液作為工藝流股來12.6%。處理。甲醇合成單元僅有冷熱兩股物流，只消耗冷甲醇合成及精餾單元中所用的冷公用工程為循公用工程， 不需要熱公用工程，屬于閾值問題9]。環(huán)冷卻水，所用的熱公用工程為低壓蒸汽。通過計(jì)有閾值問題的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不同于--般的夾點(diǎn)問題，對于甲醇合成單元來說，應(yīng)該減少熱量被冷表1甲醇合成及精餾單 元的冷熱物流數(shù)據(jù)卻水帶走，盡量回收工藝物流的熱量。但甲醇合設(shè)備編號物流描述起始溫度末端溫度焓變成單元的換熱網(wǎng)絡(luò)簡單，在單元內(nèi)部無法通過物CkW流重新匹配來節(jié)能。要想減少甲醇合成單元冷公甲醇精餾單元用工程的耗量，只能將其工藝物流的富余熱量外4-I預(yù)精餾塔塔頂氣相73.069.9 10215供給其它單元或副產(chǎn)蒸汽，如果將甲醇合成單元4-2預(yù)精餾塔-級冷凝器69.90.0 1872的富余熱量引入甲醇精餾單元，那么就可以代替氣相部分熱公用工程。1-3加壓塔精甲醇產(chǎn)品126.840.014082.2 以兩個(gè)單元為系統(tǒng)的夾點(diǎn)計(jì)算H4加壓塔塔項(xiàng)氣相127.2127.0 22 897用夾點(diǎn)方法把甲醇合成及精餾兩個(gè)單元的物流4-5常壓塔塔頂氣相66.640.0 23 101數(shù)據(jù)作為-一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析，得到圖3的組合曲線。1-6回收塔塔頂氣相66.4855此時(shí)熱物流的夾點(diǎn)溫度仍為83.6"C，冷物流的夾點(diǎn)4-7常壓塔進(jìn)料132.878.31319200H-8蒸汽冷凝液179.240.0 102971802-1預(yù)精餾塔粗甲醇進(jìn)料76.71602-2預(yù)精餾塔釜液73.65.2 122101402-3加壓塔釜液130.6132.8 22876120C4常壓塔釜液104.6電1008(C-s回收塔釜液8646(夾點(diǎn)C6加壓塔進(jìn)料75.6132.1233340甲醇合成單元H-9甲醇合成出塔氣249.0“2X10* 4X10* 6X10* 8X10* 1X10 1.2X I0'焓變kW-7甲醇合成入塔氣50.2213.8 34 946圖2甲醇精餾 單元的組合曲線增刊丁干紅等:甲醇合成及精餾單元的熱集成●343.溫度仍為73.6C,最小熱公用工程量為14 050kW,費(fèi) 用和操作費(fèi)用之間綜合考慮，可允許-部分熱量最小冷公用工程量為45947kW.與現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)相自由穿越夾點(diǎn)9。比，理論上，公共工程的節(jié)能潛力為21 036kW,3甲醇合成及精餾單元的優(yōu)化方案占現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)熱公用工程量的60.0%，冷公用工程量的31.4%。由此可見，與兩個(gè)單元單獨(dú)用夾點(diǎn)為改善現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)的用能狀況，本文提出的分析相比，將甲醇合成及精餾兩個(gè)單元作為一個(gè)系優(yōu)化思路為:可以利用系統(tǒng)內(nèi)的低品位熱源提高入統(tǒng)考慮，有更大的節(jié)能優(yōu)化空間。塔合成氣去入塔氣預(yù)熱器前的溫度，從而使離開入塔氣預(yù)熱器的出塔合成氣溫度升高，并利用此出塔50 F合成氣的熱量來代替部分熱公用工程，以此達(dá)到節(jié)200 t能的目的。而需要加熱或冷卻的工藝物流，則盡量使之能相互換熱，減少公用工程的用量。。150根據(jù)上述分析，本文提出了優(yōu)化方案，為簡明表示甲醇合成及精餾單元的換熱網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)行的工夾點(diǎn)藝過程繪制成圖4;將該優(yōu)化方案進(jìn)行分析計(jì)算和50 t流程模擬，優(yōu)化后的工藝流程見圖5,具體的優(yōu)化內(nèi)容如下。2x10' 4XI0 6X106 8xldf 10 12x10 L.4XI06 l6X0焓變kW(1)蒸汽冷凝液通過加壓塔進(jìn)料預(yù)熱器(E3)圖3甲醇合成及精 餾單元的組合曲線后，不去粗甲醇進(jìn)料預(yù)熱器(E4)，而直接去加熱甲醇回收塔再沸器(E5), 然后去甲醇合成單元。新23 以兩個(gè)單元為系統(tǒng)的夾點(diǎn)分析增換熱器E7,用蒸汽冷凝液預(yù)熱入塔合成氣。通過為達(dá)到最小公用工程的用量，夾點(diǎn)方法"]的3換熱器E7,蒸汽冷凝液降溫至62.0C,入塔合成氣個(gè)設(shè)計(jì)原則是:①夾點(diǎn)之上不應(yīng)引入任何冷公用工升溫至73.0C,這樣既可以節(jié)約用于冷卻蒸汽冷凝程;②夾點(diǎn)之下不應(yīng)引入任何熱公用工程:③不應(yīng)液的冷公用工程5941kW,還提高了入塔合成氣去有跨越夾點(diǎn)的換熱。入塔氣預(yù)熱器前的溫度，使得離開入塔氣預(yù)熱器的根據(jù)夾點(diǎn)計(jì)算進(jìn)行分析可知，甲醇合成及精出塔合成氣溫度升高到102.1 C。餾系統(tǒng)中用能不合理的地方有以下幾點(diǎn)。①甲醇(2)102.1C的出塔合成氣在用循環(huán)水冷卻合成塔的入塔合成氣初始溫度在夾點(diǎn)以下，卻用之前可以先用于甲醇預(yù)精餾塔的再沸(新增換熱初始和末端溫度都高于夾點(diǎn)溫度的出塔合成氣加器E8)，以減少冷熱公用工程的雙重浪費(fèi):節(jié)約熱，使得出塔合成氣的熱量被“貶值"，未被合理了用于甲醇預(yù)精餾塔再沸的熱公用工程7785kW,利用。②出塔合成氣在與入塔合成氣換熱后溫度同時(shí)節(jié)約了用于冷卻出塔合成氣的冷公用工程仍高于夾點(diǎn)，卻用了循環(huán)冷卻水來冷卻。雖然溫2828 kW。度超過夾點(diǎn)溫度不多，但是由于該流股流量很大，(3)熱物流加壓塔的精甲醇產(chǎn)品與冷物流預(yù)精而A有甲醇冷凝的大量潛熱，因此應(yīng)該利用這部餾塔的粗甲醇進(jìn)料兩股物流所需的換熱量接近，可分能量。③熱物流中加壓塔的精甲醇產(chǎn)品和蒸汽相互換熱(換熱器E4),從而減少了冷卻精甲醇產(chǎn)冷凝液在溫度高于100C時(shí),用循環(huán)冷卻水冷卻不品的冷公用工程1236kW， 而蒸汽冷凝液的熱量可合理。④冷物料中預(yù)精餾塔粗甲醇進(jìn)料從初始溫以挪作他用。度到末端溫度基本處于夾點(diǎn)溫度以下，卻用溫度(4)由于用于甲醇預(yù)精餾塔再沸的熱公用工較高的蒸汽冷凝液加熱。程(低壓蒸汽)量減少,蒸汽冷凝液的流量也相應(yīng)遵循夾點(diǎn)設(shè)計(jì)的三大原則，雖然這些用能不合減少。本文優(yōu)化方案中的蒸汽冷凝液流量為優(yōu)化前理的物流通過多種換熱匹配可以達(dá)到最小公用工程的77.8%。用量的目的，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中由于完全禁止與原換熱網(wǎng)絡(luò)相比，優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)節(jié)約熱能量穿越夾點(diǎn),會造成流股分割和增加過多換熱器，公用工程7785kW,節(jié)約冷公用工程10 005kW,僅使流程復(fù)雜，設(shè)備投資增加。因此在滿足換熱流股增加兩臺換熱器，就使熱公用工程用量減少了間最小換熱溫差的情況下，為使流程簡單，在設(shè)備22.2%，冷公用工程用量減少了14.9%?！?44●化L進(jìn)展2009年第28卷麗70網(wǎng)69."40.0C四1888127.0C0回40.0*C面720_ 6.6"C40.0*C .國品6.6.6664號網(wǎng)132.8"C回-館3心i 1792C4.0心網(wǎng)+國一 四國@O-75.2心功6'C rca118回1306CC_104.6C _1048CC4104.6"C .1048CC1321.C75.6C四2490-◎-40.0.C2138C .知2°回L為物道點(diǎn)圖4甲醇合成及 精餾單元現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)圖熱德出史點(diǎn)1 73.0"C69969.9.C40001268"C127.0.西1722.n 6"C4.0CB66r .64C_囫128"2回一232192C國一回-@40吧陽7152°/四十1306七C3- 180 @士_1046C104.6C10.8CCs121 c756°-O-C]4.0C__2138"C--L冷物說夾成.6C圖5甲醇合成及 精餾單元熱集成后的換熱網(wǎng)絡(luò)圖明顯的優(yōu)化方案，采用將甲醇合成出塔氣余熱用于4結(jié)論甲醇偵精餾塔再沸等措施，有效減少了冷熱公用工作者運(yùn)用夾點(diǎn)技術(shù)對甲醇合成及精餾單元進(jìn)程的耗量。行了用能分析和診斷，發(fā)現(xiàn)將甲醇合成及精餾兩個(gè)參考文獻(xiàn)單元聯(lián)合起來進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，有顯著的節(jié)能空間。通過夾點(diǎn)分析找到了系統(tǒng)中用能不合理之處，[1]劉保柱. 章淵昶,陳平,等節(jié)能型甲醇精餾工藝研究[J].化工進(jìn)展，2007, 26(5); 739-742.結(jié)合工程實(shí)現(xiàn)的可行性與經(jīng)濟(jì)性，提出了節(jié)能效果[2] 父嘉，陳露,具有熱集成和水集成的甲醇精馕新工藝及其模擬[小增刊丁干紅等:甲醇合成及精餾單元的熱集成●345●化工學(xué)報(bào)，2005, 56(3): 477-487.[6] 劉殿華，曹發(fā)海，應(yīng)衛(wèi)勇,等新型甲醇合成反應(yīng)器技術(shù)[J.化肥設(shè)[3] 周志超，吳嘉.具有完全熱集成和水集成的合成甲醇精制工藝[小].計(jì)，2005, 43(3); 45-46.化工學(xué)報(bào)，2007, 58(1); 3210-3214.[7]馮霄.化工節(jié)能原理與技術(shù)[M.北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2004.[4] 褚雅志， 秦酈萍，王勝利，等甲醇精餾工藝及其塔器優(yōu)化設(shè)計(jì)(I.[8]楊俊坤， 馮霄，余新江.夾點(diǎn)分析子系統(tǒng)選取規(guī)則及應(yīng)用門化學(xué)工化工進(jìn)展，2008, 27(10); 1659-1662.程，2009， 37 (3): 70-74.[5] 陸文斌, 時(shí)正興新型高效規(guī)整填料塔在甲醇精增生產(chǎn)中的應(yīng)用D9] 王文堂化工節(jié)能技術(shù)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.現(xiàn)代化工，2005, 25/(2); 54.57.10] 倪進(jìn)方化工過程設(shè)計(jì)M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，199.第一作者簡介:丁干紅(1982- -),女，碩士，研發(fā)工程師，主要從事化工工藝流程節(jié)能節(jié)水方面的研究。E - mail dingganbong@wison.com.