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(jìn)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(jìn)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(fù)荷，也可以降低塔底重沸負(fù)荷，從而達(dá)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(diǎn)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(dāng)于普通熱泵精餾，下段相當(dāng)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(dá)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(diǎn)對(duì)能耗影響，與普通精餾相比的節(jié)能效果。采用ASPEN DYNAMICS動(dòng)態(tài)模擬軟件，建立了分割式熱泵精餾的動(dòng)態(tài)模型，研究控制方案、進(jìn)料流量波動(dòng)時(shí)分割式熱泵精餾與普通精餾的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。針對(duì)分割式熱泵精餾動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間長、波動(dòng)劇烈，提出了改進(jìn)的控制方案-靈敏板溫控，并驗(yàn)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(duì)于甲醇-水體系的模擬，熱力學(xué)方法選擇WILSON。進(jìn)料組成為煤制乙二醇裝置酯化塔底含醇廢液，進(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)入下塔，下塔頂部氣相進(jìn)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(jī)為單級(jí)，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(diǎn)的優(yōu)化分析

分割式熱泵精餾分割點(diǎn)是指輕組分(甲醇)進(jìn)入下塔的質(zhì)量濃度。分割點(diǎn)對(duì)熱泵投資和運(yùn)行費(fèi)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(fèi)用(包括折算年投資費(fèi)用和年操作費(fèi)用)最小確定最佳分割點(diǎn)[2]。當(dāng)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(fèi)用通常變化很小，本文案例考察的范圍內(nèi)可以認(rèn)為設(shè)備投資基本不變，因此可以直接按照年操作費(fèi)用確定最佳分割點(diǎn)。在缺乏公用工程費(fèi)用數(shù)據(jù)時(shí)，還可以將各種公用消耗折算為標(biāo)煤或標(biāo)油，按照總能耗最低確定分割點(diǎn)。本文考察50%～70%范圍內(nèi)5個(gè)分割點(diǎn)，對(duì)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(jī)機(jī)械功率比值。從表1可知，隨分割點(diǎn)甲醇濃度降低，壓縮機(jī)功率和上塔重沸器換熱量增加，相應(yīng)下塔重沸器負(fù)荷和塔頂水冷器負(fù)荷均降低，表示總能耗降低，節(jié)能效果更好。分割點(diǎn)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(jí)壓縮)、上塔頂部和底部溫差(≯20℃)、塔內(nèi)介質(zhì)物性(相對(duì)揮發(fā)度)隨溫度變化等因素，確定適宜分割點(diǎn)為60%。

表1 甲醇分割點(diǎn)計(jì)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(biāo)《GBT 50441-2016石油化工設(shè)計(jì)能耗計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》[4]，分別計(jì)算了普通精餾與分割式熱泵精餾(分割點(diǎn)60%)的能耗，結(jié)果見表1所示。

普通精餾的總能耗折合成標(biāo)油為616 kg標(biāo)煤/h，分割式熱泵精餾(分割點(diǎn)60%)的總能耗為383 kg標(biāo)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(dòng)態(tài)模擬與控制研究

2.1 動(dòng)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(shí)際工程設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)值。

圖2 中間重沸式(分割式)熱泵精餾的動(dòng)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(jī)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(dòng)態(tài)模型，另外為便于比較動(dòng)態(tài)特性，采用相同控制方案建立常規(guī)精餾的動(dòng)態(tài)模型。

2.2 動(dòng)態(tài)特性研究

本文重點(diǎn)考察進(jìn)料變化(±10%)情況下熱泵精餾塔動(dòng)態(tài)特性， 圖3及圖4是普通精餾塔在添加進(jìn)料流量擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。對(duì)于普通精餾塔，當(dāng)進(jìn)料流量增加或減少10%時(shí)，塔頂壓力、塔頂溫度、塔底溫度等參數(shù)在短暫的波動(dòng)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(dòng)，也在1.5 h左右恢復(fù)平穩(wěn)。

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

圖4 普通精餾動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(進(jìn)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(jìn)料擾動(dòng)動(dòng)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(duì)于分割式熱泵精餾塔，當(dāng)進(jìn)料流量增加或減少10%時(shí)，塔頂壓力、塔頂溫度、塔底溫度等參數(shù)出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，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(dòng)幅度較大：當(dāng)進(jìn)料流量增加時(shí)，純度由0.99降到了0.95。另外塔底產(chǎn)品濃度純度波動(dòng)時(shí)間較長(6 h)。

圖5 分割式熱泵精餾動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(進(jìn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(進(jìn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間顯著增加，達(dá)到普通精餾響應(yīng)時(shí)間的5～6倍，而且波動(dòng)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(dòng)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(gè)參數(shù)之間的相互影響更大，耦合性更強(qiáng)。當(dāng)進(jìn)料流量增加時(shí)，塔底溫度會(huì)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(fù)荷會(huì)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(huì)增加(相當(dāng)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(fù)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(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線-靈敏板溫控 (進(jìn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線-靈敏板溫控 (進(jìn)料流量減小10%)Fig.9 Dynamic response curve of separate heat-pump distillation- sensitive stage control (feed decrease 10%)

針對(duì)分割式熱泵精餾塔動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間長、波動(dòng)幅度大的情況，嘗試了中溫控制、塔頂和塔底靈敏板控制、進(jìn)料前饋控制、中溫前饋控制等改進(jìn)措施。經(jīng)動(dòng)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(diǎn)。另外，常規(guī)的分割式熱泵雙塔流程的塔釜液停留時(shí)間長、上塔底部空間和下塔上部空間大，動(dòng)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(jìn)料擾動(dòng)(±10%)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線見圖8、圖9所示。

當(dāng)采用靈敏板溫控時(shí)，分割式熱泵精餾塔各個(gè)參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間縮短到了1 h左右，經(jīng)歷短暫的波動(dòng)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(dòng)，不會(huì)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(dòng)大幅減小，響應(yīng)時(shí)間縮短了6倍。

進(jìn)料或中溫前饋控制也可以達(dá)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(jìn)料為液相，進(jìn)料變化對(duì)提餾段影響更直接迅速，精餾段對(duì)進(jìn)料變化不敏感。綜上，針對(duì)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(dòng)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(diǎn)為60%，可節(jié)能約38%。通過動(dòng)態(tài)模擬研究，在進(jìn)料流量波動(dòng)時(shí)，分割式熱泵精餾的響應(yīng)時(shí)間較長(6 h左右)，達(dá)到普通精餾響應(yīng)時(shí)間的5～6倍。對(duì)于液相進(jìn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間(1 h)和波動(dòng)范圍(與常規(guī)精餾相近)，具有較好操作控制性能，達(dá)到工業(yè)應(yīng)用需要。