化I進(jìn)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(jìn)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(dá)14以上,只需要消耗少量最低級(jí)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(yīng)用于180萬噸/年的甲醇精餾裝置，預(yù)計(jì)每年可節(jié)省操作費(fèi)用上億元。關(guān)鍵字:節(jié)能;甲醇;熱泵精餾;三塔精餾中圖分類號(hào): TQ 051.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào): 1000- 6613 (2010) S2 -074- 04.Study on the new technology of heat pump rectificationin production of methanolYE Xin, LU Jianning, DING Ganhong, GONG Wanfiu .(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 plant.Key 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(jì)證甲醇產(chǎn)品質(zhì)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(shù)，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(jì)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(yīng)用，甲1三塔精餾工藝的弊端醇需求總量和單套裝置處理量將會(huì)日益增大，因此提高甲醇產(chǎn)品質(zhì)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(guān)注。甲醇精餾的任務(wù)是脫除粗甲醇中的二甲醚等收稿日期: 2010-06-23; 修改稿日期: 2010-09-03.輕組分及水、乙醇等雜質(zhì)，生產(chǎn)符合要求的精甲第一-作者簡介:葉鑫(1981-)，男，碩士,工程師，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(shù)研發(fā)及工程設(shè)計(jì)。E.mail yexin@wison 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?xì)怏w的壓力和冷凝溫度，作為精餾- 04塔塔釜再沸器或中間再沸器的熱源，充分利用了精精甲醇甲醇?xì)怏w的冷凝潛熱，同時(shí)減小了塔釜熱公用工程和塔頂冷公用工程消耗。熱泵精餾只需消耗少量最粗甲醇低級(jí)別的水蒸氣(如0.3 MPa),同時(shí)節(jié)省大量更高2|雜醇等級(jí)水蒸氣(如1.0MPa)。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)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7。對于一圖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-預(yù)塔: 2- 加壓塔: 3一常壓塔: 4- 預(yù)塔冷凝器: s-預(yù)塔再沸器:用分割式熱泵精餾流程更加經(jīng)濟(jì)，這種流程采取6-加壓塔再沸器: 7一常壓塔冷凝器: 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(fèi)用適中，控制簡單189。常壓餾)工藝，即粗甲醇順序通過預(yù)塔、加壓塔、常壓下甲醇沸點(diǎn)為64 C，水的沸點(diǎn)為100 C，所以塔進(jìn)行精餾分離。由預(yù)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(yù)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(yuǎn)大于水的濃度，精餾段熱負(fù)塔塔頂和常壓塔塔頂出料分別獲得精甲醇，利用加荷遠(yuǎn)大于提餾段的熱負(fù)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(cè)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-2。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(shù)也很成熟，但是隨著甲醇裝置規(guī)模日益-一個(gè)進(jìn)料口;而下塔類似于常規(guī)精餾的提餾段，進(jìn)擴(kuò)大，例如甲醇制烯烴MTO、MTP等裝置的配套料來自上塔的釜液，蒸汽出料則進(jìn)入上塔塔底?？杉状籍a(chǎn)量大都超過180萬噸/年,即使采用三塔精餾通過控制分割點(diǎn)濃度(即下塔進(jìn)料濃度)使上塔工藝，能耗的絕對值也是巨大的。國內(nèi)學(xué)者在甲醇精餾的精餾效數(shù)、進(jìn)料順序、溫差比較小，從而減小壓縮機(jī)所需壓縮比，降低進(jìn)料位置、換熱網(wǎng)絡(luò)等方面做了大量研究，提出投資和運(yùn)行費(fèi)用，縮短追加投資的回收期。上塔了很多優(yōu)化方案,達(dá)到了一定節(jié)能效果B-6),但是，安裝熱泵會(huì)取得較好的效果，熱泵供熱系數(shù)COP本文作者認(rèn)為多效精餾仍存在一些不足之處: ①較大;同時(shí)，下塔的回流量也會(huì)大大減小，水蒸多效精餾通過設(shè)置若干操作壓力不同的精餾塔，氣消耗很少。梯級(jí)利用各塔塔頂?shù)募状颊魵?，但是，操作壓力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(shí)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(jí)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(jí)限制，而且隨著操作壓力提高,物料的相對揮發(fā)度變小，所需回流比更大，增加精餾效數(shù)的節(jié)能效果變得圖2甲醇熱泵精餾工藝流程圖不明顯。1-預(yù)塔: 2 -主精餾塔上塔: 3- 主精餾塔下塔: 4←預(yù)塔冷凝器:2甲醇熱泵精餾的原理及優(yōu)點(diǎn)s-預(yù)塔再沸器: 6一甲醇?xì)怏w壓縮機(jī): 7-上塔再沸器:熱泵精餾工藝直接壓縮精餾塔頂精甲醇?xì)怏w,8-粗甲醇預(yù)熱器: 9精甲醇水冷器: 10- -下塔再沸器●76.工進(jìn)展2010年第29卷塔進(jìn)行精餾，主精餾塔上塔塔頂精甲醇?xì)怏w( 340 K、3熱泵精餾技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析110 kPa)經(jīng)過甲醇?xì)怏w壓縮機(jī)增壓升溫，操作壓縮本研究以45萬噸/年甲醇精餾裝置為例，通過比為1.8，壓縮后的精甲醇?xì)怏w(377K、198 kPa)對熱泵精餾和三塔精餾的工藝流程進(jìn)行模擬計(jì)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(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比分析，預(yù)測了熱醇(356K)先后經(jīng)過粗甲醇預(yù)熱器和精甲醇水冷器泵精餾的經(jīng)濟(jì)效益。冷卻至313K,冷卻后精甲醇分為兩部分，一部分作3.1計(jì)算基準(zhǔn)為精甲醇產(chǎn)品(55744 kg/h、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(biāo)準(zhǔn)主精餾塔.上塔回流液(139360 kgh、313 K)，回流“AA”級(jí)指標(biāo)(主要雜質(zhì)質(zhì)量含量指標(biāo):乙醇≤10比為2.5,主精餾塔上塔塔釜排出甲醇液體(346K，mg/kg，水分≤0.1%);年操作時(shí)間8000h;粗甲醇甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%)進(jìn)入主精餾塔下塔頂部進(jìn)行精處理量為59.21 th,粗甲醇組成見表1。餾，主精餾塔下塔塔頂氣體(346K、117 kPa)進(jìn)入主精餾塔.上塔底部，主精餾塔下塔側(cè)線采出雜醇表1粗甲醇組成(855 kg/h、352 K、118 kPa),主精餾塔下塔塔釜組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%排出廢水(1952 kg/h、378 K、120 kPa)。甲醇9.003.5對比分析與討論二甲醚等輕組分.00在采用相同的粗甲醇指標(biāo)和總量以及精甲醇乙醇.09雜醇0.19產(chǎn)品指標(biāo)和總量的情況下，分別對熱泵精餾和三塔水精餾兩種流程進(jìn)行了模擬計(jì)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.3.2熱泵精餾工藝參數(shù)精餾使用的0.3 MPa蒸汽略多于三塔精餾，但是不預(yù)塔操作壓力210kPa,塔頂溫度355K,塔釜.需要使用1.0 MPa的蒸汽，總的來說熱泵精餾使用溫度359K,甲醇?xì)饣?.8。為了保證預(yù)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(jìn)入燃料氣管網(wǎng)，參照相關(guān)工程項(xiàng)目,減少了56.8%。 另- -方面，熱泵精餾通過以電能作模擬計(jì)算時(shí)預(yù)塔的操作壓力均按210 kPa考慮。預(yù)為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，雖然消耗電力3900 kW.h,但塔塔頂擬采用兩級(jí)冷卻的方式，并且配有解析器，是壓縮后的甲醇?xì)怏w可以為主精餾塔上塔再沸器提從而有效去除輕組分雜質(zhì)，文中在計(jì)算分析時(shí)進(jìn)行了簡化處理。甲醇?xì)饣识x為預(yù)塔塔項(xiàng)氣體冷凝表2熱泵精餾與 三塔精餾的公用工程消耗對比對比項(xiàng)目三塔精餾熱泵精餾.后的回流液質(zhì)量與進(jìn)塔粗甲醇質(zhì)量之比。主精餾塔上塔操作壓力110kPa,塔頂溫度340預(yù)塔K，塔釜溫度346 K.0.3 MPa蒸汽/t28.1525.65主精餾塔下塔操作壓力120 kPa,塔頂溫度346循環(huán)水/t1262常壓塔(主精餾塔)能耗K，塔釜溫度378 K。3.3三塔精餾工藝參數(shù)9.83預(yù)塔操作壓力210kPa,塔頂溫度355K,塔釜282880加壓塔能耗溫度359 K,甲醇?xì)饣?.8。常壓塔操作壓力110kPa,塔頂溫度340K,塔1.0 MPa蒸汽r69.45一循環(huán)水/t .91釜溫度378K,回流比2.5.加壓塔操作壓力800 kPa,塔頂溫度401K,塔壓縮機(jī)能耗電力kWh3900釜溫度404 K，回流比3.0.3.4熱泵精餾工藝流程說明共計(jì)35.48粗甲醇(313 K、400 kPa)經(jīng)過粗甲醇預(yù)熱器1.0 MPa蒸汽h-預(yù)熱至345 K,然后進(jìn)入預(yù)塔進(jìn)行初步精餾加工，.輕組分雜質(zhì)經(jīng)過預(yù)塔冷凝器兩級(jí)冷卻至313K后排循環(huán)冷卻水/t47812066出，脫除輕組分的粗甲醇(359K)進(jìn)入主精餾塔上電力/Wh.增刊葉鑫等:甲醇熱泵精餾新工藝●77●供約56000 kW熱量，熱泵供熱系數(shù)COP高達(dá)14表4兩種流程綜合能耗比較 (單位時(shí)間:小時(shí))以上，即以消耗少量電力為代價(jià)，節(jié)約了大量水蒸能源項(xiàng)目三塔精餾熱泵精餾氣和循環(huán)水。0.3MPa蒸汽h28.1535.48從技術(shù)可行性方面來說，熱泵精餾技術(shù)已經(jīng)在折算值MJ777898031乙烯裂解裝置的乙烯精餾塔、丙烯精餾塔、高低壓1.0MPa蒸汽r69.45一脫丙烷塔等分離塔系中成熟應(yīng)用，節(jié)能效果顯著,220990經(jīng)濟(jì)效益可觀，并且總結(jié)了豐富的設(shè)計(jì)、施工、開循環(huán)冷卻水h47812066停車和生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[10。隨著能源價(jià)格的不斷上漲200328657以及我國節(jié)能減排工作的深入開展，熱泵技術(shù)應(yīng)用電力kWh3900領(lǐng)域也在不斷拓展，例如應(yīng)用于燃料乙醇熱泵恒沸46176精餾等新工藝川?？偰芰空鬯阒礛J318800152864目前來說，熱泵的工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)操作并不困總節(jié)能率/%52.05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(shè)置輔助冷卻器,減小入塔熱負(fù)荷;型甲醇精餾裝置，應(yīng)用甲醇熱泵精餾新工藝，每年在塔釜設(shè)置補(bǔ)充再沸氣體的支線，增加入塔熱負(fù)荷;可以減少操作費(fèi)用上億元。根據(jù)工藝條件設(shè)置開工再沸器等。所以，甲醇精餾4結(jié)論能否采用熱泵技術(shù)主要還是要看其經(jīng)濟(jì)效益。3.6經(jīng)濟(jì)效益分析甲醇熱泵精餾新工藝的節(jié)能效果顯著,經(jīng)濟(jì)效首先，對熱泵精餾和三塔精餾的綜合能耗進(jìn)益可觀，操作控制簡單，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。行分析，其中壓縮機(jī)的效率以75%計(jì)(壓縮機(jī)該工藝比三塔精餾工藝節(jié)能50%以上，對于45萬設(shè)計(jì)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(fèi)用數(shù)千SHT 3110- -2001 《石油化工設(shè)計(jì)能量消耗計(jì)算方萬元，壓縮機(jī)投資回收期不到- -年，尤其適合于甲法》對電力及耗能工質(zhì)進(jìn)行了能量折算，折算值見醇制烯烴MTO、MTTP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(yù)計(jì)每年可節(jié)省操作費(fèi)用上億元。如表4所示，熱泵精餾的綜合能耗比三塔精餾參考文獻(xiàn)降低了52.05%。 雖然熱泵精餾比三塔精餾多消耗0.3 MPa蒸汽7.33 th, 但是1.0 MPa蒸汽節(jié)約了1] 劉源貴.馬希凱，蘭文禮.三塔精館技術(shù)在甲醇工業(yè)精館中的應(yīng)那].石油化工應(yīng)用。2009. 28 (2) : 13-11469.45 th,即熱泵精餾至少節(jié)約蒸汽62.12th;而且[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(shè)計(jì)I]熱泵精餾的循環(huán)水消耗比三塔精餾節(jié)省2715 th.化工進(jìn)展，2008, 27 (10) : 169-1662.按每噸循環(huán)水運(yùn)行成本0.2元，每噸1.0 MPa蒸汽3] 劉保柱，章淵昶.陳平.等.節(jié)能型甲醇精馕工藝研究凹]化工進(jìn)價(jià)值100元，電力價(jià)格為0.55元/(kW:h),年操作時(shí)展，2007. 26(5) : 739-742間為8000 h進(jìn)行計(jì)算，節(jié)省水蒸氣和循環(huán)水的費(fèi)用4] 丁干紅，葉鑫李延生.甲醇合成及精餾單元的熱集成幾化工進(jìn)展，2009， 28(增刊) : 341-345.扣除壓縮機(jī)運(yùn)行電費(fèi)(3900 kW:h),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)能研究小華北電力操作費(fèi)用3688萬元。與三塔精餾工藝相比,熱泵精大學(xué)學(xué)報(bào)，20070 34 (2) : 98-101.餾裝置追加的投資絕大部分用于配置離心式壓縮機(jī)6] 崔國星，林明穩(wěn)，林向陽甲醇變壓逆流雙效精餾系統(tǒng)工藝模擬與優(yōu)化[小吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009. 26 (2) : 6-11.(約2000萬元)，而該壓縮機(jī)的投資回收期僅為77] 陸恩錫，吳震.蒸餾過程熱泵節(jié)能熱泵基本原理小化學(xué)工程，個(gè)月。對于180萬噸/年的大2008，36(8): 75-78.8] 朱平,馮霄.分割式熱泵精餾流程的優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)行調(diào)優(yōu)[n化學(xué)表3電力及耗能工質(zhì)能量折算值工程，2004, 32 (6): 10-14.能量折算值MJ9] 許維秀熱泵技術(shù)在精餾中的應(yīng)用[D節(jié)能環(huán)保技術(shù)，2005 (3) :36-38.電力/ kWh11.84[10]王振維， 楊春生. 熱泵在乙烯裂解裝置中的應(yīng)用印.石袖化工，循環(huán)水兒4.192001. 30(8) : 645-650.1.0 MPa蒸汽/t3182[川] 劉宗寬，顧兆林.賀廷齡，等燃料乙醇熱泵恒沸精餾新工藝的0.3 MPa蒸汽h2763研究(U].化工進(jìn)展，2003. 22 (1I) : 147-1149..