輕烴深加工精餾裝置能耗分析與節能措施

司濤（天津海成能源工程技術有限公司，天津300384）

1 輕烴深加工精餾裝置能耗分析

1.1 化工精餾分析

精餾塔主要是用于精餾作業的一種塔式汽液接觸裝置，其借助混合物中不同組分所具有的不同的揮發特性，也就是同一溫度條件下，不同組分具有不同的蒸氣壓，進而轉移液相中的輕組分（低沸物）至氣相中，同時將氣相之中的重組分（高沸物）轉移到液相之中，最終實現組分相互分離的目的。在石油化工行業中，精餾塔是運用的最為廣泛的傳質傳熱裝置。通常而言，精餾塔塔身、冷凝器、回流罐和再沸器等共同組成精餾裝置。物料通常從精餾塔之中的某一段塔板進入到塔內，該塔板也被稱之為進料板。進料板劃分精餾塔為上下兩段，上段部分稱之為精餾段，下半段則稱之為提餾段。傳統模式下的化工精餾，需要運用大量的能源來加熱整個蒸餾塔的塔底部位，往往劃分更久的精餾作業時間。加之蒸餾塔塔底無法將加熱的熱量進行很好的保存，使得蒸餾作業中，大量的熱量隨之喪失，導致能源的大量消耗和浪費。

1.2 裝置耗能分析

天然氣深加工過程中，所運用到的精餾裝置，主要組成部分為精餾塔、空冷器、真空泵、冷水機組和屏蔽泵等，同時還輔以可以提供冷量的循環水系統和可以提供熱量的導熱油系統。總體來說，各個精餾塔之間的工藝流程大同小異，因此僅選擇其中之一進行能耗分析。以板式塔為例進行闡述，板式塔主要由一個圓柱形的殼體和若干個按照一定間距水平設置的塔板組成。其作業流程為：液體受到重力作用，從上之下的經由各個塔板之后從塔底排出。在壓差的作用下，氣體則由下至上經由各個塔板上的開孔，最終從塔頂排出。每一塊塔板上均殘存的有部分液體，當氣體經過各個塔板的時候，會和液體發生相遇，進而實現兩相傳質傳熱。

2 影響化工行業精餾過程的主要因素

于化工行業而言，精餾工藝十分復雜多變。同時精餾作業的影響因素眾多，特別是溫度和壓強，更是對其工藝過程產生著較大的約束和影響。精餾產品的最終質量水平或多或少都會受到精餾塔內壓強大小、物料進塔的實際數量、塔內的溫度以及回流比等眾多因素的影響。通常來說，一旦精餾塔內的壓強參數出現了相應的變化，則處于蒸餾塔塔板上面的一些物料組分則十分容易產生物理反應，最終導致物料組分發生相應的變化。這種變化可能導致原料變為含有眾多雜質的成分，進而影響到最終精餾產品的純度和質量水平。同時，輸送進入蒸餾塔內部的物料數量應適宜，也就是需要滿足精餾裝置的相關負荷。一旦物料輸送過多，則會直接導致蒸餾塔塔頂產出的產品質量受到影響，也可能導致物料未充分精餾，造成能源的損耗和浪費。再有，精餾作業中，還需要嚴格把控好蒸餾塔和其零部件的溫度。若溫度把控不嚴格，例如操作人員操作不當，使得蒸餾塔內的溫度突然降低，則蒸餾塔塔底的負荷量不足，進而影響物料的分離效果。部分物料可能由于溫度不夠未能充分分離出來。此外，回流比也是精餾作業中務必要控制的重要內容。如果蒸餾塔內部的回流比相對較高，能夠顯著提升塔頂產出產品質量。反之，若回流比較低，則物料分離也在一定程度上受阻。因此需要控制回流比在一個合適的范圍內，符合規范要求。

圖1 改造后粗甲醇預熱器方塊流

圖2 改造后預塔熱回收器方塊流程

3 實例分析

3.1 工藝流程

某化工企業13 萬t/a 的甲醇精餾裝置采用的原料為粗甲醇，熱源為低壓蒸汽。預精餾塔、加壓精餾塔、常壓精餾塔塔內氣液經過多次熱量、質量交換，達到精餾提純效果。其中，預精餾塔、加壓精餾塔使用的熱源為低壓蒸汽，加熱塔底的粗甲醇液，使氣體上升，然后返回到塔內。低壓蒸汽則變成冷凝液，借助壓差作用，輸送到低壓甲醇裝置合成工序除氧器，變成除氧水，且作為甲醇合成塔鍋爐的補充水。常壓精餾塔則借助雙效熱藕合技術，將加壓塔頂部的高溫甲醇氣作為熱源，促使底部的粗甲醇轉變為氣體返回至塔內，加壓塔塔頂的甲醇氣冷凝之后成為液體。其中有部分液體經由泵打回到加壓塔的頂部，成為加壓精餾塔的回流液。預精餾塔和常壓精餾塔頂部產生的甲醇氣冷卻方式為循環水，待冷凝為甲醇液之后，借助泵的作用，輸送到預精餾塔頂部，和部分液體返回到塔頂部，實現氣液熱量和質量交換。

3.2 存在的問題

（1）預精餾塔中的粗甲醇入料的溫度比較低，約為50℃左右，當冷液進料時，預精餾塔提餾段內部上升的甲醇氣一部分被冷凝，最終產生甲醇氣量減少，促使預精餾塔底部的動力消耗增加，蒸汽用量也增加。（2）低壓蒸汽在加熱加壓精餾塔底部的液體后冷凝，然冷凝溫度高達128～130℃。但是甲醇合成塔僅需要105℃的補充水溫度，若將上述冷凝液作為合成塔的補充水，熱量損失是十分明顯的。（3）常壓精餾塔頂部的甲醇氣需要使用大量的循壞水來進行冷卻，由于未能充分回收利用甲醇氣的冷凝熱，致使熱量損失尤為明顯。

3.3 改造措施

（1）新增1臺一級粗醇預熱器在粗甲醇預熱器的前面，熱源選擇常壓精餾塔塔頂的甲醇氣，作為預精餾塔粗甲醇入料的加熱，并將常壓精餾塔塔頂甲醇氣產生的冷凝熱進行回收，此時能夠提升粗甲醇入料溫度19℃左右，也就是從50℃到69℃。顯著降低預精餾塔的蒸汽用量，改造后流程圖如圖1所示。

（2）新增1臺預塔熱回收器在預精餾塔再沸器的底部，熱源選擇加壓塔再沸器蒸汽冷凝液，用于對預精餾塔底部的粗甲醇進行預加熱，這樣一來就能夠降低冷凝液溫度大約為20℃左右，也就是從125℃降低到105℃，然后將冷凝液輸送到低壓甲醇裝置合成工序除氧器中，對冷凝液的熱能進行部分回收，顯著降低再沸器蒸汽實際用量。改造之后的工藝流程圖如圖2所示。

3.4 改造效果

改造前后的數據對比（見表1）。

表1 改造前后工藝參數對比表

從表1中可以看出，經過對甲醇精餾工藝改造之后，能夠顯著提升預精餾粗甲醇入料溫度19K，加壓塔的蒸汽冷凝液溫度則降低了20K，顯著降低了冷凝液的熱量損失，充分回收利用了部分熱能，降低了能源損耗，實現了節能目標。實際運行結果表明，當精餾裝置的生產負荷為16t/h的情況下，每噸精甲醇蒸汽的單耗能直接從之前的0.95t降低到0.89t。對于甲醇精餾裝置，按照每年開車300d 來進行計算，可知能夠節約低壓蒸汽6900t。

4 結語

綜上所述，精餾裝置是一個高能耗裝置。文章結合實例，通過對原先精餾裝置工藝流程進行適當的改造后，能夠顯著降低蒸汽損耗，實現節能目標。目前，該改造工藝得到實踐驗證，運行平穩，經濟效益和環保效益十分顯著。