基于甲醇苯酚體系進(jìn)料組成對雙效精餾節(jié)能效果影響分析

＊江保衛(wèi)

（江蘇三吉利化工股份有限公司 江蘇 222066）

前言

在苯甲醚的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法中，有以下幾種：（1）使用苯酚與硫酸二甲酯為原料進(jìn)行反應(yīng)，生產(chǎn)苯甲醚，此反應(yīng)缺陷非常明顯，硫酸二甲酯屬于劇毒化學(xué)品，在生產(chǎn)過程中極易對人體與環(huán)境造成重大傷害。（2）以苯酚與甲醇液相反應(yīng)，此反應(yīng)轉(zhuǎn)化率較高，但反應(yīng)條件非?？量蹋枰^高的反應(yīng)壓力與反應(yīng)溫度，而且反應(yīng)只能以間歇方式進(jìn)行，勢必導(dǎo)致反應(yīng)難度增加，設(shè)備投資增大，反應(yīng)安全性難以得到保障。（3）以苯酚與甲醇為原料進(jìn)行氣相催化，合成苯甲醚，此方法具有反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)時溫度壓力易于控制，原料與催化劑毒性低等優(yōu)點。在此生產(chǎn)工藝中，為了回收未反應(yīng)的甲醇回反應(yīng)進(jìn)行套用，采用精餾方式分離純凈的甲醇成為最佳選擇。

在化工行業(yè)中，精餾作為分離物料手段應(yīng)用非常廣泛，同時精餾過程又是高耗能分離單元操作過程。在能源緊張的今天，如何降低精餾能耗成為當(dāng)今化工工藝流程設(shè)計的主題之一。傳統(tǒng)精餾主要使用生蒸汽進(jìn)行塔釜加熱產(chǎn)生物料蒸汽進(jìn)行氣液交換從而提純物料，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。而雙效精餾技術(shù)則是通過利用壓力不同的雙塔，由高壓塔塔頂蒸汽作為熱源，向低壓塔再沸器供熱，以降低能耗。在甲醇-苯酚精餾體系中，如果采用單塔精餾的方式，勢必造成能耗較高。在化工設(shè)計以追求降本增效為目的的今天，隨著雙效精餾技術(shù)的不斷發(fā)展，采用雙效精餾方式進(jìn)行分離對節(jié)約生產(chǎn)成本具有重要的意義。按照蒸汽與物料流動方向的差別，雙效精餾可以分為并流雙效與逆流雙效。本文針對不同的進(jìn)料組成對單塔精餾、并流雙效精餾與逆流雙效精餾進(jìn)行評價，為甲醇-苯酚雙效精餾的實際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1.雙效精餾流程

本文運(yùn)用化工流程模擬軟件對不同組成的甲醇苯酚體系精餾分離進(jìn)行流程模擬計算。

如圖1所示負(fù)壓精餾塔1進(jìn)料通過進(jìn)料預(yù)熱器將甲醇-苯酚物料打入負(fù)壓精餾塔1，塔釜一部分甲醇與苯酚采出至正壓精餾塔2，精餾塔2經(jīng)過加熱后，塔頂甲醇?xì)庀嗯c負(fù)壓精餾塔1的再沸器換熱后一部分甲醇作為產(chǎn)品采出，另一部分作為回流回到正壓精餾塔2，負(fù)壓精餾塔1經(jīng)過加熱后，塔頂甲醇物料蒸汽經(jīng)過冷凝后采出一部分作為產(chǎn)品，另一部分作為回流回到負(fù)壓精餾塔1。

圖1 雙效精餾方案一（逆流雙效）

如圖2所示正壓精餾塔1進(jìn)料通過進(jìn)料預(yù)熱器將甲醇-苯酚物料打入正壓精餾塔1，塔釜一部分甲醇與苯酚采出至負(fù)壓精餾塔2，正壓精餾塔1經(jīng)過加熱后，塔頂甲醇物料蒸汽與負(fù)壓精餾塔2的再沸器換熱后采出一部分甲醇作為產(chǎn)品，另一部分作為回流回到高壓精餾塔1，負(fù)壓精餾塔2經(jīng)過加熱后，塔頂甲醇蒸汽經(jīng)過冷凝后采出一部分作為產(chǎn)品，另一部分作為回流回到負(fù)壓精餾塔2中。

圖2 雙效精餾方案二（并流雙效）

2.熱力學(xué)模型選擇

物性方法的選擇相當(dāng)重要，是進(jìn)行模擬選擇的第一步，錯誤的物性方法可能導(dǎo)致計算的結(jié)果與正確結(jié)果南轅北轍，可見物性方法是分離過程模擬計算的基礎(chǔ)，是模擬結(jié)果準(zhǔn)確的前提條件。精餾處理的物系組成大體可分為兩類，極性物系與非極性物系，對于非極性物系的熱力學(xué)計算方法的模擬的準(zhǔn)確性已達(dá)非常高的程度。但是對于極性物系來說，二元相互作用參數(shù)的準(zhǔn)確程度將極大影響著相平衡計算過程。NRTL模型特別適用于含有醇類、水和其他極性物系的體系。所以本文采用NRTL模型來處理甲醇、苯酚體系精餾計算過程。

3.流程模擬

為了便于考核進(jìn)料組成對兩種雙效精餾體系的節(jié)能效果，統(tǒng)一設(shè)置進(jìn)料溫度為55℃，進(jìn)料量為5000kg/h，塔頂采出甲醇含量為99.75%，考察進(jìn)料組成甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、50%、80%時，單塔精餾與兩種雙效精餾方案節(jié)能情況。過程熱損失忽略不計，高壓塔與低壓塔換熱溫差不小于10℃。

對于單塔流程，先采用簡捷模型進(jìn)行初步計算，核算出最小回流比、最小塔板數(shù)、理論塔板數(shù)等重要參數(shù)，再將簡捷計算的結(jié)果作為嚴(yán)格計算的依據(jù)，進(jìn)行精確核算，并調(diào)整塔板數(shù)與回流比，并對進(jìn)料位置進(jìn)行核算，以達(dá)到最佳進(jìn)料位置。

對于雙塔流程，按照以上方法進(jìn)行單塔計算，單塔模擬最優(yōu)化后將兩塔進(jìn)行熱耦合計算。

4.結(jié)果與討論

在相同分離效率與相同進(jìn)料條件下，單塔精餾與雙效精餾節(jié)能情況對比。在進(jìn)料甲醇變化情況下，考察冷凝器負(fù)荷、再沸器負(fù)荷以及節(jié)能情況。

由表1可見，在甲醇-苯酚精餾體系中，進(jìn)料組成甲醇含量從20%升高至80%，逆流雙效與并流雙效均取得良好的節(jié)能效果，尤其進(jìn)料中輕組分甲醇含量逐漸升高，節(jié)能效果呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，在逆流雙效中最高節(jié)能達(dá)到45.5%。

表1 單塔精餾、逆流雙效與并流雙效能耗情況

但是逆流雙效優(yōu)于并流雙效組合，其原因在于并流雙效增大精餾塔壓力時，組分之間相對揮發(fā)度減少，從而將增加精餾操作的回流比，使得傳質(zhì)與傳熱較為困難，節(jié)能效果相對較差。本例中，甲醇的沸點低于苯酚沸點，若要將甲醇塔塔頂物料蒸汽與苯酚塔塔底物料進(jìn)行換熱，必須加大甲醇塔壓力。因此從節(jié)能角度來說采用逆流低壓塔與正壓塔進(jìn)行精餾熱耦合較為合適。但是在設(shè)計時要注意一點，減壓塔的塔徑往往大于正壓塔，這是因為由于物料蒸汽在真空環(huán)境中，物料密度降低。這將導(dǎo)致前期設(shè)備投資增加。因此對于選擇逆流雙效還是并流雙效，應(yīng)該綜合考慮設(shè)備投資費(fèi)用與操作費(fèi)用，再決定采取并流雙效還是逆流雙效。在甲醇-苯酚精餾體系運(yùn)行過程中，設(shè)備投資費(fèi)用只占到運(yùn)行成本較小的方面，所以精餾方式采用逆流雙效進(jìn)行精餾，并且正壓塔理論版數(shù)計算得出為30塊，負(fù)壓塔理論版數(shù)為28塊。

5.甲醇苯酚逆流雙效系統(tǒng)操作參數(shù)改變對流程的影響

(1)精餾壓力改變對工藝參數(shù)的影響

圖3中可以看出隨著正壓塔壓力的升高，從100kPa升高至700kPa，塔頂甲醇的含量則略有下降，苯酚的含量略有升高。說明精餾塔從常壓至正壓，甲醇與苯酚的分離難度有增加的趨勢，常壓精餾是較好的選擇，但是在常壓精餾的情況下，常壓塔塔頂溫度較加壓塔略低，與負(fù)壓塔換熱時負(fù)壓塔的再沸器面積隨之增大，設(shè)備投資隨之增加，所以在滿足產(chǎn)品含量的需求下，塔頂壓力采用300kPa是較為合適的選擇。以同樣方法考察負(fù)壓塔精餾壓力，確定負(fù)壓塔精餾壓力為63kPa較為合適。

圖3 正壓塔壓力與塔頂甲醇、苯酚含量關(guān)系圖

(2)進(jìn)料塔板位置改變對工藝參數(shù)的影響

在確定精餾壓力后，圖4是物料在進(jìn)入不同的塔板后對正壓塔精餾塔塔釜再沸器熱負(fù)荷的影響，可以很清晰的看到在物料進(jìn)入到底20塊理論版的時候塔釜熱負(fù)荷最小。

圖4 不同的進(jìn)料位置對于再沸器的精餾負(fù)荷

以同樣的方法對負(fù)壓塔進(jìn)行考察，計算得出負(fù)壓塔在16塊理論版進(jìn)料的時候塔釜熱負(fù)荷最小。

6.結(jié)束語

綜合上述分析得出結(jié)論，正壓塔理論版數(shù)30塊，精餾壓力300kPa，進(jìn)料位置在第20塊理論版上；負(fù)壓塔理論版數(shù)28塊，精餾壓力63kPa，進(jìn)料位置在第16塊。雙效精餾技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展較為成熟，在合適的工況下采用雙效精餾技術(shù)有很高的經(jīng)濟(jì)價值與社會效益，使得精餾工藝更加經(jīng)濟(jì)、綠色。我國還是一個能源消耗大國，在節(jié)能減排成為熱點問題的今天，進(jìn)行化工設(shè)計的能源優(yōu)化，避免能源浪費(fèi)，對化工過程節(jié)能的落實具有重大的意義。