甲醇精餾工藝及塔器優化設計研究

潘建東

（北京石化工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710015）

甲醇在化工領域一直都是一種十分重要的生產原料，在多種化工產品的生產中都能用到。針對這種需求，國內外都對甲醇的制備和精餾進行了相關研究，并對其精餾工藝不斷進行優化完善，以提升甲醇制備的效率與回收率。筆者結合甲醇現有精餾工藝及其工藝與塔器的優化展開分析，希望能夠對未來甲醇精餾工藝的進一步發展提供建議。

1 我國甲醇精餾工藝概述

在甲醇精餾工藝方面，我國一直所采用的都是魯奇節能工藝改進之后的技術，其主要是在預精餾塔的塔頂進一步增設了兩級冷凝，然后將粗甲醇進料的20%新鮮水作為萃取水，同時對常壓精餾塔側線抽出的雜醇油再經過汽提回收到甲醇［1］。這一工藝可以說已經較為完備和成熟，但卻并非沒有優化空間。相反，這種甲醇精餾工藝仍然具有進一步完善的空間，如當前甲醇精餾工藝中所使用的塔內件類型眾多，這就可以通過選型的研究來進行優化，同時在甲醇精餾裝置的原料組成方面也存在優化空間。因此，探討甲醇精餾工藝的優化仍是當前化工領域的一個重要課題。

2 甲醇精餾工藝概述

在針對甲醇精餾的研究上，國內外都做出了許多努力，并由此誕生了雙塔精餾工藝、三塔精餾工藝以及四塔精餾工藝等。

2.1 雙塔精餾工藝分析

該工藝是最早的甲醇裝置中所采用的一種精餾工藝，也是過去化工領域使用最為廣泛的一種工藝，在甲醇精餾生產的早期階段是相對比較成熟的。雙塔精餾工藝所使用的精餾裝置主要是預精餾塔以及精餾塔。其中預精餾塔主要用于對粗甲醇進行預處理。具體操作將程序為將粗甲醇進行加壓，然后再進行預熱，之后在預精餾塔塔中進行水分去除。這一工藝在我國投入使用后又進行了進一步的改進，即在精餾塔的塔頂采用了兩級冷凝技術，從而使甲醇水與一些含有雜質的液相可以回流到返回塔，而另外的初餾部分以及少量甲醇水則在塔頂溢出。同時塔底含有水分的甲醇進一步被送到主精餾塔中繼續進行精餾，其中含微量甲醇和其他重組分的廢水被送入水處理系統中，而塔頂溢出的甲醇則成為精甲醇［2］。這種改進在一定程度上提升了甲醇精餾的穩定性以及回收利用率。

2.2 三塔精餾工藝分析

隨著甲醇精餾工藝的發展，三塔精餾工藝開始出現，并因為其精餾效果更佳，所以在現代化工領域被廣泛運用。該精餾工藝與雙塔精餾工藝相比，其最大的區別在于使用的裝置不再是精餾塔，而是加壓塔與常壓塔。同時該技術的另一優勢在于進一步降低了甲醇精餾過程中的能源消耗，更符合節能要求。該精餾工藝具體程序為：①粗甲醇預熱后進入精餾塔，而預熱后溶解于粗甲醇中的低沸點雜質則由精餾塔頂部精餾出并被送進燃料管網；②精餾塔底部出來的物料被塔釜泵加壓，之后進入加壓塔；③加壓塔內產生的甲醇蒸汽從塔頂散出，然后經過冷凝流入回流槽內并被分解成精甲醇以及甲醇水容易，其中精甲醇會被存儲到甲醇混合灌，而甲醇水容易則進入常壓塔；④常壓塔會對甲醇溶液中的異丁基油進行抽出操作，從而使低于水費點的雜質能夠被分離出塔，而另外一部分廢水則從塔底排除并最終進入廢水處理系統［3］。

2.3 四塔精餾工藝分析

該精餾工藝則是在三塔精餾工藝基礎上進一步發展出來的，其主要在精餾過程中增設了一種回收塔處理工藝。四塔精餾工藝的具體程序為：①粗甲醇經過加壓和預熱到75℃之后被送進預精餾塔；②精餾塔塔頂同樣采取兩級冷凝技術將冷凝后的冷凝液與洗滌水回流，同時對甲醇水進行加壓，再與加壓塔塔釜內的甲醇水換熱，之后再進入加壓塔；③塔頂的蒸汽在冷凝后進入回流罐，再進行加壓處理，隨后就可以得到一部分精甲醇，而另一部分加壓后的冷凝液則在塔頂進行回流；④回流的冷凝液進一步在常壓塔內進行精餾并得到剩余甲醇，同時塔釜水則分兩部分分別進入預精餾塔和廢水處理系統［4］。

3 甲醇精餾工藝的優化分析

上述幾種甲醇精餾工藝從雙塔到四塔本身就是一個不斷優化完善的過程。而針對當前甲醇精餾工藝的實際情況分析，其工藝的優化則需要針對精餾過程中的細節進行把控，如此方能使精餾工藝更為科學化，切實提升精餾效率和品質。具體而言，甲醇精餾工藝的優化可以圍繞以下幾方面展開：

一是要優化壓力和溫度的控制。在當前的甲醇精餾工藝中，加壓塔與常壓塔的使用已經十分普遍。鑒于這兩種裝置的具體功能和在精餾工藝中的用途，就需要我們對精餾操作中加壓塔與常壓塔內的壓力和溫度進行有效控制，并優化其控制方法和參數。一方面，溫度控制可以針對不同裝置采取不同控制方法。其中加壓塔內的溫度可以采用蒸汽進行控制，而常壓塔內的溫度則可以利用加壓塔產生的甲醇氣進行控制。而在壓力控制方面，則可以利用兩種裝置運行中所產生的壓力與溫度進行互相調節。通過壓力與溫度控制操作的優化，能夠明顯提升輕重組分處理分離的效率和質量。

二是要對精餾塔回流比例加以優化。在甲醇精餾工藝中，精餾塔的回流量在一定程度上決定了塔頂的傳熱情況，所以對其回流比例的優化控制也是十分關鍵的。具體而言，其回流量與采出量比例應該在2.3～2.8，并且需要根據催化劑使用情況來實施動態化調整，以確保其回流比例能夠始終保持在合理范圍內。

三是優化甲醇油的采出控制。在甲醇油采出情況的優化控制方面，需要結合甲醇油自身的成分特點加入一定量的萃取水，并把控好精餾負荷程度，從而達到精餾工藝的優化。

四是優化塔頂溫度與進料控制。在精餾工藝中，塔頂溫度會對塔底殘液中的甲醇含量產生影響，一旦溫度超出合理范圍，就會使殘液中的甲醇含量升高，降低其精餾效率。因此在實際操作中需要優化塔頂溫度與進料量控制，保證其溫度適中處于合理范圍內。

4 甲醇精餾工藝中塔器的優化設計

作為甲醇精餾工藝的實現基礎，其精餾中各種塔器的運用是十分關鍵的。對此，就需要專門針對其塔器進行優化設計。

4.1 科學確定塔器理論級數優化塔器選擇

隨著甲醇精餾工藝的發展，其配套的精餾裝置也不斷推陳出新，到今天已經出現了許多精餾裝置，且不同裝置之間的尺寸也存在較大差異，因此在對塔器進行優化設計的過程中，首先就需要解決塔器的科學選擇問題。如果塔器選擇超出實際精餾需求，則會造成資源浪費，但如果無法滿足蒸餾需求，則會嚴重影響精餾能力，從而使精餾出的甲醇產品難以達到相應的質量標準。基于此，針甲醇精餾工藝的塔器選擇就需要形成一種專門的理論級數模型，然后結合實際生產需求對照模型挑選出最合適的精餾塔器。在理論級數模型的構建方面，可以采用PRO／Ⅱ工藝模擬程序，并NRTL熱力學計算模型作為構建方法，再結合Shortcut模塊對各種塔器分離所需的最小理論級數進行計算，最終就可以得到各種塔器的理論級數與相應的操作條件。［5］具體如表1所示。

表1 工藝模擬計算優化的各塔理論級數與主要操作參數

根據上述塔器理論級數與相關操作參數，實際塔器優化設計的過程中，只需要根據裝置情況進一步調整粗醇組成與流量，就可以實現更為高效的甲醇精餾，并幫助企業有效減少實際生產中的相關成本。

4.2 各類塔器的優化設計

現階段甲醇精餾工藝中所使用的裝置基本都包含預精餾塔、加壓塔、常壓塔，因此在確定理論級數模型并選擇塔器之后，同樣需要對各類塔器進行針對性的優化設計。

在預精餾塔的優化設計方面，因為該塔器在分離粗甲醇輕組分方面具有重要作用，所以需要通過塔盤的運用來提升該裝置的精餾效能。這是因為精餾工藝中的提餾段通常會留存有少量液蠟，所以會對填料表面的液相掛膜產生影響，但塔盤的使用則能夠起到良好的混合作用，促進堿液與酸性物質間產生良好反應。

在加壓精餾塔的優化設計方面，可以通過規整填料的方式來對其進行優化。這是因為加壓塔本身對理論級數要求不高，也對塔釜物料的純度沒有過多要求，所以在塔釜中進行規整填料就可以通過減少塔高來達到良好的優化效果。此外，在全塔中使用塔盤也是一個有效的優化設計。而在規整填料的具體實現上，則可以通過在塔釜上設置進料口來達到目的，如此既能夠達到優化效果，又不會對原有工藝的操作產生影響。

在常壓精餾塔的優化設計方面，此處建議采取與汽提塔進行復合的方式。這是因為這兩種塔器在結構上差別不大，同時兩種塔器對理論級數的要求都較高，因此將兩者復合可以在一定程度上同時滿足兩種塔器的工作要求，并且能夠使兩者的作用得到最大化的發揮，進而提升精餾工藝水平。

5 結語

綜上所述，甲醇精餾工藝雖然經過長時間的發展已經取得了許多成果，尤其在塔器的開發上誕生出諸多類型，但其實際工藝操作仍有進一步優化的空間。一方面，甲醇精餾工藝本身就可以通過壓力和溫度控制、回流比例、甲醇油采出控制以及塔頂溫度與進料控制的優化來實現更高水平的精餾，另一方面對其塔器的優化設計也可以促進精餾工藝水平的提升。因此，化工領域在實踐中必須繼續保持對甲醇精餾工藝的研究，確保甲醇精餾水平的持續發展。