利用分隔壁和分隔柱改进二甲醚净化过程的能量效率-外文翻译.doc

xx大学工程技术学院毕业设计（论文）外文翻译外 文 题 目 Energy efficiency improvement of dimethyl ether purification process by utilizing dividing wall columns译 文 题 目利用分隔壁和分隔柱改进二甲醚净化过程的能量效率系 部化学工程系专 业 班 级化工60901学 生 姓 名 指 导 教 师 辅 导 教 师 完 成 日 期2013.04.15利用分隔壁和分隔柱改进二甲醚净化过程的能量效率利用分隔壁和分隔柱改进二甲醚净化过程的能量效率Le Quang Minh， Nguyen Van Duc Long，and Moonyong Lee.著xx 译 摘要二甲醚（DME）是一种替代燃料，可从天然气合成，是煤或生物质的合成气，历来作为柴油的替代品或添加剂。与常规蒸馏序列相比二甲醚净化过程中要消耗大量的能量。我们使用的分隔墙柱（DWCS）提高能源效率和减少了二甲醚净化过程的资金成本。各种可能的分隔墙柱(DWC)的使用和探索来自热耦合精馏的潜在利益。结果表明，利用分隔墙柱(DWCS)可显著降低二甲醚精制过程的能耗和投资成本。较低的能源消耗会减少二氧化碳(CO2)的排放。关键词蒸馏，二甲醚，二甲醚，分隔壁精馏塔，分隔墙柱，热耦合精馏塔1 简介减少化石燃料的直接燃烧和减少能源供应而造成的环境问题，是研究替代燃料和能源系统1的迫切需要。二甲醚（DME），可从天然气合成，煤或生物质的合成气，传统意义上被用作柴油替代品或添加剂2、3。它不攻击平流层的臭氧和允许更好的控制排放NOx，CO，SO2污染控制较好，非甲烷烃和烟尘等颗粒物4。二甲醚是一个潜在替代液化石油气的物质，液化天然气和柴油。DME同样可以在氢载体中形成理想的燃料，由于其高的H/C比，能量密度高，便于储存，运输方便5。传统上，二甲醚已在两个步骤的过程中产生（传统的路线），合成气（从重整甲烷蒸汽通常产生）首先被转化为甲醇，随后由其脱水成二甲醚6。天然气并不是唯一的资源，可以用来生成合成气；煤与生物质也可以用。因此，二甲醚的生产是不局限于一种原料。同时，新的过程正在被商业化，是在单一步骤中通过自热反应器和液相反应器生产二甲醚。与两步法相比，单步程序正在吸引越来越多的关注，因为它具有很高的经济价值和理论意义。目前的研究在单一步骤上的程序从合成气制二甲醚的重点是使用最好的催化剂，以及工艺条件和反应的协同效应。在单一步骤的程序中，从反应器的流出物中含有二甲醚，甲醇，水，二氧化碳和其他气体7-9，在分离净化装置中，二甲醚是主要的，对生产过程的整体经济中至关重要。到目前为止在分离的混合物方面所作出的贡献仍然是有限的，特别是在蒸馏技术的技术层面。此外，从废水混合二甲醚净化的需求减少需要巨大的能量消耗。因此，工艺工程师的主要目标是开发一种新的方法有效地利用能源，以此来大大提高二甲醚净化每一单位能源效率的过程。图1 原理图的完全热耦合蒸馏配置蒸馏，作为一个主要的化学加工工业，是能源密集型的过程，因此，它要最先解决的问题是改善在短期和长期的能源效率。此外，由于在蒸馏过程中消耗的能源数量巨大，对温室气体的排放有很大的影响，在环境保护方面，节约能源在该地区已成为的一个重要问题10，11。为了减少总的年度成本（TAC），它包括操作和投资成本，复杂精馏的安排应该考虑使用，如热集成，热耦合，热泵12。一些研究已经证明，一个完全热耦合的配置（图1）要求的最低能量在所有用于理想的纯三元混合物的分离柱系统产品流18。而不是一个外部中的一个方面，一个操作可以由一个内壁安装纳入一个单一的壳结构。这种垂直的墙将列为初馏塔和主塔。这样的安排，称为一个分隔壁塔（DWC），在热力学上是相当于热耦精馏柱，提供没有热传递通过分隔壁19。此外，其单壳特征包括只有一个冷凝器和再沸器，相比传统的序列与两个冷凝器和再沸器，提供了额外的优势，在减少资本成本和空间面积。因此，有更好的前景，DWCS作为今后50年的标准蒸馏配置20。在目前的形式下，能源成本的增加，使全球变暖的担忧使得DWC信息技术在精馏减少能量消耗的一个有吸引力的替代过程。我们的主要目标是通过DWCS中的利用找到一个配置适合的提高能源效率和减少资本成本的二甲醚净化过程，各种各样的安排是由DWCS更换而产生的几个常规精馏塔研究。结果表明，这种新的应用系统可以大大减少投资，而且运营成本在DME净化过程中体现出来，因此，降低二氧化碳的排放水平。2 二甲醚净化常规精馏塔序列在这项工作中，二甲醚是天然气转换过程中的主要产品。从反应器流出物送到由五个蒸馏塔的进料混合物净化DME分离单元21。3000吨每天处理能力的选择和二甲醚产品所需的纯度为99 %。模拟使用Aspen HYSYS V7.1执行分析。一些以前的成品22-24应用彭鲁滨孙（PR）为CO2- DME系统方程和Soave瑞德利奇广（SRK）的DME-CH3OH模型，并得出结论认为，传统的PR和SRK方程还可以合理地用于DME系统。另一方面，另一个报告21推荐一罗宾逊Stryjek维拉（PRSV）用于DME系统。PRSV方程是PR方程扩展到最初的公关方法高度非理想应用双重改性（非电解）系统21。因此，在这项研究中，国家的PRSV方程选择更准确地预测汽液平衡。PRSV方程预测结果与CO2 /二甲醚混合物和二甲醚/甲醇混合物的实验数据进行了比较，确认其有效性，分别为23，24。如图2所示，国家PRSV方程预测与实验数据吻合良好设计的目的相组成。图2 比较实验数据与预测这个PRSV方程的状态:()等温压力CO2/DME位置数据为二氧化碳/测距装置;(b)等温压力CO2/DME位置数据为测距装置/甲醇。表1进料条件混合物条件由于低沸点的成分，在这个过程中的保持每个托盘上的液相操作压力为30巴。进料混合物的条件列于表1。图3说明了常规精馏塔序列和其目前的反应状况。在传统的蒸馏配置中，最终产品包括二甲醚分离所需的纯度通过五个蒸馏塔（T100，T101，TiO2，T103和104）。由DME的进料流，二氧化碳（CO2），甲醇（MeOH），水（H2O）和其他气体送入预分馏塔（T100）在轻、重关键组分（CO2和甲醇）是分开的。从底部流T100含有二甲醚和重质组分和发送到重馏分塔（T103）二甲醚从甲醇和水的分离。T100架空流随后发出的光线减少预柱（T101）和脱碳塔（T102）彻底去除CO2。CO2组成T101和T102塔顶产品丰富的95和97摩尔%，分别。用99重量 %的DME T103馏出液流与T101、T102底部流混合形成最终的二甲醚产品。从T103底部流与含水进料流混合，含有甲醇和水，从上游分离器，然后送入甲醇回收塔（104）去除水。纯化的甲醇从104顶循环到反应器连续生产二甲醚。图3 简化的流程图说明测距装置净化过程表2列水力学、能量性能的缺生产垫板列顺序基于常规蒸馏序列的原料组合物和产品规格，进行量化的能源消耗以及年度总成本（TAC）模拟。表2包括再沸器、冷凝器为每列的反应柱。由于要降低制冷费用，所有的列被设计在约30巴相对高的压力下工作。柱水力学和驱油的条件下被认为是估计的资本成本。确定其最大驱油程度，评级模式是基于列如托盘，类型的内部规格模拟柱直径，塔盘间距和数量的通道。在这项研究中采用的水力参数也列于表2。所有的柱设计与负载接近80%防止驱油25。格思里的模块化方法 26 是用于估计的资金成本。常规蒸馏的资金成本是每列辅助设备的总成本，如再沸器、冷凝器，而它需要隔离墙的DWC额外成本。，575.4个化工厂成本指数进行成本更新27，28。图4复杂网络中所有的灰色列新更换的DWCS纯化柱二甲醚的各种可能配置3 提出了利用分隔墙柱(DWCS)安排各种精馏结构利用分隔墙柱DWCS探索来提高二甲醚净化工艺过程的能量效率。图4显示了常规和非常规的安排用于每列的DME精制工艺。配置（一）是由五个常规精馏塔组成的常规序列。在配置（B），（c）和（d），由一些列与一个新的DWC取代，而配置（e）和（f）使用两个新的DWCS。3.1 单DWC更换两列（T100和T101）从能源效率的角度来看，集成和耦合结构通常优于非集成的结构29。对于使用DWC的预分级和光切列的融合问题进行了研究。图5反映了建议安排，包括总共数目的托盘，进纸托盘的位置和端托盘的位置。最初设计程序的快捷设计DWC结构30，31是根据以往的列配置（图6（a）和DWC（图6（b）之间的结构相似。在这种松散的配置中，第一列对应的是DWC中的初步分馏塔部分。分别为第二塔的精馏段和汽提段的第三列则是代表DWC的顶部和底部的部分。第二列和第三列的精馏段汽提段相当于DWC的分隔壁部分。因此，DWC的结构可以被分为四个部分：用于进料混合物的初步分馏塔分割壁的上方和下方的顶部和底部的两个部分，和分隔壁部分27。著名的芬斯克安德伍德吉利兰技术处于起步阶段通常是能足够识别出正确的顺序，但如果有必要，可以使用其为出发来进行严格的模拟32，33。图5两列（T100和T101）与一个DWC取代的简化流程图由从快捷法中获得的设计可能不是最佳的，但是优化的步骤是必不可少的。DWC后的初始结构是固定的快捷方法，对于内部循环流动的初步分馏塔进行了优化，并使用案例研究。然后，对于总的塔板数，进料位置，侧托架的位置，以及分隔壁部分的位置，也进行了研究，建立了最佳DWC结构。对于每一个选择的结构，以最小的能量消耗关注内部的蒸汽和液体流量初步分馏塔的变化。要检查能源消耗的进纸托盘产生的影响，通过改变进料位置， 进行一些模拟运行不同的进料位置来达到最低的再沸器和符合要求的产品规格。同样，侧托盘位置和分段进行了检查，发现DWC的最佳结构。因此，新的信息设计的56个托盘。它的料盘是第16。隔离墙是位于从第6到第46的托盘和侧流从第29托盘（图5）。冷凝器和再沸器的功率消耗分别为3.23和16.85兆瓦。这个DWC可以节省高达28%的能源消耗的基础上那些T100和T101，这对应一个节能7.8%的全过程。图6（）用于DWC结构初步设计的三柱结构和（b）一个分隔壁精馏塔的示意图DWC的中间部分的横截面面积是预分馏塔的截面积和主分馏器的中间部分面积的总和。中段的直径可以从它的横截面积的计算。在顶部的直径的结果的基础上，对DWC中部和底部的部分，4.2米的最大尺寸为DWC的直径，从而分别导致投资成本14.7%到6.8%的基础上两列和整个过程的显著降低。3.2 单DWC要更换三列（T100，T101和T102）由于预分级（T100），切割光（T101）和二氧化碳的去除（T102）列通常涉及在以级联的方式净化二氧化碳中，与DWC要取代三列的可行性进行了研究，从以前的两列整合安排中获得一个额外的优势。按照先前的安排在DWC设计中，使用的相同步骤，一个新的DWC将三种传统列被设计和优化。在新DWC，T101和T102的底部流可以被集成到一个流中，因为组合物中的两个底部流几乎是相同的。图7显示了建议更换三列单DWC安排。由此产生的新DWC冷凝器和再沸器的消耗分别为3.51和16.97兆瓦。因此，新的DWC运行结果中的29.9是与三个柱子中减少再沸器的功率相比，对应于8.6的改善在整个过程中的总能耗。虽然此配置比以前的情况下提高了能量效率，其中T100和T101的集成，从以前的情况下，似乎可额外的受益是比较小的。这是因为在二氧化碳去除塔中几乎没有发生再混合，这是用于调整，以获得更高的回收DME。但是，更换的三列与DWC可能会引起在一体化的两列投资成本方面的一个显着的收益的好处相比。这种新的配置带来了节省高达15.0的投资成本，这是增加一倍以上，由以前的配置（二）可以获得这种效果。图7三列（T100，t101and T102）与一个DWC取代的简化流程图图8两列（T103和104）与一个DWC取代的简化流程图3.3 单DWC更换两列（T103，T104）单DWC更换两列被认为是重切列（T103）和甲醇回收塔（T104）与一个单一的DWC更换。图8说明了建议的安排。在常规的顺序，再沸器T104支配所有其他列，看似有很大程度上影响着能源效率。再沸器的能耗降低至16.8所带来的两列再沸器的职责，和由整体工作的全过程的12.0相比，两列的投资成本下降了7.4。3.4 与两个串联的DWCS代替四列随着进一步的整合利用DWCS可能的配置，是使用一个DWC代替T100和T101和另一个代替T103和104，如图9所示。集成的过程包括两个DWCS和一个常规的柱。这是显而易见的，这种安排的收益是相当于那些来自配置（B）和（D）的收益。因此，在这种情况下，而整个过程能源消耗和投资成本分别可降低19.8%和10.1%。图9 简化流程，四列（T100，T101，T103和104）与两个DWCS取代。3.5 与两个串联的DWCS代替五列使用一系列的DWCS进一步整合的另一个选择是两DWCS更换所有五列。图10显示了这种完全集成的三列安排，T100，T101、T102，集成到一个DWC和两列，T103和104，与DWC取代另一个。由于这种配置相当于配置的组合（c）和（d），它的收益是来自这两种构型的总和。与整个传统工艺的对比，能源消费和资本成本分别可以节省高达20.6%和18.3%。图10 所有的五列替换两DWCS的简化流程图 图11中给出的是关键结果的对比总结。需要注意的是这两个最高的年度成本和所有那些被认为是最高的能量消耗常规序列结果，因此，它被认为是其他方案的基础。相对于这种传统的序列来表示的其他配置相对节省。相当于减少二氧化碳排放量，图11中列出了所有配置的计算。结果表明，DWC的安排，全面整合传统的五列在节能方面，投资成本和总成本年率方面是最好的选择。此外，更换该光切柱（T101）和脱碳塔（T102）与一个单一的DWC检查。然而，再沸器的能源消耗节约的时间是相对小的，只有4.1%来自这所提供的两列。值得注意的是，DWC的应用并不总是要效益。其他可能的配置是使用一个已有取代预分馏塔（T100）和重馏分塔（T103）。但是，这种配置需要更多的能量比，再沸器在两个常规列消耗。更换T100和T103列另一种可能的配置是一个实施的分隔壁精馏塔顶部（TDWC）在分隔壁位于顶部，利用两列之间的顶部的温度差达到相应的效果。由此产生的TDWC与两个常规列比较，会减少9.3%再沸器能源消耗，降低了13%投资成本。图11 对DME净化过程的不同结构方案的比较图 4 结论利用DWCS进行各种蒸馏安排的研究发现，其潜在的好处是通过热耦合蒸馏纯化得到二甲醚的过程。结果表明，利用DWCS可显著降低二甲醚精制过程的能耗和投资成本。使用集成的预分离和光切列使DWC减少了高达28%的能源消耗。其中DWC安排预分馏，光切法和脱碳柱是一个单一的DWC取代，其在投资成本方面取得显着的额外的好处。这减少了高达15%投资成本，这比用两个列的一体化多获得两次对重馏分和甲醇回收塔的替代，它控制他们中再沸器所有其他列，由DWCS具有提高能源效率的潜力巨大。结果与两个常规列相比较，DWC降低能源消耗在再沸器中降至16.8%，降低了7.4%的投资成本。进一步整合运用一系列规定的能源效率，进一步考虑提高和降低资本成本，以及年度总成本。完全集成的DWC的安排，在所有五个常规柱与取代两个串联的DWCS，达到最大化的能源效率的利用，减少投资成本和TAC：能源消耗，资本成本和TAC分别减少了高达20.6%，18.3%和16%。增加流程的紧凑性和减少二氧化碳排放量是从DWC的应用中获得的一个额外的收益。致谢这项研究得到了韩民国知识经济部的大工业材料集成技术研发项目的资金支持，在此感谢。参考文献引用1. 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