雙效和多效甲醇精餾工藝的對(duì)比

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

甲醇精餾是甲醇裝置中一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。粗甲醇通過(guò)精餾除去不凝氣、輕組分和烷烴等，生產(chǎn)出甲醇產(chǎn)品。甲醇精餾的能耗(特別是蒸汽消耗和循環(huán)水消耗)占整個(gè)甲醇裝置消耗的20%[1]。因此，甲醇精餾的節(jié)能一直是人們研究的熱點(diǎn)[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(gè)精餾塔，沒(méi)有熱集成，對(duì)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(chēng)為“3+1塔流程”，采用預(yù)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(shí)現(xiàn)了熱量的綜合利用，降低了能耗，在國(guó)內(nèi)、外各種規(guī)模的甲醇裝置中有著廣泛應(yīng)用；近年來(lái)，隨著甲醇精餾工藝的不斷研究和發(fā)展，五塔多效精餾工藝已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)用[5]，其采用了多效熱集成，對(duì)熱量的利用率更高，能耗更低。本文通過(guò)實(shí)例主要對(duì)四塔雙效精餾(以下簡(jiǎn)稱(chēng)四塔工藝)和五塔多效精餾(以下簡(jiǎn)稱(chēng)五塔工藝)的工藝、能耗和投資等方面進(jìn)行對(duì)比分析。

1 精餾工藝簡(jiǎn)介

1.1 四塔工藝

甲醇精餾系統(tǒng)由預(yù)塔、高壓塔、常壓塔和回收塔組成。預(yù)熱后的粗甲醇在預(yù)塔中除去不凝氣和輕組分，然后依次進(jìn)入高壓塔、常壓塔和回收塔進(jìn)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(chǎn)品?；厥账?cè)線(xiàn)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(jié)省了一個(gè)冷凝器和一個(gè)再沸器的能耗。工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 四塔工藝流程圖

1.2 五塔工藝

甲醇精餾系統(tǒng)由預(yù)塔、常壓塔、低壓塔、高壓塔和末塔組成。預(yù)熱后的粗甲醇在預(yù)塔中除去不凝氣和輕組分，然后依次進(jìn)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(chǎn)品。末塔側(cè)線(xiàn)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(yù)塔和末塔兩塔之間熱集成，末塔塔頂氣相為預(yù)塔釜提供所需熱量[5]。工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 五塔工藝流程圖

2 實(shí)例分析

以某煤制甲醇項(xiàng)目為例，項(xiàng)目規(guī)模為60萬(wàn)噸/年精甲醇，甲醇產(chǎn)品符合中國(guó)工業(yè)用甲醇標(biāo)準(zhǔn)(GB338-2011)優(yōu)等品，操作時(shí)間8000小時(shí)/年，做四塔工藝和五塔工藝的對(duì)比。由于地處水資源匱乏地區(qū)，兩種精餾工藝的預(yù)塔一級(jí)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(jiàn)表1。

表1 粗甲醇組成和流量

2.1 精餾塔操作參數(shù)對(duì)比

兩種工藝的塔操作參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 甲醇精餾塔操作參數(shù)對(duì)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?yàn)槲逅に嚫邏核盟敋庀嗉訜岬蛪核募状?，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(diǎn)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(dāng)降低，有利于降低塔的設(shè)備成本。

2.2 精餾塔尺寸對(duì)比

兩種工藝的塔操作參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 甲醇精餾塔尺寸對(duì)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?yàn)樗乃に嚨募状籍a(chǎn)品從高壓塔、常壓塔和回收塔三個(gè)塔采出，單塔采出量大。而五塔工藝的甲醇產(chǎn)品從常壓塔、低壓塔、高壓塔和末塔四個(gè)塔采出，單塔采出量小，這樣降低了塔的負(fù)荷，塔的單體尺寸變小。

從設(shè)備重量來(lái)看，五塔工藝是四塔工藝的1.21倍，設(shè)備成本偏高。

2.3 公用工程消耗對(duì)比

四塔工藝的高壓塔和常壓塔采用雙效熱集成操作，相對(duì)兩塔精餾大幅降低了蒸汽和循環(huán)水消耗。五塔工藝的預(yù)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(jìn)一步將消耗降低。兩種工藝的公用工程消耗對(duì)比見(jiàn)表4，公用工程價(jià)格見(jiàn)表5。

表4 公用工程消耗對(duì)比表

表5 公用工程價(jià)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(jié)能37%，循環(huán)水節(jié)能45%，空冷器用電節(jié)能40%，泵用電略高14.6%。五塔工藝的運(yùn)行成本是四塔工藝的0.64倍。蒸汽和循環(huán)水量的減少是因?yàn)椴捎昧硕嘈峒?，降低了能耗。由于塔?shù)量的增加使單塔操作能耗降低，預(yù)塔和常壓塔頂空冷器熱負(fù)荷降低，空冷器臺(tái)數(shù)從32臺(tái)減少到20臺(tái)，空冷器用電量減少。泵用電量增加是因?yàn)樗乃に嚨拇旨状剂飨蚴穷A(yù)塔-高壓塔-常壓塔，而五塔工藝改成了預(yù)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(dǎo)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(chǎn)品從高壓塔、常壓塔和回收塔頂采出，需要控制三個(gè)塔的甲醇濃度。而五塔多效精餾的甲醇產(chǎn)品從常壓塔、低壓塔、高壓塔和末塔頂采出，需要控制四個(gè)塔的甲醇濃度。因此五塔工藝流程更復(fù)雜，操作要求更高。

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

(3)對(duì)于水資源匱乏地區(qū)，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(jié)省了占地和投資，更具優(yōu)勢(shì)。

(4)五塔工藝對(duì)設(shè)備的布置、管線(xiàn)的尺寸和走向、開(kāi)車(chē)的順序等要求高，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該引起重視。

3 結(jié)語(yǔ)

相對(duì)于四塔工藝，五塔工藝采用了多效熱集成，對(duì)熱量的利用率更高，能耗更低，是一種新型的節(jié)能工藝，有很好的發(fā)展前景。五塔工藝有很大的改進(jìn)空間，如可以通過(guò)調(diào)節(jié)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(guò)調(diào)節(jié)每塔的甲醇采出量，以適應(yīng)不同粗甲醇進(jìn)料或者不同季節(jié)對(duì)精餾的影響。

目前五塔工藝在大型甲醇裝置中(100萬(wàn)噸/年及以上)運(yùn)行業(yè)績(jī)很少。大型甲醇裝置中多采用四塔工藝，便于運(yùn)行、調(diào)節(jié)和控制。但是隨著工藝的不斷進(jìn)步，五塔工藝作為一種新型的節(jié)能工藝，在未來(lái)會(huì)有更大的發(fā)展空間。