饒珍

乙醇精餾裝置的節(jié)能降耗工藝優(yōu)化

饒珍

廣州工程技術職業(yè)學院, 廣東 廣州 510075

精餾傳質(zhì)傳熱過程復雜，能耗高，預熱器、再沸器、冷凝器工藝過程操作控制是精餾過程節(jié)能降耗的關鍵。通過精餾中試實驗裝置，研究乙醇-水精餾體系在保障安全穩(wěn)定生產(chǎn)的前提下，優(yōu)化工藝過程操作，找出節(jié)能降耗的技術途徑。原料泡點進料有利于系統(tǒng)操作平穩(wěn)，原料消耗量低。精細化操作預熱器、再沸器加熱量，裝置開工初期盡早建立全回流，前期再沸器加熱量大，中后期慢慢減少，預熱器剛好相反，使塔內(nèi)氣液相負荷達到平衡，電耗降低2.7%；精準調(diào)節(jié)塔頂冷凝器冷卻水用量，前期冷卻水流量可以大一點，中期最大，后期減小，控制塔頂冷凝器冷卻水出口溫度，水耗降低17%。放空閥操作控制生產(chǎn)平穩(wěn)，控制塔壓。在復雜的流程找準事故源，保障塔生產(chǎn)安全穩(wěn)定，生產(chǎn)能力總體評價提高6.8%。

精餾; 節(jié)能降耗; 工藝優(yōu)化

精餾是分離液體混合物最重要的工藝方法，廣泛應用在化學工業(yè)、農(nóng)業(yè)技術、農(nóng)產(chǎn)品加工、食品加工、醫(yī)藥、冶煉礦業(yè)等，精餾分離效果直接影響企業(yè)的經(jīng)濟效益。近幾年，能源短缺問題日趨嚴重，要通過技術創(chuàng)新、工藝優(yōu)化手段，從生產(chǎn)加工源頭達到節(jié)能降耗目的。精餾過程是一個復雜的傳質(zhì)傳熱過程，機理復雜，過程變量多，能耗高，約占加工生產(chǎn)的40%~70％[1,2]，預熱器、再沸器、冷凝器工藝過程操作控制是精餾過程節(jié)能降耗的關鍵[3-4]。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

實驗采用精餾中試裝置，SUPCON DCS操作控制系統(tǒng)。乙醇原料濃度13±0.5%，原料量178±2 kg，再沸器一次進料90~110 mm，要求生產(chǎn)乙醇濃度91%，純乙醇產(chǎn)量17 kg。整個實驗過程90 min，80 min后停止生產(chǎn)，10 min收集產(chǎn)品進行檢測。

常壓下，純乙醇的沸點為78 ℃，純水的沸點為100 ℃。實驗裝置利用乙醇與水的沸點不同進行乙醇提取。乙醇-水混合液經(jīng)原料預熱器進行加熱后，進入精餾塔，產(chǎn)生的蒸汽沿塔上升，液體沿塔下降至塔底。氣液兩相在每一層塔板密切接觸進行傳質(zhì)傳熱，在塔頂可以得到高純度的乙醇。冷凝槽上方設置了放空閥，可以適時排放尾氣不凝性氣體到氣體回收裝置。裝置工藝原則流程如圖1所示。要求連續(xù)精餾過程中，預熱器在加熱同時上方視鏡不能沒有液體。

圖 1 精餾裝置工藝流程圖

1.2 主要設備

主要設備包括1塔2罐4器，精餾塔提供汽液接觸進行傳熱傳質(zhì)的場所，提高乙醇濃度；原料罐貯存低濃度乙醇-水醇混合液；冷凝罐臨時貯存塔頂蒸汽冷凝液，帶有放空閥；再沸器為精餾過程提供上升蒸汽；殘液換熱器冷卻塔釜產(chǎn)品；塔頂冷凝器將塔頂蒸汽冷凝為液體，提供塔頂液相產(chǎn)品和回流液；原料預熱器將原料加熱到指定的進料溫度。

1.3 方法

精餾生產(chǎn)是復雜的工藝過程，是整體化的系統(tǒng)工程，影響因素很多，包括生產(chǎn)平穩(wěn)狀態(tài)、進料、塔頂溫度、壓力、塔底溫度、壓力、回流比等工藝參數(shù)。在允許的安全范圍內(nèi)進行6組比對實驗，研究裝置在生產(chǎn)過程中預熱器、再沸器、冷卻水、放空閥操作與獲得乙醇高產(chǎn)量，高濃度、低水耗、低電耗、低原料消耗的關系、優(yōu)化途徑及最佳工藝操作方案。同時在實驗復雜的流程中找準事故源，排查并及時處理[5-6]。

一個工藝參數(shù)的變化會引起其它多個指標的連鎖變化，為了直觀反映實驗效果，把評價指標進行量化，以百分制評分情況進行生產(chǎn)情況評價，滿分850分，采用SUPCON評價系統(tǒng)?？己嗽u價中系統(tǒng)安全穩(wěn)定生產(chǎn)占23%，產(chǎn)品數(shù)量質(zhì)量占47%，水電原料消耗占30%，要求在安全、穩(wěn)定生產(chǎn)下，以最少的消耗，獲得最好的產(chǎn)品及產(chǎn)品質(zhì)量，達到經(jīng)濟效益最大化。

2 結果與分析

2.1 實驗1預熱器操作對生產(chǎn)的影響

預熱器溫度80 ℃時開始二次進料，30 min后關閉放空閥操作，再沸器進料液位100 mm。全回流預熱器、再沸器功率100%。預熱器現(xiàn)場溫度80 ℃時減小功率，調(diào)整為50%，連續(xù)精餾后功率逐漸遞增1%。塔頂溫度變化時再沸器功率調(diào)整到70%。工藝優(yōu)化途徑：預熱器前期功率不能太大，否則會導致液體沸騰情況不穩(wěn)定；后期加熱速率不能太大，否則會導致視鏡無液體。提前4 min停車，乙醇產(chǎn)量少；同時為降低水耗，再沸器功率持續(xù)減小到67%，導致上升蒸汽量小，乙醇產(chǎn)量少。

2.2 實驗2放空閥操作對生產(chǎn)的影響

針對實驗1情況進行了改進：預熱器前期功率控制低于40%；再沸器功率控制不低于75%；塔壓上升，不減再沸器，加大冷卻水量。放空閥操作提前到28 min后關閉，再沸器進料液位降低到98 mm。工藝優(yōu)化途徑：放空閥不能關閉太早，否則水耗大。塔頂壓力上升，影響產(chǎn)量，濃度也有所下降。二次進料溫度控制在泡點范圍最理想。再沸器進料液位降低對提高產(chǎn)量有利。

2.3 實驗3再沸器操作對生產(chǎn)的影響

30 min后關閉放空閥操作。停車前12 min預熱器功率加大為100%。塔頂冷卻水加大為700 L/H。工藝優(yōu)化途徑：關閉放空閥后，再沸器功率沒有及時降低，導致塔頂壓力上升，扣分。預熱器沸騰加大，再沸器采出量小了，導致再沸器液位瞬間增加6 mm。

2.4 實驗4進料液位對生產(chǎn)的影響

塔頂溫度變化時再沸器功率降低到80%。延長預熱器沸騰時間為30 min，預熱器液位減少44 mm，多生產(chǎn)乙醇1.77 kg。工藝優(yōu)化途徑:再沸器進料液位降低，提高裝置生產(chǎn)能力。

2.5 實驗5整體優(yōu)化操作

實驗5過程理想，裝置生產(chǎn)平穩(wěn)，產(chǎn)量高，濃度高，水耗、電耗小。實驗1~5整體優(yōu)化操作實驗結果如下。

表1 實驗1~5評價結果

2.6 冷卻水調(diào)節(jié)優(yōu)化實驗

冷卻水消耗量主要用于冷卻塔頂乙醇蒸汽，前期乙醇蒸汽的濃度很高，同時急需大量冷凝液回流控制塔溫，冷卻水流量可以大一點，中期上升的蒸汽量最大冷卻水最大，后期減小，動態(tài)調(diào)整冷卻水用量，降低水耗。

3 討論

3.1 生產(chǎn)中加熱量來源還包括換熱器、加熱爐、蒸汽[7]

精餾塔進料溫度需要控制在原料泡點范圍，本實驗采用的是預熱器，生產(chǎn)中還采用換熱器，加熱爐。塔底加熱器還可以直接用蒸汽加熱。石油化工龍頭裝置常減壓蒸餾裝置，采用常壓加熱爐加熱進料，塔底采用直接蒸汽加熱，如圖2中國石化廣州分公司蒸餾裝置常壓系統(tǒng)進料流程，常壓精餾塔T2101采用常壓加熱爐F2101控制。

精餾塔T2101生產(chǎn)目的是提純汽油、柴油餾分，F(xiàn)2101出口溫度控360~370 ℃，需要嚴格控制爐升溫速度，要求內(nèi)操人員監(jiān)控好各塔塔壓，嚴防超壓情況出現(xiàn)。加熱爐點火后，初底油升溫快，啟用相應水冷器和空冷器，外操人員加強檢查，視冷后溫度情況適當調(diào)整冷卻水用量，冷卻水出口溫度要控在<85 ℃，盡量將溫度控低。在開工初期，內(nèi)操要精心操作，保證塔進料平穩(wěn)、熱量、汽液相平衡，控制最小的冷凝負荷和預熱器、再沸器熱負荷，節(jié)能降耗。

3.2 通過不凝氣排放控制塔頂壓力

放空閥操作有利于控制塔壓，有利于提高再沸器生產(chǎn)能力，有利于降低水耗，有利于消除事故源引起裝置不正常的事故狀態(tài)。中國石化廣州分公司裝置初餾塔T2101頂壓力的高低影響到塔上部氣相負荷的大小，要求≯0.48MPa，初頂瓦斯的后路如果憋壓會使塔頂壓力迅速上升，會引發(fā)生產(chǎn)事故，采用由初頂回流罐不凝氣排放量PIC2201放空閥控制方式，如圖3初餾塔頂壓力控制流程圖。

圖 2 蒸餾裝置常壓系統(tǒng)進料流程圖

圖 3 塔頂壓力控制流程圖

4 結論

水耗從0.6210 m3/kg降低到0.5137 m3/kg，降低17%，電耗從33.1 kWh/kg降低到32.2 kWh/kg，降低2.7%，生產(chǎn)能力總體評價分值從790分提高到844分，提高6.8%，實現(xiàn)以最少的消耗，獲得最好的產(chǎn)品及產(chǎn)品質(zhì)量，達到經(jīng)濟效益最大化。

（1）精細化操作加熱量，節(jié)能降耗

預熱器加熱到泡點泡點進料有利于系統(tǒng)操作平穩(wěn)，裝置開工初期溫度上升速率快盡早建立全回流。前期上升蒸汽來源于再沸器加熱量，中后期來源于預熱器。前期再沸器加熱量大，中后期慢慢減少，預熱器剛好相反，使塔內(nèi)氣液相負荷達到平衡，降低電耗。

（3）監(jiān)控冷卻水出口溫度，降低水耗

塔頂冷凝器冷卻水出口溫度要控制在55 ℃以下才能把塔頂蒸汽冷凝下來，否則部分沒冷凝的蒸汽倒流，使得精餾塔內(nèi)傳質(zhì)傳熱效果變差。

（4）放空閥操作控制生產(chǎn)平穩(wěn)，控制塔壓

放空閥關閉太早，不凝氣不能排出，冷卻效果差，水耗大。塔頂壓力上升，冷卻水已經(jīng)調(diào)整800 L/h，只能減再沸器功率，影響產(chǎn)量，濃度也有所下降。

（5）在復雜的流程中排除事故源

再沸器加熱量過大會導致塔工藝參數(shù)波動，引起裝置不正常的事故狀態(tài)，找準事故源，從加熱量過大的根源上解決徹底排除事故，保障塔生產(chǎn)安全穩(wěn)定。

[1] 王榮增.我國煉油化工技術現(xiàn)狀與發(fā)展分析[J].化工管理,2015,27(1):29

[2] 楊富翔,蓋恒軍.節(jié)能技術在精餾系統(tǒng)中的應用[J].廣東化工,2012,39(15):7-8,2

[3] 陳常貴,柴誠敬,姚玉英.化工原理[M].天津:天津大學出版社,2003:1-44

[4] 岳金彩,閆飛,鄒亮,等.精餾過程節(jié)能技術[J].節(jié)能技術,2008,26(1):64-67

[5] 楊瑞影,羅亞敏.精餾技術在節(jié)能減排中的應用[J].現(xiàn)代化工,2009,29(8):90-91

[6] 李曉春,袁躍華.化工生產(chǎn)中降低精餾技術能耗的幾點思考[J].當代化工研究,2017(12):1-2

[7] 王兵,胡佳,高會杰.常減壓蒸餾裝置操作指南[M].北京:中國石化出版社,2006

Process Optimization of Energy-saving and Cost-reducing in Ethanol Rectification Device

RAO Zhen

510075,

Through the pilot-scale distillation experiment device, the ethanol-water distillation system was studied on the premise of ensuring safe and stable production, optimizing the process operation, and finding out the technical ways of energy saving and consumption reduction. Bubble point feeding of raw materials is conducive to stable operation of the system and low consumption of raw materials. Fine operation of preheater and reboiler heating capacity, early start-up of the plant to establish full reflux, early reboiler heating capacity is large, slowly reduced in the middle and late stages, the preheater is just the opposite, so that the gas-liquid load in the tower to achieve balance, power consumption reduced by 2.7%; precise adjustment of the top condenser cooling water consumption, the cooling water flow can be a little larger in the early stage, the maximum in the middle stage, the later stage, control tower. The cooling water outlet temperature of top condenser reduces water consumption by 17%. Vent valve operation control production stable, control tower pressure. In the complex process, the accident source can be identified, the safety and stability of tower production can be guaranteed, and the overall evaluation of production capacity can be increased by 6.8%.

Rectification; energy-saving and cost-reducing; process optimization

TQ 028.4

A

1000-2324(2019)03-0416-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.03.012

2018-05-02

2018-07-04

2018年全國職業(yè)院校技能大賽化工生產(chǎn)技術賽項一等獎項目(GZ-2018067)

饒珍(1968-),女,碩士,副教授,主要從事化學工程教學、科研工作. E-mail:r6r6_40656@126.com