甲醇三塔精餾工藝設計

胡 林，廖 煜，戴 軍，李澤陽，萬恒霄

(貴州理工學院 化學工程學院，貴州 貴陽 550003)

甲醇是一種簡單的一元醇類，其既可作為基本有機化工原料用于生產甲醛、乙酸、甲硫醇等化工產品[1]，又可作為煤化工中間產品，生產低碳烯烴等物質，還可作為燃料直接使用，或通過催化反應制備二甲醚、汽油等燃料[2]。故其在有機化工、石油化工、能源等領域有著廣泛的應用。我國煤碳資源豐富，國內甲醇主要以煤為原料生產獲得[3]。

1 甲醇精制工藝簡介

甲醇合成工藝有高壓法、中壓法、低壓法[4]，目前我國大型煤制甲醇裝置以中、低壓法合成工藝為主，其將來自煤氣化工序的粗合成氣經變換、凈化后進入甲醇合成塔，在一定溫度、壓力下反應生成甲醇，冷卻后的粗甲醇進入精餾工序精制[5]。甲醇精餾工藝有單塔法、雙塔法、三塔法及四塔法[6]，在規模化甲醇生產中一般采用三塔法、四塔法精制工藝。其中三塔精餾工藝主要由預精餾塔、加壓塔和常壓塔構成[7]，加壓塔和常壓塔設計為雙效精餾，以降低生產能耗[8]。該工藝流程簡圖如下[9]：

圖1 甲醇三塔精餾工藝圖

來自上游工序的粗甲醇經加熱后進入預精餾塔，脫除不凝氣、二甲醚等輕組分后經泵加壓后送入加壓塔，加壓塔塔頂采出部分合格甲醇，塔釜的甲醇溶液繼續進入常壓塔進行再次精餾，常壓塔塔頂也可獲得合格甲醇，而塔釜主要為廢水。常壓塔塔釜熱源為加壓塔塔頂二次蒸汽，預精餾塔、加壓塔塔釜熱源為低壓蒸汽[10-11]。

2 甲醇三塔精餾模型

為研究甲醇三塔精餾工藝，以某四十萬噸/年甲醇精制工序為基礎，利用Aspen建立三塔精餾模型，其中粗甲醇組成如表1所示：

表1 粗甲醇組成

表2 甲醇精餾系統各塔操作條件

甲醇精制過程中涉及水、甲醇、雜醇、輕餾份、乙醇等物質，綜合考慮體系的物質組成、溫度、壓力，并參考相關文獻[12]，本模擬采用Wilson物性方法。精制工序涉及塔器較多，模擬中先采用DSTUW模型獲得初步條件后再使用RadFrac模型進行詳細計算。由于加壓塔、常壓塔構成雙效精餾，在初步設計中可通過調整加壓塔塔頂甲醇回收率獲得雙塔塔板數、回流比等操作條件。經計算各塔操作條件如表2所示。

在對甲醇精餾工藝進行詳細模擬時，為簡化模型，加速收斂，可通過Aspen自帶的全局設計規定(Design Specs)模塊實現雙效精餾[13]。同時通過RadFrac模型的設計規定模塊調節回流比等參數保證產品甲醇質量純度達到99.8%，具體模擬流程如下：

圖2 甲醇三塔精餾系統模擬流程圖

在三塔精餾工藝過程中，不但要控制加壓塔、常壓塔塔頂甲醇純度，而且也要控制常壓塔塔釜廢水醇含量，以滿足各項工藝要求。故本模擬在保證塔頂甲醇純度達標的情況下，對常壓塔塔釜甲醇含量、側線采出量與精餾塔塔系冷、熱負荷、廢水組成之間的關系進行了探索。

3 結果與討論

圖3 常壓塔塔釜甲醇含量對加、常壓塔冷、熱負荷影響

圖3為常壓塔塔釜甲醇濃度與塔系冷、熱負荷的關系圖，其中熱負荷為加壓塔塔釜再沸器熱量，冷負荷為加壓塔塔頂冷卻器、常壓塔塔頂冷凝器、冷卻器熱量之和。由圖3可知，隨著常壓塔塔釜甲醇濃度增加，塔系的冷、熱負荷逐漸降低，當甲醇濃度由0.001%增加至0.01%時，冷、熱負荷需求均減少了17.9kW。在實際生產中可控制常壓塔塔釜甲醇濃度為0.01%，以降低能耗和廢水處理成本。

圖4為不考慮側線采出情況下，常壓塔塔釜甲醇、乙醇、雜醇濃度關系圖，由圖4可知若無側線采出的情況下，常壓塔塔釜雜醇含量隨甲醇含量的增加逐漸減小，乙醇含量則隨著甲醇含量的增加而增加。當甲醇濃度為0.01%時，釜液中乙醇含量為0.0005%，雜醇含量為2.366%。由于雜醇濃度過高，不符合工藝生產需求，需采用側線采出等方式降低雜醇含量，以滿足廢水排放標準。

圖4 常壓塔塔釜甲醇含量對雜醇、乙醇的影響

圖5 常壓塔液相中雜醇、乙醇濃度

由圖5可知，常壓塔塔內液相中雜醇的濃度自塔頂向塔釜呈現先增加后降低的趨勢，其中精餾段(2～24塊板區域)，雜醇濃度一直維持較低水平，而提餾段(25-39塔板區域)雜醇濃度則普遍較大，其最終在第37塊理論板位置達到最大濃度。塔內乙醇濃度在精餾段和提餾段均呈現先增加后減趨勢，其中提餾段第29塊理論板位置濃度達到最大。結合塔內液相雜醇、乙醇分布情況，可在第34～37塊理論板位置設置側線采，其中最優側線采出口為第37塊理論板位置。

圖6 常壓塔側線采出量與雜醇濃度關系

由圖6可知，當側線采出量小于200kg/h時，側線采出中雜醇含量隨著采出量的增加迅速增加，而塔釜雜醇濃度則呈線性降低，此時側線采出中雜醇濃度基本維持在51%左右。當側線采出量大于200kg/h時，側線中雜醇含量及塔釜雜醇濃度變化速率減緩，此時繼續增加側線采出量并不能有效降低塔釜雜醇濃度。

圖7 常壓塔側線采出量對塔系熱負荷的影響

由圖7可知，隨著側線采出量的增加，塔系冷負荷持續降低，而熱負荷則呈現先增后減趨勢，當采出量為205kg/h時，熱負荷達到最大(16038.5kW)，此時冷負荷為17217.1kW。綜合考慮側線采出量對雜醇和熱負荷的影響，可在運行中控制側線采出量為300～350kg/h。

3 結論

采用三塔精餾工藝精制甲醇時，常壓塔塔釜甲醇含量對精餾塔塔系冷、熱負荷、塔釜乙醇、雜醇含量均有影響，在實際操作中可根據廢水處理工藝要求進行調節。由于粗甲醇中雜醇含量較高，可通過側線采出的方式降低常壓塔塔釜雜醇濃度，根據常壓塔液相中雜醇濃度變化趨勢，最優采出位置為常壓塔第37塊理論板處。常壓塔側線采出量會影響精餾塔塔系冷、熱負荷及塔釜、側線采出中雜醇濃度，在實際操作中可以根據需要調節側線采出量控制塔釜雜醇濃度。