糠醛精制系統能量利用的優化問題探析

王 剛

（寧夏工業設計院有限責任公司 寧夏 銀川 750001）

0 引言

在糠醛生產中，從水解鍋出來的醛蒸汽經冷凝后變成含醛冷凝液，含醛冷凝液是中間產物，而最終要獲得高純度的糠醛產品還需要經過一系列的工藝處理。被中和后的含醛冷凝液稱為原液，含4%～6%的糠醛，含水90%以上，低沸點雜質的含量約為糠醛含量的5%～15%，其中主要是甲醇、丙酮等。目前國內處理原液以獲得合格糠醛產品的工藝主要如下：原液首先進入粗餾塔，經塔釜加熱后，塔頂獲得糠醛與水的恒沸產物，該恒沸物經冷凝后進入分醛器靜置分層。分層后水層含水約90%，含醛約10%，水層作為回流液返回塔頂，醛層含醛約90%，含水約10%，醛層經高位槽進入脫水塔，真空蒸餾去除水分及輕組分，再進入精制塔，真空蒸餾除去甲基糠醛等重組分，在精制塔塔頂獲得合格的糠醛產品（糠醛含量不低于99.5%）。

1 現有糠醛精餾工藝的模擬

1.1 糠醛精制系統的熱力學方程

熱力學方程是流程模擬中計算物料平衡和熱量平衡的基礎，熱力學方程的準確程度在很大程度上決定了模擬結果的可靠性。熱力學方程對物系的物性估算越準確，模擬的結果才越可靠。在該分離系統中，所要處理的物系為糠醛和水的混合物，其中糠醛的質量分數約為6%，水為93%，另外還包含一些雜質，低沸點雜質的含量約為糠醛含量的10%，其中主要是甲醇和丙酮等，高沸點雜質的含量約為0.4%，其中主要是5-甲基糠醛。對于這樣一個極性混合物的體系，PRO/II中適用的熱力學方程有NRTL和UNIFAC。

現以某公司年產3000噸糠醛的裝置為基礎，本文分別選取NRTL和UNIFAC等熱力學方程對流程進行模擬，并對結果進行比較，模擬結果見表1。

表1 不同熱力學方程模擬的結果對比

糠醛精制系統中以糠醛的指標為核心，且水與糠醛易形成共沸，因此將各塔糠醛含量作為衡量熱力學方程是否合適的標志。從表1中可以看出UNIFAC模型的計算值能夠較好地符合實際的生產運行指標。而采用NRTL模型進行計算時，NRTL模型對雜質5-甲基糠醛的物性估算的不夠準確，使得5-甲基糠醛在初餾塔中被一次性地除掉，因此在后續的精制塔中完全不存在5-甲基糠醛，這不符合實際，使得糠醛濃度的計算值與實際偏差較大，不符合實際生產運行的特點。因此本文選取UNIFAC模型作為此次模擬的熱力學方程。

1.2 現有工藝的模擬

為了研究糠醛精制系統的節能問題，我們首先要對現有的常規工藝進行模擬研究，來反映實際的運行情況，在此基礎上對系統進行優化才是比較可靠的。本文采用PRO/II建立模擬流程，選用UNIFAC作為基本的熱力學方程。以某公司的生產實際工況為例，年產糠醛3000噸，粗糠醛進料12噸/h，進料溫度75℃，壓力為120kPa,具體的模擬數據與實際運行數據（見表2）。

表2 模擬數據與實際運行數據的比較

經過模擬計算，并將計算結果與工藝值進行比較，得出以下結論：

1）初餾塔和精制塔的溫度與實際值比較相符，脫水塔的塔頂溫度低于實際值；

2）各塔塔頂糠醛的濃度與實際相符，其中初餾塔塔釜的糠醛濃度比實際值偏高。此外精制塔塔釜的糠醛計算值比實際值偏高，這是由于實際生產中糠醛易發生聚合反應而損失掉一部分；

3）初餾塔、脫水塔和精制塔的流股流量與實際值吻合較好；

4）最終產品糠醛的濃度和流量都能符合實際工藝參數。

綜上所述，可以判定本文模擬中所選用的熱力學方程和計算方法是正確的，因此可以在此基礎上進行工藝分析以及改進的研究。

2 改進工藝的研究

2.1 工藝的分析

以上這類精制流程是我國絕大部分糠醛廠采用的流程，該流程的特點是：設備簡單，投資少，投資回報快，適宜于鄉鎮企業興辦中、小型糠醛廠，但是同時也存在污染嚴重、能耗大的問題。隨著工業的發展，污染和能耗問題日益突出，逐漸成為行業實現長遠發展的瓶頸。對此，很多學者也進行過許多研究，并提出了一些改進措施諸如：從水解鍋出來的醛汽壓力約為0.8～1.0MPa，帶有很大的能量，曾試過用氣相入塔蒸餾，從而減少初餾塔再沸器的負荷，但因為糠醛的濃度波動較大，使得初餾塔的操作很不穩定，到現在仍用液相入塔。然而醛汽的冷凝會耗用大量的冷卻水，為了回收醛汽的熱量，目前該廠將醛汽直接通入塔釜換熱器作為熱源。

這樣做存在兩個問題：一方面，從塔釜出來的的醛汽冷凝液仍然具有一定的熱量，該廠采用冷凝器將醛汽冷卻到70℃，然后入初餾塔進行蒸餾，這樣就有一部分熱量由公用工程中冷卻水帶走，白白浪費掉；另一方面，醛汽含酸且帶有雜質，容易造成堵塞，影響初餾塔順利運行。

因此本文考慮增加一臺廢熱鍋爐，廢熱鍋爐由換熱器和汽包兩部分組成，讓高溫的醛汽在廢熱鍋爐內產生0.3MPa的二次蒸汽，供糠醛蒸餾使用，這樣不僅可以提高能量的利用率，而且可以將醛汽腐蝕及堵塞設備的問題與初餾塔分離開來，保證初餾塔的正常運轉。

經過核算以后，利用上述方法，醛汽產生的二次蒸汽并沒有被充分利用，因此本文提出將廢熱鍋爐副產的二次蒸汽的一部分用于甲醇丙酮的分離回收，第一可以提高醛汽能量的利用率，第二可以不額外增加塔釜供熱而實現廢氣零排放以及有用物質回收的目標，第三減輕蒸餾塔釜的腐蝕堵塞問題，保證蒸餾塔順利運行。

2.2 能量的核算

從水解鍋出來的醛汽流量為12000kg／h，壓力為0.8～1.0MPa，其中90%以上為水蒸汽。將醛汽按0.9MPa的飽和水蒸汽計算，溫度為175.4℃，比焓為2773.6kJ／kg。下面分別對改進前和改進后的醛汽熱量利用率進行核算。

1）原始工藝能量核算

在原始工藝中醛汽直接進入初餾塔塔釜作熱源，隨后進入冷卻器被冷卻到70℃，熱量的利用情況如下。其中醛汽所提供的熱量為Q1=W （H1－H2）， 式中 Q1為醛汽所提供的熱量，kJ／h；W 為醛汽的質量流量，kg／h；H1為 175℃飽和水蒸氣的比焓，kJ／kg；H2為 70℃飽和水的比焓，kJ／kg。

被初餾塔塔釜所利用的熱量為Q2，則原始工藝醛汽熱量的利用率為η=Q2/Q1，式中η1為原始工藝醛汽熱量的利用率；Q1為醛汽所提供的熱量，kJ/h；Q2為被初餾塔塔釜所利用的熱量，kJ/h。

2）改進工藝能量核算

在改進后的工藝中醛汽首先進入廢熱鍋爐產蒸汽，從廢熱鍋爐出來的醛汽仍攜帶了較多熱量，因此可進入換熱器預熱將要供給廢熱鍋爐產蒸汽的冷水，從而在實現冷卻醛汽的同時回收這一部分熱量。其中醛汽所提供的熱量為Q3=W（H1－H2），式中Q3為醛汽所提供的熱量，kJ/h；W為醛汽的質量流量，kg/h；H1為175℃飽和水蒸氣的比焓，kJ/kg；H2為 70℃飽和水的比焓，kJ/kg。

被新系統所利用的熱量為 Q4=｛W（H1-H2）（H3-H4）·ω ｝／（H3－H5），式中Q4為被新系統所利用的熱量，kJ/h；W為醛汽的質量流量，kg/h；H1為 175℃飽和水蒸氣的比焓，kJ/kg；H2為 70℃飽和水的比焓，kJ/kg；H3為 133℃飽和水蒸氣的比焓，kJ/kg；H4為 133℃飽和水的比焓，kJ/kg；H5為20℃飽和水的比焓，kJ/kg；ω為換熱器的效率。

則改進工藝后醛汽熱量的利用率為η2=Q4/Q3，式中η2為改進工藝后醛汽熱量的利用率；Q3為醛汽所提供的熱量，kJ/h；Q4為被新系統所利用的熱量，kJ/h。

比較以上兩種工藝系統的熱量利用率可知，改進后醛汽熱量利用率由原來的43.44%提高到61.5%，比改進前提高了18%。同時被利用到的能量也能同時滿足初餾塔和廢氣回收系統的負荷，使得廢氣回收系統無需額外增加能耗，具體結果比較如下表3所示。

表3 能量核算表

4 結束語

對改進前后的能量利用進行了核算與比較，得出如下結論：

4.1 改進后所回收的熱量不僅能滿足初餾塔的負荷，而且能滿足廢氣回收系統的負荷，實現了廢氣零排放及有用物質回收且無需額外增加塔釜供熱。

4.2 醛汽熱量的利用率由改進前的43.44%提高至61.5%。

4.3 減輕蒸餾塔釜的腐蝕堵塞問題，保證蒸餾塔順利運行。

［1］華超，白鵬，李鑫鋼.改進的UNIFAC模型在萃取精餾溶劑選擇的應用[J].天然氣化工，2005(30)：74-78.

［2］經文魁.化工過程穩態模擬技術的現狀和發展趨勢[J].現代化工，1995(2)：17-20.