王 棟

(同煤廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西 大同 037003)

甲醇是應(yīng)用最為廣泛的有機(jī)原料及有機(jī)溶劑之一，在我國(guó)主要是通過煤炭來合成甲醇[1]。蒸餾過程是化工領(lǐng)域中應(yīng)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(diǎn)及耗能大戶，精餾工藝的優(yōu)劣直接關(guān)系到甲醇產(chǎn)品質(zhì)量及全流程的能耗[2]。因此，通過分析工藝流程的特點(diǎn)與不足，改進(jìn)精餾工藝，實(shí)現(xiàn)精餾過程的節(jié)能降耗顯得尤為重要。

1 甲醇四塔精餾工藝

1.1 流程簡(jiǎn)述

就甲醇精餾技術(shù)的發(fā)展來看，經(jīng)歷了從單塔到四塔精餾工藝。其中，單塔精餾精甲醇的質(zhì)量不高且塔底廢水很難達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)；雙塔工藝增加了主精餾塔，精甲醇全部經(jīng)過主精餾塔采出，能降低塔底廢水中的重組分含量，還能產(chǎn)出高質(zhì)量的精甲醇，滿足工業(yè)上的要求；三塔精餾是在雙塔的基礎(chǔ)上，將主精餾塔拆成兩個(gè)塔，形成雙效精餾，做到有效利用流程中的熱能，而且大大節(jié)省冷凝水的消耗。

為進(jìn)一步減少?gòu)U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(chǔ)上加裝回收塔形成四塔回收工藝。其具體工藝流程為：預(yù)精餾塔通過兩次冷凝分離出其中的輕組分，預(yù)塔塔底出料經(jīng)常壓塔進(jìn)料換熱后經(jīng)加壓泵進(jìn)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(huì)在預(yù)塔塔頂補(bǔ)充一定量的萃取水，而且回收塔的進(jìn)料一般來自常壓塔塔底或者常壓塔的側(cè)線，經(jīng)過回收塔后，甲醇經(jīng)過進(jìn)一步的回收，塔底采出達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)

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

2 甲醇四塔精餾工藝的優(yōu)化與改進(jìn)

四塔工藝可以進(jìn)一步減少?gòu)U水出料及雜醇油出料中甲醇的含量，且流程操作簡(jiǎn)單，節(jié)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(jìn)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(shè)備耐壓要求高，增加了設(shè)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?；诖?，為了減小甲醇四塔精餾工藝的不足及對(duì)操作能耗的影響，通過全面分析研究，決定對(duì)加壓塔、常壓塔進(jìn)行改進(jìn)，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(jìn)

甲醇精餾四塔工藝是工業(yè)上應(yīng)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(jiǎn)單且節(jié)能效果明顯，但操作壓力對(duì)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(shí)踐綜合分析，同時(shí)基于甲醇易燃易爆化學(xué)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(jié)能，從而達(dá)到純度較高及節(jié)能潛力較大的雙贏目標(biāo)。

2.2 常壓塔的改進(jìn)

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(dá)到了40 ℃，因此，可對(duì)常壓塔采用熱泵-中間再沸器節(jié)能優(yōu)化，以大幅度降低塔釜再沸器負(fù)荷，減少新鮮蒸汽用量。

2.3 改進(jìn)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(jié)能，以及對(duì)常壓塔采用熱泵-中間再沸器節(jié)能優(yōu)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(jīng)過相應(yīng)壓縮機(jī)壓縮后，溫度提高，再分別通過二者相對(duì)應(yīng)的不同換熱器給粗甲醇進(jìn)料預(yù)熱及預(yù)精餾塔塔底部分回流換熱，進(jìn)一步利用余熱以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

3 甲醇四塔精餾熱泵工藝的操作條件優(yōu)化

利用Aspen plus 流程模擬軟件，可以從如下兩個(gè)方面對(duì)新工藝進(jìn)行優(yōu)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?jī)?yōu)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(shí)，加壓塔塔底出料中甲醇濃度越大，熱泵節(jié)能的效果就越好，加壓塔的操作費(fèi)用越小。然而，加壓塔塔底出料作為常壓塔的進(jìn)料，故相應(yīng)的常壓塔的塔頂采出就要增加，常壓塔的操作費(fèi)用就會(huì)增大。因此，可以看出，操作條件存在一個(gè)最優(yōu)點(diǎn)。

利用Aspen 流程模擬軟件分別對(duì)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(jìn)行模擬可知，不同采出量下流程的操作費(fèi)用(操作費(fèi)用=蒸汽費(fèi)用+用電費(fèi)用+冷凝水費(fèi)用)不同，具體為，剛開始隨著采出量的增加而降低，但當(dāng)采出量增加到某一個(gè)點(diǎn)時(shí)，操作費(fèi)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(fèi)用曲線

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

3.2 常壓塔中間采出量?jī)?yōu)化

中間采出量是決定流程能耗的一個(gè)關(guān)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(jī)的壓縮比會(huì)增大，耗電量增多，從而在很大程度上增加了操作費(fèi)用，但是由于中間采出的增加，相應(yīng)的塔底蒸汽消耗會(huì)降低。因此，理論上存在一個(gè)最優(yōu)點(diǎn)，即操作費(fèi)用最小時(shí)的中間采出量。

利用Aspen 流程模擬軟件分別對(duì)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(jìn)行模擬可知，不同中間采出量下流程的操作費(fèi)用(操作費(fèi)用=蒸汽費(fèi)用+用電費(fèi)用+冷凝水費(fèi)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(fèi)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(shí)，流程的操作最優(yōu)。

4 結(jié)語

蒸餾過程是十分復(fù)雜的化工單元過程。從本文以上分析可知，四塔工藝可以進(jìn)一步減少?gòu)U水出料及雜醇油出料中甲醇的含量，且流程操作簡(jiǎn)單，節(jié)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(duì)加壓塔、常壓塔進(jìn)行改進(jìn)，提出一種新的甲醇四塔精餾工藝——甲醇精餾熱泵工藝，同時(shí)利用Aspen plus 流程模擬軟件，從兩個(gè)方面對(duì)新工藝進(jìn)行優(yōu)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(shí)，常壓塔中間采出量為19 800 kg/h 時(shí)，流程的操作最優(yōu)。總之，甲醇精餾熱泵工藝相對(duì)于四塔工藝，大幅度降低了能耗，值得進(jìn)一步深入研究并推廣應(yīng)用[3]。