甲醇單效精餾與雙效精餾的能耗比較研究

谷志杰

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西西安 710015）

在化工生產(chǎn)中最主要的內(nèi)容就是精餾，精餾在生產(chǎn)的時候會消耗很多的能量。多效精餾就是把一個精餾分解成多個串聯(lián)精餾的過程，以更好地利用能量資源，多效精餾現(xiàn)在也已經(jīng)成為最先進(jìn)的精餾設(shè)計(jì)理念。

1 甲醇

1.1 甲醇介紹

甲醇是一種無色、透明有乙醇?xì)馕兜囊讚]發(fā)液體，甲醇能和水互溶，非常容易燃燒，其蒸汽能和空氣形成一種爆炸性的混合物。

1.2 甲醇用途

（1）甲醇可以制作成甲醛，現(xiàn)在我國大部分生產(chǎn)出來的甲醛需要的原料都是甲醇。甲醇經(jīng)過催化氧化會變成甲醛，過氧的甲醇會和空氣反應(yīng)產(chǎn)生甲醛氣體，之后溶于水形成甲醛溶液。

（2）甲醇和一些催化劑反應(yīng)會生成甲基叔丁基醚，以甲醇和異丁烯為主，利用催化劑進(jìn)行制取。

（3）甲醇氨解制甲胺，現(xiàn)在有很多高壓合成分離的方法。甲胺主要用在農(nóng)藥上，現(xiàn)在這種有機(jī)磷農(nóng)藥正在開始代替一些毒性比較高的農(nóng)藥進(jìn)行使用。

（4）甲醇還能夠合成一些其他甲酯，這些甲酯能夠作為溶劑或者是助劑來幫助生產(chǎn)。

（5）甲醇還能夠制成一些烯烴，現(xiàn)在越來越多的人為此進(jìn)行研究，甲醛制成烯烴的過程就是把放熱過后的甲醇通過轉(zhuǎn)化反應(yīng)和吸熱之后的反應(yīng)結(jié)合在一起，這樣可以平衡熱效應(yīng)，進(jìn)而可以相應(yīng)的控制熱量，節(jié)約更多的能量，并且還能夠和烯烴等物質(zhì)結(jié)合在一起。

（6）甲醇還能生成碳酸二甲酯，碳酸二甲酯是一種無毒性、綠色的化工原料，是一種比較有機(jī)的中間體，除此之外還可以生產(chǎn)聚碳酸酯，在很多行業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用。

（7）甲醇還能直接用作甲醇染料電池，這種電池在使用的過程中運(yùn)行的溫度比較低，可以直接的作為一種電解質(zhì)燃料電池使用。

（8）甲醇還能用作氫能，氫能是現(xiàn)實(shí)生活中比較理想的一種清潔能源，在未來也會成為比較好的高節(jié)能染料，轉(zhuǎn)化完成之后能夠有效地解決目前存在的困難，現(xiàn)在人們已經(jīng)重點(diǎn)開始研究這方面的使用。

（9）甲醇還能夠促進(jìn)單細(xì)胞水藻的新陳代謝，用不同濃度的甲醇溶液噴在農(nóng)作物上，能夠大量的增產(chǎn)，同時農(nóng)作物在這種情況下還能長得非常的茂盛，使用完成之后就可以減少灌溉的情況。

現(xiàn)在甲醇市場發(fā)展得越來越好，已經(jīng)成為第四個重要的有機(jī)化工原料，現(xiàn)在也已經(jīng)成為天然氣的主要原料。甲醇發(fā)展最好的時期就是20世紀(jì)90年代，成為了汽油的主要成分，但是在21世紀(jì)之后美國發(fā)現(xiàn)了大量的污染水，開始禁止在汽油中添加甲醇，這樣就影響了甲醇的發(fā)展。

2 雙效精餾流程的能源利用

雙效精餾的主要原理就是通過重復(fù)利用能量的方式來提高精餾的熱力效應(yīng)。精餾系統(tǒng)由很多的塔組成，高壓力的塔頂能夠成為低壓力塔頂再沸器的熱源。低壓力塔的再沸器能夠成為高壓力塔的冷凝器。通過這樣回收利用的方式能夠在很大程度上節(jié)約精餾裝置的能耗。雙效精餾根據(jù)加熱蒸汽和物流的流向能夠分成3種不同的工藝流程。

2.1 雙效順流的精餾流程

順流操作就是讓物料進(jìn)入到高壓塔里面分離之后把高壓塔的物料作為低壓塔的原料再次進(jìn)行精餾，工作蒸汽在工作的時候只承擔(dān)輸入高壓塔再沸器的作用，高壓塔產(chǎn)生的塔頂蒸汽成為低壓塔再沸器的熱源，最后再進(jìn)行冷卻、回流處理。

2.2 雙效平流的精餾流程

雙效平流就是精餾操作流程和順流精餾操作流程有不同的物料走向，平流主要是通過進(jìn)料得到甲醇和水，工作蒸汽的走向大致和順流相同，只負(fù)責(zé)輸入高壓塔的再沸器里面。對于雙效順流和雙效平流的精餾流程，因?yàn)榈紫屡懦鰜淼亩际撬詼囟纫矔幸欢ǖ纳?，這個時候高壓塔就是在壓力比較大的情況下進(jìn)行工作，高壓塔再沸器工作的時候蒸汽壓力要求也就比較高，這個時候物料里面如果存在一些微量雜物，溫度高的操作就會出現(xiàn)雜質(zhì)的分解和變質(zhì)。

2.3 雙效逆流精餾操作

雙效逆流精餾操作就是物料從低壓塔中進(jìn)料，之后作為高壓塔的進(jìn)料，加熱蒸汽從高壓塔再沸器進(jìn)入，之后再成為低壓塔再沸器的熱源。因?yàn)榈蛪核锩娴募状急容^高，所以這個時候低壓塔再沸器加熱之后的高壓塔的溫度也會出現(xiàn)下降。

3 建立甲醇精餾工藝模型內(nèi)容

在甲醇精餾的時候會提前設(shè)計(jì)好一個預(yù)精餾塔，預(yù)精餾塔能夠在工作的時候去除相應(yīng)的雜質(zhì)。為了保證整個過程數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在建立甲醇精餾工藝模型的時候需要把預(yù)精餾塔省略掉。在整個過程研究的時候還需要忽略少量的雜質(zhì)，整個過程主要以甲醇-水體系作為研究對象。在相同狀態(tài)下，建立甲醇單效精餾和雙效精餾的模型，表1為某公司的工況數(shù)據(jù)。

表1 工況數(shù)據(jù)表

3.1 建立雙效精餾過程模型

圖1是某公司甲醇裝置精餾系統(tǒng)的雙效精餾過程模型工藝流程圖。

圖1 雙效精餾過程模型圖

整個工藝流程步驟為：粗甲醇經(jīng)過預(yù)精餾塔之后會減輕一部分的雜質(zhì)，進(jìn)入加壓塔之后再一次分離，這個時候能分解出99.9%的精甲醇蒸汽，最后通過常壓塔再沸器對物料進(jìn)行冷凝，這個時候一部分會進(jìn)入到產(chǎn)品罐中，剩下的一部分會進(jìn)入到加壓塔頂部回流。加壓塔頂部回流里面的物料在常壓塔之后會繼續(xù)分離、冷凝，最終得到產(chǎn)品精甲醇，底部物料通過再沸器和加壓塔頂部氣相物料換熱，最后常壓塔里面的底部熱源，去生化系統(tǒng)進(jìn)行處理。整個精餾系統(tǒng)中唯一的熱量消耗量就是加壓塔再沸器的蒸汽使用量，常壓塔頂部冷凝器的冷卻水使用的量就是冷量消耗量。加壓塔和常壓塔的相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表2 加壓塔和常壓塔數(shù)據(jù)表

根據(jù)圖上的數(shù)據(jù)內(nèi)容分析能夠得出以下的結(jié)論：加壓塔頂部的物料冷凝之后能夠完全滿足常壓塔底部需要的熱量。

3.2 建立單效精餾過程的模型

在進(jìn)行對比的時候某公司又用相同的條件建立了單效精餾系統(tǒng)工藝模型。圖2是建立完成的工藝流程示意圖。

工藝流程：首先粗甲醇通過預(yù)精餾塔的幫助先除去一部分的雜質(zhì)，之后進(jìn)入甲醇精餾塔分離，分離出來的精甲醇通過塔頂收集到產(chǎn)品罐中，剩下的從塔底流出，流出之后通過生化系統(tǒng)進(jìn)行處理。在精餾系統(tǒng)中熱量的消耗量主要就是精餾塔再沸器的輸入量，冷量的消耗量就是塔頂?shù)睦淠骼鋮s水的使用量，單效精餾系統(tǒng)模擬計(jì)算出來的數(shù)據(jù)見表3。

表3 單效精餾系統(tǒng)模擬數(shù)據(jù)表

從表4看出，單效精餾系統(tǒng)需要的熱量比塔頂冷凝需要的冷量高。

4 單效精餾和雙效精餾的能耗比較

4.1 單效精餾和雙效精餾在熱公用工程方面的對比與分析

研究發(fā)現(xiàn)，某公司的熱力系統(tǒng)提供的低壓飽和蒸汽表壓為0.5MPa，單效精餾蒸汽量為21.5t/h，雙效精餾蒸汽量為9.8t/h，對比之后發(fā)現(xiàn)單效精餾的蒸汽量要大于雙效精餾蒸汽量一倍，這說明雙效精餾系統(tǒng)在工作的時候能夠降低加壓塔里面的采出負(fù)荷，這樣需要的熱量就可以降低一半，在生產(chǎn)的時候通過增加壓力提高加壓塔頂部的熱量，這樣再次傳遞出來的熱量就可以進(jìn)行二次利用。

4.2 單效精餾和雙效精餾在冷公共工程方面的對比與分析

某公司在進(jìn)行生產(chǎn)的時候冷卻水上溫度能夠達(dá)到32℃，回水溫度能夠達(dá)到42℃，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)單效系統(tǒng)里面的冷卻水量能夠達(dá)到1 066t/h，雙效精餾系統(tǒng)里面的冷卻水量能夠達(dá)到457t/h。上述數(shù)據(jù)能夠證明單效精餾的冷卻量要比雙效精餾的冷卻量大一倍，這是因?yàn)榫s塔頂部氣相介質(zhì)里面的熱量大部分都是來源于底部再沸器供給的熱量，所以雙效精餾系統(tǒng)里面雖然有兩個精餾塔，但還是能夠算作是一個系統(tǒng)，系統(tǒng)的熱輸入量減少，輸出量也在不斷地減少，這樣就能夠起到節(jié)約冷卻水的目的。

5 實(shí)際工況下雙效精餾系統(tǒng)分析

在分析某公司實(shí)際工況下雙效精餾工藝計(jì)算溫度和實(shí)際溫度分析對比時候發(fā)現(xiàn)，實(shí)際的工藝計(jì)算溫度和理論的數(shù)據(jù)值非常接近，實(shí)際生產(chǎn)溫度和理論生產(chǎn)溫度對比數(shù)據(jù)見表4。

表4 溫度數(shù)據(jù)表

通過表4的數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)，實(shí)際數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)雖然相似，但還是有一定的差距存在，加壓塔頂部理論數(shù)據(jù)比實(shí)際的數(shù)據(jù)高，塔底理論數(shù)據(jù)要比實(shí)際的數(shù)據(jù)低；常壓塔中塔頂溫度理論數(shù)據(jù)要比實(shí)際的數(shù)據(jù)高，塔底理論數(shù)據(jù)要比實(shí)際的數(shù)據(jù)低。出現(xiàn)這些問題的原因就是有部分的熱量從塔底傳到了常壓塔底部，出現(xiàn)回流量抑制溫度，最終導(dǎo)致常壓塔頂部出現(xiàn)了一定的微負(fù)壓環(huán)境，最終常壓塔頂部實(shí)際溫度低于理論的數(shù)據(jù)。

6 結(jié)束語

綜上所述，發(fā)現(xiàn)雙效精餾系統(tǒng)的節(jié)能效果要比單效精餾系統(tǒng)的節(jié)能效果好。效數(shù)越多，公用工程的消耗量就變得越低，但不能盲目地增加精餾的效數(shù)，應(yīng)該先進(jìn)行系統(tǒng)的分析，在找到最大利潤點(diǎn)的時候合理設(shè)計(jì)精餾的效數(shù)，這樣才能更好地完成生產(chǎn)工作。