甲醇-水體系中間重沸式熱泵精餾控制研究

劉 艷，杜 翔，李和杰，王辰涯

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510620)

煤制乙二醇酯化塔底廢液中含有甲醇、水及其他重組分，需要回收甲醇返回酯化塔，降低裝置甲醇物耗。另外，分離甲醇后廢水進入污水處理廠，設(shè)置廢水精餾塔分離廢水中少量甲醇，使廢水符合污水處理廠進料的COD值要求。甲醇回收塔的關(guān)鍵組分是甲醇和水，分離能耗較高，通常采用多效精餾和熱泵等方法降低能耗[1-3]。甲醇-水分離采用塔頂直接式熱泵，即精餾塔頂氣體壓縮升溫后，作為塔底重沸器的熱源。該過程既可以降低塔頂冷凝負荷，也可以降低塔底重沸負荷，從而達到節(jié)能的效果。普通熱泵精餾適用于塔頂溫度與塔底溫度相差不大的場合，而甲醇與水的沸點相差接近40 ℃，普通熱泵精餾效果不佳，因此需采用中間重沸式(或分割式)熱泵流程[2]。將中間重沸式熱泵精餾塔分為上下兩段，上段相當于普通熱泵精餾，下段相當于提餾塔。塔頂氣體經(jīng)壓縮升溫后，作為上段重沸器的熱源，從而達到節(jié)能的目的。

本文采用ASPEN PLUS穩(wěn)態(tài)模擬軟件，建立了甲醇回收塔分割式熱泵精餾的穩(wěn)態(tài)模型，研究不同分割點對能耗影響，與普通精餾相比的節(jié)能效果。采用ASPEN DYNAMICS動態(tài)模擬軟件，建立了分割式熱泵精餾的動態(tài)模型，研究控制方案、進料流量波動時分割式熱泵精餾與普通精餾的動態(tài)響應(yīng)。針對分割式熱泵精餾動態(tài)響應(yīng)時間長、波動劇烈，提出了改進的控制方案-靈敏板溫控，并驗證了靈敏板溫控的有效性。

1 流程穩(wěn)態(tài)模擬與優(yōu)化

1.1 分割式熱泵精餾穩(wěn)態(tài)建模

對于甲醇-水體系的模擬，熱力學(xué)方法選擇WILSON。進料組成為煤制乙二醇裝置酯化塔底含醇廢液，進料流量8000 kg/h，其中甲醇78wt%、水22wt%。甲醇分離后回收利用，廢水送至污水處理廠。要求塔頂甲醇的濃度99 wt%，塔底水濃度99%。

分割式熱泵流程原理見圖1所示，塔頂氣體經(jīng)過壓縮機壓縮升溫，作為上段重沸器的熱源后，再經(jīng)過塔頂后冷器冷卻進入塔頂回流罐，一部分回流，一部分作為塔頂產(chǎn)品采出。下塔為提餾塔，塔底設(shè)重沸器。上塔塔釜液體進入下塔，下塔頂部氣相進入上塔底部。下塔底部出廢水。已確定主要工藝參數(shù)為：塔頂壓力112 kPa；熱泵壓縮機為單級，壓縮比≯3；上塔重沸器接近溫差為5 ℃(采用高通量換熱器)。

圖1 分割式熱泵精餾流程簡圖Fig.1 Process of separate heat-pump distillation

1.2 分割點的優(yōu)化分析

分割式熱泵精餾分割點是指輕組分(甲醇)進入下塔的質(zhì)量濃度。分割點對熱泵投資和運行費用均有重要影響，是流程的關(guān)鍵參數(shù)。通常應(yīng)該按照年總費用(包括折算年投資費用和年操作費用)最小確定最佳分割點[2]。當分離要求、工藝流程、設(shè)備選型等確定后，設(shè)備數(shù)量及投資費用通常變化很小，本文案例考察的范圍內(nèi)可以認為設(shè)備投資基本不變，因此可以直接按照年操作費用確定最佳分割點。在缺乏公用工程費用數(shù)據(jù)時，還可以將各種公用消耗折算為標煤或標油，按照總能耗最低確定分割點。本文考察50%～70%范圍內(nèi)5個分割點，對比數(shù)據(jù)比較見表1所示。

表1熱泵性能系數(shù)COP為上塔重沸器換熱量與壓縮機機械功率比值。從表1可知，隨分割點甲醇濃度降低，壓縮機功率和上塔重沸器換熱量增加，相應(yīng)下塔重沸器負荷和塔頂水冷器負荷均降低，表示總能耗降低，節(jié)能效果更好。分割點從70%降到60%，COP快速增加，60%后增加趨緩。另外，綜合考慮壓縮比(適合單級壓縮)、上塔頂部和底部溫差(≯20℃)、塔內(nèi)介質(zhì)物性(相對揮發(fā)度)隨溫度變化等因素，確定適宜分割點為60%。

表1 甲醇分割點計算結(jié)果Table 1 Simulation results of different separate points

1.3 節(jié)能效果

根據(jù)塔頂冷凝溫度以及塔底重沸溫度，選擇合適的公用工程介質(zhì)，并依據(jù)國標《GBT 50441-2016石油化工設(shè)計能耗計算標準》[4]，分別計算了普通精餾與分割式熱泵精餾(分割點60%)的能耗，結(jié)果見表1所示。

普通精餾的總能耗折合成標油為616 kg標煤/h，分割式熱泵精餾(分割點60%)的總能耗為383 kg標煤/h。分割式熱泵精餾比普通精餾能耗低38%，節(jié)能效果顯著。

2 動態(tài)模擬與控制研究

2.1 動態(tài)建模與控制方案[5-6]

穩(wěn)態(tài)模擬采用典型分割式熱泵流程，如圖1所示，便于設(shè)定條件優(yōu)化流程，實際工程設(shè)計采用中間重沸式熱泵，如圖2所示。中間重沸式熱泵是分割式熱泵的一種特殊形式，可以節(jié)省占地面積和投資。動態(tài)模擬中設(shè)備尺寸、塔內(nèi)件及填料為工程選型后設(shè)計值。

圖2 中間重沸式(分割式)熱泵精餾的動態(tài)模型Fig.2 Dynamic model of separate heat-pump distillation

熱泵精餾塔采用兩端產(chǎn)品質(zhì)量能量平衡控制方案，即塔頂產(chǎn)品質(zhì)量(塔頂溫度)由塔頂回流控制，塔底產(chǎn)品質(zhì)量(塔底靈敏板溫度)由重沸器熱量控制。其他控制方案包括：(1)塔頂回流罐的液位由塔頂產(chǎn)品的采出量控制，塔底液位采用塔底產(chǎn)品的采出量控制；(2)塔頂壓力采用壓縮后氣相返回量控制，塔頂回流罐壓力熱旁路控制方案；(3)熱泵壓縮機恒定壓比，不控制中間重沸器換熱量，中間重沸器的側(cè)線流量根據(jù)中間重沸器熱量調(diào)整；(4)回流罐的溫度由塔頂后冷器的冷卻量控制。根據(jù)上述控制方案，如圖2所示，建立動態(tài)模型，另外為便于比較動態(tài)特性，采用相同控制方案建立常規(guī)精餾的動態(tài)模型。

2.2 動態(tài)特性研究

本文重點考察進料變化(±10%)情況下熱泵精餾塔動態(tài)特性， 圖3及圖4是普通精餾塔在添加進料流量擾動時的動態(tài)響應(yīng)曲線。對于普通精餾塔，當進料流量增加或減少10%時，塔頂壓力、塔頂溫度、塔底溫度等參數(shù)在短暫的波動后，均在1.5 h左右恢復(fù)平穩(wěn)。塔頂產(chǎn)品的純度基本保持不變，塔底產(chǎn)品的純度在0.99附近小范圍波動，也在1.5 h左右恢復(fù)平穩(wěn)。

圖3 普通精餾動態(tài)響應(yīng)曲線(進料流量增大10%)Fig.3 Dynamic response curve of conventional distillation (feed increase 10%)

圖4 普通精餾動態(tài)響應(yīng)曲線(進料流量減小10%)Fig.4 Dynamic response curve of conventional distillation (feed decrease 10%)

圖5及圖6是中間重沸式熱泵精餾塔進料擾動動態(tài)響應(yīng)曲線(保持控制器PID整定參數(shù)相同)。

從圖5、圖6可以看出，對于分割式熱泵精餾塔，當進料流量增加或減少10%時，塔頂壓力、塔頂溫度、塔底溫度等參數(shù)出現(xiàn)劇烈波動，需要約6 h恢復(fù)平穩(wěn)。塔頂產(chǎn)品的純度基本保持不變。塔底產(chǎn)品的純度波動幅度較大：當進料流量增加時，純度由0.99降到了0.95。另外塔底產(chǎn)品濃度純度波動時間較長(6 h)。

圖5 分割式熱泵精餾動態(tài)響應(yīng)曲線(進料流量增大10%)Fig.5 Dynamic response curve of separate heat-pump distillation (feed increase 10%)

圖6 分割式熱泵精餾動態(tài)響應(yīng)曲線(進料流量減小10%)Fig.6 Dynamic response curve of separate heat-pump distillation (feed decrease 10%)

分割式熱泵精餾的動態(tài)響應(yīng)時間顯著增加，達到普通精餾響應(yīng)時間的5～6倍，而且波動幅度更大，甚至出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量不合格的情況。通過比較二者動態(tài)特性，主要原因是分割式熱泵精餾塔增加了熱泵系統(tǒng)，各個參數(shù)之間的相互影響更大，耦合性更強。當進料流量增加時，塔底溫度會先下降，受塔底溫度控制回路的調(diào)節(jié)作用，塔底重沸器的負荷會增加，導(dǎo)致塔頂氣相量相應(yīng)增大，由熱泵提供的中間重沸器熱量也會增加(相當于替代塔底重沸器部分熱量)，再反饋到塔底溫度控制回路，減小塔底重沸器的負荷。如果以塔底溫度為主控變量，需經(jīng)過多次反饋與調(diào)節(jié)，系統(tǒng)才能慢慢恢復(fù)平穩(wěn)。

圖7 分割式熱泵精餾塔內(nèi)溫度分布曲線Fig.7 Temperature profile of separate heat-pump distillation

圖8 分割式熱泵精餾動態(tài)響應(yīng)曲線-靈敏板溫控 (進料流量增大10%)Fig.8 Dynamic response curve of separate heat-pump distillation- sensitive stage control (feed increase 10%)

圖9 分割式熱泵精餾動態(tài)響應(yīng)曲線-靈敏板溫控 (進料流量減小10%)Fig.9 Dynamic response curve of separate heat-pump distillation- sensitive stage control (feed decrease 10%)

針對分割式熱泵精餾塔動態(tài)響應(yīng)時間長、波動幅度大的情況，嘗試了中溫控制、塔頂和塔底靈敏板控制、進料前饋控制、中溫前饋控制等改進措施。經(jīng)動態(tài)模擬發(fā)現(xiàn)，以中間重沸器側(cè)線下方的靈敏板溫度為主控變量的控制方案，具有簡單、可靠、平穩(wěn)、響應(yīng)快特點。另外，常規(guī)的分割式熱泵雙塔流程的塔釜液停留時間長、上塔底部空間和下塔上部空間大，動態(tài)響應(yīng)不及中間重沸式熱泵。圖7是塔內(nèi)的溫度分布曲線，第19塊板附近溫度變化幅度最大(斜率判據(jù)法)，確定靈敏板為第19塊理論板。采用相同進料擾動(±10%)，動態(tài)響應(yīng)曲線見圖8、圖9所示。

當采用靈敏板溫控時，分割式熱泵精餾塔各個參數(shù)的動態(tài)響應(yīng)時間縮短到了1 h左右，經(jīng)歷短暫的波動后便恢復(fù)了平穩(wěn)。而且塔釜產(chǎn)品的純度在0.99附近小范圍波動，不會出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量不合格的情況。較常規(guī)的塔釜溫控方案，波動大幅減小，響應(yīng)時間縮短了6倍。

進料或中溫前饋控制也可以達到相近控制效果，但系統(tǒng)更為復(fù)雜；塔頂部溫度靈敏板控制提升效果不顯著，主要原因是進料為液相，進料變化對提餾段影響更直接迅速，精餾段對進料變化不敏感。綜上，針對中間重沸式熱泵精餾塔，以中間重沸器側(cè)線下方的靈敏板溫度為主控變量的控制方案，有效解決了中間重沸式熱泵精餾塔控制波動大、響應(yīng)慢的問題，具有較好操作控制性能。

3 結(jié) 論

煤制乙二醇酯化塔底廢水甲醇回收采用分割式熱泵精餾最佳分割點為60%，可節(jié)能約38%。通過動態(tài)模擬研究，在進料流量波動時，分割式熱泵精餾的響應(yīng)時間較長(6 h左右)，達到普通精餾響應(yīng)時間的5～6倍。對于液相進料的中間重沸式熱泵精餾塔，采用中間重沸器側(cè)線下方的靈敏板溫度為主控變量的控制方案，可以大幅縮短動態(tài)響應(yīng)時間(1 h)和波動范圍(與常規(guī)精餾相近)，具有較好操作控制性能，達到工業(yè)應(yīng)用需要。