二甲醚精馏分离序列的能耗分析
2023-11-24
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第49卷第3期 2015年6月 华中师范大学学报(自然科学版) JOURNAl OF CENTRAI CHINA N()RMAI UNIVERSITY(Nat.Sci.) Vo1.49 NO.3 Jun.201 5 文章编号:looo 1190(2015)03 0406—05 二甲醚精馏分离序列的能耗分析 藏志伟,杨巨生 ,黄 伟 (1.太原理工大学电气与动力学院,太原030024;2.太原理工大学化学化1二学院,太原030024) 摘 要:针对浆态床一步法直接合成二甲醚的精馏过程,应用Aspen Plus过程模拟软件对二甲醚 精馏过程中可能的分离序列进行模拟,并与实验数据进行对比,使模拟计算结果正确可信,再运用 热量方法和火用方法对各个分离序列进行详细的热量计算和火用计算,并对各个分离序列的能耗 进行比较和分析.模拟计算结果表明,浆态床一步法直接合成二甲醚最节能的分离序列为先分离 水,再分离甲醇,最后分离二氧化碳和二甲醚. 关键词:分离序列;二甲醚;精馏;能耗分析 中图分类号:TQ028;Tqo15.2 文献标识码:A 二甲醚是一种清洁的煤基含氧燃料,是柴油 的理想替代燃料[1],受到越来越多的关注.以浆 个简单分离器,而分离序列数5 可用计算 公式E 6]: 一态床一步法直接合成二甲醚的工艺是可行的,符 合巾国国情的需要.对整个生产流程而言,二甲 [ 二 ]_I f 1 … C!(C一1)!‘ 醚的精馏对其生产能力,产品质量,能源消耗。原 料消耗,环境保护都有重大影响.精馏装置属于 化工过程中高能耗的装置 j,所以对二甲醚精馏 分离序列的研究就具有重要的经济意义.二甲醚 精馏分离序列的研究是从可能的分离序列中寻 找满足一定性能指标和约束条件的最优序列.文 浆态床一步法制备的二甲醚产物中主要含 DME、H 2、CO、CO 、N2、CH 3OH和H 2()共7种 物质,因为H:,CO,N 是制取二甲醚的原料气,且 沸点远低于产物,所以可以先把H 、C()、N 作为 一种物质分离出去.问题就简化为二氧化碳、二甲 醚、甲醇和水分离成4个纯组分,故可能的分离序 列有5种.将A、B、C、D分别对应二氧化碳、二甲 醚、甲醇和水,ABCD混合物为初始状态,终止状态 献[3—4]从理论和方法上对精馏分离序列做了深 入的探索.本文以能耗分析为依据,应用Aspen Plus过程模拟软件对二甲醚精馏工艺流程进行 为A、B、C、D纯净物,5种可能的分离序列流程如 图1所示.在图1中,SS一1(分离序列一)的分离顺 序为首先分离出二氧化碳,然后分离出二甲醚,最 后分离出甲醇和水. 1.2分离序列流程的建立 模拟,再运用热量方法和火用方法,对二甲醚精 馏过程中可能的分离序列进行能耗分析,用以确 定最优分离序列. 1二甲醚精制分离序列的合成和流 程的建立 1.1分离序列合成 浆态床一步法直接合成二甲醚的反应产物。经 冷却吸收后以0.85 MPa,30℃进入二甲醚精馏系 统,通过不同的分离序列,采出合格的二甲醚产品 (≥99.9 )和甲醇产品(≥99.9 ),精馏塔冷量南 分离序列的合成方法,大都把分离序列中的 分离单元看成是简单分离器.考虑到二甲醚分离 序列的复杂性,假设 二甲醚精馏过程的分离只 塔顶冷凝器提供,热量由塔釜再沸器提供.例如在 SS一1中,原料经一级精馏塔,二氧化碳等经塔顶排 出外界,塔釜的物料经换热后进入二甲醚精馏塔, 二甲醚产品经塔顶采出,塔釜的物料经换热后通入 采用精馏作为分离方法且不考虑热集成.将c个 组分的混合物分离成C个产品,需要C(C一1) 甲醇精馏塔,甲醇产品经塔顶采出,塔釜的废水排 收稿日期:201 5-0l_1 7. 基金项目:山西省科技攻关项目(2Ol10313026—2). *通讯联系人.E—mail:yangjushenggd65@126.COFf ̄ 4O8 华中师范大学学报(自然科学版) 第49卷 表2原料组成和产品组成(摩尔流量) Tah.2 The composition of feed and production 2精馏塔能耗计算模型 精馏塔所包含的塔釜再沸器和塔顶冷凝器属 于换热过程单元,其中冷凝器的作用是将塔顶蒸汽 冷凝成液体,部分冷凝液作塔顶产品,其余作回流 液返回塔顶,使塔内汽液两相问的接触传质得以进 行,而再沸器将塔釜液体部分汽化后送回精馏塔, 使塔内汽液两相间的接触传质得以进行.图2为精 馏塔分离过程示意图,Q表示该体系与外界热的 交换,主要指精馏塔所包含换热单元,即塔顶冷凝 器和塔底再沸器.同时规定,热量从环境传给精馏 塔为正.在精馏过程的能耗分析中将塔顶冷凝器和 塔底再沸器独立于塔体另行处理.即将塔顶冷凝器 和塔釜再沸器与塔体切开分别处理 ,其中冷凝器 的冷却介质为1 bar,20℃的冷却水,再沸器的加热 介质为4.5 bar,42O℃的蒸汽. 2精馏过程爪蒽隆I Fig.2 Schematic of distillation Process 2.1热量分析计算模型 热量分析是根据能量数量守恒原理,以热效率 为基本准则,揭示能量在数量上的转换、传递、利用 和损失情况,根据能量守恒原理,则热量平衡方程: Q +Q 一Q, 一Q , (2) 式中,Q 为精馏过程的热量损耗,Q ,Q 和Q, 为 进料物流带人的热量,产品物流带出的热量和精馏 塔换热过程的热量,包括物流物理热和物流化学 热.主要热量计算如下. a)物流的化学热Q QJ ^一726.6YcH ()+1324.8Y ,OCI1., ̄ (3)式中,y Y .H, 川 分别代表物流中CH O, CH。()CH。的物质的量. b)物流的物理热Q , : Q , 一l,,z>: h . (4) 式中,h 为组分i的焓值, 为其所占的容积分数, 表示物流的流量,其中采用偏差函数法计算组分 i的焓值,其计算公式如下: h 一(h 一h )+h?, (5) 式中,(^ 一h?)为偏差焓,具体计算参见文献E1o]. 热效率是用于衡量过程中热量利用程度和评 价系统用能的优劣.热效率 计算如下式: QJ -f-Q 】H q Q杆+Q Q 十Q 十Qw。 ,十Q , 一——— 干 .-—一’ 式中, 为热效率,Q [),Q ,为精馏过程中有 效输出热量,即甲醇产品和二甲醚产品输出的热 量.Q ,,Q 为精馏过程中无效产品输出热量, .、即水和二氧化碳输出热量.Q ,Q 分别为冷却 水,加热蒸汽输入系统和输出系统的热量. 2.2火用分析计算模型 目前,能源化工系统普遍采用T 一298.15 K, P 一101.325 kPa为基准状态,火用计算一般包括 热流火用和物流火用.物流火用分为物理火用,化 学火用和混合火用3部分.精馏系统的混合火用计 算十分繁琐,为此对其计算方法加以简化,用扩 散火用表示,同时为了便于计算,精馏系统的火 用分为热流火用,物理火用和化学火用,其中物 流的物理火用分为扩散火用.温度火用和压力 火用. 火用分析是根据火用的平衡关系,以火用损和 火用效率为评价指标,揭示有用能的转换、传递、利 用和损失情况,火用分析能够真正揭示出能量系统 的损失,并由此分析减少损失的措施.根据热力学 第二定律,从火用的概念出发,在任何不可逆的过 程中,必定会有一部分火用转变为火无,火用的总 量减少,这部分因转变成火无而减少的火用,称之 为不可逆过程的火用损失,简称火用损.精馏系统 火用平衡方程: E“+E 一E 一E *, (7) 式中,E 为精馏过程的火用损耗;E ,E 和E 分 别为进料物流带人的火用,产品物流带出的火用和 换热过程的火用,主要火用计算如下. a)物流的热流火用: / 下、 E Q—Q(1一 ), (8) 第3期 藏志伟等:二甲醚精馏分离序列的能耗分析 409 式中, 为环境温度. b)物流的物理火用: E —E.P+E ,_r+E ,D一 用.E E 为精馏过程中无效产品输出火 用,即产品二氧化碳和水输出火用.E ,E 分 别为冷却水,加热蒸汽输入系统和输出系统的 火用. 丁。 者dp+ c ( 一孚)dT+ RTt ∑ n(斋), 度火用,扩散火用,.0为密度,P。和 (9) 分别为环境 3计算结果与分析 3.1热量分析 式中,E ,E ,E 。分别为物流的压力火用,温 压力和温度,C 为定压比热容, 为混合物摩尔分 表3为二甲醚精馏分离序列的热量分析表,由 表3可知输入系统的热量分为3个部分,分别为进 数, ・ 为基准物质物质的量分数,其中基准选择龟 料带人热量.冷却水与蒸汽带人的热量.输出系统的 山一吉田环境模型体系,其模型体系参见文献[11]. c)物流的化学火用: 热量分为3部分,产品输出的热量,冷却水输出的热 量和蒸汽输出的热量.不同分离序列的进料组分以 及产品组分相同,所以其进料以及产品的热量值相 同,分别为456 933.5 MJ/h和420 646.6 MJ/h,其中 E 一L。∑ 。 ,E≮ . + 。∑ 。. E (10) 产品输出热量包括二氧化碳输出热量 8 436.84 MJ/h,二甲醚输出热量309 748.9 MJ/h, 甲醇输出热量57 586.02 MJ/h和水输出热量 44 874.8 Ml/h.不同分离序列分离顺序不同,冷却 式中,i表示组分,L。和 。分别为物流的基准状态 的液相分率和气相分率, 和 分别为组分i基 准状态的液相组分摩尔分率和气相组分摩尔分率, 分别为组分i的液相和气相的基准态纯组分的化 水和加热蒸汽提供的热量不相同.例如在分离序列 二中,入口冷却水和蒸汽提供的总热量为 397 288.2 MJ/h,输出的总热量为387 210.9 MJ/h, 分离序列四提供的总热量为240 315.2 MJ/h,输 出系统的总热量为230 237.8 MJ/h.两者热量损 学火用,公式参见文献[11]. 火用效率是用于衡量过程中火用的利用程度 和评价系统完善性指标,火用效率计算如下式: E iII)+E }1I() |{t E +E 耗相同,但输入热量不同,其热效率不同.综合比较 各个分离序列的热量输入与输出,分离序列五是最 E +E 、+E 、 —+E —一——— , (11) 优分离序列,与分离序列一(热量损耗最大)相比, 热量损耗降低11 737.4 MJ/h,热效率提高 了75.46 . 式中, 为火用效率,E Hl(,,E 为精馏过程 中有效输出火用,即产品甲醇和二甲醚输出的火 表3分离序列的热量分析 Tab.3 Energy analysis of separation sequence S 1 SS一2 SS一3 SS 4 SS一5 3.2火用分析 不同分离序列冷却水提供的火用值和加热蒸汽提供 的火用值不相同.由于冷却水属于低品质的能量,而 蒸汽属于高品质的能量,所以输入系统的蒸汽火用 表4为二甲醚精馏分离序列的火用分析表,从上 表可以看出,进料输入系统的火用值493 501.2 MJ/h, 输出系统的二氧化碳的火用值为9 264.557 MJ/h,二 值越大,其损耗也越大.例如在分离序列一中,蒸汽 甲醚的火用值为366 802.6 MJ/h,甲醇的火用值为 56 016.84 MJ/h以及水的火用值为49 689.78 MI/h. 输入的火用值最大,其火用损耗也最大,对应的效 率也最低.如果在精馏过程中减少蒸汽输入的火用 4l0 华中师范大学学报(自然科学版) 第49卷 值,可以降低精馏过程的火用损耗,提高火用效率. 精馏的实质就是利用溶液组分沸点或饱和蒸汽压 不同进行分离.各个组分的沸点不同,分离不同组 分的火用损耗不同.例如,二氧化碳和二甲醚的沸 甲醇和水的直接分离.不同分离序列的分离顺序不 同,其火用损耗不同,例如,在进料组分相同的情况 下先分离二氧化碳的火用损耗比先分离水的火用损 耗减少6 447.1 MJ/h;先分离二氧化碳比先分离甲 点相差最大,最易分离,分离二氧化碳和二甲醚的 火用损耗最小为27 324.29 MJ/h;而甲醇的沸点 为337.75 K,水的沸点373.15 K,两者相差最小, 最难分离,分离甲醇和水的火用损耗最大为 醇的火用损耗减少4 842.5 MJ/h.综合比较各个分 离序列的火用损耗以及火用效率。分离序列五为最 优分离序列,与分离序列一(火用损耗最大)相比,火 用损耗降低了164 128.6 MJ/h,火用效率提高 了80.86 . 74 861.O9 MJ/h,为此分离序列的选择应尽量避免 表4分离序列的火用分析 Tab.4 Exergy analysis of separation sequence 4结论 1)应用Aspen Plus模拟二甲醚精馏过程,并 参考文献: [1] 吴海燕.清洁替代燃料二甲醚的环境效益及产业化分析[J]. T业技术经济,2006,2s(6):13O 133. 在满足进料物流组分和产品组分相同的情况下研 究不同分离序列精馏过程中热量损耗和火用 损耗. [2] 唐宏青,房鼎业,唐锦文.合成气一步法制二甲醚的分离方 法[p].中国擘利,1 448411A.2004 11 24. [3]董宏光.王 涛,秦立民,等.精馏分离序例综合邻域结构的 研究[J].化工进展,2004,23(2):205—209. [4]CHEN Li,GA()Zhihui,DU Jian,et a1.A simuhaneous()p— timization method for the t ructure and composition differ 2)热量分析计算得出热量损耗最小的分离序 列为分离序列五,其热量损耗值为42 9l3.4 MJ/h, 热效率为53.22 .与分离序列一(热量损耗最大) 相比。热量损耗降低11 737.4 MJ/h,热效率提高了 75.46 . ences of a nlass exchange network[J].Chinese Journal of Chemical Engineering,2007,15(2):254~261. [5] 韩媛媛,应卫勇,房鼎业.二甲醚精制分离序列的动态规戈0 口].华侨大学学报:自然科学版,2O10,31(1):65 68. [6]Thompson R W,King C J.Synthesis of Separation Schemes 3)火用分析计算得出火用损耗最小的分离序 列为分离序列五,其火用损耗值为l01 630.6 MJ/ h,火用效率为5O.79 .与分离序列一(火用损耗最 大)相比,火用损耗降低了164 128.6 MJ/h,火用效 率提高了80.68 . [R].Berkeley:I.awrence Berkeley Laboratory,1 972. [7] 乔英云,谢克吕,田原宁.合成气一步法直接合成二甲醚分 离:】 艺和分离设备的研究[D].太原:太原理工大学 2010. [8]赵毅,吴雪梅,潘艳秋,等.精馏操作型问题的讨论[J].化 丁高等教育,2008(05):92 93. 4)火用计算结果表明,二甲醚精馏分离序列能 耗不同的原因是由于进料组分的物性和分离顺序 的不同导致分离难易程度和高品质能量利用率的 [9]I eites I I ,Sama D A,I.ior N. Fhe theory and practice of en ergy saving in the chemical industry:sonic methods for reduc [ng thermodynamic irreversibility in chemical technology 不同.为此,只有综合考虑所分离物系的具体特性、 能耗等因素,才能找到经济合理的分离序列.综合 比较分析得出,分离序列五的节能效果最显著,其 processes[J].Energy,2003(28):55 97. [to]童景山.流体热物理性质[M].北京:北京石化出版社, l 996:76 79,347-360. [II]朱明善.能量系统的火用分析[M].北京:清华大学fH版社, 2003:27 128. 分离顺序为先分离水,再分离甲醇,最后分离二氧 化碳和二甲醚. [I2]李 壕,钱宇.能量化工系统系统的火用分析与生命周期 评价[1)].南京:华南理工大学,20ii. (下转第4l9页) 第3期 熊 伟等:三元共聚物P(IA/MA/SAS)的合成及对CaCOs阻垢性能评价 419 of the svnthesis condition on the performance of polymer’s scale inhibition was studied bv orth0gona1 experiment. And experimental results show the optimum reaction condi— tions are as follows:the ratio of monomers is IA nMA Y/SAS=1。2。1,reaction tem— Derature is 90 ̄C,the dosage of the initiator is 5 ,the dosage of chain transfer agent is 3%.Bv staltic“bulk”inhibition performance tests,the performance of terpolymer scale inhibitor was evaluated,and when the concentration of the scale inhibitor is 10 mg/L' the scale inhibiting rate is best,reaching 96.6 .The performance indicates that P(IA/ MA/SAS)is a kind of scale inhibitor with excellent propertie,and is superior to the common1y used poly carboxylic acid and poly phosphonic acid scale inhibitors. Kev words:itaconic acid;ternary copolymerization;scale inhibition;sodium allylsulfon一 月tP ・+--+”-+. (上接第410页) Energy analysis in separation sequence for dimelthyl ether distillation system ZANG Zhiwei,YANG J usheng,HUANG Wei (1.College of Electrical and Power Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024; 2.Institute of Chemical Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024) Abstract:ACCording to the distillation system of dimethyl ether synthesized by one—step method from syngas in a slurry reactor,this paper utilizes the Aspen Plus software to simu1ate the system process. But to make sure the correctness,experiment data must be col1ected to adj ust the Aspen Plus software.Energy method and exergy method were used to analyze each process of distillation.Then the loss of energy and exergy in sepa— ration seauence were compared and summarized.The results showed that the separation seauence,which water is first separated,then the methanol is separated,carbon dioxide and dimethyl ether are separated finally,is the minimum loss of energy and exergy in distillation system. Key words:separation sequence;dimethyl ether;distillation;energy analysis