喬 潔 劉 偉

(九江心連心化肥有限公司，江西 九江 332700)

1 前言

化工生產(chǎn)過程中精餾一直都是十分重要的一個(gè)生產(chǎn)單元，但是與此同時(shí)這一單元也有著較高的能耗。多效精餾就是指將一個(gè)具體的復(fù)雜精餾過程進(jìn)行多個(gè)單獨(dú)的串聯(lián)精餾過程的內(nèi)容，能夠重復(fù)利用能量。

2 相關(guān)概述

精餾是石油化工行業(yè)重要的分離操作單元，同時(shí)又是一個(gè)非常耗能的單元操作過程，為了降低其能耗，可以采用多種措施。多效精餾就是其中行之有效的措施之一。多效精餾是將精餾塔分成壓力不同的多塔，壓力較高塔的塔頂蒸汽向壓力較低塔的再沸器供熱，同時(shí)塔頂蒸汽被冷凝。因此在多效精餾中只是第一個(gè)塔的塔釜需要加入熱量，最后一個(gè)塔的塔頂蒸汽需要冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷凝，而其余各塔則不需要由外界進(jìn)行供熱和冷卻，所以與單塔相比，多效精餾具有非常明顯的節(jié)能效果。近年來隨著能源緊張和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，多效精餾在化工行業(yè)逐漸受重視。工業(yè)上廣泛使用的是雙效精餾，實(shí)際節(jié)能率大約在40%左右。本文以15萬噸/年甲醇精餾裝置為實(shí)例，采用AspenPlus對(duì)精餾塔進(jìn)行模擬計(jì)算和優(yōu)化，并設(shè)計(jì)了并流型和順流型兩種甲醇-水雙效精餾流程，在相同的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)及要求下，對(duì)比單塔精餾與雙效精餾方案的經(jīng)濟(jì)成本，找出不同精餾方案之間的差別，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)和工程設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。

3 模擬方法

3.1 模擬類型

模擬條件：用AspenPlus軟件模擬；用NRTL-RK模型計(jì)算氣液平衡；按理論板數(shù)計(jì)算。設(shè)計(jì)任務(wù)：①料液處理能力為15125kg/hr，進(jìn)料組成為甲醇40.1%(質(zhì)量分率，以下同)、水59.9%；②進(jìn)料溫度為163℃，壓力為1.05MPag；③每塊理論板壓降為0.2kPa；④最終產(chǎn)品甲醇含量≥99.8%，塔釜液甲醇摩爾分?jǐn)?shù)不高于0.1%。⑤循環(huán)水上水溫度30℃，回水溫度40℃，熱源為1.0MPag低壓飽和蒸汽。選擇兩塔的操作壓力，應(yīng)該使既作為冷凝器又作為再沸器的換熱器具有足夠的溫差推動(dòng)力。若△T太大，節(jié)能效率降低；若△T太小，所需換熱器的面積將很大。不同組成不同壓力下甲醇-水體系泡點(diǎn)溫度中看出高壓塔操作壓力選擇700kPa，低壓塔選擇常壓操作，可以利用高壓塔塔頂123.4℃的塔頂蒸汽給低壓塔塔底99.7℃的物料汽化提供熱量。對(duì)于單塔流程，先用AspenPlus提供的DSTWU簡(jiǎn)捷模型進(jìn)行初步計(jì)算，DSTWU是通過確定輕重關(guān)鍵組分在塔頂?shù)幕厥章始盎亓鞅鹊戎匾獏?shù)，對(duì)最小回流比、最小塔板數(shù)、理論塔板數(shù)、進(jìn)料位置等操作條件進(jìn)行初步設(shè)計(jì)計(jì)算。再將DSTWU模塊計(jì)算的結(jié)果作為RadFrac模塊的輸入初值進(jìn)行精確核算，并調(diào)整回流比等參數(shù)以滿足分離要求，最后對(duì)進(jìn)料位置等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于雙效精餾流程，按照以上方法先對(duì)每個(gè)單塔進(jìn)行計(jì)算，待單塔計(jì)算收斂后再將兩塔合算并進(jìn)行熱耦合。使用DSTWU簡(jiǎn)捷模型，規(guī)定塔頂甲醇的回收率為0.999，水的回收率為0.001，操作壓力為塔頂121kPa。計(jì)算結(jié)果為理論板數(shù)30，進(jìn)料位置24，回流比1.8，D/F為0.2724。將以上參數(shù)輸入RadFrac模塊，結(jié)果塔頂甲醇含量99.8%，滿足分離要求；用靈敏度分析功能對(duì)進(jìn)料位置進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)進(jìn)料位置為第24塊板時(shí)再沸器熱負(fù)荷QR為最小，且冷凝器熱負(fù)荷Qc的絕對(duì)值為最小，故第24塊板為最佳進(jìn)料位置。

3.2 并流雙效精餾流程

并流雙效精餾中，B1和B2的塔頂和塔釜產(chǎn)品甲醇含量都要滿足設(shè)計(jì)要求。并且要合理設(shè)定兩塔之間的進(jìn)料分配，以實(shí)現(xiàn)高壓塔和低壓塔之間換熱量的匹配。先假定兩塔進(jìn)料量基本相同，即進(jìn)料分配比約為1，進(jìn)行計(jì)算。B1進(jìn)料量為7644.11kg/hr，塔壓700kPa，B2進(jìn)料量為7480.88kg/hr，塔壓100kPa。兩塔單獨(dú)計(jì)算完成后，將兩塔合并計(jì)算，B1塔的冷凝器負(fù)荷Qc1為-2711.37kW，B2塔的再沸器負(fù)荷QR2為1675.36kW，兩換熱器的換熱量不匹配，因此假設(shè)的進(jìn)料分配比不合適。用流程選型中的DesignSpec規(guī)定DQ=QC1+QR2，變量為進(jìn)料分流器中F1/FEED的比值，DQ目標(biāo)值為0，計(jì)算結(jié)果分流比為0.3866。即B1塔進(jìn)料5849.43kg/hr，B2塔進(jìn)料9279.95kg/hr時(shí)，兩塔間的換熱負(fù)荷匹配。

3.3 順流雙效精餾流程

順流雙效精餾中，B1塔的塔釜出料作為B2塔的進(jìn)料，要求B1和B2的塔頂產(chǎn)品以及B2的塔釜出料都要滿足要求。并且要合理設(shè)定兩塔塔頂?shù)牟沙隽考癇1塔的回流比，以實(shí)現(xiàn)高壓塔塔頂采出蒸汽冷凝潛熱和低壓塔塔釜再沸器供熱量的匹配。先假定B1塔頂物流D1/F(mol)初值為0.16325，進(jìn)行計(jì)算。B1進(jìn)料量為15129.378kg/hr，塔壓700kPa，B2塔壓設(shè)定為100kPa，使B2塔塔頂和塔釜出料都滿足要求。同樣用流程選型中的DesignSpec規(guī)定DQ=QC1+QR2，變量為B1塔塔頂出料量與進(jìn)料的比值即D1：FEED，DQ目標(biāo)值為0，計(jì)算結(jié)果D1：FEED為0.1508時(shí)兩塔間的換熱負(fù)荷匹配。

4 結(jié)果

各精餾塔選用浮閥塔板，全塔效率0.65，塔板間距為450mm。根據(jù)塔內(nèi)最大氣相負(fù)荷及氣液相性質(zhì)，選用Smith法進(jìn)行塔徑的計(jì)算，并圓整求得塔徑。塔頂空間高度取經(jīng)驗(yàn)值1m，進(jìn)料空間高度取經(jīng)驗(yàn)值1.2m，按照塔釜空間物料停留時(shí)間15min估算塔釜空間高度，計(jì)算出的塔體尺寸見。塔頂及塔釜封頭采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，估算各操作條件下塔體的壁厚和塔的總外表面積，得出塔體所用鋼材的總體積及重量，作為成本估算的依據(jù)。相對(duì)于單塔流程，并流雙效流程的Qc和QR分別下降了42.21%和49.63%，順流雙效流程的Qc和QR分別下降了32.55%和42.83%。用HTRI換熱器計(jì)算軟件設(shè)計(jì)各方案的冷凝器和再沸器，得到各換熱器的重量并估算其成本，并流方案的換熱器總成本增加5.44萬元(約19%)，順流方案的換熱器總成本增加4.05萬元(約14%)。綜合設(shè)備投資及運(yùn)行成本，可以看出兩種雙效精餾方案的設(shè)備投資增加幅度很小，且都有很高的節(jié)能效率。其中并流方案的節(jié)能效果更為顯著，每年可節(jié)約運(yùn)行成本252.714萬元，對(duì)于本項(xiàng)目中給定的進(jìn)料是最佳的甲醇-水體系分離方案。

5 結(jié)束語

甲醇在進(jìn)行精餾的過程中應(yīng)用不同的精餾方案會(huì)有著不同的效果，其中單塔的精餾過程是能量利用率最低的，而并餾雙效和順餾雙效的過程相對(duì)來說有著更高的能力利用率，與此同時(shí)雙效生產(chǎn)過程也沒有較高的投資，有著重要的應(yīng)用意義。