甲醇精餾工藝及塔器優(yōu)化設(shè)計研究

潘建東

（北京石化工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710015）

甲醇在化工領(lǐng)域一直都是一種十分重要的生產(chǎn)原料，在多種化工產(chǎn)品的生產(chǎn)中都能用到。針對這種需求，國內(nèi)外都對甲醇的制備和精餾進行了相關(guān)研究，并對其精餾工藝不斷進行優(yōu)化完善，以提升甲醇制備的效率與回收率。筆者結(jié)合甲醇現(xiàn)有精餾工藝及其工藝與塔器的優(yōu)化展開分析，希望能夠?qū)ξ磥砑状季s工藝的進一步發(fā)展提供建議。

1 我國甲醇精餾工藝概述

在甲醇精餾工藝方面，我國一直所采用的都是魯奇節(jié)能工藝改進之后的技術(shù)，其主要是在預(yù)精餾塔的塔頂進一步增設(shè)了兩級冷凝，然后將粗甲醇進料的20%新鮮水作為萃取水，同時對常壓精餾塔側(cè)線抽出的雜醇油再經(jīng)過汽提回收到甲醇［1］。這一工藝可以說已經(jīng)較為完備和成熟，但卻并非沒有優(yōu)化空間。相反，這種甲醇精餾工藝仍然具有進一步完善的空間，如當(dāng)前甲醇精餾工藝中所使用的塔內(nèi)件類型眾多，這就可以通過選型的研究來進行優(yōu)化，同時在甲醇精餾裝置的原料組成方面也存在優(yōu)化空間。因此，探討甲醇精餾工藝的優(yōu)化仍是當(dāng)前化工領(lǐng)域的一個重要課題。

2 甲醇精餾工藝概述

在針對甲醇精餾的研究上，國內(nèi)外都做出了許多努力，并由此誕生了雙塔精餾工藝、三塔精餾工藝以及四塔精餾工藝等。

2.1 雙塔精餾工藝分析

該工藝是最早的甲醇裝置中所采用的一種精餾工藝，也是過去化工領(lǐng)域使用最為廣泛的一種工藝，在甲醇精餾生產(chǎn)的早期階段是相對比較成熟的。雙塔精餾工藝所使用的精餾裝置主要是預(yù)精餾塔以及精餾塔。其中預(yù)精餾塔主要用于對粗甲醇進行預(yù)處理。具體操作將程序為將粗甲醇進行加壓，然后再進行預(yù)熱，之后在預(yù)精餾塔塔中進行水分去除。這一工藝在我國投入使用后又進行了進一步的改進，即在精餾塔的塔頂采用了兩級冷凝技術(shù)，從而使甲醇水與一些含有雜質(zhì)的液相可以回流到返回塔，而另外的初餾部分以及少量甲醇水則在塔頂溢出。同時塔底含有水分的甲醇進一步被送到主精餾塔中繼續(xù)進行精餾，其中含微量甲醇和其他重組分的廢水被送入水處理系統(tǒng)中，而塔頂溢出的甲醇則成為精甲醇［2］。這種改進在一定程度上提升了甲醇精餾的穩(wěn)定性以及回收利用率。

2.2 三塔精餾工藝分析

隨著甲醇精餾工藝的發(fā)展，三塔精餾工藝開始出現(xiàn)，并因為其精餾效果更佳，所以在現(xiàn)代化工領(lǐng)域被廣泛運用。該精餾工藝與雙塔精餾工藝相比，其最大的區(qū)別在于使用的裝置不再是精餾塔，而是加壓塔與常壓塔。同時該技術(shù)的另一優(yōu)勢在于進一步降低了甲醇精餾過程中的能源消耗，更符合節(jié)能要求。該精餾工藝具體程序為：①粗甲醇預(yù)熱后進入精餾塔，而預(yù)熱后溶解于粗甲醇中的低沸點雜質(zhì)則由精餾塔頂部精餾出并被送進燃料管網(wǎng)；②精餾塔底部出來的物料被塔釜泵加壓，之后進入加壓塔；③加壓塔內(nèi)產(chǎn)生的甲醇蒸汽從塔頂散出，然后經(jīng)過冷凝流入回流槽內(nèi)并被分解成精甲醇以及甲醇水容易，其中精甲醇會被存儲到甲醇混合灌，而甲醇水容易則進入常壓塔；④常壓塔會對甲醇溶液中的異丁基油進行抽出操作，從而使低于水費點的雜質(zhì)能夠被分離出塔，而另外一部分廢水則從塔底排除并最終進入廢水處理系統(tǒng)［3］。

2.3 四塔精餾工藝分析

該精餾工藝則是在三塔精餾工藝基礎(chǔ)上進一步發(fā)展出來的，其主要在精餾過程中增設(shè)了一種回收塔處理工藝。四塔精餾工藝的具體程序為：①粗甲醇經(jīng)過加壓和預(yù)熱到75℃之后被送進預(yù)精餾塔；②精餾塔塔頂同樣采取兩級冷凝技術(shù)將冷凝后的冷凝液與洗滌水回流，同時對甲醇水進行加壓，再與加壓塔塔釜內(nèi)的甲醇水換熱，之后再進入加壓塔；③塔頂?shù)恼羝诶淠筮M入回流罐，再進行加壓處理，隨后就可以得到一部分精甲醇，而另一部分加壓后的冷凝液則在塔頂進行回流；④回流的冷凝液進一步在常壓塔內(nèi)進行精餾并得到剩余甲醇，同時塔釜水則分兩部分分別進入預(yù)精餾塔和廢水處理系統(tǒng)［4］。

3 甲醇精餾工藝的優(yōu)化分析

上述幾種甲醇精餾工藝從雙塔到四塔本身就是一個不斷優(yōu)化完善的過程。而針對當(dāng)前甲醇精餾工藝的實際情況分析，其工藝的優(yōu)化則需要針對精餾過程中的細節(jié)進行把控，如此方能使精餾工藝更為科學(xué)化，切實提升精餾效率和品質(zhì)。具體而言，甲醇精餾工藝的優(yōu)化可以圍繞以下幾方面展開：

一是要優(yōu)化壓力和溫度的控制。在當(dāng)前的甲醇精餾工藝中，加壓塔與常壓塔的使用已經(jīng)十分普遍。鑒于這兩種裝置的具體功能和在精餾工藝中的用途，就需要我們對精餾操作中加壓塔與常壓塔內(nèi)的壓力和溫度進行有效控制，并優(yōu)化其控制方法和參數(shù)。一方面，溫度控制可以針對不同裝置采取不同控制方法。其中加壓塔內(nèi)的溫度可以采用蒸汽進行控制，而常壓塔內(nèi)的溫度則可以利用加壓塔產(chǎn)生的甲醇氣進行控制。而在壓力控制方面，則可以利用兩種裝置運行中所產(chǎn)生的壓力與溫度進行互相調(diào)節(jié)。通過壓力與溫度控制操作的優(yōu)化，能夠明顯提升輕重組分處理分離的效率和質(zhì)量。

二是要對精餾塔回流比例加以優(yōu)化。在甲醇精餾工藝中，精餾塔的回流量在一定程度上決定了塔頂?shù)膫鳠崆闆r，所以對其回流比例的優(yōu)化控制也是十分關(guān)鍵的。具體而言，其回流量與采出量比例應(yīng)該在2.3～2.8，并且需要根據(jù)催化劑使用情況來實施動態(tài)化調(diào)整，以確保其回流比例能夠始終保持在合理范圍內(nèi)。

三是優(yōu)化甲醇油的采出控制。在甲醇油采出情況的優(yōu)化控制方面，需要結(jié)合甲醇油自身的成分特點加入一定量的萃取水，并把控好精餾負荷程度，從而達到精餾工藝的優(yōu)化。

四是優(yōu)化塔頂溫度與進料控制。在精餾工藝中，塔頂溫度會對塔底殘液中的甲醇含量產(chǎn)生影響，一旦溫度超出合理范圍，就會使殘液中的甲醇含量升高，降低其精餾效率。因此在實際操作中需要優(yōu)化塔頂溫度與進料量控制，保證其溫度適中處于合理范圍內(nèi)。

4 甲醇精餾工藝中塔器的優(yōu)化設(shè)計

作為甲醇精餾工藝的實現(xiàn)基礎(chǔ)，其精餾中各種塔器的運用是十分關(guān)鍵的。對此，就需要專門針對其塔器進行優(yōu)化設(shè)計。

4.1 科學(xué)確定塔器理論級數(shù)優(yōu)化塔器選擇

隨著甲醇精餾工藝的發(fā)展，其配套的精餾裝置也不斷推陳出新，到今天已經(jīng)出現(xiàn)了許多精餾裝置，且不同裝置之間的尺寸也存在較大差異，因此在對塔器進行優(yōu)化設(shè)計的過程中，首先就需要解決塔器的科學(xué)選擇問題。如果塔器選擇超出實際精餾需求，則會造成資源浪費，但如果無法滿足蒸餾需求，則會嚴(yán)重影響精餾能力，從而使精餾出的甲醇產(chǎn)品難以達到相應(yīng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。基于此，針甲醇精餾工藝的塔器選擇就需要形成一種專門的理論級數(shù)模型，然后結(jié)合實際生產(chǎn)需求對照模型挑選出最合適的精餾塔器。在理論級數(shù)模型的構(gòu)建方面，可以采用PRO／Ⅱ工藝模擬程序，并NRTL熱力學(xué)計算模型作為構(gòu)建方法，再結(jié)合Shortcut模塊對各種塔器分離所需的最小理論級數(shù)進行計算，最終就可以得到各種塔器的理論級數(shù)與相應(yīng)的操作條件。［5］具體如表1所示。

表1 工藝模擬計算優(yōu)化的各塔理論級數(shù)與主要操作參數(shù)

根據(jù)上述塔器理論級數(shù)與相關(guān)操作參數(shù)，實際塔器優(yōu)化設(shè)計的過程中，只需要根據(jù)裝置情況進一步調(diào)整粗醇組成與流量，就可以實現(xiàn)更為高效的甲醇精餾，并幫助企業(yè)有效減少實際生產(chǎn)中的相關(guān)成本。

4.2 各類塔器的優(yōu)化設(shè)計

現(xiàn)階段甲醇精餾工藝中所使用的裝置基本都包含預(yù)精餾塔、加壓塔、常壓塔，因此在確定理論級數(shù)模型并選擇塔器之后，同樣需要對各類塔器進行針對性的優(yōu)化設(shè)計。

在預(yù)精餾塔的優(yōu)化設(shè)計方面，因為該塔器在分離粗甲醇輕組分方面具有重要作用，所以需要通過塔盤的運用來提升該裝置的精餾效能。這是因為精餾工藝中的提餾段通常會留存有少量液蠟，所以會對填料表面的液相掛膜產(chǎn)生影響，但塔盤的使用則能夠起到良好的混合作用，促進堿液與酸性物質(zhì)間產(chǎn)生良好反應(yīng)。

在加壓精餾塔的優(yōu)化設(shè)計方面，可以通過規(guī)整填料的方式來對其進行優(yōu)化。這是因為加壓塔本身對理論級數(shù)要求不高，也對塔釜物料的純度沒有過多要求，所以在塔釜中進行規(guī)整填料就可以通過減少塔高來達到良好的優(yōu)化效果。此外，在全塔中使用塔盤也是一個有效的優(yōu)化設(shè)計。而在規(guī)整填料的具體實現(xiàn)上，則可以通過在塔釜上設(shè)置進料口來達到目的，如此既能夠達到優(yōu)化效果，又不會對原有工藝的操作產(chǎn)生影響。

在常壓精餾塔的優(yōu)化設(shè)計方面，此處建議采取與汽提塔進行復(fù)合的方式。這是因為這兩種塔器在結(jié)構(gòu)上差別不大，同時兩種塔器對理論級數(shù)的要求都較高，因此將兩者復(fù)合可以在一定程度上同時滿足兩種塔器的工作要求，并且能夠使兩者的作用得到最大化的發(fā)揮，進而提升精餾工藝水平。

5 結(jié)語

綜上所述，甲醇精餾工藝雖然經(jīng)過長時間的發(fā)展已經(jīng)取得了許多成果，尤其在塔器的開發(fā)上誕生出諸多類型，但其實際工藝操作仍有進一步優(yōu)化的空間。一方面，甲醇精餾工藝本身就可以通過壓力和溫度控制、回流比例、甲醇油采出控制以及塔頂溫度與進料控制的優(yōu)化來實現(xiàn)更高水平的精餾，另一方面對其塔器的優(yōu)化設(shè)計也可以促進精餾工藝水平的提升。因此，化工領(lǐng)域在實踐中必須繼續(xù)保持對甲醇精餾工藝的研究，確保甲醇精餾水平的持續(xù)發(fā)展。