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，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，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、有機酸、有機胺、高級醇、硫醇、甲基硫醇和羰基鐵等幾十種有機雜質(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［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。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。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)一個預(yù)餾塔，同時三塔精餾工藝中將第二個塔的塔頂氣作為最后一個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)點是能耗小，操作費用低。因為雙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，同時二塔、三塔產(chǎn)品可為一塔進(jìn)料提供熱源。

經(jīng)計算，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

冷卻水等級為0.55MPa，給水33℃，回水43℃;蒸汽等級為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，宜采用三塔精餾技術(shù)，雖然一次性投資較高，但是操作費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.跨越油氣時代:甲醇經(jīng)濟［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，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，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)計手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

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