胡 林，廖 煜，戴 軍，李澤陽，萬恒霄

(貴州理工學院 化學工程學院，貴州 貴陽 550003)

甲醇是一種簡單的一元醇類，其既可作為基本有機化工原料用于生產甲醛、乙酸、甲硫醇等化工產品[1]，又可作為煤化工中間產品，生產低碳烯烴等物質，還可作為燃料直接使用，或通過催化反應制備二甲醚、汽油等燃料[2]。故其在有機化工、石油化工、能源等領域有著廣泛的應用。我國煤碳資源豐富，國內甲醇主要以煤為原料生產獲得[3]。

1 甲醇精制工藝簡介

甲醇合成工藝有高壓法、中壓法、低壓法[4]，目前我國大型煤制甲醇裝置以中、低壓法合成工藝為主，其將來自煤氣化工序的粗合成氣經變換、凈化后進入甲醇合成塔，在一定溫度、壓力下反應生成甲醇，冷卻后的粗甲醇進入精餾工序精制[5]。甲醇精餾工藝有單塔法、雙塔法、三塔法及四塔法[6]，在規(guī)?；状忌a中一般采用三塔法、四塔法精制工藝。其中三塔精餾工藝主要由預精餾塔、加壓塔和常壓塔構成[7]，加壓塔和常壓塔設計為雙效精餾，以降低生產能耗[8]。該工藝流程簡圖如下[9]：

圖1 甲醇三塔精餾工藝圖

來自上游工序的粗甲醇經加熱后進入預精餾塔，脫除不凝氣、二甲醚等輕組分后經泵加壓后送入加壓塔，加壓塔塔頂采出部分合格甲醇，塔釜的甲醇溶液繼續(xù)進入常壓塔進行再次精餾，常壓塔塔頂也可獲得合格甲醇，而塔釜主要為廢水。常壓塔塔釜熱源為加壓塔塔頂二次蒸汽，預精餾塔、加壓塔塔釜熱源為低壓蒸汽[10-11]。

2 甲醇三塔精餾模型

為研究甲醇三塔精餾工藝，以某四十萬噸/年甲醇精制工序為基礎，利用Aspen建立三塔精餾模型，其中粗甲醇組成如表1所示：

表1 粗甲醇組成

表2 甲醇精餾系統(tǒng)各塔操作條件

甲醇精制過程中涉及水、甲醇、雜醇、輕餾份、乙醇等物質，綜合考慮體系的物質組成、溫度、壓力，并參考相關文獻[12]，本模擬采用Wilson物性方法。精制工序涉及塔器較多，模擬中先采用DSTUW模型獲得初步條件后再使用RadFrac模型進行詳細計算。由于加壓塔、常壓塔構成雙效精餾，在初步設計中可通過調整加壓塔塔頂甲醇回收率獲得雙塔塔板數、回流比等操作條件。經計算各塔操作條件如表2所示。

在對甲醇精餾工藝進行詳細模擬時，為簡化模型，加速收斂，可通過Aspen自帶的全局設計規(guī)定(Design Specs)模塊實現(xiàn)雙效精餾[13]。同時通過RadFrac模型的設計規(guī)定模塊調節(jié)回流比等參數保證產品甲醇質量純度達到99.8%，具體模擬流程如下：

圖2 甲醇三塔精餾系統(tǒng)模擬流程圖

在三塔精餾工藝過程中，不但要控制加壓塔、常壓塔塔頂甲醇純度，而且也要控制常壓塔塔釜廢水醇含量，以滿足各項工藝要求。故本模擬在保證塔頂甲醇純度達標的情況下，對常壓塔塔釜甲醇含量、側線采出量與精餾塔塔系冷、熱負荷、廢水組成之間的關系進行了探索。

3 結果與討論

圖3 常壓塔塔釜甲醇含量對加、常壓塔冷、熱負荷影響

圖3為常壓塔塔釜甲醇濃度與塔系冷、熱負荷的關系圖，其中熱負荷為加壓塔塔釜再沸器熱量，冷負荷為加壓塔塔頂冷卻器、常壓塔塔頂冷凝器、冷卻器熱量之和。由圖3可知，隨著常壓塔塔釜甲醇濃度增加，塔系的冷、熱負荷逐漸降低，當甲醇濃度由0.001%增加至0.01%時，冷、熱負荷需求均減少了17.9kW。在實際生產中可控制常壓塔塔釜甲醇濃度為0.01%，以降低能耗和廢水處理成本。

圖4為不考慮側線采出情況下，常壓塔塔釜甲醇、乙醇、雜醇濃度關系圖，由圖4可知若無側線采出的情況下，常壓塔塔釜雜醇含量隨甲醇含量的增加逐漸減小，乙醇含量則隨著甲醇含量的增加而增加。當甲醇濃度為0.01%時，釜液中乙醇含量為0.0005%，雜醇含量為2.366%。由于雜醇濃度過高，不符合工藝生產需求，需采用側線采出等方式降低雜醇含量，以滿足廢水排放標準。

圖4 常壓塔塔釜甲醇含量對雜醇、乙醇的影響

圖5 常壓塔液相中雜醇、乙醇濃度

由圖5可知，常壓塔塔內液相中雜醇的濃度自塔頂向塔釜呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，其中精餾段(2～24塊板區(qū)域)，雜醇濃度一直維持較低水平，而提餾段(25-39塔板區(qū)域)雜醇濃度則普遍較大，其最終在第37塊理論板位置達到最大濃度。塔內乙醇濃度在精餾段和提餾段均呈現(xiàn)先增加后減趨勢，其中提餾段第29塊理論板位置濃度達到最大。結合塔內液相雜醇、乙醇分布情況，可在第34～37塊理論板位置設置側線采，其中最優(yōu)側線采出口為第37塊理論板位置。

圖6 常壓塔側線采出量與雜醇濃度關系

由圖6可知，當側線采出量小于200kg/h時，側線采出中雜醇含量隨著采出量的增加迅速增加，而塔釜雜醇濃度則呈線性降低，此時側線采出中雜醇濃度基本維持在51%左右。當側線采出量大于200kg/h時，側線中雜醇含量及塔釜雜醇濃度變化速率減緩，此時繼續(xù)增加側線采出量并不能有效降低塔釜雜醇濃度。

圖7 常壓塔側線采出量對塔系熱負荷的影響

由圖7可知，隨著側線采出量的增加，塔系冷負荷持續(xù)降低，而熱負荷則呈現(xiàn)先增后減趨勢，當采出量為205kg/h時，熱負荷達到最大(16038.5kW)，此時冷負荷為17217.1kW。綜合考慮側線采出量對雜醇和熱負荷的影響，可在運行中控制側線采出量為300～350kg/h。

3 結論

采用三塔精餾工藝精制甲醇時，常壓塔塔釜甲醇含量對精餾塔塔系冷、熱負荷、塔釜乙醇、雜醇含量均有影響，在實際操作中可根據廢水處理工藝要求進行調節(jié)。由于粗甲醇中雜醇含量較高，可通過側線采出的方式降低常壓塔塔釜雜醇濃度，根據常壓塔液相中雜醇濃度變化趨勢，最優(yōu)采出位置為常壓塔第37塊理論板處。常壓塔側線采出量會影響精餾塔塔系冷、熱負荷及塔釜、側線采出中雜醇濃度，在實際操作中可以根據需要調節(jié)側線采出量控制塔釜雜醇濃度。