化工進展74·CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2010年第29卷增刊研究開發(fā)甲醇熱泵精餾新工藝葉鑫,呂建寧,丁干紅,宮萬福(惠生工程(中國)有限公司,北京100102摘要:分析了甲醇三塔精餾工藝的弊端,開發(fā)了一種節(jié)能效果顯著的甲醇熱泵精餾新工藝,并對這兩種流程的綜合能耗進行了對比分析.新工藝采用分割式熱泵精餾的方法,熱泵供熱系數(shù)COP高達14以上,只需要消耗少量最低級別的水蒸氣,其綜合能耗比三塔精餾工藝降低了50%以上,該工藝適合于45萬噸/年以上規(guī)模的甲醇精餾裝置,應用于180萬噸/年的甲醇精餾裝置,預計每年可節(jié)省操作費用上億元關鍵字:節(jié)能;甲醇;熱泵精餾;三塔精餾中圖分類號:TQ0516文獻標志碼:A文章編號:1000-6513(2010)S2-074-04Study on the new technology of heat pump rectificationin production of methanolYE Xin, LU Jianning, DING Gamhong, GONG Wanfu(Wison Engineering Co. Ltd, Beijing 100102, China)Abstract: The shortcomings of three-column rectification technology for methanol production areanalyzed. Heat pump rectification, an effective energy saving process, has been developed, and theenergy consumptions of the two processes are contrasted. As separated heat pump distillation is usedby this process, the coefficient of performance(COP) of heat pump reached above 14. Only a fewlowest level steam is to be consumed, therefore the energy consumption of this process is reduced by50% compared with three-column technology. The novel process is suitable for over 450000 t/amethanol distillation plant, and one hundred million CNY of operation cost could be saved in a1800000 t/a methanol plantKey words: energy saving; methanol; heat pump rectification; three-column rectification甲醇作為重要的基本化工原料,在世界經(jīng)濟證甲醇產(chǎn)品質量的重要操作單元,而且精餾過程的中起著十分重要的作用。隨著世界石油資源的日能耗也是影響甲醇生產(chǎn)成本的重要因素,因此選趨緊缺,甲醇又逐步發(fā)展成為重要的能源替代品,擇適合企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的精餾技術,是節(jié)能降耗、以甲醇為原料合成烯烴、汽油、二甲醚等化工產(chǎn)節(jié)水減排、提高企業(yè)經(jīng)濟效益和市場競爭力的重品的行業(yè)也得到了迅速的發(fā)展。隨著甲醇衍生物要措施。及其下游產(chǎn)品的迅速發(fā)展和甲醇燃料的應用,甲醇需求總量和單套裝置處理量將會日益增大,因1三塔精餾工藝的弊端此提高甲醇產(chǎn)品質量并降低生產(chǎn)消耗引起了人們圖1是目前廣泛采用的三塔精餾(順流雙效精的廣泛關注。甲醇精餾的任務是脫除粗甲醇中的二甲醚等收德日期,20中國煤化工輕組分及水、乙醇等雜質,生產(chǎn)符合要求的精甲第一作者簡介:CNMHG.從事節(jié)能降耗、醇,作為中間產(chǎn)品或最終產(chǎn)品。甲醇精餾不僅是保節(jié)水減排工藝技術研發(fā)及工程設計。E-mailyexin(@wson.com增刊葉鑫等:甲醇熱泵精餾新工藝75不凝氣提高塔頂精甲醇氣體的壓力和冷凝溫度,作為精餾塔塔釜再沸器或中間再沸器的熱源,充分利用了精精甲醉精甲醇甲醇氣體的冷凝潛熱,同時減小了塔釜熱公用工程粗甲醉和塔頂冷公用工程消耗。熱泵精餾只需消耗少量最低級別的水蒸氣(如0.3MPa),同時節(jié)省大量更高等級水蒸氣(如1.0MPa)。雜醇從技術經(jīng)濟角度考慮,常規(guī)熱泵精餾通常僅廢水適用于塔底和塔頂溫差較小的場合,該溫差愈小,所需的壓縮功愈小,熱泵的性能愈好。對于圖1甲醇三塔精餾工藝流程圖些特殊的大溫差分離過程(例如酒精精餾),采1一預塔:2加壓塔:3一常壓塔;4預塔冷凝器:5預塔再沸器:用分割式熱泵精餾流程更加經(jīng)濟,這種流程采取6加壓塔再沸器:7常壓塔冷凝器:8—常壓塔再沸器上塔安裝熱泵及下塔減小回流量的節(jié)能措施,節(jié)能效果明顯,投資費用適中,控制簡單9。常壓餾)工藝,即粗甲醇順序通過預塔、加壓塔、常壓下甲醇沸點為64℃,水的沸點為100℃,所以塔進行精餾分離。由預塔脫除粗甲醇中的輕組分,粗甲醇精餾也屬于大溫差分離體系,另外,由于預后粗甲醇經(jīng)過加壓塔和常壓塔精餾后,在加壓粗甲醇中甲醇濃度遠大于水的濃度,精餾段熱負塔塔頂和常壓塔塔頂出料分別獲得精甲醇,利用加荷遠大于提餾段的熱負荷,非常適合采用分割式壓塔塔頂甲醇蒸氣的冷凝潛熱作為常壓塔再沸熱熱泵精餾工藝。源,雜醇從常壓塔側線采出,廢水從常壓塔塔底分割式熱泵精餾流程的主精餾塔(見圖2)分排出雙效精餾工藝比早期的單效精餾工藝節(jié)能為上下兩塔:上塔類似于常規(guī)熱泵精餾,只是多了30%,技術也很成熟,但是隨著甲醇裝置規(guī)模日益擴大,例如甲醇制烯烴MTO、MIP等裝置的配套個進料口;而下塔類似于常規(guī)精餾的提餾段,進甲醇產(chǎn)量大都超過180萬噸年,即使采用三塔精餾料來自上塔的釜液,蒸汽出料則進入上塔塔底?？赏ㄟ^控制分割點濃度(即下塔進料濃度)使上塔工藝,能耗的絕對值也是巨大的。溫差比較小,從而減小壓縮機所需壓縮比,降低國內學者在甲醇精餾的精餾效數(shù)、進料順序、進料位置、換熱網(wǎng)絡等方面做了大量研究,提出投資和運行費用,縮短追加投資的回收期。上塔了很多優(yōu)化方案,達到了一定節(jié)能效果6,但是,安裝熱泵會取得較好的效果,熱泵供熱系數(shù)COP本文作者認為多效精餾仍存在一些不足之處:①較大;同時,下塔的回流量也會大大減小,多效精餾通過設置若干操作壓力不同的精餾塔,氣消耗很少。梯級利用各塔塔頂?shù)募状颊魵?但是,操作壓力不凝氣最低的精餾塔塔頂蒸氣還是需要用大量循環(huán)水冷卻,與此同時必須消耗大量水蒸氣來加熱操作壓力最高的精餾塔塔釜液體,造成了冷、熱公用工精甲解程的雙重消耗;②多效精餾中各塔塔釜的操作溫度隨著操作壓力的升高而升高,需要多種壓力等級的新鮮水蒸氣作為熱源;③理論上增加精餾效數(shù)可以更加節(jié)能,但是這受全廠水蒸氣等級限制,而且隨著操作壓力提高,物料的相對揮發(fā)度變小,廢水粗甲醇所需回流比更大,增加精餾效數(shù)的節(jié)能效果變得不明顯。圖2甲醇熱泵精餾工藝流程圖2甲醇熱泵精餾的原理及優(yōu)點預塔5—預塔再H中國煤化工←預塔冷凝器CNMHG塔再沸器熱泵精餾工藝直接壓縮精餾塔頂精甲醇氣體,8—粗甲醇預熱器:9精甲醇水冷器:10—下塔再沸器76化工進2010年第29卷3熱泵精餾技術經(jīng)濟分析塔進行精餾,主精餾塔上塔塔頂精甲醇氣體(340K、l10kPa)經(jīng)過甲醇氣體壓縮機增壓升溫,操作壓縮本研究以45萬噸/甲醇精餾裝置為例,通過比為1.8,壓縮后的精甲醇氣體(377K、198kPa)對熱泵精餾和三塔精餾的工藝流程進行模擬計算,作為主精餾塔上塔再沸器的熱源,再沸器排出精甲對兩種流程的計算結果進行了對比分析,預測了熱醇(356K)先后經(jīng)過粗甲醇預熱器和精甲醇水冷器泵精餾的經(jīng)濟效益。冷卻至313K,冷卻后精甲醇分為兩部分,一部分作31計算基準為精甲醇產(chǎn)品(55144kgh、313K),另一部分作為精甲醇產(chǎn)品要求:滿足美國聯(lián)邦工業(yè)甲醇標準主精餾塔上塔回流液(139360kgh、313K),回流“ΔA”級指標(主要雜質質量含量指標:乙醇≤10比為2.5,主精餾塔上塔塔釜排出甲醇液體(346K,mgkg,水分≤0.1%);年操作時間800h;粗甲醇甲醇質量分數(shù)80%)進入主精餾塔下塔頂部進行精處理量為5921th,粗甲醇組成見表1。餾,主精餾塔下塔塔頂氣體(346K、117kPa)進入主精餾塔上塔底部,主精餾塔下塔側線采出雜醇表1粗甲醇組成(855kg/h、352K、ll8kPa),主精餾塔下塔塔釜組分質量分數(shù)/%排出廢水(1952kgh、378K、120kPa)。甲醇950035對比分析與討論二甲醚等輕組分在采用相同的粗甲醇指標和總量以及精甲醇雜醇產(chǎn)品指標和總量的情況下,分別對熱泵精餾和三塔水3.72精餾兩種流程進行了模擬計算。甲醇熱泵精餾工藝和三塔精餾工藝的公用工程消耗如表2所示。熱泵32熱泵精餾工藝參數(shù)精餾使用的0.3MPa蒸汽略多于三塔精餾,但是不預塔操作壓力210kPa,塔頂溫度355K,塔釜需要使用1.0MPa的蒸汽,總的來說熱泵精餾使用溫度359K,甲醇氣化率0.8。為了保證預塔不凝氣的蒸汽量比三塔精餾工藝減少63.6%;循環(huán)水消耗能夠在余壓下進入燃料氣管網(wǎng),參照相關工程項目,減少了56.8%。另一方面,熱泵精餾通過以電能作模擬計算時預塔的操作壓力均按210kPa考慮。預為動力驅動壓縮機,雖然消耗電力3900kWh,但塔塔頂擬采用兩級冷卻的方式,并且配有解析器,是壓縮后的甲醇氣體可以為主精餾塔上塔再沸器提從而有效去除輕組分雜質,文中在計算分析時進行了簡化處理。甲醇氣化率定義為預塔塔頂氣體冷凝表2熱泵精餾與三塔精餾的公用工程消耗對比后的回流液質量與進塔粗甲醇質量之比。對比項目三塔精餾熱泵精餾主精餾塔上塔操作壓力10kPa,塔頂溫度340K,塔釜溫度346K。03MPa蒸汽主精餾塔下塔操作壓力120kPa,塔頂溫度346循環(huán)水126262K,塔釜溫度378K。常壓塔(主精餾塔)能耗33三塔精餾工藝參數(shù)03MPa蒸汽預塔操作壓力210kPa,塔頂溫度355K,塔釜循環(huán)水溫度359K,甲醇氣化率0.8。加壓塔能耗常壓塔操作壓力110kPa,塔頂溫度340K,塔10MPa蒸汽t6945釜溫度378K,回流比25循環(huán)水加壓塔操作壓力800kPa,塔頂溫度401K,塔壓縮機能耗釜溫度404K,回流比30電力/Wh390034熱泵精餾工藝流程說明粗甲醇(313K、400kPa)經(jīng)過粗甲醇預熱器0.3 MPa中國煤化工預熱至345K,然后進入預塔進行初步精餾加工,輕組分雜質經(jīng)過預塔冷凝器兩級冷卻至313K后排循環(huán)冷卻CNMHG2066出,脫除輕組分的粗甲醇(359K)進入主精餾塔上電力Wh3900增刊葉鑫等:甲醇熱泵精餾新工藝供約560kWV熱量,熱泵供熱系數(shù)COP高達14表↓兩種流程綜合能耗比較(單位時間:小時)以上,即以消耗少量電力為代價,節(jié)約了大量水蒸能源項目三塔精餾鹽泵精餾氣和循環(huán)水。0.3MPa蒸汽r28.1535.48從技術可行性方面來說,熱泵精餾技術已經(jīng)在折算值M778乙烯裂解裝置的乙烯精餾塔、丙烯精餾塔、髙低壓10MPa蒸汽脫丙烷塔等分離塔系中成熟應用,節(jié)能效果顯著,折算值M經(jīng)濟效益可觀,并且總結了豐富的設計、施工、開循環(huán)冷卻水4781停車和生產(chǎn)運行經(jīng)驗。隨著能源價格的不斷上漲折算值M200328657以及我國節(jié)能減排工作的深入開展,熱泵技術應用電力Wh領域也在不斷拓展,例如應用于燃料乙醇熱泵恒沸折算值精餾等新工藝總能量折算值M318800152864目前來說,熱泵的工程設計和生產(chǎn)操作并不困總節(jié)能率陽5205難。為了穩(wěn)定操作,工程上經(jīng)常采取的措施有:在壓縮氣體管線上設置輔助冷卻器減小入塔熱負荷;型甲醇精餾裝置,應用甲醇熱泵精餾新工藝,每年在塔釜設置補充再沸氣體的支線增加入塔熱負荷;可以減少操作費用上億元。根據(jù)工藝條件設置開工再沸器等。所以,甲醇精餾能否采用熱泵技術主要還是要看其經(jīng)濟效益。4結論36經(jīng)濟效益分析甲醇熱泵精餾新工藝的節(jié)能效果顯著,經(jīng)濟效首先,對熱泵精餾和三塔精餾的綜合能耗進益可觀,操作控制簡單,具有廣闊的工業(yè)應用前景。行分析,其中壓縮機的效率以75%計〔壓縮機該工藝比三塔精餾工藝節(jié)能50%以上,對于45萬設計參數(shù)與廠家提供參數(shù)基本吻合),并且按照噸年的甲醇精餾裝置,每年可以節(jié)省操作費用數(shù)千SH/T3102001《石油化工設計能量消耗計算方萬元,壓縮機投資回收期不到一年,尤其適合于甲法》對電力及耗能工質進行了能量折算,折算值見醇制烯烴MTO、MTP等超大規(guī)模的甲醇精餾裝置,表3,兩種工藝流程的綜合能耗比較見表4。預計每年可節(jié)省操作費用上億元。如表4所示,熱泵精餾的綜合能耗比三塔精餾降低了52.05%。雖然熱泵精餾比三塔精餾多消耗參考文獻0.3MPa蒸汽733th,但是10MPa蒸汽節(jié)約了l劉源貴,馬希凱,蘭文禮三塔精餾技術在甲醇工業(yè)精餾中的應6945th,即熱泵精餾至少節(jié)約蒸汽6212th;而且用石油化工應用,200,28(2):l314[2]褚雅志,秦麗萍,王勝利,等.甲醇精餾工藝及其塔器優(yōu)化設計熱泵精餾的循環(huán)水消耗比三塔精餾節(jié)省2715ths化工進展,2008,27(10):16591662按每噸循環(huán)水運行成本02元,每噸1.0MPa蒸汽(]劉保柱,章淵,陳平,等節(jié)能型甲醇精餾工藝研究門化工進價值100元,電力價格為055元/(kWh),年操作時展,2007,26(5):739742間為8000h進行計算,節(jié)省水蒸氣和循環(huán)水的費用{丁干紅,葉鑫,李廷生甲醇合成及稀餾單元的熱集成門化工進展,2009,28(增刊):341-345扣除壓縮機運行電費(3900kWh),每年可以節(jié)省S]石海濤,張麗,王黎.甲醇合成中雙效精餾節(jié)能研究華北電力操作費用3688萬元。與三塔精餾工藝相比,熱泵精大學學報,2007,34(2):%101餾裝置追加的投資絕大部分用于配置離心式壓縮機6崔國星,林明穗,林向陽甲醇變壓逆流雙效精餾系統(tǒng)工藝模擬(約2000萬元),而該壓縮機的投資回收期僅為7與優(yōu)化門吉林化工學院學報2009,26(2):61l個月。對于180萬噸年的大[7陸恩錫,吳震蒸餾過程熱泵節(jié)能熱泵基本原理化學工程2008,36(8):75-78表3電力及耗能工質能量折算值8]朱平,馮霄.分割式熱泵精餾流程的優(yōu)化設計及運行調優(yōu)門化學工程,2004,32(6):1014類別能量折算值MU9]許維秀熱泵技術在精餾中的應用節(jié)能環(huán)保技術,2005(3)電力/kWh11[0】王中國煤化工石油化工10MPa蒸汽3182CNMHG[ll劉宗寬乙群承恒沸精餾新工藝的03MPa蒸汽t研究門化工進展,2003,2(11):147-1149