糠醛精制系统能量利用的优化问题探析

王 刚

（宁夏工业设计院有限责任公司 宁夏 银川 750001）

0 引言

在糠醛生产中，从水解锅出来的醛蒸汽经冷凝后变成含醛冷凝液，含醛冷凝液是中间产物，而最终要获得高纯度的糠醛产品还需要经过一系列的工艺处理。被中和后的含醛冷凝液称为原液，含4%～6%的糠醛，含水90%以上，低沸点杂质的含量约为糠醛含量的5%～15%，其中主要是甲醇、丙酮等。目前国内处理原液以获得合格糠醛产品的工艺主要如下：原液首先进入粗馏塔，经塔釜加热后，塔顶获得糠醛与水的恒沸产物，该恒沸物经冷凝后进入分醛器静置分层。分层后水层含水约90%，含醛约10%，水层作为回流液返回塔顶，醛层含醛约90%，含水约10%，醛层经高位槽进入脱水塔，真空蒸馏去除水分及轻组分，再进入精制塔，真空蒸馏除去甲基糠醛等重组分，在精制塔塔顶获得合格的糠醛产品（糠醛含量不低于99.5%）。

1 现有糠醛精馏工艺的模拟

1.1 糠醛精制系统的热力学方程

热力学方程是流程模拟中计算物料平衡和热量平衡的基础，热力学方程的准确程度在很大程度上决定了模拟结果的可靠性。热力学方程对物系的物性估算越准确，模拟的结果才越可靠。在该分离系统中，所要处理的物系为糠醛和水的混合物，其中糠醛的质量分数约为6%，水为93%，另外还包含一些杂质，低沸点杂质的含量约为糠醛含量的10%，其中主要是甲醇和丙酮等，高沸点杂质的含量约为0.4%，其中主要是5-甲基糠醛。对于这样一个极性混合物的体系，PRO/II中适用的热力学方程有NRTL和UNIFAC。

现以某公司年产3000吨糠醛的装置为基础，本文分别选取NRTL和UNIFAC等热力学方程对流程进行模拟，并对结果进行比较，模拟结果见表1。

表1 不同热力学方程模拟的结果对比

糠醛精制系统中以糠醛的指标为核心，且水与糠醛易形成共沸，因此将各塔糠醛含量作为衡量热力学方程是否合适的标志。从表1中可以看出UNIFAC模型的计算值能够较好地符合实际的生产运行指标。而采用NRTL模型进行计算时，NRTL模型对杂质5-甲基糠醛的物性估算的不够准确，使得5-甲基糠醛在初馏塔中被一次性地除掉，因此在后续的精制塔中完全不存在5-甲基糠醛，这不符合实际，使得糠醛浓度的计算值与实际偏差较大，不符合实际生产运行的特点。因此本文选取UNIFAC模型作为此次模拟的热力学方程。

1.2 现有工艺的模拟

为了研究糠醛精制系统的节能问题，我们首先要对现有的常规工艺进行模拟研究，来反映实际的运行情况，在此基础上对系统进行优化才是比较可靠的。本文采用PRO/II建立模拟流程，选用UNIFAC作为基本的热力学方程。以某公司的生产实际工况为例，年产糠醛3000吨，粗糠醛进料12吨/h，进料温度75℃，压力为120kPa,具体的模拟数据与实际运行数据（见表2）。

表2 模拟数据与实际运行数据的比较

经过模拟计算，并将计算结果与工艺值进行比较，得出以下结论：

1）初馏塔和精制塔的温度与实际值比较相符，脱水塔的塔顶温度低于实际值；

2）各塔塔顶糠醛的浓度与实际相符，其中初馏塔塔釜的糠醛浓度比实际值偏高。此外精制塔塔釜的糠醛计算值比实际值偏高，这是由于实际生产中糠醛易发生聚合反应而损失掉一部分；

3）初馏塔、脱水塔和精制塔的流股流量与实际值吻合较好；

4）最终产品糠醛的浓度和流量都能符合实际工艺参数。

综上所述，可以判定本文模拟中所选用的热力学方程和计算方法是正确的，因此可以在此基础上进行工艺分析以及改进的研究。

2 改进工艺的研究

2.1 工艺的分析

以上这类精制流程是我国绝大部分糠醛厂采用的流程，该流程的特点是：设备简单，投资少，投资回报快，适宜于乡镇企业兴办中、小型糠醛厂，但是同时也存在污染严重、能耗大的问题。随着工业的发展，污染和能耗问题日益突出，逐渐成为行业实现长远发展的瓶颈。对此，很多学者也进行过许多研究，并提出了一些改进措施诸如：从水解锅出来的醛汽压力约为0.8～1.0MPa，带有很大的能量，曾试过用气相入塔蒸馏，从而减少初馏塔再沸器的负荷，但因为糠醛的浓度波动较大，使得初馏塔的操作很不稳定，到现在仍用液相入塔。然而醛汽的冷凝会耗用大量的冷却水，为了回收醛汽的热量，目前该厂将醛汽直接通入塔釜换热器作为热源。

这样做存在两个问题：一方面，从塔釜出来的的醛汽冷凝液仍然具有一定的热量，该厂采用冷凝器将醛汽冷却到70℃，然后入初馏塔进行蒸馏，这样就有一部分热量由公用工程中冷却水带走，白白浪费掉；另一方面，醛汽含酸且带有杂质，容易造成堵塞，影响初馏塔顺利运行。

因此本文考虑增加一台废热锅炉，废热锅炉由换热器和汽包两部分组成，让高温的醛汽在废热锅炉内产生0.3MPa的二次蒸汽，供糠醛蒸馏使用，这样不仅可以提高能量的利用率，而且可以将醛汽腐蚀及堵塞设备的问题与初馏塔分离开来，保证初馏塔的正常运转。

经过核算以后，利用上述方法，醛汽产生的二次蒸汽并没有被充分利用，因此本文提出将废热锅炉副产的二次蒸汽的一部分用于甲醇丙酮的分离回收，第一可以提高醛汽能量的利用率，第二可以不额外增加塔釜供热而实现废气零排放以及有用物质回收的目标，第三减轻蒸馏塔釜的腐蚀堵塞问题，保证蒸馏塔顺利运行。

2.2 能量的核算

从水解锅出来的醛汽流量为12000kg／h，压力为0.8～1.0MPa，其中90%以上为水蒸汽。将醛汽按0.9MPa的饱和水蒸汽计算，温度为175.4℃，比焓为2773.6kJ／kg。下面分别对改进前和改进后的醛汽热量利用率进行核算。

1）原始工艺能量核算

在原始工艺中醛汽直接进入初馏塔塔釜作热源，随后进入冷却器被冷却到70℃，热量的利用情况如下。其中醛汽所提供的热量为Q1=W （H1－H2）， 式中 Q1为醛汽所提供的热量，kJ／h；W 为醛汽的质量流量，kg／h；H1为 175℃饱和水蒸气的比焓，kJ／kg；H2为 70℃饱和水的比焓，kJ／kg。

被初馏塔塔釜所利用的热量为Q2，则原始工艺醛汽热量的利用率为η=Q2/Q1，式中η1为原始工艺醛汽热量的利用率；Q1为醛汽所提供的热量，kJ/h；Q2为被初馏塔塔釜所利用的热量，kJ/h。

2）改进工艺能量核算

在改进后的工艺中醛汽首先进入废热锅炉产蒸汽，从废热锅炉出来的醛汽仍携带了较多热量，因此可进入换热器预热将要供给废热锅炉产蒸汽的冷水，从而在实现冷却醛汽的同时回收这一部分热量。其中醛汽所提供的热量为Q3=W（H1－H2），式中Q3为醛汽所提供的热量，kJ/h；W为醛汽的质量流量，kg/h；H1为175℃饱和水蒸气的比焓，kJ/kg；H2为 70℃饱和水的比焓，kJ/kg。

被新系统所利用的热量为 Q4=｛W（H1-H2）（H3-H4）·ω ｝／（H3－H5），式中Q4为被新系统所利用的热量，kJ/h；W为醛汽的质量流量，kg/h；H1为 175℃饱和水蒸气的比焓，kJ/kg；H2为 70℃饱和水的比焓，kJ/kg；H3为 133℃饱和水蒸气的比焓，kJ/kg；H4为 133℃饱和水的比焓，kJ/kg；H5为20℃饱和水的比焓，kJ/kg；ω为换热器的效率。

则改进工艺后醛汽热量的利用率为η2=Q4/Q3，式中η2为改进工艺后醛汽热量的利用率；Q3为醛汽所提供的热量，kJ/h；Q4为被新系统所利用的热量，kJ/h。

比较以上两种工艺系统的热量利用率可知，改进后醛汽热量利用率由原来的43.44%提高到61.5%，比改进前提高了18%。同时被利用到的能量也能同时满足初馏塔和废气回收系统的负荷，使得废气回收系统无需额外增加能耗，具体结果比较如下表3所示。

表3 能量核算表

4 结束语

对改进前后的能量利用进行了核算与比较，得出如下结论：

4.1 改进后所回收的热量不仅能满足初馏塔的负荷，而且能满足废气回收系统的负荷，实现了废气零排放及有用物质回收且无需额外增加塔釜供热。

4.2 醛汽热量的利用率由改进前的43.44%提高至61.5%。

4.3 减轻蒸馏塔釜的腐蚀堵塞问题，保证蒸馏塔顺利运行。

［1］华超，白鹏，李鑫钢.改进的UNIFAC模型在萃取精馏溶剂选择的应用[J].天然气化工，2005(30)：74-78.

［2］经文魁.化工过程稳态模拟技术的现状和发展趋势[J].现代化工，1995(2)：17-20.