随着国家节能减排措施的进一步实施, 节能型甲醇精馏工艺已成为粗甲醇精制的发展趋势。节能型工艺中加压塔是保证精甲醇产品质量、实现双效精馏的重要单元。其物料平衡、热量平衡、汽液平衡是过程正常操作的保证[1]。
加压塔的设计和操作中, 理解组成和温度相对塔板的分布曲线是做好三个平衡重要方法。精馏塔沿塔向下的分布曲线表征了分离条件的许多信息。浓度分布曲线的形状表示了回流比是否过低或过高, 进料位置是否正确, 温度分布曲线表示了是否可能存在测量点和可控性问题[2]。
本文以Chemsep软件为工具, 对加压精馏塔进行模拟计算, 分析不同进料位置下的分布曲线, 研究分布曲线对甲醇精制的影响。
粗甲醇精馏过程是一个复杂的多组分分离过程, 物系中的主要组分为甲醇、水, 另外还有轻组分(主要是二甲醚和少量气体)及高沸物(主要是异丁醇)。模拟计算中采用如图 1所示的流程, 采用30块理论板、进料位置为第3块板(从塔顶向塔釜数)。进料为预塔处理后的预后甲醇, 存在甲醇、水、轻组分、重组分。计算过程中以甲醇和水为关键组分。塔顶产品为精甲醇, 塔釜为水、甲醇及重组分。
以某厂天然气为原料, 30×104 t/a的甲醇生产为模拟对象, 经预精馏塔精馏后的预后甲醇主要的组成为(质量分数) :甲醇:0.8315, 水:0.1684, 乙醇:7.44×10-5, 异丁醇:2.56×10-5。塔顶压力P=0.55 MPa。
模拟结果与实际工业过程的吻合程度与采用的模型、热力学方法有着密切联系。由于醇水体系的非理想性较强, 模拟计算过程中相平衡常数采用Wilson方程, 热焓采用Excess模型, 牛顿法求解[3, 4]。利用此模型对生产企业的实际生产过程塔顶压力P=0.55 MPa情况进行模拟计算, 得到塔内温度分布结果如图 2所示。与实际操作过程温度分布情况比较发现:模型计算结果基本符合生产实际, 证明模型有一定的可靠性, 可以应用于模拟计算与分析。
分别以3、10、20、25 (理论板)为进料位置对加压精馏塔进行模拟计算, 得到不同进料位置下塔内甲醇的浓度分布如图 3所示。除了3、25进料外, 其他进料位置下甲醇浓度曲线都在进料位置的上下位置出现挟点, 在此点上下浓度分布曲线的斜率不同, 存在不正确的精馏速率的现象。如图 3所示, N进料=10的进料位置时, 进料位置以下(10板至24板)甲醇的浓度始终保持在0.8% (摩尔分数)没有变化, 表明这些塔板对甲醇的提纯没有起到作用, 塔中10板至24板出现一段浓度没有变化的长线段即死区, 而进料位置以上(9板至1板)甲醇的浓度开始从0.8%迅速变向1%, 分离很快。从10板至24板浓度保持0.8%不变, 到9板至1板浓度迅速变向1%接近的过程中, 进料位置上下分离速率变化很大, 出现不正确的精馏速率, 必然会引起塔内质量平衡的问题。如果以此为进料位置, 在达到分离要求的前提下, 要消除挟点, 必须提高回流比, 但会导致能量消耗加大。
N进料=20的进料位置情况与N进料=10时相似。从浓度分布曲线看N进料=25浓度变化比较合适, 没有出现上述情况, 但是塔顶乙醇含量不满足产品规格的要求(见下面的计算结果), 达不到产品要求的分离纯度, 若以此含量作物料衡算必然不符合合格产品条件下的物料衡算, 因此是不正确的质量平衡。而N进料=3时, 虽然也存在浓度没有变化的长线段, 但此时甲醇的浓度已达到产品规格要求的纯度, 不需要再分离。从塔顶到24板的分离作用主要体现在脱除乙醇上。
经过模拟计算得到不同进料位置下塔内乙醇的浓度分布曲线如图 4所示。当进料位置为3时, 曲线光滑, 乙醇在塔内的浓度变化连续、均匀; 不存在浓度没有变化的长线段(死区)。塔内每一块板均对乙醇起到了分离作用; 进料位置上下分布曲线的斜率相同, 没有出现挟点, 进料位置上下精馏速率正确; 塔顶馏出物的纯度符合产品规格要求的纯度, 满足质量平衡。
而其他进料位置时进料位置处有挟点, 如N进料=10时, 进料位置以下从11板至20板浓度几乎不变, 进料位置以上从9板到1板浓度变化极快, 10板进料位置出现挟点, 进料位置上下处精馏速率不正确, 必然会影响质量平衡。
N进料=25时, 虽然在图 3中甲醇的浓度变化基本正常, 但从图 4中看到:乙醇浓度变化曲线出现挟点, 也表现出上述不正常的情况。并且此时塔顶乙醇的含量为8.727×10-6, 达不到产品要求的乙醇浓度小于100×10-6的要求, 无法满足低乙醇甲醇生产的要求。因此也是不正确的进料位置。
水、异丁醇在塔内的浓度分布曲线如图 5、图 6所示。表现出的状况与上面的分析类似。水在20板以上浓度迅速向零接近, 而异丁醇在12板以上浓度迅速向零接近。浓度也出现了几乎不变的区域, 此时的塔板对水和异丁醇的分离没有分离作用, 分离作用主要体现在进一步减少甲醇中乙醇的含量。
从四个组分的浓度分布曲线看, 甲醇加压精馏塔的进料位置选择在靠近塔顶(理论板数为3)时均没有出现挟点, 进料位置上下的浓度分布曲线斜率相同, 进料位置上下的精馏速率正确, 浓度分布均匀, 回流比合适, 产品合格。与实际工业生产一致。
精馏塔内, 温度分布主要反映了物流的组成。塔内温度变化和浓度变化趋势相符, 不正确的浓度分布表现出不正确的精馏速率和不正确的温度分布, 进而影响塔的热量平衡。进料位置为3时, 塔内温度分布均匀, 如图 7所示。从可控性上讲, 图中K点均很不适于控制, 因为该点温度变化十分灵敏, 在很窄的范围内, 温度就由上限值变化到下限值, 从而使这种信号不能用于控制。当N进料=3时(N进料=10、20、25时经上述讨论是不正确的进料位置, 故不予考虑), 从26板到30板温度就从388K变化到400K。而此体系的温度变化范围是从387K~400K, 在很窄的塔板范围内温度就会从下限387K变化到400K, 故该区域内的控制点K的温度变化灵敏, 不便于控制。而测温点S, 具有稳定的信号, 便于操作控制。从图 7中可以看到:从2板到24板的很宽范围内温度基本恒定在388K, 只要控制好S点的温度在388K附近, 就能保证塔顶的温度在387K附近而不会上升, 因此这种稳定的信号是便于控制的。
(1) 分布曲线给出了分离条件的许多信息。正确认识分布曲线, 就很容易决定如何改进设计和操作条件, 有利于保证过程平稳操作。
(2) 加压塔的进料位置影响到各个组分的浓度分布, 不适宜的进料位置影响精馏过程的速率, 进而影响加压塔的质量平衡, 热量平衡。进料位置为3左右时, 塔内各组分浓度变化均匀, 浓度曲线在进料位置没有挟点, 进料位置上下处分布曲线斜率相同, 精馏速率正确, 为塔内的三个平衡的建立提供了条件, 塔顶馏出物符合产品规格的要求, 有利于操作生产。
2010, Vol. 39 Issue (4): 281-283,287
2010, Vol. 39 Issue (4): 281-283,287