甲醇精餾裝置擴(kuò)能改造方案對(duì)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(xué) 化工學(xué)院， 天津 300072)

中國(guó)石化長(zhǎng)城能源化工(寧夏)有限公司現(xiàn)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(shù)生產(chǎn)精甲醇，甲醇合成單元設(shè)計(jì)規(guī)模為50萬(wàn)t/a，甲醇產(chǎn)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(chǎn)品外售。由于上游空分裝置、煤氣化裝置、冷凍裝置設(shè)計(jì)余量較大，而且部分設(shè)備和公用工程尚有潛力可以挖掘，為了進(jìn)一步優(yōu)化企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高經(jīng)濟(jì)效益，擬對(duì)甲醇裝置實(shí)施擴(kuò)能改造，充分發(fā)揮裝置潛能提高甲醇產(chǎn)量。上游甲醇合成單元最大產(chǎn)能為72萬(wàn)t/a，精餾單元按此規(guī)模進(jìn)行擴(kuò)能改造。

1 改造方案

甲醇精餾裝置工藝設(shè)計(jì)為常規(guī)3+1塔流程，分別設(shè)置預(yù)精餾塔(簡(jiǎn)稱預(yù)塔)、加壓精餾塔(簡(jiǎn)稱加壓塔)、常壓精餾塔(簡(jiǎn)稱常壓塔)、汽提塔。經(jīng)初步核算，現(xiàn)有加壓塔、常壓塔塔設(shè)備能力已達(dá)到極限，僅通過塔內(nèi)件調(diào)整無(wú)法實(shí)現(xiàn)擴(kuò)能到72萬(wàn)t/a的目標(biāo)；因此，需要新增塔設(shè)備或者更換原有設(shè)備以提高裝置產(chǎn)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(chǎn)能通過第二常壓塔實(shí)現(xiàn)(簡(jiǎn)稱方案一)。方案一不打破原有系統(tǒng)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(xiàn)有最大生產(chǎn)能力進(jìn)行生產(chǎn)，之后多余的產(chǎn)能完全由汽提塔的改造來(lái)實(shí)現(xiàn)[1];該方案可以維持原有的系統(tǒng)控制方案，操作簡(jiǎn)單。另一個(gè)思路是在加壓塔前增加1個(gè)中壓塔[2]，將新增加的甲醇產(chǎn)能由中壓塔產(chǎn)出，形成5塔精餾流程[3](簡(jiǎn)稱方案二)。方案二將中壓塔和預(yù)塔實(shí)現(xiàn)熱集成，利用中壓塔頂蒸汽為預(yù)塔塔底再沸器供熱，實(shí)現(xiàn)兩塔之間雙效精餾操作，可以降低蒸汽單耗指標(biāo)，同時(shí)改造主體工程，可在裝置不停車的情況下實(shí)施。

2 工藝模擬計(jì)算

作為蒸餾塔設(shè)計(jì)依據(jù)，過程分析、工藝設(shè)計(jì)計(jì)算和流程模擬至關(guān)重要，流程模擬優(yōu)化技術(shù)是提高工廠經(jīng)濟(jì)效益、降低生產(chǎn)成本、消除裝置瓶頸的主要手段之一。因此，利用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際蒸餾裝置的操作，受到國(guó)內(nèi)外科研工作者的關(guān)注[4-6]。

采用天津大學(xué)化工學(xué)院引進(jìn)美國(guó)Simulation Science公司的Provision流程模擬軟件,基于Provision的流程優(yōu)化技術(shù)的甲醇精餾系統(tǒng)專用框架軟件包進(jìn)行模擬。該軟件包的熱力學(xué)模型由理論模型結(jié)合天津大學(xué)化工學(xué)院在類似項(xiàng)目中采集的實(shí)際數(shù)據(jù)以及天津大學(xué)化工學(xué)院中試基地的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正得到。模擬過程中將對(duì)精餾塔操作產(chǎn)生影響的外圍設(shè)備也納入其中，通過各塔進(jìn)料位置的變化找出使各塔回流比、塔頂冷凝器冷負(fù)荷及塔底再沸器熱負(fù)荷最小的進(jìn)料方案。在實(shí)際設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)將進(jìn)料口位置靠近最優(yōu)點(diǎn)可大大減小裝置能耗。

對(duì)流程中預(yù)塔、加壓塔、常壓塔和汽提塔進(jìn)行合并工藝及流體力學(xué)模擬核算,在抑制設(shè)備形式的約束下模擬流程。在工程實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)由于在不同處理量下精餾設(shè)備的阻力降不同，無(wú)論對(duì)于模擬計(jì)算還是對(duì)實(shí)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(jìn)料量進(jìn)行計(jì)算，考察精餾設(shè)備在極端情況下的分離能力是否仍符合設(shè)計(jì)要求，從而增加所提供的工藝包的安全性。

為了使模擬結(jié)果與實(shí)際操作數(shù)據(jù)盡量吻合，在工藝模擬時(shí)將選定填料和塔板的流體力學(xué)參數(shù)甚至各段所用分布器的阻力納入計(jì)算，使流程中的各塔，尤其是常壓塔的壓降得到準(zhǔn)確計(jì)算。工藝計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)交替進(jìn)行，先由模擬結(jié)果確定結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和調(diào)整，再將調(diào)整后的結(jié)構(gòu)參數(shù)重新輸入工藝計(jì)算，形成終版模擬結(jié)果。

2.1 工藝流程計(jì)算

2個(gè)方案的工藝模擬計(jì)算結(jié)果分別見表1和表2。

表1 方案一工藝模擬計(jì)算結(jié)果

表2 方案二工藝模擬計(jì)算結(jié)果

2.2 熱負(fù)荷計(jì)算

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

表3 各塔熱負(fù)荷 kJ/h

2.3 水力學(xué)計(jì)算

對(duì)擴(kuò)能后各個(gè)塔的水力學(xué)性能進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4、表5。從表4、表5可以看出:最大負(fù)荷下，原有的各臺(tái)塔設(shè)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(kuò)能改造的要求，不需要進(jìn)行內(nèi)件更換。

表4 方案一各塔水力學(xué)計(jì)算表

表5 方案二各塔水力學(xué)計(jì)算表

3 擴(kuò)能方案對(duì)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(shí)需要重新設(shè)計(jì)汽提塔冷熱兩端的換熱器，以及進(jìn)料泵、回流罐及相應(yīng)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(cè)線雜醇油冷卻器、汽提塔回流泵、汽提塔進(jìn)料泵、汽提塔測(cè)線泵、汽提塔塔底泵等。

方案二是在原有流程中增加1個(gè)中壓塔，需要同時(shí)設(shè)計(jì)其冷熱兩端的冷凝器、再沸器,以及對(duì)應(yīng)回流罐和泵送設(shè)備、儀表等,包括預(yù)塔第二再沸器、中壓塔進(jìn)料加熱器、粗甲醇預(yù)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(diǎn)是僅僅更換了汽提塔，不改變?cè)性O(shè)備的操作參數(shù)、操作流程，增加的產(chǎn)能一方面發(fā)揮原有設(shè)備的最大能力，不夠的產(chǎn)能通過汽提塔實(shí)現(xiàn)。方案二在原有流程中串聯(lián)1個(gè)中壓塔，同時(shí)中壓塔和預(yù)塔實(shí)現(xiàn)熱集成，利用中壓塔頂蒸汽為預(yù)塔塔底再沸器供熱，實(shí)現(xiàn)兩塔之間雙效精餾操作，增加的產(chǎn)能主要通過中壓塔實(shí)現(xiàn)，其他塔基本操作參數(shù)不變。

方案一和方案二的各塔產(chǎn)能分布見表6。

表6 各塔產(chǎn)能分布

3.2 能耗

2個(gè)方案的主要消耗見表7。從表7可以看出:2個(gè)方案在實(shí)現(xiàn)擴(kuò)能的同時(shí)均比改造前能耗降低，方案二由于實(shí)現(xiàn)了塔的熱集成，能耗更低。

表7 擴(kuò)能改造能耗對(duì)比表

3.3 設(shè)備費(fèi)用

2個(gè)方案主要設(shè)備費(fèi)用對(duì)比結(jié)果見表8。由表8可以看出:2個(gè)方案設(shè)備費(fèi)用接近，方案二由于增加了中壓塔，無(wú)論是塔內(nèi)件和塔設(shè)備費(fèi)用都稍微多一些。

表10 設(shè)備費(fèi)用對(duì)比 萬(wàn)元

4 結(jié)語(yǔ)

通過工藝核算，方案一和方案二均可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有甲醇精餾裝置的擴(kuò)能改造，在擴(kuò)能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)能耗的優(yōu)化，均可以用于現(xiàn)有甲醇精餾裝置的擴(kuò)能改造。

方案一的優(yōu)點(diǎn)是僅更換汽提塔，不改變?cè)泄に嚵鞒蹋秉c(diǎn)是需要停工進(jìn)行改造，改造周期較長(zhǎng)。方案二在原有流程中增加了1個(gè)中壓塔以實(shí)現(xiàn)甲醇的擴(kuò)能，同時(shí)將中壓塔和預(yù)塔實(shí)現(xiàn)熱集成，利用中壓塔頂蒸汽為預(yù)塔塔底再沸器供熱，實(shí)現(xiàn)兩塔之間雙效精餾操作，裝置運(yùn)行能耗進(jìn)一步降低。方案二可以實(shí)現(xiàn)邊生產(chǎn)邊改造，充分保證裝置的運(yùn)行生產(chǎn)，缺點(diǎn)是需要改變?cè)械牟僮髁鞒?，同時(shí)改造費(fèi)用較高。

最終選擇方案二進(jìn)行改造，改造實(shí)施后，甲醇精餾單元產(chǎn)能從50萬(wàn)t/a增加到72萬(wàn)t/a，噸甲醇實(shí)際運(yùn)行蒸汽消耗由1.15 t降至1.04 t，每年可節(jié)省蒸汽費(fèi)用1 227萬(wàn)元左右，經(jīng)濟(jì)效益顯著。