輕烴深加工精餾裝置能耗分析與節(jié)能措施

司濤（天津海成能源工程技術(shù)有限公司，天津300384）

1 輕烴深加工精餾裝置能耗分析

1.1 化工精餾分析

精餾塔主要是用于精餾作業(yè)的一種塔式汽液接觸裝置，其借助混合物中不同組分所具有的不同的揮發(fā)特性，也就是同一溫度條件下，不同組分具有不同的蒸氣壓，進(jìn)而轉(zhuǎn)移液相中的輕組分（低沸物）至氣相中，同時(shí)將氣相之中的重組分（高沸物）轉(zhuǎn)移到液相之中，最終實(shí)現(xiàn)組分相互分離的目的。在石油化工行業(yè)中，精餾塔是運(yùn)用的最為廣泛的傳質(zhì)傳熱裝置。通常而言，精餾塔塔身、冷凝器、回流罐和再沸器等共同組成精餾裝置。物料通常從精餾塔之中的某一段塔板進(jìn)入到塔內(nèi)，該塔板也被稱之為進(jìn)料板。進(jìn)料板劃分精餾塔為上下兩段，上段部分稱之為精餾段，下半段則稱之為提餾段。傳統(tǒng)模式下的化工精餾，需要運(yùn)用大量的能源來加熱整個(gè)蒸餾塔的塔底部位，往往劃分更久的精餾作業(yè)時(shí)間。加之蒸餾塔塔底無法將加熱的熱量進(jìn)行很好的保存，使得蒸餾作業(yè)中，大量的熱量隨之喪失，導(dǎo)致能源的大量消耗和浪費(fèi)。

1.2 裝置耗能分析

天然氣深加工過程中，所運(yùn)用到的精餾裝置，主要組成部分為精餾塔、空冷器、真空泵、冷水機(jī)組和屏蔽泵等，同時(shí)還輔以可以提供冷量的循環(huán)水系統(tǒng)和可以提供熱量的導(dǎo)熱油系統(tǒng)。總體來說，各個(gè)精餾塔之間的工藝流程大同小異，因此僅選擇其中之一進(jìn)行能耗分析。以板式塔為例進(jìn)行闡述，板式塔主要由一個(gè)圓柱形的殼體和若干個(gè)按照一定間距水平設(shè)置的塔板組成。其作業(yè)流程為：液體受到重力作用，從上之下的經(jīng)由各個(gè)塔板之后從塔底排出。在壓差的作用下，氣體則由下至上經(jīng)由各個(gè)塔板上的開孔，最終從塔頂排出。每一塊塔板上均殘存的有部分液體，當(dāng)氣體經(jīng)過各個(gè)塔板的時(shí)候，會(huì)和液體發(fā)生相遇，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩相傳質(zhì)傳熱。

2 影響化工行業(yè)精餾過程的主要因素

于化工行業(yè)而言，精餾工藝十分復(fù)雜多變。同時(shí)精餾作業(yè)的影響因素眾多，特別是溫度和壓強(qiáng)，更是對(duì)其工藝過程產(chǎn)生著較大的約束和影響。精餾產(chǎn)品的最終質(zhì)量水平或多或少都會(huì)受到精餾塔內(nèi)壓強(qiáng)大小、物料進(jìn)塔的實(shí)際數(shù)量、塔內(nèi)的溫度以及回流比等眾多因素的影響。通常來說，一旦精餾塔內(nèi)的壓強(qiáng)參數(shù)出現(xiàn)了相應(yīng)的變化，則處于蒸餾塔塔板上面的一些物料組分則十分容易產(chǎn)生物理反應(yīng)，最終導(dǎo)致物料組分發(fā)生相應(yīng)的變化。這種變化可能導(dǎo)致原料變?yōu)楹斜姸嚯s質(zhì)的成分，進(jìn)而影響到最終精餾產(chǎn)品的純度和質(zhì)量水平。同時(shí)，輸送進(jìn)入蒸餾塔內(nèi)部的物料數(shù)量應(yīng)適宜，也就是需要滿足精餾裝置的相關(guān)負(fù)荷。一旦物料輸送過多，則會(huì)直接導(dǎo)致蒸餾塔塔頂產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量受到影響，也可能導(dǎo)致物料未充分精餾，造成能源的損耗和浪費(fèi)。再有，精餾作業(yè)中，還需要嚴(yán)格把控好蒸餾塔和其零部件的溫度。若溫度把控不嚴(yán)格，例如操作人員操作不當(dāng)，使得蒸餾塔內(nèi)的溫度突然降低，則蒸餾塔塔底的負(fù)荷量不足，進(jìn)而影響物料的分離效果。部分物料可能由于溫度不夠未能充分分離出來。此外，回流比也是精餾作業(yè)中務(wù)必要控制的重要內(nèi)容。如果蒸餾塔內(nèi)部的回流比相對(duì)較高，能夠顯著提升塔頂產(chǎn)出產(chǎn)品質(zhì)量。反之，若回流比較低，則物料分離也在一定程度上受阻。因此需要控制回流比在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，符合規(guī)范要求。

圖1 改造后粗甲醇預(yù)熱器方塊流

圖2 改造后預(yù)塔熱回收器方塊流程

3 實(shí)例分析

3.1 工藝流程

某化工企業(yè)13 萬t/a 的甲醇精餾裝置采用的原料為粗甲醇，熱源為低壓蒸汽。預(yù)精餾塔、加壓精餾塔、常壓精餾塔塔內(nèi)氣液經(jīng)過多次熱量、質(zhì)量交換，達(dá)到精餾提純效果。其中，預(yù)精餾塔、加壓精餾塔使用的熱源為低壓蒸汽，加熱塔底的粗甲醇液，使氣體上升，然后返回到塔內(nèi)。低壓蒸汽則變成冷凝液，借助壓差作用，輸送到低壓甲醇裝置合成工序除氧器，變成除氧水，且作為甲醇合成塔鍋爐的補(bǔ)充水。常壓精餾塔則借助雙效熱藕合技術(shù)，將加壓塔頂部的高溫甲醇?xì)庾鳛闊嵩?，促使底部的粗甲醇轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w返回至塔內(nèi)，加壓塔塔頂?shù)募状細(xì)饫淠蟪蔀橐后w。其中有部分液體經(jīng)由泵打回到加壓塔的頂部，成為加壓精餾塔的回流液。預(yù)精餾塔和常壓精餾塔頂部產(chǎn)生的甲醇?xì)饫鋮s方式為循環(huán)水，待冷凝為甲醇液之后，借助泵的作用，輸送到預(yù)精餾塔頂部，和部分液體返回到塔頂部，實(shí)現(xiàn)氣液熱量和質(zhì)量交換。

3.2 存在的問題

（1）預(yù)精餾塔中的粗甲醇入料的溫度比較低，約為50℃左右，當(dāng)冷液進(jìn)料時(shí)，預(yù)精餾塔提餾段內(nèi)部上升的甲醇?xì)庖徊糠直焕淠罱K產(chǎn)生甲醇?xì)饬繙p少，促使預(yù)精餾塔底部的動(dòng)力消耗增加，蒸汽用量也增加。（2）低壓蒸汽在加熱加壓精餾塔底部的液體后冷凝，然冷凝溫度高達(dá)128～130℃。但是甲醇合成塔僅需要105℃的補(bǔ)充水溫度，若將上述冷凝液作為合成塔的補(bǔ)充水，熱量損失是十分明顯的。（3）常壓精餾塔頂部的甲醇?xì)庑枰褂么罅康难瓑乃畞磉M(jìn)行冷卻，由于未能充分回收利用甲醇?xì)獾睦淠裏?，致使熱量損失尤為明顯。

3.3 改造措施

（1）新增1臺(tái)一級(jí)粗醇預(yù)熱器在粗甲醇預(yù)熱器的前面，熱源選擇常壓精餾塔塔頂?shù)募状細(xì)?，作為預(yù)精餾塔粗甲醇入料的加熱，并將常壓精餾塔塔頂甲醇?xì)猱a(chǎn)生的冷凝熱進(jìn)行回收，此時(shí)能夠提升粗甲醇入料溫度19℃左右，也就是從50℃到69℃。顯著降低預(yù)精餾塔的蒸汽用量，改造后流程圖如圖1所示。

（2）新增1臺(tái)預(yù)塔熱回收器在預(yù)精餾塔再沸器的底部，熱源選擇加壓塔再沸器蒸汽冷凝液，用于對(duì)預(yù)精餾塔底部的粗甲醇進(jìn)行預(yù)加熱，這樣一來就能夠降低冷凝液溫度大約為20℃左右，也就是從125℃降低到105℃，然后將冷凝液輸送到低壓甲醇裝置合成工序除氧器中，對(duì)冷凝液的熱能進(jìn)行部分回收，顯著降低再沸器蒸汽實(shí)際用量。改造之后的工藝流程圖如圖2所示。

3.4 改造效果

改造前后的數(shù)據(jù)對(duì)比（見表1）。

表1 改造前后工藝參數(shù)對(duì)比表

從表1中可以看出，經(jīng)過對(duì)甲醇精餾工藝改造之后，能夠顯著提升預(yù)精餾粗甲醇入料溫度19K，加壓塔的蒸汽冷凝液溫度則降低了20K，顯著降低了冷凝液的熱量損失，充分回收利用了部分熱能，降低了能源損耗，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目標(biāo)。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，當(dāng)精餾裝置的生產(chǎn)負(fù)荷為16t/h的情況下，每噸精甲醇蒸汽的單耗能直接從之前的0.95t降低到0.89t。對(duì)于甲醇精餾裝置，按照每年開車300d 來進(jìn)行計(jì)算，可知能夠節(jié)約低壓蒸汽6900t。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，精餾裝置是一個(gè)高能耗裝置。文章結(jié)合實(shí)例，通過對(duì)原先精餾裝置工藝流程進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑旌?，能夠顯著降低蒸汽損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。目前，該改造工藝得到實(shí)踐驗(yàn)證，運(yùn)行平穩(wěn)，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益十分顯著。