乙醇精馏装置的节能降耗工艺优化

饶珍

乙醇精馏装置的节能降耗工艺优化

饶珍

广州工程技术职业学院, 广东 广州 510075

精馏传质传热过程复杂，能耗高，预热器、再沸器、冷凝器工艺过程操作控制是精馏过程节能降耗的关键。通过精馏中试实验装置，研究乙醇-水精馏体系在保障安全稳定生产的前提下，优化工艺过程操作，找出节能降耗的技术途径。原料泡点进料有利于系统操作平稳，原料消耗量低。精细化操作预热器、再沸器加热量，装置开工初期尽早建立全回流，前期再沸器加热量大，中后期慢慢减少，预热器刚好相反，使塔内气液相负荷达到平衡，电耗降低2.7%；精准调节塔顶冷凝器冷却水用量，前期冷却水流量可以大一点，中期最大，后期减小，控制塔顶冷凝器冷却水出口温度，水耗降低17%。放空阀操作控制生产平稳，控制塔压。在复杂的流程找准事故源，保障塔生产安全稳定，生产能力总体评价提高6.8%。

精馏; 节能降耗; 工艺优化

精馏是分离液体混合物最重要的工艺方法，广泛应用在化学工业、农业技术、农产品加工、食品加工、医药、冶炼矿业等，精馏分离效果直接影响企业的经济效益。近几年，能源短缺问题日趋严重，要通过技术创新、工艺优化手段，从生产加工源头达到节能降耗目的。精馏过程是一个复杂的传质传热过程，机理复杂，过程变量多，能耗高，约占加工生产的40%~70％[1,2]，预热器、再沸器、冷凝器工艺过程操作控制是精馏过程节能降耗的关键[3-4]。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验采用精馏中试装置，SUPCON DCS操作控制系统。乙醇原料浓度13±0.5%，原料量178±2 kg，再沸器一次进料90~110 mm，要求生产乙醇浓度91%，纯乙醇产量17 kg。整个实验过程90 min，80 min后停止生产，10 min收集产品进行检测。

常压下，纯乙醇的沸点为78 ℃，纯水的沸点为100 ℃。实验装置利用乙醇与水的沸点不同进行乙醇提取。乙醇-水混合液经原料预热器进行加热后，进入精馏塔，产生的蒸汽沿塔上升，液体沿塔下降至塔底。气液两相在每一层塔板密切接触进行传质传热，在塔顶可以得到高纯度的乙醇。冷凝槽上方设置了放空阀，可以适时排放尾气不凝性气体到气体回收装置。装置工艺原则流程如图1所示。要求连续精馏过程中，预热器在加热同时上方视镜不能没有液体。

图 1 精馏装置工艺流程图

1.2 主要设备

主要设备包括1塔2罐4器，精馏塔提供汽液接触进行传热传质的场所，提高乙醇浓度；原料罐贮存低浓度乙醇-水醇混合液；冷凝罐临时贮存塔顶蒸汽冷凝液，带有放空阀；再沸器为精馏过程提供上升蒸汽；残液换热器冷却塔釜产品；塔顶冷凝器将塔顶蒸汽冷凝为液体，提供塔顶液相产品和回流液；原料预热器将原料加热到指定的进料温度。

1.3 方法

精馏生产是复杂的工艺过程，是整体化的系统工程，影响因素很多，包括生产平稳状态、进料、塔顶温度、压力、塔底温度、压力、回流比等工艺参数。在允许的安全范围内进行6组比对实验，研究装置在生产过程中预热器、再沸器、冷却水、放空阀操作与获得乙醇高产量，高浓度、低水耗、低电耗、低原料消耗的关系、优化途径及最佳工艺操作方案。同时在实验复杂的流程中找准事故源，排查并及时处理[5-6]。

一个工艺参数的变化会引起其它多个指标的连锁变化，为了直观反映实验效果，把评价指标进行量化，以百分制评分情况进行生产情况评价，满分850分，采用SUPCON评价系统。考核评价中系统安全稳定生产占23%，产品数量质量占47%，水电原料消耗占30%，要求在安全、稳定生产下，以最少的消耗，获得最好的产品及产品质量，达到经济效益最大化。

2 结果与分析

2.1 实验1预热器操作对生产的影响

预热器温度80 ℃时开始二次进料，30 min后关闭放空阀操作，再沸器进料液位100 mm。全回流预热器、再沸器功率100%。预热器现场温度80 ℃时减小功率，调整为50%，连续精馏后功率逐渐递增1%。塔顶温度变化时再沸器功率调整到70%。工艺优化途径：预热器前期功率不能太大，否则会导致液体沸腾情况不稳定；后期加热速率不能太大，否则会导致视镜无液体。提前4 min停车，乙醇产量少；同时为降低水耗，再沸器功率持续减小到67%，导致上升蒸汽量小，乙醇产量少。

2.2 实验2放空阀操作对生产的影响

针对实验1情况进行了改进：预热器前期功率控制低于40%；再沸器功率控制不低于75%；塔压上升，不减再沸器，加大冷却水量。放空阀操作提前到28 min后关闭，再沸器进料液位降低到98 mm。工艺优化途径：放空阀不能关闭太早，否则水耗大。塔顶压力上升，影响产量，浓度也有所下降。二次进料温度控制在泡点范围最理想。再沸器进料液位降低对提高产量有利。

2.3 实验3再沸器操作对生产的影响

30 min后关闭放空阀操作。停车前12 min预热器功率加大为100%。塔顶冷却水加大为700 L/H。工艺优化途径：关闭放空阀后，再沸器功率没有及时降低，导致塔顶压力上升，扣分。预热器沸腾加大，再沸器采出量小了，导致再沸器液位瞬间增加6 mm。

2.4 实验4进料液位对生产的影响

塔顶温度变化时再沸器功率降低到80%。延长预热器沸腾时间为30 min，预热器液位减少44 mm，多生产乙醇1.77 kg。工艺优化途径:再沸器进料液位降低，提高装置生产能力。

2.5 实验5整体优化操作

实验5过程理想，装置生产平稳，产量高，浓度高，水耗、电耗小。实验1~5整体优化操作实验结果如下。

表1 实验1~5评价结果

2.6 冷却水调节优化实验

冷却水消耗量主要用于冷却塔顶乙醇蒸汽，前期乙醇蒸汽的浓度很高，同时急需大量冷凝液回流控制塔温，冷却水流量可以大一点，中期上升的蒸汽量最大冷却水最大，后期减小，动态调整冷却水用量，降低水耗。

3 讨论

3.1 生产中加热量来源还包括换热器、加热炉、蒸汽[7]

精馏塔进料温度需要控制在原料泡点范围，本实验采用的是预热器，生产中还采用换热器，加热炉。塔底加热器还可以直接用蒸汽加热。石油化工龙头装置常减压蒸馏装置，采用常压加热炉加热进料，塔底采用直接蒸汽加热，如图2中国石化广州分公司蒸馏装置常压系统进料流程，常压精馏塔T2101采用常压加热炉F2101控制。

精馏塔T2101生产目的是提纯汽油、柴油馏分，F2101出口温度控360~370 ℃，需要严格控制炉升温速度，要求内操人员监控好各塔塔压，严防超压情况出现。加热炉点火后，初底油升温快，启用相应水冷器和空冷器，外操人员加强检查，视冷后温度情况适当调整冷却水用量，冷却水出口温度要控在<85 ℃，尽量将温度控低。在开工初期，内操要精心操作，保证塔进料平稳、热量、汽液相平衡，控制最小的冷凝负荷和预热器、再沸器热负荷，节能降耗。

3.2 通过不凝气排放控制塔顶压力

放空阀操作有利于控制塔压，有利于提高再沸器生产能力，有利于降低水耗，有利于消除事故源引起装置不正常的事故状态。中国石化广州分公司装置初馏塔T2101顶压力的高低影响到塔上部气相负荷的大小，要求≯0.48MPa，初顶瓦斯的后路如果憋压会使塔顶压力迅速上升，会引发生产事故，采用由初顶回流罐不凝气排放量PIC2201放空阀控制方式，如图3初馏塔顶压力控制流程图。

图 2 蒸馏装置常压系统进料流程图

图 3 塔顶压力控制流程图

4 结论

水耗从0.6210 m3/kg降低到0.5137 m3/kg，降低17%，电耗从33.1 kWh/kg降低到32.2 kWh/kg，降低2.7%，生产能力总体评价分值从790分提高到844分，提高6.8%，实现以最少的消耗，获得最好的产品及产品质量，达到经济效益最大化。

（1）精细化操作加热量，节能降耗

预热器加热到泡点泡点进料有利于系统操作平稳，装置开工初期温度上升速率快尽早建立全回流。前期上升蒸汽来源于再沸器加热量，中后期来源于预热器。前期再沸器加热量大，中后期慢慢减少，预热器刚好相反，使塔内气液相负荷达到平衡，降低电耗。

（3）监控冷却水出口温度，降低水耗

塔顶冷凝器冷却水出口温度要控制在55 ℃以下才能把塔顶蒸汽冷凝下来，否则部分没冷凝的蒸汽倒流，使得精馏塔内传质传热效果变差。

（4）放空阀操作控制生产平稳，控制塔压

放空阀关闭太早，不凝气不能排出，冷却效果差，水耗大。塔顶压力上升，冷却水已经调整800 L/h，只能减再沸器功率，影响产量，浓度也有所下降。

（5）在复杂的流程中排除事故源

再沸器加热量过大会导致塔工艺参数波动，引起装置不正常的事故状态，找准事故源，从加热量过大的根源上解决彻底排除事故，保障塔生产安全稳定。

[1] 王荣增.我国炼油化工技术现状与发展分析[J].化工管理,2015,27(1):29

[2] 杨富翔,盖恒军.节能技术在精馏系统中的应用[J].广东化工,2012,39(15):7-8,2

[3] 陈常贵,柴诚敬,姚玉英.化工原理[M].天津:天津大学出版社,2003:1-44

[4] 岳金彩,闫飞,邹亮,等.精馏过程节能技术[J].节能技术,2008,26(1):64-67

[5] 杨瑞影,罗亚敏.精馏技术在节能减排中的应用[J].现代化工,2009,29(8):90-91

[6] 李晓春,袁跃华.化工生产中降低精馏技术能耗的几点思考[J].当代化工研究,2017(12):1-2

[7] 王兵,胡佳,高会杰.常减压蒸馏装置操作指南[M].北京:中国石化出版社,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年全国职业院校技能大赛化工生产技术赛项一等奖项目(GZ-2018067)

饶珍(1968-),女,硕士,副教授,主要从事化学工程教学、科研工作. E-mail:r6r6_40656@126.com