三塔甲醇精餾流程的模擬與優化

(哈密廣匯環?？萍加邢薰?，新疆 哈密 839303)

甲醇是一種重要的基礎化工原料，也是性能優良的能源，可以用于生產二甲醚、甲醛、氯甲烷、甲胺和硫酸二甲酯等多種有機產品，也可生產甲醇燃料電池、汽油辛烷值助推劑等。目前，國內外生產甲醇的技術或專利商很多，國外甲醇技術主要有莊信萬豐(Davy公司)、德國Lurgi、丹麥Topsφe和瑞士casele公司技術等，國內甲醇技術主要有華東理工大學、南京國昌、四川天一等公司，這些技術均應用比較廣泛。無論采用哪種工藝技術，甲醇合成工序生產的甲醇產品都是粗甲醇(甲醇質量分數一般在85%～95%)，除了水還含有醚、酮、酯等雜質，為了滿足甲醇的產品質量標準要求，必須對粗甲醇進行精制。甲醇精餾過程所需能耗占甲醇生產總能耗的10%～20%，降低甲醇精餾過程的能耗，對于提高企業的經濟效益、實現企業的可持續發展具有重要的意義。

1 甲醇精餾技術

粗甲醇的精制一般采用精餾法?，F代甲醇精餾法主要依據甲醇生產規模、甲醇精餾消耗、甲醇產品的質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，一般用來生產燃料級甲醇或MTO級甲醇。

雙塔流程設置預精餾塔和產品塔兩個精餾塔。預精餾塔除去輕組分和氣體，產品塔產出甲醇產品。雙塔流程簡單，產出的甲醇能夠滿足工業使用。但收率低，能耗也相對較大，一般適用于小規模生產，常見于傳統的氨醇聯合生產流程。

三塔流程采用預分離塔、加壓塔和常壓塔三個精餾塔，在預分離塔中除去沸點低于甲醇沸點的雜質，在加壓塔、常壓塔中除去沸點高于甲醇的雜質，同時采出符合質量標準的精甲醇[1]。將塔頂較高溫度的甲醇蒸氣作為常壓塔再沸器的熱源，無需設置常壓塔再沸器，這樣就節約了蒸汽。加壓塔頂冷凝的甲醇作為產品輸出，塔底液作為常壓塔進料。常壓塔頂產出甲醇產品，塔底產出廢水和重組分。三塔流程的設計實現了雙效精餾，可以有效地降低精餾過程中所需的能耗，是現代甲醇工業應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據，通過Aspen plus程序的靈敏度分析工具、設計規定工具來設計、優化各個精餾塔的操作參數。在確保產品質量滿足GB 338—2011工業甲醇中優等品質量標準，同時，實現甲醇精餾的能量集成利用。

2.1 模型建立的基礎條件

(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。粗甲醇總摩爾流量：6 942.77 kmol/h；溫度：25 ℃；壓力：0.550 MPa。

(3)產品質量要求。精甲醇質量滿足GB 338—2011工業甲醇中優等品；精甲醇的摩爾分數≥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模塊對普通精餾進行簡捷計算，初步確定出最小/實際回流比、最小/實際理論板數、進料位置等操作參數，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，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模塊進行初步模擬，得到初值，然后輸入到RadFrac模塊中，并適當調節參數進行精確模擬。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 模型計算與優化

4.1 加壓塔T0102操作參數設定

先用DSTWU簡捷計算模型算出初值，輸入到RadFrac模型中。用Aspen plus所帶的設計工具規定加壓塔T0102的設計。其中，目標變量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荷/常壓塔塔釜再沸器熱負荷。加壓塔和常壓塔要實現雙效精餾，所以加壓塔QCON和常壓塔QREB的應該相等。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/進料的摩爾流量(以下流量均為摩爾流量)。計算結果見表2。

表2 加壓塔T0102的設計規定和計算結果

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

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

圖4 流股<0118>的進料位置與熱負荷的關系

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

加壓塔T0102操作參數的具體設置見表3。

表3 加壓塔T0102操作參數

4.2 常壓塔T0103操作參數設定

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

表4 常壓塔T0103的設計規定和計算結果

從表4可以看出，甲醇流量的計算值并未達到所規定的目標值，這是因為當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調整成0.573可以確保精餾出的甲醇量達到最大值。由此確定常壓塔D:F值后，通過靈敏度分析工具進一步確定最優的塔板數和最優的進料位置。

以常壓塔塔板數為自變量，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可以看出當塔板數小于17塊時，隨著塔板數的增多，甲醇的流量逐漸增多，當大于17塊時甲醇的流量基本保持不變。以此判斷常壓塔塔板數應為17塊以上。為了確保塔頂甲醇濃度達到質量要求、塔底廢水中甲醇含量達到較低值，工程設計中一般提高塔板數進行保守設計。

圖5 常壓塔塔板數和塔頂甲醇流量的關系

為了確定合適的進料位置，分別以塔頂甲醇的摩爾流量和塔釜再沸器熱負荷為因變量，以流股<0119>的進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，當進料位置小于第13塊板時，隨著進料位置的增加，塔頂甲醇的摩爾流量逐漸增加；當大于13塊時，隨著進料位置的增加，甲醇的摩爾流量不再增加。由圖7可以看出，當進料位置在第12塊塔板時再沸器的熱負荷最低，但是塔頂甲醇的含量較低，綜合考慮可以選擇第13塊板為進料位置。

圖6 常壓塔進料流股位置和塔頂甲醇流量的關系

圖7 常壓塔進料流股位置和塔釜熱負荷的關系

常壓塔T0103操作參數的具體設置見表5。

表5 常壓塔T0103操作參數

4.3 預分離塔T0101操作參數設定

預分離塔主要作用是分離出粗甲醇中的醚、酯等輕組分，預分離塔操作參數的優化結果見表6。

表6 預分離塔T0101操作參數

5 關鍵流股的模擬結果

精甲醇流股<0107>、<0109>和廢水流股<0110>模擬結果見表7。

表7 精甲醇與廢水流股的模擬結果

從模擬結果可以看出加壓塔和常壓塔精甲醇中甲醇摩爾分數都達到99.9%，全精餾系統計算甲醇回收率達99.5%以上。

6 結語

本文運用Aspen plus 軟件模擬了甲醇精餾三塔工藝流程，通過設計規定和靈敏度分析工具確定了各個塔的最優操作參數。經過模型計算，三塔雙效精餾工藝生產的甲醇產品純度達到99.9%，甲醇回收率達99%以上。

三塔流程加壓塔和常壓塔實現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收回，有利于提高企業的經濟效益；同時，三塔工藝產出的甲醇中乙醇等雜質的含量較低，所得甲醇產品純度也很高，且因為兩個塔都可以產出精甲醇，可以用于大規模的生產，裝置規模越大優勢越明顯。