不同循環氣洗滌工藝對甲醇精餾工段的能耗影響研究

＊譚素華

（勝幫科技股份有限公司 上海 201210）

不同循環氣洗滌工藝對甲醇精餾工段的能耗影響研究

＊譚素華

（勝幫科技股份有限公司 上海 201210）

在煤基甲醇的合成工段中，不同的循環合成氣洗滌工藝對甲醇精餾工段的能耗具有顯著的影響，為了研究不同的洗滌工藝所帶來的甲醇精餾工段的能耗和操作費用變化的問題，利用Aspen Hysys流程模擬軟件對30萬噸/年甲醇四塔精餾工藝流程進行了模擬計算，對因為洗滌工藝的不同所帶來的精餾工段的不同粗甲醇進料工況下的裝置的能耗進行了比較分析，并對操作費用的變化進行了核算。

循環合成氣；能耗；冷熱負荷；操作費用

引言

用焦爐煤氣制甲醇的工藝技術，一般包括轉化工序、壓縮工序、合成工序和甲醇精餾工序。甲醇合成反應之后的粗甲醇中雜質種類較多，利用各組份的沸點不同，用精餾的方法將甲醇與其它組份分開，一般通過預蒸餾塔除去溶解性氣體及低沸點雜質，通過加壓塔及常壓塔除去水及高沸點雜質，制取精甲醇產品。

為了回收更多甲醇，目前國內大型甲醇裝置，普遍采用四塔流程，即在常壓塔后面設置回收塔，不合格的常壓精餾塔廢水可送至回收塔，進一步回收甲醇，回收塔也可以對常壓塔側線抽出料進一步處理。見圖1。

甲醇合成和精餾工段是聯系非常緊密的兩個工段，在合成工段中，循環合成氣在進入壓縮機之前的處理一般有兩種工藝流程，一種工藝是對全部循環氣進行水洗，即全氣量水洗，合成氣中甲醇含量約0．01%，水0．2%（均為摩爾百分數）；另一種工藝是對循環氣進行部分水洗，即只將去提氫裝置的馳放氣進行水洗，其余循環氣則直接進入壓縮機，合成氣中甲醇含量約0．56%，水0．07%（均為摩爾百分數）。

全部水洗工藝雖然可以降低合成氣中的甲醇含量，但飽和水蒸汽量增加，合成氣壓縮機的功耗并未降低；雖然可以稍微增加合成反應的單程轉化率，但對甲醇增產的影響很小，而精餾工段增加了大量的洗滌水，對甲醇精餾的能耗影響極大，且這種工藝額外增加了洗滌塔的投資。而部分水洗工藝可以大大降低洗滌塔的投資，減少洗滌水在精餾工段的消耗。

鑒于在兩種水洗工藝下，合成工段能耗差別不大，因洗滌水的加入，對精餾工段的能耗影響較大，結合精餾工段實際操作情況，對30萬噸/年甲醇項目兩種進料工況（兩種洗滌工藝）下精餾過程的能耗進行了模擬計算，希望通過能耗的對比分析，為循環氣水洗工藝的選擇提供更多參考。

圖1 甲醇精餾四塔工藝流程圖

1.模擬過程說明

(1)不同進料工況下的進料數據

兩種進料條件如表1，粗甲醇的進料溫度為40℃，0．5MPa，其中工況一為進料組成模擬合成氣全部水洗的工況，工況二為進料組成模擬合成氣部分水洗的工況。假設穩定進料中甲醇的量不變，調整進料中水的量來得到不同的甲醇的百分含量，同時維持其他組分穩定，進而模擬不同的進料組成。

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表1 不同工況下的進料組成

(2)不同進料工況下各塔的模擬說明

甲醇精餾過程是一個復雜的多元氣液平衡，難以得到具體的實驗數據，粗甲醇主要是由甲醇、水、雜醇以及有機質組成的混合溶液，在模擬過程中選擇HYSYS軟件自帶的NRTL熱力學集進行計算，計算過程采用Short cut Distillation模塊對各塔的進料位置、回流比和理論板數等進行經濟對比選擇。

①預塔

預塔為一個萃取精餾塔，近似在全回流的狀態下操作。本模擬采用24塊理論板，粗甲醇從第十塊板進入，塔頂不凝氣從第二冷卻器采出，萃取水加入到預塔回流液中。由于粗甲醇中含有酸性物質，為了保護設備，在實際生產中有一股堿液加入到預塔中，模擬中因其量很少且氫氧化鈉為電解質組分，加入此組分HYSYS無法進行水力學和流體力學核算，因此省略氫氧化鈉，用一股水流代替。

因為兩種進料工況中輕組分的組成及含量相同，通過控制相同的回流量與進料量比例和相同的萃取水加入量和堿液用量來對兩種工況下預精餾塔及其附屬換熱器的冷熱負荷進行比較分析。

②加壓塔

加壓精餾塔采用50塊理論板，進料板為第45塊板，加壓塔采用泡點回流，頂部氣相甲醇的冷凝潛熱作為常壓精餾塔再沸器的熱源，塔頂采出部分精甲醇，塔底產品經預熱進料后作為常壓塔的進料。

本模擬工藝控制加壓塔的操作壓力為0．8MPaA。通過控制相同的回流比和塔頂采出量來對兩種工況下加壓塔及其附屬換熱器的冷熱負荷進行比較分析。

③常壓塔

常壓精餾塔采用60塊理論板，進料板為第42塊板，雜醇餾分從第45塊板采出，經回收塔進料泵送入回收塔作為進料，加壓塔采用過冷回流，塔頂采出部分精甲醇，塔底產品為達到排放要求的廢水。

常壓塔與加壓塔之間是熱耦合關系，并且有側線采出，因此該塔的自由度少，控制相對復雜，通過維持塔頂的采出量、側線的采出量和采出位置相等來對兩種工況下常壓塔及其附屬換熱器的冷熱負荷進行比較分析。

④回收塔

回收塔采用40塊理論板，進料板為第33塊板，采用泡點回流，塔頂采出精甲醇，塔底產品為達到排放要求的廢水，回收塔底廢水與常壓塔底廢水經廢水冷卻器冷卻后送出界區。雜醇產品從第31塊板上采出，經冷卻后進入雜醇油儲罐。

通過控制兩種工況下相同的甲醇回收率（85%）和側線采出量來對兩種工況下回收塔及其附屬換熱器的冷熱負荷進行比較分析。

(3)不同進料工況下的模擬結果

兩種進料工況下各塔的的模擬結果見表2和表3，其中產品甲醇的純度為99．99%（wt），其他雜質含量達到國家優級以上標準。

表2 工況一各塔的模擬結果

表3 工況二各塔的模擬結果

2.不同進料工況下塔的冷熱負荷分析

(1)預精餾塔

通過表4可以看出，隨著進料中甲醇濃度的降低，預塔進料加熱器、冷凝器以及再沸器的能耗都升高，因為隨著甲醇濃度的降低，粗甲醇進料中水的含量增加，使預塔進料加熱器的熱負荷增加，同時，因為預塔在近似全回流下操作，大量的水進入到預塔中，使預塔的氣化和冷凝量顯著增加，預塔再沸器的溫度升高（沸點升高），兩種情況下預塔再沸器的溫度分別為76．6℃和75．8℃。

表4 預精餾塔及附屬換熱器冷熱負荷

(2)加壓塔與常壓塔

加壓塔和常壓塔的冷熱負荷變化見表5，從表中可以看出，進料狀況的變化對加壓塔和常壓塔的冷熱負荷影響沒有預塔顯著。

兩種進料工況下，加壓塔塔頂冷凝器的冷凝負荷相同，而塔底再沸器的熱負荷存在差異，這是因為兩種工況下塔頂的采出量和組成相同，都是精甲醇，因此冷凝負荷相同，而塔底的產品中工況一進料中含水比較多，這部分水氣化增加了再沸器的熱負荷，所以工況一再沸器的熱負荷較高。而對于常壓塔來說，由于其塔底再沸器即為加壓塔的冷凝器，所以兩種進料工況下熱負荷變化與加壓塔冷凝器相同。而對于塔頂冷凝器，在加熱負荷相同（塔底再沸器熱負荷相同）的條件下，工況二塔內氣相物流中輕組分中甲醇的濃度較高，塔內的氣相流率大，兩種工況下塔頂的氣相流量分別為1948．0kmol/h和1952．6kmol/h，而塔頂采用過冷回流，從而使塔頂的冷凝冷卻負荷增大，另外，工況一側線溫度要高于工況二（見表1、表2），在采出量相同的情況下，工況一側線所帶出的熱量較多，從而降低了冷凝器的熱負荷。

表5 加壓塔、常壓塔及附屬換熱器冷熱負荷

(3)回收塔

由于工況二回收塔進料中甲醇的含量較高，因此要達到相同的甲醇回收率，工況二回收塔頂甲醇采出量較大，這樣相應的冷凝器和再沸器的熱負荷都相應提高，見表6。工況一條件下廢水冷卻器的熱負荷顯著提高，因為進料中的水含量較高。

換熱設備熱負荷 M KJ/h 工況一 工況二 兩種工況差值M KJ/h回收塔頂冷凝器 2.4749 2.5891 -0.1142

表6 回收塔及附屬換熱器冷熱負荷

3.不同進料工況的能耗和操作費用分析

通過表7可以看出，工況一和工況二的冷熱負荷的差值分別為1．7342M KJ/h和1．7464M KJ/h，即在進料中精甲醇量相同的情況下，隨著進料中水含量的增加，精餾過程的能耗增加。將冷熱負荷的差值分別換算成相應的公用工程消耗，取循環水的溫度變化為32～42℃，蒸汽取0．6MPaG飽和蒸汽，換算時只取其冷凝潛熱；根據公用工程的價格，取循環水的價格為0．2元/噸，飽和蒸汽的價格為100元/噸，進行經濟核算，按年操作8000小時計算，兩種工況下的年操作費用的差值為74．0萬元/a。

表7 工藝流程總的冷熱負荷

4.結論

(1)通過模擬分析，在精甲醇量相等的條件下，隨著粗甲醇進料中甲醇濃度的降低，精餾過程中的能耗增加，這是因為隨著甲醇濃度的降低，進料中水的含量升高，增加了輸送過程和精餾中氣化和冷凝冷卻過程的負荷。

(2)隨著甲醇濃度的降低，預精餾塔的能耗增加的最為明顯，這是由于預塔采用近似全回流操作，工況一較工況二增加的水量也作為重組分被氣化和冷凝，導致預塔冷凝器和再沸器的負荷顯著增加。

(3)對30萬噸/a甲醇項目工況一和工況二進行能耗核算分析，兩種工況下的熱負荷的差值為1．7464M KJ/h，冷負荷的差值為1．7342M KJ/h，當進料中的精甲醇含量由95%(wt)降低到91%（wt）時，對應操作費用提高74萬元/a。國內通用流程常選擇工況二（循環氣部分水洗工藝）。

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(責任編輯：李田田)

Study on Energy Consumption of Distillation of Methanol in Different Cycle Syngas Washing Process

Tan Suhua

( Spang Technology Co., Ltd, Shanghai, 201210)

The different cycle syngas washing process have a distinct effect on the energy consumption of distillation of methanol in the synthesis of methanol, in order to study the change on energy consumption and operation cost of distillation of methanol, the process of 300kt/a distillation of methanol included on four towers was simulated, and the energy consumption in different feed cases caused by different cycle syngas washing process was analyzed.

cycle syngas；energy consumption；load of heat and cooling；operation cost

TQ536 < class="emphasis_bold"> 文獻標識碼：A

A

譚素華（1982～)，女，勝幫科技股份有限公司；研究方向：從事石油化工、煤化工的工藝設計。