一種新型多效四塔精餾甲醇工藝流程研究

崔秋娟

(陜西國防工業職業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)、醫藥、農藥、染料、合成蛋白質等工業生產，并且與其他物質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裝置的最后一道工序，其能耗約占甲醇生產總能耗的20%左右[3]，甲醇精餾技術的好壞直接影響精甲醇的質量，因此選擇適合企業生產需要的精餾技術，是降低成本、節能降耗、提高企業經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]。結果表明：該工藝合理、可靠、具有較好的經濟價值。

1 甲醇精制工藝

目前國際和國內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的典型性?！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物進行處理，以得到較純的甲醇產物，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、輕質有機物、酸脂類物質和二甲醚等物質。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，預處理液中的重質有機物，從主處理塔的中部側線采出，主處理塔塔頂產出合格的甲醇產品。 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，產品質量參差不齊。

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，一部分作為產品流入產品緩沖罐，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，一部分作為產品流入產品緩沖罐，一部分作為回流返送到塔Ⅱ中。塔Ⅱ底排出的廢液經泵加壓后送往污水處理廠。

與雙塔工藝相比，三塔工藝優勢在于顯著降低了能量消耗，提高能量的利用率，且產品質量穩定。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，一部分作為產品流入產品緩沖罐，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，一部分作為產品流入產品緩沖罐，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，一部分作為產品流入產品緩沖罐，一部分作為回流返送到常壓塔(T-104)中。在常壓塔(T-104)中下部采出側線，抽取富集在塔內的油類物質。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過處理后大部分都變成了產品，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，四塔流程優于三塔流程。

圖1 甲醇四塔多效工藝流程圖

3 原料基礎數據

本文依據四塔多效工藝流程，模擬計算選取國內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 模擬結果

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

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)各股產品物流中甲醇的質量分數也可通過計算軟件得到：

加壓塔(T-102)產品：99.9886%;

中壓塔(T-103)產品：99.9996%;

常壓塔(T-104)產品：99.9999%。

三股產品都在甲醇緩沖罐中混合，得到最終的產品，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據和各股物流數據參數。從數據來看，使用四塔多效工藝不僅行得通，且節約大量熱量，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)均有合格的甲醇產品產出，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，節約能源的同時降低生產成本。

(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過處理后大部分都變成了產品，收率顯著提升。

6 結 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、操作參數進行比較，選取最優值。甲醇四塔多效工藝方案合理、可靠、具有較強的實用價值，其產品質量優良、流程操作穩定。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、碳中和的大環境下，節約能源不僅能直接提高經濟效益，還可以減少對環境的污染，具有良好的社會意義。