甲醇合成及精馏单元的热集成

化工进展2009年第28卷增刊CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS●341●甲醇合成及精馏单元的热集成丁干红，叶鑫,李延生(惠生工程(中国)有限公司，上海201203)摘要: 夹点技术是换热网络优化设计的一种方法， 本文利用夹点技术对甲醇合成及精馏单元进行了系统用能分析，找出了用能状况不尽合理之处。将甲醇合成及精馏两个单元作为一个系统整体考虑，提出了甲醇合成及精馏单元的换热网络优化方案.优化后整个系统可以节约低压蒸汽22.2%，节约循环冷却水14.9%.关键词:热集成;夹点技术;甲醇合成;甲醇精馏;节能甲醇是一种非常重要的有机化工原料，又是一出了其能量利用不合理的环节。基于夹点技术的种很有发展前途的新型能源燃料，在化工、轻工和设计原则，提出了一种节能效果显著的换热网络清洁能源领域具有广泛的用途。甲醇属于低附加值优化方案。化工产品，低成本是甲醇产品竞争的核心，也是甲1甲醇合成及精馏单元的物流数据醇生产企业采取的重要竞争策略。甲醇生产过程的能耗对甲醇生产成本有很大影响。近年来由于能源1.1 甲醇合成及精馏单元简介逐渐匮乏，环境污染日趋严重，节能减排越来越受采用热集成技术优化系统能量, - -般来说，如果到人们的重视。因此，甲醇工业的节能降耗具有重系统选取得较大,包含的单元较多,则节能效果显著,要的经济效益和社会效益。但由于进行单元之间的热集成受到单元之间距离等目前，人们纷纷从各种途径[16寻找降低甲醇因素的制约，节能优化方案的可操作性以及实际的节生产能耗的办法，取得了很好的效果。热集成是能效果都会打折扣8。因此,本文选择在工艺流程上减少化工过程系统用能的手段之- -，但热集成技属于.上下游关系且装置距离较近的甲醇精馏和合成术在甲醇工业的应用研究，至今鲜有报道。夹点两个单元作为一个，系统来进行热集成分析。技术四是目前应用最广泛的热集成技术，夹点技本文以某30万吨/年甲醇装置为研究对象，其术将热力学原理和系统工程相结合，对工程系统甲醇合成及精馏单元的工艺流程简图如图1所示。的能量进行优化配置，提高系统的能量利用率,甲醇合成反应器压力为5MPa,属于低压甲醇从而降低能耗。合成。进入甲醇合成装置的原料气与循环气混合成本文利用夹点技术对某30万吨/年甲醇装置甲醇合成入塔气,被甲醇合成出塔气预热后进入甲甲醇合成及精馏单元的能量系统进行了分析，找醇合成反应器，甲醇合成出塔气经循环水冷却器降勉做气不气-1.杂畔食戚气'中1-5中央糖甲幕图1甲醇合成及精馏单元的工 艺流程简图.1- _甲醇合成反应器; 2- 甲醇闪蕪罐; 3-甲醇膨胀罐; 4甲醇预精馏塔; s- _甲醇加压塔: 6- 甲醇常压塔: 7-甲醇回收塔●342.化I进展2009年第28卷温至40°C后进入甲醇闪蒸罐,气相排放部分弛放气算可知，在现行换热网络中，甲醇合成单元消耗冷后加压循环;液相粗甲醇去甲醇膨胀罐。甲醇精馏公用工程22349kW;甲醇精馏单元消耗热公用工程单元为四塔流程，来自甲醇膨胀罐的粗甲醇预热后35086kW,冷公用工程44 634kW。去预精馏塔分离掉轻组分，预精馏塔塔顶采用二级2甲醇合成及精馏单元的夹点分析冷凝，经甲醇加压塔和常压塔双效精馏分离掉水和杂醇等重组分杂质。精甲醇从加压塔和常压塔塔顶2.1对两个单元单独的夹点分析采出，废水从常压塔塔底采出，常压塔中部采出含在夹点分析中，最小传热温差影响热回收量杂醇和水的甲醇去回收塔进行回收。和设备投资的大小，根据甲醇生产的换热器设计1.2甲醇合 成及精馏单元的物流数据经验，本文将最小换热温差取为10C。用夹点技经过对甲醇合成及精馏工艺流程的分析，从系术处理甲醇精馏单元的物流数据，得到图2的组统中提取参与换热的主要流股的物流数据。找到可合 曲线。甲醇精馏单元热物流的夹点温度为83.6构造换热网络的9股热物流和7股冷物流，如表1C，冷物流的夹点温度为73.6"C, 最小热公用工所示。表中的蒸汽冷凝液(H-8) 来自预精馏塔和程量为 29452kW, 最小冷公用工程量为39000加压塔的再沸蒸汽冷凝，蒸汽冷凝液去脱盐水站前kW。与甲醇精馏单元现有的换热网络相比，理论要被冷却到常温，可以回收大量热量，若这些热量上公用工程的节能潜力为5634kW,占现行甲醇精没有被合理利用，就会多消耗循环冷却水。因此在馏单元热公共工程量的16.1%， 冷公用工程量的本文进行夹点分析时将蒸汽冷凝液作为工艺流股来12.6%。处理。甲醇合成单元仅有冷热两股物流，只消耗冷甲醇合成及精馏单元中所用的冷公用工程为循公用工程， 不需要热公用工程，属于阈值问题9]。环冷却水，所用的热公用工程为低压蒸汽。通过计有阈值问题的换热网络设计不同于--般的夹点问题，对于甲醇合成单元来说，应该减少热量被冷表1甲醇合成及精馏单 元的冷热物流数据却水带走，尽量回收工艺物流的热量。但甲醇合设备编号物流描述起始温度末端温度焓变成单元的换热网络简单，在单元内部无法通过物CkW流重新匹配来节能。要想减少甲醇合成单元冷公甲醇精馏单元用工程的耗量，只能将其工艺物流的富余热量外4-I预精馏塔塔顶气相73.069.9 10215供给其它单元或副产蒸汽，如果将甲醇合成单元4-2预精馏塔-级冷凝器69.90.0 1872的富余热量引入甲醇精馏单元，那么就可以代替气相部分热公用工程。1-3加压塔精甲醇产品126.840.014082.2 以两个单元为系统的夹点计算H4加压塔塔项气相127.2127.0 22 897用夹点方法把甲醇合成及精馏两个单元的物流4-5常压塔塔顶气相66.640.0 23 101数据作为-一个系统进行分析，得到图3的组合曲线。1-6回收塔塔顶气相66.4855此时热物流的夹点温度仍为83.6"C，冷物流的夹点4-7常压塔进料132.878.31319200H-8蒸汽冷凝液179.240.0 102971802-1预精馏塔粗甲醇进料76.71602-2预精馏塔釜液73.65.2 122101402-3加压塔釜液130.6132.8 22876120C4常压塔釜液104.6电1008(C-s回收塔釜液8646(夹点C6加压塔进料75.6132.1233340甲醇合成单元H-9甲醇合成出塔气249.0“2X10* 4X10* 6X10* 8X10* 1X10 1.2X I0'焓变kW-7甲醇合成入塔气50.2213.8 34 946图2甲醇精馏 单元的组合曲线增刊丁干红等:甲醇合成及精馏单元的热集成●343.温度仍为73.6C,最小热公用工程量为14 050kW,费 用和操作费用之间综合考虑，可允许-部分热量最小冷公用工程量为45947kW.与现有换热网络相自由穿越夹点9。比，理论上，公共工程的节能潜力为21 036kW,3甲醇合成及精馏单元的优化方案占现行换热网络热公用工程量的60.0%，冷公用工程量的31.4%。由此可见，与两个单元单独用夹点为改善现有换热网络的用能状况，本文提出的分析相比，将甲醇合成及精馏两个单元作为一个系优化思路为:可以利用系统内的低品位热源提高入统考虑，有更大的节能优化空间。塔合成气去入塔气预热器前的温度，从而使离开入塔气预热器的出塔合成气温度升高，并利用此出塔50 F合成气的热量来代替部分热公用工程，以此达到节200 t能的目的。而需要加热或冷却的工艺物流，则尽量使之能相互换热，减少公用工程的用量。。150根据上述分析，本文提出了优化方案，为简明表示甲醇合成及精馏单元的换热网络，将现行的工夹点艺过程绘制成图4;将该优化方案进行分析计算和50 t流程模拟，优化后的工艺流程见图5,具体的优化内容如下。2x10' 4XI0 6X106 8xldf 10 12x10 L.4XI06 l6X0焓变kW(1)蒸汽冷凝液通过加压塔进料预热器(E3)图3甲醇合成及精 馏单元的组合曲线后，不去粗甲醇进料预热器(E4)，而直接去加热甲醇回收塔再沸器(E5), 然后去甲醇合成单元。新23 以两个单元为系统的夹点分析增换热器E7,用蒸汽冷凝液预热入塔合成气。通过为达到最小公用工程的用量，夹点方法"]的3换热器E7,蒸汽冷凝液降温至62.0C,入塔合成气个设计原则是:①夹点之上不应引入任何冷公用工升温至73.0C,这样既可以节约用于冷却蒸汽冷凝程;②夹点之下不应引入任何热公用工程:③不应液的冷公用工程5941kW,还提高了入塔合成气去有跨越夹点的换热。入塔气预热器前的温度，使得离开入塔气预热器的根据夹点计算进行分析可知，甲醇合成及精出塔合成气温度升高到102.1 C。馏系统中用能不合理的地方有以下几点。①甲醇(2)102.1C的出塔合成气在用循环水冷却合成塔的入塔合成气初始温度在夹点以下，却用之前可以先用于甲醇预精馏塔的再沸(新增换热初始和末端温度都高于夹点温度的出塔合成气加器E8)，以减少冷热公用工程的双重浪费:节约热，使得出塔合成气的热量被“贬值"，未被合理了用于甲醇预精馏塔再沸的热公用工程7785kW,利用。②出塔合成气在与入塔合成气换热后温度同时节约了用于冷却出塔合成气的冷公用工程仍高于夹点，却用了循环冷却水来冷却。虽然温2828 kW。度超过夹点温度不多，但是由于该流股流量很大，(3)热物流加压塔的精甲醇产品与冷物流预精而A有甲醇冷凝的大量潜热，因此应该利用这部馏塔的粗甲醇进料两股物流所需的换热量接近，可分能量。③热物流中加压塔的精甲醇产品和蒸汽相互换热(换热器E4),从而减少了冷却精甲醇产冷凝液在温度高于100C时,用循环冷却水冷却不品的冷公用工程1236kW， 而蒸汽冷凝液的热量可合理。④冷物料中预精馏塔粗甲醇进料从初始温以挪作他用。度到末端温度基本处于夹点温度以下，却用温度(4)由于用于甲醇预精馏塔再沸的热公用工较高的蒸汽冷凝液加热。程(低压蒸汽)量减少,蒸汽冷凝液的流量也相应遵循夹点设计的三大原则，虽然这些用能不合减少。本文优化方案中的蒸汽冷凝液流量为优化前理的物流通过多种换热匹配可以达到最小公用工程的77.8%。用量的目的，但是在实际应用过程中由于完全禁止与原换热网络相比，优化后的换热网络节约热能量穿越夹点,会造成流股分割和增加过多换热器，公用工程7785kW,节约冷公用工程10 005kW,仅使流程复杂，设备投资增加。因此在满足换热流股增加两台换热器，就使热公用工程用量减少了间最小换热温差的情况下，为使流程简单，在设备22.2%，冷公用工程用量减少了14.9%。●344●化L进展2009年第28卷丽70网69."40.0C四1888127.0C0回40.0*C面720_ 6.6"C40.0*C .国品6.6.6664号网132.8"C回-馆3心i 1792C4.0心网+国一 四国@O-75.2心功6'C rca118回1306CC_104.6C _1048CC4104.6"C .1048CC1321.C75.6C四2490-◎-40.0.C2138C .知2°回L为物道点图4甲醇合成及 精馏单元现行换热网络图热德出史点1 73.0"C69969.9.C40001268"C127.0.西1722.n 6"C4.0CB66r .64C_囫128"2回一232192C国一回-@40吧阳7152°/四十1306七C3- 180 @士_1046C104.6C10.8CCs121 c756°-O-C]4.0C__2138"C--L冷物说夹成.6C图5甲醇合成及 精馏单元热集成后的换热网络图明显的优化方案，采用将甲醇合成出塔气余热用于4结论甲醇侦精馏塔再沸等措施，有效减少了冷热公用工作者运用夹点技术对甲醇合成及精馏单元进程的耗量。行了用能分析和诊断，发现将甲醇合成及精馏两个参考文献单元联合起来进行换热网络优化，有显著的节能空间。通过夹点分析找到了系统中用能不合理之处，[1]刘保柱. 章渊昶,陈平,等节能型甲醇精馏工艺研究[J].化工进展，2007, 26(5); 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