甲醇精餾裝置擴能改造方案對比研究

張 磊,孫津生

(1.中石化南京工程有限公司， 南京 211100；2.天津大學 化工學院， 天津 300072)

中國石化長城能源化工(寧夏)有限公司現有1套煤制甲醇裝置，采用水煤漿氣化、耐硫變換、低溫甲醇洗、低壓法甲醇合成、三塔精餾工藝技術生產精甲醇，甲醇合成單元設計規模為50萬t/a，甲醇產品一部分作為下游醋酸裝置、1-4丁二醇裝置、聚乙烯醇裝置的原料，一部分作為產品外售。由于上游空分裝置、煤氣化裝置、冷凍裝置設計余量較大，而且部分設備和公用工程尚有潛力可以挖掘，為了進一步優化企業產品結構，提高經濟效益，擬對甲醇裝置實施擴能改造，充分發揮裝置潛能提高甲醇產量。上游甲醇合成單元最大產能為72萬t/a，精餾單元按此規模進行擴能改造。

1 改造方案

甲醇精餾裝置工藝設計為常規3+1塔流程，分別設置預精餾塔(簡稱預塔)、加壓精餾塔(簡稱加壓塔)、常壓精餾塔(簡稱常壓塔)、汽提塔。經初步核算，現有加壓塔、常壓塔塔設備能力已達到極限，僅通過塔內件調整無法實現擴能到72萬t/a的目標；因此，需要新增塔設備或者更換原有設備以提高裝置產能。

改造思路為將原有汽提塔拆除，更換為第二常壓塔的汽提塔，新增甲醇產能通過第二常壓塔實現(簡稱方案一)。方案一不打破原有系統的熱集成體系，保留加壓塔至常壓塔的向下集成，加壓塔、常壓塔按照現有最大生產能力進行生產，之后多余的產能完全由汽提塔的改造來實現[1];該方案可以維持原有的系統控制方案，操作簡單。另一個思路是在加壓塔前增加1個中壓塔[2]，將新增加的甲醇產能由中壓塔產出，形成5塔精餾流程[3](簡稱方案二)。方案二將中壓塔和預塔實現熱集成，利用中壓塔頂蒸汽為預塔塔底再沸器供熱，實現兩塔之間雙效精餾操作，可以降低蒸汽單耗指標，同時改造主體工程，可在裝置不停車的情況下實施。

2 工藝模擬計算

作為蒸餾塔設計依據，過程分析、工藝設計計算和流程模擬至關重要，流程模擬優化技術是提高工廠經濟效益、降低生產成本、消除裝置瓶頸的主要手段之一。因此，利用計算機模擬實際蒸餾裝置的操作，受到國內外科研工作者的關注[4-6]。

采用天津大學化工學院引進美國Simulation Science公司的Provision流程模擬軟件,基于Provision的流程優化技術的甲醇精餾系統專用框架軟件包進行模擬。該軟件包的熱力學模型由理論模型結合天津大學化工學院在類似項目中采集的實際數據以及天津大學化工學院中試基地的試驗數據進行修正得到。模擬過程中將對精餾塔操作產生影響的外圍設備也納入其中，通過各塔進料位置的變化找出使各塔回流比、塔頂冷凝器冷負荷及塔底再沸器熱負荷最小的進料方案。在實際設備設計時將進料口位置靠近最優點可大大減小裝置能耗。

對流程中預塔、加壓塔、常壓塔和汽提塔進行合并工藝及流體力學模擬核算,在抑制設備形式的約束下模擬流程。在工程實踐過程中發現由于在不同處理量下精餾設備的阻力降不同，無論對于模擬計算還是對實際開車過程都存在一定影響。因此在模擬過程中采用最大進料量進行計算，考察精餾設備在極端情況下的分離能力是否仍符合設計要求，從而增加所提供的工藝包的安全性。

為了使模擬結果與實際操作數據盡量吻合，在工藝模擬時將選定填料和塔板的流體力學參數甚至各段所用分布器的阻力納入計算，使流程中的各塔，尤其是常壓塔的壓降得到準確計算。工藝計算與結構設計交替進行，先由模擬結果確定結構參數進行結構的設計和調整，再將調整后的結構參數重新輸入工藝計算，形成終版模擬結果。

2.1 工藝流程計算

2個方案的工藝模擬計算結果分別見表1和表2。

表1 方案一工藝模擬計算結果

表2 方案二工藝模擬計算結果

2.2 熱負荷計算

方案一和方案二各塔的熱負荷計算結果見表3。由表3可以看出:方案二中由于中壓塔、預塔熱集成使得熱量的利用更為合理[7-8]，總熱負荷只有160×106kJ/h左右，遠遠小于方案一的總熱負荷(343×106kJ/h)。

表3 各塔熱負荷 kJ/h

2.3 水力學計算

對擴能后各個塔的水力學性能進行了復核計算，計算結果見表4、表5。從表4、表5可以看出:最大負荷下，原有的各臺塔設備的塔盤及填料液泛率在改造后均未超過80%液泛率的限制，仍然留有余量，能夠滿足擴能改造的要求，不需要進行內件更換。

表4 方案一各塔水力學計算表

表5 方案二各塔水力學計算表

3 擴能方案對比

3.1 工藝流程

方案一主要是將原汽提塔拆除后更換為大直徑汽提塔，同時需要重新設計汽提塔冷熱兩端的換熱器，以及進料泵、回流罐及相應的管道，包括汽提塔塔頂冷凝冷卻器、汽提塔塔底蒸汽再沸器、汽提塔測線雜醇油冷卻器、汽提塔回流泵、汽提塔進料泵、汽提塔測線泵、汽提塔塔底泵等。

方案二是在原有流程中增加1個中壓塔，需要同時設計其冷熱兩端的冷凝器、再沸器,以及對應回流罐和泵送設備、儀表等,包括預塔第二再沸器、中壓塔進料加熱器、粗甲醇預熱器、中壓塔塔頂冷凝冷卻器、中壓塔塔底蒸汽再沸器、中壓塔回流槽、中壓塔回流泵等。方案二流程圖見圖1。

圖1 方案二工藝流程示意圖

方案一的特點是僅僅更換了汽提塔，不改變原有設備的操作參數、操作流程，增加的產能一方面發揮原有設備的最大能力，不夠的產能通過汽提塔實現。方案二在原有流程中串聯1個中壓塔，同時中壓塔和預塔實現熱集成，利用中壓塔頂蒸汽為預塔塔底再沸器供熱，實現兩塔之間雙效精餾操作，增加的產能主要通過中壓塔實現，其他塔基本操作參數不變。

方案一和方案二的各塔產能分布見表6。

表6 各塔產能分布

3.2 能耗

2個方案的主要消耗見表7。從表7可以看出:2個方案在實現擴能的同時均比改造前能耗降低，方案二由于實現了塔的熱集成，能耗更低。

表7 擴能改造能耗對比表

3.3 設備費用

2個方案主要設備費用對比結果見表8。由表8可以看出:2個方案設備費用接近，方案二由于增加了中壓塔，無論是塔內件和塔設備費用都稍微多一些。

表10 設備費用對比 萬元

4 結語

通過工藝核算，方案一和方案二均可以實現對現有甲醇精餾裝置的擴能改造，在擴能的同時實現能耗的優化，均可以用于現有甲醇精餾裝置的擴能改造。

方案一的優點是僅更換汽提塔，不改變原有工藝流程，缺點是需要停工進行改造，改造周期較長。方案二在原有流程中增加了1個中壓塔以實現甲醇的擴能，同時將中壓塔和預塔實現熱集成，利用中壓塔頂蒸汽為預塔塔底再沸器供熱，實現兩塔之間雙效精餾操作，裝置運行能耗進一步降低。方案二可以實現邊生產邊改造，充分保證裝置的運行生產，缺點是需要改變原有的操作流程，同時改造費用較高。

最終選擇方案二進行改造，改造實施后，甲醇精餾單元產能從50萬t/a增加到72萬t/a，噸甲醇實際運行蒸汽消耗由1.15 t降至1.04 t，每年可節省蒸汽費用1 227萬元左右，經濟效益顯著。