甲醇热泵精馏新工艺

化I进展●74.CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2010年第29卷增刊研究开发甲醇热泵精馏新工艺叶鑫， 吕建宁，丁干红，宫万福(惠生工程(中国)有限公司，北京100102)摘要:分析了甲醇三塔精馏工艺的弊端，开发了一种节能效果显著的甲醇热泵精馏新工艺，并对这两种流程的综合能耗进行了对比分析.新工艺采用分割式热泵精馏的方法，热泵供热系数COP高达14以上,只需要消耗少量最低级别的水蒸气，其综合能耗比三塔精馏工艺降低了50%以上。该工艺适合于45万吨/年以上规模的甲醇精馏装置，应用于180万吨/年的甲醇精馏装置，预计每年可节省操作费用上亿元。关键字:节能;甲醇;热泵精馏;三塔精馏中图分类号: TQ 051.6文献标志码: A文章编号: 1000- 6613 (2010) S2 -074- 04.Study on the new technology of heat pump rectificationin production of methanolYE Xin, LU Jianning, DING Ganhong, GONG Wanfiu .(Wison Engineering Co. Ltd，Beijing 100102, China)Abstract: The shortcomings of three-column rectification technology for methanol production areanalyzed. Heat pump rectification, an effective energy saving process, has been developed, and theenergy consumptions of the two processes are contrasted. As separated heat pump distillation is usedby this process, the coefficient of performance (COP) of heat pump reached above 14. Only a fewlowest level steam is to be consumed, therefore the energy consumption of this process is reduced by50% compared with three-column technology. The novel process is suitable for over 450000 t/amethanol distillation plant, and one hundred million CNY of operation cost could be saved in a1800000 t/a methanol plant.Key words: energy saving; methanol; heat pump rectification; three-column rectification甲醇作为重要的基本化工原料，在世界经济证甲醇产品质量的重要操作单元,而且精馏过程的中起着十分重要的作用。随着世界石油资源的日能耗也是影响甲醇生产成本的重要因素，因此选趋紧缺，甲醇又逐步发展成为重要的能源替代品，择适合企业生产规模的精馏技术，是节能降耗、以甲醇为原料合成烯烃、汽油、二甲醚等化工产节水减排、提高企业经济效益和市场竞争力的重.品的行业也得到了迅速的发展。随着甲醇衍生物要措施。及其下游产品的迅速发展和甲醇燃料的应用，甲1三塔精馏工艺的弊端醇需求总量和单套装置处理量将会日益增大，因此提高甲醇产品质量并降低生产消耗引起了人们图1是目前广泛采用的三塔精馏(顺流双效精的广泛关注。甲醇精馏的任务是脱除粗甲醇中的二甲醚等收稿日期: 2010-06-23; 修改稿日期: 2010-09-03.轻组分及水、乙醇等杂质，生产符合要求的精甲第一-作者简介:叶鑫(1981-)，男，硕士,工程师，从事节能降耗、醇，作为中间产品或最终产品。甲醇精馏不仅是保节水减排工艺技术研发及工程设计。E.mail yexin@wison com.增刊叶鑫等:甲醇热泵精馏新工艺●75.不凝气|提高塔顶精甲醇气体的压力和冷凝温度，作为精馏- 04塔塔釜再沸器或中间再沸器的热源，充分利用了精精甲醇甲醇气体的冷凝潜热，同时减小了塔釜热公用工程和塔顶冷公用工程消耗。热泵精馏只需消耗少量最粗甲醇低级别的水蒸气(如0.3 MPa),同时节省大量更高2|杂醇等级水蒸气(如1.0MPa)。从技术经济角度考虑，常规热泵精馏通常仅废水适用于塔底和塔顶温差较小的场合，该温差愈小，所需的压缩功愈小，热泵的性能愈好7。对于一图1甲醇三塔精馏工艺流程图些特殊的大温差分离过程(例如酒精精馏)，采1-预塔: 2- 加压塔: 3一常压塔: 4- 预塔冷凝器: s-预塔再沸器:用分割式热泵精馏流程更加经济，这种流程采取6-加压塔再沸器: 7一常压塔冷凝器: 8常压塔再沸器上塔安装热泵及下塔减小回流量的节能措施，节能效果明显，投资费用适中，控制简单189。常压馏)工艺，即粗甲醇顺序通过预塔、加压塔、常压下甲醇沸点为64 C，水的沸点为100 C，所以塔进行精馏分离。由预塔脱除粗甲醇中的轻组分，粗甲醇精馏也属于大温差分离体系，另外，由于预后粗甲醇经过加压塔和常压塔精馏后，在加压粗甲醇中甲醇浓度远大于水的浓度，精馏段热负塔塔顶和常压塔塔顶出料分别获得精甲醇，利用加荷远大于提馏段的热负荷，非常适合采用分割式压塔塔顶甲醇蒸气的冷凝潜热作为常压塔再沸热热泵精馏工艺。源，杂醇从常压塔侧线采出，废水从常压塔塔底分割式热泵精馏流程的主精馏塔(见图2)分排出-2。双效精馏工艺比早期的单效精馏工艺节能为上下两塔: . 上塔类似于常规热泵精馏，只是多了30%，技术也很成熟，但是随着甲醇装置规模日益-一个进料口;而下塔类似于常规精馏的提馏段，进扩大，例如甲醇制烯烃MTO、MTP等装置的配套料来自上塔的釜液，蒸汽出料则进入上塔塔底。可甲醇产量大都超过180万吨/年,即使采用三塔精馏通过控制分割点浓度(即下塔进料浓度)使上塔工艺，能耗的绝对值也是巨大的。国内学者在甲醇精馏的精馏效数、进料顺序、温差比较小，从而减小压缩机所需压缩比，降低进料位置、换热网络等方面做了大量研究，提出投资和运行费用，缩短追加投资的回收期。上塔了很多优化方案,达到了一定节能效果B-6),但是，安装热泵会取得较好的效果，热泵供热系数COP本文作者认为多效精馏仍存在一些不足之处: ①较大;同时，下塔的回流量也会大大减小，水蒸多效精馏通过设置若干操作压力不同的精馏塔，气消耗很少。梯级利用各塔塔顶的甲醇蒸气，但是，操作压力最低的精馏塔塔顶蒸气还是需要用大量循环水冷却，与此同时必须消耗大量水蒸气来加热操作压力最高的精馏塔塔釜液体，造成了冷、热公用工程的双重消耗;②多效精馏中各塔塔釜的操作温度随着操作压力的升高而升高，需要多种压力等级的新鲜水蒸气作为热源;③理论上增加精馏效数可以更加节能，但是这受全厂水蒸气等级限制，而且随着操作压力提高,物料的相对挥发度变小，所需回流比更大，增加精馏效数的节能效果变得图2甲醇热泵精馏工艺流程图不明显。1-预塔: 2 -主精馏塔上塔: 3- 主精馏塔下塔: 4←预塔冷凝器:2甲醇热泵精馏的原理及优点s-预塔再沸器: 6一甲醇气体压缩机: 7-上塔再沸器:热泵精馏工艺直接压缩精馏塔顶精甲醇气体,8-粗甲醇预热器: 9精甲醇水冷器: 10- -下塔再沸器●76.工进展2010年第29卷塔进行精馏，主精馏塔上塔塔顶精甲醇气体( 340 K、3热泵精馏技术经济分析110 kPa)经过甲醇气体压缩机增压升温，操作压缩本研究以45万吨/年甲醇精馏装置为例，通过比为1.8，压缩后的精甲醇气体(377K、198 kPa)对热泵精馏和三塔精馏的工艺流程进行模拟计算,作为主精馏塔上塔再沸器的热源，再沸器排出精甲对两种流程的计算结果进行了对比分析，预测了热醇(356K)先后经过粗甲醇预热器和精甲醇水冷器泵精馏的经济效益。冷却至313K,冷却后精甲醇分为两部分，一部分作3.1计算基准为精甲醇产品(55744 kg/h、313K),另一部分作为精甲醇产品要求:满足美国联邦工业甲醇标准主精馏塔.上塔回流液(139360 kgh、313 K)，回流“AA”级指标(主要杂质质量含量指标:乙醇≤10比为2.5,主精馏塔上塔塔釜排出甲醇液体(346K，mg/kg，水分≤0.1%);年操作时间8000h;粗甲醇甲醇质量分数80%)进入主精馏塔下塔顶部进行精处理量为59.21 th,粗甲醇组成见表1。馏，主精馏塔下塔塔顶气体(346K、117 kPa)进入主精馏塔.上塔底部，主精馏塔下塔侧线采出杂醇表1粗甲醇组成(855 kg/h、352 K、118 kPa),主精馏塔下塔塔釜组分质量分数/%排出废水(1952 kg/h、378 K、120 kPa)。甲醇9.003.5对比分析与讨论二甲醚等轻组分.00在采用相同的粗甲醇指标和总量以及精甲醇乙醇.09杂醇0.19产品指标和总量的情况下，分别对热泵精馏和三塔水精馏两种流程进行了模拟计算。甲醇热泵精馏工艺和三塔精馏工艺的公用工程消耗如表2所示。热泵.3.2热泵精馏工艺参数精馏使用的0.3 MPa蒸汽略多于三塔精馏，但是不预塔操作压力210kPa,塔顶温度355K,塔釜.需要使用1.0 MPa的蒸汽，总的来说热泵精馏使用温度359K,甲醇气化率0.8。为了保证预塔不凝气的蒸汽量比三塔精馏工艺减少63.6%;循环水消耗能够在余压下进入燃料气管网，参照相关工程项目,减少了56.8%。 另- -方面，热泵精馏通过以电能作模拟计算时预塔的操作压力均按210 kPa考虑。预为动力驱动压缩机，虽然消耗电力3900 kW.h,但塔塔顶拟采用两级冷却的方式，并且配有解析器，是压缩后的甲醇气体可以为主精馏塔上塔再沸器提从而有效去除轻组分杂质，文中在计算分析时进行了简化处理。甲醇气化率定义为预塔塔项气体冷凝表2热泵精馏与 三塔精馏的公用工程消耗对比对比项目三塔精馏热泵精馏.后的回流液质量与进塔粗甲醇质量之比。主精馏塔上塔操作压力110kPa,塔顶温度340预塔K，塔釜温度346 K.0.3 MPa蒸汽/t28.1525.65主精馏塔下塔操作压力120 kPa,塔顶温度346循环水/t1262常压塔(主精馏塔)能耗K，塔釜温度378 K。3.3三塔精馏工艺参数9.83预塔操作压力210kPa,塔顶温度355K,塔釜282880加压塔能耗温度359 K,甲醇气化率0.8。常压塔操作压力110kPa,塔顶温度340K,塔1.0 MPa蒸汽r69.45一循环水/t .91釜温度378K,回流比2.5.加压塔操作压力800 kPa,塔顶温度401K,塔压缩机能耗电力kWh3900釜温度404 K，回流比3.0.3.4热泵精馏工艺流程说明共计35.48粗甲醇(313 K、400 kPa)经过粗甲醇预热器1.0 MPa蒸汽h-预热至345 K,然后进入预塔进行初步精馏加工，.轻组分杂质经过预塔冷凝器两级冷却至313K后排循环冷却水/t47812066出，脱除轻组分的粗甲醇(359K)进入主精馏塔上电力/Wh.增刊叶鑫等:甲醇热泵精馏新工艺●77●供约56000 kW热量，热泵供热系数COP高达14表4两种流程综合能耗比较 (单位时间:小时)以上，即以消耗少量电力为代价，节约了大量水蒸能源项目三塔精馏热泵精馏气和循环水。0.3MPa蒸汽h28.1535.48从技术可行性方面来说，热泵精馏技术已经在折算值MJ777898031乙烯裂解装置的乙烯精馏塔、丙烯精馏塔、高低压1.0MPa蒸汽r69.45一脱丙烷塔等分离塔系中成熟应用，节能效果显著,220990经济效益可观，并且总结了丰富的设计、施工、开循环冷却水h47812066停车和生产运行经验[10。随着能源价格的不断上涨200328657以及我国节能减排工作的深入开展，热泵技术应用电力kWh3900领域也在不断拓展，例如应用于燃料乙醇热泵恒沸46176精馏等新工艺川。总能量折算值MJ318800152864目前来说，热泵的工程设计和生产操作并不困总节能率/%52.05难。为了稳定操作，工程上经常采取的措施有:在压缩气体管线上设置辅助冷却器,减小入塔热负荷;型甲醇精馏装置，应用甲醇热泵精馏新工艺，每年在塔釜设置补充再沸气体的支线，增加入塔热负荷;可以减少操作费用上亿元。根据工艺条件设置开工再沸器等。所以，甲醇精馏4结论能否采用热泵技术主要还是要看其经济效益。3.6经济效益分析甲醇热泵精馏新工艺的节能效果显著,经济效首先，对热泵精馏和三塔精馏的综合能耗进益可观，操作控制简单，具有广阔的工业应用前景。行分析，其中压缩机的效率以75%计(压缩机该工艺比三塔精馏工艺节能50%以上，对于45万设计参数与厂家提供参数基本吻合)，并且按照吨/年的甲醇精馏装置,每年可以节省操作费用数千SHT 3110- -2001 《石油化工设计能量消耗计算方万元，压缩机投资回收期不到- -年，尤其适合于甲法》对电力及耗能工质进行了能量折算，折算值见醇制烯烃MTO、MTTP等超大规模的甲醇精馏装置,表3，两种工艺流程的综合能耗比较见表4。预计每年可节省操作费用上亿元。如表4所示，热泵精馏的综合能耗比三塔精馏参考文献降低了52.05%。 虽然热泵精馏比三塔精馏多消耗0.3 MPa蒸汽7.33 th, 但是1.0 MPa蒸汽节约了1] 刘源贵.马希凯，兰文礼.三塔精馆技术在甲醇工业精馆中的应那].石油化工应用。2009. 28 (2) : 13-11469.45 th,即热泵精馏至少节约蒸汽62.12th;而且[2] 褚雅志,秦丽萍,王胜利,等甲醇精馏工艺及其塔器优化设计I]热泵精馏的循环水消耗比三塔精馏节省2715 th.化工进展，2008, 27 (10) : 169-1662.按每吨循环水运行成本0.2元，每吨1.0 MPa蒸汽3] 刘保柱，章渊昶.陈平.等.节能型甲醇精馕工艺研究凹]化工进价值100元，电力价格为0.55元/(kW:h),年操作时展，2007. 26(5) : 739-742间为8000 h进行计算，节省水蒸气和循环水的费用4] 丁干红，叶鑫李延生.甲醇合成及精馏单元的热集成几化工进展，2009， 28(增刊) : 341-345.扣除压缩机运行电费(3900 kW:h),每年可以节省S] 石海涛，张丽，王黎.甲醇合成中双效精馏节能研究小华北电力操作费用3688万元。与三塔精馏工艺相比,热泵精大学学报，20070 34 (2) : 98-101.馏装置追加的投资绝大部分用于配置离心式压缩机6] 崔国星，林明稳，林向阳甲醇变压逆流双效精馏系统工艺模拟与优化[小吉林化工学院学报，2009. 26 (2) : 6-11.(约2000万元)，而该压缩机的投资回收期仅为77] 陆恩锡，吴震.蒸馏过程热泵节能热泵基本原理小化学工程，个月。对于180万吨/年的大2008，36(8): 75-78.8] 朱平,冯霄.分割式热泵精馏流程的优化设计及运行调优[n化学表3电力及耗能工质能量折算值工程，2004, 32 (6): 10-14.能量折算值MJ9] 许维秀热泵技术在精馏中的应用[D节能环保技术，2005 (3) :36-38.电力/ kWh11.84[10]王振维， 杨春生. 热泵在乙烯裂解装置中的应用印.石袖化工，循环水儿4.192001. 30(8) : 645-650.1.0 MPa蒸汽/t3182[川] 刘宗寬，顾兆林.贺廷龄，等燃料乙醇热泵恒沸精馏新工艺的0.3 MPa蒸汽h2763研究(U].化工进展，2003. 22 (1I) : 147-1149..