三塔甲醇精餾流程的模擬與優(yōu)化

(哈密廣匯環(huán)保科技有限公司，新疆 哈密 839303)

甲醇是一種重要的基礎(chǔ)化工原料，也是性能優(yōu)良的能源，可以用于生產(chǎn)二甲醚、甲醛、氯甲烷、甲胺和硫酸二甲酯等多種有機(jī)產(chǎn)品，也可生產(chǎn)甲醇燃料電池、汽油辛烷值助推劑等。目前，國內(nèi)外生產(chǎn)甲醇的技術(shù)或?qū)＠毯芏?，國外甲醇技術(shù)主要有莊信萬豐(Davy公司)、德國Lurgi、丹麥Topsφe和瑞士casele公司技術(shù)等，國內(nèi)甲醇技術(shù)主要有華東理工大學(xué)、南京國昌、四川天一等公司，這些技術(shù)均應(yīng)用比較廣泛。無論采用哪種工藝技術(shù)，甲醇合成工序生產(chǎn)的甲醇產(chǎn)品都是粗甲醇(甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在85%～95%)，除了水還含有醚、酮、酯等雜質(zhì)，為了滿足甲醇的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，必須對粗甲醇進(jìn)行精制。甲醇精餾過程所需能耗占甲醇生產(chǎn)總能耗的10%～20%，降低甲醇精餾過程的能耗，對于提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益、實(shí)現(xiàn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 甲醇精餾技術(shù)

粗甲醇的精制一般采用精餾法?，F(xiàn)代甲醇精餾法主要依據(jù)甲醇生產(chǎn)規(guī)模、甲醇精餾消耗、甲醇產(chǎn)品的質(zhì)量以及精餾投資而綜合考慮選擇不同的甲醇精餾工藝流程，常見的有單塔流程、雙塔流程、三塔流程等。

單塔流程即用一個精餾塔來精餾甲醇，但是該方法得到的甲醇純度較低、回收率不高，一般用來生產(chǎn)燃料級甲醇或MTO級甲醇。

雙塔流程設(shè)置預(yù)精餾塔和產(chǎn)品塔兩個精餾塔。預(yù)精餾塔除去輕組分和氣體，產(chǎn)品塔產(chǎn)出甲醇產(chǎn)品。雙塔流程簡單，產(chǎn)出的甲醇能夠滿足工業(yè)使用。但收率低，能耗也相對較大，一般適用于小規(guī)模生產(chǎn)，常見于傳統(tǒng)的氨醇聯(lián)合生產(chǎn)流程。

三塔流程采用預(yù)分離塔、加壓塔和常壓塔三個精餾塔，在預(yù)分離塔中除去沸點(diǎn)低于甲醇沸點(diǎn)的雜質(zhì)，在加壓塔、常壓塔中除去沸點(diǎn)高于甲醇的雜質(zhì)，同時采出符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的精甲醇[1]。將塔頂較高溫度的甲醇蒸氣作為常壓塔再沸器的熱源，無需設(shè)置常壓塔再沸器，這樣就節(jié)約了蒸汽。加壓塔頂冷凝的甲醇作為產(chǎn)品輸出，塔底液作為常壓塔進(jìn)料。常壓塔頂產(chǎn)出甲醇產(chǎn)品，塔底產(chǎn)出廢水和重組分。三塔流程的設(shè)計實(shí)現(xiàn)了雙效精餾，可以有效地降低精餾過程中所需的能耗，是現(xiàn)代甲醇工業(yè)應(yīng)用最廣泛的精餾工藝。典型的甲醇精餾三塔流程見圖1。

圖1 典型的甲醇精餾三塔流程

2 模型建立

本文依據(jù)三塔雙效甲醇精餾流程，通過Aspen plus建立模型。以表1典型粗甲醇組分為輸入數(shù)據(jù)，通過Aspen plus程序的靈敏度分析工具、設(shè)計規(guī)定工具來設(shè)計、優(yōu)化各個精餾塔的操作參數(shù)。在確保產(chǎn)品質(zhì)量滿足GB 338—2011工業(yè)甲醇中優(yōu)等品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，同時，實(shí)現(xiàn)甲醇精餾的能量集成利用。

2.1 模型建立的基礎(chǔ)條件

(1)粗甲醇典型組成。粗甲醇典型組成見表1。

表1 粗甲醇典型組成

(2)粗甲醇原料參數(shù)。粗甲醇總摩爾流量：6 942.77 kmol/h；溫度：25 ℃；壓力：0.550 MPa。

(3)產(chǎn)品質(zhì)量要求。精甲醇質(zhì)量滿足GB 338—2011工業(yè)甲醇中優(yōu)等品；精甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)≥99.9%；甲醇的摩爾回收率≥99.5%。

2.2 單元操作模型及精餾系統(tǒng)建模

Aspen plus中提供精餾塔RadFrac模塊，該模塊屬于多組分多平衡級計算分離模型，每一塊塔板都到達(dá)氣液相平衡，該模型計算比較精確。此外，Aspen中還提供DSTWU模塊對普通精餾進(jìn)行簡捷計算，初步確定出最小/實(shí)際回流比、最小/實(shí)際理論板數(shù)、進(jìn)料位置等操作參數(shù)，可以為RadFrac模塊提供初值。

2.3 物性方法的選擇

Aspen plus中提供了多種物性方法計算混合物的各種物化性質(zhì)，粗甲醇組分中甲醇和水含量所占比例較高，甲醇分子和水分子之間具有較強(qiáng)的作用力，是典型的非理想極性物系，NRTL-RK或NRTL物性方法對該物系較為適合。

3 甲醇精餾模擬流程

本文在Aspen plus中建立三塔精餾模擬流程，分別用DSTWU模塊進(jìn)行初步模擬，得到初值，然后輸入到RadFrac模塊中，并適當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行精確模擬。其中，選用RadFrac模塊，建立甲醇精餾三塔精餾模擬流程見圖2。

4 模型計算與優(yōu)化

4.1 加壓塔T0102操作參數(shù)設(shè)定

先用DSTWU簡捷計算模型算出初值，輸入到RadFrac模型中。用Aspen plus所帶的設(shè)計工具規(guī)定加壓塔T0102的設(shè)計。其中，目標(biāo)變量Mole purity是指加壓塔塔頂流股甲醇的摩爾純度；ABS(QCON/QREB)指加壓塔塔頂冷凝器熱負(fù)荷/常壓塔塔釜再沸器熱負(fù)荷。加壓塔和常壓塔要實(shí)現(xiàn)雙效精餾，所以加壓塔QCON和常壓塔QREB的應(yīng)該相等。采集變量Reflux ratio和D:F分別是指加壓塔的摩爾回流比和塔頂餾出物的摩爾流量/進(jìn)料的摩爾流量(以下流量均為摩爾流量)。計算結(jié)果見表2。

表2 加壓塔T0102的設(shè)計規(guī)定和計算結(jié)果

經(jīng)過模型計算得到加壓塔塔頂冷凝器熱負(fù)荷QCON為-84 930.37 kW，常壓塔塔釜再沸器熱負(fù)荷QREB為84 934.05 kW，表明兩者熱負(fù)荷匹配。

加壓塔進(jìn)料位置也會對甲醇的純度和塔釜熱負(fù)荷有一定的影響。為了確定流股<0118>的進(jìn)料位置，分別選用加壓塔塔頂甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)和塔釜熱負(fù)荷為因變量，以流股<0118>進(jìn)料位置為自變量做靈敏度分析(見圖3、圖4)。

圖4 流股<0118>的進(jìn)料位置與熱負(fù)荷的關(guān)系

從圖3和圖4可以看出，隨著進(jìn)料塔板數(shù)進(jìn)料位置的增加(塔頂為第一塊板)，甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)逐漸增加，當(dāng)大于20塊板時趨近于不變。雖然當(dāng)進(jìn)料位置為第15塊(理論板數(shù)，以下皆為理論板)時耗能最低，但是產(chǎn)品純度并未達(dá)到要求。綜合考慮取進(jìn)料位置為第20塊。

加壓塔T0102操作參數(shù)的具體設(shè)置見表3。

表3 加壓塔T0102操作參數(shù)

4.2 常壓塔T0103操作參數(shù)設(shè)定

加壓塔塔釜液<0119>進(jìn)入常壓塔T0103中，在常壓塔中盡可能地把剩余的甲醇全部精餾出來，確保甲醇回收率達(dá)到較大值。D:F是影響塔頂甲醇流量最關(guān)鍵的操作參數(shù)，為了確定合適的塔頂餾出物摩爾流量/進(jìn)料摩爾流量(D:F)需做設(shè)計規(guī)定，具體指定方法與計算結(jié)果見表4。

表4 常壓塔T0103的設(shè)計規(guī)定和計算結(jié)果

從表4可以看出，甲醇流量的計算值并未達(dá)到所規(guī)定的目標(biāo)值，這是因?yàn)楫?dāng)甲醇的含量非常少時，甲醇和水很難分離，有痕量的甲醇會留在水中。將D:F調(diào)整成0.573可以確保精餾出的甲醇量達(dá)到最大值。由此確定常壓塔D:F值后，通過靈敏度分析工具進(jìn)一步確定最優(yōu)的塔板數(shù)和最優(yōu)的進(jìn)料位置。

以常壓塔塔板數(shù)為自變量，塔頂流股<0109>甲醇的摩爾流量為因變量做靈敏度分析(見圖5)。從圖5可以看出當(dāng)塔板數(shù)小于17塊時，隨著塔板數(shù)的增多，甲醇的流量逐漸增多，當(dāng)大于17塊時甲醇的流量基本保持不變。以此判斷常壓塔塔板數(shù)應(yīng)為17塊以上。為了確保塔頂甲醇濃度達(dá)到質(zhì)量要求、塔底廢水中甲醇含量達(dá)到較低值，工程設(shè)計中一般提高塔板數(shù)進(jìn)行保守設(shè)計。

圖5 常壓塔塔板數(shù)和塔頂甲醇流量的關(guān)系

為了確定合適的進(jìn)料位置，分別以塔頂甲醇的摩爾流量和塔釜再沸器熱負(fù)荷為因變量，以流股<0119>的進(jìn)料位置為自變量得做靈敏度分析圖(見圖6、圖7)。從圖6可以看出，當(dāng)進(jìn)料位置小于第13塊板時，隨著進(jìn)料位置的增加，塔頂甲醇的摩爾流量逐漸增加；當(dāng)大于13塊時，隨著進(jìn)料位置的增加，甲醇的摩爾流量不再增加。由圖7可以看出，當(dāng)進(jìn)料位置在第12塊塔板時再沸器的熱負(fù)荷最低，但是塔頂甲醇的含量較低，綜合考慮可以選擇第13塊板為進(jìn)料位置。

圖6 常壓塔進(jìn)料流股位置和塔頂甲醇流量的關(guān)系

圖7 常壓塔進(jìn)料流股位置和塔釜熱負(fù)荷的關(guān)系

常壓塔T0103操作參數(shù)的具體設(shè)置見表5。

表5 常壓塔T0103操作參數(shù)

4.3 預(yù)分離塔T0101操作參數(shù)設(shè)定

預(yù)分離塔主要作用是分離出粗甲醇中的醚、酯等輕組分，預(yù)分離塔操作參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果見表6。

表6 預(yù)分離塔T0101操作參數(shù)

5 關(guān)鍵流股的模擬結(jié)果

精甲醇流股<0107>、<0109>和廢水流股<0110>模擬結(jié)果見表7。

表7 精甲醇與廢水流股的模擬結(jié)果

從模擬結(jié)果可以看出加壓塔和常壓塔精甲醇中甲醇摩爾分?jǐn)?shù)都達(dá)到99.9%，全精餾系統(tǒng)計算甲醇回收率達(dá)99.5%以上。

6 結(jié)語

本文運(yùn)用Aspen plus 軟件模擬了甲醇精餾三塔工藝流程，通過設(shè)計規(guī)定和靈敏度分析工具確定了各個塔的最優(yōu)操作參數(shù)。經(jīng)過模型計算，三塔雙效精餾工藝生產(chǎn)的甲醇產(chǎn)品純度達(dá)到99.9%，甲醇回收率達(dá)99%以上。

三塔流程加壓塔和常壓塔實(shí)現(xiàn)兩塔之間的雙效精餾。雖然三塔精餾工藝較兩塔工藝多一個精餾塔，整體投資較兩塔工藝高20%，但是三塔流程相比雙塔流程節(jié)約蒸汽約40%，能耗顯著降低，有效地降低了操作成本，增加的固定投資可以在較短時間內(nèi)收回，有利于提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；同時，三塔工藝產(chǎn)出的甲醇中乙醇等雜質(zhì)的含量較低，所得甲醇產(chǎn)品純度也很高，且因?yàn)閮蓚€塔都可以產(chǎn)出精甲醇，可以用于大規(guī)模的生產(chǎn)，裝置規(guī)模越大優(yōu)勢越明顯。