甲醇精馏单效与双效工艺的能耗分析与对比

乔 洁 刘 伟

(九江心连心化肥有限公司，江西 九江 332700)

1 前言

化工生产过程中精馏一直都是十分重要的一个生产单元，但是与此同时这一单元也有着较高的能耗。多效精馏就是指将一个具体的复杂精馏过程进行多个单独的串联精馏过程的内容，能够重复利用能量。

2 相关概述

精馏是石油化工行业重要的分离操作单元，同时又是一个非常耗能的单元操作过程，为了降低其能耗，可以采用多种措施。多效精馏就是其中行之有效的措施之一。多效精馏是将精馏塔分成压力不同的多塔，压力较高塔的塔顶蒸汽向压力较低塔的再沸器供热，同时塔顶蒸汽被冷凝。因此在多效精馏中只是第一个塔的塔釜需要加入热量，最后一个塔的塔顶蒸汽需要冷却介质进行冷凝，而其余各塔则不需要由外界进行供热和冷却，所以与单塔相比，多效精馏具有非常明显的节能效果。近年来随着能源紧张和人们环保意识的增强，多效精馏在化工行业逐渐受重视。工业上广泛使用的是双效精馏，实际节能率大约在40%左右。本文以15万吨/年甲醇精馏装置为实例，采用AspenPlus对精馏塔进行模拟计算和优化，并设计了并流型和顺流型两种甲醇-水双效精馏流程，在相同的设计基准及要求下，对比单塔精馏与双效精馏方案的经济成本，找出不同精馏方案之间的差别，对实际生产和工程设计具有一定的指导作用。

3 模拟方法

3.1 模拟类型

模拟条件：用AspenPlus软件模拟；用NRTL-RK模型计算气液平衡；按理论板数计算。设计任务：①料液处理能力为15125kg/hr，进料组成为甲醇40.1%(质量分率，以下同)、水59.9%；②进料温度为163℃，压力为1.05MPag；③每块理论板压降为0.2kPa；④最终产品甲醇含量≥99.8%，塔釜液甲醇摩尔分数不高于0.1%。⑤循环水上水温度30℃，回水温度40℃，热源为1.0MPag低压饱和蒸汽。选择两塔的操作压力，应该使既作为冷凝器又作为再沸器的换热器具有足够的温差推动力。若△T太大，节能效率降低；若△T太小，所需换热器的面积将很大。不同组成不同压力下甲醇-水体系泡点温度中看出高压塔操作压力选择700kPa，低压塔选择常压操作，可以利用高压塔塔顶123.4℃的塔顶蒸汽给低压塔塔底99.7℃的物料汽化提供热量。对于单塔流程，先用AspenPlus提供的DSTWU简捷模型进行初步计算，DSTWU是通过确定轻重关键组分在塔顶的回收率及回流比等重要参数，对最小回流比、最小塔板数、理论塔板数、进料位置等操作条件进行初步设计计算。再将DSTWU模块计算的结果作为RadFrac模块的输入初值进行精确核算，并调整回流比等参数以满足分离要求，最后对进料位置等参数进行优化。对于双效精馏流程，按照以上方法先对每个单塔进行计算，待单塔计算收敛后再将两塔合算并进行热耦合。使用DSTWU简捷模型，规定塔顶甲醇的回收率为0.999，水的回收率为0.001，操作压力为塔顶121kPa。计算结果为理论板数30，进料位置24，回流比1.8，D/F为0.2724。将以上参数输入RadFrac模块，结果塔顶甲醇含量99.8%，满足分离要求；用灵敏度分析功能对进料位置进行优化，当进料位置为第24块板时再沸器热负荷QR为最小，且冷凝器热负荷Qc的绝对值为最小，故第24块板为最佳进料位置。

3.2 并流双效精馏流程

并流双效精馏中，B1和B2的塔顶和塔釜产品甲醇含量都要满足设计要求。并且要合理设定两塔之间的进料分配，以实现高压塔和低压塔之间换热量的匹配。先假定两塔进料量基本相同，即进料分配比约为1，进行计算。B1进料量为7644.11kg/hr，塔压700kPa，B2进料量为7480.88kg/hr，塔压100kPa。两塔单独计算完成后，将两塔合并计算，B1塔的冷凝器负荷Qc1为-2711.37kW，B2塔的再沸器负荷QR2为1675.36kW，两换热器的换热量不匹配，因此假设的进料分配比不合适。用流程选型中的DesignSpec规定DQ=QC1+QR2，变量为进料分流器中F1/FEED的比值，DQ目标值为0，计算结果分流比为0.3866。即B1塔进料5849.43kg/hr，B2塔进料9279.95kg/hr时，两塔间的换热负荷匹配。

3.3 顺流双效精馏流程

顺流双效精馏中，B1塔的塔釜出料作为B2塔的进料，要求B1和B2的塔顶产品以及B2的塔釜出料都要满足要求。并且要合理设定两塔塔顶的采出量及B1塔的回流比，以实现高压塔塔顶采出蒸汽冷凝潜热和低压塔塔釜再沸器供热量的匹配。先假定B1塔顶物流D1/F(mol)初值为0.16325，进行计算。B1进料量为15129.378kg/hr，塔压700kPa，B2塔压设定为100kPa，使B2塔塔顶和塔釜出料都满足要求。同样用流程选型中的DesignSpec规定DQ=QC1+QR2，变量为B1塔塔顶出料量与进料的比值即D1：FEED，DQ目标值为0，计算结果D1：FEED为0.1508时两塔间的换热负荷匹配。

4 结果

各精馏塔选用浮阀塔板，全塔效率0.65，塔板间距为450mm。根据塔内最大气相负荷及气液相性质，选用Smith法进行塔径的计算，并圆整求得塔径。塔顶空间高度取经验值1m，进料空间高度取经验值1.2m，按照塔釜空间物料停留时间15min估算塔釜空间高度，计算出的塔体尺寸见。塔顶及塔釜封头采用标准椭圆形封头，估算各操作条件下塔体的壁厚和塔的总外表面积，得出塔体所用钢材的总体积及重量，作为成本估算的依据。相对于单塔流程，并流双效流程的Qc和QR分别下降了42.21%和49.63%，顺流双效流程的Qc和QR分别下降了32.55%和42.83%。用HTRI换热器计算软件设计各方案的冷凝器和再沸器，得到各换热器的重量并估算其成本，并流方案的换热器总成本增加5.44万元(约19%)，顺流方案的换热器总成本增加4.05万元(约14%)。综合设备投资及运行成本，可以看出两种双效精馏方案的设备投资增加幅度很小，且都有很高的节能效率。其中并流方案的节能效果更为显著，每年可节约运行成本252.714万元，对于本项目中给定的进料是最佳的甲醇-水体系分离方案。

5 结束语

甲醇在进行精馏的过程中应用不同的精馏方案会有着不同的效果，其中单塔的精馏过程是能量利用率最低的，而并馏双效和顺馏双效的过程相对来说有着更高的能力利用率，与此同时双效生产过程也没有较高的投资，有着重要的应用意义。