200 kt/a甲醇精馏系统的优化设计

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(1.新疆化工设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830006；2.新疆大学物理科学与技术学院，新疆 乌鲁木齐 830046)

0 前 言

甲醇是一种基础化工原料，在本研究中，作为甲基化剂生产甲醛，以供应下游BDO装置。在甲醛生产过程中，甲醇原料的质量是其关键控制因素；鉴于此，本文探讨200 kt/a甲醇装置精馏系统的优化设计，以期满足甲醛生产对原料甲醇品质的要求。在甲醇精馏工艺模拟过程中，产品甲醇质量参考取值范围比较苛刻的GB 338-2011国标优等品及美国联邦AA级标准。

本文针对装置的实际要求，基于Aspen Plus软件对四塔精馏过程进行全流程模拟；对塔温、塔压、塔顶回流比、进料位置、进料温度进行优化分析以确定其最佳操作参数；提出双效精馏模型，将加压塔塔顶气用作常压塔再沸器热源，将各再沸器凝水用于塔进料预热，优化其换热网络；并运用EDR软件，对装置中的换热器进行选型计算。

1 设计基础资料

(1)产品规模 200 kt/a精甲醇

(2)年操作时间 7 200 h

(3)生产方式 连续生产

(4)操作弹性 60%～110%(负荷)

(5)原料粗甲醇成分(见表1)

表1 原料粗甲醇成分表 %(wt)

2 甲醇精馏系统模拟计算

2.1 工艺流程(图1)概述

粗甲醇经预热器加热后进入预精馏塔，塔顶不凝气冷却后送出装置，塔底出料进入加压塔。加压塔塔顶气相温度约127 ℃，去常压塔再沸器作热源，冷凝液部分回流，另一部分作为精甲醇产品送出。加压塔塔底出料进入常压塔，常压塔塔底排出废水，塔顶精甲醇产品送出。常压塔侧线采出液进入回收塔，回收塔塔底废水送出装置，回收塔侧线采出杂醇油送出装置，塔顶甲醇蒸气冷却后送回常压塔。常压塔塔底0.8 MPa(G)蒸汽冷凝液作为预精馏塔和加压塔预热器热源，以回收能量。

图1 甲醇精馏四塔工艺流程简图

2.2 模型建立及热力学方法

粗甲醇属于非极性体系，可选的物性方法有WILSON、NRTL、UNIQUAC等。据文献及现有装置模拟分析，预精馏塔及加压塔采用UNIQUAC热力学方法，常压塔及回收塔选用NRTL热力学方法。精馏选用Radfrac严格法精馏模型，换热器选用HeatX模型，回流罐选用Flash模型，输送泵选用Pump模型。

计算过程采用Sensitivity及Optimization优化工具对各塔塔板数、进料位置、温度、压力、回流比等操作参数进行优化设计。

2.3 工艺过程模拟计算

运用Aspen Plus软件对甲醇精馏四塔工艺过程进行全流程模拟，结果见表2。

通过物料衡算，参照GB 338-2011国标优等品质量要求，对本设计进行对标分析可以知道，产品指标均达到要求；精甲醇产品纯度为99.99%(wt)、甲醇收率为99.67%、蒸汽单耗为1.09 t、循环冷却水单耗为83.24 t，装置能耗水平达到国内先进水平。对标结果详见表3。

3 设备选型计算

3.1 精馏塔器

运用Aspen Plus软件Tray Sizing及Pack Sizing模块对精馏塔器进行初步选型计算，结果见表4。

表2 甲醇精馏装置工况及物料平衡表

表3 甲醇精馏装置模拟计算值对标表

表4 甲醇精馏塔器选型计算表

3.2 换热器

运用EDR软件，对换热器进行初步选型计算，结果见表5。

表5 换热器选型计算表

注：换热器主要材质均为CS(碳钢)。

4 总 结

(1)通过模拟优化设计，本四塔甲醇精馏装置生产的精甲醇纯度高、收率高；装置能耗低，蒸汽单耗仅为1.09 t，循环冷却水单耗为83.24 t；环保水平高，废水中甲醇含量仅为12×10-6，远低于30×10-6的限额。

(2)全流程模拟中，选择了合适的热力学模型及设备模型，采用优化工具对操作参数进行处理，以降低能耗，并得出了优化的设计方案。

(3)方案设计过程中，采用双效精馏及换热网络优化，降低了再沸器蒸汽用量，保证了蒸汽单耗低于1.2 t的限额。

(4)精馏塔器及换热器选型计算，提供了可供参考的设备选型方案。总而言之，本研究可为甲醇精馏系统的设计提供较为完备的工艺包。

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