粗甲醇精馏脱水热集成过程模拟与能耗分析

王　君，严　丽，冯培良，李多松

(安徽理工大学化学工程学院，安徽　淮南　232001)



粗甲醇精馏脱水热集成过程模拟与能耗分析

王君，严丽，冯培良，李多松

(安徽理工大学化学工程学院，安徽淮南232001)

摘要：粗甲醇精馏脱水是一个能耗很高的过程，研究该过程的热集成对于节能降耗具有重要意义。对进料分割热集成(FS)、轻组分分割正向热集成(LSF)和轻组分分割反向热集成(LSR)三种流程进行了设计和严格模拟，计算结果表明：与单塔分离相比，FS热集成流程节能效果最明显，热公用工程节约55.3%，LSR次之，节约45.7%，LSF最差，节约28.1%；三种热集成流程的冷公用工程也有不同程度的节约，FS节约27.4%，LSR节约11.0%，LSF节约36.4%；还对各种流程精馏塔的总效率和塔径进行了估算。

关键词：甲醇；精馏；热集成；模拟；能耗

资助项目：安徽省教育厅基金重点资助项目(kj2012A084)

随着能源价格的不断提升，化工企业的节能降耗成为紧迫必行的任务。各种节能技术运应而生[1-3]，精馏塔是最常用的以能量为代价的分离设备，其能耗在化工过程中所占的比例通常很大，因此，精馏塔热集成对于化工过程节能降耗具有重要意义[4-6]。二氧化碳直接加氢制备的粗甲醇为接近等摩尔组成的甲醇和水二元混合物，为了得到无水甲醇，通常采用精馏过程脱水。本文对粗甲醇脱水的三种精馏热集成流程进行了分析与模拟，并将模拟结果与单塔精馏的模拟结果比较，考察各种集成流程的节能效果。

1粗甲醇单塔分离过程模拟

以2 700 kmol/h的粗甲醇(等摩尔组成的甲醇和水)进料为计算基准，分离要求为塔顶甲醇和塔底水的摩尔浓度分别达到96%以上。首先采用简捷设计法(ASPEN PLUS流程模拟软件中DSTWU模块，物性方程采用UNFAC)计算达到分离要求所需要的理论板数和其它操作条件，再采用严格模拟得到单塔分离所需要的能耗和塔径，计算结果作为与热集成方案的比较基准。单塔分离在常压下进行，进料为常温常压。设计的进料条件、操作参数和设计结果如表1所示。

2三种热集成方案模拟

首先合成热集成流程，再根据分离要求采用简捷设计法对热集成流程的高、低压塔分别进行设计计算(设计的进料条件、操作参数和设计结果如表1所示)，得到理论板数和其它操作条件，在此基础上调整操作参数实现热集成。

2.1　三种热集成方案流程

精馏塔热集成的基本思想是采用高压塔塔顶需要冷却的高温气相物流作为低压塔再沸器的加热物流，这样既节约了低压塔的热公用工程，又节约了高压塔的冷公用工程。三种热集成方案流程如图1-3所示。图1进料分割热集成把总进料F分割成两股分别进入高压塔(3 900 mmHg)和低压塔(760 mmHg)；图2轻组分分割正向热集成总进料F先进入高压塔蒸馏出一部分甲醇，塔底出料作为低压塔进料，在低压塔中完成分离过程；图3轻组分分割反向热集成总进料F先进入低压塔蒸馏出一部分甲醇，塔底出料作为高压塔进料，在高压塔中完成分离过程。

3.2　简捷法设计

简捷法设计条件：给定分离要求为塔顶甲醇和塔底水的摩尔浓度分别达到96%以上，设计结果如表1所示。在简捷法设计中，FS高低压塔进料流量均为单塔进料流量的一半，而LSF-L和LSR-H设计采用的进料和组成(1 997 kmol·h-1和0.338)分别为LSF-H 和LSR-L设计完成后塔底进料的参数。设计结果为后面热集成和严格模拟提供必要参数。

表1　粗甲醇脱水简捷法设计参数

注：BB为四流比；Fstage为进料位置；D/F为塔顶产品与进料流量比。

2.3　热集成的实现与能耗分析

保持简捷法设计的理论板数和进料位置不变，通过适当调整进料流量、回流比、塔顶出料与进料比等参数，使高压塔塔顶物流冷凝所需要热量与低压塔塔底物料再沸所需的冷量相等，同时使各塔最终产品纯度满足设计要求。精馏塔总效率计算采用O’Connell关联式：Eo=50.3(αμ)-0.226，相对挥发度α采用塔顶、塔底和进料板条件下的几何平均值，μ为进料粘度；塔板内径计算中采用Fair关联式计算液泛速率，接近液泛分率取0.8。调整后的热集成流程模拟结果如表2所示。其中ΔT为热集成后高压塔顶出料温度与低压塔底出料温度之差，xD、xB均为塔和塔底顶甲醇摩尔分数，μ为进料动力学粘度，冷凝器热负荷取负值表示需要移走热量。

由于热公用工程(蒸汽)价格远大于冷公用工程(冷却水)价格，所以公用工程费用主要由前者决定。表2中给出了热集成后所需要的冷热公用工程以及热集成热量匹配。为了更直观表示出热集成的公用工程需求以及节能效率，利用表2中的最后两栏作出了图4-5，从中可以清楚地看出节能效果。与SC相比，FS节能效果最好，热公用工程节约55.3%，LSR次之，节约45.7%，LSF最差，节约28.1%；三种热集成流程的冷公用工程也有不同程度的节约，FS节约27.4%，LSR节约11.0%，LSF节约36.4%。

热集成流程虽然节能效果可观，但需要增加分离塔的数目，但每个热集成分离塔的塔板直径较单塔小，就经济性而言，单塔分离与各热集成流程分离的优劣尚不能确定，需要对项目成本和利润作详细估算才能确定，在能源价格昂贵时热集成流程的经济性会明显提升；另外需要注意：热集成增加了过程控制的难度。Chiang等[7]研究表明，FS流程虽然节能效果好，但其可控性最差。

表2　单塔和热集成流程严格模拟结果

注：Na为实际塔板数；QC为冷公用工程量；QR为热公用工程用量。

4结论

对粗甲醇单塔分离和三种热集成流程进行设计和严格模拟的基础上进行了能耗分析，得出如下结论：与单塔分离(SC)相比，就热公用工程而言，进料分割热集成流程(FS)节能效果最好，节约55.3%，轻组分分割反向热集成流程(LSR)次之，节约45.7%，轻组分分割正向热集成流程(LSF)最差，节约28.1%；三种热集成流程的冷公用工程也

有不同程度的节约，FS节约27.4%，LSR节约11.0%，LSF节约36.4%；由于热公用工程(蒸汽)价格远大于冷公用工程(冷却水)价格，所以综合考虑FS流程节能效果最好。

参考文献：

[1]TANTIMURATHA， L，ASTERIS， G，ANTONOPOULOS D K，et al.A conceptual programming approach for the design of flexible HENs[J]. Computers and Chemical Engineering，2001，25(4)：887-892.

[2]LINNHOFF B， HINDMARSH E. Pinch design method for heat exchanger network[J].Chem. Eng. Sci.，1983，38：745-752.

[3]CIRIC A R，FLOUDAS C A. Heat exchanger network synthesis without decomposition[J]. Computers and Chemical Engineering，1991，14： 751-756.

[4]都健.化工过程分析与综合. [M].大连：大连理工大学出版社，2009：124-125.

[5]WARREN D SEIDER，J D SEADER，DANIEL R LEWIN.Process Design Principles(Synthesis，Analysis，and Evaluation)[M].America John Wiley&Sons，Inc. 1999：32-34.

[6]姚平经.过程系统分析与综合[M].大连：大连理工大学出版社，2004：203-204.

[7]CHIANG T ，W L LUYBEN.Comparison of the Dynamic Performances of Three Heat-integrated Distillation Configurations[J].Ind.Eng. Res.，1988(27)：99-104.

(责任编辑：李丽，范君)

Simulation and Energy Analysis for Heat Integrated Crude Methanol Distillation Dehydration Process

WANG Jun, YAN Li, FENG Pei-liang, LI Duo-song

(School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

Abstract:The dehydration of crude methanol distillation is a process with high energy consumption and the study of the heat integration for the process is of great importance in terms of saving energy and reducing consumption. Design and rigorous simulation of the three heat integrated flowsheets, i.e., feed split(FS) heat integration, light split forward(LSR) heat integration and light split reverse(LSR) heat integration, were conducted. Compared with single column separation, the FS heat integration flowsheet performed the most prominent energy saving effect, saving 55.3% of heating utility and the LSR heat integration flowsheet performed the second best saving 45.7% of heating utility, whereas the LSF heat integration flowsheet performed he worst, saving 28.1% of heatng utility. Various amounts of cooling utility were saved in the three heat integrated flowsheets and 27.4%,11.0% and 36.4% of cooling utility were saved for FS, LSR and LSF respectively. In addition, the overall efficencies and diameters for all the columns were estimated.

Key words:methanol; distillation; heat-integration; simulation; energy consumption

作者简介：王 君(1971-)，男，安徽金寨人，教授，博士，研究方向：化工模拟。

收稿日期：2015-01-15

中图分类号：TQ021

文献标志码：A

文章编号：1672-1098(2015)04-0019-04