多效精馏[1-3]是利用高压塔的塔顶蒸汽冷凝潜热, 来加热相邻低压塔的塔底物料, 两塔共用一个热交换器, 以达到节约能量和投资的目的。杨兆娟[4]分析了乙醇-水物系多效精馏的技术路线和节能方案。Hlmeier J等[5]设计了一套通用的双效精馏工艺流程, 并制定出了双效精馏在具体实施时采用的控制方案。Myungwan Han[6-7]等人研究了含水物系双效精馏的控制与优化。王葳[8]等提出了计算多效精馏的数学模型与优化计算方法。张鹏等[9]就进料组成对双效精馏节能效果的影响作了研究, 结果表明, 轻组分含量越高, 其节能效果越好。笔者[10]也曾对DMF-水物系的多效精馏工艺进行过模拟研究, 结果表明节能效果是非常明显的。
本文利用ASPEN PLUS化工模拟软件的优化计算功能, 系统模拟了多效精馏用于分离不同浓度甲醇-水体系工况, 并通过优化计算确定各效的最佳工艺参数, 由此算出各种回收方案的操作费用和设备投资, 从中筛选出最佳的工艺回收路线, 为多效精馏分离甲醇-水生产工艺的设计提供基础数据。
研究中, 笔者提出了双效、三效和四效分离流程, 但由于四效以上的流程设备投资加大, 工业化价值不大, 因此四效不作研究。以顺流和逆流三效分离流程为例, 工艺流程见图 1和图 2。
多效精馏分离甲醇-水工艺的主要任务是通过优化计算, 以确定各塔压力分布以及各塔塔顶甲醇的蒸出量, 保证相邻两塔塔顶和塔底的传热温差及热量匹配。因此利用ASPEN PLUS软件模拟计算时, 对数据输入作出以下两点规定:
(1) 高压塔塔顶蒸汽所释放的潜热应等于相邻低压塔塔底物料汽化所需的热量, 考虑各效热损失为2%, 则有0.98Qc, i=Qr, i+1。
(2) 高、低压塔塔顶和塔底物流的传热温差应满足: tD, j-tw, j+1≥Δtm (Δtm取10℃以上)。
由规定(1)计算出各效塔顶甲醇的蒸出量; 由规定(2)确定各塔的操作压力。
为了便于比较各效计算的结果, 采用相同的进料热状态、规定相同的分离要求, 具体数据见表 1 (表中的进料组成是指甲醇的含量)。
规定以上模拟条件, 利用ASPEN软件中的严格精馏模块(RADFRAC)和WILSON物性计算模型, 通过各效塔顶甲醇蒸出量和操作压力的反复试差, 得到多效顺流和多效逆流精馏的各效操作参数、整个多效分离体系的能耗以及相应的设备参数, 详细模拟结果见表 2和表 3。
将上述模拟结果绘制成能效关系图, 即Qr-Nt关系图, 结果见图 3至图 5。可见, 随着效数的增加, 能耗急剧下降, 但效数超过三效后, 能耗的下降趋于缓慢, 因此从工业化角度来考虑, 采用三效精馏工艺比较合适。
精馏分离过程的总运行费用主要由以下两部分组成, 即操作费用(包括再沸器蒸汽费用α、冷凝器冷却水费用β)和设备费用(分离塔和换热器费用的总和)的折旧费用γ, 假定设备的使用年限为15年, 则有:
因此单塔精馏过程的总费用为: δNt=Σ (αi+βi+γi)。以多效精馏过程总费用与单塔精馏过程总费用的相对值, 即fNt=δNt/δ为目标函数, 以效数Nt为自变量, 绘制fNt-Nt关系图, 结果见图 6和图 7。可见, 不同浓度的甲醇料液, 无论是顺流还是逆流多效精馏, 其三效流程总的运行费用最低, 即经济效益最佳。
(1) 随着精馏效数的增加, 塔顶冷却水和塔底蒸汽消耗量减少, 分离能耗降低, 节能效果好。
(2) 多效果精馏是充分利用塔顶蒸汽的热量, 因此对于高浓度的甲醇-水体系的分离, 进料中甲醇含量越高, 采用多效精馏的节能效果越明显。
(3) 与单塔精馏相比, 甲醇浓度分别为70%、80%和85%时, 其三效顺流与三效逆流精馏工艺的节能分别为57.8%、57.5%、58.0%和54.5%、54.9%、54.5%。
(4) 精馏效数增加, 在能耗减低的同时设备投资随之加大。基于综合经济效益, 研究结果表明, 顺流和逆流多效精馏工艺中均以三效精馏工艺最合适, 而顺流三效精馏工艺比逆流三效精馏工艺要好些。
符号说明
2010, Vol. 39 Issue (1): 14-17
2010, Vol. 39 Issue (1): 14-17