丁良輝， 劉從容， 李乾軍， 薛云波

(南京工程學(xué)院 環(huán)境學(xué)院， 江蘇 南京 211167)

外部反應(yīng)精餾強(qiáng)化的環(huán)氧乙烷制乙二醇工藝模擬及其熱泵節(jié)能研究

丁良輝， 劉從容， 李乾軍， 薛云波

(南京工程學(xué)院 環(huán)境學(xué)院， 江蘇 南京 211167)

基于外部反應(yīng)精餾強(qiáng)化技術(shù)反應(yīng)與分離更易優(yōu)化操作的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)了乙二醇的側(cè)反應(yīng)器/精餾塔新流程，并模擬分析了反應(yīng)器的操作工況、裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)過(guò)程經(jīng)濟(jì)性能的影響，獲得了相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)值。為了降低系統(tǒng)能耗，進(jìn)一步提出將反應(yīng)段與提餾段分開(kāi)運(yùn)行、反應(yīng)段引入熱泵的系統(tǒng)內(nèi)部能量集成策略，并考察了其可能最大的節(jié)能效果。結(jié)果表明，與能量集成前的工藝相比，在構(gòu)建的節(jié)能流程中，原再沸器與冷凝器的熱負(fù)荷分別降低84.6%與68.9%，可節(jié)約年操作費(fèi)用68.0%，減少年總成本47.9%。

乙二醇； 反應(yīng)器； 反應(yīng)精餾； 熱泵； 節(jié)能

乙二醇(EG)是生產(chǎn)聚酯纖維和防凍劑等產(chǎn)品的重要石化基礎(chǔ)原料，工業(yè)上通常采用環(huán)氧乙烷(EO)直接水合法生產(chǎn)。針對(duì)該法生產(chǎn)工藝存在的進(jìn)料水/烷比高、反應(yīng)選擇性低、流程復(fù)雜等缺點(diǎn)[1-2]，有學(xué)者提出了塔內(nèi)耦合反應(yīng)精餾(RD)工藝，不僅使原料單程轉(zhuǎn)化率與產(chǎn)品選擇性大幅提高，而且大大簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，進(jìn)而備受關(guān)注[3-5]。然而，該工藝由于將反應(yīng)與精餾集成于同一空間，在EG的開(kāi)發(fā)中首先面臨反應(yīng)與精餾難以?xún)?yōu)化操作的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，如塔壓的選取問(wèn)題。當(dāng)塔壓較低時(shí)，塔內(nèi)反應(yīng)區(qū)往往由于溫度偏低而不足以獲得理想的反應(yīng)速率；而塔壓的提升又將引起分離傳質(zhì)效率的下降[5-7]，反應(yīng)與分離總是難以匹配，且增加反應(yīng)空間以強(qiáng)化反應(yīng)效率的常規(guī)措施也由于受到設(shè)備尺寸的限制不易實(shí)施。其次，盡管RD技術(shù)的應(yīng)用能夠大幅降低進(jìn)料水/烷比，減少蒸發(fā)設(shè)備，節(jié)約脫水能耗，但此時(shí)RD裝置內(nèi)實(shí)則存在大量的氣液相循環(huán)過(guò)程，系統(tǒng)能耗仍然十分嚴(yán)重[2,5]，在一定程度上限制該技術(shù)的推廣。

針對(duì)常規(guī)RD過(guò)程由于反應(yīng)與精餾原位耦合導(dǎo)致的反應(yīng)與分離不易匹配等應(yīng)用局限，人們提出了將反應(yīng)從塔內(nèi)移向塔外的反應(yīng)精餾外部強(qiáng)化結(jié)構(gòu)(SRC, Distillation column coupled with side reactors)[8-10]，即采用數(shù)臺(tái)反應(yīng)器與精餾塔側(cè)線(xiàn)耦聯(lián)的結(jié)構(gòu)。反應(yīng)與精餾的空間獨(dú)立性，使該集成方式中反應(yīng)與精餾可根據(jù)體系性質(zhì)或工藝要求獨(dú)立設(shè)計(jì)與操作，不僅反應(yīng)與精餾可實(shí)現(xiàn)在不同工況組合下的耦合[8-9]，而且反應(yīng)空間可重新調(diào)整設(shè)計(jì)[10]，是更為普適的一種反應(yīng)精餾強(qiáng)化方式，具有廣闊的應(yīng)用前景。

筆者將外部強(qiáng)化的反應(yīng)精餾技術(shù)應(yīng)用于EG的生產(chǎn)，提出EG的SRC新流程，并結(jié)合設(shè)計(jì)工況下的溫度與濃度分布特征，提出將塔的反應(yīng)段、提餾段分開(kāi)運(yùn)行、反應(yīng)段引入熱泵措施的能量集成設(shè)計(jì)策略，以進(jìn)一步降低過(guò)程能耗。

1 環(huán)氧乙烷制乙二醇反應(yīng)化學(xué)體系與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

在反應(yīng)精餾集成技術(shù)中，EO水合生產(chǎn)EG的過(guò)程主要考慮EG和DEG(二乙二醇)的生成反應(yīng)。如式(1)、(2)所示，EO首先與水反應(yīng)生成EG，EG與EO可繼續(xù)反應(yīng)生成副產(chǎn)物DEG。主、副反應(yīng)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)[3]分別如式(3)、(4)所示。

(1)

(2)

r1=3.15×1012exp(9547/T)xEOxH2O

(3)

r2=6.3×1012exp(9547/T)xEOxEG

(4)

式(3)和(4)中，xEO、xH2O、xEG分別代表EO、水、EG的液相摩爾分?jǐn)?shù)，%；r1、r2分別代表主、副反應(yīng)的速率，kmol/(m3·s)。由反應(yīng)動(dòng)力學(xué)可知，欲增加選擇性，需提高反應(yīng)場(chǎng)所中水的液相濃度，降低EG的液相濃度。反應(yīng)精餾集成技術(shù)正是利用水與EG、DEG沸點(diǎn)差異明顯的特征，通過(guò)精餾作用將反應(yīng)產(chǎn)生的EG及時(shí)從體系移出，以抑制EO與EG間副反應(yīng)的發(fā)生，提高反應(yīng)選擇性。

2 SRC流程及其常規(guī)設(shè)計(jì)模擬

2.1 SRC工藝過(guò)程

圖1給出了EG的SRC生產(chǎn)流程示意圖。精餾塔上端耦合連接了3臺(tái)攪拌反應(yīng)釜，將塔分為反應(yīng)段與提餾段兩部分。反應(yīng)段內(nèi)，側(cè)線(xiàn)采出塔板上的液相物料全部采出并送至外部反應(yīng)器，待達(dá)到規(guī)定反應(yīng)進(jìn)程后再返至其下方塔板。在精餾的分離作用下，產(chǎn)物EG與DEG作為重組分向下移動(dòng)并從塔釜采出，反應(yīng)物水與EO作為輕組分不斷在塔頂冷凝循環(huán)利用。水從最頂端塔板進(jìn)料，EO則按一定比例通入各反應(yīng)器，且均采用泡點(diǎn)進(jìn)料。過(guò)程采用工業(yè)常見(jiàn)的飽和蒸氣為加熱劑，常溫循環(huán)水為冷卻劑。

EG的SRC工藝主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：水、EO的進(jìn)料流率分別為26.3 kmol/h和27.53 kmol/h；EO在反應(yīng)器中的分配系數(shù)從上到下依次減小，分別為50%、30%、20%；精餾塔常壓操作；反應(yīng)器中EO轉(zhuǎn)化率為99.9%，產(chǎn)品EG的摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)95%。

圖1 EG的外部強(qiáng)化反應(yīng)精餾流程(SRC)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the coupled reactor/distillation (SRC) process for the ethylene glycol production

2.2 關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量對(duì)經(jīng)濟(jì)費(fèi)用的影響分析

利用Aspen Plus的RadFrac模塊模擬多側(cè)線(xiàn)精餾塔，采用Rstoic模塊模擬反應(yīng)器，并通過(guò)內(nèi)嵌Fortran語(yǔ)言建立EO在主、副反應(yīng)中的分配率p、q與反應(yīng)特征常數(shù)ω間的關(guān)系式(見(jiàn)式(5))，以確定各組分反應(yīng)量與反應(yīng)器出口流股信息；反應(yīng)器大小則根據(jù)反應(yīng)量及其物流信息，通過(guò)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算[9,11]。為了描述液相的非理想性，采用Wilson模型計(jì)算液相的活度系數(shù)[5-6]。為了使工藝能夠在較佳性能狀態(tài)下運(yùn)行，在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)定的前提下，筆者模擬了反應(yīng)器的操作工況、提餾段塔板數(shù)NS、相鄰側(cè)線(xiàn)采入板間隔板數(shù)NRS對(duì)年生產(chǎn)總成本TAC的影響，以確定其適宜值。TAC計(jì)算公式見(jiàn)式(6)。

(5)

TAC=CO+CA

(6)

式(6)中，TAC由年操作費(fèi)用CO、年設(shè)備折舊費(fèi)用CA兩部分構(gòu)成[12]。其中，年操作費(fèi)用按年工作時(shí)間7200 h、循環(huán)冷卻水0.5 RMB/t、加熱蒸氣230 RMB/t 進(jìn)行計(jì)算；設(shè)備費(fèi)用包含精餾塔、換熱器及反應(yīng)器的費(fèi)用(分別記為Cα、Cβ、Cγ，RMB/a。)，由Douglas[13]提出的設(shè)備經(jīng)濟(jì)估算方法加以確定，設(shè)備投資回收期取為3 a。式(7)～(9)給出了Cα、Cβ、Cγ的計(jì)算方法。

Cα=s(29973DC1.066LC0.802+1647DC1.55LC)

(7)

(8)

Cγ=s(μ·DR1.066LR0.802)

(9)

式(7)～(8)中，s為人民幣兌美元匯率，取6.2；DC、LC分別為精餾塔的塔徑、塔高，m；AC、AR分別為冷凝器、再沸器的換熱面積，m2；DR、LR分別為反應(yīng)器的直徑、高度，m；μ與反應(yīng)器的操作工況相關(guān)，其取值如表1所示。

2.2.1 反應(yīng)器操作工況的影響

在SRC過(guò)程中，反應(yīng)器操作工況(如溫度)的調(diào)節(jié)除了影響反應(yīng)速率及其設(shè)備設(shè)計(jì)尺寸外，還往往伴隨著熱量的輸入與輸出，影響設(shè)備的熱負(fù)荷大小及外部公用工程消耗量，進(jìn)而對(duì)過(guò)程費(fèi)用造成重要影響。圖2給出了反應(yīng)器處于恒溫(溫度TR=100℃、120℃、140℃、160℃、180℃)與絕熱不同操作工況下的系統(tǒng)熱負(fù)荷，表1則列出了相應(yīng)的設(shè)備幾何參數(shù)、能源用量及經(jīng)濟(jì)費(fèi)用等參數(shù)。為了避免反應(yīng)器在操作工況調(diào)節(jié)的過(guò)程中發(fā)生物料汽化現(xiàn)象，規(guī)定反應(yīng)器的壓力不得低于預(yù)設(shè)反應(yīng)狀態(tài)下的液相泡點(diǎn)壓力。

圖2 反應(yīng)器操作工況對(duì)SRC系統(tǒng)能耗的影響Fig.2 Effect of the reactor operation conditions on the heat duties in the SRC processNS=4； NRS=1i—100℃; ii—Adiabatic operation (121.37,113.41 and 109.62℃);iii —120℃; iv—140℃; v—160℃; vi—180℃NS—The number of stripping stages； NRS—The number of stages between adjacent trap-out trays

由圖2可知，當(dāng)反應(yīng)器首先從恒溫100℃(i)調(diào)控為絕熱模式(ii)時(shí)，反應(yīng)熱不再直接從反應(yīng)器移出，而是被反應(yīng)物料充分吸收，反應(yīng)器的溫度有所提高(從上到下依次為121.37℃、113.41℃、109.62℃)，且該部分熱量隨著反應(yīng)器出口流股從反應(yīng)單元向精餾單元集成，進(jìn)而被精餾系統(tǒng)有效吸收利用，使塔釜再沸器加熱負(fù)荷有所降低，故過(guò)程能耗與冷熱公用工程用量減小，操作費(fèi)用CO隨之下降(見(jiàn)表1)。從表1還可以看出，由于該過(guò)程反應(yīng)器體積與再沸器換熱面積明顯減小，其設(shè)備費(fèi)用快速降低，使總設(shè)備投資CA有所減小，TAC值同時(shí)降低。

將反應(yīng)器由絕熱模式改為恒溫操作，并逐步提高反應(yīng)溫度 (ii→iii→iv→v→vi)后發(fā)現(xiàn)，隨著該過(guò)程反應(yīng)溫度的提高，反應(yīng)器的加熱負(fù)荷快速增加，而塔釜再沸器負(fù)荷同時(shí)降低，說(shuō)明通過(guò)反應(yīng)器向系統(tǒng)輸入熱量有利于降低塔釜加熱負(fù)荷。但此時(shí)熱公用工程總耗量仍然呈上升趨勢(shì)，且同時(shí)增大了反應(yīng)段上升氣相流率，增加了塔頂冷凝器的負(fù)荷，故操作費(fèi)用CO隨之增加。由于該過(guò)程反應(yīng)器、再沸器的設(shè)備投資仍持續(xù)下降，盡管冷凝器的費(fèi)用由于其熱負(fù)荷的增大有所提高，但總設(shè)備投資CA呈單調(diào)下降趨勢(shì)。因此，在反應(yīng)器由絕熱模式(ii)調(diào)節(jié)為恒溫操作并逐步升溫至180℃(vi)過(guò)程中，如表1所示，操作費(fèi)用的增加、設(shè)備投資的降低使TAC值首先下降然后快速上升；當(dāng)反應(yīng)溫度為120℃(iii)時(shí)，系統(tǒng)的TAC值較低，具有較佳的系統(tǒng)性能。

表1 反應(yīng)器處于不同操作工況下的計(jì)算結(jié)果Table 1 The simulated results with reactors under different operation conditions

NS=4;NRS=1

2.2.2 裝置耦合結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

圖3、圖4給出了當(dāng)反應(yīng)器的操作溫度為120℃時(shí)，提餾段塔板數(shù)NS、相鄰側(cè)線(xiàn)采入板間隔板數(shù)NRS對(duì)經(jīng)濟(jì)費(fèi)用的影響情況。

由圖3可知，當(dāng)提餾段塔板數(shù)從3增加到4時(shí)，由于分離效率得到改善，精餾能耗有所降低，操作費(fèi)用CO快速下降，TAC值隨之減??；但是在其增至4以后，由于已有的塔板數(shù)能夠滿(mǎn)足分離要求，繼續(xù)增加塔板數(shù)不再明顯降低系統(tǒng)能耗與操作費(fèi)用，反而引起設(shè)備費(fèi)用CA的增加，進(jìn)而導(dǎo)致TAC值的增加。因此，提餾段塔板數(shù)的適宜值取為4。由圖4可知，與提餾段塔板數(shù)相比，相鄰側(cè)線(xiàn)采入板間隔板數(shù)對(duì)操作費(fèi)用CO的影響甚小，增加該值并不會(huì)明顯降低操作費(fèi)用，取為1即可，此時(shí)精餾塔總板數(shù)為8(不包含冷凝器、再沸器)。

圖3 提餾段塔板數(shù)(NS)對(duì)SRC系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)費(fèi)用的影響Fig.3 Effect of the number of stripping stages (NS)on the economic costs in the SRC processTr=120℃； NRS =1

圖4 相鄰側(cè)線(xiàn)采入板間隔板數(shù)(NRS)對(duì)SRC系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)費(fèi)用的影響Fig.4 Effect of the number of stages between adjacent trap-out trays (NRS) on the economic costs in the SRC processTr=120℃；NS=4

3 SRC設(shè)計(jì)工況下的塔板溫度、液相摩爾組成與能量集成分析

綜上所述，對(duì)于給定的乙二醇SRC工藝，關(guān)鍵的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)值取為：反應(yīng)器恒溫操作、設(shè)計(jì)溫度為120℃，提餾段塔板數(shù)為4、相鄰側(cè)線(xiàn)采入板間隔板數(shù)為1。圖5給出了其塔內(nèi)流場(chǎng)分布圖，塔板1代表最頂端塔板，9代表塔釜再沸器。

由圖5(a)看到，在反應(yīng)與精餾的協(xié)同作用下，反應(yīng)段水的液相摩爾分?jǐn)?shù)高于98%，EG的摩爾分?jǐn)?shù)不足1%，故與其耦聯(lián)反應(yīng)器的進(jìn)料水/烷比(水與EO的進(jìn)料摩爾比)非常大，且遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)工藝的進(jìn)料水烷比(20～22∶1)[1-2]，故能更有效地抑制EO與EG副反應(yīng)的發(fā)生，明顯提高反應(yīng)選擇性。

然而，為了保持塔內(nèi)反應(yīng)段高的液相水分布，大量的水從氣相逸出又在塔頂冷凝循環(huán)富集，塔頂回流量大，系統(tǒng)能耗較高。由計(jì)算可知，所得SRC設(shè)計(jì)工況下的精餾塔再沸器負(fù)荷為7.80 MW，反應(yīng)器部分總加熱負(fù)荷為0.342 MW(3臺(tái)反應(yīng)器的熱負(fù)荷自上而下依次為0.008、0.141、0.193 MW)，兩者可分別由中壓蒸氣(2.3 MPa)與低壓蒸氣(0.4 MPa)供熱；而在系統(tǒng)供熱與反應(yīng)熱的作用下，塔頂產(chǎn)生潛熱約8.69 MW的0.1 MPa水蒸氣，但由于該部分熱量未得到利用，直接排放同時(shí)造成能源浪費(fèi)。可見(jiàn)，降低塔釜高品位能量需求、回收利用塔頂熱量是該套裝置節(jié)能降耗的關(guān)鍵所在。

近年來(lái)，為了降低反應(yīng)精餾過(guò)程能耗，內(nèi)部熱耦合精餾、熱泵精餾等常規(guī)節(jié)能措施逐漸被應(yīng)用于RD/SRC系統(tǒng)[7,14-17]。安維中等[7]提出基于內(nèi)部熱耦合思路的EG反應(yīng)精餾塔設(shè)計(jì)，省去了再沸器的應(yīng)用，節(jié)能效果顯著，但該過(guò)程質(zhì)量與能量高度集成，裝置構(gòu)型復(fù)雜，應(yīng)用于數(shù)臺(tái)反應(yīng)器耦聯(lián)的SRC過(guò)程中難度甚大。熱泵精餾是另一個(gè)常見(jiàn)的單塔能量集成措施，其將塔頂蒸氣直接壓縮提溫加熱塔底，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作與控制難度小等優(yōu)勢(shì)，但其通常限于塔體溫差較小的分離場(chǎng)所[16,18]，而EG的生產(chǎn)系統(tǒng)屬于大溫差體系，直接應(yīng)用將導(dǎo)致壓縮比與壓縮功耗的上升，進(jìn)而違背熱泵的應(yīng)用初衷[16]。

圖5 SRC設(shè)計(jì)工況下的塔內(nèi)流場(chǎng)分布圖Fig.5 Flow field distribution in the obtained SRC process(a) Liquid mole fraction; (b) TemperatureTR=120℃；NS=4; NRS=1

筆者提出將反應(yīng)段、提餾段分開(kāi)運(yùn)行，并于反應(yīng)段引入熱泵的節(jié)能改進(jìn)措施[19]，原因在于盡管整個(gè)EG塔體溫差變化極為明顯，但反應(yīng)段內(nèi)由于富含大量的水，溫度變化僅在1℃以?xún)?nèi)(見(jiàn)圖5)，是較理想的熱泵適用體系。筆者后續(xù)將對(duì)該能量集成結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，并評(píng)估其節(jié)能性與經(jīng)濟(jì)性，驗(yàn)證其可行性。

4 VRC-SRC流程設(shè)計(jì)及節(jié)能研究

4.1 流程結(jié)構(gòu)

Bin 389：有“小葛蘭許”之稱(chēng)，是南澳跨產(chǎn)區(qū)赤霞珠和西拉混釀，用釀造Bin707和葛蘭許用過(guò)的橡木桶來(lái)陳釀。

圖6是構(gòu)建的EG分段式熱泵反應(yīng)精餾流程(VRC-SRC)。保持所得SRC設(shè)計(jì)工藝的結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作工況不變，將反應(yīng)段、提餾段分割運(yùn)行，于反應(yīng)段C1塔底增設(shè)1臺(tái)再沸器H3，并在塔頂與該再沸器間采用熱泵技術(shù)。反應(yīng)段塔頂出來(lái)的蒸氣分成兩部分，一部分進(jìn)入壓縮機(jī)，壓縮升溫后作為該段再沸器的熱源；另一部分蒸氣和經(jīng)節(jié)流減壓后的物料一起進(jìn)入塔頂冷凝器H1冷凝。提餾段C2仍采用常規(guī)精餾，其進(jìn)料來(lái)自反應(yīng)段釜液，塔頂蒸出氣相則進(jìn)入反應(yīng)段塔底。為了使提餾段氣相物料能夠順利進(jìn)入精餾段，設(shè)置提餾段的壓力略高于精餾段，取為106.3 kPa，精餾段塔釜液相物料可通過(guò)調(diào)整其出料口位置通過(guò)重力作用克服壓差進(jìn)入提餾段。為了保證再沸器H3的換熱過(guò)程能正常進(jìn)行，規(guī)定壓縮蒸氣冷凝液的溫度須高于塔釜出料20℃。

圖6 EG的分段式熱泵反應(yīng)精餾流程(VRC-SRC)示意圖Fig.6 Schematic diagram of the advanced separate heat pump system VRC-SRC for the EG productionC1—Reaction tower; C2—Stripping tower; CP—Compressor;H1—Condenser in the reaction tower;H2—Reboiler in the stripping tower; H3—Reboiler added in the reaction tower

4.2 系統(tǒng)內(nèi)部能量的優(yōu)化集成

在裝置性能不變的情況下，反應(yīng)段內(nèi)熱泵與再沸器H3間的熱量集成，不僅能夠回收塔頂蒸氣潛熱，而且可以降低提餾段內(nèi)的氣液流率，降低其塔釜加熱負(fù)荷，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。但隨著系統(tǒng)內(nèi)部集成熱量的增加，再沸器H3換熱負(fù)荷的增加勢(shì)必導(dǎo)致壓縮功耗的提高，影響過(guò)程總能耗與經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，進(jìn)而影響節(jié)能效果[17]。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部能量的優(yōu)化集成，在保持原SRC設(shè)計(jì)工藝性能不變的前提下，筆者考察了新置再沸器H3的熱負(fù)荷Qe對(duì)過(guò)程費(fèi)用的影響，以尋找出對(duì)應(yīng)于較低經(jīng)濟(jì)投資的能量集成方案。取電費(fèi)單價(jià)0.8 RMB /(kW·h)，并采用Compr等熵模型(等熵效率0.85，機(jī)械效率0.95)模擬壓縮機(jī)，圖7給出了Qe對(duì)過(guò)程費(fèi)用的影響結(jié)果。壓縮機(jī)的設(shè)備投資CCP(RMB)按式(10)計(jì)算，其中，QCP(kW)代表壓縮機(jī)的功率。表2為VRC-SRC流程的系統(tǒng)能耗與主要工藝參數(shù)。

CCP=11187QCP0.82

(10)

由圖7可知，當(dāng)再沸器H3的負(fù)荷Qe增加時(shí)，通過(guò)熱泵回收的反應(yīng)段塔頂熱量增加，故設(shè)備投資CA隨著熱泵壓縮成本的提高而增加，而操作費(fèi)用CO與TAC值由于外部公用工程用量的減少首先明顯降低；但當(dāng)Qe增加到一定程度后，隨著Qe的繼續(xù)增加，操作費(fèi)用CO將由于壓縮功率與耗電量的持續(xù)上升而有所增加，TAC值快速上升。當(dāng)Qe為6.6 MW時(shí)，TAC值較低，系統(tǒng)的能量集成效果較佳。該工況下，提餾段再沸器H2負(fù)荷為1.20 MW，反應(yīng)段冷凝器H1負(fù)荷為-2.70 MW(見(jiàn)表2)，較能量集成前分別降低84.6%、68.9%，節(jié)能效果明顯，且此時(shí)VRC-SRC流程中反應(yīng)段塔頂與塔釜溫度差異為7.22℃，符合熱泵的應(yīng)用原則。

圖7 反應(yīng)段新設(shè)塔釜再沸器負(fù)荷(Qe)對(duì)經(jīng)濟(jì)費(fèi)用的影響Fig.7 Effect of the duty of the reboiler added in the reaction tower (Qe) on the economic costs

表2 VRC-SRC流程的系統(tǒng)能耗與主要工藝參數(shù)Table 2 Energy consumptions and major parameters in the VRC-SRC process

4.3 VRC-SRC的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

為了綜合評(píng)價(jià)VRC-SRC流程的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性，筆者對(duì)比了所得EG兩個(gè)工藝的設(shè)備參數(shù)、公用工程消耗量及經(jīng)濟(jì)費(fèi)用情況，結(jié)果列于表3。從表3可知，與常規(guī)SRC工藝相比，VRC-SRC流程可節(jié)約2.3 MPa中壓蒸氣12.79 t/h，減少冷卻水515.74 t/h，年節(jié)約操作費(fèi)用68.0%；盡管VRC-SRC的設(shè)備投資由于壓縮機(jī)的投入是常規(guī)SRC流程的2.7倍，但由于操作費(fèi)用明顯降低，TAC仍降低47.9%。

表3 SRC工藝與VRC-SRC工藝的結(jié)果比較Table 3 Comparisons between the SRC and VRC-SRC processes

5 結(jié) 論

(1)針對(duì)常規(guī)反應(yīng)精餾生產(chǎn)EG流程中反應(yīng)與分離不易匹配的應(yīng)用局限，開(kāi)發(fā)了反應(yīng)器與精餾塔外部耦合的EG新工藝(SRC)。

(2)對(duì)于SRC流程，重點(diǎn)模擬分析了反應(yīng)器的操作工況、設(shè)備的耦合結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)過(guò)程費(fèi)用的影響，獲得相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)值：反應(yīng)器處于恒溫操作，溫度為120℃；提餾段塔板數(shù)為4，反應(yīng)段相鄰側(cè)線(xiàn)采入板間隔板數(shù)為1。

(3)為了降低過(guò)程能耗，基于SRC生產(chǎn)EG的流場(chǎng)分布特征，提出將反應(yīng)段、分離段分開(kāi)運(yùn)行，反應(yīng)段采用熱泵的節(jié)能設(shè)計(jì)策略(VRC-SRC)。研究表明，與SRC工藝相比，改進(jìn)的VRC-SRC流程可節(jié)約年操作費(fèi)用68.0%，降低年總費(fèi)用47.9%。建立的方法將為EG及其類(lèi)似反應(yīng)精餾集成過(guò)程的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

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Simulation of External Coupled Reaction/Separation Processes for the Production ofEthylene Glycol From Ethylene Oxide and Related Energy-SavingIssues in Heat Pumping Systems

DING Lianghui， LIU Congrong, LI Qianjun， XUE Yunbo

(SchoolofEnvironmentalEngineering,NanjingInstituteofTechnology，Nanjing211167，China)

The external coupled reaction/separation technology, well known as the distillation column coupled with side reactors (SRC), in which the reaction and the separation can be operated separately, was innovatively applied in the synthesis of ethylene glycol. The effects of the operation conditions of the reactors and the configuration parameters on the economic performance were investigated to get the suitable values. For further energy saving, we proposed an advanced separate heat pump process (VRC-SRC), in which the reaction section and the stripping section were operated into two parts with the reaction section assisted by the heat pump installation. The results demonstrated that, compared with the conventional SRC design, the reboiler duty and condenser duty could be decreased by 84.6% and 68.9% respectively in the optimized VRC-SRC system, leading to a reduction of operation and total costs by 68.0% and 47.9% respectively.

ethylene glycol; reactor; reactive distillation; heat pump; energy saving

2016-06-24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21276126)和南京工程學(xué)院校級(jí)科研基金項(xiàng)目(YKJ201326,YKJ201329)資助

丁良輝，女，講師，博士，從事反應(yīng)精餾集成過(guò)程的模擬與優(yōu)化方面的研究；Tel:025-86118974;E-mail:dinglh@njit.edu.cn

1001-8719(2017)03-0563-08

TQ021.8

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2017.03.023