甲醇精餾工藝流程比較及模擬

孫 科劉生寶 陳曉南 中石化寧波工程有限公司上海公司 上海200030

甲醇作為有機(jī)化工的基礎(chǔ)原料具有廣泛用途［1］，不同行業(yè)對其純度要求不同，它的純度直接影響下游產(chǎn)品的質(zhì)量、消耗、安全生產(chǎn)及生產(chǎn)過程中所用催化劑的壽命。在甲醇合成時(shí)，因受合成條件如壓力、溫度、合成氣組成及催化劑性能等因素的影響，在產(chǎn)生甲醇反應(yīng)的同時(shí)，還伴隨著一系列副反應(yīng)［2］。所得產(chǎn)品除甲醇外，還有水、醚、醛、酮、酯、烷烴、有機(jī)酸、有機(jī)胺、高級(jí)醇、硫醇、甲基硫醇和羰基鐵等幾十種有機(jī)雜質(zhì)。粗甲醇通過精餾，可根據(jù)不同要求，制得不同純度的精甲醇，使各類雜質(zhì)降至規(guī)定指標(biāo)以下，確保精甲醇的質(zhì)量。

工業(yè)中成熟的甲醇精餾工藝主要有雙塔和三塔精餾兩種流程，本文將對這兩種工藝進(jìn)行詳細(xì)比較。

1 雙塔精餾和三塔精餾的工藝特點(diǎn)［3］

雙塔精餾的工藝流程見圖1。

圖1 雙塔精餾工藝流程

雙塔精餾工藝具有流程簡單，操作方便，一次投資少的特點(diǎn)。該工藝甲醇產(chǎn)品質(zhì)量可達(dá)到工業(yè)優(yōu)質(zhì)品，乙醇含量一般為400～500mg/kg，適用于原料粗甲醇中二甲醚等輕組分、還原性雜質(zhì)含量較低的粗甲醇加工。

三塔精餾的工藝流程見圖2。

三塔精餾工藝具有操作穩(wěn)定、精甲醇純度高、雜質(zhì)少、蒸汽耗量和冷卻水耗量低、相對投資較大的特點(diǎn)。該工藝甲醇純度可達(dá)99.99%，乙醇含量小于50mg/kg，投資較同規(guī)模雙塔精餾裝置高20%～30%。該工藝特別適合較大規(guī)模生產(chǎn)。

兩種流程的主要區(qū)別在于三塔精餾工藝比雙塔精餾工藝多設(shè)一個(gè)預(yù)餾塔，同時(shí)三塔精餾工藝中將第二個(gè)塔的塔頂氣作為最后一個(gè)塔塔底再沸器的熱源。這些因素致使雙塔精餾與三塔精餾在操作條件、能耗、產(chǎn)品質(zhì)量、投資等方面存在很大的區(qū)別。

1.1 操作條件［4－7］

雙塔精餾和三塔精餾不僅在工藝流程上差別較大，其具體操作指標(biāo)也相差甚遠(yuǎn)，其主要的操作條件分別見表1和表2。

圖2 三塔精餾工藝流程

表1 雙塔精餾工藝操作參數(shù)比較

表2 三塔精餾工藝操作參數(shù)比較

1.2 產(chǎn)品質(zhì)量

精甲醇中乙醇含量是一個(gè)重要指標(biāo)，從國內(nèi)雙塔精餾現(xiàn)狀來看，比較突出的問題是精甲醇中乙醇含量較高。國內(nèi)大部分以油或煤為原料的甲醇廠經(jīng)過雙塔精餾后，精甲醇中乙醇的含量在400～500mg/kg，聯(lián)醇工藝生產(chǎn)中的精甲醇其乙醇含量更高些，相對于國外標(biāo)準(zhǔn)有較大差距，而且也不能滿足像醋酸生產(chǎn)等高端用戶的要求，其發(fā)展受到限制。

2 操作能耗

甲醇是一種高能耗產(chǎn)品，而精餾工序的能耗占總能耗的10%～30%，所以精餾的節(jié)能降耗不容忽視。三塔流程比雙塔流程復(fù)雜，投資大，操作難度大，但突出的優(yōu)點(diǎn)是能耗小，操作費(fèi)用低。因?yàn)殡p塔流程中主精餾塔出來的甲醇蒸氣被直接冷凝，而三塔精餾流程中，為了充分利用能源，把加壓塔頂部引出的甲醇蒸氣作為常壓塔再沸器的熱源，從而降低了生產(chǎn)能耗。

下面通過對這兩種不同的甲醇精餾工藝?yán)肞roII軟件來進(jìn)行模擬比較［8］。由于精餾操作的能耗受很多因素影響，特別是各塔的回流比對能耗影響極大，因此設(shè)定在如下條件下進(jìn)行比較:

(1)兩種工藝均需保證最終產(chǎn)品中甲醇含量大于99.99%，且產(chǎn)量大于96306kg/h，并以40℃的溫度送出。

(2)兩種工藝均采用常規(guī)工藝操作參數(shù)，即操作壓力、操作溫度、塔板數(shù)等采用工業(yè)中常用數(shù)據(jù)。

(3)兩種工藝的預(yù)塔作用相似，均為盡可能地精餾出粗甲醇中的烴類物質(zhì)以利后面主塔能夠?qū)状甲鲞M(jìn)一步精餾。如粗甲醇中的烴類物質(zhì)過高，則后續(xù)主塔很難甚至不能將甲醇精餾至99.99%以上。因此在模擬中預(yù)塔的回流量要保證主塔能夠順利精餾出合格產(chǎn)品。

(4)主塔的回流量根據(jù)“保證產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量的情況下盡可能用低回流量”這一原則來確定，以便進(jìn)行能耗比較。

(5)雙塔精餾中通常需要添加水作為萃取劑來脫除烷烴，本次模擬計(jì)算中粗甲醇的組成中烷烴比較少，因此雙塔精餾不考慮添加萃取水。

(6)考慮預(yù)塔塔頂輕組分抽出量相同，同時(shí)考慮雜醇油抽出量相同。

雙塔精餾模擬流程見圖3。

雙塔精餾工藝中主要用能設(shè)備有進(jìn)料預(yù)熱器E1、產(chǎn)品冷卻器E2及塔的冷凝器和再沸器。

三塔精餾模擬流程見圖4。

三塔精餾工藝中主要用能設(shè)備有進(jìn)料預(yù)熱器E1、產(chǎn)品冷卻器E2和E3及塔的冷凝器和再沸器。

圖3 雙塔精餾模擬流程

圖4 三塔精餾模擬流程

在三塔精餾工藝中二塔塔頂冷凝器可為三塔再沸器提供熱源以節(jié)約能源，同時(shí)二塔、三塔產(chǎn)品可為一塔進(jìn)料提供熱源。

經(jīng)計(jì)算，各換熱設(shè)備的負(fù)荷見表3和表4。

表3 雙塔精餾模擬結(jié)果

表4 三塔精餾模擬結(jié)果

冷卻水等級(jí)為0.55MPa，給水33℃，回水43℃;蒸汽等級(jí)為0.6MPa，158℃，冷凝至相應(yīng)壓力下飽和溫度。

三塔精餾中進(jìn)料預(yù)熱器E1熱源來自于產(chǎn)品冷卻器E2、E3，T3再沸器熱源為T2冷凝器。

從計(jì)算結(jié)果比較可知，三塔精餾工藝在節(jié)能方面有明顯優(yōu)勢，噸產(chǎn)品循環(huán)水消耗為雙塔工藝的60%以下，蒸汽消耗僅為雙塔工藝的56%以下。

3 結(jié)語

雙塔精餾工藝投資省、建設(shè)周期短、裝置簡單易于操作和管理。雖然消耗高于三塔精餾工藝，但對于生產(chǎn)規(guī)模50kt/a以下的小裝置，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較占優(yōu)勢，其節(jié)能降耗途徑可以采用高效填料來達(dá)到降低蒸汽消耗的目的;生產(chǎn)規(guī)模50kt/a以上時(shí)，宜采用三塔精餾技術(shù)，雖然一次性投資較高，但是操作費(fèi)用和能耗都相對較低。

三塔精餾生產(chǎn)的精甲醇產(chǎn)品質(zhì)量較好，尤其是產(chǎn)品中乙醇含量較低，能滿足甲醇羰基化合成醋酸、醋酐等對優(yōu)質(zhì)甲醇的要求，雖然一次性投資較高，約高15%～30%，但操作費(fèi)用和能耗都相對較低，可降低約30%～40%。所以要根據(jù)裝置能力、產(chǎn)品要求等指標(biāo)選擇合適的工藝，才能真正發(fā)揮其作用。

1 喬治A.奧拉，阿蘭·戈佩特，G.K.蘇耶等.跨越油氣時(shí)代:甲醇經(jīng)濟(jì)［M］.胡金波等譯.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007:144－162.

2 宋維端.甲醇工學(xué)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1991:18－22.

3 石海濤，張 麗，王 黎.甲醇合成中雙效精餾節(jié)能研究［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，34(2):99－101.

4 楊艷紅.粗甲醇精餾過程主要工藝指標(biāo)的控制［J］.化肥設(shè)計(jì)，2005，43(2):47－48.

5 夏 清，陳常貴.化工原理(上冊)［M］.天津:天津大學(xué)出版社，2005.

6 馮元琦.甲醇生產(chǎn)操作問答［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

7 中國石化集團(tuán)上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

8 唐宏青.化工模擬計(jì)算設(shè)計(jì)手冊［M］.西安:陜西人民出版社，2007.