第34卷第2期華北電力大學學報Vol 34, No. 22007年3月Journal of north China Electric Power UniversityMar.,2007甲醇合成中雙效精餾節(jié)能研究石海濤1,張麗2,王黎2(1.中國石化揚子石油化工股份有限公司,江蘇南京210048;2.西安交通大學化學工程系,陜西西安710049)摘要:針對目前國內(nèi)精餾能耗偏大的情況,以穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型為基礎(chǔ),對生產(chǎn)能力為8萬t/年的甲醇生產(chǎn)過程中的雙效精餾的3種流程(并流型、逆流型、平流型)進行了計算。分別得到3種流程所需最小蒸汽量與蒸汽品質(zhì)和冷水量。通過對不同流程所需的加熱蒸汽的費用比較,提出了精餾設(shè)計的最佳節(jié)能優(yōu)化方案。結(jié)果表明:在相同生產(chǎn)能力下,逆流型流程實現(xiàn)了較好的節(jié)能效果,比單塔流程節(jié)約蒸汽加熱費用約30.3%比目前國內(nèi)最常用的雙效并流流程節(jié)約蒸汽加熱費用約16.6%。關(guān)鍵詞:甲醇;雙效精餾;節(jié)能中圖分類號:TQ015文獻標識碼:A文章編號:1007-2691(2007)020098-04Energy conservation of methanol production process withdouble-effect distillationSHI Hai-tao, ZHANG Li. WANG Li(1. SINOPEC Yangzi Petrochemical Co, Ltd, Nanjing 210048, China2 Department of Chemical Engineering, Xi'an jiaotong University, Xi'an 710049, China)Three double-effect distillation processes( forward feed, back feed and dual feed )with 80 thousand tonnol production per year are calculated based on steady state mathematic modeling. The minimum consumption ofsteam and cold water are obtained. By comparing the costs of the steam in different processes, the optimal energy oon-servation method is obtained, It indicates that the cost of the double-effect distillation with back feed process is30.3% less than that of the single-tower process. Its steam cost is 16.6%less than that of the forward-feed processKey words: methanol; double-effect distillation; energy conservation0引言節(jié)能情況。多效精餾是通過擴展工藝流程來實現(xiàn)的,用多塔代替單塔并將各塔按壓力高低的順序精餾過程是化學工業(yè)中耗能較大的單元過組合,依次用壓力高的塔的塔頂汽相產(chǎn)品冷凝釋程。在整個化學工業(yè)中分離過程的能耗占總能耗放的潛熱作為相鄰低壓塔塔釜再沸器熱源。按照的40%,而其中9%是精餾過程消耗的。雙效進料方向與操作壓力梯度雙效精餾可分為3大精餾是一種有效的節(jié)能,尤其是對電力供應(yīng)緊張類:并流型、平流型和逆流型2-4,見圖1-3。的地區(qū),因熱泵精餾節(jié)能技術(shù)受到諸多限制,使得雙效精餾技術(shù)更具有實用性。2雙效精餾數(shù)學模型甲醇是現(xiàn)代工業(yè)中重要的化工原料,也是清潔能源的一種,應(yīng)用十分廣泛。但同時在甲醇生二元連續(xù)精餾過程中的總物料衡算為產(chǎn)過程中能耗較大,浪費現(xiàn)象嚴重,這使得節(jié)能F=D+ w(1)的意義尤為突出。目前,我國國內(nèi)甲醇生產(chǎn)中的易揮發(fā)組分的物料衡算5為精餾流程雖然采用并流型雙效精餾,但其節(jié)能效FxF= Dxp+ wrw2)果還不顯著。本文就甲醇生產(chǎn)過程中精餾流程的節(jié)能問題進行探討。H中國煤化工CNMHG·△H+W·Hw1多效精餾簡介(3)早在1975年文獻[1就開始研究多效精餾的式中:Q為外加熱量,即精餾塔熱負荷;HF為進料焓值;H為塔頂產(chǎn)品焓值;Hw為塔底產(chǎn)收精月期數(shù)093品焓值;△H為塔頂產(chǎn)品的氣化潛熱。第2期石海濤等:甲醇合成中雙效精餾節(jié)能研究高壓塔溫差不小于最小傳熱溫差?；诩僭O(shè)分別進行物料衡算、兩個精餾塔的熱量衡算,得到3種流型的數(shù)學模型。2.1并流型數(shù)學模型系統(tǒng)總物料衡算為F=D1+D2+W2高壓塔的物料衡算為F=D+WI系統(tǒng)總熱量衡算為FHF+Q=D, HD+D2 [H+(R2+1)△H2](6圖1并流流程低壓塔的熱量衡算為Fig. 1 Flow chart of distillation of forward feedW1Hw+0.95D1[(R1+1)·△H1]=低壓塔高壓塔D2[Hm+(R2+1)△H2]+W2·Hw(7)2.2逆流型數(shù)學模型系統(tǒng)總物料衡算為F=D1+D2+W2低壓塔的物料衡算為系統(tǒng)總熱量衡算為FHF+Q=D,[Ho+(R1+1)4H1]+(10)低壓塔的熱量衡算為FH+0.95D2[(R2+1)·△H2]=圖2逆流流程D1[HD+(R1+1)△H1]+W1Hwn(11Fig 2 Flow chart of distillation of back feed process2.3平流型數(shù)學模型系統(tǒng)中塔i的物料衡算為低壓塔高壓塔F:=D+ wFxF= Drp t Wxw低壓塔的熱量衡算為F1·FF1+0.95D2(R2+1)△H2=D1[Ht+(R1+1)△H1]+W1Hw高壓塔的熱量衡算為F2·H+Q=D2[Hm+(R2+1)△H2]W2·H結(jié)合其他約束條件,如泡露點、最小回流比、理論塔板數(shù)等,即可對上述模型進行求解計圖3平流流程算Fig 3 Flow chart of distillation of dual feed process根據(jù)上述原理對雙效精餾流程進行模擬計3TH中國煤化工CNMHG算,現(xiàn)進行幾點假設(shè):(1)換熱中的熱損失為5%(2)低壓塔塔底再沸器所需熱量全部由高壓塔塔某廠生產(chǎn)能力8萬t/年的甲醇生產(chǎn)裝置以合頂產(chǎn)品冷凝的熱量提供;(3)換熱器中冷熱物流的成氣為原料氣采用 Lurgi低壓法雙塔合成甲醇。運用上述數(shù)學模型對其生產(chǎn)過程中的精餾流程進華北電力大學學報200年行了計算5,分別模擬了單塔流程、雙效并流流表3甲醇雙效逆流流程計算結(jié)果程、雙效逆流流程和雙效平流流程,計算結(jié)果見Tab.3 Calculation results of methanol double-effect distilla-表1~4tion with back feed process表1甲醇單塔流程計算結(jié)果項目進料塔頂產(chǎn)品塔底產(chǎn)品Tab 1 Calculation results of methanol single tower溫度836685進料塔頂產(chǎn)品塔底產(chǎn)品壓力/kPa溫度CHIOH/kmolh354.53168.5818595壓力/kPaH2O/mol.h81.9081.60CHOH/mh1354.5334965物流總量/molh1436.43168.88267.55H,"81.900.6281.28物流總量/kmoh-143643350.27熱負荷kJh回流比蒸汽流量/gh1熱負荷/kh135949122.2冷水量/m3h144.2從表1中可看出,在換熱最小溫差為10℃,八蒸汽流量/kgh116951.5冷卻水溫度差A冷水量/m3h152.25高壓塔冷卻水溫度差C℃進料塔頂產(chǎn)品塔底產(chǎn)品壓力kP塔頂產(chǎn)品中甲醇含量(摩爾濃度)≥998%時CH,OH/kmolh-1 185.95l81.074.88操作壓力為120kPa的精餾塔對加熱蒸汽消耗量HO/kmolh81.601.28物流總量/kmoh1267.55181.39較大,約為169515kgh,所需冷卻水用量為回流比52.25m3h熱負荷/kJh121798030.1110278.7表2甲醇雙效并流流程計算結(jié)果蒸汽流量/kgh1冷水量/m3hTab 2 Calculation results of methanol double-effect distilla冷卻水溫度差/℃tion with forward feed process甲醇雙效逆流流程同樣也采用高壓塔與低壓項目進料塔頂產(chǎn)品塔底產(chǎn)品塔串連,與雙效并流流程不同的是該流程由低壓塔溫度饣進料。表3數(shù)據(jù)表明,雙效逆流所需的加熱蒸汽量壓力/kPa為102787kg/h,較單塔流程節(jié)約了394%。冷OH/kmh1354.53170.34水消耗量為44.2m3/h,與單塔流程相比節(jié)約80581.900.81.57物流總量/kmoh143643184.52251.91m,/h回流比表4甲醇雙效平流流程計算結(jié)果熱負荷/kJh126134908.86蒸汽流量/kgh1Tab 4 Calculation results of methanol double-effect distilla-tion with dual feed process冷卻水溫度差C項日料若a項目塔底產(chǎn)品進料塔頂產(chǎn)品塔底產(chǎn)品溫度欠85溫度AC壓力/kP壓力/kPaCH3OH/kmolh-1 191.27物流總量amh1CH,OH/mol.h-1170H2O/kmolh"物流總量/kmh1235.56165.75回流比負荷/kJh熱負荷/kh"1蒸汽流量kgh冷水量/m3h42.4冷水量/m3h52.84冷卻水溫度差A冷卻水溫度差A項目進料塔底產(chǎn)品溫度雙效并流流程采用一個高壓塔與一個低壓塔壓力中國煤化工CHO串連,由高壓塔進料。表2中的數(shù)據(jù)顯示,該流HO2.26CNMHG37,44程對甲醇進行精餾時所需加熱蒸汽量為12323.720U, 8/161.1739.70回流比kgh,較單塔流程減少了27.3%,節(jié)能效果顯熱負荷J·h-!l1973190.89著。冷水消耗量為52.84m3/h,與單塔流程的冷秀汽流量ksh水消括鼓相當卻水溫度差℃第2期石海濤等:甲醇合成中雙效精餾節(jié)能研究101雙效平流流程也由高壓塔與低壓塔構(gòu)成,且相比節(jié)約費用449.5萬元/a,占單塔流程蒸汽費雙塔同時進料。由表4可以得到,雙效平流流程用的303%;與雙效并流流程的蒸汽費用相比所需的加熱蒸汽量為9604.4kg/h,較單塔流程節(jié)約206.0萬元/a,占雙效并流流程蒸汽費用的節(jié)約蒸汽45.0%。冷水消耗量為424m3/h,比16.6%。平流流程與并流流程的蒸汽費用分別為單塔流程節(jié)約冷水量985m3h10596萬元/a與1241.5萬元/a,與單塔流程根據(jù)以上計算結(jié)果將3種雙效流程與單塔流的蒸汽費用相較分別節(jié)約286%與16.4%。程相比較見表5。表5單塔流程及3種雙效流程消耗蒸汽量、結(jié)論冷水量的比較Tab. 5 Comparison of steam and oold water consumption of通過對生產(chǎn)能力為8萬t/a甲醇精餾塔的數(shù)single tower with double-effect distillations of three processes值模擬計算可得到以下結(jié)論雙效并流高壓塔低壓塔(1)雙效精餾是一種理想的節(jié)能措施,其中操作壓力/kPa并流流程較單塔流程節(jié)約蒸汽量27.3%,逆流蒸汽流量/kgh116951512323.7流程節(jié)約394%,平流流程節(jié)約45%;蒸汽壓力MPa045(2)3種雙效精餾中平流節(jié)能效果最佳,逆冷水量/m3h152.3雙效逆流雙效平流流次之,并流第三高壓塔低壓塔高壓塔低壓塔(3)從經(jīng)濟角度看,逆流流程節(jié)能效果最700佳,蒸汽費用為1035.5萬元/a,比單塔流程節(jié)10278.7約蒸汽加熱費用約30.3%,比雙效并流流程節(jié)44.242,4約蒸汽加熱費用約16.6%。由表5可看出,(1)不同流型的雙效精餾流(4)冷水消耗量來看,雙效流程與單塔流程程中高壓塔操作壓力不同,其中并流流程與平流相比節(jié)能效果不顯著流程高壓塔的操作壓力均為700kPa,而逆流流本文從穩(wěn)態(tài)的角度對甲醇雙效精餾節(jié)能方案程的高壓塔操作壓力較低,僅為380kPa;(2)3進行優(yōu)化設(shè)計,得出逆流流程為最佳方案的結(jié)種流程所需的加熱蒸汽量有所不同,其中平流流論。在考慮多效精餾優(yōu)化設(shè)計節(jié)能方案時,若從程用量最少,逆流次之,并流第三;(3)3種雙系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)過程兩方面出發(fā),進行更加全效精餾流程所用加熱蒸汽壓力不同,其中并流與面地分析、評估,將能選擇出更優(yōu)的流程方逆流流程的蒸汽壓力為125MPa,而平流流程案6。所需蒸汽壓力為2.32MPa參考文獻不同精餾流程所需蒸汽有品位及價格上的差別,單塔流程及3種雙效精餾流程所需蒸汽費用1] Tyrese L, Luyben W L. Hydrocarbon Process1975,54(7):93-95見圖4。[2]王蕆,高維平.多效精餾流程的優(yōu)化設(shè)計計算[J]1485十算機與應(yīng)用化學1400[3]武昊宇,項曙光,韓方煜.多效精流優(yōu)化設(shè)計的研1035.51059.6究進展[J].計算機與應(yīng)用化學,205,22(7):491-494[4]馮霄,李勤凌.化工節(jié)能原理與技術(shù)[M].北京化學工業(yè)出版社,1998.95-99[5]何潮洪,馮霄.化工原理[M].北京:科學出版單塔系統(tǒng)雙效并流雙效逆流雙效平流■蒸汽費用(萬元年)[6]中國煤化工 for thermally coupled圖4單塔流程及雙效精餾流程的加熱蒸汽費用比較CN MH Gal,200,46(11):Fig 4 Comparison of the steam aost of single tower withdouble-effect distillations of three processes圖4顯示,雙效逆流流程蒸汽費用支出最作者簡介:張麗(1982-),女,西安交通大學化學工程系少,為1035.5萬元/,與單塔流程的蒸汽費用碩士研究生。