一种研究甲醇双塔和三塔精馏技术的设计方案外文翻译资料

 2022-07-28 15:44:11

一种研究甲醇双塔和三塔精馏技术的设计方案

A.P. Douglas a, A.F.A. Hoadley

A Plant Solutions Pty Ltd，Suite 2，63 Rosstown Road，Carnegie，Vic. 3163，澳大利亚b.莫纳什大学化学工程系， 3800，Australia

Received 7 April 2005; accepted 6 July 2005

Available online 24 August 2005

摘要

本设计对用于纯化粗甲醇的双塔和三塔甲醇蒸馏方案的热经济进行比较。研究的方案包括常规的双塔方案，包括预精馏塔和精馏塔，两个不同的富集级联三塔方案和双效三塔方案。 在前端过程中考虑了三种不同的重整过程技术。热积分方法用于确定最佳塔压力。 通过确定各自的成本，运营和投资成本来评估进行热量融合的优势。

关键词：热集成; 侧面再沸腾 甲醇净化; 能源效率

  1. 介绍

用天然气原料生产甲醇是世界上最重要的天然气液化过程之一。 蒸汽-甲烷重整（SMR）用于产生合成气，可以从次级氧气重整炉中补充气体[1]。 当与水或蒸汽结合时，最终的合成气在合成循环中产生甲醇（CH3OH）。

甲醇合成在不均相的催化床上的气相中发生。 COx和氢气对甲醇的反应是高度放热的，但并不完全[8]。 为了提高合成回路的效率，转炉流出气体被冷却到甲醇-水的露点，以允许原料乙醇液体被排出，未转化的反应物被回收。这种冷凝过程是剩余热量的主要来源。另一个来源是在压缩进入合成回路之前冷却进料气所释放的热量。

来自合成回路的冷凝液通常分两个阶段在阶段于略高于大气压的压力下操作的常规精馏塔中被纯化。第一个精馏阶段用于除去轻馏分，并且在称为预精馏塔的单个精馏塔中进行。该塔用作回流汽提塔。液体在塔顶附近进料，在再沸器中产生的甲醇蒸气用于脱去轻质组分（如DME，甲基丙烯酸甲酯和丙酮）和残留的溶解气体。调查的主要方面是甲醇净化的第二阶段。这是甲醇精炼阶段，其中甲醇作为来自一个或多个蒸馏塔的塔顶产物被回收，而作为底部产物的水被抽出。被称为杂醇油的中等沸点杂质（主要是乙醇，也可以是高级醇，酮和酯）在进料阶段[10]作为侧流排出。提供这种侧线流股使生产的甲醇符合美国联邦规范O-M-232K Grade“AA”。

在典型的双塔甲醇纯化方案中，如图1所示。约20%纯化所需的总热量与塔顶相关，而剩余部分需要从乙醇和水中分离甲醇。文献[8]广泛报道了这一基本方案。20世纪70年代中期以来，由于能源成本急剧上升，甲醇技术专利人和运营商将重点放在了对这一标准双塔的替代方案上。这些替代方案中的许多方案包括了将精馏塔分离成两个在不同压力下运行的独立塔，使得高压塔的塔顶馏出物可以用于低压塔的再沸器。三塔精馏的三个变化主要考虑以下三点：

1．标准三塔精馏方案采用预精馏塔，然后是高压塔，其为最后的（回收）塔提供进料。高压塔顶部冷凝器为常压塔再沸器提供能量（图2a）[8]。

2．双联三柱方案首先是预精馏塔，随后是高压精馏塔，其提供了最终（回收）柱的预改性进料。精馏塔塔顶冷凝器为常压塔再沸器提供能量（图2b）[10]。

3．双效三塔方案，首先是预精馏塔，随后是与低压精馏塔平行运行的高压精馏塔。 高压精馏塔塔顶冷凝器重新排入低压精馏塔（图2c）[3]。

三塔流程的设备投资成本比标准的双塔流程明显更大。 Seddon对世界级甲醇装置（采用常规SMR技术）的经济分析[15]表明，甲醇蒸馏段仅占总装机成本的11％.Macnaughton等给出蒸馏过程资本成本的10-15％的类似估计[14]。 他们还指出，精馏与其余工艺的整合使得精馏塔成为低等级热量“水槽”，从而提高了整个工艺的效率。

本研究的目的是利用热集成技术来确定文献中叙述的不同蒸馏方案的实际改进，这关乎整个工厂效率的提高或设备投资成本的降低。此外，对这些蒸馏方案进行评估，得出方案与背景进程相结合的适应性结论。

2.1过程大复合曲线（GCC）

热集成或夹点分析提供了一种设定最大热回收和最低消耗（例如蒸汽和冷却水）的目标的方法。需要冷却的工艺流股被分类为热流，它为需要加热的工艺流股或冷流股提供热源。 Pinchanalysis是基于这样的前提，即工艺流股可以以最小化对外部热源或热水槽的依赖的方式进行匹配，同时遵守交换器最小进入温度（参见[13]）。热积分分析的强大工具是大复合曲线（GCC）。图3示出了用于设置热效用要求（图3顶部的双水平线）和冷应用需求（图中底部的双水平线）的大复合曲线的使用。从工艺流股温度和焓的知识，根据热级联原理构建GCC[13]。它提供了一个过程的净加热和冷却要求的总体情况，这可用于识别：

·温度范围内存在热量盈余和赤字。

·过程夹点（用于最大热回收）—— 在这些热流股被冷却至该温度之前，热传递之后不存在净剩余或热量缺失的温度，以及那些冷加工流从该温度加热的温度。

·热水设施（例如蒸汽或燃烧的加热器）和冷的设施（例如冷却水，或提高蒸汽或加热锅炉给水）的适当放置以及各自的负载。

·如果将再沸器和冷凝器的任务排除在工艺GCC的施工之外，则适当安置蒸馏塔。在这种情况下，GCC实际上是后台流程GCC。

常规的蒸馏塔需要在再沸器中提供分离过程所需的热量，然后在较低的温度下从塔顶冷凝器排出该热量。 在该过程中设置蒸馏塔，使得再沸器在高于处理夹点的温度下接收热量（来自过程或来自热应用或两者都有），同时在低于加工夹点的温度下从其冷凝器排出热量。这将导致交叉热传递，无节能[12]。 然而，如果柱子完全位于夹点的上方或下方，则再沸器或冷凝器与该过程的整合将导致净能量达到所积分的量。因此，LinnhofF等人[12] 得出结论，将塔整体集中在过程夹点上方或下方将更具热效率。

Dhole和Linnhoff [5]表明，蒸馏塔可以用温度焓（T-H）表示，以确定塔在背景过程中的适当位置以及多个柱之间的热积分机会。 使用T-H盒代替相对于背景工艺GCC的蒸馏塔的实例在图3中示出。 该图还示出了塔压力如何用于垂直调节蒸馏塔，在这种情况下，以便于塔冷凝器与另一塔的再沸器的耦合。

虽然这种技术对于定位与处理GCC相关的塔很有用，，但这些T-H仅显示再沸腾和冷凝的要求，而不显示各塔的内部温度-热量等数据。 因此，它们不能产生关于中间再沸器或冷凝器的尺寸（占空比）和位置（级）的任何信息。 然而，塔的复合曲线（CGCC）可以将该信息提供给设计者。

2.2塔复合曲线（CGCC）

过程GCC是通过考虑过程的每个温度水平的热级联，通过对过程热和质量平衡的了解构建的。类似地，塔大复合曲线（CGCC）由塔内质量流股和焓的知识构成。Dhole和Linnhoff [5]以及最近的Bandyopadhyay等人提出了用于生成CGCC的各种方法[2]。产生CGCC的过程基于最小热力学条件（MTC）的假设概念，其中假定塔操作是可逆的，即没有动量损失。最终的结果是具有最小内流流量，最小净工作消耗（分离组件）的塔，并且在阶段之间没有有效的热和质量传递的驱动力。对于二元分离，通过同时求解可逆方案的质量和能量平衡来获得柱温焓关系。对于多组分系统，Fonyo [9]提出并由Dhole和Linnhoff [5]采用的简化方法使用轻关键组分和重关键组分来模拟二进制状态。

Dhole和Linnhoff [5]提出了一个真实塔的尽可能接近最小热力学条件（PNMTC），仍然需要无限数量的分离阶段和无限数量的侧交换器。然而，因为数据是从汇聚塔模拟，还可以包括进料段混合损失和压力损失（在实际列中都是不可避免的）。它还可以考虑实际的塔配置，例如多个产品，侧线出料和侧面整流器。该程序包括使用蒸气和液体流量和塔模拟中的焓来计算每个分离阶段的能量平衡变化。在每个阶段获得缺少的能量，忽略所有进入和离开塔的热传递，即忽略 Q冷凝器, Q再沸器和 Q换热器。这种方法如图4中所示，一步一步的过程参见Dhole和Linnhoff [5]。当每个阶段的净焓不足被加到冷凝器的负荷，并从相对于阶段温度绘制，在塔的实际接近最小条件下获得CGCC的近似值。

如果塔在其最小回流比或接近其最小回流比下工作，塔将需要无限多的塔板数，则进料阶段的热量提供达不到塔顶冷凝器的使用温度，这样进料阶段的净热负荷将为零。因此，进料阶段成为在其PNMTC运行的蒸馏塔中传热的夹点。这类似于过程夹点（见图2）。图4中的热负荷轴表示最小热量，其必须可用于每个温度水平或塔中每个理论阶段的热传递，以驱动分离。在进料阶段以下的热负荷的大步骤表明，从再沸器发出的蒸气有大量的热传递到通过塔下降的液体。相反，进料级上方的热负荷的步骤表明大部分热量来自塔顶冷凝器的液体回流与富含轻关键组分的蒸气之间的转移速率，其通过供给到汽提段中的进料的热量从进料中被汽提。在中间塔温度下的热负荷的大的变化表明有可能使用外部设备在这些温度下提供热量（或去除热量）。在热负荷变化与温度显着变化重合的塔的区域中存在大的传热驱动力。因此，可以在这些温度下直接添加或除去热量，而不会显着增加理论分离阶段的数量。总之，CGCC也许可以集成后台进程，提供信息以评估侧料加热或冷却操作的可能性。

2.2经济分析

经济评估要探索使资金-能源权衡。在本研究中，该分析是在相对的基础上进行的，使用双塔蒸馏方案作为各种甲醇蒸馏方案之间成本比较的参考或基础情况。使用简单的贴现现金流分析来确定合适的资本化因素，以利用在更节能的基础上计划降低相关的年度运营成本。该资本化用于确定相对于两塔基础案例的运营成本节省的资本等价物。以下假设被应用于净现值（NPV）模型：

初始投资金额反复确定，初始投资净值（2003美元）加上贴现现金流量（主要是现金流出，天然气储蓄=收入或现金流出减少）的总和，以每年150％的贴现率等于零，申请二十年以上。

使用传统的工程方法对每个方案所需的各种设备进行尺寸和成本，其全部细节由道格拉斯[6]提供，然后将这些成本转换为总装机成本，以反映购买成本，运费到现场和安装。相对于两塔基本情况计算相差的安装成本。

资本成本的差异性完全由资本化运营储蓄所抵消。结果是最大的净资本支出，这是可以花费的金额，以便：

实现能源节约作为天然气消耗的实际节约，即实施BFW /蒸汽系统的改变。对甲醇合成设备的任何其他资本和运营成本影响（例如更高的维护成本，或可能更复杂的过程控制）。如果少于实际支出的最大净资本支出，则该项目将以总成本为基础，对双塔基础案例进行改进。

3.经济分析

3.1背景过程复合曲线

对于以下低压天然气对甲醇工艺技术，产生了用于背景过程的大复合曲线（GCC）：

·使用SRK-Kabadi-Danner热力学性质库[11]，对于商业仿真库的融合模拟，使用热和物质守恒数据手动生成问题表。为了获得背景过程GCC，从分析中特别排除了许多流股。这些流股如下所示：

·与甲醇净化相关的所有物流，除了Apanel [1]使用的进料预热/产品运行失效交换。
·所有公用工程流股，包括与锅炉给水预热和蒸汽升高相关的流股。假设重熔炉烟气和燃烧空气流股是效用流，因此也被排除在分析之外。
·与空气分离单元（ASU）相关联的所有流股。排除与ASU相关的流，因为：（i）假定ASU内的热集成机会将最大化，以最大限度地提高ASU设备的效率，并且（ii）由于含氧气流和甲醇之间的匹配将不允许出现安全问题。

·所有的反应堆都不在海湾合作委员会的范围内，尽管它们的入口和出口流温度和热容量流量反映了它们的存在。

三种工艺技术中的每一种的GCC如图5所示。冷加工流程以假定的20℃最低温度方式向上移动，以反映所有热传递任务的实际平均最小传热温度，无论是气体，气体-液体，液体-液体还是冷凝过程。热流温度未发生变化，因此可以在实际工艺温度下显示由热流所覆盖的大复合曲线。

图5示出了传统的SMR过程和组合重整过程都不需要任何附加的热效用。 Linnhoff等[13]是指“阈值”问题的情况。两种GCC都具有相似的形状，具有大量可用于高压蒸汽提升的高等级热量。这种高压蒸汽用于驱动蒸汽轮机，而来自这些涡轮机的低压排气可用于再沸器热量。相比之下，图5所示的LCM过程的GCC。5显示温度为183℃的工艺夹点。发生这种夹点是因为LCM过程在饱和塔中与大量循环热水循环接触天然气进料。天然气原料通过低等级蒸汽变得过饱和，从而减少间接注入蒸汽以实现所需工艺蒸汽/碳比的需要。水蒸发进入吸收器热量，因此这种饱和的循环水是一个重要的工艺散热器。

3.2塔复合曲线

为四种甲醇蒸馏方案中的每一种建立了方法模拟模型，即双塔方案和三种不同的三塔装置。 在所有情况下，假设轻关键组分为甲醇和重关键组分是水。每个CGCC中的虚线表示进料台的位置。

3.2.1预精馏塔CGCC

虽然预精馏塔在甲醇净化过程中是次要贡献者，但其CGCC在图6中首先呈现。所有四种方案都是常见的。该图显示，所有热量需要在再沸器温度的5℃以内提供，因此在再沸腾中没有任何值。与所有其他塔选项相比，预精馏塔再沸器温度88℃是最低温度，因此可以与任何后台工艺相结合，以利用可用的低级工艺热。

3.2.2双塔方案精馏塔CGCC

双塔精馏塔如图7所示。在双塔方案中，精炼塔消耗了甲醇纯化所需的大部分热量。此外，对于精馏塔再沸器（即1

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