液化天然气分离的节能蒸馏工艺.pdf

9 54 化 工 进 展 C HE MI C AL I NDU S T R Y A ND E NG I N E E R I NG P R O GR E S S 2 0 0 8年第 2 7卷第 6期 液化天然气分离的节能蒸馏工艺 吕 向 红 华南师 范大学化学与环境学院，广东 广州 5 1 0 0 0 6 摘要采用严格模拟计算的方法，对液化天然气分离过程的现有常规蒸馏工艺与热耦蒸馏工艺、 侧线提馏工艺、 双效蒸馏工艺和热集成工艺进行了模拟，并比较了其能量消耗。模拟计算结果显示，复杂蒸馏工艺都比常规蒸馏 工艺减少了能耗和操作成本。其中，热耦蒸馏工艺可比常规蒸馏工艺节能 2 1 ． 4 ％，侧线提馏工艺节约 1 3 ． 3 ％，双 效蒸馏工艺可节约 3 4 ． 7 ％，热集成工艺节约则达 3 7 ． 6 ％左右，表明新工艺在此分离过程中都有较好的应用前景， 尤以多效蒸馏和热耦蒸馏最有优势。 关键词液化天然气；多效蒸馏；热耦蒸馏；侧线提馏；热集成；节能 中图分类号T E 6 4 5 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 6 6 1 3 2 0 0 8 0 6 0 9 5 40 4 Ene r g y s a vi ng di s t i l l a t i o n f o r s e pa r a t i o n o f LNG LU Xi an g h on g S c h o o l o fC h e mi s t r y E n v i r o n me n t ，S o u t h Ch i n a No r ma l Un i v e r s i t y ， Gu a n g z h o u 5 1 0 0 0 6 ， Gu a n g d o n g，C h i n a Ab s t r a c t Th e p r o c e s s e s f o r l i q u e fie d n a t u r a l g a s s e p a r a t i o n，i n c l u d i n g c o n v e n t i o n a l d i s t i l l a t i o n ， t h e r ma l l y c o u pl e d di s t i l l a t i on， s i d e s t r i p pe r ， d ou b l e e ffe c t d i s t i l l a t i o n a n d he a t i n t e gr a t e d d i s t i l l a t i o n we r e s i mu l a t e d b y u s i n g r i g o r o u s mo d e l s a n d t h e i r e n e r g y c o n s u mp t i o n s we r e c o mp a r e d ． T h e s i mu l a t e d r e s u l t s s h o we d t h a t t he c o mpl e x d i s t i l l a t i o n pr o c e s s e s c o n s u m e mu c h l e s s e ne r g y a n d o p e r a t i on c o s t t h a n c o n v e n t i o n a l d i s t i l l a t i o n ． T h e t h e rm a l l y c o u p l e d d i s t i l l a t i o n s a v e s e n e r g y b y 2 1 、 4 ％ ， s i d e s t r i p p e r b y 1 3 ． 3 ％，d o u b l e e ff e c t d i s t i l l a t i o n b y 3 4 、 7 ％wh i l e h e a t i n t e g r a t e d d i s t i l l a t i o n b y 3 7 、 6 ％ ，a g a i n s t t h e c o n v e n t i o n a l p r o c e s s ．Al l t h e c o mp l e x d i s t i l l a t i o n p r o c e s s e s h a v e g o o d p r o s p e c t s o f a p p l i c a t i o n and d o u b l e e ffe c t di s t i l l a t i o n a nd t h e rm a l l y c ou pl e d di s t i l l a t i on a r r a ng e m e n t s a r e s u pe r i o r ． Ke y wo r ds ．- l i q u e fie d n a t u r a l g a s ； mul t i e ffe c t di s t i l l a t i on ； t h e rm a l l y c ou pl e d di s t i l l a t i o n； s i d e s t r i p pe r ； he a t i n t e g r a t i o n； e n e r g y s a vi n g 蒸馏是化工和石油工业生产过程中应用很广泛 的分离操作技术，但常规过程 中能耗 比较大。因此 必须提高过程的热力学效率，解决的方法通常是采 用新的蒸馏技术 例如热耦蒸馏 、多效蒸馏、热泵 蒸馏等 ， 选择新的分离工艺过程， 整个工艺过程中 的能量综合利用，多塔蒸馏 时进行能量集成，都利 于节能减耗 ，降低操作成本【 卜 】 。据报道，美国进 行蒸馏装置改造每年可节省成本 6 0亿美元， 这是非 常可观的经济效益【 J 引 。 液化天然气的主要用途是作为安全洁净的燃料 和重要的化工原料，其主要成分是 甲烷，同时还含 有少量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等，因产地不同 其组分和组成也会有所差异。从油 田得到的气态天 然气 伴生气 需经深冷液化、脱水、净化变为液 化天然气 ，以便于储存和远距离运输。在天然气深 冷过程中可分离出 C 以上组分，此重烃混合物通过 蒸馏方式可得到 C 3 、 C 、 C 5 等高附加值的烃类组分。 实际生产中，通常采用常规蒸馏的方法依次分 离出 C 3 、C 、C 5 等。本文作者将就某液化天然气 分离工艺进行分析，探讨可能的节能新工艺。采用 严格模拟的方法进行模拟计算，即以每块塔板上的 物料恒算、热量恒算和气液相平衡方程建立严格数 学模型，因此严格模拟方法也叫逐板计算法 。借助 收稿 日期2 0 0 71 2 2 1 ；修改稿日期2 0 0 8 0 21 8 。 作者简介吕向红 1 9 6 4 一 ，博士，副教授，研究方向为化工过程 模拟与优化。电话 0 2 0 3 9 3 1 0 2 5 0 E ma il x h l u s c n u ． e d u ．c n 。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 吕向红液化天然气分离的节能蒸馏 工艺 9 5 5 模 拟 软件 AS P E N P L US 进 行 模拟 计算 ，采用 We g s t e i n算法，热 力学计算采用 R S K方法 。 1 常规蒸馏方案 油 田气在脱硫、脱水净化后，深冷得到液体重 烃 ，进入蒸馏塔脱除丙烷后 ，再按照间接序列分离 出 C 5 和 C 4 ，然后 C 4 再分离出 C 4 和 f C 4 。图 1是 液化天然气分离常用的常规蒸馏工艺分离时的操作 条件和参数。图 1中所标塔板数为理论塔板数，顺 序从塔顶算起， 塔釜再沸器为最后一块塔板 下同 。 1 2 0 0 k P a 45 0 k Pa 5 5 0 k Pa 。 ． 4 w ， Q c 一 2 51 6 k w 1 ’巴 ． ， k w 1 1 一 f c 4 ” r 4 一 一 一 2 3 ji J4 o ． Q b 1 4 7 6 9 k W。 9 oI i 4 8 3 6 k W ’C5 ．．．． 一 月 C 脱丙烷塔 脱丁烷塔 脱异丁烷塔 图 1 液化天然气分离常规蒸馏序列 由于脱丙烷塔的操作压力与其它两塔操作压力 相差很大， 本例仅分析后续脱除丙烷 以后的分离， 进 入脱丁烷塔的物流的组分及组成等数据现列于表 1 。 表 1 脱丁烷塔进料的组分及组成 假定进料流量 3 8 3 k mo l ／ h ，压力 1 0 0 0 k P a ；温 度 1 0 3 ． 5 ℃。 产 品规定C 5 ，1 3 7 k r n o l ／ h ，9 9 ；i C 4 ，8 3 k r n o l ／ h，9 9 ％ n C 4 ， 1 6 3 k mo l ／ h，9 8 。 产品回收率 C 5 ，9 9 ％；i C 4 ， 9 8 ％； n C 4 ，9 9 ％。 经过严格模拟， 得到常规蒸馏序列的操作参数， 见 图 1 。 2 全热耦蒸馏 脱丙烷后的混合物分离时，轻关键组分为异丁 烷，重关键组分为异戊烷，中间组分为正丁烷，轻 关 键 组 分 和 中 间 组 分 的 相 对 挥 发 度 为 2 ． 7 2 ／ 2 ． 0 8 1 ． 3 1 ，中间组分和重组分的相对挥发度为 2 ． 0 8 ，则分离指数 E S I 0 ． 6 3 。但中间组分 n C 4 的含 量比较 高，在 5 0 ％左右，根据选用原则【 l ，可以采 用全热耦 蒸馏工艺分离该混合物 。全热耦蒸馏塔 p e t l y u k塔 的具体结构及参数见图 2 。 5 5 0 k P a 4 1 ．4“C 6 2 9 4 k W 一～ 1 ． _r c 一 ● 4 8 3 k mo l ／ h ， 9 9 ％ 1 ．f -月 C ～ J h n 0 ％ 4 0 1 ⋯ 9 2 旦 5 7 3 7 k w C5 1 3 7k m o l／ h，9 9 ％ 图 2 L NG分离的热耦蒸馏工 艺 在此热耦蒸馏工 艺中，原常规方法中的脱丁 烷塔和脱异丁烷塔合 并成一座热耦蒸馏塔 ，包含 主塔和预分塔，两者要在相 同的压力下操作 ，为 满足塔顶冷凝器 的温度仍为 4 1℃， 操作压力必须 是脱丁烷塔和脱异丁烷塔中压力较大 的，因此应 选 择 5 5 0 k P a 。 可见，其操作的热负荷都比常规方案有较大幅 度降低。 3 侧线提馏塔 本例中要分离的混合物中，中间组分正丁烷 的 含量比较高，因此也可采用侧线采 出的方式，在正 丁烷含量最高处采出混合物， 加以分离。 但本例中， 由于中问组分与重组分之间在塔内容易分开，因此 所抽出的混合物中容易包含中间组分和轻组分。应 该选择侧线气提塔，在主塔 中段采出液相混合物， 在气提塔 中分离出中间组分正丁烷，气相组分返回 主塔 ，在主塔塔顶得到轻组分异丁烷 。 此工艺过程中，主塔塔顶得到异丁烷，侧线采 出异丁烷和丁烷的液体混合，侧线塔釜得丁烷、塔 顶是异丁烷和丁烷的混合气体返回主塔 。这样 ，主 塔塔顶压力可 以与脱异丁烷塔压力相同，而侧线分 馏塔与脱丁烷塔压力相同。 经过严格模拟，得出了其操作参数 ，能耗指标 见图 3 。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 5 6 化 工 进 展 2 0 0 8年第 2 7卷 5 5 0 k P a Q c 6 9 2 5 k W 一f C ． j ● 一 ～ 一 I ⋯ T O b ． 4 0 1 0 k W i 1 9 2 ； c 4 。 2 3 0 5 k w n C4 图 3佃I 线据 馏 丁 4 双效蒸馏 分析此常规蒸馏工艺可知，脱丙烷塔和脱丁烷 塔之间的操作压力差别很大，则可以适当提高脱丁 烷塔 的压力 ，以使其塔顶的蒸气作为脱异丁烷塔再 沸器加热所需要的蒸气。即脱丁烷塔和脱异丁烷塔 之间进行能量集成形成两效蒸馏工艺 见图4 。 7 2 一 ，Q 3 3 5 7 k W } f c4 一 叶 } ． I4 0 ． 9 0 1 7 5 3 k w Q b 4 8 7 8 k w、 二 ， 一5 7 ．4℃ 1 3 5 ． 3 C C5 ‘ ⋯ n C4 脱丁烷塔 脱异丁烷塔 图 4 双效蒸馏 工艺 此工艺过程中， 提高脱丁烷塔的压力，以使其塔 顶的蒸气作为脱异丁烷塔再沸器加热所需要的蒸气。 为满足传热温差，取脱丁烷塔的压力为 9 5 0 k P a ，此 时温差为 1 5 ． 5℃。 其具体操作参数和能耗指标见图4 。 5热集成工 艺 脱丁烷塔的压力提高 9 5 0 k P a以后，其塔釜温度 也相应上升到 1 3 5 ． 3 o C，也即出塔产品汽油 C 钭 的温度为 1 3 5 ． 3℃。 此温度远高于脱异丁烷塔塔釜液 的温度， 也作为脱异丁烷塔塔釜的热源。假定将汽油 的温度降至 7 0℃。其操作参数和能耗指标见图5 。 9 5 0 k P a 1 ． 5 5 0 k P a Q c 3 3 5 7 k W I 1工一f C Q b 4 8 7 8 k W 4 0 l ， 9 2 Q b 1 2 9 4 k W ’ C5 十 ‘ 一 一’ 4 脱丁 烷 塔 ， 脱异丁 烷 塔 图 5 热集成工艺流程图 6 工艺比较 为了更 明显地比较它们的优劣 ，现比较它们的 操作费用的大小。在此仅 比较公用工程费用，其它 因素忽 略 。 为方便比较， 假定塔顶冷却水温升为 2 5 3 5℃， 塔釜采用 1 5 0℃饱和蒸气加热。水价 1 ． 5 0 元／ t ，蒸 气价格 1 2 0元／ t ；年操作工时按 8 0 0 0 h计。 通过计算，得到了 3种分离工艺的操作费用结 果和比较结果，分别列于表 2 。 表 2 几种蒸馏方案 的能耗和操作费用 比较 从表 2中看出，采用新的蒸馏方案都 比常规蒸 馏方案节能。热耦蒸馏方案比常规蒸馏方案节约操 作费用高达 2 1 ． 4 ％，侧线提馏方案节约 1 3 ． 5 ％，双 效蒸馏方案节约 3 3 ． 7 而热集成还进一步降低能 耗 ，比常规蒸馏方案节省操作成本 3 7 ． 4 ％，每年减 少操作费用 7 5 4万元 ，效益相当可观 。 7 结 论 1 液化天然气分离制备异丁烷、正丁烷和汽 油的现有常规蒸馏分离工艺能耗比较大， 采用复杂蒸 馏工艺之后，能耗都有大幅度降低，相应地操作费用 也有大幅度降低，从而经济效益也有较大幅度提高。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 吕向红 液化天然气分离的节能蒸馏工 艺 9 5 7 2 其中， 双效蒸馏方案和热集成方案节能效p o s t f r a c t i 。 “ a t o r [J 】 ． E n g ． 肋 ， 2 0 0 6 , 一 果 最 好。 双 效 蒸 馏方 案比 常 规 方 案 节 约 操作 费 用 [ ] A n a n m a r a a n R ’ A o G 。u ．n d e r s e n T ．，． E n ．e d 。 3 3 ． 7 ，热集成方案节省 3 7 ．4 ％。对本例 ，热集成 i n t e n s i v e p r 0 c e s s e s 『 J 】 ． A p p ， l 口 l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 6 ， 2 6 每年可减少操作费用 7 5 4万元。但脱丁烷塔的操作 1 3 7 8 1 3 8 4 压力比常规方案时提高比较大。 [ 】 。 g o v i a - H e ro a n 。 G ， H 。 a ll 。 ， i r a 。 n e z A A 。 “ 删。 3 热 耦 蒸 馏 方 案 和 侧 线 提 馏 方 案 也 比 常 规 蒸 ． 。 。 dl， “ 馏方案节约操作费用分别为 2 1 ． 4 和 1 3 ． 5 。优点 f 7 ]G r 0 s s m a n I E ， A g u i r r e P A ， B a r t t f e ] d M ． O p t i m a l s y n t h e s i s 0 f 是操作压力维持接近常规方案时的操作压力。 c o m p l e x d i s t il l a t i o n c o l u m n s u s i n g r i g o r o u s m o d e l s [ J ] ． C o m p u t ． 4 由于热负荷有较大幅度降低 ， 换热器的换 帆 E n g ． ， 。 。 ， 2 9 。 一 热 面 积 也 有 较 大 幅 度 减 少 ， 因 此 设 备 投 资 也 有 望 大 兰 ’ e 邝 三 。 幅度降低。 s e q u e n c e s [ J ] ． C h m B i o c h m E n g ． Q ， 2 0 0 5 ，1 9 3 2 3 5 2 4 1 ． 5 新 的复杂蒸馏方案都有很好的应用前景。 [ 9 ] H e r n a n d e z - G a o n a C G， H e r n a n d e z S ． C o m p a r i s o n o f e n e r g y 在 不 考 虑 其 它 因 素 的 前 提 下 ， 双 效 蒸 馏 和 热 耦 蒸 馏i 。 。 i。a nn。u。 a l [J]b e．tw ee n ． n d 是最好的方案选择。 2 o 0 4 ， 8 f 2 1 l 3 7 _ l 4 3． ～ ‘ 参考文献 刚 竺 。 兰 C O 。t s w it．h [ 1 ] P a r k i n s o n G． D i v i d i n g w a l l c du mn s fi n d g r e a t e r a p p e a l『 J 】 ． C h e m ． [ 1 1 ] S h a H P B ． S q u z e e z e mo r e o u t o f c o m p l e x c l u mn s[ J ] l C h e m ． E n g ． E n g , P r o g ． ，2 0 0 7 ， 1 0 3 5 8 一 l 1 ．P r o g ． ，2 0 0 2 ，9 8 7 4 6 5 5 ． [ 2 ] S e g o v i a - He roa n d e z J G， H e r n a n d e z V a r g a s EA， Ma r q u e z Mu n o z J A ． [ 1 2 ] 杨霞，李玉刚，郑世清．一种新型的热偶精馏过程的节能分析与 C o n t r o l p r o p e r t i e s o f t h e r ma l l y c o u p l e d d i s t i l l a t i o n s e q u e n c e s f o r 工、 I 应用[ J j ． 现代化工，2 0 0 7 ，2 7 增 1 3 1 8 3 2 1 ． d i ff e r e n t o p e r a t i n g c o n d i t i o n s [ J ] ． C o m p u t． C h e m ． E n g ． ， 2 0 0 7 ， 3 l 7 [ 1 3 ] 吕l 红， 陆恩锡． 热耦蒸馏技术进展[ J ] ． 化工进展， 2 0 0 4 ， 2 3 8 8 6 7 - 8 7 4．8 3 7 8 4 0 [ 3 ] F e r r e r - Na d a l S ， Y e l a mo s R u i z l ， Gr a e l l s M． A n i n t e gra t e d fr a m e w o r k [ 1 4 ] R e p o rt ． D i s t i l l a t i o n i mp r o v e m e n t s c o u l d s a v e U． S ． i n d u s t r y u p t o for o n l i n e s u p e r v i s e d o p t imi z a t i o n[ J ] l C o m p u t ． C h e m ． E n g ． ，2 0 0 7 ， 6 b i l l i o n ／ y[ J ] l C h e m ． E n g ． ，2 0 0 3 ，l l O 1 1 5 ． 3 l 6 4 0 1 4 0 9 ． [ 1 5 ] 吕向红，陆恩锡．热耦蒸馏及其选用原则[ J J ． 化学 ，2 0 0 5 ， [ 4 ] K im Y H． A n e w l y f u l l y th e r ma l l y c o u p l e d d i s t i l l a t io n c o l u mn wi t h 3 3 2 9 1 2 ． t 、 、 、 、 ， ． 、 多、， 、 争 ． ． ． ． 争 ． 争 、 争 ． ． f ， 、 图书资讯 欢迎订购 2 0 0 8 年版 全国拟在建项 目汇编 2 0 0 8年， 全国拟在建项 目汇编 化工卷和电力卷喜迎 连续发行的第六个年头。 自 发行以来，该书以其资料性、工具 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