Aspen Plus在酒精加減壓精餾塔中的應(yīng)用

李道權(quán)

中國海誠工程科技股份有限公司　上?！?00031

伍偉偉

華東理工大學(xué)工程設(shè)計研究院有限公司　上海 200237

Aspen Plus在酒精加減壓精餾塔中的應(yīng)用

李道權(quán)*

中國海誠工程科技股份有限公司上海200031

伍偉偉

華東理工大學(xué)工程設(shè)計研究院有限公司上海 200237

摘要在原有香料精餾塔基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，以Aspen Plus為模擬工具，設(shè)計一套加壓、減壓精餾流程，該工藝不僅可以利用原香料精餾塔，而且充分考慮加減壓塔之間的溫度匹配問題，利用加壓塔塔頂?shù)臍庀嗬淠裏嶙鳛闇p壓塔塔底再沸器的熱源，降低能耗，減少設(shè)備投資。

關(guān)鍵詞差壓加壓減壓精餾塔酒精

浙江某公司利用進(jìn)口的粗酒精經(jīng)分離提純合格后可作為乙胺的生產(chǎn)原料，如果精餾塔設(shè)計合理的話可以利用其香料分廠閑置的填料精餾塔，為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。

1設(shè)計要求

(1)單位產(chǎn)品的能耗小于原料酒精與粗酒精的差價。

(2)日產(chǎn)乙醇100t，要求：甲醇≤0.02%，雜質(zhì)總和<0.05%(含甲醇)。

(3)利用香料廠閑置的兩臺精餾塔，塔徑為Φ1300mm。

2工藝方案的確定

為了充分節(jié)省蒸汽用量，選用差壓精餾操作，并采取集成換熱，即通過加壓塔塔頂蒸汽的冷凝熱作為減壓塔塔底的再沸熱[1]，可分別選用兩種方案：方案一為減壓加壓工藝流程；方案二為加壓減壓工藝流程。

2.1方案一

減壓加壓酒精精餾工藝流程見圖1。

采取2塔分離。T1塔頂脫甲醇，塔底去T2塔，采取負(fù)壓操作，降低塔釜溫度。

T2塔加壓操作，塔頂出乙醇產(chǎn)品(含水量不作要求)，釜底出正丙醇和高沸物。塔頂氣相去加熱T1塔底。

2.2方案二

加壓減壓酒精精餾工藝流程見圖2。

圖1　減壓加壓酒精精餾工藝流程

圖2　加壓減壓酒精精餾工藝流程

乙醇原料首先經(jīng)預(yù)熱器加熱后送至脫正丙醇塔(T1)，T1在比常壓稍高的操作壓力下操作，從塔底脫除正丙醇及部分水，塔頂獲得含甲醇的乙醇水溶液進(jìn)脫甲醇塔(T2)。

T2在減壓下操作，從塔頂脫除甲醇，塔釜獲得產(chǎn)品乙醇水溶液。T2釜液用循環(huán)泵送至T1塔頂冷凝器A，被加熱汽化后返回T2塔底。T1塔頂另設(shè)一臺冷凝器B，用循環(huán)水冷卻，實現(xiàn)能量平衡。

2.3工藝方案和設(shè)備選型確定

經(jīng)過模擬計算，方案一的減壓塔分離甲醇比方案二困難一些，需要塔徑較大，現(xiàn)有香料精餾塔不能滿足要求。兩者能耗基本一致，故采用方案二為最終方案。下面將介紹方案二的模擬情況。

加壓塔與減壓塔的塔釜再沸器，都選用降膜式蒸發(fā)器來代替原有香料精餾塔的釜式再沸器，采用降膜式蒸發(fā)器可以縮短物料的停留時間，因此傳熱系數(shù)很高，節(jié)省蒸汽用量[2,3]。

2.4兩塔操作溫度、操作壓力的確定

塔壓的選擇實質(zhì)上是塔頂、塔底溫度選取的問題。因為冷凝器出口的溫度是塔頂產(chǎn)品的泡溫(飽和液相出料)，露溫(飽和氣相出料)或它們之間的溫度(混合出料)，而塔釜的溫度是塔釜產(chǎn)品的泡溫。塔頂、塔底產(chǎn)品的組成是由分離要求規(guī)定的，故塔頂、塔底的溫度確定后就可以決定塔壓。由于塔的壓降是由塔的水力學(xué)計算決定的，故塔頂、塔底壓力兩者中只能選定一個。冷凝器的出口溫度又是由冷卻介質(zhì)決定的。設(shè)計時先確定冷卻介質(zhì)溫度，加上冷凝器的終端溫差便可得到塔頂產(chǎn)品的溫度，然后根據(jù)塔頂產(chǎn)品的相態(tài)對產(chǎn)品進(jìn)行露點、泡壓計算便可確定塔頂壓力。

本設(shè)計中減壓精餾塔T2的操作壓力不能太低，因為太低會導(dǎo)致塔頂氣相溫度太底，太低的溫度不能用廉價的冷卻水冷卻而需要用高昂的冷凍鹽水冷卻，運行費用明顯增加，為此調(diào)整T2塔塔頂設(shè)計壓力，當(dāng)操作壓力調(diào)為“-0.7atm”時，對應(yīng)的產(chǎn)品的露點溫度為44.3℃，此時可選用工廠已有的20℃的冷卻水做為冷卻介質(zhì)。按照分離要求，考慮合理的塔壓降后，此時T2塔塔釜溫度為56.3℃。

對于加壓精餾塔，較低的操作壓力有利于加壓精餾裝置的節(jié)能，并且隨著操作壓力的降低，要分離的混合物中各組分間相對揮發(fā)度增大，即在較低的操作壓力下，混合物中各組分較容易分離[4]。但是本設(shè)計是用加壓塔(T1)塔頂物料作為減壓塔(T2)的熱源，如果壓力太低，會導(dǎo)致塔頂溫度過低，不利于傳熱，按照經(jīng)驗，當(dāng)采用工藝介質(zhì)作為熱集成的熱源時，再沸器的溫差一般為10～25℃。為此，在滿足分離要求及傳熱溫差的要求下，調(diào)整T1塔塔頂壓力，當(dāng)操作壓力調(diào)為0.3atm時，對應(yīng)的塔頂溫度為84.7℃，以此股熱源為T2塔的再沸器熱源能滿足傳熱溫差的要求。

3方案二各種參數(shù)及結(jié)果

各物流量及組成、各塔操作參數(shù)、各換熱器熱負(fù)荷及初估面積、乙醇提純工藝塔設(shè)備估算結(jié)果分別見表1、表2、表3、表4。

表1　各物流量及組成

表2　各塔操作參數(shù)

表3　各換熱器熱負(fù)荷及初估面積

表4　乙醇提純工藝塔設(shè)備估算結(jié)果

4經(jīng)濟(jì)效益分析

從前述熱負(fù)荷數(shù)據(jù)，可折算出蒸汽消耗理論上約為1.3t新鮮蒸汽/t乙醇產(chǎn)品，蒸汽價格按照200元/t計算，產(chǎn)品能耗為260元/t乙醇產(chǎn)品，在乙胺生產(chǎn)中，原料價格可省240～540元/t乙醇，該裝置的處理能力為每天100t乙醇原料，則每年可節(jié)省原料成本800～1798萬元，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。見表5。

表5　經(jīng)濟(jì)分析對照表

注：本套裝置設(shè)計和改造時間為2012年，原料價格為2012年價格。乙醇粗品為廠家直接從澳大利亞進(jìn)口，價格相對國內(nèi)合格品便宜500～800元/t。裝置乙醇處理量100t/d，年運行8000h。

5結(jié)語

(1)采用熱集成換熱，綜合考慮減壓塔塔頂冷凝器的換熱成本及加壓塔塔頂溫度與減壓塔塔底之間的傳熱溫差，通過選擇合理的操作壓力，可選用冷卻水作為減壓塔的冷卻介質(zhì)，并能滿足兩塔之間的有效換熱，降低能耗，減少運行費用。

(2)生產(chǎn)部門反饋結(jié)果顯示，產(chǎn)品質(zhì)量合格，能夠達(dá)到設(shè)計要求。甲醇的濃度<0.02%，雜質(zhì)總含量<0.05%，乙醇的回收率>98%。

(2)用降膜蒸發(fā)技術(shù)代替原始釜式再沸器加熱，提高換熱效率，節(jié)省了能源。

(3)通過購買進(jìn)口乙醇粗品，分離提純后使用。每年可節(jié)省成本800萬～1798萬元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

(4)對于計算結(jié)果得出的塔參數(shù)，現(xiàn)有Φ1300mm精餾塔均能滿足要求，將現(xiàn)有閑置設(shè)備盤活，對企業(yè)來說，節(jié)省設(shè)備投資。

參考文獻(xiàn)

1張云玲, 王劍鋒.甲醇精餾過程節(jié)能降耗初探[J]. 化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù), 2013.

2范建兵. 多效降膜式蒸發(fā)器的工作原理及相關(guān)要點[J]. 裝備應(yīng)用與研究,2009.

3劉巍, 鄧方義等著. 冷換熱備工藝計算手冊(第二版).北京: 中國石化出版社,2008：196-201.

4王貴文, 秦孝良. 操作壓力對加壓精餾裝置能耗的影響[J]. 化工科技,2002, 10(2):36-39.

(收稿日期2016-03-13)

*李道權(quán)：工程師，注冊化工工程師。2008年畢業(yè)于華東理工大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程專業(yè)獲碩士學(xué)位。從事精細(xì)化工產(chǎn)品的工程放大及工程設(shè)計工作。聯(lián)系電話：13636516169，E-mail：lidq@haisum.com。