甲醇合成中双效精馏节能研究

第34卷第2期华北电力大学学报Vol 34, No. 22007年3月Journal of north China Electric Power UniversityMar.,2007甲醇合成中双效精馏节能研究石海涛1,张丽2,王黎2(1.中国石化扬子石油化工股份有限公司,江苏南京210048;2.西安交通大学化学工程系,陕西西安710049)摘要:针对目前国内精馏能耗偏大的情况,以稳态数学模型为基础,对生产能力为8万t/年的甲醇生产过程中的双效精馏的3种流程(并流型、逆流型、平流型)进行了计算。分别得到3种流程所需最小蒸汽量与蒸汽品质和冷水量。通过对不同流程所需的加热蒸汽的费用比较,提出了精馏设计的最佳节能优化方案。结果表明:在相同生产能力下,逆流型流程实现了较好的节能效果,比单塔流程节约蒸汽加热費用约30.3%比目前国内最常用的双效并流流程节约蒸汽加热费用约16.6%。关键词:甲醇;双效精馏;节能中图分类号:TQ015文献标识码:A文章编号: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引言节能情况。多效精馏是通过扩展工艺流程来实现的,用多塔代替单塔并将各塔按压力高低的顺序精馏过程是化学工业中耗能较大的单元过组合,依次用压力高的塔的塔顶汽相产品冷凝释程。在整个化学工业中分离过程的能耗占总能耗放的潜热作为相邻低压塔塔釜再沸器热源。按照的40%,而其中9%是精馏过程消耗的。双效进料方向与操作压力梯度双效精馏可分为3大精馏是一种有效的节能,尤其是对电力供应紧张类:并流型、平流型和逆流型2-4,见图1-3。的地区,因热泵精馏节能技术受到诸多限制,使得双效精馏技术更具有实用性。2双效精馏数学模型甲醇是现代工业中重要的化工原料,也是清洁能源的一种,应用十分广泛。但同时在甲醇生二元连续精馏过程中的总物料衡算为产过程中能耗较大,浪费现象严重,这使得节能F=D+ w(1)的意义尤为突出。目前,我国国内甲醇生产中的易挥发组分的物料衡算5为精馏流程虽然采用并流型双效精馏,但其节能效FxF= Dxp+ wrw2)果还不显著。本文就甲醇生产过程中精馏流程的节能问题进行探讨。H中国煤化工CNMHG·△H+W·Hw1多效精馏简介(3)早在1975年文献[1就开始研究多效精馏的式中:Q为外加热量,即精馏塔热负荷;HF为进料焓值;H为塔顶产品焓值;Hw为塔底产收精月期数093品焓值;△H为塔顶产品的气化潜热。第2期石海涛等:甲醇合成中双效精馏节能研究高压塔温差不小于最小传热温差。基于假设分别进行物料衡算、两个精馏塔的热量衡算,得到3种流型的数学模型。2.1并流型数学模型系统总物料衡算为F=D1+D2+W2高压塔的物料衡算为F=D+WI系统总热量衡算为FHF+Q=D, HD+D2 [H+(R2+1)△H2](6图1并流流程低压塔的热量衡算为Fig. 1 Flow chart of distillation of forward feedW1Hw+0.95D1[(R1+1)·△H1]=低压塔高压塔D2[Hm+(R2+1)△H2]+W2·Hw(7)2.2逆流型数学模型系统总物料衡算为F=D1+D2+W2低压塔的物料衡算为系统总热量衡算为FHF+Q=D,[Ho+(R1+1)4H1]+(10)低压塔的热量衡算为FH+0.95D2[(R2+1)·△H2]=图2逆流流程D1[HD+(R1+1)△H1]+W1Hwn(11Fig 2 Flow chart of distillation of back feed process2.3平流型数学模型系统中塔i的物料衡算为低压塔高压塔F:=D+ wFxF= Drp t Wxw低压塔的热量衡算为F1·FF1+0.95D2(R2+1)△H2=D1[Ht+(R1+1)△H1]+W1Hw高压塔的热量衡算为F2·H+Q=D2[Hm+(R2+1)△H2]W2·H结合其他约束条件,如泡露点、最小回流比、理论塔板数等,即可对上述模型进行求解计图3平流流程算Fig 3 Flow chart of distillation of dual feed process根据上述原理对双效精馏流程进行模拟计3TH中国煤化工CNMHG算,现进行几点假设:(1)换热中的热损失为5%(2)低压塔塔底再沸器所需热量全部由高压塔塔某厂生产能力8万t/年的甲醇生产装置以合顶产品冷凝的热量提供;(3)换热器中冷热物流的成气为原料气采用 Lurgi低压法双塔合成甲醇。运用上述数学模型对其生产过程中的精馏流程进华北电力大学学报200年行了计算5,分别模拟了单塔流程、双效并流流表3甲醇双效逆流流程计算结果程、双效逆流流程和双效平流流程,计算结果见Tab.3 Calculation results of methanol double-effect distilla-表1~4tion with back feed process表1甲醇单塔流程计算结果项目进料塔顶产品塔底产品Tab 1 Calculation results of methanol single tower温度836685进料塔顶产品塔底产品压力/kPa温度CHIOH/kmolh354.53168.5818595压力/kPaH2O/mol.h81.9081.60CHOH/mh1354.5334965物流总量/molh1436.43168.88267.55H,"81.900.6281.28物流总量/kmoh-143643350.27热负荷kJh回流比蒸汽流量/gh1热负荷/kh135949122.2冷水量/m3h144.2从表1中可看出,在换热最小温差为10℃,八蒸汽流量/kgh116951.5冷却水温度差A冷水量/m3h152.25高压塔冷却水温度差C℃进料塔顶产品塔底产品压力kP塔顶产品中甲醇含量(摩尔浓度)≥998%时CH,OH/kmolh-1 185.95l81.074.88操作压力为120kPa的精馏塔对加热蒸汽消耗量HO/kmolh81.601.28物流总量/kmoh1267.55181.39较大,约为169515kgh,所需冷却水用量为回流比52.25m3h热负荷/kJh121798030.1110278.7表2甲醇双效并流流程计算结果蒸汽流量/kgh1冷水量/m3hTab 2 Calculation results of methanol double-effect distilla冷却水温度差/℃tion with forward feed process甲醇双效逆流流程同样也采用高压塔与低压项目进料塔顶产品塔底产品塔串连,与双效并流流程不同的是该流程由低压塔温度饣进料。表3数据表明,双效逆流所需的加热蒸汽量压力/kPa为102787kg/h,较单塔流程节约了394%。冷OH/kmh1354.53170.34水消耗量为44.2m3/h,与单塔流程相比节约80581.900.81.57物流总量/kmoh143643184.52251.91m,/h回流比表4甲醇双效平流流程计算结果热负荷/kJh126134908.86蒸汽流量/kgh1Tab 4 Calculation results of methanol double-effect distilla-tion with dual feed process冷却水温度差C项日料若a项目塔底产品进料塔顶产品塔底产品温度欠85温度AC压力/kP压力/kPaCH3OH/kmolh-1 191.27物流总量amh1CH,OH/mol.h-1170H2O/kmolh"物流总量/kmh1235.56165.75回流比负荷/kJh热负荷/kh"1蒸汽流量kgh冷水量/m3h42.4冷水量/m3h52.84冷却水温度差A冷却水温度差A项目进料塔底产品温度双效并流流程采用一个高压塔与一个低压塔压力中国煤化工CHO串连,由高压塔进料。表2中的数据显示,该流HO2.26CNMHG37,44程对甲醇进行精馏时所需加热蒸汽量为12323.720U, 8/161.1739.70回流比kgh,较单塔流程减少了27.3%,节能效果显热负荷J·h-!l1973190.89著。冷水消耗量为52.84m3/h,与单塔流程的冷秀汽流量ksh水消括鼓相当却水温度差℃第2期石海涛等:甲醇合成中双效精馏节能研究101双效平流流程也由高压塔与低压塔构成,且相比节约费用449.5万元/a,占单塔流程蒸汽费双塔同时进料。由表4可以得到,双效平流流程用的303%;与双效并流流程的蒸汽费用相比所需的加热蒸汽量为9604.4kg/h,较单塔流程节约206.0万元/a,占双效并流流程蒸汽费用的节约蒸汽45.0%。冷水消耗量为424m3/h,比16.6%。平流流程与并流流程的蒸汽费用分别为单塔流程节约冷水量985m3h10596万元/a与1241.5万元/a,与单塔流程根据以上计算结果将3种双效流程与单塔流的蒸汽费用相较分别节约286%与16.4%。程相比较见表5。表5单塔流程及3种双效流程消耗蒸汽量、结论冷水量的比较Tab. 5 Comparison of steam and oold water consumption of通过对生产能力为8万t/a甲醇精馏塔的数single tower with double-effect distillations of three processes值模拟计算可得到以下结论双效并流高压塔低压塔(1)双效精馏是一种理想的节能措施,其中操作压力/kPa并流流程较单塔流程节约蒸汽量27.3%,逆流蒸汽流量/kgh116951512323.7流程节约394%,平流流程节约45%;蒸汽压力MPa045(2)3种双效精馏中平流节能效果最佳,逆冷水量/m3h152.3双效逆流双效平流流次之,并流第三高压塔低压塔高压塔低压塔(3)从经济角度看,逆流流程节能效果最700佳,蒸汽费用为1035.5万元/a,比单塔流程节10278.7约蒸汽加热费用约30.3%,比双效并流流程节44.242,4约蒸汽加热费用约16.6%。由表5可看出,(1)不同流型的双效精馏流(4)冷水消耗量来看,双效流程与单塔流程程中高压塔操作压力不同,其中并流流程与平流相比节能效果不显著流程高压塔的操作压力均为700kPa,而逆流流本文从稳态的角度对甲醇双效精馏节能方案程的高压塔操作压力较低,仅为380kPa;(2)3进行优化设计,得出逆流流程为最佳方案的结种流程所需的加热蒸汽量有所不同,其中平流流论。在考虑多效精馏优化设计节能方案时,若从程用量最少,逆流次之,并流第三;(3)3种双系统的稳态和动态过程两方面出发,进行更加全效精馏流程所用加热蒸汽压力不同,其中并流与面地分析、评估,将能选择出更优的流程方逆流流程的蒸汽压力为125MPa,而平流流程案6。所需蒸汽压力为2.32MPa参考文献不同精馏流程所需蒸汽有品位及价格上的差别,单塔流程及3种双效精馏流程所需蒸汽费用1] Tyrese L, Luyben W L. Hydrocarbon Process1975,54(7):93-95见图4。[2]王蒇,高维平.多效精馏流程的优化设计计算[J]1485十算机与应用化学1400[3]武昊宇,项曙光,韩方煜.多效精流优化设计的研1035.51059.6究进展[J].计算机与应用化学,205,22(7):491-494[4]冯霄,李勤凌.化工节能原理与技术[M].北京化学工业出版社,1998.95-99[5]何潮洪,冯霄.化工原理[M].北京:科学出版单塔系统双效并流双效逆流双效平流■蒸汽费用(万元年)[6]中国煤化工 for thermally coupled图4单塔流程及双效精馏流程的加热蒸汽费用比较CN MH Gal,200,46(11):Fig 4 Comparison of the steam aost of single tower withdouble-effect distillations of three processes图4显示,双效逆流流程蒸汽费用支出最作者简介:张丽(1982-),女,西安交通大学化学工程系少,为1035.5万元/,与单塔流程的蒸汽费用硕士研究生。