低碳混合醇分離序列的合成與熱集成工藝

楊德明，譚建凱，王 穎，高曉新

(常州大學(xué) 石油化工學(xué)院，江蘇 常州213164)

低碳混合醇是指C1 ～C6 醇類混合物，其應(yīng)用十分廣泛［1］，煤化工的發(fā)展正加速推進(jìn)煤制低碳混合醇技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。由于混合物中組分較多，組分沸點(diǎn)差較大，因此如何選用最為經(jīng)濟(jì)、最為有效的分離方法已成為研究的重要課題［2－3］。本文應(yīng)用ASPEN PLUS 軟件模擬計(jì)算低碳混合醇的分離過程，在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用探試法、有序搜索法及調(diào)優(yōu)法，以年運(yùn)行總成本費(fèi)用最低為目標(biāo)，研究低碳混合醇的最優(yōu)分離序列。篩選一條分離低碳混合醇的最佳工藝路線。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與計(jì)算模型

1．1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

低碳混合醇處理量為100 kmol/h，其料液組成及分離要求見表1。

表1 低碳混合醇組成及分離要求

1．2 熱力學(xué)計(jì)算模型

熱力學(xué)狀態(tài)方程的選用，對(duì)精餾模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性影響很大。低碳醇屬于極性體系，具有二元交互作用參數(shù)，故選擇NRTL －RK 計(jì)算模型，即采用NRTL 方程計(jì)算液相活度系數(shù)，采用RK 方程計(jì)算氣相逸度系數(shù)。

1．3 年總費(fèi)用計(jì)算模型

最優(yōu)方案的確定是基于綜合經(jīng)濟(jì)效益，即用年總費(fèi)用(δ)進(jìn)行評(píng)價(jià)。年總費(fèi)用主要包括以下三部分:塔釜加熱蒸汽費(fèi)用(α)、塔頂冷卻水費(fèi)用(β)、設(shè)備折舊費(fèi)(λ)。設(shè)備費(fèi)用主要包括塔體(含內(nèi)件)和換熱器兩部分。假定設(shè)備使用周期為5 年，年工作量按7500 h 計(jì)，則可以采用以下費(fèi)用模型計(jì)算年總費(fèi)用［4－5］:

式中 CB——蒸汽單價(jià)/元·t－1，取220 元/t;

CW——冷卻水單價(jià)/元·t－1，取0．35 元/t;

CC——塔造價(jià)/元·m－3，取8000 元/m3;

CA——換熱器造價(jià)/元·m－2，取850 元/m2;rB——蒸汽 潛熱/kJ·kg－1，取2 177． 6 kJ·

kg－1;

QC——冷凝器負(fù)荷/kW;QB——再沸器負(fù)荷/kW;

H——填料層高度/m;

A——換熱器總面積/m2;

φ——塔徑/m。(塔頂用33℃的冷卻水冷卻，塔底用0．3 MPa 的飽和蒸汽加熱)。

2 初始最優(yōu)序列的篩選

2．1 探試法篩選分離序列

根據(jù)探試法的篩選規(guī)則［6］，以選擇分離易度系數(shù)(CES)大的為分割點(diǎn)，來篩選低碳混合醇初始分離序列。探試法分離易度系數(shù)見表2，得到的最優(yōu)初始分離序列見圖1。

表2 探試法分離易度系數(shù)

圖1 探試法篩選的最優(yōu)初始分離序列(方案Ⅰ)

2．2 有序搜索法篩選分離序列

以年總費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，在Gomez 和Seader 提出的探試費(fèi)用函數(shù)［7］基礎(chǔ)上，通過比較各分離序列的評(píng)價(jià)函數(shù)EF 進(jìn)行最優(yōu)分離序列的搜索，最終確定分離切割點(diǎn)。對(duì)于有序搜索法［8－9］中涉及到的分離子問題，先利用ASPEN PLUS 軟件中簡捷精餾DSTWU 模塊，得到初步理論塔板數(shù)、回流比、進(jìn)料位置等基本參數(shù);再利用嚴(yán)格精餾RadFrac 模塊對(duì)相關(guān)精餾操作參數(shù)作精確優(yōu)化模擬計(jì)算，得到的操作參數(shù)及年總費(fèi)用數(shù)據(jù)見表3 ～表6。由此利用有序搜索法得到的低碳混合醇最優(yōu)分離序列見圖2。

表3 兩組分分離子問題的操作參數(shù)及年總費(fèi)用

表4 五組分分離子問題的操作參數(shù)及年總費(fèi)用

表5 四組分分離子問題的操作參數(shù)及年總費(fèi)用

表6 三組分分離子問題的操作參數(shù)及年總費(fèi)用

表7 各分離序列的最優(yōu)操作參數(shù)

圖2 有序搜索法得到的最優(yōu)初始分離序列(方案Ⅱ)

2．3 調(diào)優(yōu)法產(chǎn)生相鄰序列

以有序搜索法獲得的分離序列作為初始流程，對(duì)其進(jìn)行漸進(jìn)調(diào)優(yōu)法調(diào)優(yōu)。根據(jù)調(diào)優(yōu)法法則［10－11］，變換相鄰層次切割點(diǎn)位置，可以獲得一系列相近的分離序列。結(jié)果見圖3。

圖3 方案Ⅲ

2．4 分離序列的模擬及優(yōu)化

圖4 方案Ⅳ

圖5 方案Ⅴ

為得到各分離序列的最優(yōu)操作工況，對(duì)上面提出的五組分離序列，利用ASPEN PLUS 軟件中的RADFRAC 模塊進(jìn)行優(yōu)化模擬計(jì)算。得到的合適塔板數(shù)、最佳進(jìn)料位置及各塔操作壓力，以及對(duì)應(yīng)的年總費(fèi)用等數(shù)據(jù)見表7。比較選取最優(yōu)的精餾分離序列。模擬結(jié)果表明，方案Ⅳ能耗最低，且年綜合總費(fèi)用最少，因此選擇方案Ⅳ為最優(yōu)分離序列，對(duì)其進(jìn)行熱量集成優(yōu)化。

3 最優(yōu)序列的熱集成模擬

對(duì)通過探試法、有序搜索法結(jié)合調(diào)優(yōu)法得到的最優(yōu)序列為A/BCDE→B/CDE→CD/E→C/D。根據(jù)以上模擬得到的各塔頂和塔底溫度以及塔底熱負(fù)荷數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用塔間熱集成原則［12－13］，即塔頂與塔底有一定的傳熱溫差(規(guī)定傳熱溫差不低于10℃)，其次塔頂冷凝器熱負(fù)荷要和塔釜再沸器熱負(fù)荷熱量匹配，提出了兩種熱集成工藝［14－15］，分別見圖6 和圖7，圖中虛線表示熱流。

圖6 熱集成工藝1(方案Ⅵ)

圖7 熱集成工藝2(方案Ⅶ)

熱集成工藝1:C2、C3 塔頂熱量分別給C1、C4塔塔釜供熱，而C3 塔頂熱負(fù)荷相對(duì)于C4 塔釜的熱負(fù)荷則過剩，因此多余熱量供進(jìn)料預(yù)熱。熱集成工藝2:為綜合利用熱量，將C3、C4 兩塔的塔頂蒸汽大部分用來給C1 塔底供熱，少部分熱量供進(jìn)料預(yù)熱。C2 塔的塔頂蒸汽則給C4 塔釜供熱，這樣就節(jié)省了C2、C3、C4 塔的塔頂冷卻水和C1、C2 塔的加熱蒸汽，使整個(gè)體系的能耗進(jìn)一步降低。兩種熱集成工藝的模擬計(jì)算結(jié)果見表8，表中各塔的操作壓力是以熱集成的兩塔其塔頂和塔底溫差≮10℃的原則來確定的。

表8 熱集成工藝的最優(yōu)操作參數(shù)

表8 數(shù)據(jù)可以看出，熱集成方案1 中，C2 塔頂與C1 塔底的換熱溫差為15．6℃，C3 塔頂與C4 塔底的換熱溫差為11．4℃;熱集成方案2 中，C2 塔頂與C4 塔底的換熱溫差為10℃，C3 塔頂和C4 塔頂與C1 塔底的換熱溫差分別為13．9℃和13．2℃，可見，在設(shè)定的各塔操作壓力下，兩種熱集成工藝的換熱溫差均能滿足要求，而且熱量(帶底色的數(shù)據(jù))也能較好的匹配。兩種熱集成工藝的總能耗均為C2塔底和C3 塔底的能耗之和，分別為4214．8 kW 和3188．3 kW，可見熱集成方案2 要比熱集成方案1 節(jié)能約24．4%。

4 各種分離方案的比較

基于以上各分離方案的模擬結(jié)果，再利用年總費(fèi)用計(jì)算公式，得到了各分離方案的基本數(shù)據(jù)，匯總結(jié)果見表9。數(shù)據(jù)表明，兩種熱集成工藝均比其它工藝節(jié)能效果明顯，而其中的方案Ⅶ(熱集成工藝2)最為節(jié)能，與筆者的分析結(jié)果是一致的。就綜合經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)而言，方案Ⅴ的ATC 最高，而方案Ⅶ的ATC 最低，其熱力學(xué)效率最高。因此，方案Ⅶ不失為一條分離本體系混合物的最佳工藝路線。

表9 各分離方案計(jì)算結(jié)果比較

5 結(jié)論

針對(duì)低碳混合醇的分離，系統(tǒng)地應(yīng)用了探試法、有序搜索法及調(diào)優(yōu)法合成了一系列優(yōu)化分離序列。由此利用模擬軟件對(duì)得到的各種優(yōu)化分離序列進(jìn)行優(yōu)化模擬。根據(jù)研究結(jié)果，得出如下結(jié)論:

(1)在多組分分離序列的優(yōu)化篩選過程中，先以探試法篩選出初始分離序列，再以有序搜索法篩選出較優(yōu)分離序列，最后以調(diào)優(yōu)法找到最優(yōu)的分離序列，不失為一種又快又好的分離序列尋優(yōu)方法。

(2)尋優(yōu)方法得到的5 種分離序列其計(jì)算結(jié)果表明，方案Ⅳ最為節(jié)能，綜合經(jīng)濟(jì)效益最佳。這佐證了筆者提出的多組分分離序列的優(yōu)化篩選步驟和方法是正確的、合理的。

(3)對(duì)以尋優(yōu)方法得到的最優(yōu)分離序列進(jìn)行塔間的熱集成研究，結(jié)果表明，熱集成工藝可以大幅度節(jié)能，且綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著，其中以熱集成工藝2最優(yōu)。

(4)本研究結(jié)果為類似混合醇多組分體系分離方案的篩選和優(yōu)化提供了一種高效快速的方法，是一條解決確定多組分體系分離方案的有效途徑。

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