甲醇精餾三塔安全泄放工藝技術的分析

楊文君，于澤民

（山西興新安全生產技術服務有限公司，山西 太原 030000）

甲醇精餾系統的超壓泄放量直接關系到甲醇精餾的安全性，其泄放量主要取決于甲醇精餾系統中精餾塔的數量。為了保證甲醇精餾過程的安全性，在甲醇精餾系統中設置有火炬系統用于甲醇精餾塔的超壓泄放，火炬系統的泄放能力目前主要是通過單臺塔獨立分析，然后把各塔的最大量疊加來確定的。但在實際使用過程中發現，甲醇精餾系統相互連通，在工作過程中不會出現各個精餾塔同時達到最大泄放量的情況，因此導致甲醇精餾火炬系統的理論設計能力遠大于實際需求，極大地增加了設備的成本。

本文提出了一種新的基于Aspen HYSYS 仿真的甲醇精餾系統超壓模擬分析法，對甲醇系統在回流失效、過度熱量輸入、停電等特殊工況下系統的流量-時間變化曲線進行研究，確定了各工況下的最大泄放量。根據分析表明，當在停電情況下系統的泄放量最大，達到了410 t/h，約為傳統單臺塔獨立分析時泄放量的40.5%，為優化火炬系統設計，降低甲醇精餾設備成本奠定了基礎。

1 甲醇精餾工藝流程

從甲醇合成單元出來的粗甲醇首先經過限流后進入到系統的穩定塔中，這些甲醇在穩定塔中冷卻，液體進入到穩定塔，不凝氣則進入到燃料氣管網中。穩定塔再沸器以前端工藝氣作為熱源，塔釜液經過增壓泵的加壓后進入到低壓精餾塔中。

在塔內的甲醇氣體經過冷凝以后回流部分被作為甲醇成品分離出來。低壓塔再沸器中壓塔內的頂氣為熱源，塔釜液再經過泵的加壓以后傳輸到中壓精餾塔中。中壓塔塔頂的甲醇氣體在低壓塔再沸器中完成冷凝后一部分回流到系統中，一部分則作為成品抽出。中壓塔再沸器以低壓蒸汽為熱源，塔釜液含有微量甲醇的水，再經過泵的加壓后輸送到前端，最后再把分離出來的雜醇油去除，確保塔頂產品的純度。甲醇精餾工藝流程如圖1 所示[1]。

圖1 甲醇精餾工藝流程圖

由圖1 可知，在3 個精餾塔的頂氣相管線上都安裝有安全閥，用于系統超壓時的泄放和保護，這些安全閥的排氣口全都接入了火炬系統。按傳統的單塔獨立分析法計算，在極限情況下系統總共的最大泄放量達到了1 012.5 t/h，因此整個甲醇精餾火炬系統需按此排放量進行設計。

2 Aspen HYSYS 仿真建模

根據甲醇精餾工藝流程，利用Aspen HYSYS 仿真軟件[2]建立甲醇精餾模擬系統。在進行模擬分析時利用固定步長的隱式歐拉算法進行模擬分析，精餾塔的進料模擬采用和實際控制模式一樣的流量控制。回流采用回流罐液位-流量綜合控制模式。

甲醇精餾系統在工作中的突發工況主要包括回流失效、過度熱量輸入及停電等，在這些突發的情況下會導致精餾塔內的壓力升高，需要火炬系統進行大量的泄放，保證安全性。因此在仿真分析時，重點對以上3 種特殊工況進行仿真分析。甲醇精餾過程仿真分析參數如表1 所示。

表1 甲醇精餾過程參數匯總表

3 回流失效情況分析

甲醇精餾過程中的回流失效，主要是指回流泵或者回流閥故障而導致的精餾塔回流失效，此時除了回流閥處于關閉狀態外，假設其他閥門均維持正常工作時的開度[3]。利用仿真分析的方法對穩定塔回流失效、中壓塔回流失效及低壓塔回流失效的情況進行分別研究。

根據分析，穩定塔回流失效會導致在穩定塔塔頂的壓力快速上升到安全閥的設定壓力，安全閥開啟進行泄放，此時低壓塔和中壓塔內的工作壓力維持穩定。中壓塔回流失效時，其最高的壓力為673 kPa，高于系統安全閥設定的450 kPa 的壓力，安全閥打開，系統進行壓力泄放。低壓塔回流失效時，其最高的壓力為415 kPa，低于系統安全閥設定的450 kPa 的壓力，安全閥不打開，系統不進行壓力泄放。在穩定塔回流失效時泄放量變化曲線如圖2-1 所示；中壓塔回流失效時，泄放量變化曲線如圖2-2 所示。

圖2 不同回流失效情況下壓力泄放情況

由實際仿真分析結果可知，在中壓塔回流失效的情況下系統的泄放壓力最大，約為330 t/h。而且在實際運行過程中并不會出現穩定塔、中壓塔、低壓塔同時失效的情況。因此在系統回流失效的情況下，系統最大的泄放量為330 t/h，約為按傳統單塔獨立分析法計算所獲取結果的32.6%。

4 過度熱量輸入失效分析

甲醇精餾系統中，中壓塔的再沸器利用低壓蒸汽作為熱源的，如果調節閥出現故障并處于全開狀態[4]，則會導致熱量的大量涌入，因此傳統情況下會出現過度的熱量輸入，使系統壓力超過設計壓力，導致出現超壓泄放的情況。

但通過對調節閥選型的分析，其開度最大的情況下，其蒸汽的通過量為正常情況下的2 倍，而且即使通過過量的蒸汽，其還會受到換熱器熱負荷轉換的限制，并不會全部轉換為熱源。根據仿真分析，發現在調節閥全開的情況下，中壓塔中的最大熱負荷為正常情況下的1.3 倍，因此其過度熱量的輸入實際較少。此工況下的壓力變化曲線如圖3 所示。

圖3 過度熱量輸入時系統壓力變化曲線

由圖3 可知，當有過度熱量輸入時，系統中僅中壓塔的壓力出現輕微波動，但并沒有超過系統450 kPa的安全壓力，因此安全閥并未啟動卸壓。因此此工況下不會導致系統出現超壓泄放的情況。

5 停電工況失效分析

當甲醇精餾系統出現停電問題時，系統內的塔釜泵、回流泵[5]會停止運行，系統中各類風機也會隨之停止工作。當停電突然發生時，假設各塔的狀態均保持運行時的開度不變而且塔釜熱源也沒有切斷。利用Aspen HYSYS 仿真軟件對此工況下的系統壓力變化情況進行分析，結果如圖4 所示。

4-1 不同塔內泄放量變化情況

4-2 總泄放量變化情況

根據仿真情況，當系統停電后各類泵均停止工作，塔頂不再有液體回流，塔釜內的熱量會一直對系統加熱，使液體氣化，導致塔頂的壓力持續上升。其中中壓塔的頂氣相是由低壓塔的塔釜供應的，因此在約1 h 內會被冷凝。但是由于回流泵停止運行，導致系統中的液體無法回來，回流罐中的回流液在約5 min就會充滿整個罐體，導致再沸器的冷卻能力下降，因此此階段會導致中壓塔內的壓力快速上升。系統在第8 min 時打開安全閥，但此時系統內的壓力繼續增加，表明此情況下安全閥的泄放能力較弱，不滿足停電工況下的壓力泄放需求。因此建議在控制邏輯上進行優化，在斷電后首先聯鎖切斷塔釜再沸器熱源和穩定塔的進料[6]，確保系統的安全性。

在此工況下，系統的最大泄放量為410 t/h，約為按傳統單塔獨立分析法計算所獲取結果的40.5%。

通過對回流失效、過度熱量輸入及停電等特殊工況下甲醇精餾系統中泄放量的分析，系統在停電工況下的總泄放量最大，約為410 t/h，僅為傳統計算方法計算結果的40.5%。由此可知該仿真分析的方案能夠有效地模擬甲醇精餾系統的工作過程，對優化系統設計，降低設備成本具有十分重要的意義。

6 結論

1）甲醇精餾系統在工作中突發工況主要包括了回流失效、過度熱量輸入及停電等；仿真分析的方法能夠有效模擬精餾過程中的化學反應，為優化系統。降低設備成本奠定基礎。

2）中壓塔回流失效時系統最大的泄放量為大于穩定塔回流失效時候的泄放量，低壓塔回流失效時，系統無泄放。

3）過度熱量輸入情況下不會導致系統出現超壓泄放；停電工況下系統的最大泄放量為410 t/h，約為按傳統單塔獨立分析法計算所獲取結果的40.5%；