一種新型多效四塔精餾甲醇工藝流程研究

崔秋娟

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院化學工程學院，陜西 西安 710302)

甲醇作為重要的有機化工原料，在各方面有著廣泛用途，除可作為許多有機物的良好溶劑外，主要用于合成纖維、甲醛、甲基叔丁基醚(MTBE)、醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、合成蛋白質(zhì)等工業(yè)生產(chǎn)，并且與其他物質(zhì)一起摻入汽油或替代汽油作為新型燃料以及用來合成甲醇蛋白[1-2]。甲醇精餾是甲醇生產(chǎn)裝置的最后一道工序，其能耗約占甲醇生產(chǎn)總能耗的20%左右[3]，甲醇精餾技術的好壞直接影響精甲醇的質(zhì)量，因此選擇適合企業(yè)生產(chǎn)需要的精餾技術，是降低成本、節(jié)能降耗、提高企業(yè)經(jīng)濟效益和市場競爭力的重要舉措。

本文通過采用PRO/Ⅱ化工流程模擬計算軟件，對一種新型甲醇多效四塔精餾工藝流程進行模擬計算和分析[4-5]。結(jié)果表明：該工藝合理、可靠、具有較好的經(jīng)濟價值。

1 甲醇精制工藝

目前國際和國內(nèi)所使用的甲醇精餾技術主要有雙塔精餾工藝，三塔雙效精餾工藝[6-7]。

1.1 雙塔精餾工藝

雙塔精餾工藝是較早被采用制取較純甲醇的工藝流程，此工藝流程本身具有相當?shù)牡湫托浴！半p塔”顧名思義是含有兩個精餾塔，其中一個精餾塔是用來對粗甲醇進行預處理，此塔命名為預處理塔；另外一個精餾塔是對預處理塔產(chǎn)物進行處理，以得到較純的甲醇產(chǎn)物，此塔被命名為主處理塔。

預處理塔主要是除去粗液中的氣體、輕質(zhì)有機物、酸脂類物質(zhì)和二甲醚等物質(zhì)。將處理過后的粗液從塔底抽出，用泵加壓后送入主處理塔，經(jīng)過主處理塔的精餾操作，使得預處理液中的廢水從主處理塔底部排出，預處理液中的重質(zhì)有機物，從主處理塔的中部側(cè)線采出，主處理塔塔頂產(chǎn)出合格的甲醇產(chǎn)品。 該工藝投資不高，收益周期相對較短，操作不復雜。但是能耗過高，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。

1.2 三塔雙效精餾工藝

三塔雙效精餾工藝流程是由一個預處理塔和兩個主塔組成，兩個主塔分別為加壓塔Ⅰ和常壓塔Ⅱ。預處理塔主要作用是去除粗液中含量較高的二甲醚和其他一些雜質(zhì)氣體。該流程首先將堿液混合于粗甲醇中，加熱升溫到60 ℃左右，用泵加壓進入預處理塔，預處理塔塔底溫度保持80 ℃左右，塔頂溫度控制在70 ℃，利用塔頂冷凝裝置回收醚類并排出氣體[8]。

脫醚后的液體從預處理塔塔底抽出，經(jīng)泵加壓后進入塔Ⅰ精餾。塔Ⅰ頂蒸氣溫度約為122 ℃，采用熱集成技術，用塔Ⅰ頂蒸氣與塔Ⅱ底部分液體進行熱交換。換熱后的塔Ⅰ頂被冷凝液體，一部分作為產(chǎn)品流入產(chǎn)品緩沖罐，一部分作為回流返送到塔Ⅰ中。塔Ⅰ底部液體中還含有大量甲醇，該液體通過自壓送入塔Ⅱ。塔Ⅱ為常壓塔，塔頂溫度約為66 ℃，塔底溫度約為108 ℃。塔Ⅱ頂冷凝后得到的液體，一部分作為產(chǎn)品流入產(chǎn)品緩沖罐，一部分作為回流返送到塔Ⅱ中。塔Ⅱ底排出的廢液經(jīng)泵加壓后送往污水處理廠。

與雙塔工藝相比，三塔工藝優(yōu)勢在于顯著降低了能量消耗，提高能量的利用率，且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。其局限性在于前期設備投入較多，比雙塔工藝操作更復雜一些?？傮w來說，三塔工藝明顯優(yōu)于雙塔工藝。

2 一種新型四塔多效工藝流程

甲醇四塔多效工藝流程見圖1(略去泵等次要設備)，該流程包含預精餾塔(T-101)、加壓塔(T-102)、中壓塔(T-103)和常壓塔(T-104)。

本文設計預精餾塔(T-101)進料85000 kg/h，其中粗甲醇為75000 kg/h，除鹽水為10000 kg/h。預精餾塔(T-101)塔頂蒸氣采取多次冷凝，冷卻至溫度40 ℃。使得粗甲醇中溶解的氣體(如CO、CO2、N2等)及低沸點組分(如甲烷，丙烷，二甲醚，丁烷，戊烷等)被完全去除。冷凝后的液體與補充除鹽水作為回流返送到預精餾塔(T-101)中。預精餾塔(T-101)塔底溫度為84.63 ℃，從底部抽出經(jīng)過處理后的液體送入加壓塔 (T-102)中下部。

來自預精餾塔(T-101)塔底液體進入加壓塔(T-102)進行精餾后，塔頂蒸氣溫度為132.65 ℃，采用熱集成技術，用加壓塔(T-102)塔頂蒸氣與中壓塔(T-103)塔底部分液體(摩爾比為1)進行換熱。換熱后的加壓塔(T-102)塔頂被冷凝液體，一部分作為產(chǎn)品流入產(chǎn)品緩沖罐，一部分作為回流返送到加壓塔(T-102)中。加壓塔(T-102)塔底液體中含有少量的醇類雜質(zhì)和約三成的水。該液體通過自壓送入中壓塔(T-103)。

來自加壓塔(T-102)底部液體通過自壓進入中壓塔(T-103)進行精餾后，塔頂蒸氣溫度為114.7 ℃，采用熱集成技術，用中壓塔(T-103)塔頂蒸氣與常壓塔(T-104)塔底部分液體(摩爾比為1)進行換熱。換熱后的中壓塔(T-103)塔頂被冷凝液體，一部分作為產(chǎn)品流入產(chǎn)品緩沖罐，一部分作為回流返送到中壓塔(T-103)中。由于中壓塔(T-103)壓力在0.55～0.56 MPa之間，遠大于常壓塔壓力，因此塔底液體通過自壓送入常壓塔(T-104)中下部。

常壓塔(T-104)頂部溫度為74.8 ℃，底部溫度115.2 ℃，整體運行壓力約為常壓。常壓塔(T-104)塔頂冷凝后得到的液體，一部分作為產(chǎn)品流入產(chǎn)品緩沖罐，一部分作為回流返送到常壓塔(T-104)中。在常壓塔(T-104)中下部采出側(cè)線，抽取富集在塔內(nèi)的油類物質(zhì)。常壓塔(T-104)底部排出僅含少量醇類的廢液送往污水處理廠進行處理。

與之前流程相比，四塔流程增加一個常壓塔，使廢液中的油類物質(zhì)得到有效回收，廢液的醇含量得到有效降低，廢液處理難度大幅減小，并使粗液中的甲醇經(jīng)過處理后大部分都變成了產(chǎn)品，收率相當高。同時，該四塔多效工藝流程可按實際情況對工藝進行調(diào)整操作，收放自如，較之前靈活程度大幅增加。整體來說，四塔流程優(yōu)于三塔流程。

圖1 甲醇四塔多效工藝流程圖

3 原料基礎數(shù)據(jù)

本文依據(jù)四塔多效工藝流程，模擬計算選取國內(nèi)某煉廠甲醇裝置進料，其甲醇原料組成及物性見表1所示。

表1 甲醇原料組成及物性

通過運用PRO/Ⅱ化工流程模擬計算軟件，對整個甲醇四塔多效工藝進行模擬優(yōu)化，其工藝的全流程模擬界面圖如圖2所示。

圖2 甲醇四塔多效全流程模擬圖

4 模擬結(jié)果

本文設計每年可生產(chǎn)甲醇60萬噸，每年連續(xù)運轉(zhuǎn)能力8000 h。設計中三座主塔(加壓塔、中壓塔、常壓塔)均可生產(chǎn)合格產(chǎn)品。通過PRO/Ⅱ化工模擬計算軟件，可算出這三股產(chǎn)品的物料組成，進而計算出各塔生產(chǎn)甲醇產(chǎn)品的純度。

在本設計中，每股物料的流量都可通過PRO/Ⅱ化工流程模擬計算軟件得到。如表2所示，回收塔甲醇產(chǎn)品流量與加壓塔和中壓塔相比較低。三座主塔(加壓塔、中壓塔、常壓塔)各股產(chǎn)品物流中甲醇的質(zhì)量分數(shù)也可通過計算軟件得到：

加壓塔(T-102)產(chǎn)品：99.9886%;

中壓塔(T-103)產(chǎn)品：99.9996%;

常壓塔(T-104)產(chǎn)品：99.9999%。

三股產(chǎn)品都在甲醇緩沖罐中混合，得到最終的產(chǎn)品，其純度為：99.9959%，其中乙醇的含量小于10 mg/kg，達到了美國AA級水平。

表2 物料平衡

5 四塔多效工藝流程特點

(1)本設計流程采用四塔多效流程，該流程模擬采用PRO/Ⅱ化工流程模擬計算軟件，計算出合理的各塔數(shù)據(jù)和各股物流數(shù)據(jù)參數(shù)。從數(shù)據(jù)來看，使用四塔多效工藝不僅行得通，且節(jié)約大量熱量，提高能源利用率。

(2)本設計在加壓塔(T-102)、中壓塔(T-103)、常壓塔(T-104)均有合格的甲醇產(chǎn)品產(chǎn)出，甲醇回收率得到很大提升。

(3)本設計采用熱集成方法，有效利用冷熱流，使用兩次雙效精餾，節(jié)約能源的同時降低生產(chǎn)成本。

(4)與之前的流程相比，四塔流程多一個塔設備，使得廢液中的油類物質(zhì)得到有效回收，廢液中的醇含量明顯降低，廢液的處理難度大大減小。并使得粗液中的甲醇經(jīng)過處理后大部分都變成了產(chǎn)品，收率顯著提升。

6 結(jié) 論

甲醇四塔多效工藝流程采用PRO/II化工模擬軟件對其模擬分析是可行的。通過模擬分析，可有效的對各種流程、工況、操作參數(shù)進行比較，選取最優(yōu)值。甲醇四塔多效工藝方案合理、可靠、具有較強的實用價值，其產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良、流程操作穩(wěn)定。該工藝采用兩個雙效精餾，能源消耗顯著減小。在加壓塔(T-102)塔頂與中壓塔(T-103)塔底之間建立第一個雙效精餾，用加壓塔(T-102)塔頂蒸氣熱量去加熱中壓塔(T-103)塔底液體，既解決加壓塔(T-102)頂部冷凝所需的冷料，又解決中壓塔(T-103)塔底所需的熱源，使得冷、熱兩方面的能源消耗得以節(jié)約。同理，在中壓塔(T-103)塔頂和常壓塔(T-104)塔底之間建立一個相同的雙效精餾。

在當前能源短缺，要求碳達峰、碳中和的大環(huán)境下，節(jié)約能源不僅能直接提高經(jīng)濟效益，還可以減少對環(huán)境的污染，具有良好的社會意義。