雙效和多效甲醇精餾工藝的對比

劉 艷 楊 龍 石莉莉 劉艷軍 華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

甲醇精餾是甲醇裝置中一個很重要的環節。粗甲醇通過精餾除去不凝氣、輕組分和烷烴等，生產出甲醇產品。甲醇精餾的能耗(特別是蒸汽消耗和循環水消耗)占整個甲醇裝置消耗的20%[1]。因此，甲醇精餾的節能一直是人們研究的熱點[2,3]。

甲醇精餾工藝主要有兩塔、四塔雙效和五塔多效流程。

兩塔精餾采用兩個精餾塔，沒有熱集成，對熱量的利用率低，能耗較大，在大型甲醇裝置中已逐步被取代[4]；四塔雙效精餾又稱為“3+1塔流程”，采用預塔、高壓塔、常壓塔和回收塔的組合，高壓塔和常壓塔采用雙效熱集成操作，實現了熱量的綜合利用，降低了能耗，在國內、外各種規模的甲醇裝置中有著廣泛應用；近年來，隨著甲醇精餾工藝的不斷研究和發展，五塔多效精餾工藝已經開始運用[5]，其采用了多效熱集成，對熱量的利用率更高，能耗更低。本文通過實例主要對四塔雙效精餾(以下簡稱四塔工藝)和五塔多效精餾(以下簡稱五塔工藝)的工藝、能耗和投資等方面進行對比分析。

1 精餾工藝簡介

1.1 四塔工藝

甲醇精餾系統由預塔、高壓塔、常壓塔和回收塔組成。預熱后的粗甲醇在預塔中除去不凝氣和輕組分，然后依次進入高壓塔、常壓塔和回收塔進行精餾。高壓塔、常壓塔和回收塔頂各餾出物混合、冷卻后作為甲醇產品?；厥账染€采出雜醇油，常壓塔和回收塔底排出廢水。為降低操作能耗，高壓塔和常壓塔采用雙效熱集成操作，利用高壓塔頂氣相給常壓塔釜提供所需熱量，節省了一個冷凝器和一個再沸器的能耗。工藝流程見圖1。

圖1 四塔工藝流程圖

1.2 五塔工藝

甲醇精餾系統由預塔、常壓塔、低壓塔、高壓塔和末塔組成。預熱后的粗甲醇在預塔中除去不凝氣和輕組分，然后依次進常壓塔、低壓塔、高壓塔和末塔。常壓塔、低壓塔、高壓塔和末塔塔頂各餾出物混合、冷卻后作為甲醇產品。末塔側線液相采出雜醇油，塔釜排放廢水。為降低操作能耗，常壓塔、低壓塔、高壓塔三塔之間熱集成，低壓塔塔頂氣相為常壓塔釜提供所需熱量；高壓塔塔頂氣相為低壓塔釜提供所需熱量；預塔和末塔兩塔之間熱集成，末塔塔頂氣相為預塔釜提供所需熱量[5]。工藝流程見圖2。

圖2 五塔工藝流程圖

2 實例分析

以某煤制甲醇項目為例，項目規模為60萬噸/年精甲醇，甲醇產品符合中國工業用甲醇標準(GB338-2011)優等品，操作時間8000小時/年，做四塔工藝和五塔工藝的對比。由于地處水資源匱乏地區，兩種精餾工藝的預塔一級冷凝器和常壓塔頂冷凝器均采用空冷器。

原料粗甲醇的組成和流量見表1。

表1 粗甲醇組成和流量

2.1 精餾塔操作參數對比

兩種工藝的塔操作參數見表2。

表2 甲醇精餾塔操作參數對比表

從表2可以看出，五塔工藝高壓塔的操作壓力和溫度較低。這是因為五塔工藝高壓塔利用塔頂氣相加熱低壓塔釜的甲醇，而四塔工藝高壓塔頂氣相加熱常壓塔釜的廢水。甲醇的沸點低于水，因此五塔工藝高壓塔需要提供的熱量降低，操作壓力和溫度可適當降低，有利于降低塔的設備成本。

2.2 精餾塔尺寸對比

兩種工藝的塔操作參數見表3。

表3 甲醇精餾塔尺寸對比表

從表3可以看出，五塔工藝的高壓塔和常壓塔的尺寸較小。這是因為四塔工藝的甲醇產品從高壓塔、常壓塔和回收塔三個塔采出，單塔采出量大。而五塔工藝的甲醇產品從常壓塔、低壓塔、高壓塔和末塔四個塔采出，單塔采出量小，這樣降低了塔的負荷，塔的單體尺寸變小。

從設備重量來看，五塔工藝是四塔工藝的1.21倍，設備成本偏高。

2.3 公用工程消耗對比

四塔工藝的高壓塔和常壓塔采用雙效熱集成操作，相對兩塔精餾大幅降低了蒸汽和循環水消耗。五塔工藝的預塔與末塔采用雙效熱集成操作，常壓塔、低壓塔和高壓塔采用三效熱集成操作，進一步將消耗降低。兩種工藝的公用工程消耗對比見表4，公用工程價格見表5。

表4 公用工程消耗對比表

表5 公用工程價格

從表4可以看出，五塔工藝蒸汽消耗明顯低于四塔工藝，蒸汽節能37%，循環水節能45%，空冷器用電節能40%，泵用電略高14.6%。五塔工藝的運行成本是四塔工藝的0.64倍。蒸汽和循環水量的減少是因為采用了多效熱集成，降低了能耗。由于塔數量的增加使單塔操作能耗降低，預塔和常壓塔頂空冷器熱負荷降低，空冷器臺數從32臺減少到20臺，空冷器用電量減少。泵用電量增加是因為四塔工藝的粗甲醇流向是預塔-高壓塔-常壓塔，而五塔工藝改成了預塔-常壓塔-低壓塔-高壓塔-末塔，從壓力低的塔向壓力高的塔的物料輸送泵增加，導致泵的用電量增加。

2.4 兩種工藝的選擇

(1)四塔工藝的甲醇產品從高壓塔、常壓塔和回收塔頂采出，需要控制三個塔的甲醇濃度。而五塔多效精餾的甲醇產品從常壓塔、低壓塔、高壓塔和末塔頂采出，需要控制四個塔的甲醇濃度。因此五塔工藝流程更復雜，操作要求更高。

(2)對于蒸汽富裕的工廠，如能利用余熱副產蒸汽的，蒸汽消耗不是影響全廠能耗的關鍵，可以不采用五塔工藝。

(3)對于水資源匱乏地區，塔頂冷凝器多采用空冷器。五塔工藝由于操作能耗的降低，空冷器面積大幅減小(約減小36%)，節省了占地和投資，更具優勢。

(4)五塔工藝對設備的布置、管線的尺寸和走向、開車的順序等要求高，在設計時應該引起重視。

3 結語

相對于四塔工藝，五塔工藝采用了多效熱集成，對熱量的利用率更高，能耗更低，是一種新型的節能工藝，有很好的發展前景。五塔工藝有很大的改進空間，如可以通過調節常壓塔、低壓塔、高壓塔的操作壓力，形成新的壓力梯度，或通過調節每塔的甲醇采出量，以適應不同粗甲醇進料或者不同季節對精餾的影響。

目前五塔工藝在大型甲醇裝置中(100萬噸/年及以上)運行業績很少。大型甲醇裝置中多采用四塔工藝，便于運行、調節和控制。但是隨著工藝的不斷進步，五塔工藝作為一種新型的節能工藝，在未來會有更大的發展空間。