低碳混合醇分离序列的合成与热集成工艺_杨德明

第33卷，总第192期2015年7月，第4期《节能技术》

ENEＲGY CONSEＲVATION TECHNOLOGY Vol.33，Sum.No.192Jul.2015，No.4

低碳混合醇分离序列的合成与热集成工艺

杨德明，谭建凯，

王颖，高晓新（常州大学石油化工学院，江苏常州213164）

摘要：为降低低碳混合醇的分离能耗，应用探试法、有序搜索法及调优法合成了一系列分离

序列，并利用ASPEN PLUS 软件中ＲADFＲAC 精馏模块，选用NＲTL －ＲK 热力学模型，对合成的各种分离序列进行模拟与优化，得到了各分离序列的工艺参数，设备参数及年总费用（ATC ）。在此基础上，把塔间热集成精馏应用于以上得到的最优分离序列中，提出了两种热集成分离工艺并进行了优化计算，得到了相关数据。研究结果表明：热集成工艺具有明显的节能效果和显著的综合经济效益，其中热集成工艺2是分离本体系的最优工艺路线。

关键词：低碳混合醇；分离序列；热集成；年总费用；节能

中图分类号：TQ028：TQ051．5文献标识码：A 文章编号：1002－6339（2015）04－0349－05

Construction of Separation Sequences and Simulation for Thermally Coupled Distillation of Lower Alcohols Mixture

YANG De －ming ，TAN Jian －kai ，WANG Ying ，GAO Xiao －xin

（College of Petrochemical Engineering ，ChangZhou University ，Changzhou 213164China ）

Abstract ：With the minimum energy consumption as objective ，teuristic ，ordered search and optimization methods were used to research the separation sequence for mixture of lower alcohols．Simulations for sep-aration sequences were performed and optimized by ASPEN PLUS software in which ＲADFＲAC blocks and NＲTL －ＲK physical property set were used ，and operating parameters ，device parameters ，annual total cost （ATC ）were determined．Based on optimal separation sequence ，two kind of heat integration distillation process were proposed to save energy ，and the relevant data were determined．Ｒesults show that heat integration distillation process has remarkable energy saving and economic benefits ，and the best heat integration processes is heat integration technology 2．

Key words ：mixture of lower alcohols ；separation sequence ；heat integration ；annual total cost ；energy saving

收稿日期2014－12－30

修订稿日期2015－02－07

作者简介：杨德明（1966 ），男，教授，研究方向为分离工程与

计算机模拟。

低碳混合醇是指C1 C6醇类混合物，其应用十分广泛［1］

，煤化工的发展正加速推进煤制低碳混合醇技术产业化进程。由于混合物中组分较多，组

分沸点差较大，因此如何选用最为经济、最为有效的分离方法已成为研究的重要课题

［2－3］

。本文应用

ASPEN PLUS 软件模拟计算低碳混合醇的分离过

程，在计算结果的基础上，采用探试法、有序搜索法及调优法，以年运行总成本费用最低为目标，研究低碳混合醇的最优分离序列。筛选一条分离低碳混合醇的最佳工艺路线。

1

基础数据与计算模型

1．1

基础数据

低碳混合醇处理量为100kmol /h ，其料液组成

及分离要求见表1。

表1

低碳混合醇组成及分离要求

组分沸点/ħ进料组成/摩尔分数

产品纯度/摩尔分数

乙醇78．40．156

≥0．995

异丙醇82．50．253≥0．995丙醇97．40．212≥0．995异丁醇107．90．212≥0．995丁醇

117．5

0．167

≥0．995

1．2热力学计算模型

热力学状态方程的选用，对精馏模拟计算结果

的准确性影响很大。低碳醇属于极性体系，具有二元交互作用参数，故选择NＲTL －ＲK 计算模型，即采用NＲTL 方程计算液相活度系数，采用ＲK 方程计算气相逸度系数。1．3年总费用计算模型

最优方案的确定是基于综合经济效益，即用年总费用（δ）进行评价。年总费用主要包括以下三部分：塔釜加热蒸汽费用（α）、塔顶冷却水费用（β）、设备折旧费（λ）。设备费用主要包括塔体（含内件）和换热器两部分。假定设备使用周期为5年，年工作量按7500h 计，则可以采用以下费用模型计算年总费用

［4－5］

：

δ=α+β+λ

（1）α=C B ·（7500ˑ3600）·（Q B /r B ）/1000（2）β=C W ·（7500ˑ3600）·（Q C /4．18ˑ6）/1000

（3）

λ=C C ·（1．35H πφ2

/4）+C A ·A +C []V /5（4）

式中

C B ———蒸汽单价/元·t －1，取220元/t ；C W ———冷却水单价/元·t －1，取0．35元/t ；

C C ———塔造价/元·m －3，取8000元/m 3

；C A ———换热器造价/元·m －2，取850元/m 2

；

r B ———蒸汽潜热/kJ ·kg －1，取2177．6kJ ·kg －1；

Q C ———冷凝器负荷/kW ；Q B ———再沸器负荷/kW ；

H ———填料层高度/m ；A ———换热器总面积/m 2；

φ———塔径/m 。（塔顶用33ħ的冷却水冷却，塔底用0．3MPa 的饱和蒸汽加热）。

2

初始最优序列的筛选

2．1

探试法筛选分离序列

根据探试法的筛选规则［6］

，

以选择分离易度系数（CES ）大的为分割点，来筛选低碳混合醇初始分离序列。探试法分离易度系数见表2，得到的最优初始分离序列见图1。

表2

探试法分离易度系数

组分摩尔分数相对挥发度

f CES f

CES

乙醇0．1561．000异丙醇0．2531．5770．18510．674丙醇0．2121．7810．69254．049异丁醇0．2121．4610．61028．1350．55925．787丁醇

0．167

1．408

0．200

8．180

0．394

16．070注：f =min ｛D /W ，

W /D ｝；CES －分离易度系数

。图1

探试法筛选的最优初始分离序列（方案Ⅰ）

2．2

有序搜索法筛选分离序列以年总费用为目标函数，在Gomez 和Seader 提

出的探试费用函数［7］

基础上，

通过比较各分离序列的评价函数EF 进行最优分离序列的搜索，最终确定分离切割点。对于有序搜索法［8－9］

中涉及到的分

离子问题，先利用ASPEN PLUS 软件中简捷精馏

DSTWU 模块，得到初步理论塔板数、回流比、进料位置等基本参数；再利用严格精馏ＲadFrac 模块对相关精馏操作参数作精确优化模拟计算，得到的操作参数及年总费用数据见表3 表6。由此利用有序搜索法得到的低碳混合醇最优分离序列见图2。

表3

两组分分离子问题的操作参数及年总费用

分离子问题

N T ＲQ C /kW Q B /kW φ/m T D /ħT B /ħp /MPa ATC /万元·a －1

A /

B 34013．592571．02641．61．550．362．90．030854．13B /

C 662．11957．91037．71．050．265．30．024327．04C /

D 782．981077．31147．61．349．763．40．012363．76D /E

141

4．03

1253．7

1471．6

1．1

104．8

115．7

0．091

458．84