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采用工艺上层结构法优化煤基甲醇蒸馏方案，最大限度地提高能效

崔承天， 李新刚，洪辉，孙金生

关键词

甲醇蒸馏

工艺上部结构

模拟

优化

换热器网络

工作交换器网络

摘要

尽管目前的甲醇蒸馏系统（MDS）接触到高能效水平，但是当将视线从加热介质移动到电力和旋转设备的工作效率时，仍有机会减少更多角落。为了同时优化该过程以获得更高的总能量效率，在方法上，本文提出了相应的过程上部结构的改进的替代途径。详细而言，它是热换热器和工作交换器网络（HEN-WEN）的一体化集成，例如在中国煤炭工厂中流行的四塔双效甲醇蒸馏方案。这项工作的完成表明有可能减少泵电和再沸器 蒸汽消耗分别进一步降低68.38%和15.83%。

1.简介

甲醇（CH₃OH）不仅是最重要的化学原料/原料或溶剂之一，而且是一种有前途的环保燃料[1]。虽然全球约80％的产能来自天然气生产的合成气，但中国90％以上的产量来自煤炭，杂质[2-4]比天然气更多。当煤基原油进料甲醇蒸馏系统（MDS）时，对于纯产品质量需要更多的措施，例如将萃取水注入顶部塔回流罐中以除去醇溶性轻质杂质，且不溶于水。

蒸馏是一种能源密集型单元操作。目前，全球范围内流动的两个以上色谱柱的热集成蒸馏工艺大大减少了能源，预计那些使用甲醇合成气作为加热介质的天然气生产原油来冷凝它[1]。此外，为了更好的能源利用，提出了几种热集成蒸馏操作，包括双效蒸馏，分隔壁塔，计量塔和热泵辅助蒸馏[5-9]。在所有这些替代品中，双效蒸馏在甲醇工业中占绝大多数[1,6-8]。到目前为止，鲁奇[1,10]的三柱双效MDS 已被广泛使用。

特别适用于煤基三柱MDS（图1ensp;;在该图中以及本工作的其余部分，红线用于表示热过程流或热效用，蓝线用于表示冷过程流或冷实用程序。）两级冷凝器专为其轻馏分色谱柱（LEC）而设计，便于从较高温度的第一个尾气中去除轻杂质。淡水注入是回流罐中另一种不同的设计，用于提取醇溶性杂质，这些杂质不溶于水或微溶于水，并且从近乎汽 - 液界面间歇排出。将LEC底部产物泵入压力塔（PC），其底部流进入大气柱（AC），PC顶部蒸汽驱动AC重制器（双效）。来自PC和AC顶部的精制甲醇产生来自AC底部的废水和来自低于其进料阶段的侧流以控制顶部产物中的中间杂质，如乙醇。

在对2柱进行改进后，将水柱（WC）加入到3塔MDS中为了从侧馏分或废水中回收更多甲醇（约占总甲醇产物的1-3％），从而产生4柱MDS[7,8]。到目前为止，这个MDS一直是中国最受欢迎和广泛使用的。然而，仍然有可能开发出更有希望的商业4柱MDS。为了促进这一目的，在这项工作中开发了相应的过程上层结构，以筛选之前尚未工业化的任何其它可能的替代方案。

过程超结构是化学过程合成的系统方法[11-13]。它指的是由所有可能有用的单元和所有相关连接组成的过程网络[14,15]。然后将这些组件以单元操作模型，互连方程和约束的形式在优化模型中制定，例如热力学性质计算方程，组成要求等[11]ensp;。在本研究中，它用于开发所有候选4柱MDS的新型MDS超结构。换热器网络（HEN）和成功的工作交换网络（WEN）同时合成到优化过程中以最大化其能量效率。为了减少计算规模，仅考虑双效类别在甲醇工业界的普及。

详细地，提出了三种双效配置，其中仅选择合格的一种用于上部结构开发。然后，工业上流行的HPS和LPS被用作后续上层建筑建模的基本结构，通过该建筑物分析所提出的MDS上层结构以用于有希望的方案。决定在SimSci Pro / IItrade;[16]上同时进行HEN和WEN合成，这是一种重要的工艺集成，可实现更高的能量效率。

2.双效蒸馏

这种重要的热集成方式可以节省大量能源，而无需添加额外的电力旋转机器，数十年来引人注目[17-21]。其高压塔（HPC）顶部蒸汽驱动低压塔（LPC）再沸器，或使用LPC再沸器作为冷凝器，节省冷凝器或再沸器以及它们的加热和冷却设施。三种不同的双效配置[22-24]在介绍图2，进料分流（FS），分光正向（LSF）和光分流反向（LSR）。在开发过程上层结构之前，选择合适的配置以减少计算空间非常重要。

FS进料分为两部分，分别泵入HPC和LPC。两个柱之间的压力差在HPC顶部和LPC底部提供足够的温差。LSF和LSR的另外两种变体共享整个进料流的共同特征，其被发送到两个相邻的级联压力列中的一个。在LSF情况下，首先进料预先定位的HPC，在顶部产生一半轻的总重量产品，底部流也在LPC中在顶部分离产品。LSF的质量流量与热集成的方向相同。对于LSR，在位置后HPC之前馈送预定位LPC，其中质量流量和热量积分在相反方向上。

这三种配置的不同特征，在操作压力和温度方面变化，对操作难度和随后在工业中的普及具有很大影响。FS很少在现场遇到，因为在两列中完全分离来自重要关键部件的光意味着更高的HPC