甲醇四塔精餾熱泵新工藝及其操作條件優化

王 棟

(同煤廣發化學工業有限公司，山西 大同 037003)

甲醇是應用最為廣泛的有機原料及有機溶劑之一，在我國主要是通過煤炭來合成甲醇[1]。蒸餾過程是化工領域中應用最多的分離手段。在煤制甲醇中，精餾是指將精甲醇從粗甲醇中分離的過程，且精餾過程是煤化工操作中的重點及耗能大戶，精餾工藝的優劣直接關系到甲醇產品質量及全流程的能耗[2]。因此，通過分析工藝流程的特點與不足，改進精餾工藝，實現精餾過程的節能降耗顯得尤為重要。

1 甲醇四塔精餾工藝

1.1 流程簡述

就甲醇精餾技術的發展來看，經歷了從單塔到四塔精餾工藝。其中，單塔精餾精甲醇的質量不高且塔底廢水很難達到排放標準；雙塔工藝增加了主精餾塔，精甲醇全部經過主精餾塔采出，能降低塔底廢水中的重組分含量，還能產出高質量的精甲醇，滿足工業上的要求；三塔精餾是在雙塔的基礎上，將主精餾塔拆成兩個塔，形成雙效精餾，做到有效利用流程中的熱能，而且大大節省冷凝水的消耗。

為進一步減少廢水出料及雜醇油出料中甲醇的含量，在甲醇三塔工藝的基礎上加裝回收塔形成四塔回收工藝。其具體工藝流程為：預精餾塔通過兩次冷凝分離出其中的輕組分，預塔塔底出料經常壓塔進料換熱后經加壓泵進入加壓塔，通過控制加壓塔和常壓塔的采出比例，形成雙效精餾，減少蒸汽和冷凝水消耗。甲醇四塔精餾工藝一般會在預塔塔頂補充一定量的萃取水，而且回收塔的進料一般來自常壓塔塔底或者常壓塔的側線，經過回收塔后，甲醇經過進一步的回收，塔底采出達到排放標準的廢水。甲醇四塔精餾工藝流程第82頁圖1所示。

圖1 甲醇四塔精餾工藝流程

1.2 流程特點

四塔流程共有粗甲醇、雜醇油、萃取水三股進料，從進料開始依次為預精餾塔、加壓塔、常壓塔和回收塔，符合國家標準的精甲醇產品通過加壓、常壓和回收塔的塔頂采出。進料的組分中主要有水、甲醇/乙醇、溶解氣(以CO2為主)等，高級醇和高級烷烴的含量很少；出料有塔頂精甲醇產品、塔底廢水及側線雜醇油6股出料。

2 甲醇四塔精餾工藝的優化與改進

四塔工藝可以進一步減少廢水出料及雜醇油出料中甲醇的含量，且流程操作簡單，節能效果明顯，但該工藝存在一定的不足：如，加壓塔塔釜再沸器需要很高品位的蒸汽進行加熱；加壓塔操作壓力過高，增加了分離的難度；常壓塔塔頂蒸汽的冷凝潛熱未得到有效的利用；設備耐壓要求高，增加了設備投資；常壓塔塔頂冷凝水消耗量較大，占全流程消耗量的60%以上等。基于此，為了減小甲醇四塔精餾工藝的不足及對操作能耗的影響，通過全面分析研究，決定對加壓塔、常壓塔進行改進，提出一種新的甲醇四塔精餾工藝，具體如下：

2.1 加壓塔的改進

甲醇精餾四塔工藝是工業上應用較為成熟的一種工藝，主要原理為通過提高加壓塔的壓力與常壓塔形成雙效精餾，其流程操作簡單且節能效果明顯，但操作壓力對甲醇純度的影響較大，壓力越大，甲醇純度越低，即操作壓力高不利于物系的分離。因此，通過理論及實踐綜合分析，同時基于甲醇易燃易爆化學品的特性，可將甲醇四塔精餾工藝中的加壓塔改成常壓操作，并采用熱泵節能，從而達到純度較高及節能潛力較大的雙贏目標。

2.2 常壓塔的改進

加壓塔塔頂塔釜溫差小，僅為8 ℃，塔頂蒸汽潛熱小，而常壓塔具有很高的塔頂塔釜溫差，達到了40 ℃，因此，可對常壓塔采用熱泵-中間再沸器節能優化，以大幅度降低塔釜再沸器負荷，減少新鮮蒸汽用量。

2.3 改進后的甲醇四塔精餾熱泵新工藝

通過將甲醇四塔精餾工藝中的加壓塔改成常壓操作，并采用熱泵節能，以及對常壓塔采用熱泵-中間再沸器節能優化，提出一種新的甲醇四塔精餾工藝——甲醇精餾熱泵工藝，具體流程如圖2所示。

圖2 甲醇四塔精餾熱泵新工藝

由圖2可知，甲醇精餾熱泵工藝中加壓塔改為常壓操作，加壓塔、常壓塔塔頂氣相經過相應壓縮機壓縮后，溫度提高，再分別通過二者相對應的不同換熱器給粗甲醇進料預熱及預精餾塔塔底部分回流換熱，進一步利用余熱以實現節能。

3 甲醇四塔精餾熱泵工藝的操作條件優化

利用Aspen plus 流程模擬軟件，可以從如下兩個方面對新工藝進行優化，得出最佳的操作條件。

3.1 加壓塔與常壓塔精甲醇采出量優化

加壓塔塔底出料的甲醇含量是由塔頂精甲醇采出量決定的，二者成反比。同時，加壓塔塔底出料中甲醇濃度越大，熱泵節能的效果就越好，加壓塔的操作費用越小。然而，加壓塔塔底出料作為常壓塔的進料，故相應的常壓塔的塔頂采出就要增加，常壓塔的操作費用就會增大。因此，可以看出，操作條件存在一個最優點。

利用Aspen 流程模擬軟件分別對7種不同采出量(采出量范圍為19 000 kg/h ～25 000 kg/h，變化梯度為1 000 kg/h)進行模擬可知，不同采出量下流程的操作費用(操作費用=蒸汽費用+用電費用+冷凝水費用)不同，具體為，剛開始隨著采出量的增加而降低，但當采出量增加到某一個點時，操作費用反而迅速升高，具體為圖3所示。

圖3 不同采出量下操作費用曲線

由圖3可知，通過分析整個流程的冷凝水、加熱蒸汽及電量消耗，當采出量為24 000 kg/h 時，流程公用工程消耗較少，操作費用最低。也就是說，加壓塔塔頂精甲醇采出量為24 000 kg/h 時，為流程的最優化操作點。

3.2 常壓塔中間采出量優化

中間采出量是決定流程能耗的一個關鍵因素。如前所述，常壓塔塔中第57塊板與塔頂之間的溫差僅為10 ℃，隨著采出量的增加，壓縮機的壓縮比會增大，耗電量增多，從而在很大程度上增加了操作費用，但是由于中間采出的增加，相應的塔底蒸汽消耗會降低。因此，理論上存在一個最優點，即操作費用最小時的中間采出量。

利用Aspen 流程模擬軟件分別對6種不同中間采出量(中間采出量范圍為15 000 kg/h ～20 000 kg/h，變化梯度為1 000 kg/h)進行模擬可知，不同中間采出量下流程的操作費用(操作費用=蒸汽費用+用電費用+冷凝水費用)不同，具體為隨著中間采出量的增加而降低，具體為圖4所示。

圖4 不同中間采出量下操作費用曲線

通過綜合分析考慮，常壓塔中間采出量為19 800 kg/h 時，流程的操作最優。

4 結語

蒸餾過程是十分復雜的化工單元過程。從本文以上分析可知，四塔工藝可以進一步減少廢水出料及雜醇油出料中甲醇的含量，且流程操作簡單，節能效果明顯，但該工藝存在一定的不足。為此，通過全面分析研究，決定對加壓塔、常壓塔進行改進，提出一種新的甲醇四塔精餾工藝——甲醇精餾熱泵工藝，同時利用Aspen plus 流程模擬軟件，從兩個方面對新工藝進行優化，得出了最佳的操作條件，即加壓塔塔頂精甲醇采出量為24 000 kg/h 時，常壓塔中間采出量為19 800 kg/h 時，流程的操作最優。總之，甲醇精餾熱泵工藝相對于四塔工藝，大幅度降低了能耗，值得進一步深入研究并推廣應用[3]。